顶刊动态 | Nature子刊/PNAS/AFM/Nano Letters等期刊生物材料最新学术进展汇总【第15期】

1、AFM：光和pH响应的碳酸钙@磷脂@乙酰化右旋苷糖杂化平台在生物医学方面的应用

图1 碳酸钙纳米颗粒加载药物的示意图

能够加载多种药物的运输平台对于治疗癌症和其它疾病有重要意义，多种治疗方法结合能够降低多重耐药性和减少药物的使用量，但是目前使用的多重药物运输平台的加载量低并且生物相容性差。

最近北京科技大学、哈佛大学的海明潭（通讯作者）等人制备了一个能够同时运输多种药物（包括亲水/疏水药物、酶、抗体、金纳米线等）的平台，成功抑制了癌细胞的生长并且减少了副作用。这种平台的载药主体是碳酸钙颗粒，并且在碳酸钙的外面包裹一层磷脂（POPC）和乙酰化右旋苷糖（AcDX）混合物。POPC和AcDX能够增强生物相容性，并且AcDX能够对pH做出响应而释放加载的药物，他们还在纳米颗粒里面加载金纳米线，金纳米线能够在光的作用下促进药物的释放和增强疗效。这种平台的药物加载量高、生物相容性好、制备简单，在生物医学方面有重要潜在应用。

文献链接：Biodegradable Photothermal and pH Responsive Calcium Carbonate@Phospholipid@Acetalated Dextran Hybrid Platform for Advancing Biomedical Applications（Advanced Functional Materials，2016，DOI: 10.1002/adfm.201602715）

2、ACS Nano：细菌助力生成石墨烯褶皱

图2 利用细菌制造褶皱石墨烯的示意图

褶皱能够在石墨烯中产生局部应力，改变石墨烯的电荷、偶极矩等的分布从而改变石墨烯的电学、光学和化学性能，但是直接在石墨烯上制造受限的褶皱还十分困难。

最近美国伊利诺伊大学芝加哥分校的Vikas Berry（通讯作者）等人利用细菌在石墨烯中制造了褶皱，他们首先将细菌固定在表面覆盖SiO2的Si基底上，然后用石墨烯盖住细菌，在真空和加热条件下细菌的水分被蒸发，细菌收缩对石墨烯产生应力，在应力作用下石墨烯产生褶皱。这种褶皱的取向和长度可以控制，有望用在其它2D材料中生成褶皱。

文献链接：Confined, Oriented, and Electrically Anisotropic Graphene Wrinkles on Bacteria（ACS Nano，2016，DOI: 10.1021/acsnano.6b03214）

3、ACS Nano：磷脂双层包裹介孔硅纳米颗粒运输药物到单个白血病细胞

图3 原始细胞的结构示意图

很多纳米载体通过高通透和滞留效应（EPR）在肿瘤富集从而杀死癌细胞，但是血癌（白血病）细胞会在血液或者骨髓中循环，这时EPR就不能发挥作用了，因此要治疗血癌，纳米粒子需要能够定向识别并且粘附循环的癌细胞。

最近美国新墨西哥大学的C. Jeffrey Brinker（通讯作者）等人研究了获得能稳定存在的单分散“原始细胞”所需的条件（原始细胞由磷脂双层包裹介孔硅纳米颗粒组成），并且用抗体修饰获得的“原始细胞”，成功使“原始细胞”定向粘附在血癌细胞上，这种原始细胞有望用于治疗白血病和其它传播疾病。

文献链接：Mesoporous Silica Nanoparticle-Supported Lipid Bilayers (Protocells) for Active Targeting and Delivery to Individual Leukemia Cells（ACS Nano，2016，DOI: 10.1021/acsnano.6b02819）

4、Nature Materials：局部三重疗法让肿瘤消退并且防止再发

图4 水凝胶的组成

结肠直肠癌（CRC）是很常见癌症，目前治疗CRC主要依靠手术切除，但是这种方法风险很大。

最近麻省理工学院的João Conde（通讯作者）和 Natalie Artzi（通讯作者）等人将基因、药物和光热疗法结合成功使未切除的肿瘤消退并且防止切除后的肿瘤复发。他们首先将抗癌药吸附在金纳米棒上，并且将SiRNA吸附在球形金纳米颗粒上，然后将二者加载在水凝胶上，再将水凝胶移植到肿瘤处，金纳米棒和纳米颗粒能被癌细胞定向吸收，在近红外光的作用下，药物或者SiRNA被释放来杀死癌细胞，而金纳米棒本身发热也会杀死癌细胞。

文献链接：Local triple-combination therapy results in tumour regression and prevents recurrence in a colon cancer model（Nature Materials，2016，DOI: 10.1038/nmat4707）

5、AFM：通过磁热反应快速释放药物局部激发神经活动

图5 在交变磁场中，由于磁滞导致TRPV1表面释放AITC。通过GCaMP6s中荧光增加现象检测到Ca2+进入神经元。

在交变磁场(AMFs)中由磁性纳米颗粒(MNPs)引起的磁致损耗可使材料用作传感器响应外部刺激，调控细胞信息传导，常用于癌症研究中。人体组织的弱磁性和低导电率允许交变磁场到达人体内部，MNPs的滞后现象产生的热能可用于刺激大脑结构，唤起热敏神经元的活动。

