分析今年13篇Nature Materials，生物医学材料究竟研究了啥？
路漫研究院
Nature Materials是由Nature 出版集团（Nature Publishing Group）出版发行的全球著名的期刊，2002年9月创办。期刊以材料的合成/加工，结构/成分，性能/应用及基本理论为目标。影响力非常之大，是材料学领域数一数二的领头期刊，其影响因子达38.663，截至日前，2020年Nature Materials期刊（19期）已刊发Article 91篇，Letter 20篇。
于此，奇物论编辑部回顾了今年Nature Materials上的所有论文，选取了13篇与生物医学材料相关的论文进行分析。（整理时间有限，如有出错，还望指出）
首先，咱们来看看Nature Materials与生物材料相关的重头戏莫过于柔性材料与器件，与之相关的论文有5篇之多。
首先介绍的是，美国西北大学Samuel I. Stupp院士与George C. Schatz院士等人报告了一种含肽两亲性（PA）超分子聚合物的杂化水凝胶的设计，该水凝胶与肽两亲性超分子聚合物光响应网络进行化学键合。嵌入在网络中的非共价骨架使物体的弯曲和展平动作更快，在宏观薄膜的光驱动爬行运动过程中，步伐更长。（点击查看深度解读）
图|四足PA杂化水凝胶爬行物的旋转运动（参考文献1）
接下来的还是与水凝胶相关的，但是该材料取自自然，在工业上更有优势！奥地利约翰开普勒林茨大学的Martin Kaltenbrunner等人开发了一种通用的明胶基生物凝胶用于柔性机器人和电子设备，它具有很高的弹性和突出的弹性特征，且在处理时会完全降解。这种明胶基生物凝胶能自我粘附，能快速愈合，完全来源于天然，说明制造成本较低，可持续，解决一次性电子垃圾问题。极具有产业化前景。（点击查看深度解读）
图|弹性但完全可降解的生物凝胶（参考文献2）
还有一篇关于柔性材料相关的论文是直接利用合成蛋白为基质的自愈材料，其自愈速度达1秒之快。这篇是来自德国马克斯普朗克智能系统研究所Metin Sitti和美国宾夕法尼亚州立大学Melik C. Demirel等人发表在Nature Materials上的论文，他们使用合成材料生物学工具来合理设计合成串联重复序列蛋白，并开发出用于软机器人应用的坚固、快速、自修复的材料，其愈合速度强度比天然蛋白和软蛋白要高出几个数量级，开发出的执行器能够在1秒钟内自我修复极端机械损伤，并且性能优于生物肌肉。（点击查看深度解读）
图|头足类启发的生物合成蛋白质（参考文献3）
剩下两篇论文是与植入器件有关的。具体为：
哥伦比亚大学Dion Khodagholy和Jennifer N. Gelinas等人开发了一种增强模式的内部离子门控有机电化学晶体管（e-IGT），可实现长期稳定运行并缩短离子传输时间。并用这些晶体管来获取广泛的电生理信号，包括在体记录神经动作电位，并创建软的、生物相容的、长期植入的神经处理单元，用于实时检测癫痫放电。E-IGTs为长期植入的生物电子提供了一个安全、可靠和高性能的构建块，其时空分辨率达到了单个神经元的规模。
图|IGTs（参考文献4）
意大利技术研究院Francesca Santoro、荷兰埃因霍芬理工大学Yoeri van de Burgt和美国斯坦福大学Alberto Salleo等人直接将一个有机的神经形态装置与多巴胺能细胞结合，形成一个具有神经递质介导的突触可塑性的生物杂交突触。通过模拟突触间隙的多巴胺循环机制，证明了突触权重的长期调节和恢复，为将人工神经形态系统与生物神经网络相结合铺平了道路。
突触装置（参考文献5）
下面来讲讲咱们奇物论另一个重要的领域——纳米医学（药物递送）。截至日前，今年已有4篇相关论文发表在Nature Materials上，其中两篇为多伦多大学Warren C. W.Chan教授发表的关于纳米材料与肿瘤相互作用的论文，极具参考价值！
纳米材料进入实体肿瘤的机制一直被认为是通过被动的EPR效应的，但是加拿大多伦多大学Warren C. W. Chan（陈志和）等人质疑了该机制，他们发现内皮间隙并不是纳米颗粒进入实体肿瘤的原因。取而代之的是，发现多达97％的纳米颗粒是通过内皮细胞的主动过程进入肿瘤的。（点击查看深度解读）
另外，该研究团队发现纳米材料治疗肿瘤的给药剂量起到很大的作用，这里面有一个剂量阈值，想要实现很好的肿瘤治疗疗效，则必须打破这个剂量阈值。他们通过试验证实了单次注射超过1万亿个纳米颗粒的阈值可以改善肿瘤的递送，而且还表明，对于各种纳米颗粒的大小、组成和肿瘤模型，超过1万亿个纳米颗粒的剂量都会显着增加了肿瘤的递送。（点击查看深度解读）
图|高于阈值的Caelyx治疗功效（参考文献7）
