顶刊动态 | AM/Nano Letters/ACS Nano生物材料最新学术进展汇总【160626期】

1、Advanced Materials：滑移水凝胶作为三维的干细胞壁龛

图1 化学水凝胶和滑移水凝胶的对比

干细胞经常被用来分化成为其它细胞来进行疾病治疗或者组织再生，为了控制细胞的分化，要用到人工壁龛。水凝胶是常用的一种壁龛，按照交联的类型，水凝胶可分为物理和化学水凝胶，物理水凝胶很灵活但是不稳定，化学水凝胶则相反，这两种水凝胶都不太合适做壁龛。

最近斯坦福医学院的Fan Yang（通讯作者）和Xinming（通讯作者）利用滑移水凝胶作为壁龛提高了干细胞向多种细胞分化的能力。这种滑移水凝胶由直链的聚乙二醇（PEG）和α-环式糊精（αCDs）组成，αCDs套在PEG上，并且PEG两端由β-CDs封住（αCDs能在PEG上移动但是不能脱离它）。此外，αCDs上还用能与醇反应的基团和能发挥多种细胞功能的肽来修饰，然后，用两端有羟基的PEG来链接不同链上的αCDs就能获得水凝胶。滑移水凝胶的结构很容易改变，使里面的干细胞能够获得各种形状从而提高分化能力。

文献链接：Sliding Hydrogels with Mobile Molecular Ligands and Crosslinks as 3D Stem Cell Niche（Advanced Materials，2016，DOI: 10.1002/adma.201601484）

2、Nano Letters: 用于DNA检测的高性能三维管状纳米膜传感器

图2 管状电极的制备过程 (i)牺牲层(Ge 20nm), (ii) 应变层(双层TiO2 45 nm),(iii) Cr/Au,(iv) 钝化层SiO2

在过去的几十年，基因组学发展迅速，也使得杂交互补的DNA链变为识别和检测传染病序列的重要工具。然而现有的方法（从细胞培养物或已受精的鸡蛋中分离病毒、红血细胞凝集抑制试验、免疫荧光检测、聚合酶链式反应扩增DNA片段等）过程复杂、耗时，显出明显不足。

近日，德国德累斯顿的纳米科学、材料与界面综合研究所的Mariana Medina-Sánchez（通讯作者）等人，使用连续沉积技术，将纳米膜沉积在牺牲层上，再进行选择性的刻蚀，最终得到自卷曲的管状纳米膜电极。当病毒RNA逆转录完成后，DNA功能化的管状电极可选择性的检测禽流感病毒亚型H1N1，并研究不同DNA结构引起的导电性能变化。由此，制备得到的生物传感器不需要放大处理、无需标记物，检测灵敏度相比于传统的平面电极提高了4个数量级。

文献链接：High-Performance Three-Dimensional Tubular Nanomembrane Sensor for DNA Detection (Nano Letters， 2016， DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b01337)

3、Advanced Materials：Pt基多金属氧酸盐的靶向运输使治疗结肠直肠癌更安全和有效

图3 纳米粒子的合成步骤(a)及作用机理(b)

多金属氧酸盐（POMs）具有抗菌、抗癌和抗病毒的功能，是很好的生物医学药剂。但是，它有两个主要缺点：第一，在使用量多时有很强的副作用；第二，与生物分子的作用弱。为了克服这些缺点POMs经常要进行表面改性。

近日，哈尔滨工业大学的Shaoqin Liu（通讯作者）和Qiong Wu（通讯作者）等人用DSPE-PEG2000（一种双亲性有机物）将Pt基的多金属氧酸盐Pt（IV）-PW11 包裹制备成纳米粒子Pt（IV）-PW11-DSPE-PEG2000。Pt（IV）-PW11-DSPE-PEG2000能被肿瘤细胞摄取，随后将Pt（IV）-PW11 释放出来，四价的Pt被还原成为二价，二价的Pt能吸附在DNA上，从而破坏DNA。但是，在正常的细胞中Pt（IV）-PW11 的释放很缓慢，因此，对正常细胞的副作用很小。他们证明这种纳米粒子能有效抑制肿瘤细胞的生长并且治愈老鼠体内的人类结肠直肠肿瘤。

