《Progress in Materials Science》：Next-gen cellulose therapeutics: fusing in vivo/in vitro data for precision healthcare
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个性化医疗闭环系统构建中的纤维素基生物材料研究进展与挑战
宋玉英|周杰|郝三伟|邵长友|于文婷|于亚茹|王芳青|李志宇|傅鹏|杨俊|丛海林|陈超吉
山东工业大学材料科学与工程学院，淄博255000，中国
摘要
个性化及多维度健康数据的需求迫切需要从便捷的外部筛查到持续的内部监测的传感解决方案。纤维素是一种天然丰富且用途广泛的生物聚合物，正迅速成为医疗传感的理想平台，从可穿戴的表皮贴片到植入式传感器和支架，都能实现安全高效的操作。这一范式无缝涵盖了整个疾病管理周期，包括预防、诊断、治疗监测和康复。本文重点探讨了基于纤维素的传感技术在体外（例如快速检测、可穿戴诊断）和体内（例如药物平台、智能支架）医疗应用中的最新进展和持续存在的挑战。这一视角突显了基于纤维素的材料如何促进整个医疗保健连续体中的关键生物标志物获取。我们进一步讨论了将这些多样化的数据流整合到一个闭环框架中，包括筛查、监测、数据融合和精准干预，以推进个性化医疗保健。最后，我们提出了一条结合合成生物学、人工智能驱动的材料设计和纳米技术整合的路线图，以加速个性化临床转化。我们强调了实现稳健的长期性能和无缝数据整合的主要挑战，并呼吁进一步的跨学科努力，以充分发挥基于纤维素的材料在实现真正数据驱动的个性化医疗保健方面的潜力。
引言
生物医学材料已成为医疗保健进步的关键组成部分，在组织再生和疾病管理中的靶向治疗策略中发挥着重要作用[1]。全球对可持续医疗解决方案的需求不断增长，这推动了人们对环保型生物材料系统的深入研究，其中纤维素、明胶、丝素和壳聚糖是这一范式转变中的重要候选材料[2]、[3]。尽管具有巨大潜力，但生物医学应用面临三个关键挑战：在生理应力条件下的机械韧性不足、在动态生物环境中的性能稳定性不一致以及功能定制能力受限，这些限制共同阻碍了临床转化[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。这些技术障碍凸显了通过分子级设计和层次结构控制进行战略性材料工程的必要性，以满足当代生物医学系统的严格要求。在这些可持续选项中，基于纤维素的生物材料作为个性化医疗保健的关键推动者脱颖而出，独特地填补了临床生物标志物监测中的关键空白[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。
纤维素是地球上最丰富的天然生物聚合物，来源于植物、藻类和细菌合成，为闭环医疗系统提供了无与伦比的可持续基础[15]。其分子结构——由β-1,4-糖苷键连接的线性间同立β-D-葡萄糖链——赋予了关键的生物界面特性：天然的生物相容性、可控的生物降解性、亲水性和手性特异性。这些属性通过多样的化学修饰得到进一步增强，使得衍生物具有定制的溶解性和加工特性，适用于生物医学设备的集成。至关重要的是，纤维素的机械适应性（抗拉强度：15–130 MPa；杨氏模量：2–138 GPa；延伸率：1.5–15%）使其能够精确适应动态的生理环境，这是患者贴合设备形式因素优化的基石。与传统生物医学材料（合成聚合物、陶瓷、金属）不同，纤维素可以通过其多孔纤维网络轻松结合生物活性成分（抗菌剂、生长因子、导电聚合物）。这种独特结构同时促进了：(1) 细胞黏附和营养物质扩散，用于组织再生；(2) 高容量药物装载，用于响应性治疗；(3) 通过集成传感元件实现实时生物标志物相互作用。先进的制造技术（例如3D打印、电纺）利用这些特性将纤维素工程化为具有可编程光学、热学和电学响应的功能性结构（碳点、离子水凝胶、纳米膜），在智能伤口敷料、组织支架和生物传感平台方面优于合成替代品。
基于纤维素的生物材料的发展（2018–2025年，图1）体现了从被动结构组件向主动闭环医疗保健推动者的转变。早期应用主要集中在机械支持和渗出物管理上，例如纳米纤维素敷料。相比之下，当前的创新利用了纤维素的三个关键优势：生物相容性以实现无缝集成、适应性以适应解剖结构，以及多功能传感以实现实时诊断。这些优势促进了酶功能化生物传感器和自适应药物输送系统的开发。尽管取得了快速进展，但材料创新与临床转化之间仍存在关键脱节。现有文献缺乏系统性的评估：1) 纤维素的结构-性能关系如何影响体内连续生物标志物监测的性能；2) 材料设计参数（例如孔隙率控制、表面功能化）与筛查、监测、数据融合和干预整个过程中的闭环效果之间的定量相关性[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。这一知识空白突显了全面探索纤维素的结构-性能关系以推进其整合到生物医学解决方案中的迫切需求。
