顶刊动态 | Science/AM等期刊生物材料最新科研成果精选【第20期】

本期精选预览：Adv. Mater. 矿化胶原蛋白的分层交错结构可作为植骨支架；Adv. Mater. 水分散性荧光硅纳米颗粒及其光学应用；Science 介观尺度“组装与矿化”合成人工珍珠层；Adv. Funct. Mater. 线粒体靶向AIE荧光团用于活体细胞行为的实时成像；Nano Lett. 磁性药物靶向：临床前动物体内试验、数学建模及外推至人类；Angew. Chem. Int. Ed. 仿病毒聚合物用于体内外基因递送；Adv. Funct.Mater. ZnO/SiO2@无定形磷酸钙（ACP）不可思议的生物医药应用。

1、Adv. Mater. 矿化胶原蛋白的分层交错结构可作为植骨支架

图1 矿化胶原蛋白的纳米物理和机械性能

骨植入品可以帮助新骨的愈合以及作为替代材料植入骨缺陷处。目前市面上的自体移植物由于供体部位的病态，异基因移植物由于免疫排斥、病毒的传输以及合成移植物由于生物活性的不足不能很好地满足临床的需求。理想的骨移植物需要依靠它们优异的物理化学性能，这也是研究者们一直努力突破的地方。

近日，来自北京大学口腔医学院的周彦恒教授（通讯作者）和中科院化学所的王铁教授（通讯作者）将矿化胶原蛋白用作骨移植支架。原生骨主要是依靠非胶原蛋白（NCPs）——含大量的带有钙离子的酸性氨基酸的作用，而矿化胶原蛋白具有分层交错的结构扮演了相同的角色。经过研究测试，这种支架具有很好的支撑力以及生物相容性。

文献链接：Hierarchically Staggered Nanostructure of Mineralized Collagen as a Bone-Grafting Scaffold（Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201602628）

2、Adv. Mater. 水分散性荧光硅纳米颗粒及其光学应用

图2 SiNPs的仿生制备

荧光硅纳米颗粒（SiNPs）因为其较强的荧光性、高度的光稳定性、丰富的资源储备、成熟的工业化程度以及良好的生物相容性而受到高度的关注。大量的研究已经致力于发展SiNPs的制备技术，然而还需要更加深入的表面改性方法来提高它的稳定性和溶解能力。近年来，多种用于制备高度荧光、稳定SiNPs的水相合成策略被发展起来，这些方法提高材料的光学应用能力。

苏州大学的何耀教授（通讯作者）发表文章回顾了近期在SiNPs制备上取得的进展，并且重点讨论了水分散SiNPs在水相中的合成。此外，文章还总结了SiNPs在生物成像和传感领域的代表性应用。最后，作者对基于荧光硅纳米颗粒光学应用所面临的机遇与挑战做了一番探讨。

文献链接：Multifunctional Magnetoliposomes for Sequential Controlled Release（Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201601173）

3、Science 介观尺度“组装与矿化”合成人工珍珠层

图3 通过模拟生物矿化过程合成人工珍珠层的步骤

生物硬质结构材料通常由脆性的无机矿物和柔性的天然高分子组成，然而其力学性能却远远高于其单个组分材料以及由类似组分构成的人工复合材料。其奥秘在于这些天然生物结构材料拥有从微观到宏观多尺度的优化的有序分级结构。比如软体动物珍珠层中高度有序的“砖-泥”结构赋予了其绚丽的色彩和优异的力学性能，从而使其受到材料学家的广泛关注。作为一种研究广泛的多级结构材料，天然珍珠层已经被人工模仿了数十年。由于现有人工方法很难像生物体一样获得高度有序的多级结构，同时还要受限于很低的效率，所以迄今为止，构筑宏观尺度的仿珍珠层人工材料仍然面临很多挑战。