最近，麻省理工学院的Polina Anikeeva（通讯作者）等人通过将异硫氰酸烯丙酯(AITC，芥末的一种刺激性组元)分子使用局部交变磁场感应加热绑定到MNPs的表面。功能化的MNPs靶向神经元表面，使其表达TRPV1 (一种阳离子通道)和GCaMP6s(一种基因编码的Ca2+指示剂)。由于磁滞产生热损耗，导致TRPV1表面释放出AITC，通过GCaMP6s的荧光增加现象检测到Ca2+进入神经元，完成对神经元的刺激。这种磁热效应刺激神经元的模式可通过控制膜蛋白的功能以调节细胞信号传递。使用AMFs作为刺激，由于它不随组织深度出现衰减，很适用于身体内部及大脑的靶向刺激，还可实现对外部刺激快速的响应。

文献链接：Localized Excitation of Neural Activity via Rapid Magnetothermal Drug Release（Advanced Functional Materials，2016，DOI: 10.1002/adfm.201602189）

6、ACS Nano：可DNA编程的纳米结晶的动力学特性

图6 A−A自组装体系的粗粒度模型
顶部：单链DNA模型；底部：两个单链DNA-NP杂交

DNA杂交动力学对可DNA编程的纳米结晶很重要。DNA杂交反应的动态结晶过程通过平均位移、杂交的百分比和DNA键的寿命来评定。DNA键的寿命与温度密切相关。为了更好地理解影响DNA 碱基配对和结晶动力学过程的影响因素。粗粒度的分子动力学被用于探索DNA杂交的结构和动态性能。

南京大学的Rong Wang（通讯作者）等人研究了DNA 键的A-A自互补单组分体系的动态形成过程。他们发现低的DNA 体积分数(η)可以促进形成HCP结构以实现最大化DNA 杂交反应。但更高的η会形成FCC结构。非常密集的DNA会限制重组进程，阻止颗粒重排。随着温度增加，<p(H)>(杂交的平均百分比)减小，去杂化反应越来越快，对杂化率产生影响。DNA键的寿命受到DNA 链上的颗粒数和体积分数限制，纳米结晶过程存在适当的温度区间。这些研究结果对我们理解DNA功能化的纳米颗粒(DNA-NP)结晶动力学及其影响因素很有帮助。

文献链接：Dynamic Properties of DNA-Programmable Nanoparticle Crystallization （ACS Nano，2016，DOI: 10.1021/acsnano.6b02067）

7、PNAS：无酶催化仿生重构合成磷脂脂质体

图7 磷脂膜结构的重塑过程示意图

细胞膜含有大量的磷脂类物质，其结构可通过酶重构酰基链和极性亲水基基团来改变。脂质重构在膜生物学中十分重要。尽管以人工膜为模型来调节原生细胞膜属性的相关研究已取得很大进展，但模拟类脂膜重塑的过程依然是一个难题。

最近，美国加州大学的Neal K. Devaraj（通讯作者）等人设计了一种人造生物膜来模拟原生磷脂膜的合成和改造过程。他们将天然化学连接(NCL)反应用于酰胺基磷脂的原位自组装，形成膜囊泡。再通过可逆的天然化学连接(RNCL)反应进行膜重构，自发地改变膜的组成与形貌。该方法克服了原生脂质体进行脂质重构的动力学障碍，可以调控磷脂囊泡的尺寸和形状。基于NCL的脂质合成法和基于RNCL的脂质重构法相结合，显示出自发磷脂引发膜重构变化的能力，适用于研究膜交换及膜的重构对细胞功能产生的影响。

文献链接：Nonenzymatic biomimetic remodeling of phospholipids in synthetic liposomes （Proceedings of the National Academy of Sciences，2016，DOI: 10.1073/pnas.1605541113）

8、Nano Letters：微液滴纳米传感器探针

图8 多相微流体、纳米线离子敏感场效应晶体管(ISFET)传感器和液滴微流控系统的集成概念图

实验室高性能自动化测试已经实现了医疗点诊断和智能信息处理。微型纳米传感器和液滴微流控制系统的结合可更好地分析高传输率的生物化学过程。这种液滴微流控制系统可用单个设备同时监测大量独立的反应堆，每个液滴都可进行独立的生化实验，可实现平行测量。

最近，德国德累斯顿工业大学的Larysa Baraban（通讯作者）等人将液滴微流控制与硅纳米线场效应晶体管(SiNW FET )相结合，使用化学探针独立检测液滴中的电流量、测定溶液的pH值及电流变化。此外，他们利用结合SiNW FET的液滴微流体监测乳化液滴中的电流量，进行高通量检查和乳化液滴分析。使用离子敏感场效应晶体管(ISFETs)讨论了乳液传感的特点，以及液滴大小对传感器的影响。这种微型器件，将SiNW FET和微流体集成在单一芯片上，可进行连续的体外检测、微生物检测、药物筛选以及早期病原体的检测。单个的液滴也可表现出明显的信号变化，精度超越了常规检测。

文献链接：Compact Nanowire Sensors Probe Microdroplets （Nano Letters，2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b01707）

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。