顶刊动态 | Nature子刊/AM/JACS/ACS Nano等生物材料最新学术进展汇总【第16期】

1、ACS Nano：表面增强拉曼散射传感器利用呼出的气体来检测胃癌并且分辨早期和晚期胃癌

图1 传感器的制备过程以及其检测胃癌的方法

胃癌是世界上第四常见的癌症，中国占了患病总数的42%。胃癌致死通常是由于诊断被延误或者对肿瘤所处的阶段判定错误引起的。

最近，上海交通大学的崔大祥（通讯作者） 等人制备了一个可以仅通过呼出的气体就能诊断胃癌的传感器，这种传感器不仅能够诊断出有没有胃癌，还能够知道胃癌是处于早期还是晚期。这种传感器是在还原氧化石墨烯上原位生成金纳米颗粒得到的，可以吸附与胃癌有关的生物标记物，并且通过金纳米颗粒的表面增强拉曼散射效应来分辨这些生物标记物。

文献链接：Breath Analysis Based on Surface-Enhanced Raman Scattering Sensors Distinguishes Early and Advanced Gastric Cancer Patients from Healthy Persons（ACS Nano, 2016, DOI：10.1021/acsnano.6b01441）

2、JACS：“锰抽出”策略使得无机纳米颗粒具有对肿瘤敏感的生物降解和治疗

图2 Mn-HMSNs的作用机理

无机纳米颗粒是生物医学中常用的纳米颗粒，但是它们一般很难被生物降解，这妨碍了它们的临床转换。

最近，上海硅酸盐研究所的施剑林（通讯作者）、陈雨（通讯作者）和陈航榕 （通讯作者）等人用锰掺杂介孔硅纳米颗粒（MSNs），使得MSNs能够在弱酸或者还原性GSH存在时加速降解。它们将MSNs放在含有MnSO4· H2O的溶液中进行水热处理，得到空心的表面掺杂锰的MSNs（Mn-HMSNs）。弱酸或者GSH能够破坏Mn-HMSNs中的Mn-O键，Mn-O键的破坏能够加速Si−O−Si键的降解从而加速药物的释放速率，另外降解时释放出的锰离子还能进行核磁共振成像。

文献链接：“Manganese Extraction” Strategy Enables Tumor-Sensitive Biodegradability and Theranostics of Nanoparticles（JACS, 2016, DOI: 10.1021/jacs.6b04299）

3、Nat. Nanotech.：用加载纳巴霉素的纳米颗粒来提高药物的效率和安全性

图3 加载纳巴霉素的纳米颗粒与药物（抗原）

药物的使用经常会产生抗药抗体（ADAs），ADAs会中和药物的活性、改变药物动力学和药物在体内的分布，不仅降低了药物的效率和安全性，还会产生严重的过敏反应。

最近，美国Takashi K. Kishimoto（通讯作者）等人发现将纳巴霉素加载在纳米颗粒中，然后将这种纳米颗粒与药物一起注射可以增加药物的耐免疫性，只需第一次注射时使用纳米颗粒（后面注射时只需单独注射药物），就能持续的抑制ADAs的产生，从而保证药物的效率和安全性。这种纳米颗粒只能与药物同时注射才有效，如果单独注射或者不同时注射则没有效果，这为阻碍ADAs的形成提供了新的思路。

文献链接：Improving the efficacy and safety of biologic drugs with tolerogenic nanoparticles（Nat. Nanotech., 2016, DOI: 10.1038/nnano.2016.135）

4、Adv. Mater.：多重响应的化疗-光热治疗金纳米海绵递药系统

图4 金纳米海绵合成示意图(a)及(b)金纳米粒(c)Au@Cu2O核壳纳米粒(d)Au-Cu合金(e)金纳米海绵的TEM结果

相较于单一的化疗或光热治疗，化疗-光热治疗相结合的策略能进一步增强化疗药物的细胞毒作用并通过设计进行药物控释。在众多的纳米粒制剂中，中空金纳米球以其高载药和高度可调的近红外等离子体共振特性，尤为适合作为化疗-光热治疗的载体材料。

最近，南京大学的朱俊杰（通讯作者）与南卡罗来纳大学Hui Wang（通讯作者）等人合作，在Advanced Materials上发表了一种多功能“金纳米海绵”，通过多孔金纳米结构包载化疗药物阿霉素，表面包覆混有p(NIPAM-MAA-ODA)材料的脂质体，实现pH和温度双敏感药物释放。金纳米海绵表面进一步修饰肿瘤特异性靶向适配体EpDT3，实现肿瘤主动靶向。该制剂同时具备高载药、肿瘤特异性靶向、多重响应药物释放和光热治疗的优势，可实现对乳腺癌的化疗-光热治疗一体化。

文献链接：Gold-Nanosponge-Based Multistimuli-Responsive Drug Vehicles for Targeted Chemo-Photothermal Therapy（Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201602486）

