顶刊动态 | Nature子刊/AM/ACS Nano等生物材料学术进展汇总【160618期】

1、ACS Nano：DNA折纸作为掩膜用于亚10nm的蚀刻技术中

图1 用DNA折纸作为掩膜在基底上获得图案的过程

DNA折纸术就是将DNA单链（DNA一般是双链，但是通过热或碱处理就能获得单链）中的长链进行反复折叠，并用短链加以固定，由此就能绘出出各种2D或3D的DNA图案。加之DNA的尺寸很小，因此DNA折纸可以用做蚀刻的掩膜，用于获得尺寸非常小的图形。

最近法国格勒诺布尔大学的Cheikh Tidiane Diagne（第一作者及通讯作者）等人将包含一个9*14nm2孔的DNA折纸作为掩膜放在Si基底上（表面有一层SiO2），并且用干燥的HF蒸汽进行蚀刻，成功将DNA折纸上的孔转移到了基底上。在蚀刻速率为0.2nm/s，蚀刻时间在30-60s范围内，基底上的孔与DNA折纸上的孔形状相同。当蚀刻时间达到600s时，孔的形状遭受破坏，蚀刻过程受到阻碍。DNA折纸有望应用于下一代的半导体蚀刻工艺中。

文献链接：DNA Origami Mask for Sub-Ten-Nanometer Lithography（ACS Nano，2016，DOI：10.1021/acsnano.6b00413）

2、ACS Nano：多刺激响应的纳米粒子用于精确癌症治疗

图2 纳米粒子的组成及作用机理

能对刺激做出响应的纳米粒子在癌症治疗中有重要作用，这些刺激包括内部刺激（如pH、活性氧团簇）和外部刺激（光、热、超声波、磁场等），如果一个纳米颗粒能同时对内部和外部刺激做出响应，就能很好实现药物的运输和精确释放。

最近苏州大学的Huabing Chen和Youliang Zhao（通讯作者）等人将3臂星形四元聚合物、光热材料（Cypate）和治疗化合物（PTX）组合成纳米粒子，这种纳米粒子能对近红外光、pH和还原性物质做出响应从而释放出治疗化合物，这些治疗化合物能在细胞内转移，并且还能同时进行光热治疗。这种纳米粒子为智能药物运输系统的设计提供了一个新的思路。

文献链接：Rational Design of Multi-Stimuli-Responsive Nanoparticles for Precise Cancer Therapy（ACS Nano，2016，10.1021/acsnano.6b01296）

3、Nature Nanotechnology：用电浆纳米气泡在外科手术中诊断和消除残余微小肿瘤

图3 金纳米粒子在肿瘤处富集（a，b），产生纳米气泡（c）以及压力脉冲（d）的示意图

在进行肿瘤切除手术时经常会留下微小的肿瘤部分，这些残留部分很难被发现，但是如果不及时清除则会导致肿瘤复发。为了彻底清除残留肿瘤，目前经常用的方法包括切掉一部分正常的组织（肿瘤可能残留的地方）、手术后进行放射治疗或化疗，但是这些方法对人体有很大的危害。

最近美国莱斯大学的Dmitri O. Lapotko（通讯作者）等人利用金纳米团簇产生的纳米气泡在手术中（小鼠）探测到微小的肿瘤残留，并且及时将残留肿瘤切除或者杀死肿瘤细胞。他们首先将与抗体结合的金纳米粒子注射到体内，金纳米粒子会在肿瘤处富集，并且形成纳米团簇，而在正常的组织内则保持单个纳米粒子的形态。当用激光脉冲照射时，金纳米团簇会产生纳米气泡并且很快破碎，气泡破碎时会产生一个压力脉冲，用声学探针探测这个压力脉冲就能知道肿瘤细胞是否存在（单个纳米粒子不会产生纳米气泡）。这种方法可以探测到几个肿瘤细胞，有望在手术中及时发现并且清除残留肿瘤。

文献链接：Intraoperative diagnostics and elimination of residual microtumours with plasmonic nanobubbles（Nature Nanotechnology，2016，DOI：10.1038/nnano.2015.343）

4、ACS Nano：综合微藻分析平台快速筛选微藻品种

图4 iMAP使光线和微藻在底部集中的示意图以及iMAP的内表面结构

微藻的光合作用是可持续清洁能源的一个重要来源，不同的藻类适合在不同的环境中生长，因此为了能在不同的地方生长微藻，需要对微藻的品种进行筛选。通常的选种方法需要用到低密度的培养液，这会耗费大量的时间和培养液，使得选种的效率低下。

最近美国加州大学伯克利分校的Luke P. Lee（通讯作者）等人使用一个综合微藻分析平台（iMAP）进行选种。iMAP是一个半球形的的空腔，空腔的内表面涂有一层Au纳米粒子，这种结构使得光能聚焦在空腔的底部。由于形状的原因，空腔内部的微藻也会聚集在底部，这不仅加强了微藻细胞间的相互作用，而且能更好利用光能。iMAP能提高微藻的生长速度，缩短选种的时间，还能作为高效的生物反应容器。

文献链接：Integrated Microalgae Analysis Photobioreactor for Rapid Strain Selection（ACS Nano，2016，DOI: 10.1021/acsnano.6b00803）

