頂刊動態 | Nature子刊/PNAS/AFM/Nano Letters等期刊生物材料最新學術進展匯總【第15期】

1、AFM：光和pH響應的碳酸鈣@磷脂@乙酰化右旋苷糖雜化平臺在生物醫學方面的應用

圖1 碳酸鈣納米顆粒加載藥物的示意圖

能夠加載多種藥物的運輸平臺對于治療癌癥和其它疾病有重要意義，多種治療方法結合能夠降低多重耐藥性和減少藥物的使用量，但是目前使用的多重藥物運輸平臺的加載量低并且生物相容性差。

最近北京科技大學、哈佛大學的海明潭（通訊作者）等人制備了一個能夠同時運輸多種藥物（包括親水/疏水藥物、酶、抗體、金納米線等）的平臺，成功抑制了癌細胞的生長并且減少了副作用。這種平臺的載藥主體是碳酸鈣顆粒，并且在碳酸鈣的外面包裹一層磷脂（POPC）和乙酰化右旋苷糖（AcDX）混合物。POPC和AcDX能夠增強生物相容性，并且AcDX能夠對pH做出響應而釋放加載的藥物，他們還在納米顆粒里面加載金納米線，金納米線能夠在光的作用下促進藥物的釋放和增強療效。這種平臺的藥物加載量高、生物相容性好、制備簡單，在生物醫學方面有重要潛在應用。

文獻鏈接：Biodegradable Photothermal and pH Responsive Calcium Carbonate@Phospholipid@Acetalated Dextran Hybrid Platform for Advancing Biomedical Applications（Advanced Functional Materials，2016，DOI:?10.1002/adfm.201602715）

2、ACS Nano：細菌助力生成石墨烯褶皺

圖2 利用細菌制造褶皺石墨烯的示意圖

褶皺能夠在石墨烯中產生局部應力，改變石墨烯的電荷、偶極矩等的分布從而改變石墨烯的電學、光學和化學性能，但是直接在石墨烯上制造受限的褶皺還十分困難。

最近美國伊利諾伊大學芝加哥分校的Vikas Berry（通訊作者）等人利用細菌在石墨烯中制造了褶皺，他們首先將細菌固定在表面覆蓋SiO2的Si基底上，然后用石墨烯蓋住細菌，在真空和加熱條件下細菌的水分被蒸發，細菌收縮對石墨烯產生應力，在應力作用下石墨烯產生褶皺。這種褶皺的取向和長度可以控制，有望用在其它2D材料中生成褶皺。

文獻鏈接：Confined, Oriented, and Electrically Anisotropic Graphene Wrinkles on Bacteria（ACS Nano，2016，DOI:?10.1021/acsnano.6b03214）

3、ACS Nano：磷脂雙層包裹介孔硅納米顆粒運輸藥物到單個白血病細胞

圖3 原始細胞的結構示意圖

很多納米載體通過高通透和滯留效應（EPR）在腫瘤富集從而殺死癌細胞，但是血癌（白血病）細胞會在血液或者骨髓中循環，這時EPR就不能發揮作用了，因此要治療血癌，納米粒子需要能夠定向識別并且粘附循環的癌細胞。

最近美國新墨西哥大學的C. Jeffrey Brinker（通訊作者）等人研究了獲得能穩定存在的單分散“原始細胞”所需的條件（原始細胞由磷脂雙層包裹介孔硅納米顆粒組成），并且用抗體修飾獲得的“原始細胞”，成功使“原始細胞”定向粘附在血癌細胞上，這種原始細胞有望用于治療白血病和其它傳播疾病。

文獻鏈接：Mesoporous Silica Nanoparticle-Supported Lipid Bilayers (Protocells) for Active Targeting and Delivery to Individual Leukemia Cells（ACS Nano，2016，DOI:?10.1021/acsnano.6b02819）

4、Nature Materials：局部三重療法讓腫瘤消退并且防止再發

圖4 水凝膠的組成

結腸直腸癌（CRC）是很常見癌癥，目前治療CRC主要依靠手術切除，但是這種方法風險很大。

最近麻省理工學院的Jo?o Conde（通訊作者）和 Natalie Artzi（通訊作者）等人將基因、藥物和光熱療法結合成功使未切除的腫瘤消退并且防止切除后的腫瘤復發。他們首先將抗癌藥吸附在金納米棒上，并且將SiRNA吸附在球形金納米顆粒上，然后將二者加載在水凝膠上，再將水凝膠移植到腫瘤處，金納米棒和納米顆粒能被癌細胞定向吸收，在近紅外光的作用下，藥物或者SiRNA被釋放來殺死癌細胞，而金納米棒本身發熱也會殺死癌細胞。

文獻鏈接：Local triple-combination therapy results in tumour regression and prevents recurrence in a colon cancer model（Nature Materials，2016，DOI:?10.1038/nmat4707）

5、AFM：通過磁熱反應快速釋放藥物局部激發神經活動

圖5 在交變磁場中，由于磁滯導致TRPV1表面釋放AITC。通過GCaMP6s中熒光增加現象檢測到Ca2+進入神經元。

在交變磁場(AMFs)中由磁性納米顆粒(MNPs)引起的磁致損耗可使材料用作傳感器響應外部刺激，調控細胞信息傳導，常用于癌癥研究中。人體組織的弱磁性和低導電率允許交變磁場到達人體內部，MNPs的滯后現象產生的熱能可用于刺激大腦結構，喚起熱敏神經元的活動。

