继四种镁结合型纳米颗粒及其制备方法之后，本期#材料轻Talk之元素系列，我们将展开探讨它在生物医药领域的应用前景，并带来精选相关文献介绍。欢迎文末留言参与讨论！

镁结合型纳米颗粒的
生物医学应用

肿瘤治疗

H2可以选择性清除羟基自由基（·OH）和过氧亚硝酸根阴离子（ONOO-），打破细胞内氧化还原平衡，诱导肿瘤细胞凋亡，同时保留生理活性氧。福州大学宋继彬团队制备了pH 敏感聚合物涂层的 Mg 纳米花，通过在酸性肿瘤微环境中产生H2用于癌症治疗[1]。此外，中科院上海硅酸盐研究所施剑林教授课题组与华东师范大学步文博课题组制备了一种可注射的Mg2Si纳米颗粒，这种纳米颗粒在肿瘤细胞的酸性环境中能够释放出硅烷，硅烷与组织溶解氧以及血红蛋白结合的氧迅速反应生成SiO2。SiO2可以阻塞肿瘤毛细血管，达到“饿死癌细胞”的目的[2]。还有研究证明镁离子可以增强T细胞的效应功能，因此可以推测镁结合型纳米颗粒在癌症免疫治疗方面也有很大的潜力[6]。

抗菌

氧化镁的表面包覆一层氢氧根离子，由于氧气在碱性环境中具有化学稳定性，所以高浓度的活性氧离子得以在氧化镁表面存在。而活性氧的强氧化性，可以破坏细菌的细胞膜壁的肽键结构从而迅速杀死细菌。纳米氧化镁粒子可以产生破坏性吸附，也可以将细菌的细胞膜破坏。通过粒径大小、形貌特征等控制，可以提高纳米氧化镁的抗菌性能。比如，科学家已成功开发出了一种鳞片状纳米氧化镁粉体，对炭疽热、葡萄球菌、大肠杆菌等表现出极强的抗菌杀菌能力。与纳米氧化镁类似，纳米氢氧化镁也具有显著的抗菌活性。

骨修复

Mg2+是骨内稳态和代谢不可或缺的组成成分。目前研究已经发现Mg2+缺乏会破坏全身骨代谢，其特征是骨形成不足和骨吸收失调，相反补充Mg2+可以帮助骨愈合。张等人开发了一种基于透明质酸和自组装双磷酸镁纳米颗粒的新型生物活性纳米复合水凝胶，水凝胶通过释放Mg2+ 促进体内骨再生，而且促进人体间充质干细胞（hMSCs）分化的同时，又增强了细胞的粘附和扩散[3]。Mg2+可以调控骨组织微环境，增强抗炎（IL-10）和促成骨（BMP-2和TGF-β1）细胞因子的产生，有效诱导巨噬细胞从M0表型向M2表型极化，促进骨髓间充质干细胞的增殖和成骨分化[7]。

抗炎

在生理条件下，Mg首先转化为Mg(OH)2。由于体内Cl-的存在，Mg(OH)2随后转化为氯化镁并产生氢氧化物。因此，Mg的溶解可以缓冲周围环境中的酸，增加局部的pH值。樊瑜波教授团队研制了一种镁/聚乳酸（Mg/PLLA）复合载药微球，将可降解金属镁颗粒引入聚乳酸微球中。由于镁的降解产物呈碱性，能够中和聚乳酸降解产生的酸性产物，因而大大减轻了微球植入后的炎症反应[8]。

文献案例

Nature Nanotechnology

硅化镁纳米粒作为脱氧剂用于肿瘤饥饿疗法

Magnesium silicide nanoparticles as a deoxygenation agent for cancer starvation therapy

摘要：

氧气对癌症的生长至关重要，通过消耗肿瘤内氧气来饥饿肿瘤是抗癌的一个潜在的有用策略。这里我们展示了可注射的聚合物改性硅化镁（Mg2Si）纳米颗粒可以通过清除肿瘤中的氧来充当DOA，并形成阻止肿瘤毛细血管再氧化的副产物。纳米颗粒是通过自蔓延高温合成策略制备的。在酸性肿瘤微环境中，Mg2Si释放硅烷，硅烷与组织溶解的氧和血红蛋白结合的氧有效反应，形成氧化硅（SiO2）聚集体。这种二氧化硅的原位形成阻断肿瘤的毛细血管，阻止肿瘤获得新的氧气和营养供应。

