顶刊动态 | AM/JACS/ACS Nano等期刊生物材料最新学术进展汇总【160724期】

1、ACS Nano：纳米复合薄膜通过恢复生理电环境来促进骨骼再生

图1 复合薄膜的结构以及其促进骨骼再生的示意图（上面一层为薄膜）

在骨骼和骨膜中存在电流或者电势来维持骨骼的体积和质量，当骨骼受损时，在受损处会生成类似骨膜的组织来重新建立被破坏的电环境，从而使骨骼快速再生。但是当受损的范围比较广时，骨膜类似组织的生长就没那么快，使得受损的地方会吸附一些纤维和上皮组织从而影响骨骼的再生。

最近，华中科技大学的Lili Chen（通讯作者）及北京大学、口腔数字化医疗技术和材料国家工程实验室的Xuliang Deng（通讯作者）等人制备了一种由BaTiO3 纳米颗粒和聚合物组成的纳米薄膜，这种复合薄膜表面的电势可以达到 −76.8 mV（在正常的生理电势范围内），并且电势在体内能够稳定存在，将这种薄膜覆盖在小鼠受损的骨骼处能够将其完全治愈（重建电环境）。这种薄膜的电势主要归功于 BaTiO3 ，BaTiO3 是一种铁电体，在没有外电场的情况下还保留有较强的极化强度，这种极化会在薄膜的两边留下相反的电荷从而产生电势（薄膜两边电势不一样，使用时将负电势的一边靠近骨骼，如图）。这种薄膜不会粘附在新生成的骨骼上，很容易将其去除，不会产生其它副作用。

文献链接：Nanocomposite Membranes Enhance Bone Regeneration Through Restoring Physiological Electric Microenvironment（ACS Nano，2016，DOI：10.1021/acsnano.6b02247）

2、Advanced Functional Materials：用双编码微球进行多重分析

图2 主-客结构微球的示意图：（a）主体结构（b）客体结构

微球悬浮液是进行多重生物分析的一种重要工具，但是它们往往需要将有机染料或者量子点掺杂到单一基体中，它们之间会发生相互作用，从而影响到分析的准确性和灵活性。

最近，上海交通大学的Hong Xu（通讯作者）和Hongchen Gu（通讯作者）等人制备了一种能进行多重分析的双编码主-客结构微球。这种微球由两部分构成，作为主体部分的是微米级大小的球形颗粒（里面有不同含量的发光量子点），作为客体部分的是几千个纳米尺寸的颗粒（颗粒有三种，能发不同强度的荧光，通过改变几种颗粒的比例就能调节客体的总荧光强度），将主体和客体混合使得客体吸附在主体的表面就能得到这种主-客结构。主体和客体的荧光强度可以分为可辨别的几个等级（主体分为G个等级，客体分为H个等级，那么总的颗粒就为G*H种，每一种组合就称为一组编码，每个编码的荧光都唯一）。经过处理后每一组编码能识别一种特定的核苷酸，将几组编码混合就能同时分析多种核苷酸（它们只同时分析了三种），这种双编码的微球有望作为多重分析的有力工具。

文献链接：Dual-Encoded Microbeads through a Host–Guest Structure: Enormous, Flexible, and Accurate Barcodes for Multiplexed Assay（Advanced Functional Materials，2016，DOI: 10.1002/adfm.201601963）

3、ACS Nano：用Si纳米线通过呼出的气体来检测疾病

图3 用Si纳米线作为场效应管的示意图

一些不同的疾病会有相似的症状，能够在不损害人体的情况下检测它们的工具是非常有益的。

最近，以色列理工学院的 Hossam Haick（通讯作者）等人报导了一种可以通过呼出的气体来检测疾病的方法。它们用含有不同官能团的分子修饰Si纳米线，然后将Si纳米线做成场效应管。纳米线上修饰的分子能够与某种特定疾病的生物标记物结合，从而改变场效应管的电学特性，通过测量这些改变就能确定这种生物标记物的含量。他们用这种方法检测并且区分了肺癌、胃癌、哮喘等疾病，甚至还能区分早期和晚期癌症。

文献链接：Silicon Nanowire Sensors Enable Diagnosis of Patients via Exhaled Breath（ACS Nano，2016，DOI：10.1021/acsnano.6b03127）

