頂刊動態 | AM/JACS/ACS Nano等期刊生物材料最新學術進展匯總【160724期】

1、ACS Nano：納米復合薄膜通過恢復生理電環境來促進骨骼再生

圖1 復合薄膜的結構以及其促進骨骼再生的示意圖（上面一層為薄膜）

在骨骼和骨膜中存在電流或者電勢來維持骨骼的體積和質量，當骨骼受損時，在受損處會生成類似骨膜的組織來重新建立被破壞的電環境，從而使骨骼快速再生。但是當受損的范圍比較廣時，骨膜類似組織的生長就沒那么快，使得受損的地方會吸附一些纖維和上皮組織從而影響骨骼的再生。

最近，華中科技大學的Lili Chen（通訊作者）及北京大學、口腔數字化醫療技術和材料國家工程實驗室的Xuliang Deng（通訊作者）等人制備了一種由BaTiO3 納米顆粒和聚合物組成的納米薄膜，這種復合薄膜表面的電勢可以達到 ?76.8 mV（在正常的生理電勢范圍內），并且電勢在體內能夠穩定存在，將這種薄膜覆蓋在小鼠受損的骨骼處能夠將其完全治愈（重建電環境）。這種薄膜的電勢主要歸功于 BaTiO3 ，BaTiO3 是一種鐵電體，在沒有外電場的情況下還保留有較強的極化強度，這種極化會在薄膜的兩邊留下相反的電荷從而產生電勢（薄膜兩邊電勢不一樣，使用時將負電勢的一邊靠近骨骼，如圖）。這種薄膜不會粘附在新生成的骨骼上，很容易將其去除，不會產生其它副作用。

文獻鏈接：Nanocomposite Membranes Enhance Bone Regeneration Through Restoring Physiological Electric Microenvironment（ACS Nano，2016，DOI：10.1021/acsnano.6b02247）

2、Advanced Functional Materials：用雙編碼微球進行多重分析

圖2 主-客結構微球的示意圖：（a）主體結構（b）客體結構

微球懸浮液是進行多重生物分析的一種重要工具，但是它們往往需要將有機染料或者量子點摻雜到單一基體中，它們之間會發生相互作用，從而影響到分析的準確性和靈活性。

最近，上海交通大學的Hong Xu（通訊作者）和Hongchen Gu（通訊作者）等人制備了一種能進行多重分析的雙編碼主-客結構微球。這種微球由兩部分構成，作為主體部分的是微米級大小的球形顆粒（里面有不同含量的發光量子點），作為客體部分的是幾千個納米尺寸的顆粒（顆粒有三種，能發不同強度的熒光，通過改變幾種顆粒的比例就能調節客體的總熒光強度），將主體和客體混合使得客體吸附在主體的表面就能得到這種主-客結構。主體和客體的熒光強度可以分為可辨別的幾個等級（主體分為G個等級，客體分為H個等級，那么總的顆粒就為G*H種，每一種組合就稱為一組編碼，每個編碼的熒光都唯一）。經過處理后每一組編碼能識別一種特定的核苷酸，將幾組編碼混合就能同時分析多種核苷酸（它們只同時分析了三種），這種雙編碼的微球有望作為多重分析的有力工具。

文獻鏈接：Dual-Encoded Microbeads through a Host–Guest Structure: Enormous, Flexible, and Accurate Barcodes for Multiplexed Assay（Advanced Functional Materials，2016，DOI: 10.1002/adfm.201601963）

3、ACS Nano：用Si納米線通過呼出的氣體來檢測疾病

圖3 用Si納米線作為場效應管的示意圖

一些不同的疾病會有相似的癥狀，能夠在不損害人體的情況下檢測它們的工具是非常有益的。

最近，以色列理工學院的 Hossam Haick（通訊作者）等人報導了一種可以通過呼出的氣體來檢測疾病的方法。它們用含有不同官能團的分子修飾Si納米線，然后將Si納米線做成場效應管。納米線上修飾的分子能夠與某種特定疾病的生物標記物結合，從而改變場效應管的電學特性，通過測量這些改變就能確定這種生物標記物的含量。他們用這種方法檢測并且區分了肺癌、胃癌、哮喘等疾病，甚至還能區分早期和晚期癌癥。

文獻鏈接：Silicon Nanowire Sensors Enable Diagnosis of Patients?via?Exhaled Breath（ACS Nano，2016，DOI：10.1021/acsnano.6b03127）

