繼上期我們了解了會“隱身”的兩性離子聚合物這種神奇的高分子材料，這種高分子材料在生物醫學領域具有豐富的應用前景。本期#技術領域解析，將為您介紹另一種在生物醫學領域具有廣泛用途的材料—層狀雙金屬氫氧化物。內容精彩，不容錯過！

定義和組成

層狀雙金屬氫氧化物( layered double hydroxides，LDHs)是一種主客層材料，是一類由兩種或兩種以上金屬元素組成的金屬氫氧化物，結構由主層板和層間的陰離子及水分子相互交疊構成[1]。

 LDHs結構示意圖（頂部）和周期表（底部）。已報道的進入或錨定在LDH層上的金屬元素以紅色突出顯示[2]。

如圖所示，LDHs的化學式一般描述為[M1-x2+ Mx3+（OH）2]x+[An-]x/n·mH2O，其中M2+（例如Mg2+、Ca2+、Mn2+、Fe2+、Co2+、Ni2+、Cu2+或Zn2+）和M3+（例如Al3+、 Cr3+、Mn3+、Fe3+、Co3+、 Ga3+、In3+或Gd3+）代表位于主板層的二價和三價金屬陽離子，An-代表存在于層間區域的可交換陰離子（例如NO3-、CO32-、Cl-等），用于中和層的正電。X由M3+/（M2+ + M3+）摩爾比決定。通過改變金屬陽離子的類型、電荷和比例、層間陰離子的電荷和方向以及水分子的相對含量，可以對LDHs的化學組成、晶體結構、尺寸、形態、層間間距和陰離子交換能力進行調整。

LDHs的發展歷史

? 1842年，Hochstetter首次從片巖中發現了天然水滑石礦物[3]。

? 1942年，Feitknecht等人通過金屬鹽溶液與堿金屬氫氧化物的反應，首次人工合成了MgAl-LDHs，并提出了一個層狀結構模型[4]。

? 20世紀70年代和80年代，Miyata等人對MgAl-LDHs的結構進行了詳細研究，并對其作為一種新型催化劑的應用進行了探索[5]。

? 20世紀90年代，人們應用現代分析技術對LDHs的結構和性質進行了更詳細的研究，充分揭示了其層狀結構的靈活性和可變性。

? 1994年，段等人率先開展了工程和產業化研究，實現了結構創新，突破了關鍵制備技術[6]。1999年，他們進一步發現了LDHs的插入特性，并成功構建了一系列基于LDHs的具有超分子插入結構的先進功能材料[7]。

? 自20世紀中期以來，LDHs由于其特殊的層狀結構、可調化學成分和吸引人的物理化學性質，在各種應用領域被廣泛探索，包括光學、能源存儲和轉換、環境修復和催化。

? 21世紀初，LDHs作為抗酸劑和抗胃蛋白酶藥物的活性成分第一次應用于生物醫學應用。從那時起，LDHs被廣泛應用于生物醫學領域。

LDH在各種生物醫學應用中的圖示，按時間順序排列

LDHs的種類和優勢

根據其組成部分，LDH基納米材料可分為三類：原始LDHs、LDH基納米復合材料和LDH衍生納米材料。具體分類如下圖所示：

LDHs在生物醫學應用方面具有的優勢:

① LDHs具有高生物相容性和低細胞毒性。例如，MgAl-LDH是商用抗胃病口服藥的主要成分之一，證明了LDH在體內的良好生物安全性。

② LDHs的插入特性以及可調節的層間間距（0.73-2.28 nm）和高比表面積（100-600m2g-1）使它們能夠裝載多種功能分子。LDHs的顆粒尺寸和/或層間間距可以通過功能分子的插入來調整，這可能會改變其性質和/或優化其在特定應用中的性能。

③ LDHs的封閉效應可以顯著提高插層分子的治療性能，穩定性和分散性，避免生物、化學和物理環境造成的破壞。

④ LDHs的正電荷有利于與帶負電荷的藥物共軛，類水滑石層豐富的羥基可以通過氫鍵進一步增加藥物負載。此外，帶正電荷的LDHs可以很容易地與帶負電荷的細胞膜（或細菌膜）相互作用，使藥物（或對細菌的殺菌劑）。在細胞內有效傳遞

⑤ LDHs具有酸敏感特性，可以在酸性環境中緩慢釋放負載的藥物分子。

⑥ LDHs的原料來源廣、成本低、合成簡單等特點使其生產容易達到噸級。此外，具有高比表面積的單層LDHs納米片也已在實驗室中大規模生產。

基于LDH的納米材料在生物醫學應用中的特性和優勢示意圖[2]

