頂刊動態 | Nature子刊/AM/ACS Nano等生物材料學術進展匯總【160618期】

1、ACS Nano：DNA折紙作為掩膜用于亞10nm的蝕刻技術中

圖1 用DNA折紙作為掩膜在基底上獲得圖案的過程

DNA折紙術就是將DNA單鏈（DNA一般是雙鏈，但是通過熱或堿處理就能獲得單鏈）中的長鏈進行反復折疊，并用短鏈加以固定，由此就能繪出出各種2D或3D的DNA圖案。加之DNA的尺寸很小，因此DNA折紙可以用做蝕刻的掩膜，用于獲得尺寸非常小的圖形。

最近法國格勒諾布爾大學的Cheikh Tidiane Diagne（第一作者及通訊作者）等人將包含一個9*14nm2孔的DNA折紙作為掩膜放在Si基底上（表面有一層SiO2），并且用干燥的HF蒸汽進行蝕刻，成功將DNA折紙上的孔轉移到了基底上。在蝕刻速率為0.2nm/s，蝕刻時間在30-60s范圍內，基底上的孔與DNA折紙上的孔形狀相同。當蝕刻時間達到600s時，孔的形狀遭受破壞，蝕刻過程受到阻礙。DNA折紙有望應用于下一代的半導體蝕刻工藝中。

文獻鏈接：DNA Origami Mask for Sub-Ten-Nanometer Lithography（ACS Nano，2016，DOI：10.1021/acsnano.6b00413）

2、ACS Nano：多刺激響應的納米粒子用于精確癌癥治療

圖2 納米粒子的組成及作用機理

能對刺激做出響應的納米粒子在癌癥治療中有重要作用，這些刺激包括內部刺激（如pH、活性氧團簇）和外部刺激（光、熱、超聲波、磁場等），如果一個納米顆粒能同時對內部和外部刺激做出響應，就能很好實現藥物的運輸和精確釋放。

最近蘇州大學的Huabing Chen和Youliang Zhao（通訊作者）等人將3臂星形四元聚合物、光熱材料（Cypate）和治療化合物（PTX）組合成納米粒子，這種納米粒子能對近紅外光、pH和還原性物質做出響應從而釋放出治療化合物，這些治療化合物能在細胞內轉移，并且還能同時進行光熱治療。這種納米粒子為智能藥物運輸系統的設計提供了一個新的思路。

文獻鏈接：Rational Design of Multi-Stimuli-Responsive Nanoparticles for Precise Cancer Therapy（ACS Nano，2016，10.1021/acsnano.6b01296）

3、Nature Nanotechnology：用電漿納米氣泡在外科手術中診斷和消除殘余微小腫瘤

圖3 金納米粒子在腫瘤處富集（a，b），產生納米氣泡（c）以及壓力脈沖（d）的示意圖

在進行腫瘤切除手術時經常會留下微小的腫瘤部分，這些殘留部分很難被發現，但是如果不及時清除則會導致腫瘤復發。為了徹底清除殘留腫瘤，目前經常用的方法包括切掉一部分正常的組織（腫瘤可能殘留的地方）、手術后進行放射治療或化療，但是這些方法對人體有很大的危害。

最近美國萊斯大學的Dmitri O. Lapotko（通訊作者）等人利用金納米團簇產生的納米氣泡在手術中（小鼠）探測到微小的腫瘤殘留，并且及時將殘留腫瘤切除或者殺死腫瘤細胞。他們首先將與抗體結合的金納米粒子注射到體內，金納米粒子會在腫瘤處富集，并且形成納米團簇，而在正常的組織內則保持單個納米粒子的形態。當用激光脈沖照射時，金納米團簇會產生納米氣泡并且很快破碎，氣泡破碎時會產生一個壓力脈沖，用聲學探針探測這個壓力脈沖就能知道腫瘤細胞是否存在（單個納米粒子不會產生納米氣泡）。這種方法可以探測到幾個腫瘤細胞，有望在手術中及時發現并且清除殘留腫瘤。

文獻鏈接：Intraoperative diagnostics and elimination of residual microtumours with plasmonic nanobubbles（Nature Nanotechnology，2016，DOI：10.1038/nnano.2015.343）

4、ACS Nano：綜合微藻分析平臺快速篩選微藻品種

圖4 iMAP使光線和微藻在底部集中的示意圖以及iMAP的內表面結構

微藻的光合作用是可持續清潔能源的一個重要來源，不同的藻類適合在不同的環境中生長，因此為了能在不同的地方生長微藻，需要對微藻的品種進行篩選。通常的選種方法需要用到低密度的培養液，這會耗費大量的時間和培養液，使得選種的效率低下。

最近美國加州大學伯克利分校的Luke P. Lee（通訊作者）等人使用一個綜合微藻分析平臺（iMAP）進行選種。iMAP是一個半球形的的空腔，空腔的內表面涂有一層Au納米粒子，這種結構使得光能聚焦在空腔的底部。由于形狀的原因，空腔內部的微藻也會聚集在底部，這不僅加強了微藻細胞間的相互作用，而且能更好利用光能。iMAP能提高微藻的生長速度，縮短選種的時間，還能作為高效的生物反應容器。

文獻鏈接：Integrated Microalgae Analysis Photobioreactor for Rapid Strain Selection（ACS Nano，2016，DOI: 10.1021/acsnano.6b00803）

