頂刊動態 | Science/AM等期刊生物材料最新科研成果精選【第20期】

本期精選預覽：Adv. Mater. 礦化膠原蛋白的分層交錯結構可作為植骨支架；Adv. Mater. 水分散性熒光硅納米顆粒及其光學應用；Science 介觀尺度“組裝與礦化”合成人工珍珠層；Adv. Funct. Mater. 線粒體靶向AIE熒光團用于活體細胞行為的實時成像；Nano Lett. 磁性藥物靶向：臨床前動物體內試驗、數學建模及外推至人類；Angew. Chem. Int. Ed. 仿病毒聚合物用于體內外基因遞送；Adv. Funct.Mater. ZnO/SiO2@無定形磷酸鈣（ACP）不可思議的生物醫藥應用。

1、Adv. Mater. 礦化膠原蛋白的分層交錯結構可作為植骨支架

圖1 礦化膠原蛋白的納米物理和機械性能

骨植入品可以幫助新骨的愈合以及作為替代材料植入骨缺陷處。目前市面上的自體移植物由于供體部位的病態，異基因移植物由于免疫排斥、病毒的傳輸以及合成移植物由于生物活性的不足不能很好地滿足臨床的需求。理想的骨移植物需要依靠它們優異的物理化學性能，這也是研究者們一直努力突破的地方。

近日，來自北京大學口腔醫學院的周彥恒教授（通訊作者）和中科院化學所的王鐵教授（通訊作者）將礦化膠原蛋白用作骨移植支架。原生骨主要是依靠非膠原蛋白（NCPs）——含大量的帶有鈣離子的酸性氨基酸的作用，而礦化膠原蛋白具有分層交錯的結構扮演了相同的角色。經過研究測試，這種支架具有很好的支撐力以及生物相容性。

文獻鏈接：Hierarchically Staggered Nanostructure of Mineralized Collagen as a Bone-Grafting Scaffold（Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201602628）

2、Adv. Mater. 水分散性熒光硅納米顆粒及其光學應用

圖2 SiNPs的仿生制備

熒光硅納米顆粒（SiNPs）因為其較強的熒光性、高度的光穩定性、豐富的資源儲備、成熟的工業化程度以及良好的生物相容性而受到高度的關注。大量的研究已經致力于發展SiNPs的制備技術，然而還需要更加深入的表面改性方法來提高它的穩定性和溶解能力。近年來，多種用于制備高度熒光、穩定SiNPs的水相合成策略被發展起來，這些方法提高材料的光學應用能力。

蘇州大學的何耀教授（通訊作者）發表文章回顧了近期在SiNPs制備上取得的進展，并且重點討論了水分散SiNPs在水相中的合成。此外，文章還總結了SiNPs在生物成像和傳感領域的代表性應用。最后，作者對基于熒光硅納米顆粒光學應用所面臨的機遇與挑戰做了一番探討。

文獻鏈接：Multifunctional Magnetoliposomes for Sequential Controlled Release（Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201601173）

3、Science 介觀尺度“組裝與礦化”合成人工珍珠層

圖3 通過模擬生物礦化過程合成人工珍珠層的步驟

生物硬質結構材料通常由脆性的無機礦物和柔性的天然高分子組成，然而其力學性能卻遠遠高于其單個組分材料以及由類似組分構成的人工復合材料。其奧秘在于這些天然生物結構材料擁有從微觀到宏觀多尺度的優化的有序分級結構。比如軟體動物珍珠層中高度有序的“磚-泥”結構賦予了其絢麗的色彩和優異的力學性能，從而使其受到材料學家的廣泛關注。作為一種研究廣泛的多級結構材料，天然珍珠層已經被人工模仿了數十年。由于現有人工方法很難像生物體一樣獲得高度有序的多級結構，同時還要受限于很低的效率，所以迄今為止，構筑宏觀尺度的仿珍珠層人工材料仍然面臨很多挑戰。

