纳米孔材料（Nanoporous Materials, NPMs）已成为医学领域中重要工具，彻底革新了诊断、治疗及患者护理方式。其独特性质解决了医疗保健中的关键挑战。纳米孔基质为分子吸附、催化及与生物实体的相互作用提供了丰富的活性位点。由于其 expansive 表面积，治疗剂和生物分子可实现高效负载。对孔尺寸的精确控制实现了选择性筛分，这对药物递送系统（Drug Delivery Systems, DDSs）和生物传感器至关重要。其表面化学性质和机械性质在确保组织支架和可植入设备应用的生物相容性方面发挥着关键作用。在此背景下，研究人员全面讨论了NPMs的性质，包括物理化学性质（如结晶度和机械性质）、药物释放与吸附特性以及生物学特征。此外，研究人员还探讨了NPMs的多方面应用，重点聚焦于生物传感、药物递送、创面愈合及组织工程领域。
**1. 引言**
纳米孔材料（Nanoporous Materials, NPMs）作为具有巨大潜力的多功能工具，已在各种生物医学应用中得到广泛关注。其孔径通常小于或等于100纳米，依据孔径大小可分为三类：微孔（<2 nm）、介孔（2–50 nm）和大孔（>50 nm）。NPMs展现出可调控的物理化学多样性；其核心特征在于 expansive 表面积。与块体材料相比，纳米孔基质提供了丰富的活性位点，可用于分子吸附、催化及生物医学应用。这种高比表面积/体积比有利于治疗剂、生物分子及信号分子的高效负载。NPMs的孔径可精确调控，研究人员可设计材料以容纳特定分子、细胞甚至病毒，实现选择性筛分，这在药物递送系统（Drug Delivery Systems, DDSs）和生物传感器中至关重要。纳米孔膜在生物传感器中发挥多重关键功能：作为分子筛选择性透过分析物，作为载体固定化酶、蛋白质或信号分子，并通过浓缩分析物提高灵敏度。生物相容性在生物医学应用中不可或缺，NPMs经合理设计后表现出低细胞毒性和与生物组织的良好相容性，其表面化学、电荷分布和机械特性决定了生物相容性。
NPMs的独特特征显著推动了其在生物医学领域的应用：纳米孔载体可实现药物的持续释放、个性化给药并减少副作用；通过调整孔径和表面性质实现靶向递送，最小化脱靶效应并提高疗效；利用其大表面积高效结合目标分子，实现生物分子、病原体和疾病标志物的快速灵敏检测；作为支持性支架促进组织再生与修复，为细胞黏附、增殖和分化提供信号；纳米孔敷料可加速创面闭合、调节炎症并促进组织再生。本综述将系统讨论NPMs的结晶度、物理化学性质、药物释放与吸附、生物学特征，并深入探讨各应用领域的研究进展与挑战。
**2. 纳米孔材料的表征**
表征NPMs对于理解其性质和优化生物医学应用至关重要。关键表征技术包括：X射线衍射（X-ray Diffraction, XRD）分析结晶度，Brunauer–Emmett–Teller (BET) 分析测定比表面积和孔隙率（含孔径分布），机械测试评估强度和弹性，以及多种光谱方法[如傅里叶变换红外光谱（Fourier-Transform Infrared Spectroscopy, FTIR）、拉曼光谱和X射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS）]分析化学组成和生物相互作用。
**2.1 物理化学性质**
NPMs的物理化学性质显著影响其在催化、药物递送和环境修复中的性能。
**2.1.1 结晶度**
结晶度定义为物质中有序、重复原子排列的存在程度，可分为结晶态、半结晶态或非晶态。XRD可提供结晶相、结晶度和晶格参数信息，差示扫描量热法（Differential Scanning Calorimetry, DSC）用于测定熔点等热转变以指示结晶水平。合成方法（如溶胶-凝胶法、水热法）影响结晶度水平；模板法合成中，模板去除过程可能影响最终结晶度；退火处理可改善结晶度，而离子辐照或高能球磨可能导致非晶化。结晶性NPMs可通过保持一致的孔结构提供可预测的药物释放动力学；结晶度水平影响生物传感器的灵敏度和选择性，有序结构影响与分析物的相互作用；结晶材料通常具有更优的强度和耐久性，对需要结构完整性的应用至关重要。