LDHs的制備和表面改性

基于LDH的納米材料可以通過不同的合成方法制備，以獲得不同的結構（如形狀、大小、厚度、結晶度）和物理化學性質（如光學和電子性質），并實現各種功能（如治療、生物成像、生物傳感、抗菌等）。

影響因素

一般來說，制備不同形態的LDHs涉及金屬鹽溶液與堿性溶液混合，受以下合成條件的影響：

(1)反應介質的pH值

(2)合成中使用的堿性溶液的濃度和性質

(3)反應溫度和時間

(4)總金屬陽離子濃度及其摩爾比

制備方法

表面改性

LDHs表面改性的目的一般有兩個：

? 提高LDHs在生理環境下的穩定性和分散性。

? 豐富LDHs的功能。

一般來說，通過化學修飾來獲得功能化的LDH基納米材料主要通過兩種策略實現：

? 非共價覆蓋

LDH基納米材料的表面可以通過非共價相互作用（靜電相互作用、氫鍵和范德華力）被某些生物分子、熒光團或聚合物（如PEG和PVP）修飾，以調整其理化性質。

? 共價共軛

使用LDHs的羥基與所需基團上的特定官能團共價偶聯，如靶向配體或熒光探針。

LDHs的生物醫學應用

● 藥物的控制釋放

LDHs較大的比表面積和可調節的層間間距可以實現藥物分子的高效負載。將藥物插入LDHs可以保護藥物分子在生理環境中的降解和失效，通過與LDHs層上的羥基作用提高其穩定性。LDHs的層狀結構可使難溶藥物進入以增加藥物的溶解度，同時LDHs的表面/空間限制效應還可以減少藥物分子的聚集，發揮最佳的治療效果。LDHs能通過獨特的“核內體逃逸”能力允許負載藥物逃離核內體，從而保護藥物保留其功能。LDHs的酸降解特性可以控制藥物釋放率，而且有利于藥物的體內清除。

● 腫瘤成像

LDHs作為各種成像方式如FLI、MRI、CT、PET等潛在造影劑受到關注。LDHs的成像對比能力可以通過加載成像功能劑或改變層的金屬元素來實現。目前，基于LDHs的ICAs（成像造影劑）可分為單模和多模ICAs。鑒于多種成像模式可以整合到單一的LDHs納米平臺上，因此可以合理地設計LDHs，使其表現出多種特征的組合，以獲得比傳統單模式成像對比劑更全面的生物信息。

● 癌癥治療

迄今為止，LDHs及其納米復合材料已經在各種癌癥治療中得到了廣泛的探索，包括傳統化療、新興光療法（光熱療法（PTT）和PDT）、基因治療、免疫治療、化學動力學治療（CDT）和聯合治療。

● 治療學

治療學是一種將疾病的診斷或監測與治療相結合的生物醫學技術。許多基于LDH的多功能治療納米平臺已經被開發出來，包括單成像模式治療和多成像模式治療。基于LDH的單模治療試劑已成功應用于化療、CDT、PDT和PTT。為了獲得更準確和全面的成像診斷信息，多模式治療技術也一直在開發中。

● 生物傳感

目前，基于LDH的生物傳感器的功能主要集中在檢測傳統的生物標志物，如過氧化氫、葡萄糖、多巴胺（DA）和蛋白質成分，具有以下特點：(1)帶正電荷的LDHs可以與生物酶通過靜電相互作用確保其均勻分布，提高它們的催化活性。(2) LDHs可以作為電催化劑、吸附劑以及固定生物分子或其他修飾劑的載體，以延長分析物與電極之間的作用時間。(3) LDHs具有良好的滲透性和孔隙率，可以提高分析物和其他反應產物的遷移率。(4) LDHs的中間層可為化學反應提供良好的微環境，保護其免受外界干擾。

● 抗菌應用

LDHs的pH敏感生物降解性和靜電相互作用下驅動的細菌吸附能力，為制備高效抗菌劑奠定了堅實的基礎。LDHs的抗菌機制包括：(1) LDHs本身作為抗菌劑。在LDHs和致病菌的相互作用過程中，LDHs中的具有抗菌活性的金屬離子會隨著菌層的溶解而緩慢釋放，從而抑制細菌的生長和繁殖。同時，特定LDHs（如Zn-LDHs、Ti-LDHs）的光催化性能和表面的大量羥基也會導致ROS的產生，從而破壞細菌的生理結構。(2) LDHs作為抗菌劑載體?？咕鷦┛梢栽趯娱g空間或裝載到LDHs表面，并從LDH載體持續釋放，以達到理想的抗菌效果。