文献链接：Target Delivery of a Novel Antitumor Organoplatinum(IV)-Substituted Polyoxometalate Complex for Safer and More Effective Colorectal Cancer Therapy In Vivo（Advanced Materials，2016，DOI: 10.1002/adma.201601778）

4、Advanced Materials：荧光纳米探针选择性检测过量的过氧化亚硝酸根

图4 TPE-IPB与ONOO-反应生成TPE-IPH并且发出荧光

在发炎和一些病变（如癌症）区域经常会出现过量的过氧化亚硝酸根（ONOO-），因此，检测ONOO-的水平对于发现早期发炎至关重要。但是，目前的检测方法往往只注重ONOO-的检测灵敏度，而不是提高病变组织与正常组织的对比度。

最近，香港科技大学的Ben Zhong Tang（通讯作者）和南开大学的Dan Ding（通讯作者）等人设计并且合成了一种荧光纳米探针TPE-IPB-PEG，TPE-IPB本身的荧光非常弱。但是，它能与ONOO-反应生成TPE-IPH，TPE-IPH团聚后能发射很强的荧光，并且，只有ONOO-的浓度大于一定值时才能被检测到（正常组织信号很弱），因此，TPE-IPB-PEG不是用来检测ONOO-的，而是用来检测过量的ONOO-的。此外，TPE-IPB-PEG还能实时监测抗炎药的治疗效果。

文献链接：Activatable Fluorescent Nanoprobe with AggregationInduced Emission Characteristics for Selective In Vivo Imaging of Elevated Peroxynitrite Generation（Advanced Materials，2016，DOI: 10.1002/adma.201601214）

5、Advanced Materials：纳米摩擦发电机提高成纤维细胞向神经细胞的分化效率

图5 (a)发电机促进细胞分化的示意图 (b)发电机的结构 (c)发电机产生电流的机制

将其它细胞分化为神经细胞对治疗各种神经疾病非常重要，但是目前使用的方法不安全并且效率很低。

最近，韩国延世大学的Taeyoon Lee（通讯作者）和Seung-Woo Cho（通讯作者）等人用摩擦发电机产生的电流来促进小鼠的成纤维细胞向神经细胞分化。摩擦发电机由顶片和底片组成（图b），顶片和底片通过外电路连接，当顶片向底片靠近并且接触时，顶片的电子通过外电路转移到底片，在外电路上就会产生脉冲电流，当顶片和底片分开时则会产生反向电流（图c）。这种发电机产生的电流能够促进细胞的分化和细胞成熟，在治疗神经疾病方面有潜在应用。

文献链接：Triboelectric Nanogenerator Accelerates Highly Efficient Nonviral Direct Conversion and In Vivo Reprogramming of Fibroblasts to Functional Neuronal Cells（Advanced Materials，2016，DOI: 10.1002/adma.201601900）

6、Advanced Materials：多羟基星形聚阳离子作为miRNA运输工具治疗心脏病

图6 s-PGEA/miRNA的制备过程以及其作用机理

miRNA能够抑制某些蛋白质的表达，如果将某些miRNA运输到指定的细胞内，则可以治疗某些疾病。miRNA遇到血清会降解，所以需要用其它载体将它运输到细胞内，运输载体包括病毒类和非病毒类，病毒载体的效率高但是有很大副作用。

