全球生物材料第一門派 —— Robert Langer 和他的學生們

【引語】

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說到生物材料領域第一大門派，領域內的科研工作者們一定會想到美國麻省理工學院的Robert Langer課題組。作為國際組織工程領域的第一大課題組（沒有之一且不接受反駁），眾多生物材料領域的大佬都在其實驗室學習和工作過。課題組擁有全美最大的實驗室——超過百人的工作人員，每年逾千萬美金的研發經費，是全球最大的生物醫學工程實驗室。和大多數科研狗以灌水為目的的搬磚志向不同，課題組已經實現了一流成果做產品，二流結果水CNS，三流產物扔頂刊，早已經在產學研一體化的道路上狂奔多年。下面就讓小編帶領大家一起仰望一下這位牛逼的老板和他牛逼的學生們。

Robert Langer是全球組織工程領域的第一人，也是美國最有錢的科學家之一，主要研究靶向藥物傳遞系統和組織工程學，目前已發表1200多篇研究論文，申請過900多項專利，400多項專利已經授權。Robert Langer畢業于康奈爾大學和MIT化工專業，此后利用自己的化學和化工背景，研究與生物和醫學相關聯的項目。43歲的Robert Langer作為最年輕的學者獲得了美國三大科學院院士（美國科學院、美國工程院和醫學院）頭銜，獲得了包括Albany醫學中心醫學與生物醫學研究大獎、Lemelson-MIT獎和Charles Stark Draper獎在內的多種榮譽，一直活躍在生物材料研究領域的最前沿。

除了持續在頂刊上發表文章，Robert Langer帶著他的學生們一塊兒創辦了25家公司，主要涉及生物技術和醫療器械。這里，小編介紹一些Robert Langer的代表作和公司。

2017年Robert Langer在Nature Materials上報道了一種有機硅聚合物，被稱為XPL（crosslinked polymer layer）。這種材料涂覆在人體皮膚上會形成一種極薄且透明、幾乎不可見的薄膜，與人體本來的皮膚無異。在人體實驗中發現，這種材料可以消除眼袋，具有很強的保濕能力，可以防御紫外線，并不怕水洗。這種材料宛如人類的“第二層皮膚”，能夠很好地保護皮膚，使肌膚恢復青春。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/nmat4635

2016年課題組在PNAS上報道了一種可以實現量產、低成本且安全的水凝膠。這種水凝膠是由纖維素聚合物和水凝膠二氧化硅粒子混合生成，組份之間依靠聚合物-納米粒子的非共價鍵作用穩定。可實現大規模制備，從實驗級別的0.5毫升到15升，甚至更大；這種水凝膠可成功應用于管道清潔和火災撲滅。

文獻鏈接：https://www.pnas.org/content/pnas/113/50/14255.full.pdf

Living Proof是成立于2005年的美容產品公司，老友記中的好萊塢女星Jennifer Aniston是這家公司的代言人及投資人之一。Living Proof的洗發水中用到的一種叫做Polyalkylaminoester-1的聚氨基酯，就是Robert Langer團隊在研究基因療法的過程中發現的；團隊開發的最新產品就是一種叫做Neotensil的明膠，它可以起到緊致皮膚的效果。這種產品是一種可以貼在臉部的聚合物膜，它可以模擬年輕皮膚的緊致和彈性，只要把它貼在臉上，就可以重新塑造皮膚形象；此外，公司還推出了一款去眼袋的神器，由兩支特制凝膠和一支按摩器組成。凝膠能夠幫助遮蓋眼袋，形成一層無形的彈性膜，使用者無需去醫院更無需動刀。

Moderna公司自成立以來就以開發人類蛋白質以及抗體藥物作為公司的核心。該公司技術的背后理念是，信使核糖核酸(RNA)本身可以作為藥物使用——RNA是從脫氧核糖核酸(DNA)轉錄合成的帶有遺傳信息的一類單鏈核糖核酸。該公司在融資中募集4.5億美元，是生物科技領域史上最大規模的私募股權融資活動。到目前為止，該公司的融資總額高達驚人的9.5億美元。

介紹完如此厲害的大佬，我們一起來看看名師麾下的高徒們

1.David J. Mooney，哈佛大學教授，他是通過水凝膠(hydrogel)等材料模擬天然細胞外基質最早的一批科學家之一。David Mooney的研究方向包括各種藥物輸送、免疫療法和再生醫學項目，以促進體內組織和器官的再生和靶向破壞。

David Mooney團隊2018年在PNAS上發文，通過采用3D細胞培養系統探索細胞微環境的相互作用。該系統允許獨立控制培養基質剛度，應力松弛和粘附配體密度，以系統地探索受RNA-seq的不同生物物理參數組合影響的轉錄程序。在小鼠間充質干細胞和人皮質神經元祖細胞中，研究者發現這些底物特性之間存在顯著的耦合，并且每種特性對基因表達變化的相對貢獻隨細胞類型而變化。通過生物信息學分析，發現包封小鼠間充質干細胞的水凝膠的剛度調節多種細胞因子的分泌，并因此影響Transwell共培養模型中的造血干細胞分化。這些結果可以深入了解不同組織中細胞如何整合生物物理特征，并為合成生物學家和生物工程師提供策略，以設計對細胞生物物理環境的響應。