通过了解纳米材料在体内的机制，这在推动纳米医药临床转化方面很有意义。说到临床化，下面的一篇论文介绍的则非常有临床转化的可能，因为该材料制备简单，可大规模生产，而且效果又比目前临床的要好。
即：美国内布拉斯加州大学医学中心Howard E.Gendelman和Benson J. Edagwa等人报道了由14、18和22个碳酯（分别为MCAB、M2CAB和M3CAB）修饰的可变CAB及其各自的纳米制剂（NMCAB、NM2CAB和NM3CAB）的合成和理化性质，其中发现，在一次注射后，18碳酯修饰的纳米制剂NM2CAB可实现缓释药物时间达一年之久，实现对HIV-1病毒的侵蚀有持续的保护作用。这在慢性病（如艾滋病）治疗很有临床意义。（点击查看深度解读）
图 | 合成与红外光谱表征（参考文献8）
剩下的1篇论文是生物材料大牛、哈佛大学David J. Mooney院士课题组创造的一种新的方法，他们使用纳米化的叠氮修饰甘露糖实现在体内进行点击化学反应，进而调节免疫细胞的行为，再而进行体内的抗肿瘤。这种DC标记和靶向调节技术为在体内操纵DC和调节DC-T细胞相互作用提供了前所未有的策略。（点击查看深度解读）
示意图（参考文献9）
下面与生物材料相关的为DNA组装材料，这方面今年也有2篇论文发表。
第一篇介绍的是以3D组装方式根据内部纳米物件来构建不同的结构。南京大学田野教授（第一作者）与哥伦比亚大学Oleg Gang教授（通讯作者）等人开发了一个平台，用于将无机或有机类型非常不同的纳米级材料组件或“纳米物体”组装到所需的3D结构中。他们以多面体DNA折纸框架为构建模块，将待装配的纳米粒子作为客体分子装入DNA折纸框架中，通过对DNA折纸框架的装配来实现对内部所包含纳米粒子的间接组装。该过程具有特定于系统的特性，可根据材料的固有特性生成不同的结构。
基于DNA框架实现纳米材料三维有序排列（参考文献10）
因为DNA的多样性，来自美国普渡大学毛成德教授、美国肯特州立大学茅涵斌教授、加拿大麦吉尔大学Hanadi F. Sleiman等人在DNA双链中间插入一个分子，形成三重态，自缔合成反平行的右手双链体，实现两条聚胸腺嘧啶链缠绕在三聚氰胺的螺旋柱上。胸腺嘧啶-三聚氰胺-胸腺嘧啶三重态的机械强度超过了腺嘌呤-胸腺嘧啶碱基对的机械强度，从而能够灵敏检测3pM的三聚氰胺。
图|T6-MA复合物的晶体学研究（参考文献11）
涉及生物医学的有2篇，均与细胞或组织力学相关。
力学在组织和细胞是个非常重要的物理因素，有时还决定细胞的分化和癌变过程。但是基因驱动ECM硬度进而影响正常细胞癌变之间相关的联系尚未解释清楚，TitoPanciera，Anna Citron及其同事收集了有见地的证据，表明将正常细胞重编程为肿瘤前体需要ECM刚度和癌基因介导的细胞力学特性变化，即发现致癌驱动因素（例如受体酪氨酸激酶（RTK）和Ras）与ECM刚性有关，通过激活YAP/ TAZ转录重新连接细胞内在的机械参数程序，因此赋予具有致癌突变的正常细胞致瘤潜力。
（参考文献12）
在细胞层面上，来自英国帝国理工学院的研究人员揭示了一种机制，即Syndecan-4通过激活kindlin-integrin-RhoA途径来调节细胞力学，该机制涉及两个其他受体的激活：表皮生长因子受体和β1整联蛋白。syndecan-4的这种机械转导途径应该对更广泛的机械生物学领域产生直接的影响。
（参考文献13）
总体来说，今年来Nature Materials上与生物医学材料方向相关论文的占约10%左右，在柔性材料和纳米医学这两个方面研究较为热门，可以达到4-5篇，柔性材料总体来看是关注柔性新材料用于驱动材料的运动，还有针对植入器件是关于神经调节方面的。对于纳米医学方向，主要侧重点在于机理和临床相关性较大方面的研究，此外，构造DNA新材料和组织/细胞力学相关的研究也有一定的倾向性。无论做材料的还是做肿瘤治疗（当然包括材料），今年Nature Materials上相关论文均有很好的借鉴之处，值得学习！
希望在座的各位今年都能见刊Nature Materials！
参考文献：
1.Li,C.,et al. Supramolecular–covalent hybrid polymers for light-activatedmechanicalactuation. Nat. Mater. (2020).
https://doi.org/10.1038/s41563-020-0707-7
2. MelanieBaumgartner, et al. Resilient yet entirely degradable gelatin-based biogels forsoft robots and electronics. Nature Materials, 2020.