**2.1.2 机械性质**
NPMs的机械性质显著影响其在生物医学和催化中的应用。由于孔隙和密度降低，NPMs通常具有较低的抗压强度，但其特定设计可满足轻量化需求。孔隙的存在可作为应力集中点，使弹性模量降低，该特性随孔径、分布和材料总密度而变化。NPMs往往比非孔材料更易发生脆性断裂，尤其是以非晶态为主时。温度、化学环境（特别是溶剂或生物流体）以及表面特性（如涂层或表面改性）均可影响机械性质。
**2.1.3 孔隙率**
孔隙率显著影响材料的表面积、存储容量和反应活性：微孔（<2 nm）常见于沸石和活性炭；介孔（2–50 nm）常见于二氧化硅和金属有机框架（Metal–Organic Frameworks, MOFs）；大孔（>50 nm）在某些生物医学支架中起重要作用。
**2.1.4 表面积**
总表面积/质量比通常通过BET分析测定。更大的表面积增强吸收和反应能力，有利于药物负载、催化和气体吸附。
**2.1.5 化学组成**
NPMs可由无机材料（如二氧化硅、氧化铝）、有机材料（如聚合物）或两者组合构成。表面特定官能团可增强化学反应活性，实现选择性吸附和与生物分子或药物的精确相互作用。
**2.1.6 化学稳定性**
长期使用时，NPMs需能抵抗酸性或碱性等恶劣条件下的降解或溶解，这对不同应用中的性能至关重要。
**2.1.7 热学性质和电学性质**
耐高温降解能力对催化和环境修复应用必要；热导_LESS_THANsup_GREATER_THAN导率评估对热绝缘或精确温度管理设备重要。部分NPMs（尤其是含导电元素的）具有显著电导率，有利于生物传感；介电常数和击穿电压影响其在电子器件中的应用。
**2.2 药物释放与吸附**
药物释放与吸附是NPMs在DDSs中的关键作用，其高比表面积、可定制孔径和稳定结构使其适用于这些应用。
**2.2 preparing.I keep.2.1 药物释放机制**
扩散是药物分子通过NPMs孔隙的主要机制，受孔径、药物分子尺寸和系统温度影响。亲水系统或含亲水聚合物的NPMs接触体液后可能发生溶胀，导致基质膨胀而释放药物。NPMs可被外源性刺激（如pH、温度或光）触发释放药物。较小孔径抑制释放速度，较大孔径加速释放；药物溶解度、分子量和化学组成影响其通过多孔结构的扩散；载体材料组成本身也影响释放机制。
**2.2.2 药物吸附机制**
物理吸附通过范德华力或氢键等弱作用力使药物附着于纳米孔表面，通常为可逆过程，受表面积和特性影响。化学吸附涉及药物化合物与NPMs表面官能团形成更强的化学键。Langmuir和Freundlich等吸附等温线模型用于描述和预测药物负载能力。更高比表面积和孔体积通常增加药物吸附容量；明确孔隙可改善负载效率；表面官能团显著影响吸附亲和力；更高初始药物浓度提高NPMs吸附容量。NPMs可实现精确的靶向药物释放模式、多药联合递送，提高癌症等疾病治疗效果。
**2.3 生物学特征**
NPMs的生物学特征直接影响其在组织工程、药物递送和生物传感中的功效。
生物相容性是材料与生物系统相互作用而不引起显著不良免疫反应的能力，对DDSs和组织工程支架至关重要，可减少炎症、增强细胞存活。表面化学修饰可增强生物活性，促进与细胞和生物分子的有利相互作用；掺入生物活性分子（如肽或蛋白质）可增强细胞黏附、增殖和分化。孔隙尺寸、形状和分布直接影响细胞黏附、迁移和生长；在疾病局部治疗中，维持和控制药物释放速率至关重要；NPMs降解速率应与组织再生匹配，确保逐渐被天然组织取代，降解产物应无毒且易于清除。NPMs可具有内在抗菌特性或释放抗菌剂，适用于创面愈合和植入物；涂层可进一步增强预防感染能力。NPMs与生物系统的相互作用可能引发免疫反应。NPMs可定制用于精确的生物分子相互作用，多孔结构可实现酶的固定化；功能化靶向分子（如抗体或配体）可增强药物递送的特异性；整合信号分子调节细胞响应，有助于设计更有效的生物材料。
