综述：生物材料集成电穿孔技术用于治疗递送：从基因编辑到肿瘤消融及免疫调控

《Small》：Biomaterial-Integrated Electroporation for Therapeutic Delivery: From Gene Editing to Tumor Ablation and Immune Modulation

　　

电穿孔已从单纯的细胞膜透化方法发展为一种多功能治疗平台，可实现细胞内递送、局部区域肿瘤干预及生物电调控治疗。依据脉冲强度与持续时间的差异，电穿孔存在两种截然不同的工作模式：可逆电穿孔（RE）可瞬时透化质膜，在不影响细胞活性的前提下实现核酸、蛋白质及小分子物质的递送；不可逆电穿孔（IRE）则通过诱导永久性膜损伤实现非热组织消融。近年来，生物材料的引入显著拓展了电穿孔的治疗边界，包括纳米载体、水凝胶、柔性导体及微纳工程化生物电子界面在内的多种材料体系，可通过改善载药保护、电场约束、局部滞留、组织贴合性及时空控制能力，推动电穿孔从传统转染技术向基因编辑、工程化细胞制备、电化学疗法、肿瘤消融、免疫调控及透皮或局部递送等多元场景延伸。本综述系统阐述了RE与IRE的生物物理原理，探讨了生物材料如何在不同治疗场景中重塑电穿孔性能，对比了主流生物材料辅助电穿孔平台的设计逻辑，并重点分析了脉冲-材料兼容性、规模化制造、体内剂量测定及监管复杂性等关键转化挑战。

1 引言

电穿孔已发展为集细胞内递送、非病毒细胞工程、局部区域肿瘤消融及生物电调控治疗于一体的多功能平台。其核心优势源于脉冲电场对膜完整性的瞬时或永久性破坏，由此衍生出两种机制迥异的治疗模式：可逆电穿孔（RE）在维持细胞活性的同时实现跨膜物质运输，不可逆电穿孔（IRE）则通过永久性膜损伤实现非热组织消融。基于此，电穿孔在基因编辑、工程化免疫细胞制备、电化学疗法、肿瘤干预及免疫调控等领域得到广泛探索，成为生物电子学、递送科学与精准医学的交叉前沿。然而，单一电穿孔技术仍存在固有局限：体相系统中电场分布不均易导致同一靶区内同时存在治疗不足与过度治疗；原代细胞或干细胞等敏感细胞易受脉冲条件损伤，导致活性与长期功能下降；此外，电穿孔仅能开放膜通道，无法独立实现脆弱治疗载体的保护、释放行为调控、局部滞留维持及与体内不规则动态组织的兼容性优化。生物材料的引入为突破上述瓶颈提供了关键路径：纳米载体、水凝胶、柔性导体、导电储库及微纳工程化生物电子界面并非单纯的被动载体或涂层，而是通过调控局域场分布、稳定治疗载荷、实现空间靶向与局部滞留、提升组织贴合性与操作适应性，系统性弥补单一电穿孔的缺陷。现有综述多聚焦于电穿孔技术的生物物理机制、设备演进或临床转化，或局限于微纳电穿孔的基因治疗应用，或侧重IRE的肿瘤消融与免疫效应，缺乏对生物材料如何跨场景重塑电穿孔性能的整合分析。本综述旨在填补这一空白，通过梳理生物材料对电穿孔性能的调控机制，比较微纳电极界面、纳米颗粒系统与水凝胶平台的设计逻辑，并探讨脉冲-材料兼容性、可制造性、体内剂量测定及监管复杂性等转化挑战，推动电穿孔从应用驱动型模式向可编程、生物材料集成的空间精准医疗接口转变。

2 电穿孔基本原理

2.1 可逆电穿孔（RE）

RE的分子机制由电场介导的细胞膜动态调控主导。外电场作用下，跨膜电位（TMP）快速升高引发磷脂双分子层极化，当TMP达到0.2–0.5 V的临界阈值时，静息膜电位被中和，脂质重排并形成瞬时亲水性纳米孔，允许离子、药物及遗传物质通过被动扩散或电泳方式跨膜运输。撤去电场后，TMP衰减，脂质双分子层自组装修复 transient 孔隙，恢复膜完整性并维持细胞活性。孔隙形成与恢复的动力学特性对脉冲参数（场强、持续时间、重复频率）高度敏感；当TMP超过1 V的上限阈值时，膜损伤不可逆，细胞丧失修复能力并最终死亡。RE的核心优势在于参数的可控性：通过调节脉冲强度、时长与频率，研究人员可精准平衡膜通透性与细胞活性，为质粒DNA转染等电化学疗法与基因递送提供高度可调的平台。

