北京化工大學蘇志強教授、中科院寧波材料所吳愛國教授和德國不來梅大學/青島大學魏剛教授Chem. Soc. Rev.：自組裝二維有機生物材料的設計及生物醫學應用

【引言】

自2004年以來，二維（2D）無機材料得到了廣泛的研究，并被用于各種應用。受到對類石墨烯材料的廣泛研究的啟發，近年來還報道了一些其他無機2D材料，如石墨烯，硼烯，過渡金屬二鹵化物（TMD），過渡金屬碳化物（TMC）等。由于2D材料具有獨特的化學、物理和生物特性，因此在材料科學、納米器件、能源與環境科學、生物醫學和分析科學中具有很高的應用潛力。除了2D無機材料外，基于各種生物分子（包括DNA、RNA、蛋白質、多肽、類肽和其他生物聚合物）的自組裝2D有機生物材料（2DOBM）也展現出了獨特的結構、功能和很高應用潛力。利用非共價相互作用，例如氫鍵、靜電相互作用、疏水相互作用、p-p相互作用和范德華相互作用，通過自組裝過程制造2DOBM既簡便又高效、，。例如，可以通過調整實驗條件并使用各種模板、界面和底物來誘導2DOBM的自組裝過程。對2DOBM中這些相互作用的深入了解，不僅有助于2DOBM的結構和功能的設計和調控，而且還為下一代新型功能材料的設計開發開辟了新的途徑。一方面，我們可以將2DOBM的結構從納米片調整為納米帶、網格、薄膜、納米層、陣列、甚至是2D多孔材料。另一方面，通過用納米粒子（NP）、碳材料、生物分子和無機納米材料對2DOBM進行進一步功能化，可以有效的調節2DOBM的功能及應用。

【成果簡介】

北京化工大學蘇志強教授、中科院寧波材料所吳愛國教授和德國不來梅大學/青島大學魏剛教授在這篇綜述中，重點介紹了創建2DOBM的自組裝原理和策略，以及2DOBM的結構剪裁、功能調整和生物相關應用。在第2節中，作者介紹和討論了在溶液中，通過模板在界面和材料基底上創建2DOBM的基本自組裝原理和策略。在第3節中，作者總結了有關基于DNA、RNA、多肽、蛋白質、病毒和其他生物聚合物制造2DOBM的基本原理的基本信息。在第4和第5節中，作者分別討論了定制和控制2DOBM的結構和功能的策略和方法。此外，還展示了用于結構和功能特定的生物相關應用的2DOBM的最新進展（第6節）。最后，作者指出2DOBM不僅在生物相關領域而且在其他材料科學和納米技術領域也具有重要意義；同時強調了2DOBM的制造、功能化和應用方面的當前挑戰和未來前景。作者相信這項工作將激發有關新型功能性生物材料的合成和應用的新研究，并將引起材料科學、工程、分析、生物物理學、生物醫學、組織工程、能源以及環境科學等領域研究者的廣泛興趣。該成果以題為“The design and biomedical applications of self-assembled two-dimensional organic biomaterials”發表在國際著名期刊Chem. Soc. Rev.上。

