頂刊動態 | Nature子刊/ACS Nano等期刊生物材料學術進展匯總（5.6-5.12）
１、ACS Nano：自供能的電信號模擬裝置促進間充質干細胞向神經細胞分化
圖１ 自供能裝置的結構示意圖
間充質干細胞（MSC）能分化成多種細胞，在適當的外部因素的影響下MSC可以分化為神經細胞，從而修復神經系統。
最近中國科學院北京納米能源與系統研究所的王中林等人制備了由導電聚合物聚（3,4-乙撐二氧噻吩）和還原氧化石墨烯組成的雜化纖維，將這種纖維放在培養液中，并且在自供能裝置（電壓依靠人走路產生）提供的脈沖電信號（電壓300V，電流30μＡ）下，MSC被成功誘導分化為神經細胞。這種雜化纖維支架和可穿戴自供能裝置在神經組織工程中很有發展前景。
2、ACS Nano：自組裝蛋白纖維的單向生長
圖2 蛋白質纖維單向生長的示意圖
蛋白質納米纖維是一類具有獨特性質的材料，在醫學和食品工程上有廣泛的應用。
最近荷蘭瓦赫寧根大學的Lennart H. Beun等人利用隨機光學重建顯微鏡（STORM）研究了一種三段蛋白質自組裝的動力學和聚合機制。他們發現這種纖維是連續成核的，成核后纖維單向勻速生長，當溶液中的單體耗盡時纖維停止生長，再加入單體時纖維又可以沿著原來的生長方向繼續生長，并且纖維中的蛋白質不能再溶解。這是首次在非天然蛋白中發現單向不可逆的纖維自組裝現象，利用這個現象可以制備含有不同功能段的纖維從而實現多步的層次自組裝。
3、ACS Nano：表面電荷影響金納米粒子在亞器官層次上的分布
圖3 金納米粒子的表面修飾原理
納米粒子的表面化學性質對它們在生命體內的分布起決定性的作用，但是目前這方面的研究還非常少。
最近麻州大學的Sukru Gokhan Elci等人用激光剝蝕-電感耦合等離子體質譜儀（LA-ICP-MS）研究了表面帶有不同種類電荷的金納米粒子（AuNPs）在小鼠腎、肝和脾中的分布。他們發現AuNPs表面的電荷不僅影響他們在不同器官中的含量，還影響他們在同一器官中的分布狀態和在體內循環的周期。他們推測這是因為不同的AuNPs表面能吸附不同的蛋白質從而使免疫系統對它們做出不同的反應。該成果對納米粒子在生物成像、藥物運輸和疾病治療方面的應用有重要意義。
文獻鏈接：Surface Charge Controls the Suborgan Biodistributions of Gold Nanoparticles
4、ACS Nano：用光納米噴頭陣列來捕獲和探測納米粒子
圖4 光納米噴頭陣列的選擇性吸附
用光學的方法來捕獲和探測納米尺寸的目標（如納米顆粒、病毒、細胞等）在疾病診斷和生物傳感等方面有重要應用。但目前使用的方法捕獲能力不足并且靈敏度不高。
最近中山大學的Yuchao Li等人將聚苯乙烯（PS）球形納米顆粒吸附在光纖末端形成二維的光納米噴頭陣列。這些PS顆粒可以將從纖維中發射出來的光匯聚在顆粒的頂端，頂端附近的光學強度梯度很大，當游離的納米顆粒運動到這些顆粒的頂端時會同時受到光學梯度引力和光學散射斥力，只有尺寸在一定范圍內的納米粒子受到的引力大于斥力從而被吸附，因而它具有選擇捕獲的性質。吸附顆粒的數量不同時背反射光的強度也不一樣，因此可以通過探測背散射光的強度來精確確定被吸附粒子的數量，另外還能通過將紫外光引進光纖來殺死被吸附的細菌。這種方法有望應用在單細胞檢測、光學分類和生物傳感等方面。
文獻鏈接：Trapping and Detection of Nanoparticles and Cells Using a Parallel Photonic Nanojet Array
5、ACS Nano：利用納米粒子表面增強拉曼散射技術對肝臟腫瘤細胞成像
圖5 對攜帶肝癌細胞的小鼠注射造影劑后分別使用SERs和ICG方法檢測腫瘤細胞與正常細胞
手術完全切除療法是目前治療惡性肝腫瘤最理想的方法。這需要外科醫生對腫瘤邊界和不可見的微小病變區域有更細微的了解。