5、Advanced Functional Materials：用水溶性的共轭聚合物来探测和抑制蛋白质团聚

图5 PPV-NMe3+吸附在团聚的蛋白质上（a）以及其分子结构（b）

蛋白质的团聚会导致一系列的疾病（如老年痴呆症），因此探测和抑制蛋白质的团聚非常重要。

最近河北工业大学的Chengfen Xing（通讯作者）和Yong Zhan（通讯作者）及荷兰拉德堡奈梅亨大学的Jialiang Xu（通讯作者）等人使用水溶性的阳离子共轭聚合物PPV-NMe3+实现了对蛋白质的探测和抑制。PPV-NMe3+能通过疏水相互作用与团聚的蛋白质结合，这种结合使得PPV-NMe3+支链间的相互作用减弱，从而增强它的荧光强度使团聚的蛋白质被探测到。同时PPV-NMe3+/蛋白质之间的疏水相互作用会与蛋白质/蛋白质之间的疏水相互作用竞争（后者是蛋白质团聚的原因），并且蛋白质与PPV-NMe3+结合后也会带电，这些带电的蛋白质会相互排斥从而防止蛋白质的进一步团聚。这是首次利用共轭聚合物对蛋白质团聚进行了探测和抑制。

文献链接：Water-Soluble Conjugated Polymers for the Detection and Inhibition of Protein Aggregation（Advanced Functional Materials，2016，DOI: 10.1002/adfm.201601621）

6、Advanced Materials：能对pH/H2O2做出响应而分解的白蛋白/MnO2纳米颗粒提高肿瘤治疗效率

图6 HMCP的制备过程以及在肿瘤处的作用原理

因为肿瘤细胞生长旺盛并且肿瘤内的血管变形，所以肿瘤内部会形成一个缺氧和酸性的环境，这种环境会阻碍治疗药物发挥作用。

最近苏州大学的Zhuang Liu（通讯作者）等人首先用Ce6或者cis-Pt(IV)SA（两者都有抗癌的作用）修饰人类血清白蛋白（HSA），然后再用被修饰过的HSA来包裹MnO2，得到HMCP。HMCP能在肿瘤处富集，当HNCP到达肿瘤后，MnO2会与肿瘤内的H2O2生成O2以缓解缺氧的情况（碱性），在酸性条件下，MnO2会与H2O2反应生成Mn2+从而使HMCP解体成小的颗粒。小颗粒更容易在肿瘤中扩散，而O2的生成能提高癌症的治疗效率，他们用HMCP获得了很好的治疗效果。

文献链接：Intelligent Albumin–MnO2 Nanoparticles as pH-/H2O2-Responsive Dissociable Nanocarriers to Modulate Tumor Hypoxia for Effective Combination Therapy（Advanced Materials，2016，DOI: 10.1002/adma.201601902）

7、ACS Nano：用纳米麦秆密封的显微装置来帮助口服的药物运输

图7 用纳米麦秆密封的显微装置的制造流程

口服是摄取药物的一条便捷途径，但是很多口服药的吸收效率很低。显微装置是指不对称的、扁平状的微米尺寸装置。显微装置能够有效附着在肠胃道上，加上它的不对称设计，可以实现单向的药物释放。

最近美国加州大学的Tejal A. Desai（通讯作者）等人设计了一个用含有纳米麦秆的薄膜密封的显微装置，纳米麦秆是中空的氧化铝。这些纳米麦秆的存在使得向显微装置加载药物变得很简单，并且能够通过麦秆的数量和直径来调节药物的释放速率。这些纳米麦秆能限制外部生物分子的进入、增强显微装置的吸附力，因此可以有效延长药物释放的时间以及减少药物的消耗。

文献链接：Fabrication of Sealed Nanostraw Microdevices for Oral Drug Delivery（ACS Nano，2016，DOI: 10.1021/acsnano.6b00809）

8、Nature Communications：在固态基体中用激光转移单体来组合合成肽

图8 肽阵列的制备过程示意图

在生命科学中经常要了解哪个分子能跟哪个分子结合，一种直接实现这一目的的方法是使用高密度的肽阵列，但是目前合成肽阵列的方法要不合成的肽质量不高，要不肽阵列的密度太低。

最近德国卡尔斯鲁厄理工学院的Felix F. Loeffler（第一作者及通讯作者）等人利用组合激光诱导向前转移法（cLIFT）制备了高密度的肽阵列。cLIFT要用到受主片和不同的施主片，不同的施主片含有不同的氨基酸单体。肽阵列的制备过程如下：首先将施主片与受主片接触（a），然后用激光束照射施主片上的某一点，激光照射使得施主片上的少量氨基酸转移到受主片上（b、c、d），将施主片移开后加热受主片（e），氨基酸与受主片反应，肽链上就多了一个氨基酸（肽链是从受主开始，因为氨基酸的一端有保护，所以一次只能增加一个氨基酸）；去除多余的氨基酸（f）后再除去氨基酸上的保护端（g），这时一个循环就结束了。在这个基础上用不同的施主片走a到g流程就能在肽链上增加不同的氨基酸（h）。制备过程几乎可以全自动完成，并且每一片施主片可以重复利用20次以上，他们用这种方法制备的肽阵列的密度可以大于17000个斑点/cm2。

文献链接：High-flexibility combinatorial peptide synthesis with laser-based transfer of monomers in solid matrix material（Nature Communications，2016，DOI: 10.1038/ncomms11844）

本文由材料人生物材料学习小组CZM供稿，材料牛编辑整理。

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