镓纳米材料在生物医学中的应用

一．前言

镓是一种液态金属，因其生物相容性和优良的理化性质而受到广泛关注。得益于纳米技术的发展，镓基纳米材料（GNMs）凭借其独特的理化性质以及模拟铁的生物学行为，在生物医学领域取得了显著进展。最近，谷战军课题组在《Coordination Chemistry Reviews》杂志上发表了题为“Emerging frontiers inbiomedicine: a bibliometric analysis of gallium-based nanomaterials”的综述研究。该研究通过文献计量学方法，系统梳理了近年来镓基纳米材料的研究进展，重点分析其在放射成像、抗癌治疗、抗菌应用及生物传感四大领域的潜在突破，为未来的临床转化和应用研究提供了重要指引。

二．文献计量学分析

本文使用了Web of Science（WoS）核心库的高级搜索功能，以检索与GNMs在生物医学应用相关的所有数据。文献检索截至2025年3月，并仅限于用英语发表的论文。随后，研究团队利用VOSviewer软件构建了关键词共现网络，直观展示了该领域的研究方向和进展（见图1）。通过关键词共现分析，构建了一个突出该领域趋势与发展的网络。研究中的文献计量学分析揭示了GNMs研究在全球范围内的快速增长。基于Web of Science数据库的2081篇文献分析表明：

图1 关键词共现分析

1.       研究增长趋势：在过去的二十年中，GNMs在研究产出和引用方面稳步增长，突显了它们在生物医学领域日益增长的重要性。

2.       主要贡献国家/机构：美国、中国和德国是GNMs的主要研究国家/地区，通过H指数和每篇论文的引用次数评估国家的研究质量与学术影响力。结果显示，美国在研究质量方面领先，而中国虽然在研究产出数量上占优，但在引用次数和H指数上相对较低。中国科学院、法国国家科学研究中心和维也纳大学是贡献最大的机构。

3.       研究发展趋势：通过分析关键词的时间分布，可以推断特定研究领域的发展动态。可视化显示，早期的研究主要集中在镓的抗癌特性及其在声动力治疗中的应用。在此期间，⁶⁷Ga在放射成像和声动力抗癌治疗方面的发展也受到了极大关注。随着细菌耐药性问题的日益严峻，镓在抗菌应用中发挥的重要作用引起了研究者的关注，进一步激发了对纳米无机抗菌剂研发的兴趣。

4.       研究热点领域：关键词聚类分析进一步揭示了放射成像、抗癌治疗、抗菌应用和生物传感这四大研究热点（见图2），其中，多模态成像与协同治疗已成为当前的研究新焦点。

图2 GNMs在生物医学领域的研究热点

三．镓基纳米材料在生物医学的研究热点

镓是一种具有生物相容性的液态金属，具备优异的导电性和导热性，并展示出“拟铁行为”。其能够通过表面氧化层实现功能化修饰，纳米技术的融合进一步优化了镓的靶向递送与缓释能力，使其成为多功能诊疗平台的核心材料。在生物医学领域，镓展现出以下主要应用：

1.       放射成像

机制：在放射成像中，⁶⁷Ga和⁶⁸Ga等镓同位素分别在SPECT和PET成像中应用广泛。纳米粒子与纳米平台的整合为镓成像提供了更优的分辨率和灵敏度。

材料设计：构建双模态及多模态纳米平台，例如PET/CT、PET/MRI和PET/MRI/光学，显著提升医学成像的特异性和灵敏度。该创新方法旨在解决当前成像技术的固有局限性，从而推动医学诊断领域的发展。

应用：用于各类疾病（包括癌症、炎症和阿尔兹海默症）的诊断。

2.       抗癌治疗

机制：GNMs凭借镓良好的导热性在光热疗法中展现出巨大潜力。此外，GNMs可以通过光动力疗法和声动力疗法诱导肿瘤细胞凋亡，同时其“拟铁特性”干扰癌细胞的铁代谢，与放化疗和免疫疗法联用时表现出显著的协同效应。