**3. 生物传感**
生物传感通过模拟免疫系统等生物系统检测目标分子，可通过电化学、光学和光电化学等信号方式识别。
**3.1 电化学生物传感器**
随着生物传感器尺寸进入微纳尺度，噪声限制变得更加显著。纳米结构化电极可改善电化学信号：微孔金电极可将检测限（Limit of Detection, LOD）降低四倍，信号水平 accommodates 提高24倍；磷掺杂微孔碳球结构（P-MCSs）用于选择性肾上腺素信号检测，LOD达0.002 µM。三维铂纳米孔金电极结合催化发夹组装（CHA）反应，可实现对microRNA-126的超灵敏检测，线性范围为0.5–500 pm，LOD为0.17 pm。二氧化硅纳米孔膜（Silica Nanoporous Membrane, SNM）涂覆碳纤微电极（Carbon Fiber Microelectrodes, CFMEs）可增强体内氧气（O
2）监测的稳定性和灵敏度，防止生物污染同时保持O
2渗透性。纳米孔金（Nanoporous Gold, NPG）与丝网印刷电极（ Screen-Printed Electrode, SPE）集成设计的胆固醇生物传感器具有高灵敏度（32.68 µA mM
-1 cm
-2）和宽线性范围（50 µM–6 mM）。氧化石墨烯（Graphene Oxide, GO）纳米孔传感器固定乳酸氧化酶检测人体汗液中的乳酸；金纳米多孔结构（Nanoporous Gold, NPAu）免疫传感器检测SOX-2癌症标志物，检测限达30 pg mL
-1。AlpB/NPG/还原氧化石墨烯（Reduced Graphene Oxide, rGO）/胶体金（Colloidal Gold, CG）/玻碳电极（Glassy Carbon Electrode, GCE）生物传感器可用于筛选抗幽门螺杆菌生物膜的潜在药物。
**3.2 光学生物传感器**
光学生物传感利用光子作为信息源，基于光的吸收、反射或发射特性变化进行检测。改性纳米孔阳极氧化铝（Nanoporous Anodic Alumina, NAA）干涉生物传感器可检测人血清中的组织蛋白酶B；MoS
2修饰的多孔阳极氧化铝（Anodic Aluminum Oxide, AAO）纳米通道可检测microRNA-155，最佳纳米通道直径约130 nm时检测限达3 aM。纳米孔微针（Nanoporous Microneedle, nMN）可同时作为样本采集和检测方法，实现无痛超灵敏生物传感。基于智能手机的手持电化学发光（Electrochemiluminescence, ECL）设备利用氧化铟锡玻璃电极涂覆抗污SNM检测多巴胺，线性范围为5 nM–20 µM，LOD为3.5 nM。纳米等离子体免疫吸附测定（Nanoplasmonic Immunosorbent Assay, NanoPISA）平台使用纳米孔中空金，对SARS-CoV-2特异性中和抗体的检测限达0.2 pM。
**4. 医学应用**
**4.1 组织工程**
**4.1.1 孔率在支架设计中的重要性**
孔率是支架设计的关键，直接影响细胞黏附、迁移、增殖和组织形成。设计良好的支架通过合适的孔径、分布和连通性，促进细胞-支架相互作用、营养输送和废物清除。支架通常具有多级孔结构：大孔（100–500 µm）支持细胞附着、组织生长和血管形成；较小孔径（<100 µm）和纳米孔（<100 nm）有助于生物分子递送和增加表面积以改善细胞相互作用。最佳孔径取决于再生组织类型：骨支架最佳孔径约325 µm，皮肤再生受益于20–125 µm孔径。大于100 µm的连通孔促进细胞浸润和细胞外基质（Extracellular Matrix, ECM）沉积；纳米孔可进一步通过增加表面积增强细胞-材料相互作用。