【圖文導讀】

Scheme 1. 2DOBM的結構和功能修飾以及生物醫學應用示意圖

?Figure 1. 在溶液中形成2DOBM

(a)KLVFFAK的化學形成；

(b)KLVFFAK納米片和淀粉樣原纖維的TEM圖像；

(c,d)KLVFFAK納米片的結構模型。

Figure 2.通過基于模板的合成形成2DOBM

(a)生產ATCS膜的制造步驟以及ATCS膜上的細胞反應；

(b)立式納米顆粒超晶格片的示意圖。

Figure 3.在空氣-水界面處形成多肽2DOBM

Figure 4.空氣-水界面處形成多肽2DOBM

（a）使用YYACAYY解決方案的刻面形成機理示意圖；

（b）在培養皿中整個空氣/水界面上形成的厚的肽膜；

（c）大型2D膠片的TEM圖像；

（d）懸浮介導的自組裝；

（e）重力作用下水坑狀液滴上的PA分布示意圖；

（f）納米組件的SEM圖像。

Figure 5.在底物上形成多肽2DOBM

（a）發生堆積時FF二肽自組裝的可能機制；

（b）EF（電場）正增長的示意圖。

Figure 6.在各種材料上制備溶菌酶2D納米膜和穩定涂層

（a,b）在浸沒材料表面（固/液界面）和水溶液表面（汽/液界面）形成溶菌酶納米膜的示意圖；

（c）以瓊脂糖水凝膠為印章的接觸印刷技術，將合成后的自由漂浮納米膜沉積在水敏性基材上。

Figure 7.DNA 2DOBMs和SDNA薄膜錳離子修飾及制備

Figure 8. DNA自組裝形成2DOBM

（a）二維納米網格；

（b）2D陣列；

（c）2D DNA管和晶格。

Figure 9.蛋白質基2DOBM：溶菌酶和聚合物改性的鈦基生物材料的制備和生物學評價

Figure 10.自組裝蛋白質2DOBM

（a）在快速和緩慢成核條件下鋅介導的RIDC3自組裝模型；

（b）通過金屬介導的相互作用設計2D蛋白質陣列。

Figure 11.二維蛋白質網絡的形成：八聚體LDH和二聚體FDH在體外和體內自組裝的策略

Figure 12.肽/類肽2DOBM的制備

（a）通過肽EF4E，EF4K，EF4E / KF4K混合物和KF4K形成扭曲的帶，帶和原纖維的機制；

（b）糖基化類肽納米片的合成方案（左）和均相FRET分析法，用于驗證蛋白質與糖基化類肽納米片的結合（右）。

Figure 13.DNA-聚合物2DOBM的形成

（a）分層自組裝過程的圖示；

（b）化學修飾的寡核苷酸1的核苷酸序列和結構以及2D聚合物形成的過程。

Figure 14.2DOBM的設計、表征與應用

（a）通過分子設計和自組裝設計2DOBM；

（b）F6C11自組裝成Janus納米片的示意圖；

（c）鏈霉親和素在納米片上的吸附；

（d）展示生物素的納米片的TEM圖像。

Figure 15.由原纖維制備2DOBM

（a）BSA原纖化的示意性過程；

（b）BSA納米原纖維的TEM圖像；

（c,d）BSA納米片的SEM和激光掃描共聚焦顯微鏡。

Figure 16.通過自組裝制造二維陣列

（A-E）P 3 2 1單位細胞上大腸桿菌生長的陣列的示意圖和TEM圖像；

（F-J）P 4 21 2晶格上大腸桿菌生長的陣列的示意圖和TEM圖像；

（K-O）陰性染色的大腸桿菌生長陣列的示意圖和TEM圖像。

Figure 17.DNA自組裝形成納米孔2DOBM

（a）模擬盒，包括單層DNA折紙，石墨烯片，水，離子和易位ssDNA；

（b）裸石墨烯納米孔；

（c）單層DNA折紙納米孔；

（d）離子電流模擬系統的示意圖。

Figure 18.多孔蛋白2DOBM的形成

（a）F88/C98RhuA結構的示意圖；

（b）預期的2D晶格分子排列；

（c）F88/C98RhuA的低放大率視圖，高放大率視圖，列的傅立葉變換，重建的2D圖像和結構模型。

Figure 19.基于MOF的蛋白質2DOBM

Figure 20.使用NP調整2DOBM的功能

（a）二價DNA/AuNP共軛物形成的示意性過程；

（b）AuNP組件的TEM圖像；

（c）二維AuNP陣列。

Figure 21.利用石墨烯調控2DOBM的功能

（a）在GO模板上形成SF納米原纖維的示意圖；

（b-g）AFM表征。

Figure 22.利用聚合物調控蛋白質2DOBM的功能：在圖案化表面上構造輪廓清晰的聚合物刷的示意圖

Figure 23.DNA 2DOBMs在生物傳感器中的應用

Figure 24.多肽納米片用于生物礦化

（a）2D肽自組裝和3D GF-PNSs-HA礦物仿生制造的示意圖；

（b）PUF和GF的表征：GF的SEM圖像；

（c）為HA提供眾多成核位點的肽的礦化機制；

（d,e）GF-PNSs-HA的礦化和性質：GF-PNSs雜種在1.5xSBF中浸泡1天和6天后的SEM圖像。

Figure 25.蛋白質2DOBM用于藥物傳輸

Figure 26.雜化2DOBM用于藥物傳輸：用于DOX受控釋放的ATP響應DNA-石墨烯納米聚集體的示意圖

Figure 27. 2D無機材料的2DOBM用于生物成像：在帶有MCF-7腫瘤的小鼠體內巨噬細胞和Bi₂Se₃負載巨噬細胞的體內生物分布

（a）靜脈注射后染料標記的巨噬細胞和染料標記的Bi₂Se₃負載巨噬細胞的體內熒光追蹤；

（b-d）靜脈注射PBS，染料標記的巨噬細胞和染料標記的Bi₂Se₃巨噬細胞后24小時，腫瘤和主要器官的離體熒光圖像；

（e）注射PBS，染料標記的巨噬細胞和染料標記的Bi₂Se₃負載的巨噬細胞的小鼠橫向腫瘤切片的熒光圖像；

（f,g）裸Bi₂Se₃納米片和充滿Bi₂Se₃的巨噬細胞注入后24 h Bi和Se的生物分布。

Figure 28. 2DOBM用于體內光熱診療

【總結】