近日，中國科學技術大學俞書宏（通訊作者）課題組首次提出一種全新的介觀尺度“組裝與礦化”相結合的方案，解決了多年來難以通過模擬生物體內天然材料生長過程的方法制備人工珍珠層結構材料的問題。研究人員通過高度模擬軟體動物珍珠層的生長方式和控制過程，成功合成了宏觀尺度仿珍珠層塊體材料。不同于以前報道的仿珍珠層材料或仿生礦化方法得到的微觀晶體，這是首次通過完整模擬天然珍珠層形成過程而獲得的人工仿生結構材料，這種材料具有與天然珍珠層高度相似的化學組成和跨尺度的有序結構。

文獻鏈接：Synthetic nacre by predesigned matrix-directed mineralization?（Science, 2016, DOI: 10.1126/science.aaf8991）

4、Adv. Funct. Mater. 線粒體靶向AIE熒光團用于活體細胞行為的實時成像

圖4 用TPE-PyN3染色后的活體斑馬魚胚胎圖像

多細胞生物由無數個細胞群組織在一起來完成復雜的生命過程。通過合作和分化，各種細胞結合起來，形成一個協調的系統。實現對活體多細胞生物中細胞群的行為的實時成像對生命科學具有重要意義，但是由于缺乏理想的探針目前仍具有挑戰性。

香港科技大學的唐本忠院士（通訊作者）和南方醫科大學的鄭磊（通訊作者）等人開發了一種生物相容性的黃色熒光團——疊氮官能化的乙烯吡啶（TPE-PyN3），它可用于生命系統的無創成像和傳感。該TPE-PyN3表現出獨特的聚集誘導發光（AIE）特性和對線粒體的高親合力，這使其在體內或者體外都可實現具有極佳光穩定性的特定線粒體成像和長期的細胞觀察。TPE-PyN3對膜的高穿透性使得活體斑馬魚胚胎中的所有細胞都能進行三維形態觀察和重現。此外，由于對線粒體膜電位變化的敏感性，TPE-PyN3能夠指示細胞凋亡。這是首例可在生命系統中對細胞行為進行無創成像和傳感的小分子AIE探針，有望應用于發育生物學、腫瘤學、毒理學和藥物發現等領域。

文獻鏈接：Real-Time Imaging of Cell Behaviors in Living Organisms by a Mitochondria-Targeting AIE Fluorogen （Adv. Funct. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adfm.201602865）

5、Nano Lett. 磁性藥物靶向：臨床前動物體內試驗、數學建模及外推至人類

圖5 荷瘤小鼠的磁性腫瘤靶向試驗示意圖

超順磁性氧化鐵納米顆粒（SPIONs）在磁性靶向藥物方面受到廣泛關注。它們的超順磁狀態確保了其在無外加磁場的情況下通常不會表現出磁性，從而規避了納米顆粒在血液或組織中失控聚集的風險。SPIONs在血液中的定向運輸依賴于施加在它上面的磁力和流體力之間的動態平衡。因此，研究SPIONs的物理性質、流體動力學參數等可能會影響磁性靶向療效的關鍵因素具有十分重要的意義。

英國倫敦國王學院的Khuloud T. Al-Jamal（通訊作者）和倫敦大學學院的Quentin A. Pankhurst（通訊作者）等人采用SPION加載量可調、具有較長血液循環時間的油芯聚合物磁性納米膠囊，來研究SPION的加載量和外加磁場強度對CT26荷瘤小鼠的腫瘤細胞磁性靶向療效的影響。研究證明，在控制條件下，體內的磁性靶向與SPION加載量和磁場強度成正比。然而當SPION加載量達到最大時，血液循環時間減少，磁性靶向達到穩定。研究人員還采用數學建模來計算作用在小鼠體內的納米膠囊上的磁力、粘彈力、對流力和擴散力，并以此來推測人體內的預期行為。該研究縮短了磁性藥物靶向治療領域中的臨床前試驗與臨床轉化之間的差距。

文獻鏈接：Magnetic Drug Targeting: Preclinical in Vivo Studies, Mathematical Modeling, and Extrapolation to Humans?（Nano Lett., 2016, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b02261）