**4.1.2 硬组织工程**
硬组织工程专注于骨和软骨等刚性组织的再生和修复。低温水沉积建模（Low-Temperature Deposition Modeling, LDM）制备的聚芳醚酮（Polyaryletherketone, PAEK）-COOH分级多孔支架，具有0.2–3.0 µm纳米孔和数百微米微孔。纳米孔支架（LP）相比非纳米孔支架（FP）显示出增强的细胞黏附、铺展和成骨分化，ALP活性和钙沉积显著增加，骨钙素（Osteocalcin, OCN）和ALP基因表达上调，体内骨整合更优。200 nm聚碳酸酯膜（Polycarbonate Membranes, PCMs）培养人牙周膜细胞（Human Periodontal Ligament Cells, hPDLCs）显著增强骨再生，RNA测序显示Hippo、TGF-β和PI3K-Akt信号通路显著上调。
**4.1.3 软组织工程**
软组织工程致力于修复和再生皮肤、肌肉、肌腱和韧带等软组织。核壳电纺制备的纳米孔微管可模拟毛细血管结构，PLA/PEG鞘层与PEO芯层复合产生的微管（0.9–7.6 µm直径）含纳米孔（130–820 nm），与人真皮微血管内皮细胞具有良好的生物相容性。纳米孔细菌纤维素（Bacterial Cellulose, BC）和丝素蛋白（Silk Fibroin, SF）双层支架用于尿道组织工程，纳米BC促进细胞增殖，微孔SF层促进细胞迁移和与周围组织整合。纳米孔和介孔壳聚糖（Chitosan, CS）膜培养人角质形成细胞21天，形成多层表皮和高增殖能力。
**4.2 创面愈合**
创面愈合包括止血、炎症、增殖和组织重塑四个重叠阶段。纳米孔SF海绵通过多机制促进修复，含纳米孔壁的SF海绵比无纳米孔海绵显示更优的愈合效果。纳米孔纤维增强复合支架（Nanoporous Fiber-Reinforced Composite Scaffolds, NFRCS）利用止血成膜组合物和棉纱布，在细胞水平发挥作用改善愈合。猪严重烧伤模型证实，含纳米孔聚氨酯（Polyurethane, PU）膜的三明治结构复合敷料具有良好伸展性、防污染性和水蒸气渗透性，银纳米粒子锚定的CS无纺布提供持续Ag
+释放，壳聚糖/胶原海绵保持创面湿润。石墨烯气凝胶（Graphene Aerogel, GA）的纳米孔蜂窝结构促进人肺支气管上皮细胞、HaCaT和COS-7细胞生长，β-连环蛋白和E-钙黏蛋白表达剂量依赖性增加。含羧甲基纤维素钠（Sodium Carboxymethylcellulose, NaCMC）和羟丙基甲基纤维素（Hydroxypropyl Methylcellulose, HPMC）的纳米孔水凝胶薄膜对阳离子药物具有更高载药效率，72小时内持续释药并表现抗菌活性。
**4.3 药物递送**
有序纳米孔碳（Ordered Nanoporous Carbon, ONC）结构作为新一代药物递和生物医学系统，具有大量规则孔隙，可实现更好的药物释放控制和递送稳定性。胺基功能化ONC（ONC-A）负载头孢氨苄（Cephalexin, CFX）后，在pH=1.2时12小时释放率分别为91%（ONC-F）和85%（ONC-AF），pH=6.8时分别为85%和58%，遵循Weibull模型的Fickian扩散机制。环糊精基金属有机框架（Cyclodextrin-Based Metal-Organic Framework, CD-MOF）装载酮洛芬（Ketoprofen, KTP），2小时释放率达89%，人肺细胞系和SD大鼠显示优异生物相容性，体内沉积率高且经肝肾代谢。二维γ-CD-MOF纳米片装载地塞米松（Dexamethasone, DXM），24小时内释放73%和55%，四天内完全释放，七天内解决主要炎症且无角膜刺激。聚乙二醇-二羧酸（PEG-D）涂层介孔磁性纳米团簇（Magnetic Nanoclusters, MNCs）装载阿霉素（Doxorubicin, DOX），在酸性环境中通过释放Fe离子形成活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS），同时磁场升温至41–43°C促进DOX从纳米孔释放，对乳腺癌细胞毒性达60%。