5、ACS Nano：PET/荧光共显像含二氢卟酚e6的光热治疗纳米胶束

图5 含Ce6多功能纳米粒示意图，TEM结果，体内PET/荧光结果及光动力治疗效果图

结合诊断和治疗为一体的多功能纳米粒具有良好的应用前景，光动力治疗以其高效无创得到关注。

最近，苏州大学、美国威斯康辛大学麦迪逊分校的程亮（通讯作者、第一作者）和美国威斯康辛大学麦迪逊分校的Weibo Cai（通讯作者）等设计了一种结合光动力治疗（PDT）和正电子发射成像（PET）诊断为一体的含Ce6的纳米胶束。作者通过化学合成将光动力治疗材料Ce6共价连接到两亲性聚合物胶束的PEG外层，制备含Ce6的光动力治疗纳米胶束。由于Ce6具有特殊化学结构，可鳌合64Cu，且其自身具有荧光，作者进一步将含Ce6的纳米胶束表面鳌合64Cu，形成用于PET/荧光共成像的诊断治疗一体化纳米胶束。体内外实验均证明该纳米胶束具有良好体内显影能力及肿瘤治疗效果。

文献链接：Dual-Modality Positron Emission Tomography/Optical Image-Guided Photodynamic Cancer Therapy with Chlorin e6-Containing Nanomicelles （ACS Nano, 2016, DOI: 10.1021/acsnano.6b03074）

6、Adv. Mater.：用于癌症诊疗的金纳米颗粒的结构设计原理

图6 GNPs的结构-性质-应用的关系概要

对于癌症的个性化诊疗（personalized theranostics）如今日益为人们所关注。利用多功能纳米材料的独特性能可以加速实现这个医学目标。金纳米颗粒（GNPs）由于其简单易行的制备改性方法、可控的结构和物理化学性质以及生物相容性（biocompatibility）等特点一直以来是治癌的热点工具。然而直到目前，对GNPs的结构、性质及其应用之间的关系并没有非常系统的讨论和综述。

深圳大学的何前军（通讯作者）教授课题组日前发表研究进展报告，挖掘了金纳米颗粒结构-性质-功能之间的内在联系，提出了一系列针对癌症诊疗的结构-工程基本原理。文章详细阐述了GNPs结构调整（包括尺寸、形貌、表面修饰以及复合结构）与性质之间的关系，以及针对不同生物医学应用（成像、治疗、诊疗一体化以及生物相容性）的结构工程设计原理。研究人员表示，通过对GNPs的全面研究和概述可以对设计个性化癌症治疗方案产生指导和启发作用。

文献链接：Structural-Engineering Rationales of Gold Nanoparticles for Cancer Theranostics（Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201602080）

7、Adv. Mater.：氨基葡聚糖基生物杂化水凝胶：多功能生物材料的明智选择

图7 GAGs作为ECM的重要组成部分参与管理组织的形成、动态平衡以及再生过程

氨基葡聚糖（GAGs）是无支链的高分子量多糖。在活性组织（living tissues）内，对细胞外基质（ECM）的重要功能特性的形成有着举足轻重的作用。鉴于GAGs在活性组织内扮演着多种细胞指导性角色，GAGs基材料如今在生物材料领域正吸引着越来越多的目光。

德累斯顿莱布尼茨聚合物研究所的Uwe Freudenberg（通讯作者）、特拉华大学和特拉华州生物技术研究所的Kristi L. Kiick（通讯作者）、德累斯顿莱布尼茨聚合物研究所和德累斯顿工业大学的Carsten Werner（通讯作者）等发表综述，详细介绍了近年来GAGs相关研究工作，特别是关于利用共价或者非共价结合的模块化可调生物杂化水凝胶的研究进展，包括在生物流体或活性组织内含有GAGs的聚合物骨架具有细胞相容性的原位凝胶化过程。这些研究工作在很大程度上对包括再生医学在内的新兴领域所面临的挑战有着深刻的启发意义。

文献链接：Glycosaminoglycan-Based Biohybrid Hydrogels: A Sweet and Smart Choice for Multifunctional Biomaterials（Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma. 201601908）

8、Nat. Commun.：碳纳米管的去卷积肝处理过程

图8 fCNTs在鼠科动物肝脏内皮细胞的选择性沉积表征

单壁碳纳米管（SWCNTs）虽然在药物传递上有着独特的潜在应用价值，但是至今仍然没有发展到临床研究阶段。众所周知，具有复杂结构的肝脏管理着一系列人体新陈代谢，也因此是药物处理和累积的主要器官。目前已有研究报道，在动物模型中观察到功能化碳纳米管（fCNTs）经历肝累积（hepatic accunulation）及随后的肝清除（hepatobiliary elimination）过程。

