创新生物工程领域纳米技术进展简介

《Nanoscale Advances》：Introduction to Nanoscale Advances in Innovative Bioengineering

纳米生物界面与制造技术推动生物工程创新，聚焦可调式细胞-材料互作、标准化3D生物打印与活体模型构建，以及纳米载体在免疫基因治疗中的精准递送。

　　

此内容提供图形摘要

在过去几年中，“创新生物工程”进入了快速发展阶段，因为我们能够在关键决策发生的相同长度尺度上对生物功能进行工程设计，这些决策涉及分子传输、粘附、机械转导、电/离子信号传导和免疫识别等方面。与此同时，纳米级材料与微纳制造技术将生物界面从被动接触区域转变为可调的、信息丰富的控制层，支持设备/材料与生物系统之间的双向交流。这一转变也改变了“转化”的含义：除了提高生物相容性外，该领域正朝着可制造、可测试和可标准化的平台发展，这些平台可以集成到实际工作流程中，并通过有意义的功能终点进行评估。从整体上看，本合集中的论文可以通过一个闭环视角联系起来：纳米级材料和结构实现了可控的制造，进而定义了可编程的生物界面，并最终在现实环境中推动生物工程的应用。

第一个主题集群强调了从仅在生理环境中保持稳定的材料向能够主动与生物体交流的界面的演变。通过多种模式（电学、机械、化学和混合模式），纳米工程提供了一个共同的工具包：(i) 调整表面化学和纳米级拓扑结构以引导蛋白质吸附和细胞反应；(ii) 嵌入能够在界面上传导能量或信号的功能性纳米结构；(iii) 将这些能力整合到符合实际限制的微型架构中，例如植入路径、操作时间和能量预算。重要的是，核心进步不仅体现在受控实验中的更高性能，还体现在转化设计逻辑的发展上——这些界面越来越被评判为是否能够进行定量基准测试、可靠复制，并能够整合到临床相关程序或可穿戴工作流程中。在这方面，纳米生物界面设计正成为一个系统问题，其中纳米级选择影响到可制造性、可靠性和最终用户的采纳。无线、场控制的生物干预在受限的临床环境中（如介入心脏病学）特别有吸引力。在本合集中，Suarato及其同事通过计算分析纳米粒子-组织界面上的生物电现象，研究了磁电纳米颗粒作为磁介导的纳米级电穿孔和药物释放剂的可行性（https://doi.org/10.1039/D5NA00438A）。

在纳米工程界面的基础上，第二个集群重点关注纳米级支持的生物制造和3D生物模型，其中纳米级组件作为可编程的构建块而不是被动添加剂。在纳米生物打印和工程组织系统中，核心挑战不仅在于几何保真度，还在于重现能够随时间控制表型的微环境，例如力学、扩散、细胞-基质信号传导和动态重塑。纳米材料通过实现多功能性、局部化信号和嵌入式读数，扩展了生物墨水和支架的设计空间，而制造技术的进步将这些设计转化为可复制的结构。另一个实际考虑因素是：为了使复杂的生物模型在生物工程和转化研究中得到广泛应用，它们必须具有鲁棒性、在不同实验室之间具有可比性，并且易于分发。因此，用于培养、表征、储存和运输的标准化工作流程与初始制造本身同样重要，纳米级策略有助于提高可靠性和可访问性。为了克服复杂生物模型规模化的实际瓶颈，He、Sun及其同事研究了纳米材料如何支持类器官培养和冷冻保存，并概述了在生物相容性、可扩展性、长期安全性和标准化方面仍存在的挑战（https://doi.org/10.1039/D5NA00534E）。

除了这些界面和制造方面的进展外，第三个主题将纳米级设计与细胞重编程和免疫/基因工程联系起来，其中可控递送仍然是一个持续的障碍。在这里，纳米级参数（包括大小、降解性、配体呈现和电荷分布）被用来引导吸收途径、细胞内运输和功能结果，同时保持细胞健康。这一方向的生物工程价值在于其对可调性和工作流程整合的重视：递送系统越来越多地被评估为模块化平台，可以适应不同的负载和细胞类型，并可以嵌入到可复制的处理流程和质量控制框架中。这种平台思维自然地与转化应用相关联，因为免疫和基因工程产品需要严格的制造可重复性和安全性评估。Gharatape及其同事将这种平台思维扩展到细胞和基因工程中，合成了低分子量聚(β-氨基酯)纳米载体，并评估了它们在癌症免疫治疗背景下增强T细胞转染和基因递送的潜力（https://doi.org/10.1039/D5NA00169B）。

展望未来，该领域最大的收获将来自于将优雅的纳米级概念转化为可重复、可制造且在临床上可行的平台。关键机遇和挑战包括：量化指标的标准化（例如生物界面性能、打印保真度和效力/可行性终点），以实现跨实验室的比较；从可扩展合成到批次间验证的可制造性和质量控制；长期安全性，包括生物相容性、免疫相互作用以及在适用情况下的可预测生物降解和清除；基于现实临床前模型的清晰监管和临床路径；以及从一开始就围绕工作流程限制进行跨学科合作的深入合作。

作为客座编辑，我们感谢所有作者的杰出贡献以及审稿人的仔细评估。我们也感谢《Nanoscale Advances》编辑团队在组织和推广这个合集方面提供的持续指导和支持。