4、ACS Nano：环状D‑荧光素在细胞内自组装成纳米颗粒对脂肪酸酰胺水解酶进行持久成像

图4 前驱体的结构以及利用它来进行生物成像的原理

脂肪酸酰胺水解酶（FAAH）的过度表达会诱发神经系统的几种障碍症状，因此，长期追踪FAAH在体内的活性是非常重要的，但仍具挑战性。

最近，中国科学技术大学的梁高林（通讯作者）等人开发出了一种“智能”的探针，实现了对FAAH的持续成像。他们首先设计了一种前驱分子，这种分子进入细胞后会被GSH还原，还原产物两两生成环状的二聚体，二聚体则自组装成纳米颗粒。这种纳米颗粒会与FAAH缓慢反应，反应产物进一步与细胞中的酶反应就能得到能发荧光的产物，荧光强度由FAAH的活性控制。由于纳米颗粒在细胞内停留的时间比较会比较长，并且与FAAH的反应比较慢，所以这种探针能够对FAAH进行持续的成像。

文献链接：Intracellular Self-Assembly of Cyclic d-Luciferin Nanoparticles for Persistent Bioluminescence Imaging of Fatty Acid Amide Hydrolase（ACS Nano，2016，DOI：10.1021/acsnano.6b03412）

5、Advanced Functional Materials：一种柱[5]芳烃基的两亲分子嵌段共聚物组成的的靶向供药系统

图5 （a） C 5 V 、 P5 、 P5-PEG-Biotin 、 PCL-C 2 V的化学结构与图像表示；（b） 两亲性超分子共聚物及其作为还原反应的药物载体的多聚体自组装结构简图

癌症疗法将受益于复杂的供药系统的发展，其刺激响应性能将治疗药剂输送至活性位点，同时最大限度地减少在非靶点的高度毒性药物的积累。

最近，浙江大学的黄飞鹤（通讯作者）等人利用水溶性柱[5]芳烃（P5）和紫罗碱盐（C 5 V）之间的主-客识别能力制备了一种双亲性的二段共聚物，这种二段共聚物能够自组装成拥有双层膜的聚合物囊泡，他们将DOX（抗癌药）加载在聚合物囊泡中来进行癌症治疗，提高了治疗效果并且减少了药物对其它细胞的毒性。他们首先分别用生物素（识别癌细胞）和P5修饰PEG（亲水端）的两端，然后用C5V修饰聚己内脂（疏水端），这两种分子能通过主-客识别（C5V进入P5的空腔内，如图b）而生成二段聚合物，聚合物通过自组装形成聚合物囊泡，聚合物囊泡进入细胞后C5V被还原成自由基，使得聚合物囊泡被破坏从而释放出DOX。

文献链接：Fabrication of a Targeted Drug Delivery System from a Pillar[5]arene-Based Supramolecular Diblock Copolymeric Amphiphile for Effective Cancer Therapy（Advanced Functional Materials，2016，DOI: 10.1002/adfm.201601770）

6、Angewandte Chemie International Edition：通过光热增强自动调节脂质体控制空间光和热的分布

图6 两个均匀分散吸收系统的光加热过程示意图： （A）传统的光吸收体系和（B） 光热增强自动调节脂质体体系(PEARLs)

光热效应是通过光激发无辐射弛豫产生热，已被用于光声成像等临床治疗中。使用纳米颗粒（NPs）可以增强光热疗法（PPT）治疗过程中的光吸收。但贯穿靶组织的NPs会增加光衰减使得PTT加热深度减小，深层组织只能接收到低光强度治疗。热梯度的存在也增加了靶组织受损的风险。因此找到合适的NPs浓度、临床治疗时间和光辐照度是必不可少的。

大学健康网络（一加拿大公司）和多伦多大学的Gang Zheng（通讯作者）等人设计了一种具有闭环反馈能力的光热NPs。研究发现脂质体具有反馈控制光热光谱的能力，可以调节光传输和光加热过程。PEARL利用依赖构象的吸收驱动光热转换。他们通过将光生色团的吸收状态与对温度敏感的脂质链接起来可以产生一个加热机制的反馈，实现连续增加光透射度并调节温度。这种反馈机制可以增加PTT过程中的光传导，实现更深入、更均匀的加热。在光热NPs中嵌入一个负反馈系统可建立一个自适应反馈平台，显著提高PTT治疗效果。