2.2 不可逆电穿孔（IRE）

IRE采用微秒至毫秒级持续时间的高压脉冲（通常1500–3000 V），在细胞膜磷脂双分子层中诱导永久性纳米级缺陷。这些不可逆孔隙破坏离子与渗透稳态，诱发程序性细胞死亡。与传统热消融不同，IRE通过非热物理机制介导细胞破坏，避免了蛋白变性、凝固性坏死及纤维化瘢痕形成，同时保留细胞外基质（ECM）的结构完整性（包括胶原与弹性纤维），维持治疗组织的机械稳定性与传导性。这种组织选择性保护使IRE在治疗邻近血管、神经、胆管或胰管等重要解剖结构的实体瘤时具备显著临床优势，可在精准消融恶性细胞的同时保护脉管与神经架构，克服热消融的核心局限。临床上，RE与IRE的区分基于治疗终点：RE适用于无需细胞死亡的瞬时膜透化场景，如基因电转染、DNA疫苗及CAR-T、TCR-T等治疗性免疫细胞的体外工程化；IRE则用于需要永久性膜损伤的肿瘤消融，尤其适用于胰腺、肝脏及前列腺等邻近关键结构的肿瘤。二者不仅操作参数不同，更代表两种根本性的治疗逻辑：前者聚焦瞬时膜通道构建与载药递送，后者侧重永久性膜破坏与选择性组织消融，这种机制二分法解释了电穿孔在多元生物医学场景中的适应性，也凸显了脉冲设计、组织环境及电场递送界面对生物学结局的共同决定作用。

3 电穿孔的治疗应用

电穿孔已成为调控细胞行为的多功能可控工具，通过调整脉冲强度与持续时间，可实现治疗分子、遗传物质及调控因子的靶向递送，涵盖基因编辑、肿瘤消融、药物递送增强及免疫激活等领域。

3.1 电穿孔在基因治疗中的应用

基因治疗通过将治疗性遗传材料递送至靶细胞以纠正缺陷或失调基因。传统病毒转导与脂质体介导的递送方法受限于载量有限、不可预测的基因组整合及非预期免疫激活风险。相比之下，电穿孔提供了一种非病毒、物理且高度可控的基因导入策略：短脉冲序列可将带负电的生物大分子（如质粒DNA、mRNA或CRISPR/Cas9核糖核蛋白（RNP）复合物）直接驱动跨膜进入细胞质或细胞核。自1980年代Neumann等首次将电穿孔用于小鼠淋巴瘤细胞质粒转染以来，场强、脉宽及脉冲数等参数的持续优化已显著提升转染效率并降低细胞毒性。在基因组编辑领域，电穿孔已成为CRISPR/Cas9系统递送至原代细胞、干细胞及化学转染抗性免疫细胞的核心技术：例如，Maresch等开发的电穿孔多重编辑方法可在单个胰腺细胞内同时修饰多达15个癌基因，构建新型体内肿瘤发生模型；Wan等通过电穿孔将Cas9 RNP封装于外泌体中，实现了体外与体内的肝脏特异性基因组编辑，解决了CRISPR系统全身递送的长期挑战。在DNA疫苗领域，电穿孔介导的基因转移（GET）可显著增强细胞内递送与抗原表达，激发强效免疫激活：Roos等的研究显示，编码前列腺特异性抗原（PSA）的前列腺癌DNA疫苗经皮内电穿孔后，基因表达提升100–1000倍，并诱导更高水平的PSA特异性CD8⁺T细胞应答，且免疫原性与参数优化的基因表达水平直接相关。在CAR-T细胞工程中，电穿孔通过质粒或转座子载体实现嵌合抗原受体（CAR）基因插入，避免了病毒整合风险：Cai等通过电穿孔递送抗DLL3 CAR circRNA，生成的CAR-T细胞对小细胞肺癌（SCLC）的细胞毒性接近100%，且RNA稳定性与表达水平优于mRNA；在TCR-T细胞工程中，Marson等利用CRISPR–Cas9电穿孔替换内源性T细胞受体（TCR）基因，实现了体外与体内的肿瘤特异性识别与细胞毒性。对于诱导多能干细胞（iPSCs）、人胚胎干细胞（hESCs）及造血干细胞（HSCs）等难转染干细胞，电穿孔是唯一高效的无整合物理递送方法：Xu等采用管式电穿孔系统将Cas9 RNP与单链DNA模板共递送至iPSCs，同源定向修复（HDR）效率达42%；但电穿孔仍存在细胞应激与存活率低的问题，如iPSCs电穿孔后存活率仅约3%，虽过表达抗凋亡蛋白BCL-XL可提升至90%并使HDR效率达15%–25%。Mukherjee等通过单细胞RNA测序证实，局部电穿孔（LEP）可在不诱导广泛细胞死亡或激活应激反应通路的前提下实现生物分子胞内递送，较体相电穿孔更好地维持细胞活性与结构完整性。综上，电穿孔为多元治疗场景下的基因递送提供了通用、可扩展的高效平台，但需针对不同细胞类型优化场强与脉冲参数以平衡转染效率与活性，纳米载体（如外泌体）或生物材料支架的集成有望进一步提升组织特异性，推动个性化精准治疗发展。