最近，首都医科大学附属北京安贞医院的Jie Du（通讯作者） 和 Fu-Jian Xu（通讯作者）以及北京化工大学的Yulin Li（通讯作者）等人用星形的聚阳离子PGEA（s-PGEA）来运输miRNA获得了很高的运输效率。s-PGEA带正电，能够与带负电的miRNA结合成纳米粒子（s-PGEA/miRNA）从而保护miRNA。s-PGEA上的羟基能够抑制蛋白质的吸附，并且帮助纳米粒子进入老鼠的心脏，因此，他们利用s-PGEA将 miR-29b（miRNA的一种）运输运输到老鼠的心脏组织，成功抑制了心脏纤维化和心脏肿大。这种聚阳离子有望作为miRNA的运输载体来治疗心脏病。

文献链接：PGMA-Based Star-Like Polycations with Plentiful Hydroxyl Groups Act as Highly Efficient miRNA Delivery Nanovectors for Effective Applications in Heart Diseases（Advanced Materials，2016，DOI: 10.1002/adma.201602319）

7、ACS Nano：近红外光响应的水凝胶捕获和释放循环癌细胞

图7 基底的制备过程(a,b)及捕获(c)和释放癌细胞(d)

捕获并且分析被捕获的循环癌细胞（CTCs）对于癌症诊断和治疗有重要意义。但是，目前已有的方法捕获到的癌细胞纯度不高，在释放癌细胞时经常使细胞造成损伤，并且不能选择性的释放癌细胞。

最近，武汉大学的Wei-Guo Dong（通讯作者）和Wei-Hua Huang（通讯作者）等人设计了一个可以高效捕获并且选择性释放CTCs的基底。这种基底是金纳米棒（GNRs）和水凝胶的混合物，使用前用抗体修饰基底的表面，并且将癌细胞的形状“刻”在水凝胶上。因为癌细胞在遇到相似形状的“坑”时产生更强的吸附力，加上抗体对癌细胞的亲和力，癌细胞在基底上的吸附效率很高。捕获后，用近红外光照射基底的某一部分时，因为GNRs发热使水凝胶发生相变而释放癌细胞。这种方法对癌细胞造成的损伤很小，不影响后面对癌细胞的分析。

文献链接：Near-Infrared Light-Responsive Hydrogel for Specific Recognition and Photothermal Site-Release of Circulating Tumor Cells（ACS Nano，2016，DOI: 10.1021/acsnano.6b02208）

8、ACS Nano：对pH和温度敏感的二元荧光纳米粒子作为生物探针

图8 二元发光纳米材料的结构以及其荧光强度与温度和pH值的关系

发光纳米粒子在化学和生物传感方面有重要应用，但传统的荧光纳米粒子的背景信号高以及检测的效率低。二元发光纳米粒子可以有效解决这些问题，这些二元发光纳米粒子可以同时发射两种荧光，其中一种荧光的发光强度不受外部环境的影响，而另一种荧光可以对外部刺激做出响应。

最近，吉林大学的Xudong Yang（通讯作者）和Quan Lin（通讯作者）等人制备了一种可以发射两种荧光的核-壳结构纳米粒子，这种纳米粒子的核中掺夹铕有机化合物（可以发射613nm的光），壳外面则通过自组装形成一层季铵衍生物。核内的荧光强度与温度有关，而壳的荧光不仅强度与温度和pH有关，而且荧光的波长与pH也有关（正常组织与肿瘤组织的pH值不同），因此，通过光的颜色（波长）就可以辨别肿瘤。这种纳米粒子在生物和化学方面有潜在应用。

文献链接：pH- and Temperature-Sensitive Hydrogel Nanoparticles with Dual Photoluminescence
for Bioprobes（ACS Nano，2016，DOI：10.1021/acsnano.6b00770）

本文由材料人生物材料学习小组CZM供稿，材料牛编辑整理。

欢迎加入材料人生物材料学习小组，一起探讨生物材料的专业问题，关注生物材料的最新动态。加入方式：（1）添加材料人生物材料交流群（124806506），私信管理员“陈昭铭（QQ：1982342885）”报名；（2）点此处报名。