Nature Materials是由Nature 出版集團（Nature Publishing Group）出版發行的全球著名的期刊，2002年9月創辦。期刊以材料的合成/加工，結構/成分，性能/應用及基本理論為目標。影響力非常之大，是材料學領域數一數二的領頭期刊，其影響因子達38.663，截至日前，2020年Nature Materials期刊（19期）已刊發Article 91篇，Letter 20篇。
于此，奇物論編輯部回顧了今年Nature Materials上的所有論文，選取了13篇與生物醫學材料相關的論文進行分析。（整理時間有限，如有出錯，還望指出）
首先，咱們來看看Nature Materials與生物材料相關的重頭戲莫過于柔性材料與器件，與之相關的論文有5篇之多。
首先介紹的是，美國西北大學Samuel I. Stupp院士與George C. Schatz院士等人報告了一種含肽兩親性（PA）超分子聚合物的雜化水凝膠的設計，該水凝膠與肽兩親性超分子聚合物光響應網絡進行化學鍵合。嵌入在網絡中的非共價骨架使物體的彎曲和展平動作更快，在宏觀薄膜的光驅動爬行運動過程中，步伐更長。（點擊查看深度解讀）
圖|四足PA雜化水凝膠爬行物的旋轉運動（參考文獻1）
接下來的還是與水凝膠相關的，但是該材料取自自然，在工業上更有優勢！奧地利約翰開普勒林茨大學的Martin Kaltenbrunner等人開發了一種通用的明膠基生物凝膠用于柔性機器人和電子設備，它具有很高的彈性和突出的彈性特征，且在處理時會完全降解。這種明膠基生物凝膠能自我粘附，能快速愈合，完全來源于天然，說明制造成本較低，可持續，解決一次性電子垃圾問題。極具有產業化前景。（點擊查看深度解讀）
圖|彈性但完全可降解的生物凝膠（參考文獻2）
還有一篇關于柔性材料相關的論文是直接利用合成蛋白為基質的自愈材料，其自愈速度達1秒之快。這篇是來自德國馬克斯普朗克智能系統研究所Metin Sitti和美國賓夕法尼亞州立大學Melik C. Demirel等人發表在Nature Materials上的論文，他們使用合成材料生物學工具來合理設計合成串聯重復序列蛋白，并開發出用于軟機器人應用的堅固、快速、自修復的材料，其愈合速度強度比天然蛋白和軟蛋白要高出幾個數量級，開發出的執行器能夠在1秒鐘內自我修復極端機械損傷，并且性能優于生物肌肉。（點擊查看深度解讀）
圖|頭足類啟發的生物合成蛋白質（參考文獻3）
剩下兩篇論文是與植入器件有關的。具體為：
哥倫比亞大學Dion Khodagholy和Jennifer N. Gelinas等人開發了一種增強模式的內部離子門控有機電化學晶體管（e-IGT），可實現長期穩定運行并縮短離子傳輸時間。并用這些晶體管來獲取廣泛的電生理信號，包括在體記錄神經動作電位，并創建軟的、生物相容的、長期植入的神經處理單元，用于實時檢測癲癇放電。E-IGTs為長期植入的生物電子提供了一個安全、可靠和高性能的構建塊，其時空分辨率達到了單個神經元的規模。
圖|IGTs（參考文獻4）
意大利技術研究院Francesca Santoro、荷蘭埃因霍芬理工大學Yoeri van de Burgt和美國斯坦福大學Alberto Salleo等人直接將一個有機的神經形態裝置與多巴胺能細胞結合，形成一個具有神經遞質介導的突觸可塑性的生物雜交突觸。通過模擬突觸間隙的多巴胺循環機制，證明了突觸權重的長期調節和恢復，為將人工神經形態系統與生物神經網絡相結合鋪平了道路。
突觸裝置（參考文獻5）
下面來講講咱們奇物論另一個重要的領域——納米醫學（藥物遞送）。截至日前，今年已有4篇相關論文發表在Nature Materials上，其中兩篇為多倫多大學Warren C. W.Chan教授發表的關于納米材料與腫瘤相互作用的論文，極具參考價值！
納米材料進入實體腫瘤的機制一直被認為是通過被動的EPR效應的，但是加拿大多倫多大學Warren C. W. Chan（陳志和）等人質疑了該機制，他們發現內皮間隙并不是納米顆粒進入實體腫瘤的原因。取而代之的是，發現多達97％的納米顆粒是通過內皮細胞的主動過程進入腫瘤的。（點擊查看深度解讀）
另外，該研究團隊發現納米材料治療腫瘤的給藥劑量起到很大的作用，這里面有一個劑量閾值，想要實現很好的腫瘤治療療效，則必須打破這個劑量閾值。他們通過試驗證實了單次注射超過1萬億個納米顆粒的閾值可以改善腫瘤的遞送，而且還表明，對于各種納米顆粒的大小、組成和腫瘤模型，超過1萬億個納米顆粒的劑量都會顯著增加了腫瘤的遞送。（點擊查看深度解讀）