3.2 电穿孔用于精准肿瘤消融

IRE通过可控电场暴露诱导非热、ECM保留的细胞凋亡，重新定义了肿瘤消融范式。在胰腺癌模型中，IRE可诱导肿瘤细胞凋亡、微血管破坏及淋巴细胞浸润，显著延长荷瘤小鼠生存期；Zhang等观察到IRE后30分钟内即可出现凋亡小体形成与膜损伤；Lee等在猪模型中验证了IRE的安全性，显示胰周血管与神经结构完整，无严重并发症；类似地，IRE在猪肝组织中保留了门静脉、肝动脉及胆囊结构，仅引起短暂肝功能变化。在肝癌治疗中，Miller等证实高强度电场可有效灭活肝细胞；Lee等在猪肝模型中观察到清晰的消融边界，胆管与脉管结构完整，TUNEL与BCL-2染色证实凋亡为主要死亡机制；Isfort等将IRE与药物洗脱微球经动脉化疗栓塞（DEB-TACE）联合，显著扩大消融体积；Fang等通过射频消融（RFA）预加热组织降低电场阈值，为大体或解剖结构复杂肿瘤提供了协同治疗策略。在肾及泌尿系统肿瘤中，Wendler等观察到猪肾IRE术后28天坏死区被瘢痕组织替代，集合系统与输尿管结构完整，尿路上皮再生；Sorokin等进一步证实IRE可保留输尿管与肠道结构，术后炎症自限，黏膜与肌层完整，凸显其对泌尿功能的保护作用。在前列腺癌治疗中，Onik等在犬模型中观察到消融区胶原替代，勃起与排尿功能保留；Kim等在大鼠模型中证实消融后24小时凋亡达峰，与MRI及组织病理学结果一致；Tsivian等在犬模型中验证了IRE术后脉管与神经血管束的完整性，勃起功能得以保留。临床研究数据显示，IRE在胰腺、肝脏、肾脏及前列腺肿瘤中的局部控制率可达80%以上，其优势不仅在于精准性，更在于免疫原性潜力：IRE诱导免疫原性细胞死亡（ICD），释放肿瘤相关抗原（TAAs）与损伤相关分子模式（DAMPs），激活抗原呈递细胞（APCs）并促进细胞毒性T细胞招募，使其成为免疫检查点抑制剂（ICIs）与CAR-T细胞治疗的理想协同伙伴，将消融区转化为原位疫苗位点。未来研究需聚焦剂量-场建模、免疫治疗联合策略及实时生物电反馈系统的开发，以实现稳定的肿瘤根除与免疫激活。

3.3 电穿孔增强药物渗透

在化疗药物递送中，电穿孔可显著提升小分子药物的胞内摄取效率，电化学疗法（ECT）是典型代表：通过联合电穿孔与化疗，瞬时增加肿瘤细胞膜通透性，促进原本难以跨膜的细胞毒性药物进入细胞诱导死亡。Okino等证实，高压脉冲介导的博来霉素递送可显著缩小肿瘤体积，而单独脉冲或博来霉素几乎无抗肿瘤效果。ECT常用药物（如博来霉素、顺铂）在膜修复后发挥胞内细胞毒性，同时电脉冲诱导的瞬时血管锁效应可减少治疗区化疗药物的外周冲刷，使博来霉素局部细胞毒性提升高达1000倍，顺铂提升约80倍，允许使用更低药物浓度并减少全身或局部不良反应。IRE同样可通过调控肿瘤细胞膜与微环境增强化疗药物递送：联合IRE与化疗药物可产生协同效应，IRE通过破坏致密肿瘤间质促进药物渗透与胞内摄取，同时保留周围正常组织完整性，改善治疗效果并延长生存期。Bhutiani等在动物模型中证实IRE消融可增加治疗区吉西他滨的摄取；Martin等的临床研究显示，局部晚期胰腺癌（LAPC）患者诱导化疗后接受IRE治疗可增强肿瘤控制，术后辅助化疗可协同清除微小残留病灶，降低局部复发并延长生存期。尽管IRE联合化疗的协同效益已被证实，但其重塑肿瘤微环境促进药物渗透的具体机制、不同化疗药物与电穿孔的相互作用及联合系统化疗控制转移灶的策略仍需深入探索。未来研究应聚焦脉冲参数优化以实现选择性深层组织靶向、电穿孔与纳米颗粒或水凝胶载体的集成以实现缓释、及影像引导系统的开发以实现药物剂量的时空控制，推动电穿孔增强化疗向安全、精准的临床有效疗法转化。