● 組織工程

LDHs在骨修復、傷口愈合、神經再生、牙齒修復和心臟修復等方面取得了重大成果。基于LDH的組織工程材料主要有兩個功能：(1) LDH與支架材料的結合克服了原始支架材料生物活性不足的限制，可以在沒有免疫排斥的情況下替代或修復人體組織。同時，通過調整LDHs中金屬離子的組成，可以使復合支架具有成骨特性。(2)LDHs作為優秀的藥物載體，可以實現藥物/生長因子的持續釋放，不僅延長了藥物在人體組織中的作用時間，而且有效避免了藥物突發釋放引起的副作用。

LDH的生物醫學應用[8]

文獻案例

Nano Letters：鈣粘蛋白E破壞引起的腫瘤細胞分離用于治療低位結直腸癌

Low Colorectal Tumor Removal by E?Cadherin Destruction-Enabled Tumor Cell Dissociation

結腸切除術帶來的沉重的身體和心理負擔、化療中強烈的藥物毒性以及骨髓抑制等給低位結直腸癌（CRC）的治療帶來了巨大的挑戰。同濟大學施劍林院士等人開發了一種安全且有效的基于腫瘤細胞分離的低位CRC治療策略。將EDTA裝載到層狀雙氫氧化物（LDH）納米片中，制備了pH響應的LDH/EDTA納米片。在腫瘤部位的微酸性條件下，LDH納米片逐漸降解，使EDTA在腫瘤部位實現酸響應的可控性釋放。釋放出的EDTA能夠螯合鈣離子，引起連接腫瘤細胞的連接蛋白中鈣離子的耗竭，導致腫瘤細胞分離，進而促進腫瘤細胞的解聚、清除。分離的腫瘤細胞能被LDH/EDTA包裹，阻止了其與鄰近組織的再粘連，能有效預防轉移。該研究作為“腔道用微納米片再結直腸癌中的應用及臨床試驗”項目已穩步開啟，并在晚期結直腸癌患者身上取得了較好的效果。

全文：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35333538/

Advanced Materials：瘤周注射免疫調節佐劑誘導強大且安全的實體瘤金屬免疫治療

A Peritumorally Injected Immunomodulating Adjuvant Elicits Robust and Safe Metalloimmunotherapy against  Solid Tumors

雖然疫苗佐劑與炎癥細胞因子或免疫激動劑合理結合以緩解免疫抑制是一種針對實體瘤的有吸引力的治療策略，但仍然存在不可避免的非特異性毒性。本文報道了一種基于Zn2+的層狀雙氫氧化物（Zn-LDH）免疫調節佐劑，不僅能緩解免疫抑制，還能引起強大的抗腫瘤免疫。瘤周注射Zn-LDH可持續中和酸性TME，釋放豐富的Zn2+，促進由M1-腫瘤相關巨噬細胞、細胞毒性T細胞和自然殺傷細胞組成的促炎網絡。此外，腫瘤細胞內化的Zn-LDH有效破壞內/溶酶體，阻斷自噬，誘導線粒體損傷，釋放的Zn2+激活cGas-STING信號通路，誘導免疫原性細胞死亡，進一步促進腫瘤相關抗原的釋放，誘導抗原特異性細胞毒性T淋巴細胞。僅注射Zn-LDH佐劑，而不使用任何細胞毒性炎癥細胞因子或免疫激動劑，可顯著抑制小鼠實體腫瘤的生長、復發和轉移。

全文：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35986645/

參考文獻：

[1] M. Xu and M. Wei , Adv. Funct. Mater., 2018, 28 , 1802943

[2] T. Hu , Z. Gu, Gareth R. W,  et al. Chem. Soc. Rev., 2022,51, 6126-6176

[3] C. Hochstetter J. Prakt. Chem., 1842, 27 , 376

[4] W. Feitknecht and M. Gerber , Helv. Chim. Acta, 1942, 25 , 131

[5] S. Miyata , T. Kumura , H. Hatori and K. Tannabe , Nippon Kagaku Zasshi, 1971, 92 , 514 —519

[6] L. Wang , Y. Zhou , Y. Lin and X. Duan , Chem. Bull., 2011, 74 , 1074 —1083

[7] X. Xu , Y. Lin , D. G. Evans and X. Duan , Sci. China Chem., 2010, 53 , 1461 —1469

[8] Ameena Shirin. V. K, Sankar, R,Johnson, A. P, et al, J. Control .Release., 2021,330, 398-4262, 25 , 131