近日，上海大学陈雨教授团队的AMR述评文章“Catalytic Biomaterials”在线发表。文章定义和阐述了生物催化材料的概念、范畴、机制、生物学效应、生物安全性等，聚焦该新型生物材料体系的疾病诊疗应用，探讨了该领域的发展现状，并总结和展望了其在临床转化上面临的挑战和需求。

关键词：生物催化材料；纳米催化医学；纳米酶；活性氧；生物医学应用

We define, design and fabricate “catalytic biomaterials” for versatile disease treatments with the specific features of high biosafety and efficacy, especially on fundamental research and clinical translation.

01文章内容简介

生物催化材料是生物材料研究的一个新兴前沿方向。它提供了巨大的潜力来克服传统生物材料在疾病治疗中的局限性，如低特异性、低效率和高毒副作用。生物催化材料是指基于材料固有的催化性质，在疾病微环境或外界能量场激发下在体内病变组织引发特异性催化反应，利用催化反应过程或者产物实现疾病高效、安全诊疗的一类生物材料体系。该领域成为材料医学重要的发展方向之一。随着材料科学、化学、催化科学与生物医学交叉研究的深入，酶催化、单原子催化、光催化、电催化、声催化和热电催化等催化方法和技术逐渐与生物材料融合，产生了一系列疾病催化诊疗的新方法、新技术和新产品。例如，生物催化材料可以被光、超声、磁场、热、射线等外界能量场激发实现疾病的物理靶向治疗。此外，生物催化材料在解决一系列与氧化应激或功能障碍相关的病理生理障碍（如癌症、衰老、炎症、免疫调节、神经退行性变性和心血管疾病）方面发挥着重要作用。该生物催化材料体系通过合理设计可以用于调节细胞氧化还原稳态和相关细胞信号通路。

生物催化材料涉及的范围很广，包括具有特定催化活性的纳米级、微米级和宏观级生物医用材料体系。所涉及的催化活性包括模拟酶催化、生物正交催化、Fenton催化、其它各种化学催化以及由生物催化材料引发的内源性/外源性活化反应等。我们定义“生物催化材料（Catalytic Biomaterials）”推动该类生物医用材料领域的发展，并期望激发材料科学、化学催化和生物医学之间更深层次的跨学科交叉研究。

本文首先简要介绍了生物催化材料的基本概念，并根据它们的作用机制将其分为三种不同的类型。接着，重点介绍了陈雨教授团队在设计和制备用于多种疾病诊疗的生物催化材料方面的工作进展，包括癌症治疗、抗菌、抗炎、组织再生和修复、神经退行性疾病、衰老、心血管疾病、射线辐照损伤等治疗应用。本文的侧重点是为特定的生物医学中疾病诊疗应用合理设计和制备功能性生物催化材料，充分揭示生物催化材料由于其固有的催化性质而产生的生物学效应。此外，还探讨了生物催化材料的临床转化和应用前景。生物催化材料的快速发展为疾病的高效诊疗提供了全新的技术和方法，具有特异性高、治疗效率高和毒副作用小等关键优势。

02 请问您选择该领域的初心是？

作者团队：

不断增加的公共卫生风险和重大疾病带来的挑战给生物材料的跨学科研究带来了巨大压力和新的机遇。尽管在理解病理特征和生物相互作用的细胞和分子机制方面取得了重大进展，但是在生物材料的物理化学属性（包括催化性能）和生物效应/疾病诊疗之间架起新的桥梁仍存在重大的挑战。因此，我们希望这类生物催化材料作为新一代生物医用材料体系，可以在病变部位特异性地触发精确的原位催化反应，在病变组织和细胞产生治疗作用，用于疾病的精准、高效和安全诊断与治疗。

03 请问您对该领域的发展有何种愿景？

作者团队：

材料科学、化学催化和生物医学的交叉融合极大地推动了生物催化材料的进展和广泛应用。然而，作为新兴的亚学科领域，生物催化材料的临床转化仍然面临巨大的挑战。这需要在生物催化材料的设计、制备、工程化、安全性/有效性评价方面的未来研究中得到解决。预计随着生物催化材料的不断探索和创新，结合生物医学的不断发展，该领域将会有一个广阔的临床应用前景。

04 请和大家分享一下这个领域可能会出现的研究机会！

作者团队：

生物催化材料在各种疾病的创新诊疗中显示出巨大的潜力，但仍有一些问题需要解决，同时也是这个领域可能出现的发展机会。第一，在材料科学方面，生物催化材料的精确合成和大规模生产仍然是一个挑战。目前开发的生物催化材料可以在实验室水平上精准合成。然而，它们相对复杂的制备程序、耗时的筛选、高的设备要求等仍然限制了它们的大规模制备；第二，在考虑其在疾病诊疗中的实际应用之前，对生物催化材料的生物安全性方面进行系统的研究，包括其体内药代动力学、生物降解、生物分布和代谢等，是非常必要的。大多数生物催化材料是无机催化剂材料体系。鉴于这些无机材料的生物降解能力相对较低，体内代谢慢，因此需要开发更具生物相容性的生物催化材料体系，如具有催化活性的有机生物催化材料体系或有机/无机杂化生物催化材料体系，丰富生物催化材料家族，建立相应的生物催化材料库，从而满足不同疾病诊疗需求；第三，在生物催化材料的物理化学性质和生物效应之间建立明确的关系是其转化应用的另一个重要前提。与传统的试错法相比，材料高通量筛选技术的最新进展，特别是计算模拟和机器学习，可能为加速发现新型高性能生物催化材料和识别材料参数组合提供新的机会，这些材料参数组合可以根据需要在生物实体中选择性地发挥催化作用，用于疾病诊疗。

作者团队简介

陈雨，上海大学生命科学学院教授，博士生导师。主要从事生物医用材料的可控制备、生物学效应及其在生物医学中的应用，包括分子影像、药物靶向递送、免疫治疗、脑神经疾病、组织工程、肿瘤诊疗、心血管疾病等，并积极推动相关生物医用材料和器械的产业化和临床转化应用。在相关领域共发表论文300余篇，总引用次数超过42000次（H-Index：111），连续六年（2018-2023）入选“全球高被引科学家”。

陈良，上海大学生命科学学院副教授，硕士生导师。主要研究聚焦在生物医用材料的设计构筑、功能化及其生物学效应评价，特别是功能多孔材料的可控合成、药物递送和疾病诊疗应用、材料-生物交互作用研究等。以第一或通讯作者（含共同）发表论文30余篇，累积被引3800余次（H指数34）。

于罗丹，上海交通大学医学院附属胸科医院，副教授、硕士生导师。主要研究聚焦在疾病诊疗应用的生物活性材料的设计和制备，包括药物输送，纳米医学和诊断成像等。

宋新然，于2022年9月在上海大学环境与化学工程学院攻读博士学位，师从陈雨教授。主要研究方向是设计和合成用于癌症治疗的功能性纳米平台。

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Catalytic Biomaterials

Xinran Song, Luodan Yu*, Liang Chen*, and Yu Chen*

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.3c00230

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