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Chem

镁纳米粒子的合成用于 NIR-II区光声成像引导的协同爆发和氢气癌症治疗

Synthesis of magnesium nanoparticle for NIR-II-photoacoustic-imaging-guided synergistic burst-like and H2 cancer therapy

摘要：

金属镁是H2癌症治疗的一个有前途的平台。而现有镁颗粒的不良直径和形状大大阻碍了它的治疗应用。在此，作者首次报告了直径和形状可控的Mg纳米颗粒的合成。包括六边形纳米片（80-320纳米）、纳米花（100- 250 nm），以及小型纳米颗粒（平均65 nm），通过一锅法制备了pH敏感的聚合物涂层的镁纳米花，并应用于NIR（近红外）-II光声和气泡增强的超声波成像和癌症治疗。它在肿瘤中持续产生H2，因为酸性的肿瘤环境触发了聚合物外壳的分解，导致了镁和水的反应。产生的H2气泡不仅诱发了瞬时空化和机械性破裂溶酶体，还扰乱了细胞的能量代谢，同时诱发了高氧化应激，导致了癌细胞死亡。因此，这种无药治疗方法呈现出卓越的协同抑制肿瘤的效果。

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特别鸣谢：张婷婷

参考文献：

[1] L. Liu, Y. Wu, J. Ye, Q. Fu, L.Su, Z. Wu, J. Feng, Z. Chen, J. Song, Synthesis of magnesium nanoparticle for NIR II-photoacoustic-imaging-guided synergistic burst-like and H2 cancer therapy,Chem,(2022).

[2] C. Zhang, D. Ni, Y. Liu, H. Yao, W. Bu, J. Shi, Magnesium silicide nanoparticles as a deoxygenation agent for cancer starvation therapy, Nature Nanotechnology, 12 (2017) 378-386.

[3] K.Y. Zhang, S.E. Lin, Q. Feng, C.Q. Dong, Y.H. Yang, G. Li, L.M. Bian, Nanocomposite hydrogels stabilized by self-assembled multivalent bisphosphonate-magnesium nanoparticles mediate sustained release of magnesium ion and promote in-situ bone regeneration, Acta Biomaterialia, 64 (2017) 389-400.

[4] B. Zhang, R.J. Yao, L.H. Li, Y.N. Wang, R.F. Luo, L. Yang, Y.B. Wang, Green Tea Polyphenol Induced Mg2+-rich Multilayer Conversion Coating: Toward Enhanced Corrosion Resistance and Promoted in Situ Endothelialization of AZ31 for Potential Cardiovascular Applications, Acs Applied Materials & Interfaces, 11 (2019) 41165-41177.

[5] C. Hu, F. Zhang, Q. Kong, Y. Lu, B. Zhang, C. Wu, R. Luo, Y. Wang, Synergistic Chemical and Photodynamic Antimicrobial Therapy for Enhanced Wound Healing Mediated by Multifunctional Light-Responsive Nanoparticles, Biomacromolecules, 20 (2019) 4581-4592.

[6] J. Loetscher, A.-A.M.I. Lindez, N. Kirchhammer, E. Cribioli, G.M.P.G. Attianese, M.P. Trefny, M. Lenz, S.I. Rothschild, P. Strati, M. Kuenzli, C. Lotter, S.H. Schenk, P. Dehio, J. Loeliger, L. Litzler, D. Schreiner, V. Koch, N. Page, D. Lee, J. Graehlert, D. Kuzmin, A.-V. Burgener, D. Merkler, M. Pless, M.L. Balmer, W. Reith, J. Huwyler, M. Irving, C.G. King, A. Zippelius, C. Hess, Magnesium sensing via LFA-1 regulates CD8(+) T cell effector function, Cell, 185 (2022) 585-+.

[7] Z. Lin, D. Shen, W. Zhou, Y. Zheng, T. Kong, X. Liu, S. Wu, P.K. Chu, Y. Zhao, J. Wu, K.M.C. Cheung, K.W.K. Yeung, Regulation of extracellular bioactive cations in bone tissue microenvironment induces favorable osteoimmune conditions to accelerate in situ bone regeneration, Bioactive Materials, 6 (2021) 2315-2330.

[8] F. Yang, X. Niu, X. Gu, C. Xu, W. Wang, Y. Fan, Biodegradable Magnesium-Incorporated Poly(L-lactic acid) Microspheres for Manipulation of Drug Release and Alleviation of Inflammatory Response, Acs Applied Materials & Interfaces, 11 (2019) 23546-23557.