北京化工大学苏志强教授、中科院宁波材料所吴爱国教授和德国不来梅大学/青岛大学魏刚教授Chem. Soc. Rev.：自组装二维有机生物材料的设计及生物医学应用

【引言】

自2004年以来，二维（2D）无机材料得到了广泛的研究，并被用于各种应用。受到对类石墨烯材料的广泛研究的启发，近年来还报道了一些其他无机2D材料，如石墨烯，硼烯，过渡金属二卤化物（TMD），过渡金属碳化物（TMC）等。由于2D材料具有独特的化学、物理和生物特性，因此在材料科学、纳米器件、能源与环境科学、生物医学和分析科学中具有很高的应用潜力。除了2D无机材料外，基于各种生物分子（包括DNA、RNA、蛋白质、多肽、类肽和其他生物聚合物）的自组装2D有机生物材料（2DOBM）也展现出了独特的结构、功能和很高应用潜力。利用非共价相互作用，例如氢键、静电相互作用、疏水相互作用、p-p相互作用和范德华相互作用，通过自组装过程制造2DOBM既简便又高效、，。例如，可以通过调整实验条件并使用各种模板、界面和底物来诱导2DOBM的自组装过程。对2DOBM中这些相互作用的深入了解，不仅有助于2DOBM的结构和功能的设计和调控，而且还为下一代新型功能材料的设计开发开辟了新的途径。一方面，我们可以将2DOBM的结构从纳米片调整为纳米带、网格、薄膜、纳米层、阵列、甚至是2D多孔材料。另一方面，通过用纳米粒子（NP）、碳材料、生物分子和无机纳米材料对2DOBM进行进一步功能化，可以有效的调节2DOBM的功能及应用。

【成果简介】

北京化工大学苏志强教授、中科院宁波材料所吴爱国教授和德国不来梅大学/青岛大学魏刚教授在这篇综述中，重点介绍了创建2DOBM的自组装原理和策略，以及2DOBM的结构剪裁、功能调整和生物相关应用。在第2节中，作者介绍和讨论了在溶液中，通过模板在界面和材料基底上创建2DOBM的基本自组装原理和策略。在第3节中，作者总结了有关基于DNA、RNA、多肽、蛋白质、病毒和其他生物聚合物制造2DOBM的基本原理的基本信息。在第4和第5节中，作者分别讨论了定制和控制2DOBM的结构和功能的策略和方法。此外，还展示了用于结构和功能特定的生物相关应用的2DOBM的最新进展（第6节）。最后，作者指出2DOBM不仅在生物相关领域而且在其他材料科学和纳米技术领域也具有重要意义；同时强调了2DOBM的制造、功能化和应用方面的当前挑战和未来前景。作者相信这项工作将激发有关新型功能性生物材料的合成和应用的新研究，并将引起材料科学、工程、分析、生物物理学、生物医学、组织工程、能源以及环境科学等领域研究者的广泛兴趣。该成果以题为“The design and biomedical applications of self-assembled two-dimensional organic biomaterials”发表在国际著名期刊Chem. Soc. Rev.上。