近日，中国科学技术大学俞书宏（通讯作者）课题组首次提出一种全新的介观尺度“组装与矿化”相结合的方案，解决了多年来难以通过模拟生物体内天然材料生长过程的方法制备人工珍珠层结构材料的问题。研究人员通过高度模拟软体动物珍珠层的生长方式和控制过程，成功合成了宏观尺度仿珍珠层块体材料。不同于以前报道的仿珍珠层材料或仿生矿化方法得到的微观晶体，这是首次通过完整模拟天然珍珠层形成过程而获得的人工仿生结构材料，这种材料具有与天然珍珠层高度相似的化学组成和跨尺度的有序结构。

文献链接：Synthetic nacre by predesigned matrix-directed mineralization （Science, 2016, DOI: 10.1126/science.aaf8991）

4、Adv. Funct. Mater. 线粒体靶向AIE荧光团用于活体细胞行为的实时成像

图4 用TPE-PyN3染色后的活体斑马鱼胚胎图像

多细胞生物由无数个细胞群组织在一起来完成复杂的生命过程。通过合作和分化，各种细胞结合起来，形成一个协调的系统。实现对活体多细胞生物中细胞群的行为的实时成像对生命科学具有重要意义，但是由于缺乏理想的探针目前仍具有挑战性。

香港科技大学的唐本忠院士（通讯作者）和南方医科大学的郑磊（通讯作者）等人开发了一种生物相容性的黄色荧光团——叠氮官能化的乙烯吡啶（TPE-PyN3），它可用于生命系统的无创成像和传感。该TPE-PyN3表现出独特的聚集诱导发光（AIE）特性和对线粒体的高亲合力，这使其在体内或者体外都可实现具有极佳光稳定性的特定线粒体成像和长期的细胞观察。TPE-PyN3对膜的高穿透性使得活体斑马鱼胚胎中的所有细胞都能进行三维形态观察和重现。此外，由于对线粒体膜电位变化的敏感性，TPE-PyN3能够指示细胞凋亡。这是首例可在生命系统中对细胞行为进行无创成像和传感的小分子AIE探针，有望应用于发育生物学、肿瘤学、毒理学和药物发现等领域。

文献链接：Real-Time Imaging of Cell Behaviors in Living Organisms by a Mitochondria-Targeting AIE Fluorogen （Adv. Funct. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adfm.201602865）

5、Nano Lett. 磁性药物靶向：临床前动物体内试验、数学建模及外推至人类

图5 荷瘤小鼠的磁性肿瘤靶向试验示意图

超顺磁性氧化铁纳米颗粒（SPIONs）在磁性靶向药物方面受到广泛关注。它们的超顺磁状态确保了其在无外加磁场的情况下通常不会表现出磁性，从而规避了纳米颗粒在血液或组织中失控聚集的风险。SPIONs在血液中的定向运输依赖于施加在它上面的磁力和流体力之间的动态平衡。因此，研究SPIONs的物理性质、流体动力学参数等可能会影响磁性靶向疗效的关键因素具有十分重要的意义。

英国伦敦国王学院的Khuloud T. Al-Jamal（通讯作者）和伦敦大学学院的Quentin A. Pankhurst（通讯作者）等人采用SPION加载量可调、具有较长血液循环时间的油芯聚合物磁性纳米胶囊，来研究SPION的加载量和外加磁场强度对CT26荷瘤小鼠的肿瘤细胞磁性靶向疗效的影响。研究证明，在控制条件下，体内的磁性靶向与SPION加载量和磁场强度成正比。然而当SPION加载量达到最大时，血液循环时间减少，磁性靶向达到稳定。研究人员还采用数学建模来计算作用在小鼠体内的纳米胶囊上的磁力、粘弹力、对流力和扩散力，并以此来推测人体内的预期行为。该研究缩短了磁性药物靶向治疗领域中的临床前试验与临床转化之间的差距。

文献链接：Magnetic Drug Targeting: Preclinical in Vivo Studies, Mathematical Modeling, and Extrapolation to Humans （Nano Lett., 2016, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b02261）