本综述旨在填补关于纤维素的结构-性能关系及其在生物医学解决方案中应用的现有知识空白，特别是其在闭环医疗系统中的作用。在接下来的部分中，我们将首先全面概述纤维素在开发先进生物医学材料中的应用，从结构生物材料（2018年：纳米纤维素敷料）到智能诊断平台（2025年：酶功能化生物传感器）。通过系统地解析纤维素的结构层次和加工路线（包括3D打印和电纺），我们解码了设计实时监测设备的关键原则，并通过专门的分析将体外机制研究（例如细胞-材料相互作用、信号线性）和体内性能验证（例如组织整合保真度、长期生物传感稳定性）联系起来，这是将实验室创新转化为临床实践的关键纽带。随后，我们将材料创新与四个相互关联的领域的临床功能相关联：具有渗出物到诊断信号转换的伤口敷料（筛查阶段）、具有生物标志物响应释放的药物输送系统（干预阶段）、与再生跟踪集成的组织支架（监测阶段），以及能够进行多重生物标志物分析的生物传感器（数据融合阶段），并通过受控实验室模型和复杂生理环境的双重视角批判性地评估设备效果。最后，我们解决了持续的转化障碍，包括体外敏感性与体内特异性之间的差异、制造植入式设备的可扩展性限制，以及动态生物标志物监测的临床验证不足，从而提供智能的、以人为中心的闭环传感、诊断和干预系统解决方案。
部分摘录
纤维素的起源和层次结构
纤维素是地球上最丰富的天然聚合物，主要来源于植物，包括木质和非木质残余物，如木材、竹子、棉花、大麻和秸秆，在其中作为细胞壁的主要结构成分。除了植物来源外，纤维素还可以从非植物来源获得，如被囊动物、细菌（例如醋酸杆菌和枯草芽孢杆菌）和藻类基质，进一步扩展了其可用性和多样性[37]、[38]。
用于工程化基于纤维素的生物材料的交联机制和先进加工策略
由于其内在的生物相容性、丰富的功能基团以及从分子链到宏观纤维的层次结构，纤维素已成为一种高度多功能和可持续的生物医学工程平台。基于纤维素的生物材料的结构完整性和功能性能受到这些链如何连接成网络的影响，这在很大程度上取决于所采用的特定交联机制和加工条件用于体内和体外应用的纤维素的结构-性能要求及功能修饰策略
由于基于纤维素的材料具有可再生性、生物降解性和结构可调性，它们在生物医学领域的应用得到了显著发展。随着对基于生物的、多功能和适应性材料的需求增加，纤维素及其衍生物提供了一个可持续的平台，能够被工程化以满足多样化的临床和诊断需求。为了在生物医学应用中实现最佳性能，需要满足目标环境的具体要求体内应用
开发用于体内应用的先进生物材料是应对关键医疗挑战的关键前沿。现代医疗干预越来越需要能够与生物系统无缝集成同时保持结构完整性和临床实用性的材料[299]。这些材料必须满足严格的机械规格，展示可控的降解特性，并表现出最佳的组织相容性，从而推动深入的研究基于纤维素的生物材料的阶段评估和临床转化路径
为了将基于纤维素和其他生物质衍生的生物材料从实验室原型推进到临床可行的、耐用的和可持续的技术，该领域必须从以性能为中心的思维模式转变为以评估为导向的系统范式[236]、[390]、[391]。如图21所示，成功的转化需要平衡关于材料/设备性能和生物安全/系统级安全的两个相互关联的因素。从这个角度来看，未来的研究应该采用挑战与展望
基于纤维素的生物材料的发展在推进生物医学技术方面具有巨大潜力；然而，在材料性能优化、导电性增强和成功临床转化方面仍存在几个关键挑战。在本节中，我们将系统地探讨这些挑战并提出战略路径来克服它们，重点关注在生物医学领域的高性能应用的进步（图22）。1)基于纤维素的生物材料
结论
本综述通过结构-性能-应用框架全面分析了基于纤维素的生物材料，特别强调了性能优化的先进技术。我们系统地评估了基于纤维素的材料的机械、化学和生物性能，特别是在体内应用（伤口愈合、药物输送、组织工程、植入式传感器）和体外诊断系统（可穿戴监测器）中的性能
CRediT作者贡献声明
宋玉英：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，可视化，研究。周杰：撰写 – 审稿与编辑，可视化，数据管理。郝三伟：撰写 – 审稿与编辑，监督，概念化。邵长友：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源提供。于文婷：撰写 – 审稿与编辑。于亚茹：撰写 – 审稿与编辑，研究。王芳青：撰写 – 审稿与编辑，研究。李志宇：撰写 – 审稿与编辑，数据
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报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
我们感谢每位作者的贡献。陈C感谢国家自然科学基金（授权号：52273091、22461142135）提供的财务支持。邵C感谢国家自然科学基金（授权号：22478046）提供的财务支持。丛H感谢国家自然科学基金（授权号：22274083）提供的财务支持。郝S感谢