【图文导读】

Scheme 1. 2DOBM的结构和功能修饰以及生物医学应用示意图

 Figure 1. 在溶液中形成2DOBM

(a)KLVFFAK的化学形成；

(b)KLVFFAK纳米片和淀粉样原纤维的TEM图像；

(c,d)KLVFFAK纳米片的结构模型。

Figure 2.通过基于模板的合成形成2DOBM

(a)生产ATCS膜的制造步骤以及ATCS膜上的细胞反应；

(b)立式纳米颗粒超晶格片的示意图。

Figure 3.在空气-水界面处形成多肽2DOBM

Figure 4.空气-水界面处形成多肽2DOBM

（a）使用YYACAYY解决方案的刻面形成机理示意图；

（b）在培养皿中整个空气/水界面上形成的厚的肽膜；

（c）大型2D胶片的TEM图像；

（d）悬浮介导的自组装；

（e）重力作用下水坑状液滴上的PA分布示意图；

（f）纳米组件的SEM图像。

Figure 5.在底物上形成多肽2DOBM

（a）发生堆积时FF二肽自组装的可能机制；

（b）EF（电场）正增长的示意图。

Figure 6.在各种材料上制备溶菌酶2D纳米膜和稳定涂层

（a,b）在浸没材料表面（固/液界面）和水溶液表面（汽/液界面）形成溶菌酶纳米膜的示意图；

（c）以琼脂糖水凝胶为印章的接触印刷技术，将合成后的自由漂浮纳米膜沉积在水敏性基材上。

Figure 7.DNA 2DOBMs和SDNA薄膜锰离子修饰及制备

Figure 8. DNA自组装形成2DOBM

（a）二维纳米网格；

（b）2D阵列；

（c）2D DNA管和晶格。

Figure 9.蛋白质基2DOBM：溶菌酶和聚合物改性的钛基生物材料的制备和生物学评价

Figure 10.自组装蛋白质2DOBM

（a）在快速和缓慢成核条件下锌介导的RIDC3自组装模型；

（b）通过金属介导的相互作用设计2D蛋白质阵列。

Figure 11.二维蛋白质网络的形成：八聚体LDH和二聚体FDH在体外和体内自组装的策略

Figure 12.肽/类肽2DOBM的制备

（a）通过肽EF4E，EF4K，EF4E / KF4K混合物和KF4K形成扭曲的带，带和原纤维的机制；

（b）糖基化类肽纳米片的合成方案（左）和均相FRET分析法，用于验证蛋白质与糖基化类肽纳米片的结合（右）。

Figure 13.DNA-聚合物2DOBM的形成

（a）分层自组装过程的图示；

（b）化学修饰的寡核苷酸1的核苷酸序列和结构以及2D聚合物形成的过程。

Figure 14.2DOBM的设计、表征与应用

（a）通过分子设计和自组装设计2DOBM；

（b）F6C11自组装成Janus纳米片的示意图；

（c）链霉亲和素在纳米片上的吸附；

（d）展示生物素的纳米片的TEM图像。

Figure 15.由原纤维制备2DOBM

（a）BSA原纤化的示意性过程；

（b）BSA纳米原纤维的TEM图像；

（c,d）BSA纳米片的SEM和激光扫描共聚焦显微镜。

Figure 16.通过自组装制造二维阵列

（A-E）P 3 2 1单位细胞上大肠杆菌生长的阵列的示意图和TEM图像；

（F-J）P 4 21 2晶格上大肠杆菌生长的阵列的示意图和TEM图像；

（K-O）阴性染色的大肠杆菌生长阵列的示意图和TEM图像。

Figure 17.DNA自组装形成纳米孔2DOBM

（a）模拟盒，包括单层DNA折纸，石墨烯片，水，离子和易位ssDNA；

（b）裸石墨烯纳米孔；

（c）单层DNA折纸纳米孔；

（d）离子电流模拟系统的示意图。

Figure 18.多孔蛋白2DOBM的形成

（a）F88/C98RhuA结构的示意图；

（b）预期的2D晶格分子排列；

（c）F88/C98RhuA的低放大率视图，高放大率视图，列的傅立叶变换，重建的2D图像和结构模型。

Figure 19.基于MOF的蛋白质2DOBM

Figure 20.使用NP调整2DOBM的功能

（a）二价DNA/AuNP共轭物形成的示意性过程；

（b）AuNP组件的TEM图像；

（c）二维AuNP阵列。

Figure 21.利用石墨烯调控2DOBM的功能

（a）在GO模板上形成SF纳米原纤维的示意图；

（b-g）AFM表征。

Figure 22.利用聚合物调控蛋白质2DOBM的功能：在图案化表面上构造轮廓清晰的聚合物刷的示意图

Figure 23.DNA 2DOBMs在生物传感器中的应用

Figure 24.多肽纳米片用于生物矿化

（a）2D肽自组装和3D GF-PNSs-HA矿物仿生制造的示意图；

（b）PUF和GF的表征：GF的SEM图像；

（c）为HA提供众多成核位点的肽的矿化机制；

（d,e）GF-PNSs-HA的矿化和性质：GF-PNSs杂种在1.5xSBF中浸泡1天和6天后的SEM图像。

Figure 25.蛋白质2DOBM用于药物传输

Figure 26.杂化2DOBM用于药物传输：用于DOX受控释放的ATP响应DNA-石墨烯纳米聚集体的示意图

Figure 27. 2D无机材料的2DOBM用于生物成像：在带有MCF-7肿瘤的小鼠体内巨噬细胞和Bi₂Se₃负载巨噬细胞的体内生物分布

（a）静脉注射后染料标记的巨噬细胞和染料标记的Bi₂Se₃负载巨噬细胞的体内荧光追踪；

（b-d）静脉注射PBS，染料标记的巨噬细胞和染料标记的Bi₂Se₃巨噬细胞后24小时，肿瘤和主要器官的离体荧光图像；

（e）注射PBS，染料标记的巨噬细胞和染料标记的Bi₂Se₃负载的巨噬细胞的小鼠横向肿瘤切片的荧光图像；

（f,g）裸Bi₂Se₃纳米片和充满Bi₂Se₃的巨噬细胞注入后24 h Bi和Se的生物分布。

Figure 28. 2DOBM用于体内光热诊疗

【总结】