6、Angew. Chem. Int. Ed. 仿病毒聚合物用于体内外基因递送

图6 (A)VIPER化学结构.(B)VIPER内涵体逃逸示意图

基因药物难以进行临床转化的原因之一在于基因药物难以递送到靶组织靶细胞。很多研究证明聚合物载体基因递送中的限速步骤在于内涵体逃逸。

最近，华盛顿大学Suzie H. Pun（通讯作者）等在Angewandte上发表了一种仿病毒的聚合物材料VIPER（如图1A所示），通过RAFT反应制备p(OEGMA-DMAEMA)材料，其中DMAEMA被广泛用作基因递送的阳性聚合物材料，OEGMA聚合物用于增强制剂稳定性；VIPER中还含有一段pH敏感材料p(DIPAMA-PDSEMA)，其中p(DIPAMA)聚合物在pH 6.3条件下可从疏水材料变为亲水材料，PDSEMA聚合物材料含有巯基可用于含巯基多肽的进一步修饰，连接蜂毒肽。在生理pH条件下,VIPER材料可自发形成胶束，并将蜂毒肽包裹在疏水内核中；经过内吞作用，内涵体的酸性环境会触发VIPER材料中pDIPAMA嵌段，暴露蜂毒肽，蜂毒肽可进一步破坏内涵体膜，实现基因递送系统的内涵体逃逸（如图6B所示）。

文献链接：Virus-Inspired Polymer for Efficient In Vitro and In Vivo Gene Delivery （Angew. Chem. Int. Ed., 2016, DOI: 10.1002/anie.201605958)

7、JACS 用于循环肿瘤DNA分析的DNA探针

图7 (A)ctDNA探针检测机制示意图.(B)芯片检测机制示意图. (C)传感器芯片排列示意图. (D)纳米结构微电极传感器SEM图

相较于传统病理组织切片检查，通过液体活检检测循环核酸对于肿瘤有效诊断、预后分析及病人术后跟踪具有极为重要的意义。然而，由于变性循环肿瘤DNA （ctDNA）可不通过与探针杂交而自退火，病变ctDNA含量极低，且病人样本中含有大量正常DNA，使得检测循环肿瘤DNA难度极大。

最近，多伦多大学Shana O.Kelley（通讯作者）等设计了一种新型的利用电化学方法检测病人组织中肿瘤病变ctDNA的探针（DCPs）。如图1所示，该探针含有两条ssDNAs，使得样本dsDNAs有效游离出ssDNAs，通过设计一种PNA夹子与正常ssDNAs结合，降低背景信号，促使肿瘤病变ctDNA与纳米微电极表面的PNA探针结合，进一步通过电化学信号改变，可以成功检测出肺癌和黑色素瘤病人样本中的ctDNA。该ctDNA检测探针具有极强的灵敏度和特异性，对基因疾病检测具有重要意义。

文献链接：DNA Clutch Probes for Circulating Tumor DNA Analysis （JACS, 2016, DOI: 10.1021/jacs.6b05679）

8、Adv. Funct.Mater. ZnO/SiO2@无定形磷酸钙（ACP）不可思议的生物医药应用

图8 ZnO/SiO2@ACP纳米火龙果的设计以及控制荧光团释放的方法

许多研究表明，功能材料特别是软材料的显微运动状态的显现不仅局限于原子和纳米尺度范围，还有在中尺度范围。因此，在中尺度范围形态结构的控制会使得材料具有指定的功能。经过长时间的演变，研究者从蜘蛛丝纤维、蝴蝶羽翼、贝壳等中得到启发研发出了很多特殊功能的材料。

近日，来自新加坡国立大学的Xiang-Yang Liu教授（通讯作者）和厦门大学的林忠宁教授从火龙果的结构中获得启发，将许多微小的量子原子团ZnO种子嵌入SiO2肉体然后用ACP壳围起来得到ZnO/SiO2@ACP。这种特殊的设计使得材料在细胞运输细胞靶向以及亚细胞成像方面的到很好的应用，在治疗和诊断中有着光明的发展前景。

文献链接：Elevating Biomedical Performance of ZnO/SiO2@Amorphous Calcium Phosphate - Bioinspiration Making Possible the Impossible（Adv. Funct. Mater.,2016, DOI: 10.1002/adfm.201601481）

本文由材料人生物材料学习小组陈世雄、鲁健、李伦、陈昭铭供稿，材料牛编辑整理。

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