3.4 电穿孔激活抗肿瘤免疫

除直接细胞毒性外，IRE的免疫调控潜能备受关注：通过诱导纳米级膜孔隙，IRE触发ICD，驱动此前隔离的肿瘤相关抗原与特异性DAMPs释放，包括钙网蛋白表面暴露、ATP胞外释放及高迁移率族蛋白B1（HMGB1）释放。钙网蛋白作为“吃我”信号促进吞噬细胞摄取死亡肿瘤细胞，ATP作为趋化因子与成熟信号招募树突状细胞，HMGB1激活模式识别通路增强抗原加工与呈递，共同促进抗原呈递细胞招募与成熟，推动肿瘤特异性CD8⁺T细胞交叉 priming，将局部肿瘤破坏转化为系统性免疫应答。由于IRE保留局部微血管架构，可高效促进免疫细胞浸润，最终将消融区转化为原位肿瘤疫苗，诱导系统性抗肿瘤免疫。机制层面，IRE可同时激活先天与适应性免疫：先天免疫方面，IRE促进树突状细胞（DC）成熟与抗原呈递，增加肿瘤内DCs、NK细胞及M1样巨噬细胞浸润，减少髓源性抑制细胞（MDSCs）与调节性T细胞（Tregs）等免疫抑制细胞，逆转免疫抑制微环境；Dai等在小鼠肝癌模型中证实IRE可显著提升脾内IFN-γ⁺CD8⁺T细胞水平，增加消融区周围CD8⁺T细胞与DCs密度，同时降低PD-1⁺T细胞与Tregs比例；He等在局部晚期胰腺癌模型中发现，增加电脉冲强度可显著提升脾脏与淋巴结中效应CD8⁺T细胞频率，表明IRE参数可调控免疫激活强度。适应性免疫方面，IRE增加消融区及二级淋巴器官中CD8⁺与CD4⁺T细胞浸润，减少循环Tregs与PD-1⁺T细胞；Zhao等在胰腺导管腺癌（PDAC）模型中证实，IRE联合PD-1阻断可促进CD8⁺T细胞增殖，通过DAMP释放逆转基质介导的免疫抑制，诱导持久抗肿瘤记忆应答；Wu等发现IRE与PD-L1阻断协同激活CD11b⁺CD103^?2型常规树突状细胞（cDC2s），增强抗原呈递至CD4⁺T细胞并促使其向Th1细胞分化，进而招募NK细胞强化抗肿瘤免疫。尽管IRE的原位疫苗效应可显著增强肿瘤免疫原性，其诱导的免疫应答仍受动态抑制：IFN-γ信号虽对CD8⁺T细胞激活至关重要，但可同时上调肿瘤细胞PD-L1表达；临床研究显示IRE后Treg耗竭是短暂的，2–3周内可恢复至基线水平。未来研究需解析IRE后癌症相关成纤维细胞（CAFs）、免疫细胞与ECM组分的时空互作，优化IRE与免疫佐剂或检查点抑制剂的时序组合以克服免疫抑制反弹。电穿孔不仅是精准消融技术，更是实体瘤的强效免疫启动策略，深入理解其双重功能潜力对临床转化至关重要。

4 生物材料如何重塑电穿孔性能

单一电穿孔技术受限于细胞应激与活性损失、复杂组织中电场分布不均、治疗载荷缺乏保护及体内动态环境适应性差等瓶颈，而生物材料通过主动调控局域电场、稳定与调控载荷、决定治疗药物的时空蓄积及增强体内生物力学兼容性，从根本上重塑电穿孔过程。

4.1 电场调制与界面工程

生物材料最基础的调控方式是通过改变电场分布及其与靶膜的耦合效率。体相电穿孔中，较大电极间距与非均匀组织导电性易导致治疗不足与过度并存，降低选择性与细胞活性。微纳工程化界面通过缩小有效透化区域缓解这一问题：纳米 straws、纳米孔、中空纳米电极及绝缘电容式微电极可改善膜接触，将电场限制于更小区域，实现低电压操作、更高空间精度与细胞存活率，特别适用于单细胞操控、贴壁细胞递送及敏感细胞群的体外工程化，但目前仍受限于处理通量与制造复杂性。导电纳米材料可进一步优化局域电物理条件：如金纳米颗粒可作为局域场放大器或“虚拟微电极”，提升转染效率并减少对宏观场参数的依赖。生物材料还可减轻小尺度下的电化学副作用（如局域pH偏移与电极毒性），非法拉第绝缘界面的应用尤为关键。该领域的核心趋势是将电穿孔从宏观脉冲递送技术转变为膜匹配界面技术，为后续微纳电穿孔系统的精准基因递送与细胞工程化奠定设计基础。