近年來，無機二維（2D）納米材料如石墨烯，石墨烯和硼苯的設計、合成和應用等方面的研究快速發展。同時，基于各種生物分子的包括生物膜、納米層、納米片、納米帶、網格、陣列和晶格的自組裝二維有機生物材料（2DOBM）也展現出了新穎的結構和功能以及很高的應用潛能。對2DOBM的自組裝形成、結構和功能調控的深入研究為下一代具有可調結構和功能的新型納米材料開辟了新途徑，這將進一步促進2DOBM在材料科學、納米器件、能源環境、生物醫學、組織工程和分析科學等領域的應用。在這篇綜述中，作者總結了基于多肽、蛋白質、DNA、RNA、病毒以及其他生物聚合物來制造自組裝2DOBM的基本原理和方法學方面的重要信息。提出并討論了用于設計和調控2DOBM的結構和功能的潛在策略和技術。最后著重介紹了2DOBM在生物傳感器、仿生礦化、細胞生長、藥物/基因傳遞、生物成像等生物醫學方面的應用研究。

文獻鏈接：The design and biomedical applications of self-assembled two-dimensional organic biomaterials. Chem. Soc. Rev., 2019, DOI:10.1039/c8cs01003j

團隊負責人介紹：

魏剛，博士，洪堡學者、卡爾蔡司學者、山東省泰山學者青年專家。 2007年3月畢業于中國科學院長春應化所電分析化學國家重點實驗室。2007年3月至2011年12月，在德國洪堡基金、德國聯邦教育研究部和卡爾-蔡司博士后基金資助下在德國耶拿大學進行博士后研究。2012年1月至2019年8月，在德國不萊梅大學制造工程系工作，任課題組長。2018年2月起，客聘中科院寧波材料所研究員。自2019年10月起，以特聘教授身份加入青島大學化學化工學院，任多肽納米化學及生物化工課題組長。

主要的研究方向為超分子納米材料、生物材料、生物傳感器、原子力單分子力譜。已在Chem Soc Rev, Prog Polym Sci, ACS Nano, Adv Funct Mater, Nanoscale Horizons, Chem Commum, Nanoscale, J Mater Chem A等國際知名學術期刊上發表SCI學術論文130余篇（第一作者或通訊作者文章80余篇）。其中受邀撰寫綜述文章25篇。發表文章被引用4400余次，H-系數為43。擔任SCI雜志J. Nanobiotechnology (中科院一區)副編輯，Sensors, Biosensors, Applied Science編委, 以及Nanomaterials雜志客座編輯。為德國科學基金（DFG）、卡塔爾大學內部科學基金、及波蘭國家科學基金（NCN）、德國洪堡基金會評審人。長期擔任Chem Soc Rev, Prog Polym Sci, Acc Chem Res, Nat Commun, J Am Chem Soc, Angew Chem, ACS Nano, Adv Mater, Adv Funct Mater, JOULE等100余種化學、材料類國際學術期刊的審稿人。以課題負責人身份獲得德國科學基金1項及中國國家自然科學基金面上項目1項。近年來指導博士后、博士生、碩士生10余人。

課題組相關重要文獻：

1. C. Gong, S. W. Sun, Y. J. Zhang, L. Sun, Z. Q. Su*, A. G. Wu*, G. Wei*. Hierarchical nanomaterials via biomolecular self-assembly and bioinspiration for energy and environmental applications. Nanoscale, 2019, 11, 4147-4182.
2. Li, Z. Zhang, D. Li, W. Zhang, X. Yu, W. Liu, C. Gong, G. Wei*, Z. Su*, Biomimetic ultralight, highly porous, shape-adjustable, and biocompatible 3D graphene minerals via incorporation of self-assembled peptide nanosheets. Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1801056.
3. Zhang,?X. Yu, Y. Li, Z. Su, K. D. Jandt, and G. Wei*. Protein-mimetic peptide nanofibers: motif design, self-assembly synthesis, and sequence-specific biomedical applications. Prog. Polym. Sci., 2018, 80, 94-124.
4. Wei, Z. Su, N. P. Reynolds, P. Arosio, I. Hamley, E. Gazit, and R. Mezzenga. Self-assembling peptide and protein amyloids: from structure to tailored function in nanotechnology.?Chem. Soc. Rev., 2017, 46, 4661-4708.
5. Su, H. Shen, H. Wang, J. Wang, J. Li, G. U. Nienhaus, L. Shang,* and G. Wei.* Motif-designed peptide nanofibers decorated with graphene quantum dots for simultaneous targeting and imaging of tumor cells. Adv. Funct. Mater., 2015, 25, 5472-5478.

本文由材料人學術組tt供稿，材料牛整理編輯。?

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部大家庭。?

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu，我們會邀請各位老師加入專家群。?