納米材料在膝骨關節炎治療中的應用

[摘要] 膝骨關節炎（knee osteoarthritis，KOA）是常見關節疾病，其發病率在全球范圍內逐漸上升，嚴重影響患者的生活質量。傳統治療方法的局限性迫使研究者們積極探索新的治療手段。近年來，納米材料的引入為KOA的治療提供新的思路和方法，其在藥物傳遞、減輕炎癥和促進組織再生方面具有顯著優勢。本文總結當前納米材料在KOA治療中的研究進展，重點分析其作用機制、應用現狀及臨床前研究的最新成果。

[關鍵詞] 納米材料；膝骨關節炎；藥物遞送；組織再生

[中圖分類號] R681.3" """"[文獻標識碼] A """""[DOI] 10.3969/j.issn.1673-9701.2025.19.030

1" 前言

膝骨關節炎（knee osteoarthritis，KOA）是一種較常見的慢性退行性疾病，主要表現為關節軟骨的退化、骨骼增生及周圍軟組織炎癥。隨著全球老齡化的加劇，KOA的發病率逐年上升，給患者帶來巨大的痛苦和經濟負擔。當前治療方法包括藥物治療、物理治療和手術干預等，但這些傳統療法在修復受損軟骨和促進關節再生方面效果有限，且常伴隨副作用。因此，亟需開發新型治療策略以改善KOA患者的生活質量。

近年來，納米材料因其獨特的物理化學性質和優良的生物相容性成為骨關節炎治療的一個重要研究方向。納米顆粒能有效提高藥物的生物利用度和靶向性，選擇性地將藥物遞送至關節內的特定組織，如軟骨和滑膜，從而增強治療效果^[1]。此外，納米材料通過表面功能化和調節其物理化學性質，可顯著改善藥物在關節中的分布和滯留時間，克服傳統藥物快速清除的局限性^[2]。納米材料在抗氧化和抗炎方面的應用也為KOA治療帶來新的思路。研究發現氧化應激在KOA發病過程中發揮關鍵作用，納米材料作為活性氧（reactive oxygen species，ROS）清除劑，可減輕關節內的氧化應激，進而延緩軟骨退化進程^[3-4]。此外，納米酶等功能化納米材料可模擬天然酶的活性，調節ROS水平，為KOA治療提供創新的解決方案^[5]。除了藥物遞送和抗炎作用，納米材料對促進軟骨再生也取得顯著進展。某些納米材料可通過促進成軟骨細胞增殖和分化，改善關節軟骨的修復能力^[6]。通過將生長因子或其他生物活性分子負載到納米材料中，可進一步促進軟骨再生，為KOA的治療提供新的策略。

本文將重點討論納米材料在KOA治療中的應用現狀、最新研究進展及未來的發展方向，并通過綜合分析現有文獻為研究者提供有價值的參考。

2" 納米材料的基本特征及分類

納米顆粒、納米凝膠和納米纖維是常見的納米材料類型，它們不僅作為藥物遞送系統，還通過直接的生物效應促進軟骨修復與再生。

納米顆粒憑借較大的比表面積和優良的生物相容性，顯著提升藥物的生物利用度和靶向性。研究表明金納米顆粒（gold nanoparticles，GNP）作為影像學對比劑，可幫助區分KOA與骨質疏松的關系^[7]。納米顆粒的結構可根據關節組織特性定制，以優化藥物分布和滯留時間，增強治療效果^[2]。此外，納米顆粒不僅是藥物載體，還能通過調節細胞凋亡等機制促進軟骨細胞再生^[6]。

納米凝膠作為新型藥物載體，具有優異的藥物包裹性能，特別適用于局部遞送。在KOA治療中，納米凝膠通過控制藥物釋放速率、延長藥物滯留時間提升治療效果^[8]。由聚乳酸-羥基乙酸和聚乙烯醇制成的納米凝膠，因其優異的生物相容性和可降解性，成為理想的藥物遞送平臺^[9]。通過調節其物理化學性質，納米凝膠可精確控制藥物釋放，適應不同生理環境^[10]。