近年来，无机二维（2D）纳米材料如石墨烯，石墨烯和硼苯的设计、合成和应用等方面的研究快速发展。同时，基于各种生物分子的包括生物膜、纳米层、纳米片、纳米带、网格、阵列和晶格的自组装二维有机生物材料（2DOBM）也展现出了新颖的结构和功能以及很高的应用潜能。对2DOBM的自组装形成、结构和功能调控的深入研究为下一代具有可调结构和功能的新型纳米材料开辟了新途径，这将进一步促进2DOBM在材料科学、纳米器件、能源环境、生物医学、组织工程和分析科学等领域的应用。在这篇综述中，作者总结了基于多肽、蛋白质、DNA、RNA、病毒以及其他生物聚合物来制造自组装2DOBM的基本原理和方法学方面的重要信息。提出并讨论了用于设计和调控2DOBM的结构和功能的潜在策略和技术。最后着重介绍了2DOBM在生物传感器、仿生矿化、细胞生长、药物/基因传递、生物成像等生物医学方面的应用研究。

文献链接：The design and biomedical applications of self-assembled two-dimensional organic biomaterials. Chem. Soc. Rev., 2019, DOI:10.1039/c8cs01003j

团队负责人介绍：

魏刚，博士，洪堡学者、卡尔蔡司学者、山东省泰山学者青年专家。 2007年3月毕业于中国科学院长春应化所电分析化学国家重点实验室。2007年3月至2011年12月，在德国洪堡基金、德国联邦教育研究部和卡尔-蔡司博士后基金资助下在德国耶拿大学进行博士后研究。2012年1月至2019年8月，在德国不莱梅大学制造工程系工作，任课题组长。2018年2月起，客聘中科院宁波材料所研究员。自2019年10月起，以特聘教授身份加入青岛大学化学化工学院，任多肽纳米化学及生物化工课题组长。

主要的研究方向为超分子纳米材料、生物材料、生物传感器、原子力单分子力谱。已在Chem Soc Rev, Prog Polym Sci, ACS Nano, Adv Funct Mater, Nanoscale Horizons, Chem Commum, Nanoscale, J Mater Chem A等国际知名学术期刊上发表SCI学术论文130余篇（第一作者或通讯作者文章80余篇）。其中受邀撰写综述文章25篇。发表文章被引用4400余次，H-系数为43。担任SCI杂志J. Nanobiotechnology (中科院一区)副编辑，Sensors, Biosensors, Applied Science编委, 以及Nanomaterials杂志客座编辑。为德国科学基金（DFG）、卡塔尔大学内部科学基金、及波兰国家科学基金（NCN）、德国洪堡基金会评审人。长期担任Chem Soc Rev, Prog Polym Sci, Acc Chem Res, Nat Commun, J Am Chem Soc, Angew Chem, ACS Nano, Adv Mater, Adv Funct Mater, JOULE等100余种化学、材料类国际学术期刊的审稿人。以课题负责人身份获得德国科学基金1项及中国国家自然科学基金面上项目1项。近年来指导博士后、博士生、硕士生10余人。

课题组相关重要文献：

1. C. Gong, S. W. Sun, Y. J. Zhang, L. Sun, Z. Q. Su*, A. G. Wu*, G. Wei*. Hierarchical nanomaterials via biomolecular self-assembly and bioinspiration for energy and environmental applications. Nanoscale, 2019, 11, 4147-4182.
2. Li, Z. Zhang, D. Li, W. Zhang, X. Yu, W. Liu, C. Gong, G. Wei*, Z. Su*, Biomimetic ultralight, highly porous, shape-adjustable, and biocompatible 3D graphene minerals via incorporation of self-assembled peptide nanosheets. Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1801056.
3. Zhang, X. Yu, Y. Li, Z. Su, K. D. Jandt, and G. Wei*. Protein-mimetic peptide nanofibers: motif design, self-assembly synthesis, and sequence-specific biomedical applications. Prog. Polym. Sci., 2018, 80, 94-124.
4. Wei, Z. Su, N. P. Reynolds, P. Arosio, I. Hamley, E. Gazit, and R. Mezzenga. Self-assembling peptide and protein amyloids: from structure to tailored function in nanotechnology. Chem. Soc. Rev., 2017, 46, 4661-4708.
5. Su, H. Shen, H. Wang, J. Wang, J. Li, G. U. Nienhaus, L. Shang,* and G. Wei.* Motif-designed peptide nanofibers decorated with graphene quantum dots for simultaneous targeting and imaging of tumor cells. Adv. Funct. Mater., 2015, 25, 5472-5478.

本文由材料人学术组tt供稿，材料牛整理编辑。 

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