稀土材料在生物医学应用领域的最新进展

《Journal of Rare Earths》：Recent advances in rare earth materials for biomedical applications

本文综述了2025年稀土材料在生物医学中的应用进展，涵盖发光成像、磁性诊断及治疗等领域，强调其光学、磁性和核特性在提升生物成像分辨率、实现精准诊疗中的作用，并展望未来研究方向。

　　

明旭|左明远|李春玲|李富友

上海交通大学化学与化学工程学院化学生物学系，协同化学-生物合成国家重点实验室，上海，200240，中国

摘要

稀土材料已在生物医学领域得到广泛应用，包括生物成像、显微镜技术、生物传感、诊断和治疗。这些研究基于稀土元素的光学、磁性和核性质。这类多功能材料不仅有助于发现新的生物现象，还将研究成果转化为生物医学应用，从而推动基础知识的进步，并直接改善医疗实践。本文简要回顾了2025年稀土材料在生物医学应用方面的主要研究进展，旨在总结该领域的最新进展并展望未来发展方向。

引言

稀土材料具有丰富而独特的性质，因此在众多领域得到了广泛的研究和应用。¹稀土元素是高科技产业、国防和传统产业升级的关键战略资源与核心材料。稀土元素独特的电子结构赋予了其卓越的光学和磁性特性。此外，稀土元素还包含多种放射性同位素。这些光子学、磁性和核性质推动了大量的研究工作。^{2, 3, 4}特别是基于稀土的生物医学研究受到了广泛关注。^{5, 6, 7, 8, 9}到2025年，稀土材料在生物医学应用中的潜力依然显著。

一些稀土材料具有独特的上转换发光特性，能够将低能量/长波长光子转化为高能量/短波长光子。¹⁰这一特性使它们在生物成像应用中特别有价值，因为它们能有效减少背景荧光干扰并显著提升成像质量。此外，波长上转换能力本身是一个重要突破，因为它可以将人眼无法检测到的近红外光转化为可见光。¹¹另外，一些稀土材料还具有下转换发光特性，通常会产生具有深组织穿透能力的近红外光，这对于体内生物成像同样具有重要意义。¹²通过功能设计，一些具有独特发光特性的稀土材料进一步推动了超分辨率成像技术的发展。¹³

除了生物成像外，稀土材料还在生物传感、诊断和治疗开发中有着广泛的应用。^{5, 14, 15}这些研究不断推动生物医学实践朝着“可见性、清晰度和精确度”的目标前进，在理解生命过程和促进人类健康方面发挥着关键作用。无论是利用稀土的光学、磁性还是高能辐射特性，研究人员都不断利用这些多功能材料发现新的现象并取得突破性成果。

本综述重点关注稀土（RE）材料在生物医学中的应用，简要介绍了该领域的最新研究进展。相关的生物医学应用包括生物成像、超分辨率显微镜技术、生物传感、诊断和治疗（图1）。通过总结2025年的当前研究进展，本文强调了基于稀土材料的生物医学应用的发展趋势，为未来的研究提供了有益的参考。

章节片段

用于生物成像的基于稀土的发光材料

镧系元素因其独特的4f电子结构而表现出显著的发光特性，吸引了大量研究兴趣。通过选择性调节镧系离子的类型和掺杂比例，可以实现从可见光到近红外（NIR）区域的光谱精确调制。^{16, 17, 18, 19, 20}稀土材料的上转换发光特性有助于减少生物成像应用中的背景干扰（例如自荧光）。

用于生物应用的基于稀土的磁性材料

由于镧系元素独特的4f电子结构，它们在磁共振成像和诊断分析中具有显著的临床应用价值，其中含钆（Gd）的磁性材料在生物医学应用中最常用。^{80, 81, 82}此外，基于Gd的材料在促进骨形成、增强抗菌效果和抗肿瘤应用方面也发挥着重要作用。^{83, 84, 85}血清蛋白吸附实验表明，Gd(OH)CO₃壳层

结论与展望

本综述阐明了稀土材料在光学、磁性和放射性核素性质方面的独特优势，并全面概述了其在生物医学中的应用。它重点介绍了生物成像、显微镜技术、生物传感与检测以及疾病诊断和治疗等关键领域的最新进展。目前，光学应用在稀土生物医学研究中占据主导地位，而利用其独特磁性和放射性核素特性的研究也在不断推进。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文工作的利益冲突。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

感谢Cyrus Tang基金会和上海交通大学的2030-Plan项目的资助支持。