最近，麻省理工學院的Polina Anikeeva（通訊作者）等人通過將異硫氰酸烯丙酯(AITC，芥末的一種刺激性組元)分子使用局部交變磁場感應加熱綁定到MNPs的表面。功能化的MNPs靶向神經元表面，使其表達TRPV1 (一種陽離子通道)和GCaMP6s(一種基因編碼的Ca2+指示劑)。由于磁滯產生熱損耗，導致TRPV1表面釋放出AITC，通過GCaMP6s的熒光增加現象檢測到Ca2+進入神經元，完成對神經元的刺激。這種磁熱效應刺激神經元的模式可通過控制膜蛋白的功能以調節細胞信號傳遞。使用AMFs作為刺激，由于它不隨組織深度出現衰減，很適用于身體內部及大腦的靶向刺激，還可實現對外部刺激快速的響應。

文獻鏈接：Localized Excitation of Neural Activity via Rapid Magnetothermal Drug Release（Advanced Functional Materials，2016，DOI: 10.1002/adfm.201602189）

6、ACS Nano：可DNA編程的納米結晶的動力學特性

圖6 A?A自組裝體系的粗粒度模型
頂部：單鏈DNA模型；底部：兩個單鏈DNA-NP雜交

DNA雜交動力學對可DNA編程的納米結晶很重要。DNA雜交反應的動態結晶過程通過平均位移、雜交的百分比和DNA鍵的壽命來評定。DNA鍵的壽命與溫度密切相關。為了更好地理解影響DNA 堿基配對和結晶動力學過程的影響因素。粗粒度的分子動力學被用于探索DNA雜交的結構和動態性能。

南京大學的Rong Wang（通訊作者）等人研究了DNA 鍵的A-A自互補單組分體系的動態形成過程。他們發現低的DNA 體積分數(η)可以促進形成HCP結構以實現最大化DNA 雜交反應。但更高的η會形成FCC結構。非常密集的DNA會限制重組進程，阻止顆粒重排。隨著溫度增加，<p(H)>(雜交的平均百分比)減小，去雜化反應越來越快，對雜化率產生影響。DNA鍵的壽命受到DNA 鏈上的顆粒數和體積分數限制，納米結晶過程存在適當的溫度區間。這些研究結果對我們理解DNA功能化的納米顆粒(DNA-NP)結晶動力學及其影響因素很有幫助。

文獻鏈接：Dynamic Properties of DNA-Programmable Nanoparticle Crystallization （ACS Nano，2016，DOI: 10.1021/acsnano.6b02067）

7、PNAS：無酶催化仿生重構合成磷脂脂質體

圖7 磷脂膜結構的重塑過程示意圖

細胞膜含有大量的磷脂類物質，其結構可通過酶重構酰基鏈和極性親水基基團來改變。脂質重構在膜生物學中十分重要。盡管以人工膜為模型來調節原生細胞膜屬性的相關研究已取得很大進展，但模擬類脂膜重塑的過程依然是一個難題。

最近，美國加州大學的Neal K. Devaraj（通訊作者）等人設計了一種人造生物膜來模擬原生磷脂膜的合成和改造過程。他們將天然化學連接(NCL)反應用于酰胺基磷脂的原位自組裝，形成膜囊泡。再通過可逆的天然化學連接(RNCL)反應進行膜重構，自發地改變膜的組成與形貌。該方法克服了原生脂質體進行脂質重構的動力學障礙，可以調控磷脂囊泡的尺寸和形狀。基于NCL的脂質合成法和基于RNCL的脂質重構法相結合，顯示出自發磷脂引發膜重構變化的能力，適用于研究膜交換及膜的重構對細胞功能產生的影響。

文獻鏈接：Nonenzymatic biomimetic remodeling of phospholipids in synthetic liposomes （Proceedings of the National Academy of Sciences，2016，DOI: 10.1073/pnas.1605541113）

8、Nano Letters：微液滴納米傳感器探針

圖8 多相微流體、納米線離子敏感場效應晶體管(ISFET)傳感器和液滴微流控系統的集成概念圖

實驗室高性能自動化測試已經實現了醫療點診斷和智能信息處理。微型納米傳感器和液滴微流控制系統的結合可更好地分析高傳輸率的生物化學過程。這種液滴微流控制系統可用單個設備同時監測大量獨立的反應堆，每個液滴都可進行獨立的生化實驗，可實現平行測量。

最近，德國德累斯頓工業大學的Larysa Baraban（通訊作者）等人將液滴微流控制與硅納米線場效應晶體管(SiNW FET )相結合，使用化學探針獨立檢測液滴中的電流量、測定溶液的pH值及電流變化。此外，他們利用結合SiNW FET的液滴微流體監測乳化液滴中的電流量，進行高通量檢查和乳化液滴分析。使用離子敏感場效應晶體管(ISFETs)討論了乳液傳感的特點，以及液滴大小對傳感器的影響。這種微型器件，將SiNW FET和微流體集成在單一芯片上，可進行連續的體外檢測、微生物檢測、藥物篩選以及早期病原體的檢測。單個的液滴也可表現出明顯的信號變化，精度超越了常規檢測。

文獻鏈接：Compact Nanowire Sensors Probe Microdroplets （Nano Letters，2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b01707）

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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