材料设计：构建基于镓及其合金的光热治疗平台，并开发多功能纳米平台以用于药物运输和协同疗法，达到更有效的治疗效果。

应用：构建多功能纳米平台用于癌症的诊断与协同治疗。基于镓的物理化学性质，GNMs在光热与放化疗中发挥抗癌功效，并作为药物载体实现协同治疗，拓宽其在临床转化中的价值。

3.       抗菌抗感染

机制：镓的光学性质使GNMs成为光热效应和光动力抗菌疗法的有前景候选材料。Ga³⁺通过“特洛伊木马”策略竞争性抑制细菌的铁吸收，从而破坏细菌。此外，GNMs还能够吸附于细菌膜，诱导膜结构不稳定并抑制生物膜形成，有效对抗耐药菌。

材料设计：作为光热剂，通过尺寸形貌优化来优化GNMs的光热转换效率，以达到更强的杀伤功效。此外基于GNMs优良抗菌特性，构建了基于物理化学性质的抗菌纳米材料，旨在实现协同抗菌效果。

应用：用于抗细菌、真菌及病毒的治疗，以应对抗生素耐药问题。GNMs在大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌中的杀菌效果良好，此外在白色念珠菌、HIV和COVID-19的防治中也发挥了重要作用。

4.       生物传感

机制：借助镓独特的电学、光学和表面等离子体共振特性，成功开发出高灵敏度、高选择性的电化学传感器、场效应晶体管传感器、荧光传感器以及基于表面等离子体共振的GNMs传感器。

材料设计：通过控制GNMs的形貌、尺寸以及表面修饰，优化其检测限、灵敏度和特异性。

应用：构建了用于生物传感检测的镓基半导体材料，广泛应用于疾病标志物的检测和环境监测等。例如，基于镓的半导体材料（如GaN纳米线和Ga₂O₃）被用于高灵敏度电化学和荧光传感器的开发。研究人员通过用特定生物分子对这些纳米材料进行功能化，成功开发出检出限低至10^-16 M的传感器，能够检测DNA、肿瘤标志物及重金属离子。

四．总结

对镓化合物的持续探索极大拓宽了它们在生物医学领域的应用，尤其在GNMs领域。研究、出版物及引用数量的不断增加反映了人们日益增长的兴趣，凸显了科学界对GNM在生物医学应用潜力的认可。GNM在众多生物医学应用中表现出卓越的多功能性，尤其在放射成像、抗癌治疗和生物传感方面。⁶⁷Ga和⁶⁸Ga同位素的研究进展以及核医学技术的发展，使镓成为肿瘤诊断和炎症检测的重要工具。镓被认为是一种前景广阔的候选金属，在临床研究中展示出显著的抗癌潜力。不仅如此，GNM因其优异的生物相容性、表面改性能力和高效的光热转换特性，已经广泛应用于光热疗法、光动力疗法、化疗和放疗。同时，GNMs还展现出广谱抗菌作用，通过干扰铁代谢和产生ROS来靶向耐药细菌。随着纳米技术的进步，GNMs的研发不断推进，使其能够控制药物释放、增强血液循环、提高靶向性和渗透能力。此外，在生物传感应用中，GNMs利用其在电子转移、荧光、表面等离子体共振和分子负载方面的优势，大幅提升传感器灵敏度。通过优化形貌和表面改性，GNMs能显著提高各类生物传感器的性能。

尽管镓基化合物在生物医学领域应用的前景十分广阔，GNMs研究仍面临许多挑战，尤其是在长期生物安全性评估、大规模制备工艺以及临床转化等方面的困难。未来的研究应着重探索镓的催化活性在免疫调控中的潜在应用，并开发具备诊疗及实时监测功能的多功能纳米平台。这些努力将进一步巩固和扩展镓基纳米材料在生物医学领域的应用潜力。

相关文章发表在《Coordination Chemistry Reviews》，第一作者为硕士生杜双龙。