納米纖維憑借卓越的機械性能和良好的生物適應性，為細胞生長和組織再生提供支持。研究表明納米纖維可模擬細胞外基質結構，促進軟骨及其他組織再生^[11]。在KOA治療中，納米纖維不僅作為藥物載體，還通過物理支撐促進細胞黏附、增殖與分化^[12]。此外，納米纖維的表面化學修飾進一步提高其生物相容性和生物活性，對KOA治療至關重要^[13]。

3" 納米材料在KOA治療中的應用

近年來，納米材料在KOA治療中取得顯著進展。研究表明納米材料可通過靶向藥物輸送系統提高藥物的生物利用度并延長其在關節內的滯留時間。GNP作為對比劑在醫學成像中能有效測量骨密度并評估關節功能，為KOA診斷提供新工具^[7]。此外，GNP的應用揭示骨質疏松與KOA之間的關聯。針對關節軟骨的藥物遞送，開發多種靶向納米材料，這些材料通過被動和主動靶向策略有效提高藥物在關節內的分布^[2]。如主動靶向納米顆粒在KOA模型中顯示出更高的軟骨積累，增強靶向治療的有效性。納米材料的抗氧化特性在KOA治療中也被廣泛研究。納米酶能清除ROS，減輕關節炎癥和軟骨退化，抑制軟骨細胞凋亡并促進再生^[8]。此外，某些功能化納米顆粒可清除病態細胞并促進軟骨再生，顯示出臨床應用前景^[6]。在動物模型中，銅硫納米顆粒能有效清除衰老軟骨細胞并促進正常軟骨細胞增殖，顯示出良好的治療效果^[6]。這些研究為KOA治療提供實驗依據，并為未來臨床研究奠定基礎。

4" 納米材料的機制研究

納米材料在KOA治療中的應用日益受到關注，對其作用機制的研究逐漸深入^[14]。納米材料通過多種機制調節細胞信號通路、促進細胞增殖和凋亡，從而發揮治療效果。研究表明納米材料不僅可作為藥物載體，還能直接與細胞相互作用，影響細胞的生理和病理過程^[15]。

納米材料可通過調節細胞內信號通路影響細胞的行為。如某些金屬納米顆粒可激活特定信號通路促進成骨細胞分化，改善KOA患者的關節功能^[7]。納米材料還可通過調節氧化還原狀態影響細胞的生存和死亡，納米酶可清除ROS，減輕關節軟骨的損傷和退化^[8]。納米材料亦可通過促進細胞增殖和凋亡改善關節健康。在KOA病理過程中，細胞凋亡和增殖失衡是導致軟骨退化的關鍵因素^[16]。研究表明銅硫納米顆粒可特異性誘導衰老軟骨細胞凋亡，同時不影響正常軟骨細胞，這一特性使其成為KOA治療的潛在材料^[6]。此外，納米材料的應用可改善局部微環境，促進正常軟骨細胞的增殖和分化，幫助軟骨再生與修復^[8]。納米材料的表面特性和結構設計對其生物學功能至關重要^[17]。不同形狀、大小和表面改性納米材料的生物相容性和細胞相互作用差異顯著^[18-19]。碳基納米材料的形狀決定其在細胞內的行為，某些形狀的納米材料能更有效地誘導細胞凋亡或促進細胞增殖^[20]。納米材料還能通過影響細胞內鈣離子濃度、活化特定信號傳導通路調節細胞的生長和凋亡^[21]。

隨著對納米材料機制研究的深入，未來研究應著重優化納米材料的設計，提升治療效果和生物相容性。這將為KOA的治療提供更有效的策略，推動納米技術的臨床轉化。

5" 臨床前研究進展

近年來，納米材料在KOA治療中的應用取得顯著進展。動物實驗和體外試驗均表明納米材料可改善骨骼結構，減輕疼痛并改善關節功能，為其在KOA治療中的潛在應用提供重要依據。

