《International Journal of Biological Macromolecules》：Polydopamine-based multifunctional biomaterials: Strategies for controlling redox and photothermal properties for biomedical applications
编辑推荐：
聚多巴胺（PDA）作为多功能生物医用材料，其抗氧化/促氧化调控、光热转换及刺激响应性能在集成治疗平台中展现出巨大潜力，包括光热疗法、化学动力学治疗和响应式药物释放。通过调控纳米颗粒尺寸、孔隙结构及金属离子配位，可优化材料性能。当前挑战集中于长期稳定性、规模化生产及生物相容性，未来需结合降解机制研究、多刺激响应优化及临床转化路径。
Lada E. Shlapakova|Maria A. Surmeneva|Roman A. Surmenev
物理材料科学与复合材料中心，化学与应用生物医学科学研究学院，托木斯克理工大学国家研究机构，634050，托木斯克，俄罗斯
摘要 受生物启发的多巴胺（PDA）因其独特的氧化还原活性、光热性能和强大的粘附能力，已成为先进生物医学应用的多功能平台。本文系统地探讨了PDA的多功能潜力，重点关注控制其抗氧化和促氧化行为、光热效率以及刺激响应性能的策略。通过调节结构、形态和组成参数（如纳米粒子大小、孔隙率、金属离子配位和表面电荷），基于PDA的材料可以针对特定的治疗需求进行定制，包括清除活性氧、抗菌作用和靶向药物输送。本文特别强调了将PDA整合到复杂的生物医学系统中，在这些系统中，它可以实现光热疗法、化学动力学疗法、刺激响应药物释放和电刺激的协同作用。此外，还特别关注利用近红外光、pH值和酶触发器来控制药物释放和治疗激活的时空特性的刺激响应系统。此外，还强调了PDA在电活性支架和形状记忆材料中的作用，例如用于神经修复和自愈伤口敷料的压电支架，突显了PDA在个性化医学中的变革潜力。与以往的综述不同，本文提供了对PDA在集成治疗平台中的多功能性的全面分析，解决了精确控制其多种特性的关键挑战。未来研究应重点关注优化长期稳定性、可扩展性和生物相容性。通过将基础研究与实际应用相结合，本文旨在指导下一代基于PDA的生物材料的发展，用于再生医学、靶向治疗和智能植入物。
引言 多巴胺（PDA）是一种受生物启发的聚合物，源自多巴胺，由于其独特的性质（包括出色的生物相容性、强粘附性、多功能氧化还原活性和光热能力）而在生物材料科学中受到关注[1]。它能够清除活性氧（ROS）、生成反应中间体并表现出光热转换，使其在伤口愈合、组织工程、癌症治疗、抗菌治疗和生物传感器等领域不可或缺[2]，[3]。PDA的多功能性源于其丰富的儿茶酚/醌化学结构，这使得它能够与各种生物分子、金属离子和聚合物发生共价和非共价相互作用，为先进的治疗平台奠定了基础[4]。
在新兴的生物医学领域，开发多功能材料对于应对慢性伤口、感染和癌症等复杂临床挑战至关重要，这些挑战需要综合治疗策略。刺激响应材料代表了这一领域的范式转变，通过外部或内源性触发器（如pH值、光、温度或酶活性）精确控制治疗过程[5]，[6]，[7]。这些材料通过实现按需药物释放、空间靶向治疗和最小化脱靶效应来提高治疗效果。在这种情况下，用PDA功能化组织工程支架和植入物，以及设计基于PDA的纳米材料，提供了前所未有的机会[8]，[9]，[10]。PDA固有的氧化还原活性、光热响应性和粘附特性（包括对近红外（NIR）光、pH变化和氧化还原条件的特异性响应）使得能够开发出综合多种治疗模式的复杂平台，使其成为下一代个性化医学的关键组成部分[11]。例如，PDA功能化的支架可以同时促进组织再生，同时减轻氧化应激并防止细菌定植[12]，[13]。
然而，生物材料科学中的一个重大挑战在于精确设计、调节和控制这些多功能系统的多种特性。现有文献往往侧重于单一功能，未能充分理解如何将这些特性整合和优化以用于复杂的生物医学应用。近年来，一些综述文章探讨了基于PDA的智能生物材料，特别是它们的抗菌和抗氧化特性。尽管许多高影响力的综述建立了PDA的基础知识，但它们通常集中在特定应用或材料类别上。例如，最近的综述广泛涵盖了用于癌症治疗的多孔有机纳米平台[14]、用于工业和生物医学应用的基于PDA的刺激响应微胶囊的开发[15]、PDA涂层在各个领域实现的表面修饰技术[16]，以及用于肿瘤治疗的金属配位PDA结构的协调组装[17]。其中一篇论文[18]通过全面分类PDA纳米结构（如中空、介孔结构）及其在肿瘤治疗、PTT和药物输送中的应用，并系统地讨论了聚合机制和影响PDA合成的因素而脱颖而出。