文獻鏈接：https://www.pnas.org/content/pnas/115/36/E8368.full.pdf

2.Molly Stevens教授，帝國理工學院生物醫學工程研究所生物醫學材料科學研究室的主任，科研界公認的模范人物，2010年被時代周刊評價為40歲以下科學家世界TOP10。Molly Stevens團隊利用生物工程方法，主要解決生物傳感和再生醫學中的問題。利用創新設計和最先進的材料表征方法來理解和設計生物材料界面。

Molly Stevens團隊2018年在Science上發文研究骨礦物質的組裝。骨組件分層組裝以提供剛度和韌性。然而，骨骼的主要成分——礦物質和膠原蛋白之間的組織和關系尚未明確闡明。 使用三維電子斷層掃描成像和高分辨率二維電子顯微鏡，作者證明骨礦物質從納米級開始分層組裝：針狀礦物單元橫向合并形成血小板，并且這些進一步組織成大致的堆疊平行血小板。 這些堆疊聚結成聚集體，其超過膠原原纖維的橫向尺寸并跨越相鄰的原纖維作為連續的交叉原纖維礦化。在這些觀察的基礎上，作者提出了礦物相的層次和連續性的結構模型，這有助于骨的結構完整性。

文獻鏈接：http://science.sciencemag.org/content/360/6388/eaao2189

3.Ali Khademhosseini，麻省理工學院教授，其研究成果獲40多項國家及國際大獎和榮譽。同時他是ACS Nano的副主編，H因子高達80，研究領域涉及生物材料、醫用器械和組織工程。

盡管生物打印技術取得了進展，但是具有細胞異質性的周向多層管狀組織或器官的生物制造仍然是一個挑戰，例如血管，氣管，腸，結腸，輸尿管和尿道。課題組于2018年在Advanced Materials上發表文章，提出了一種有前途的多通道同軸擠出系統（MCCES），用于在一個步驟中對周向多層管狀組織進行微流體生物打印，使用構成明膠甲基丙烯酰基，藻酸鹽和八臂聚（乙二醇）丙烯酸酯與三季戊四醇核的定制生物粉末。這些可灌注的套管構造可以在生物打印管的整個長度上以規則的間隔從單層連續調整到三層。使用定制的bioink和MCCES，以及具有足夠的生物功能性（包括細胞活力，增殖和分化）的相關細胞類型生物打印幾種管狀組織構建體。利用人尿路上皮細胞和人膀胱平滑肌細胞以及血管組織構建體，以及人臍靜脈內皮細胞和人平滑肌細胞，對套管尿路上皮組織構建體進行生物打印。這些生物打印的管狀組織可以用流體和營養物主動灌注，以促進嵌入細胞類型的生長和增殖。這種可調和可灌注的周向多層組織的制造代表了制造人體管狀組織的基本步驟。

文獻鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adma.201706913

4.Antonios G. Mikos，現任美國生物材料學會主席、美國工程院院士，美國萊斯大學生物工程與化學、生物分子工程Louis Calder教授，及該校生物醫學工程J.W. Cox實驗室和組織工程“卓越中心”主任。課題組利用合成的可生物降解聚合物作為細胞的支持性支架，引導組織生長的導管，靶向細胞粘附的特異性底物，以及細胞響應的刺激材料。

基于聚合的高內相乳液（polyHIPEs）的組織工程支架的設計已經成為有希望的骨移植策略。在目前的研究中，研究了氧化還原引發的水凝膠載體，其利用可生物降解的大分子單體聚（乙二醇）-二硫蘇糖醇原位遞送人間充質干細胞（hMSC）。調節水凝膠載體性質，包括網絡形成時間，溶膠-凝膠分數和溶脹比，以在沒有外部刺激和5-7天的靶細胞釋放期的情況下實現快速固化。與標準懸浮接種相比，這些原位載體能夠改善hMSC在3D打印的聚HIPE移植物中的分布。另外，載體加載的polyHIPEs支持釋放后hMSC的持續細胞活力和成骨分化。總之，這些發現證明了這種原位固化水凝膠載體的潛力，以增強hMSC在骨移植物中的細胞分布和保留。雖然最初專注于改善骨再生，但是預期在不依賴于可在大移植物或組織中減弱的外部刺激而將細胞包封在水凝膠載體中的能力在組織工程中具有廣泛的應用。

文獻鏈接：https://ac.els-cdn.com/S0142961218306641/1-s2.0-S0142961218306641-main.pdf?_tid=5aaa769d-8aae-43b5-a412-494d21b75c17&acdnat=1547627532_2b7afa9391798df24922ee82ec8405e1

本文由材料人專欄作者tt供稿，材料人編輯部編輯。

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