德国FAU大学综述：洞悉纳米TiO2在纳米医学中的诊疗特性

图2 分离的阳极TiO2的形貌及SEM图像 (a) 纳米管, (b) 电化学阳极氧化法制备纳米圆柱体。纳米管和纳米圆柱体的制备过程取决于阳极氧化槽的尺寸（暴露于电解质的区域）和快速电压变化（第一周期：35V和240min，第二周期：5V和10min，第三周期：35V和60min）。

II 二氧化钛纳米晶的后制备

在大多数情况下，制备的TiO₂ NSs是非晶态的，需要额外的热处理以获得单一或多晶的晶体结构，TiO₂纳米晶的晶体结构直接影响光催化活性。此外，将电子活性原子插入TiO₂ NSs的晶格可以设计原始的能隙（介于1.8和4.1 eV之间），以产生超灵敏的生物传感器和精密的光学设备。过渡金属（即金、铂、铁、银、锂和铜）和非金属离子（即氮、碳、氟化物和硫）均可并入TiO₂ NSs中，以改善价带和能带。另一种降低原始带隙的替代策略是将具有所需带隙的金属纳米材料并入TiO₂ NSs，以显著改善光学、电子和催化性能。纳米结构材料的沉积可以显著影响细胞的行为和反应，生物分子的识别，以及界面上的离子识别。从电沉积、化学浴沉积和前驱体水解等沉积策略，已经发展到随机修饰或填充TiO₂纳米材料。

TiO₂ NSs表面自组装的功能性单层膜可以促使蛋白质、配体和抗体等生物分子的选择性结合，以及哺乳动物细胞的粘附。为了检测、跟踪、可视化、靶向和治疗各种疾病，生物结合策略是TiO₂纳米材料临床转化的重要步骤。为了产生智能的和柔性的纳米载体，聚合物覆盖可以赋予TiO₂ NSs广泛的新特性。

III TiO₂ NSs的生物反应

纳米材料进入心血管系统后会被分配到器官和组织中，并可能引发炎症。TiO₂纳米颗粒的转移取决于注射部位。例如，静脉注射在肝脏中显示出大量的纳米颗粒，而在脾脏、肺和肾脏中显示出相对较少的纳米颗粒。吸入的TiO₂纳米颗粒迅速转移到循环系统中，可能会随机影响心脏和肺中的基因表达。二氧化钛纳米颗粒可以通过活性氧的产生和炎性细胞因子的表达引起肺部炎症。当改变丙二醛、超氧化物歧化酶和氧化应激反应水平时，二维TiO₂ NSs也可引起显著的肝毒性。然而，精细的表面改性可以改变TiO₂的分配或毒性，从而消除或减少给药后潜在的炎症反应。

IV TiO₂的生物医疗应用

4.1 用于治疗的TiO₂ NSs

TiO₂纳米材料通过生成孔状结构以提高药物负载率，被应用于小分子药物、蛋白以及基因的靶向输送。靶向给药系统是将治疗药物积累到作用部位以提高疗效的关键途径。利用生物分子和配体（如叶酸、透明质酸和抗体）制备纳米载体是一种很有前途的方法，可以在特定的组织中精确地积累纳米材料。独立的一维TiO₂ NSs被证明是药物传递系统和癌症治疗的重要平台。纳米载体的形状是直接影响药物传递系统中循环时间、生物分布和细胞摄取的关键参数。与球形纳米载体相比，一维纳米载体更倾向于粘附于血管内皮，并改善内皮靶向性，例如实体瘤和细胞内定位。

图3 (a) PEI与叶酸偶联的多功能介孔TiO2纳米载体载药及释放过程的研究。(b)紫外光照射下叶酸-PEI在介孔TiO2纳米载体表面的光催化降解。(c)在5h（I）后，纳米载体在KB和A549细胞中的细胞内化得到改善，并且有叶酸结合和无叶酸结合的纳米载体的数量（II）。FCM: 流式细胞术测量。处理过的KB细胞孵育后的(d)荧光图像（I）含叶酸以及（II）不含叶酸共轭纳米载体。绿色表示纳米载体，蓝色表示细胞核。(e)不同时间（注射后）采集的组织活体荧光图像。

4.2 医学诊断

通过使用超灵敏生物探针可以建立对疾病的早期诊断和全面了解，以便采用有效的治疗方法。基于二氧化钛纳米材料的体内无创检测和跟踪策略已经得到发展。例如，Tetera磺化苯基卟啉（TSPP）结合的TiO₂纳米晶须已被开发为一种有效的荧光生物成像和光动力药物（可产生活性氧），用于类风湿关节炎（RA）的体内研究。

图5 (a)间充质干细胞在不同粒径的二氧化钛颗粒中的细胞迁移。比例尺为100μm。(b)伤口愈合过程（I）19天的宏观分析，（II）各组代表性伤口愈合过程，以及（III）1组（A和B）、2组（C和D）、3组（E和F）和4组（G和H）愈合皮肤的光学图像。数字表示组织结构元素：1-表皮；2-汗腺；3-疤痕；4-真皮；5-皮下真皮；6-毛囊；7-皮脂腺；8-上皮化疤痕组织；9-疤痕血管；10-疤痕中的炎症浸润。