4.2 载药稳定与制剂调控

电穿孔虽能有效透化质膜，但缺乏在关键转运窗口保护或优化治疗载体的内在能力，这一局限在mRNA、circRNA、蛋白质、CRISPR/Cas9 RNP复合物、免疫佐剂等脆弱、扩散受限或多组分载荷中尤为突出。生物材料通过在脉冲暴露前预处理载体，并在递送过程中维持其功能状态，重塑电穿孔性能：纳米颗粒、脂质体、外泌体、聚合物胶束及聚电解质纳米复合物可浓缩核酸、屏蔽降解、调控表面电荷与尺寸以优化细胞相互作用，并支持抑制剂、佐剂或成像剂的共载。在体相电穿孔中，此类制剂调控可弥补膜透化的非选择性；在微纳电穿孔中，可改善小区域透化与胞内运输的匹配度；在IRE相关递送场景中，可实现药理或免疫载荷与消融事件的时空耦合，而非作为独立疗法。这一作用的本质是解决单一电穿孔的核心弱点——实现胞质电学通路的同时缺乏对载体完整性、释放行为或同步共递送的等效控制，因此成为后续基因修饰、药物渗透与免疫调控章节的概念基础。其转化挑战在于载体性能需在目标脉冲模式下保持稳定，因为强电场可能破坏脂质膜、改变聚合物结构或修饰释放动力学。

4.3 空间靶向与局部滞留

单一电穿孔的另一局限是膜透化具有瞬时性，而治疗获益常依赖于持续的局部可用性。电穿孔本身无法保证载荷的蓄积位置、滞留时长，或其是否存在于电穿孔诱导的基质破坏、血管锁或消融后免疫激活等关键时间窗。生物材料通过实现空间靶向、储库构建与时间协调释放解决这一问题：纳米尺度上，配体功能化或组织趋向性载体可改善区域蓄积与细胞选择性，在电穿孔需联合靶向胞内递送时尤为重要；组织尺度上，水凝胶与储库形成基质可提供互补解决方案——将核酸、药物、细胞因子或免疫激动剂滞留于治疗区，减少冲刷，并在电穿孔诱导的通透性或免疫许可性最佳的时间段内维持载荷释放。这一作用在IRE相关场景中尤为关键，因为消融区及其周边是短暂可及但快速演变的微环境。淋巴结导电水凝胶电穿孔与经皮核酸递送的水凝胶电子微阵列系统证明，软材料可同时实现治疗局部化与电穿孔功能优化。该领域的转化成熟度在局部区域与影像引导应用中高于全身疾病，因为其核心优势在于利用局部治疗窗口而非替代全身递送平台，自然衔接后续电穿孔辅助药物递送与抗肿瘤免疫章节的机制讨论。

4.4 体内兼容性与转化适应性

生物材料还通过提升电穿孔在复杂体内环境中的物理与临床适用性重塑其性能。多数电穿孔系统在简化的体外环境中优化，而体内应用面临曲面动态组织形貌、机械失配、植入材料炎症反应及入路、成像、工作流程整合等实际约束。水凝胶、柔性导体、可植入或注射导电界面及生物可吸收电极系统通过构建更顺应、组织适配且临床可行的电穿孔平台应对这些屏障，在从台式体相电穿孔或芯片基微纳电穿孔向局部体内治疗转化时尤为重要。软界面可改善不规则生物表面的接触，减少刚性电极造成的损伤，并允许通过毛细血管、导管、术后腔隙或穿戴/透皮形式实施电穿孔。近期用于体内淋巴结编辑与胶质母细胞瘤电免疫疗法的导电水凝胶系统证明，生物材料可将电穿孔从设备中心干预转化为组织适配的治疗界面。不同电穿孔模式的转化成熟度存在差异：体相电穿孔在原代人类T细胞工程等规模化体外制造中最为成熟，其通量与工艺整合已得到优化；微纳电穿孔在精度与活性要求高的场景前景广阔，但向大体组织扩展、封装与灭菌仍是瓶颈；IRE在实体瘤消融中临床成熟度最高，近期共识指南的发布反映了这一进展，但其下一阶段转化将日益依赖生物材料策略以提升选择性、利用消融后窗口并整合联合治疗。综上，生物材料不仅为电穿孔增添功能，更决定了电穿孔能否在关键治疗场景中实现可控、耐受与临床可整合。

5 用于基因修饰的电穿孔集成生物材料

电穿孔在基因递送中已展现卓越效用，克服了病毒载体瓶颈，推动了CRISPR编辑、CAR-T工程化及DNA疫苗开发。但传统体相电穿孔受限于细胞活性受损、电场分布不均及体内适用性有限等问题，研究范式正转向两大核心策略：开发生物材料基纳米载体优化递送载荷与界面，及结构优化电穿孔设备实现精准高效分子转运。过去五年的突破性进展在于，从单一转染方法向非病毒基因修饰系统整合转变，实现载体配方、设备几何结构与脉冲递送的协同工程设计。