https://www.nature.com/articles/s41563-020-0699-3
3.Pena-Francesch,A., et al. Biosynthetic self-healing materials for softmachines. Nat. Mater.(2020).
https://doi.org/10.1038/s41563-020-0736-2
4.Cea, C., et al. Enhancement-mode ion-basedtransistor as a comprehensive interface and real-time processing unit for invivo electrophysiology. Nat. Mater. (2020).
5.Keene, S.T., et al. A biohybridsynapse with neurotransmitter-mediated plasticity. Nat. Mater. (2020).
https://doi.org/10.1038/s41563-020-0703-y
6.Sindhwani, S., et al. The entry of nanoparticles into solid tumours. Nat.Mater. 19, 566–575 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41563-019-0566-2
7.Ouyang, B., et al. The dose threshold for nanoparticle tumour delivery. Nat.Mater. (2020).
https://doi.org/10.1038/s41563-020-0755-z
8.Kulkarni, T.A., et al. A year-long extended release nanoformulated cabotegravirprodrug. Nat. Mater. 19, 910–920 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41563-020-0674-z
9. Wang,H., et al. Metabolic labeling andtargeted modulation of dendritic cells. Nat.Mater. (2020).
https://doi.org/10.1038/s41563-020-0680-1
10.Tian,Y., et al. Ordered three-dimensional nanomaterialsusing DNA-prescribed and valence-controlled material voxels. Nat. Mater. 19,789–796 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41563-019-0550-x
11.Li, Q., et al. A poly(thymine)–melamine duplex for theassembly of DNA nanomaterials. Nat. Mater. (2020).
https://doi.org/10.1038/s41563-020-0728-2
12.Panciera,T., Citron, A., Di Biagio, D. et al. Reprogramming normal cells into tumourprecursors requires ECM stiffness and oncogene-mediated changes of cellmechanical properties. Nat. Mater. 19, 797–806 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41563-020-0615-x
13.Chronopoulos,A., Thorpe, S.D., Cortes, E. et al. Syndecan-4 tunes cell mechanics byactivating the kindlin-integrin-RhoA pathway. Nat. Mater. 19, 669–678 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41563-019-0567-1
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