5、Advanced Functional Materials：用水溶性的共軛聚合物來探測和抑制蛋白質團聚

圖5 PPV-NMe3+吸附在團聚的蛋白質上（a）以及其分子結構（b）

蛋白質的團聚會導致一系列的疾病（如老年癡呆癥），因此探測和抑制蛋白質的團聚非常重要。

最近河北工業大學的Chengfen Xing（通訊作者）和Yong Zhan（通訊作者）及荷蘭拉德堡奈梅亨大學的Jialiang Xu（通訊作者）等人使用水溶性的陽離子共軛聚合物PPV-NMe3+實現了對蛋白質的探測和抑制。PPV-NMe3+能通過疏水相互作用與團聚的蛋白質結合，這種結合使得PPV-NMe3+支鏈間的相互作用減弱，從而增強它的熒光強度使團聚的蛋白質被探測到。同時PPV-NMe3+/蛋白質之間的疏水相互作用會與蛋白質/蛋白質之間的疏水相互作用競爭（后者是蛋白質團聚的原因），并且蛋白質與PPV-NMe3+結合后也會帶電，這些帶電的蛋白質會相互排斥從而防止蛋白質的進一步團聚。這是首次利用共軛聚合物對蛋白質團聚進行了探測和抑制。

文獻鏈接：Water-Soluble Conjugated Polymers for the Detection and Inhibition of Protein Aggregation（Advanced Functional Materials，2016，DOI: 10.1002/adfm.201601621）

6、Advanced Materials：能對pH/H2O2做出響應而分解的白蛋白/MnO2納米顆粒提高腫瘤治療效率

圖6 HMCP的制備過程以及在腫瘤處的作用原理

因為腫瘤細胞生長旺盛并且腫瘤內的血管變形，所以腫瘤內部會形成一個缺氧和酸性的環境，這種環境會阻礙治療藥物發揮作用。

最近蘇州大學的Zhuang Liu（通訊作者）等人首先用Ce6或者cis-Pt(IV)SA（兩者都有抗癌的作用）修飾人類血清白蛋白（HSA），然后再用被修飾過的HSA來包裹MnO2，得到HMCP。HMCP能在腫瘤處富集，當HNCP到達腫瘤后，MnO2會與腫瘤內的H2O2生成O2以緩解缺氧的情況（堿性），在酸性條件下，MnO2會與H2O2反應生成Mn2+從而使HMCP解體成小的顆粒。小顆粒更容易在腫瘤中擴散，而O2的生成能提高癌癥的治療效率，他們用HMCP獲得了很好的治療效果。

文獻鏈接：Intelligent Albumin–MnO2?Nanoparticles as pH-/H2O2-Responsive Dissociable Nanocarriers to Modulate Tumor Hypoxia for Effective Combination Therapy（Advanced Materials，2016，DOI: 10.1002/adma.201601902）

7、ACS Nano：用納米麥稈密封的顯微裝置來幫助口服的藥物運輸

圖7 用納米麥稈密封的顯微裝置的制造流程

口服是攝取藥物的一條便捷途徑，但是很多口服藥的吸收效率很低。顯微裝置是指不對稱的、扁平狀的微米尺寸裝置。顯微裝置能夠有效附著在腸胃道上，加上它的不對稱設計，可以實現單向的藥物釋放。

最近美國加州大學的Tejal A. Desai（通訊作者）等人設計了一個用含有納米麥稈的薄膜密封的顯微裝置，納米麥稈是中空的氧化鋁。這些納米麥稈的存在使得向顯微裝置加載藥物變得很簡單，并且能夠通過麥稈的數量和直徑來調節藥物的釋放速率。這些納米麥稈能限制外部生物分子的進入、增強顯微裝置的吸附力，因此可以有效延長藥物釋放的時間以及減少藥物的消耗。

文獻鏈接：Fabrication of Sealed Nanostraw Microdevices for Oral Drug Delivery（ACS Nano，2016，DOI: 10.1021/acsnano.6b00809）

8、Nature Communications：在固態基體中用激光轉移單體來組合合成肽

圖8 肽陣列的制備過程示意圖

在生命科學中經常要了解哪個分子能跟哪個分子結合，一種直接實現這一目的的方法是使用高密度的肽陣列，但是目前合成肽陣列的方法要不合成的肽質量不高，要不肽陣列的密度太低。

最近德國卡爾斯魯厄理工學院的Felix F. Loeffler（第一作者及通訊作者）等人利用組合激光誘導向前轉移法（cLIFT）制備了高密度的肽陣列。cLIFT要用到受主片和不同的施主片，不同的施主片含有不同的氨基酸單體。肽陣列的制備過程如下：首先將施主片與受主片接觸（a），然后用激光束照射施主片上的某一點，激光照射使得施主片上的少量氨基酸轉移到受主片上（b、c、d），將施主片移開后加熱受主片（e），氨基酸與受主片反應，肽鏈上就多了一個氨基酸（肽鏈是從受主開始，因為氨基酸的一端有保護，所以一次只能增加一個氨基酸）；去除多余的氨基酸（f）后再除去氨基酸上的保護端（g），這時一個循環就結束了。在這個基礎上用不同的施主片走a到g流程就能在肽鏈上增加不同的氨基酸（h）。制備過程幾乎可以全自動完成，并且每一片施主片可以重復利用20次以上，他們用這種方法制備的肽陣列的密度可以大于17000個斑點/cm2。

文獻鏈接：High-flexibility combinatorial peptide synthesis with laser-based transfer of monomers in solid matrix material（Nature Communications，2016，DOI: 10.1038/ncomms11844）

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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