5.1 基于纳米载体的非病毒基因递送系统

为解决传统电穿孔在复杂生物微环境中的低效问题，研究人员致力于生物材料与电刺激的协同。过继性细胞疗法（ACT）依赖自体或同种异体免疫细胞的体外基因修饰与扩增，是肿瘤学的关键前沿。Chakraborty等开发了基于聚电解质包裹纳米复合物的非病毒递送平台“免疫复合物”（IPs），通过乙酰化聚乙烯亚胺（Ac-PEI）浓缩DNA形成核心，再以阴离子聚电解质（PEMA）屏蔽，该模块化系统在血清丰富的条件下仍能高效转染先天与适应性免疫细胞，为电穿孔提供了靶向预处理界面，加速了免疫工程的临床转化。DNA疫苗是肿瘤免疫治疗的重要策略，但常因细胞内化效率低而受限。Cui等利用微流控平台系统优化DNA负载脂质纳米颗粒（LNPs），筛选出转染效率（TE）最大化且细胞毒性最低的配方，成功递送靶向人新抗原HER2的DNA疫苗（pVAX-hECTM），证明了LNPs与电穿孔结合的卓越治疗潜力。生理屏障（如角质层或角膜上皮）是基因递送的另一挑战，传统刚性电极难以贴合复杂组织表面。Ren等开发了用于共形离子导入与电穿孔的可印刷金属-聚合物导体（MPC），这种软生物适配MPC贴片可实现靶向血管内皮生长因子A（VEGF-A） siRNA的眼部局部高效递送，递送效率提升约16倍，基因沉默率达95%，为克服局部基因治疗的强生理屏障提供了新材料解决方案。需注意，电穿孔脉冲与合成载体的相互作用需严格评估：除透化靶细胞膜外，高压脉冲可能改变部分纳米载体的理化稳定性——脂质基纳米载体在强脉冲电场下可能发生膜 destabilization 或 premature 泄漏，部分聚合物纳米颗粒可能出现结构变形、胶体稳定性改变或释放动力学受脉冲影响；含导电或金属成分的纳米材料可能在脉冲暴露期间放大局域氧化还原活性，虽在特定场景具有治疗价值，但也可能增加脱靶氧化应激。因此，未来生物材料辅助电穿孔系统应基于脉冲-材料兼容性设计，明确关注载体稳健性、电化学稳定性及材料在脉冲暴露期间的结构惰性响应属性。

5.2 基于新型电穿孔设备的工程优化

除生物材料作为载体外，电穿孔界面本身的理性设计（聚焦电极几何结构、空间构型与脉冲参数调制）也取得显著进展。Liu等率先开展纳米孔电穿孔（NPE）研究，结合实验数据与COMSOL模拟阐明NPE效率与细胞铺展的内在关联：铺展良好的贴壁细胞与纳米孔形成紧密接触，实现局域电场约束与高转染率（>58%），而悬浮细胞效率显著较低（<19%），为NPE的细胞类型特异性应用提供了理论框架。在此基础上，NPE被适配于更复杂的细胞重编程任务：Ren等报道的纳米电穿孔系统可高效递送环状RNA（circRNA）诱导细胞重编程，在低电压下实现超过90%的转染效率，快速将原代成纤维细胞重编程为人iPSCs，同时保持高细胞活性并最小化促炎细胞因子（IL-6与IL-18）释放。为进一步提升递送精度，Duckert等基于互补金属氧化物半导体（CMOS）微电极阵列（MEAs）开发了高清电穿孔（HD-EP），通过在纳米级电极接触点生成高度聚焦的电场，实现单细胞精度的基因递送，mCherry mRNA转染效率达81%，细胞存活率超过90%，有效解决了体相电穿孔的毒性与精度不足问题。但此类高精度芯片的临床效用常受限于低通量（~5×10⁴细胞）。Li等开发的大容量连续电穿孔芯片（LaViE-Chip）通过集成微流控纳米结构与平行窄通道优化场均匀性，实现高通量连续处理，满足临床CAR-T治疗所需的大规模细胞制造需求（每疗程10⁸–10¹⁰细胞）。针对蛋白质与CRISPR RNP复合物等大型生物大分子递送的扩散动力学慢与结构不稳定难题，Pathak等开发了局部电穿孔设备（LEPD），整合纳米限域电穿孔（将场聚焦在400 nm界面内）、高通量96孔板架构与人工智能驱动分析，实现功能性蛋白质与基因编辑复合物的高效低毒递送，平衡了安全性与有效性需求。综上，下一代电穿孔介导的基因修饰将不再仅追求更高转染效率，而是整个递送界面的理性工程：纳米载体辅助系统通过保护脆弱载荷、拓展组织可及性与减轻脉冲相关损伤发挥作用，微纳工程化电穿孔设备则通过改善场约束、通量及对敏感或难转染细胞类型的兼容性实现优化。成功非病毒基因递送依赖于载体配方、脉冲参数与设备几何结构的协同优化，而非单一组件的改进。当前领域仍需克服细胞类型普适性有限、工业级可制造性及体内适应性不足等转化壁垒，未来需开发标准化、高通量、应用特异性的电穿孔平台，整合生物材料设计、微流控、纳米工程与智能设备控制，衔接实验室创新与临床 scalable 基因修饰技术。