4、ACS Nano：環狀D?熒光素在細胞內自組裝成納米顆粒對脂肪酸酰胺水解酶進行持久成像

圖4 前驅體的結構以及利用它來進行生物成像的原理

脂肪酸酰胺水解酶（FAAH）的過度表達會誘發神經系統的幾種障礙癥狀，因此，長期追蹤FAAH在體內的活性是非常重要的，但仍具挑戰性。

最近，中國科學技術大學的梁高林（通訊作者）等人開發出了一種“智能”的探針，實現了對FAAH的持續成像。他們首先設計了一種前驅分子，這種分子進入細胞后會被GSH還原，還原產物兩兩生成環狀的二聚體，二聚體則自組裝成納米顆粒。這種納米顆粒會與FAAH緩慢反應，反應產物進一步與細胞中的酶反應就能得到能發熒光的產物，熒光強度由FAAH的活性控制。由于納米顆粒在細胞內停留的時間比較會比較長，并且與FAAH的反應比較慢，所以這種探針能夠對FAAH進行持續的成像。

文獻鏈接：Intracellular Self-Assembly of Cyclic?d-Luciferin Nanoparticles for Persistent Bioluminescence Imaging of Fatty Acid Amide Hydrolase（ACS Nano，2016，DOI：10.1021/acsnano.6b03412）

5、Advanced Functional Materials：一種柱[5]芳烴基的兩親分子嵌段共聚物組成的的靶向供藥系統

圖5 （a） C 5 V 、 P5 、 P5-PEG-Biotin 、 PCL-C 2 V的化學結構與圖像表示；（b）?兩親性超分子共聚物及其作為還原反應的藥物載體的多聚體自組裝結構簡圖

癌癥療法將受益于復雜的供藥系統的發展，其刺激響應性能將治療藥劑輸送至活性位點，同時最大限度地減少在非靶點的高度毒性藥物的積累。

最近，浙江大學的黃飛鶴（通訊作者）等人利用水溶性柱[5]芳烴（P5）和紫羅堿鹽（C 5 V）之間的主-客識別能力制備了一種雙親性的二段共聚物，這種二段共聚物能夠自組裝成擁有雙層膜的聚合物囊泡，他們將DOX（抗癌藥）加載在聚合物囊泡中來進行癌癥治療，提高了治療效果并且減少了藥物對其它細胞的毒性。他們首先分別用生物素（識別癌細胞）和P5修飾PEG（親水端）的兩端，然后用C5V修飾聚己內脂（疏水端），這兩種分子能通過主-客識別（C5V進入P5的空腔內，如圖b）而生成二段聚合物，聚合物通過自組裝形成聚合物囊泡，聚合物囊泡進入細胞后C5V被還原成自由基，使得聚合物囊泡被破壞從而釋放出DOX。

文獻鏈接：Fabrication of a Targeted Drug Delivery System from a Pillar[5]arene-Based Supramolecular Diblock Copolymeric Amphiphile for Effective Cancer Therapy（Advanced Functional Materials，2016，DOI: 10.1002/adfm.201601770）

6、Angewandte Chemie International Edition：通過光熱增強自動調節脂質體控制空間光和熱的分布

圖6 兩個均勻分散吸收系統的光加熱過程示意圖： （A）傳統的光吸收體系和（B） 光熱增強自動調節脂質體體系(PEARLs)

光熱效應是通過光激發無輻射弛豫產生熱，已被用于光聲成像等臨床治療中。使用納米顆粒（NPs）可以增強光熱療法（PPT）治療過程中的光吸收。但貫穿靶組織的NPs會增加光衰減使得PTT加熱深度減小，深層組織只能接收到低光強度治療。熱梯度的存在也增加了靶組織受損的風險。因此找到合適的NPs濃度、臨床治療時間和光輻照度是必不可少的。

大學健康網絡（一加拿大公司）和多倫多大學的Gang Zheng（通訊作者）等人設計了一種具有閉環反饋能力的光熱NPs。研究發現脂質體具有反饋控制光熱光譜的能力，可以調節光傳輸和光加熱過程。PEARL利用依賴構象的吸收驅動光熱轉換。他們通過將光生色團的吸收狀態與對溫度敏感的脂質鏈接起來可以產生一個加熱機制的反饋，實現連續增加光透射度并調節溫度。這種反饋機制可以增加PTT過程中的光傳導，實現更深入、更均勻的加熱。在光熱NPs中嵌入一個負反饋系統可建立一個自適應反饋平臺，顯著提高PTT治療效果。

