頂刊動態 | AM/Nano Letters/ACS Nano生物材料最新學術進展匯總【160626期】

1、Advanced Materials：滑移水凝膠作為三維的干細胞壁龕

圖1 化學水凝膠和滑移水凝膠的對比

干細胞經常被用來分化成為其它細胞來進行疾病治療或者組織再生，為了控制細胞的分化，要用到人工壁龕。水凝膠是常用的一種壁龕，按照交聯的類型，水凝膠可分為物理和化學水凝膠，物理水凝膠很靈活但是不穩定，化學水凝膠則相反，這兩種水凝膠都不太合適做壁龕。

最近斯坦福醫學院的Fan Yang（通訊作者）和Xinming（通訊作者）利用滑移水凝膠作為壁龕提高了干細胞向多種細胞分化的能力。這種滑移水凝膠由直鏈的聚乙二醇（PEG）和α-環式糊精（αCDs）組成，αCDs套在PEG上，并且PEG兩端由β-CDs封住（αCDs能在PEG上移動但是不能脫離它）。此外，αCDs上還用能與醇反應的基團和能發揮多種細胞功能的肽來修飾，然后，用兩端有羥基的PEG來鏈接不同鏈上的αCDs就能獲得水凝膠。滑移水凝膠的結構很容易改變，使里面的干細胞能夠獲得各種形狀從而提高分化能力。

文獻鏈接：Sliding Hydrogels with Mobile Molecular Ligands and Crosslinks as 3D Stem Cell Niche（Advanced Materials，2016，DOI: 10.1002/adma.201601484）

2、Nano Letters: 用于DNA檢測的高性能三維管狀納米膜傳感器

圖2 管狀電極的制備過程 (i)犧牲層(Ge 20nm), (ii) 應變層(雙層TiO2 45 nm),(iii) Cr/Au,(iv) 鈍化層SiO2

在過去的幾十年，基因組學發展迅速，也使得雜交互補的DNA鏈變為識別和檢測傳染病序列的重要工具。然而現有的方法（從細胞培養物或已受精的雞蛋中分離病毒、紅血細胞凝集抑制試驗、免疫熒光檢測、聚合酶鏈式反應擴增DNA片段等）過程復雜、耗時，顯出明顯不足。

近日，德國德累斯頓的納米科學、材料與界面綜合研究所的Mariana Medina-Sa?nchez（通訊作者）等人，使用連續沉積技術，將納米膜沉積在犧牲層上，再進行選擇性的刻蝕，最終得到自卷曲的管狀納米膜電極。當病毒RNA逆轉錄完成后，DNA功能化的管狀電極可選擇性的檢測禽流感病毒亞型H1N1，并研究不同DNA結構引起的導電性能變化。由此，制備得到的生物傳感器不需要放大處理、無需標記物，檢測靈敏度相比于傳統的平面電極提高了4個數量級。

文獻鏈接：High-Performance Three-Dimensional Tubular Nanomembrane Sensor for DNA Detection (Nano Letters， 2016， DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b01337)

3、Advanced Materials：Pt基多金屬氧酸鹽的靶向運輸使治療結腸直腸癌更安全和有效

圖3 納米粒子的合成步驟(a)及作用機理(b)

多金屬氧酸鹽（POMs）具有抗菌、抗癌和抗病毒的功能，是很好的生物醫學藥劑。但是，它有兩個主要缺點：第一，在使用量多時有很強的副作用；第二，與生物分子的作用弱。為了克服這些缺點POMs經常要進行表面改性。

近日，哈爾濱工業大學的Shaoqin Liu（通訊作者）和Qiong Wu（通訊作者）等人用DSPE-PEG2000（一種雙親性有機物）將Pt基的多金屬氧酸鹽Pt（IV）-PW11 包裹制備成納米粒子Pt（IV）-PW11-DSPE-PEG2000。Pt（IV）-PW11-DSPE-PEG2000能被腫瘤細胞攝取，隨后將Pt（IV）-PW11 釋放出來，四價的Pt被還原成為二價，二價的Pt能吸附在DNA上，從而破壞DNA。但是，在正常的細胞中Pt（IV）-PW11 的釋放很緩慢，因此，對正常細胞的副作用很小。他們證明這種納米粒子能有效抑制腫瘤細胞的生長并且治愈老鼠體內的人類結腸直腸腫瘤。

文獻鏈接：Target Delivery of a Novel Antitumor Organoplatinum(IV)-Substituted Polyoxometalate Complex for Safer and More Effective Colorectal Cancer Therapy In Vivo（Advanced Materials，2016，DOI: 10.1002/adma.201601778）

4、Advanced Materials：熒光納米探針選擇性檢測過量的過氧化亞硝酸根

圖4 TPE-IPB與ONOO-反應生成TPE-IPH并且發出熒光

在發炎和一些病變（如癌癥）區域經常會出現過量的過氧化亞硝酸根（ONOO-），因此，檢測ONOO-的水平對于發現早期發炎至關重要。但是，目前的檢測方法往往只注重ONOO-的檢測靈敏度，而不是提高病變組織與正常組織的對比度。

最近，香港科技大學的Ben Zhong Tang（通訊作者）和南開大學的Dan Ding（通訊作者）等人設計并且合成了一種熒光納米探針TPE-IPB-PEG，TPE-IPB本身的熒光非常弱。但是，它能與ONOO-反應生成TPE-IPH，TPE-IPH團聚后能發射很強的熒光，并且，只有ONOO-的濃度大于一定值時才能被檢測到（正常組織信號很弱），因此，TPE-IPB-PEG不是用來檢測ONOO-的，而是用來檢測過量的ONOO-的。此外，TPE-IPB-PEG還能實時監測抗炎藥的治療效果。