然而，这些工作主要关注基础研究或单一功能，缺乏对集成多种功能（如抗菌、抗氧化、成骨、成神经和促血管生成功能）的多功能PDA材料的系统设计。此外，它们也没有深入探讨这些功能之间的相互联系和协同效应，也没有提供精确控制材料抗氧化/促氧化平衡的统一框架——这是指导生物反应的关键方面。最重要的是，它们对材料设计策略和从实验室研究到实际应用的明确临床转化途径的讨论有限。本文直接填补了这些空白：其独特贡献是一个战略框架，为创建下一代基于PDA的系统提供了可操作的设计原则，特别是调整PDA的双重氧化还原特性、光热效率和多刺激响应性的策略，明确将特定材料特性（如形态、表面电荷和金属配位）与目标生物结果联系起来。与现有文献不同，我们强调了为电活性支架、形状记忆材料和多刺激响应药物输送系统等复杂平台提供全面的设计框架。最终，本文以其转化视角而脱颖而出，提供了从实验室创新到临床实施的必要材料设计策略和验证步骤的路线图，从而弥合了PDA基本性质与其在下一代再生医学和组合疗法中的应用之间的关键差距。
图1提供了总结本文逻辑流程的可视化概述。我们首先阐明了基于PDA的生物材料的基本性质和功能，特别强调了控制其抗氧化/促氧化行为的氧化还原活性及其光热能力，以及控制和微调这些内在特性的策略。随后，我们全面研究了基于PDA的功能材料的关键生物医学应用，包括用于伤口愈合和组织工程支架的抗菌和抗氧化复合材料；具有复杂刺激响应药物释放机制的多模式集成平台；以及用于组织刺激的先进系统，如形状记忆生物材料和电活性支架。特别关注由多种因素（如NIR光、pH值、酶、磁场和超声波）激活的多刺激响应系统，这些系统能够实现高效精确的治疗的时空控制和协同效应。最后，我们讨论了未解决的挑战和未来方向，提供了关于基于PDA系统的转化潜力的见解。通过将基础科学与临床需求相结合，本文旨在指导下一代多功能生物材料的发展。
部分摘录 控制基于PDA的材料的氧化还原活性的策略 PDA是一种受生物启发的聚合物，通过多巴胺（一种儿茶酚胺神经递质）的氧化聚合形成。PDA的化学结构复杂且不均匀，由交联的二羟基吲哚（DHI）、吲哚二酮和未环化的多巴胺单元组成，同时包含共价和非共价相互作用（如氢键、π–π堆叠）[19]，[20]。聚合过程涉及多巴胺氧化为多巴胺醌，随后发生分子内环化，
调节PDA的光热性能 PDA的吸收从近红外（NIR）向紫外（UV）光谱呈指数增长（图4A）。光谱中UV区域的明显吸收归因于多巴胺氧化为多巴克罗姆和多巴吲哚，而从可见光到NIR波长的显著吸收被认为是由随后的自聚合过程引起的[71]。在多巴胺聚合过程中，会生成多种产物，如醌、吲哚，
抗菌和抗氧化复合材料 过多的活性氧（ROS）和细菌感染在再生医学中构成重大挑战，会损害骨骼、神经和皮肤再生的组织修复过程。升高的ROS水平会干扰细胞功能，加剧炎症，并阻碍成纤维细胞的迁移，而细菌感染会与宿主免疫反应竞争，延迟愈合并促进组织损伤[120]，[121]。传统抗生素由于抗菌耐药性的增加而面临限制（例如，当前挑战和未来研究 尽管基于PDA的材料具有显著的多功能性，但仍需解决几个关键限制，以推进其临床转化，如表3所示，并提出了相应的策略。主要问题是多刺激响应系统内部可能存在的拮抗作用，其中酸性肿瘤微环境（TME）引起的过早药物释放可能会在NIR光激活之前耗尽药物负载，导致治疗效果不佳[142]，[182]。CRediT作者贡献声明 Lada E. Shlapakova： 撰写——原始草稿，可视化，验证，软件，方法学，研究，形式分析，数据管理，概念化。Maria A. Surmeneva： 撰写——原始草稿，监督，资源管理，项目管理，方法学，形式分析，概念化。Roman A. Surmenev： 撰写——审稿与编辑，撰写——原始草稿，验证，监督，资源管理，项目管理，资金获取，数据管理，概念化。
致谢 本研究得到了俄罗斯科学基金会 的资助（项目编号25-13-20058（https://rscf.ru/project/25-13-20058/）以及托木斯克地区科学技术发展与创新活动部门 和TPU发展计划优先项目2030 提供的补贴资助。
Lada E. Shlapakova ：研究领域： 静电纺丝、复合材料、纳米材料、生物材料、组织工程。
Lada Shlapakova目前是托木斯克理工大学（TPU）的博士生。她于2021年获得学士学位，2023年获得硕士学位。自2022年以来，她一直在物理材料科学与复合材料中心（TPU）担任研究工程师，从事用于组织的复合聚合物支架的合成和表征工作。