文獻鏈接：Controlling Spatial Heat and Light Distribution by Using Photothermal Enhancing Auto-Regulated Liposomes (PEARLs)（Angewandte Chemie International Edition，2016，DOI:10.1002/anie.201605241）

7、Advanced Materials：用于生物成像和藥物輸送的腎臟可清除有機納米載體

圖7 ?納米藥物載體的結構示意圖

化學療法包括靶向治療、放射治療和激素治療。傳統的化療藥物都具有細胞毒性并伴有嚴重的副作用，如免疫低下、黏膜炎和脫發。因此需要找到理想的化療制劑，能夠有選擇性的在癌變區域輸送藥物而不損傷健康器官。

格勒諾布爾大學的Jean-Luc Coll（通訊作者）和貝斯以色列女執事醫療中心、哈佛醫學院的Hak Soo Choi（通訊作者）等人設計了一種理想的治療診斷納米載體（TNCs），稱為H-Dots。臨床使用的TNCs需要由具有生物相容性的納米顆粒組成，流體動力學直徑（HD）小于腎臟過濾的閾值（≈5.5nm），以達到理想的腎清除率，并通過減少非特異性組織吸收增強主動靶向的能力。H-Dots由表面處理的具有生物相容性的ε聚賴氨酸組成，可對腫瘤提供抗癌藥物，但自身不進入免疫體系，完成靶向給藥后從正常的組織/器官經腎臟排出。H-Dots具有快速體循環、全身分布和快速清除能力，可進行早期腫瘤檢測，極大降低非特異性吸收。當結合適當的抗癌藥物時可克服傳統化療藥物的缺點，減少常規化療的副作用。

文獻鏈接：Renal Clearable Organic Nanocarriers for Bioimaging and Drug Delivery（Advanced Materials，2016，DOI: 10.1002/adma.201601101）

8、Advanced Materials：表面活性劑剝離的冷凍脫鎂葉綠素膠束用于多模態腸道成像

圖8 低溫表面活性劑剝離制備脫鎂葉綠素示意圖

多模態成像已被用于臨床中獲取生物醫學診斷信息。由于腸道的化學條件惡劣，且受限于輻照照射、成本、安全問題和缺乏合適的對比，使得多模式成像在腸道中還未被廣泛應用。

美國紐約州立大學布法羅分校的Jonathan F. Lovell（通訊作者）等人使用疏水性萘酞菁染料生產出了一種表面活性劑剝離了的誘導凍膠束(ss-InFroMs)。他們使用復合表面活性劑使ss-InFroMs在近紅外區具有非常高的光吸收。通過酸化葉綠素，除去了葉綠素中心的鎂，生產出脫鎂葉綠素。由于疏水性能的增加，脫鎂葉綠素ss-InFroMs比含鎂葉綠素ss-InFroMs在胃腸道中更穩定，可以安全的通過胃腸道并通過代謝排出，不會引起任何急性中毒。由于移除了中間金屬，脫鎂葉綠素ss-InFroMs恢復了熒光性，可以在腸道中進行熒光成像，實現多模式腸道成像。葉綠素可被食用、安全無毒，能被穩定運輸通過腸道并保持活性，是一種優良的腸道造影劑。

文獻鏈接：Surfactant-Stripped Frozen Pheophytin Micelles for Multimodal Gut Imaging（Advanced Materials，2016，DOI: 10.1002/adma.201602373）

9、JACS：用半導體共聚物來靶向激活神經元

圖9 SP2的合成反應

對細胞活性進行精確的控制是理解生物進程和發展新的治療方法的重要手段，但是目前使用的方法大多要用到紫外光。

最近，新加坡南洋理工大學的Kanyi Pu（通訊作者）和日本國家先進工業科學技術研究院（AIST）的Kanyi Pu（通訊作者）等人設計并且合成了一種新的聚合物（SP2）形成的納米顆粒（SPN2），用抗體修飾這種納米顆粒的表面后，它能被特定的離子通道吸附，當用近紅外光照射時SPN2會發熱從而使得離子通道被打開，停止照射后離子通道又會被關閉。SPN2的光熱轉換能力強，所需時間短，加上它的靶向功能，對細胞的毒性很低。

文獻鏈接：Semiconducting Polymer Nanobioconjugates for Targeted Photothermal Activation of Neurons（JACS，2016，DOI:10.1021/jacs.6b05192）

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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