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A materials-science perspective on tackling COVID-19. ​

文献信息 ​

DOI10.1038/s41578-020-00247-y
PMID33078077
期刊Nature reviews. Materials
影响因子86.2
JCR 分区Q1
发表年份2020
被引次数126
关键词疾病，材料科学，纳米科学与技术，病毒学
文献类型Journal Article, Review
ISSN2058-8437
页码847-860
期号5(11)
作者Zhongmin Tang, Na Kong, Xingcai Zhang, Yuan Liu, Ping Hu, Shan Mou, Peter Liljeström, Jianlin Shi, Weihong Tan, Jong Seung Kim, Yihai Cao, Robert Langer, Kam W Leong, Omid C Farokhzad, Wei Tao

一句话小结 ​

本综述强调了材料科学在抗病毒研究和治疗开发中的重要性，特别是在SARS-CoV-2疫情背景下，探讨了其在病毒检测、药物递送和疫苗开发等方面的贡献。研究发现，材料科学不仅能提升当前抗疫能力，还为未来病毒性疾病的研究与防控提供了关键的平台和技术支持。

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疾病 · 材料科学 · 纳米科学与技术 · 病毒学

摘要 ​

持续的SARS-CoV-2疫情突显了材料科学在提供抗病毒研究和治疗开发工具与技术方面的重要性。在本综述中，我们讨论了材料科学在开发成像系统和微流控设备方面的先前努力，这些设备用于对病毒结构和传播进行深入和实时的研究，以及用于病毒检测和抗病毒药物与疫苗递送的材料平台。我们强调了材料科学在个人防护装备制造以及设计简单、准确且低成本的病毒检测设备方面的贡献。接着，我们探讨了材料科学在抗病毒研究和治疗开发中的未来可能性，考察材料在抗病毒药物设计中的作用，包括合成材料平台在类器官和芯片上器官中的重要性，以及在药物递送、疫苗接种和医疗设备生产中的应用。基于材料科学的技术不仅为当前的SARS-CoV-2研究贡献力量，还能为理解、保护、检测和治疗未来病毒性疾病提供平台和工具。

英文摘要 ​

The ongoing SARS-CoV-2 pandemic highlights the importance of materials science in providing tools and technologies for antiviral research and treatment development. In this Review, we discuss previous efforts in materials science in developing imaging systems and microfluidic devices for the in-depth and real-time investigation of viral structures and transmission, as well as material platforms for the detection of viruses and the delivery of antiviral drugs and vaccines. We highlight the contribution of materials science to the manufacturing of personal protective equipment and to the design of simple, accurate and low-cost virus-detection devices. We then investigate future possibilities of materials science in antiviral research and treatment development, examining the role of materials in antiviral-drug design, including the importance of synthetic material platforms for organoids and organs-on-a-chip, in drug delivery and vaccination, and for the production of medical equipment. Materials-science-based technologies not only contribute to the ongoing SARS-CoV-2 research efforts but can also provide platforms and tools for the understanding, protection, detection and treatment of future viral diseases.

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主要研究问题 ​

  1. 材料科学在抗击其他病毒性疾病中有哪些成功的应用案例？
  2. 如何评估材料科学技术在新冠病毒检测设备中的有效性与成本效益？
  3. 在未来的病毒研究中，材料科学将如何推动疫苗开发和药物递送系统的创新？
  4. 材料科学在个人防护装备的设计和制造中面临哪些挑战和机遇？
  5. 有哪些新兴材料可能会对抗病毒研究和治疗产生重大影响？

核心洞察 ​

研究背景和目的 ​

新冠病毒SARS-CoV-2引发的COVID-19疫情在全球范围内蔓延，迫切需要有效的抗病毒研究和治疗方案。材料科学在开发抗病毒工具和技术方面发挥了重要作用，本文旨在探讨材料科学在病毒研究、检测、保护和治疗中的贡献，并展望其未来的发展方向。

主要方法/材料/实验设计 ​

研究采用了多种材料科学技术，具体包括：

  • 病毒结构与生物学研究：

    • 使用共聚焦显微镜跟踪单个病毒颗粒，了解感染机制。
    • 应用基因测序和纳米技术加速病毒基因组的检测与分析。

  • 保护措施：

    • 设计和制造个人防护装备（如口罩、手套等），利用多种材料提高防护性能。
    • 开发具有抗病毒特性的自清洁材料和可重复使用的防护设备。

  • 病毒检测：

    • 利用免疫测定和PCR技术进行病毒蛋白和核酸的检测。
    • 引入CRISPR技术和纳米线场效应晶体管实现实时检测。

  • 治疗与疫苗研发：

    • 开发抗病毒药物（如聚合酶抑制剂）和疫苗（如mRNA疫苗），并探索其在微生物体内的效果。

以下是技术路线的流程图：

Mermaid diagram

关键结果和发现 ​

  • 材料科学的应用使得病毒检测的灵敏度和准确性显著提高。
  • 开发的新型防护装备有效降低了病毒传播风险。
  • 通过纳米技术的引入，疫苗的递送效率和稳定性得到改善。
  • 研究显示，材料科学能够提供更高效的抗病毒治疗方案，并推动疫苗研发。

主要结论/意义/创新性 ​

材料科学在应对SARS-CoV-2疫情中发挥了至关重要的作用，提供了多种有效的工具和技术，促进了病毒研究和治疗的进展。未来，材料科学的创新将为应对新发病毒性疾病提供更强大的支持，特别是在快速检测、疫苗开发和治疗方案的优化方面。

研究局限性和未来方向 ​

  • 当前的研究主要集中在SARS-CoV-2，未来需要扩展到其他潜在的病毒。
  • 虽然技术不断进步，但仍需克服材料安全性和成本等问题。
  • 未来的研究应加强跨学科合作，结合生物学、医学和工程学，开发更全面的抗病毒策略。

总体而言，材料科学在抗病毒研究中的潜力巨大，未来将继续推动公共卫生领域的创新与发展。

参考文献 ​

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引用本文的文献 ​

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  10. Nanotechnology advances in pathogen- and host-targeted antiviral delivery: multipronged therapeutic intervention for pandemic control. - Kai-Chieh Yang;Jung-Chen Lin;Hsiao-Han Tsai;Chung-Yao Hsu;Vicky Shih;Che-Ming Jack Hu - Drug delivery and translational research (2021)

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