斯隆-凯瑟琳癌症研究中心和威尔康乃尔医学院的Michael R. McDevitt（通讯作者）团队报道了碳纳米管在肝处理过程中一些最新发现的细节，包括接收器介导（receptor-mediated）的细胞内吞作用、胞内交换（cellular trafficking）以及胆汁清除（biliary elimination）。研究人员发现，有孔的肝窦内皮细胞是水溶性氨基功能化纤维状纳米碳更倾向于停留的区域而非肝细胞或巨噬细胞；其次，名为Stabilin的受体介导着纳米管的胞吞清除（endocytic clearance）。此外，研究人员首次用非人灵长类动物作为纳米管评估模型，为该平台的临床应用打下了坚实的基础。

文献链接：Deconvoluting hepatic processing of carbon nanotubes（Nat. Commun., 2016, DOI: 10.1038/ncomms12343）

9、Adv. Funct. Mater.：将携叶酸的纳米金刚石基纳米团簇用于光热肿瘤治疗

图9  FA-ND纳米团簇的合成过程

光热治疗被认为是肿瘤学中侵害性最小的治疗方法。在光热治疗中通常使用的是近红外激光（ 700–1100 nm)，目前，已经有实验人员将碳纳米管和炭黑应用在光热治疗中，但是由于上述材料的毒性以及生物相容性的限制，光热治疗在安全和效率方面还亟待发展。

近日，来自韩国加图立大学的Sung-Wook Choi（通讯作者）等使用乙二胺将纳米金刚石胺化，然后通过碳化二亚胺将其与叶酸共轭合成携叶酸的纳米金刚石基纳米团簇。该团队将其分成1，5，10μg mL-1三种不同浓度的样本。在激光下，10μg mL-1的经5分钟从室温加热了45℃，10μg mL-1只用了2分钟。而这个温度足以使肿瘤细胞脱落。该团队同样也对细胞的摄取量以及体内光热治疗做了试验，证明这是用于光热治疗的理想材料。

文献链接：Selective Photothermal Tumor Therapy Using Nanodiamond-Based Nanoclusters with Folic Acid（Adv. Funct. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adfm.201601207）

10、Chemical Reviews：来源于木质的材料在绿色电子生物装置以及能源方面的应用

图10 木材的组成及应用

近年来，随着气候变暖和能源短缺，环保材料越来越引起人们的关注。木材作为可循环利用的材料，为我们提供氧气、装饰房子、做成艺术品等各种各样的用途。木材具有层次分明的结构，由纤维素、半纤维素和木质素组成。经过放大发现，纤维的细胞壁在相似的角度由成千上万的纤维组成，这些纳米纤维可以通过物理化学以及酶的作用下释放出来，获得的纳米纤维素具有独特的光、物理、化学性能。

近日，来自马里兰大学帕克分校、美国东北大学的Hongli Zhu（通讯作者）和马里兰大学帕克分校的Liangbing Hu（通讯作者）等人对木材在绿色电子、生物装置和能源储存方面的应用进行了综述。在绿色电子方面可以用于制作柔性晶体管、有机发光二极管、高性能喇叭、手写触摸屏；在生物方面可以用于表面增强拉曼光谱、等离子生物传感器、诊断用微流体装置、具有生物活性的纸；在能源方面可以用于生物燃料、高性能太阳能电池等。

文献链接：Wood-Derived Materials for Green Electronics, Biological Devices, and Energy Applications（Chemical Reviews, 2016, DOI: 10.1021/acs.chemrev.6b00225）

11、ACS Nano：肽双亲分子纳米结构的氟磁共振成像信号受其形态强烈影响

图11 磁共振信号打开和关闭时两种不同的形态

磁共振成像是临床和研究中非常有价值的三维成像技术。磁共振探头可以检测指定的生物活动（PH的变化、酶的活动等），现有的磁共振探头收到水中氢信号的影响，技术面临着巨大的挑战。

近日，来自于美国西北大学的Samuel I. Stupp（通讯作者）和Thomas J. Meade（通讯作者）等人发现氟磁共振探头可以在没有背景信号的情况下成像。在PH由4.5升到8时，分子的聚集形态由圆柱形变为类似带状，类似带状的纳米结构减少了磁共振信号，相反圆柱形结构有很强的信号。研究发现这种不同是由于氟化的尾部在抗水的圆柱形纳米结构中机动性高，而在类似带状的聚集中机动性低。以此启发研究者设计用在磁共振成像的超分子自聚集结构，来测绘形态变化和PH变化的关系。通过形态的变化影响被氟化部分的机动性对于设计超分子氟磁共振影像造影剂是一种很好的方法。

文献链接：19F Magnetic Resonance Imaging Signals from Peptide Amphiphile Nanostructures Are Strongly Affected by Their Shape（ACS Nano, 2016, DOI: 10.1021/acsnano.6b00267）

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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