6 用于增强药物渗透的电穿孔集成生物材料

近期另一突破性进展是从电穿孔增强摄取向生物材料门控药物可用性转变。新兴研究证明，纳米脂质体、刺激响应储库与压电平台可同步载荷释放与电穿孔诱导的治疗窗口，将电穿孔从通透性增强工具转化为时空可编程的药物递送界面。通过利用增强渗透与滞留（EPR）效应及主动配体介导的靶向，载药纳米载体可实现肿瘤微环境的位点特异性蓄积，最大化治疗生物利用度，同时通过减少给药频率降低全身毒性，为多模态协同精准肿瘤干预奠定基础。

6.1 基于纳米脂质体的协同递送策略

脂质体作为纳米医学的基石，在与电穿孔集成后已从被动载体演变为复杂的场响应系统，从单纯增强细胞摄取发展到实现精准电场触发的载荷释放。早期Pisani等证实，阳离子庆大霉素负载脂质体经电穿孔处理后可显著促进药物内化，最大化胞内浓度；Silbaugh等通过优化脂质双分子层力学（特别是调控膜流动性），将电穿孔诱导的释放率提升至50%以上，凸显了生物材料属性的理性工程对放大电穿孔介导递送协同效能的关键作用。为规避强效化疗药物的全身毒性，Tian等设计了适配IRE的mTOR抑制剂BEZ235脂质体制剂（L-BEZ），在IRE产生的梯度电场驱动下，BEZ235在消融区内从脂质体核心高效释放，这种时空控制释放策略不仅最小化全身不良反应，还显著抑制体内肿瘤细胞活力与增殖，降低消融后局部复发风险。Han等进一步设计了“电铁死亡”纳米治疗剂（EFN），由氧化铁纳米组装体（IONA）与抗坏血酸负载脂质体（Lip-AA）组成：IRE刺激下抗坏血酸释放触发IONA还原，产生大量亚铁离子（Fe²⁺）启动铁死亡（一种受调控的铁依赖性细胞死亡机制）；同时IRE增强膜通透性，促进Fe²⁺胞质蓄积以放大致死级联反应。IRE触发的EFN系统展现出优异的肿瘤生长抑制与免疫激活效果。最新研究将这一协同概念拓展至免疫治疗领域：负载STING激动剂的新型阳离子脂质体与IRE联合，实现高效胞质递送与免疫原性细胞死亡（ICD）诱导的双重效应，作为原位肿瘤疫苗有效 orchestrate 系统性抗肿瘤免疫应答。从转化视角看，局部给药纳米脂质体或其他可注射储库与IRE的联合，对局部区域与影像可及病灶最具实用性：瘤内注射虽可增加消融区药物浓度并减少全身暴露，但也为已属影像引导的有创消融操作增加了第二道局部干预，可能限制其在深部肿瘤、多灶转移性疾病或需重复多部位治疗场景中的实用性。因此，临床可行的下一代策略需整合微创影像引导注射流程、导管基区域递送或具有长时效瘤内滞留的储库制剂，以减少频繁再给药需求。同时，鉴于IRE本质上是局部治疗，生物材料辅助IRE最可能通过与系统治疗或免疫治疗的整合发挥作用，而非作为播散性癌症的独立解决方案。