圖|高于閾值的Caelyx治療功效（參考文獻7）
通過了解納米材料在體內的機制，這在推動納米醫藥臨床轉化方面很有意義。說到臨床化，下面的一篇論文介紹的則非常有臨床轉化的可能，因為該材料制備簡單，可大規模生產，而且效果又比目前臨床的要好。
即：美國內布拉斯加州大學醫學中心Howard E.Gendelman和Benson J. Edagwa等人報道了由14、18和22個碳酯（分別為MCAB、M2CAB和M3CAB）修飾的可變CAB及其各自的納米制劑（NMCAB、NM2CAB和NM3CAB）的合成和理化性質，其中發現，在一次注射后，18碳酯修飾的納米制劑NM2CAB可實現緩釋藥物時間達一年之久，實現對HIV-1病毒的侵蝕有持續的保護作用。這在慢性病（如艾滋病）治療很有臨床意義。（點擊查看深度解讀）
圖 | 合成與紅外光譜表征（參考文獻8）
剩下的1篇論文是生物材料大牛、哈佛大學David J. Mooney院士課題組創造的一種新的方法，他們使用納米化的疊氮修飾甘露糖實現在體內進行點擊化學反應，進而調節免疫細胞的行為，再而進行體內的抗腫瘤。這種DC標記和靶向調節技術為在體內操縱DC和調節DC-T細胞相互作用提供了前所未有的策略。（點擊查看深度解讀）
示意圖（參考文獻9）
下面與生物材料相關的為DNA組裝材料，這方面今年也有2篇論文發表。
第一篇介紹的是以3D組裝方式根據內部納米物件來構建不同的結構。南京大學田野教授（第一作者）與哥倫比亞大學Oleg Gang教授（通訊作者）等人開發了一個平臺，用于將無機或有機類型非常不同的納米級材料組件或“納米物體”組裝到所需的3D結構中。他們以多面體DNA折紙框架為構建模塊，將待裝配的納米粒子作為客體分子裝入DNA折紙框架中，通過對DNA折紙框架的裝配來實現對內部所包含納米粒子的間接組裝。該過程具有特定于系統的特性，可根據材料的固有特性生成不同的結構。
基于DNA框架實現納米材料三維有序排列（參考文獻10）
因為DNA的多樣性，來自美國普渡大學毛成德教授、美國肯特州立大學茅涵斌教授、加拿大麥吉爾大學Hanadi F. Sleiman等人在DNA雙鏈中間插入一個分子，形成三重態，自締合成反平行的右手雙鏈體，實現兩條聚胸腺嘧啶鏈纏繞在三聚氰胺的螺旋柱上。胸腺嘧啶-三聚氰胺-胸腺嘧啶三重態的機械強度超過了腺嘌呤-胸腺嘧啶堿基對的機械強度，從而能夠靈敏檢測3pM的三聚氰胺。
圖|T6-MA復合物的晶體學研究（參考文獻11）
涉及生物醫學的有2篇，均與細胞或組織力學相關。
力學在組織和細胞是個非常重要的物理因素，有時還決定細胞的分化和癌變過程。但是基因驅動ECM硬度進而影響正常細胞癌變之間相關的聯系尚未解釋清楚，TitoPanciera，Anna Citron及其同事收集了有見地的證據，表明將正常細胞重編程為腫瘤前體需要ECM剛度和癌基因介導的細胞力學特性變化，即發現致癌驅動因素（例如受體酪氨酸激酶（RTK）和Ras）與ECM剛性有關，通過激活YAP/ TAZ轉錄重新連接細胞內在的機械參數程序，因此賦予具有致癌突變的正常細胞致瘤潛力。
（參考文獻12）
在細胞層面上，來自英國帝國理工學院的研究人員揭示了一種機制，即Syndecan-4通過激活kindlin-integrin-RhoA途徑來調節細胞力學，該機制涉及兩個其他受體的激活：表皮生長因子受體和β1整聯蛋白。syndecan-4的這種機械轉導途徑應該對更廣泛的機械生物學領域產生直接的影響。
（參考文獻13）
總體來說，今年來Nature Materials上與生物醫學材料方向相關論文的占約10%左右，在柔性材料和納米醫學這兩個方面研究較為熱門，可以達到4-5篇，柔性材料總體來看是關注柔性新材料用于驅動材料的運動，還有針對植入器件是關于神經調節方面的。對于納米醫學方向，主要側重點在于機理和臨床相關性較大方面的研究，此外，構造DNA新材料和組織/細胞力學相關的研究也有一定的傾向性。無論做材料的還是做腫瘤治療（當然包括材料），今年Nature Materials上相關論文均有很好的借鑒之處，值得學習！
希望在座的各位今年都能見刊Nature Materials！
參考文獻：
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