納米材料能通過靶向藥物輸送系統精確送達病灶，提升藥物生物利用度，并延長其在關節內的滯留時間。以GNP為例，它們作為對比劑在醫學成像中應用能有效評估骨密度和關節功能，同時揭示骨質疏松與KOA的關聯性，暗示兩者可能的共同病理機制^[7]。在關節軟骨藥物遞送方面，已開發多種靶向納米材料，通過被動和主動靶向策略，提高藥物在KOA軟骨中的分布與滯留^[2]。主動靶向納米顆粒在KOA模型中表現出更高的軟骨積累，進一步驗證靶向策略的有效性。納米材料的抗氧化特性在治療KOA的機制研究中也取得重要進展。納米酶被用于減輕關節炎癥和軟骨退化，抑制軟骨細胞凋亡并促進其再生^[8]。此外，功能化納米顆粒可通過誘導衰老軟骨細胞凋亡，清除病態細胞，同時保護正常細胞，有助于軟骨再生^[6]。在KOA小鼠模型中，使用功能化銅硫納米顆粒可清除衰老軟骨細胞并促進正常細胞增殖，顯示出良好的治療效果^[6]。

6" 未來發展的方向

個性化治療是現代醫學的發展方向，尤其在KOA治療中，納米技術為患者特異性治療提供新的可能性。通過納米材料的獨特性質，研究者可開發個性化的治療方案，提高治療效果。納米顆粒可根據患者的病理狀態或生物標志物釋放特定藥物，提高藥物的生物利用度，減少對健康組織的損傷，降低副作用^[1]。在個性化治療中，納米材料的選擇和設計至關重要，材料的表面特性、尺寸和形狀可影響其體內分布和代謝^[2]。隨著基因組和代謝組學研究的深入，未來的納米藥物可根據患者的遺傳背景進行個性化調整。此外，納米材料與生物材料結合應用為治療提供更多可能性。納米材料能增強生物材料的力學性能和生物相容性，支持細胞生長和組織再生^[6]。在KOA治療中，納米材料可作為藥物載體，直接釋放抗炎藥物或再生因子，促進愈合，同時具有抗菌特性，預防術后感染^[4]。隨著對生物材料與納米材料相互作用機制的深入理解，未來有望開發出更高效的治療方案。

7" 臨床轉化挑戰

盡管納米技術在實驗室研究中展現出巨大潛力，但其臨床轉化仍面臨多重挑戰。首先，納米材料的生物相容性和毒性問題需要解決。盡管一些納米材料在體外試驗表現出良好的生物降解性和低毒性，但其在體內的行為、積累及對免疫系統的影響仍需進一步驗證，以確保其安全性。其次，納米藥物遞送系統的效率和靶向性是技術難點。盡管納米顆粒可靶向病變區域，但如何確保它們高效到達并釋放藥物仍是挑戰。提升靶向性和減少對非靶向組織的影響是關鍵。標準化生產和規模化也是瓶頸，需要建立統一的生產標準并優化生產工藝，確保不同批次材料的質量一致性。臨床試驗設計和倫理問題也十分重要。納米技術的臨床試驗需要與傳統方法進行對比，并充分考慮患者差異，同時需要合理的倫理審查和知情同意過程。最后，高昂的研發和治療成本是推廣的制約因素，如何平衡創新與成本控制將影響其普及。克服這些挑戰需要跨學科合作和持續創新，同時完善政策和監管框架，為納米技術的臨床轉化提供保障。

8" 結論

KOA是一種常見的退行性疾病，納米材料為其治療提供新的思路。研究表明納米材料在改善關節功能、減輕炎癥反應和促進軟骨再生方面具有良好前景。相比傳統療法，納米材料具有顯著的優勢，尤其在靶向治療方面。此外，納米材料的可調控性和定向釋放能力使其在降低副作用、提高治療效果方面展現出獨特的優勢。

盡管納米材料在理論上具備顯著優勢，但其生物相容性和長期安全性仍需通過臨床試驗進一步驗證。未來應重點關注納米材料的作用機制，并優化其性能，加速其臨床轉化。為確保療效和安全性，開展大規模、多中心的臨床試驗是必要的。總之，納米材料在KOA治療中具有廣泛的應用潛力，未來應在科學研究與臨床驗證之間找到平衡，推動其早日為患者提供更加有效和安全的治療方案。

利益沖突：所有作者均聲明不存在利益沖突。

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