文獻鏈接：Activatable Fluorescent Nanoprobe with AggregationInduced Emission Characteristics for Selective In Vivo Imaging of Elevated Peroxynitrite Generation（Advanced Materials，2016，DOI: 10.1002/adma.201601214）

5、Advanced Materials：納米摩擦發電機提高成纖維細胞向神經細胞的分化效率

圖5 (a)發電機促進細胞分化的示意圖 (b)發電機的結構 (c)發電機產生電流的機制

將其它細胞分化為神經細胞對治療各種神經疾病非常重要，但是目前使用的方法不安全并且效率很低。

最近，韓國延世大學的Taeyoon Lee（通訊作者）和Seung-Woo Cho（通訊作者）等人用摩擦發電機產生的電流來促進小鼠的成纖維細胞向神經細胞分化。摩擦發電機由頂片和底片組成（圖b），頂片和底片通過外電路連接，當頂片向底片靠近并且接觸時，頂片的電子通過外電路轉移到底片，在外電路上就會產生脈沖電流，當頂片和底片分開時則會產生反向電流（圖c）。這種發電機產生的電流能夠促進細胞的分化和細胞成熟，在治療神經疾病方面有潛在應用。

文獻鏈接：Triboelectric Nanogenerator Accelerates Highly Efficient Nonviral Direct Conversion and In Vivo Reprogramming of Fibroblasts to Functional Neuronal Cells（Advanced Materials，2016，DOI: 10.1002/adma.201601900）

6、Advanced Materials：多羥基星形聚陽離子作為miRNA運輸工具治療心臟病

圖6 s-PGEA/miRNA的制備過程以及其作用機理

miRNA能夠抑制某些蛋白質的表達，如果將某些miRNA運輸到指定的細胞內，則可以治療某些疾病。miRNA遇到血清會降解，所以需要用其它載體將它運輸到細胞內，運輸載體包括病毒類和非病毒類，病毒載體的效率高但是有很大副作用。

最近，首都醫科大學附屬北京安貞醫院的Jie Du（通訊作者） 和 Fu-Jian Xu（通訊作者）以及北京化工大學的Yulin Li（通訊作者）等人用星形的聚陽離子PGEA（s-PGEA）來運輸miRNA獲得了很高的運輸效率。s-PGEA帶正電，能夠與帶負電的miRNA結合成納米粒子（s-PGEA/miRNA）從而保護miRNA。s-PGEA上的羥基能夠抑制蛋白質的吸附，并且幫助納米粒子進入老鼠的心臟，因此，他們利用s-PGEA將 miR-29b（miRNA的一種）運輸運輸到老鼠的心臟組織，成功抑制了心臟纖維化和心臟腫大。這種聚陽離子有望作為miRNA的運輸載體來治療心臟病。

文獻鏈接：PGMA-Based Star-Like Polycations with Plentiful Hydroxyl Groups Act as Highly Efficient miRNA Delivery Nanovectors for Effective Applications in Heart Diseases（Advanced Materials，2016，DOI: 10.1002/adma.201602319）

7、ACS Nano：近紅外光響應的水凝膠捕獲和釋放循環癌細胞

圖7 基底的制備過程(a,b)及捕獲(c)和釋放癌細胞(d)

捕獲并且分析被捕獲的循環癌細胞（CTCs）對于癌癥診斷和治療有重要意義。但是，目前已有的方法捕獲到的癌細胞純度不高，在釋放癌細胞時經常使細胞造成損傷，并且不能選擇性的釋放癌細胞。

最近，武漢大學的Wei-Guo Dong（通訊作者）和Wei-Hua Huang（通訊作者）等人設計了一個可以高效捕獲并且選擇性釋放CTCs的基底。這種基底是金納米棒（GNRs）和水凝膠的混合物，使用前用抗體修飾基底的表面，并且將癌細胞的形狀“刻”在水凝膠上。因為癌細胞在遇到相似形狀的“坑”時產生更強的吸附力，加上抗體對癌細胞的親和力，癌細胞在基底上的吸附效率很高。捕獲后，用近紅外光照射基底的某一部分時，因為GNRs發熱使水凝膠發生相變而釋放癌細胞。這種方法對癌細胞造成的損傷很小，不影響后面對癌細胞的分析。

文獻鏈接：Near-Infrared Light-Responsive Hydrogel for Specific Recognition and Photothermal Site-Release of Circulating Tumor Cells（ACS Nano，2016，DOI: 10.1021/acsnano.6b02208）

8、ACS Nano：對pH和溫度敏感的二元熒光納米粒子作為生物探針

圖8 二元發光納米材料的結構以及其熒光強度與溫度和pH值的關系

發光納米粒子在化學和生物傳感方面有重要應用，但傳統的熒光納米粒子的背景信號高以及檢測的效率低。二元發光納米粒子可以有效解決這些問題，這些二元發光納米粒子可以同時發射兩種熒光，其中一種熒光的發光強度不受外部環境的影響，而另一種熒光可以對外部刺激做出響應。

最近，吉林大學的Xudong Yang（通訊作者）和Quan Lin（通訊作者）等人制備了一種可以發射兩種熒光的核-殼結構納米粒子，這種納米粒子的核中摻夾銪有機化合物（可以發射613nm的光），殼外面則通過自組裝形成一層季銨衍生物。核內的熒光強度與溫度有關，而殼的熒光不僅強度與溫度和pH有關，而且熒光的波長與pH也有關（正常組織與腫瘤組織的pH值不同），因此，通過光的顏色（波長）就可以辨別腫瘤。這種納米粒子在生物和化學方面有潛在應用。

文獻鏈接：pH- and Temperature-Sensitive Hydrogel Nanoparticles with Dual Photoluminescence
for Bioprobes（ACS Nano，2016，DOI：10.1021/acsnano.6b00770）

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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