6、Angew. Chem. Int. Ed. 仿病毒聚合物用于體內外基因遞送

圖6 (A)VIPER化學結構.(B)VIPER內涵體逃逸示意圖

基因藥物難以進行臨床轉化的原因之一在于基因藥物難以遞送到靶組織靶細胞。很多研究證明聚合物載體基因遞送中的限速步驟在于內涵體逃逸。

最近，華盛頓大學Suzie H. Pun（通訊作者）等在Angewandte上發表了一種仿病毒的聚合物材料VIPER（如圖1A所示），通過RAFT反應制備p(OEGMA-DMAEMA)材料，其中DMAEMA被廣泛用作基因遞送的陽性聚合物材料，OEGMA聚合物用于增強制劑穩定性；VIPER中還含有一段pH敏感材料p(DIPAMA-PDSEMA)，其中p(DIPAMA)聚合物在pH 6.3條件下可從疏水材料變為親水材料，PDSEMA聚合物材料含有巰基可用于含巰基多肽的進一步修飾，連接蜂毒肽。在生理pH條件下,VIPER材料可自發形成膠束，并將蜂毒肽包裹在疏水內核中；經過內吞作用，內涵體的酸性環境會觸發VIPER材料中pDIPAMA嵌段，暴露蜂毒肽，蜂毒肽可進一步破壞內涵體膜，實現基因遞送系統的內涵體逃逸（如圖6B所示）。

文獻鏈接：Virus-Inspired Polymer for Efficient In Vitro and In Vivo Gene Delivery?（Angew. Chem. Int. Ed., 2016, DOI: 10.1002/anie.201605958)

7、JACS 用于循環腫瘤DNA分析的DNA探針

圖7 (A)ctDNA探針檢測機制示意圖.(B)芯片檢測機制示意圖. (C)傳感器芯片排列示意圖. (D)納米結構微電極傳感器SEM圖

相較于傳統病理組織切片檢查，通過液體活檢檢測循環核酸對于腫瘤有效診斷、預后分析及病人術后跟蹤具有極為重要的意義。然而，由于變性循環腫瘤DNA （ctDNA）可不通過與探針雜交而自退火，病變ctDNA含量極低，且病人樣本中含有大量正常DNA，使得檢測循環腫瘤DNA難度極大。

最近，多倫多大學Shana O.Kelley（通訊作者）等設計了一種新型的利用電化學方法檢測病人組織中腫瘤病變ctDNA的探針（DCPs）。如圖1所示，該探針含有兩條ssDNAs，使得樣本dsDNAs有效游離出ssDNAs，通過設計一種PNA夾子與正常ssDNAs結合，降低背景信號，促使腫瘤病變ctDNA與納米微電極表面的PNA探針結合，進一步通過電化學信號改變，可以成功檢測出肺癌和黑色素瘤病人樣本中的ctDNA。該ctDNA檢測探針具有極強的靈敏度和特異性，對基因疾病檢測具有重要意義。

文獻鏈接：DNA Clutch Probes for Circulating Tumor DNA Analysis （JACS, 2016, DOI: 10.1021/jacs.6b05679）

8、Adv. Funct.Mater. ZnO/SiO2@無定形磷酸鈣（ACP）不可思議的生物醫藥應用

圖8 ZnO/SiO2@ACP納米火龍果的設計以及控制熒光團釋放的方法

許多研究表明，功能材料特別是軟材料的顯微運動狀態的顯現不僅局限于原子和納米尺度范圍，還有在中尺度范圍。因此，在中尺度范圍形態結構的控制會使得材料具有指定的功能。經過長時間的演變，研究者從蜘蛛絲纖維、蝴蝶羽翼、貝殼等中得到啟發研發出了很多特殊功能的材料。

近日，來自新加坡國立大學的Xiang-Yang Liu教授（通訊作者）和廈門大學的林忠寧教授從火龍果的結構中獲得啟發，將許多微小的量子原子團ZnO種子嵌入SiO2肉體然后用ACP殼圍起來得到ZnO/SiO2@ACP。這種特殊的設計使得材料在細胞運輸細胞靶向以及亞細胞成像方面的到很好的應用，在治療和診斷中有著光明的發展前景。

文獻鏈接：Elevating Biomedical Performance of ZnO/SiO2@Amorphous Calcium Phosphate - Bioinspiration Making Possible the Impossible（Adv. Funct. Mater.,2016, DOI: 10.1002/adfm.201601481）

本文由材料人生物材料學習小組陳世雄、魯健、李倫、陳昭銘供稿，材料牛編輯整理。

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