6.2 基于压电材料的智能控释

压电生物材料为电穿孔介导递送引入了本质不同的策略：其不依赖外源施加电极，而是将超声或生物机械形变转化为材料-组织界面的局域电学信号。该策略的意义不仅在于“自供电”，更在于实现膜敏化、门控释放与空间限域刺激三大功能在单一平台的耦合。早期研究主要确立机制可行性：Dolai等证明羟基磷灰石纳米线/PVDF薄膜在超声下可产生足以诱导RE并促进FITC-葡聚糖胞内摄取的局域电势；Yang等、Sun等与Wu等的研究则将重点从膜透化本身转向电控释放，证明压电输出可用于调控药物排放动力学、延长滞留或创建可切换的“开/关”释放行为。Brilian等的研究虽非严格压电系统，但在概念上具有相关性——证明局域电信号不仅可用于释放载荷，还可偏置其跨生物界面的转运。这些早期研究提示，压电材料的真正潜力并非自主供能，而是构建电活性递送界面，其通透性与释放行为均可实现原位调控。近期进展将这一概念推向肿瘤学领域，但领域机制异质性仍较高：Pedraza等使用超声刺激的铁电P(VDF-TrFE)微粒诱导癌细胞细胞毒性，明确将其定位为不可逆电穿孔样效应的潜在路径；但多数新型肿瘤研究运行于不同机制——并非替代经典电脉冲递送，而是利用压电材料在超声下放大膜扰动、离子失衡、催化活性氧（ROS）生成或触发药物释放。例如，Chen等的HER2靶向平台通过结合压电刺激与膜电位扰动、RE及Ca²⁺失衡增强声动力疗法；Wang等与Song等的胰腺癌系统利用压电催化机制调控一氧化氮（NO）释放、化疗药物释放与免疫调控；Xue等的穿戴式柔性超声微针贴片代表了显著的转化进展，但其优势在于整合微创局部递送、ROS放大与免疫治疗协同，而非复现经验证的IRE等效电波形。因此，不应过度解读近期文献为压电平台即将取代传统电穿孔硬件的证据——其更应被视为电敏化与释放放大的复杂辅助模块，能够提升局部治疗的可编程性，同时最小化对有线设备的依赖。综上，压电生物材料构建了无线触发电活性界面，可局域敏化膜、门控按需药物释放并放大多模态疗法。早期概念验证研究证明压电薄膜或涂层可产生足以诱导RE样透化或释放调制的局域电刺激；近期肿瘤导向系统将这一概念拓展至超声驱动压电纳米平台，耦合膜扰动、ROS生成与离子失衡及触发载荷释放，但机制多样，真正等效于电穿孔的压电系统仍少见。更重要的是，其转化潜力受限于人体组织中超声波传播的物理学特性：临床中~1 MHz超声适用于深度约2.5–5 cm的靶区，3 MHz更适合深度~0.8–1.6 cm的浅表组织；随着声程增加与组织成分异质性增加，能量吸收、散射与反射会逐步衰减到达植入压电材料的声波，尤其在骨或气体界面等声阻抗显著不匹配处。因此，超声触发压电系统对深部肿瘤的体内表现不仅取决于材料本征压电系数，还与声频、靶深度、耦合效率、设备几何结构及局域组织微环境密切相关。当前多数研究仍未以与膜阈值现象、经典电穿孔参数或深部组织剂量测定直接相关的方式量化组织-材料界面产生的电输出。未来进展需整合声学剂量测定、精确压电输出谱、释放动力学及临床相关条件下的生物应答。短期内，压电生物材料最现实的角色并非作为成熟电穿孔平台的独立替代品，而是作为智能辅助模块，局域降低转运屏障、门控按需释放并增强多模态电穿孔治疗。综上，生物材料辅助电穿孔药物渗透策略旨在解决三大临床挑战：如何将治疗药物富集于靶区、如何同步释放与电穿孔诱导的治疗窗口、如何在维持局部效力的同时最小化全身毒性。纳米脂质体系统在需触发释放与局部药理放大时尤为有效，压电平台则更可能作为按需释放与电敏化的可编程辅助模块。本部分的核心启示是：电穿孔不仅增加摄取，与理性设计的生物材料耦合后，可从根本上重塑药物生物利用度的时空格局。

7 电穿孔-生物材料协同激活抗肿瘤免疫细胞

基于电穿孔在药物递送与肿瘤消融中的不断拓展，其与功能生物材料的集成为癌症免疫调控与疫苗开发开辟了新机遇。近期最深刻的概念进展之一是认识到IRE可在消融后创造短暂免疫许可窗口，其间肿瘤抗原释放、基质破坏与免疫抑制暂时缓解协同逆转局部免疫耐受。生物材料可被策略性设计以利用这一窗口，实现局部检查点阻断、疫苗样抗原呈递、持续免疫佐剂递送及肿瘤微环境（TME）的表型特异性重编程。这一新兴范式将电穿孔的治疗边界从单纯局部消融重新定义为系统性免疫治疗设计的多功能平台。在此背景下，先进生物材料辅助电穿孔系统正被开发以克服传统免疫检查点抑制剂（ICIs）的递送屏障、脱靶免疫失调与获得性耐药等局限，实现更局部、可控且持久的抗肿瘤免疫激活。

7.1 免疫检查点抑制剂（ICIs）递送优化

ICI治疗的主要转化瓶颈是单克隆抗体的低效与非靶向生物分布。Li等开发了可注射海藻酸盐水凝胶，用于塞来昔布与抗PD-1抗体的持续局部共递送：在B16-F10黑色素瘤与4T1乳腺癌模型中，该制剂实现长效瘤内滞留并最小化脱靶全身暴露，最终增强检查点阻断疗效；与单药相比，水凝胶联合治疗显著提升TME、引流淋巴结与脾脏中CD4⁺与CD8⁺IFN-γ⁺效应T细胞群，同时减少Tregs、MDSCs与促肿瘤细胞因子，首次系统证明生物材料介导的ICI与抗炎剂共递送可协同放大抗肿瘤免疫。Song等采用可注射肽水凝胶实现肿瘤疫苗与双ICIs的协同递送：电穿孔作为生物物理触发器递送疫苗组分或佐剂并诱导ICD，形成“原位疫苗”；水凝胶在瘤灶形成免疫激活储库，实现抗原与ICIs的持续释放，显著提升黑色素瘤与4T1模型中的CD8⁺T细胞浸润。针对脱靶毒性与耐药性问题，