近日，紐約史隆凱特琳癌癥研究中心的Chrysafis Andreou等人將造影劑注入攜帶肝癌細胞的小鼠體內，對比了硅膠封裝粒子（NPs）的表面增強拉曼散射技術（SERs）和熒光成像技術（ICG）在小鼠體內劃定肝臟腫瘤的功效。他們發現SERs可清晰地呈現正常肝臟邊緣形態，更精確的劃定腫瘤邊界；ICG則出現部分假陽性信號的區域。SERs技術可以更精確的檢測到肝和脾的微觀病變，可用來改進肝癌切除術。
文獻鏈接：Imaging of Liver Tumors Using Surface-Enhanced Raman Scattering Nanoparticles
6、ACS Nano：定義序列合成具有可控功能的六邊形陣列納米帶聚合物
圖6 類肽物合成過程中的AFM圖像及最終得到的層狀類肽-1示意圖
自然界中蛋白質和肽可以精巧自組裝形成高度有序的功能性材料。雖然人工序列定義的聚合物可以模擬蛋白質和類肽物的功能，但表面組裝仍是很大挑戰。
最近，美國西北太平洋國家實驗室的Chun-Long Chen等人在云母表面組裝12單體類肽物。在鈣離子羧化物的協調作用下類肽-類肽、類肽-云母之間產生相互作用。原子力顯微鏡（AFM）顯示出類肽物先形成離散的納米顆粒，再在云母表面轉變為六邊形陣列納米帶二維網絡結構。通過改變芳香族的側鏈來調節類肽-類肽和類肽-云母表面的相互作用，可實現在云母表面將類肽-1組裝為層次結構。通過控制分層結構，可在組織功能領域生產功能化組織涂層。
7、Nature Nanotechnology：在密閉環境中的酶促反應
圖7 表面固定酶級聯反應的例子
在每個生物細胞中，酶都控制著高度復雜的化學反應，而這些反應都是高效及時的。科學家們正試圖將酶的這些誘人特性引入到體外系統中，并且已經取得了一些進展，如獲得了化學反應中可催化分離和固定化的酶。
最近，科學家們在一定濃度的緩沖溶液中，并且在一定的組成和溫度條件下，研究了水溶性酶的結構，穩定性以及催化性能。研究發現，當酶作為動態球形大分子時，能和底物結合和擁有一個完整的活性位點是酶發揮適當功能所必不可少的條件。
文獻鏈接：Enzymatic reactions in confined environments
8、NPG Asia Materials : 聚羥基脂肪酸酯：為可持續發展的未來打開大門
圖8 PHB/PEG/PPG嵌段共聚物的合成
聚羥基烷酸酯（PHAs）是由微生物合成的天然可生物降解的聚酯。然而，它們的一些缺點，譬如機械性能差，對熱降解的敏感性等限制了其與傳統合成碳化鈦的競爭以及作為理想生物材料的應用。
最近，科學家們為了克服這些缺點，采用嵌段和接枝共聚的方法，將PHAs與天然原材料或者其他可生物降解的聚合物共聚。通過對其進行化學改性，可擴大其作為工程塑料的應用范圍，并且使在不同領域中的生物意義也得到了解釋。
文獻鏈接：Polyhydroxyalkanoates: opening doors for a sustainable future
9、ACS Nano：在摺紙狀DNA模板上高效排列金納米粒子
圖9 在六螺旋摺紙狀DNA（6-HBs）上自組裝金納米粒子的示意圖
在自組裝生產功能性器件時，結構中每一個納米顆粒的準確高效排列是至關重要的，單個顆粒的缺失將會破壞整個裝置的功能。然而，研究人員對參數對多級裝配工藝過程產率的影響還知之甚少。
近日，德國德累斯頓大學的Fatih N. Gür等人采用管狀六螺旋摺紙狀DNA（6-HBs）作為模板，與含八結合位點寡核苷酸官能化的金納米顆粒（AuNPs）結合。通過兩步處理法，包括DNA導向金屬納米顆粒組裝，先使含有硫醇化單鏈寡核苷酸的AuNPs官能化，再使官能化的AuNPs與懸在摺紙狀DNA上互補的單鏈發生雜化反應。通過優化鹽效應、對寡核苷酸進行改性、改變雜化鹽等參數，完成自了組裝。該方案使粒子產率高達98.7％，可用來制備基于DNA的多粒子電漿子設備，并用于光電子、光電器件和納米醫藥等領域。
本文由材料人生物材料學習小組CZM供稿，材料牛編輯整理。
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