文献链接：Controlling Spatial Heat and Light Distribution by Using Photothermal Enhancing Auto-Regulated Liposomes (PEARLs)（Angewandte Chemie International Edition，2016，DOI:10.1002/anie.201605241）

7、Advanced Materials：用于生物成像和药物输送的肾脏可清除有机纳米载体

图7  纳米药物载体的结构示意图

化学疗法包括靶向治疗、放射治疗和激素治疗。传统的化疗药物都具有细胞毒性并伴有严重的副作用，如免疫低下、黏膜炎和脱发。因此需要找到理想的化疗制剂，能够有选择性的在癌变区域输送药物而不损伤健康器官。

格勒诺布尔大学的Jean-Luc Coll（通讯作者）和贝斯以色列女执事医疗中心、哈佛医学院的Hak Soo Choi（通讯作者）等人设计了一种理想的治疗诊断纳米载体（TNCs），称为H-Dots。临床使用的TNCs需要由具有生物相容性的纳米颗粒组成，流体动力学直径（HD）小于肾脏过滤的阈值（≈5.5nm），以达到理想的肾清除率，并通过减少非特异性组织吸收增强主动靶向的能力。H-Dots由表面处理的具有生物相容性的ε聚赖氨酸组成，可对肿瘤提供抗癌药物，但自身不进入免疫体系，完成靶向给药后从正常的组织/器官经肾脏排出。H-Dots具有快速体循环、全身分布和快速清除能力，可进行早期肿瘤检测，极大降低非特异性吸收。当结合适当的抗癌药物时可克服传统化疗药物的缺点，减少常规化疗的副作用。

文献链接：Renal Clearable Organic Nanocarriers for Bioimaging and Drug Delivery（Advanced Materials，2016，DOI: 10.1002/adma.201601101）

8、Advanced Materials：表面活性剂剥离的冷冻脱镁叶绿素胶束用于多模态肠道成像

图8 低温表面活性剂剥离制备脱镁叶绿素示意图

多模态成像已被用于临床中获取生物医学诊断信息。由于肠道的化学条件恶劣，且受限于辐照照射、成本、安全问题和缺乏合适的对比，使得多模式成像在肠道中还未被广泛应用。

美国纽约州立大学布法罗分校的Jonathan F. Lovell（通讯作者）等人使用疏水性萘酞菁染料生产出了一种表面活性剂剥离了的诱导冻胶束(ss-InFroMs)。他们使用复合表面活性剂使ss-InFroMs在近红外区具有非常高的光吸收。通过酸化叶绿素，除去了叶绿素中心的镁，生产出脱镁叶绿素。由于疏水性能的增加，脱镁叶绿素ss-InFroMs比含镁叶绿素ss-InFroMs在胃肠道中更稳定，可以安全的通过胃肠道并通过代谢排出，不会引起任何急性中毒。由于移除了中间金属，脱镁叶绿素ss-InFroMs恢复了荧光性，可以在肠道中进行荧光成像，实现多模式肠道成像。叶绿素可被食用、安全无毒，能被稳定运输通过肠道并保持活性，是一种优良的肠道造影剂。

文献链接：Surfactant-Stripped Frozen Pheophytin Micelles for Multimodal Gut Imaging（Advanced Materials，2016，DOI: 10.1002/adma.201602373）

9、JACS：用半导体共聚物来靶向激活神经元

图9 SP2的合成反应

对细胞活性进行精确的控制是理解生物进程和发展新的治疗方法的重要手段，但是目前使用的方法大多要用到紫外光。

最近，新加坡南洋理工大学的Kanyi Pu（通讯作者）和日本国家先进工业科学技术研究院（AIST）的Kanyi Pu（通讯作者）等人设计并且合成了一种新的聚合物（SP2）形成的纳米颗粒（SPN2），用抗体修饰这种纳米颗粒的表面后，它能被特定的离子通道吸附，当用近红外光照射时SPN2会发热从而使得离子通道被打开，停止照射后离子通道又会被关闭。SPN2的光热转换能力强，所需时间短，加上它的靶向功能，对细胞的毒性很低。

文献链接：Semiconducting Polymer Nanobioconjugates for Targeted Photothermal Activation of Neurons（JACS，2016，DOI:10.1021/jacs.6b05192）

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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