南方科技大学蒋兴宇教授课题组2020年代表性成果集锦

小奇

2021-01-21

奇物论联合纳米人编辑部对2020年国内外重要科研团队的代表性成果进行了梳理，今天，我们要介绍的是南方科技大学生物医学工程系讲席教授蒋兴宇教授课题组。

蒋兴宇，南方科技大学讲席教授，担任生物医学工程系系主任、美国医学与生物工程会会士。目前在Science Advances、Angew Chem Int Ed、Adv Mater、Nature Communications、Chem Soc Rev等国际重要学术期刊发表SCI论文310余篇，总引用超过20,000余次，H因子71。申请发明专利180余项，授权发明专利90项，转化14项并获得CFDA批件4项。

目前，蒋兴宇教授课题组的研究领域有：

1）分析化学；

2）微流控；

3）生物医学工程；

4）纳米生物医学

以下按照四个部分对蒋兴宇教授团队2020年期间发表的部分成果进行归纳，供大家学习和交流。

Part 1. 生物电子设备

Part 2. 组织工程

Part 3. 抗菌研究

Part 4. 纳米治疗与检测

一、生物电子设备

1. Matter：新型仿生电子血管

目前还没有一种小直径（<6mm）的组织工程血管（tissue engineered blood vessel, TEBV）能够满足临床需要。为了解决这些问题，下一代TEBV不仅应充当支架以提供机械支持并促进宿主细胞募集，而且还应具有主动响应并与天然重塑过程相结合的能力，以便在植入后提供适应性治疗。

基于先前的工作，南方科技大学蒋兴宇、中国医学科学院北京协和医学院张岩等人开发了一种电子血管，该血管通过将液态金属与聚（L-丙交酯-共-ε-己内酯）（PLC）结合到金属聚合物导体（MPC）中，从而将柔性电极集成到可生物降解的支架中。值得一提的是，目前大多数TEBV在植入后2周就会被阻塞，而该电子血管通畅时间至少为12周，这对于临床应用具有广阔的前景。

在电子血管中选择液态金属镓铟合金（EGAIn）作为导电材料的原因如下：

（1）与金或铂相比，Ga-In液态金属在保持良好电导率的同时具有出色的柔韧性和可拉伸性，这对于人造血管的适应至关重要有节奏的跳动引起的变形；

（2）根据实验结果，它具有极好的细胞相容性和血液相容性；

（3）与其他先进的微细加工技术相比，使用丝网印刷技术更为简单，并且可以以经济高效的方式实现工业规模的批量生产。

Shiyu Cheng, et al., Electronic Blood Vessel. Matter 2020.

https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.08.029

2. ACS Nano：一种柔软、导电的外支架通过电穿孔和机械限制抑制移植静脉内膜增生

静脉移植物（VG）中的内膜增生（Intimal hyperplasia，IH）是冠状动脉搭桥术（CABG）手术中的主要问题。尽管外部支架可以在一定程度上减弱VG的IH，但现有的外部支架均未显示令人满意的临床效果。于此，南方科技大学蒋兴宇联合中国医学科学院阜外医院张岩等人开发了柔性的、可生物降解的、导电的外部金属-聚合物导体支架（MPCS），它可以在血管壁上进行电穿孔，并产生一种防止内膜增生的蛋白质。

本文要点：

1）研究人员设计了编码金属蛋白酶3（TIMP-3）组织抑制剂的质粒DNA，并将其冻干在金属聚合物导体支架的内表面，以递送到外膜和静脉移植物的中间层进行基因治疗。

2）结合其持续的机械支持以防止植入后扩张，金属聚合物导体支架可以显着抑制兔模型中静脉移植物中的内膜增生。这一概念验证证明可能有助于开发其他用于电穿孔基因治疗的可植入生物电子设备。

Li Ding, et al., A Soft, Conductive External Stent Inhibits Intimal Hyperplasia in Vein Grafts by Electroporation and Mechanical Restriction. ACS Nano 2020.

DOI: 10.1021/acsnano.0c04827

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.0c04827

3. Mater. Horiz.:可分泌焊料的聚合物导体

可穿戴电子设备在实现无缝人机界面方面具有巨大潜力，通过使用先进的监测和治疗设备，可显著提高生活质量。尽管可穿戴设备取得了巨大的进步，但由于软导体和刚性电子器件之间缺乏可靠的连接，很少有可穿戴设备能够同时具有高度可集成性和可伸缩性（应变>100%）。于此，蒋兴宇教授等人报告了高度可拉伸的金属吸湿性聚合物导体，可以分泌用于连接的焊料。

在湿度变化的推动下，导体内的液态金属颗粒将合并并喷发，为电子设备提供电气连接，而涂有涂层的粘合剂可以提供机械连接。因此，刚性电子器件可以通过压力稳定地连接在导体上，不需要额外的焊料、溶剂或热量。他们发明了一种可拉伸的、集成的设备，它是双面的、多层的，它可以感知血液中的氧饱和度、心率、应变和温度。

Metal-hygroscopic polymer conductors that can secrete solders for connections in stretchable devices. Mater. Horiz., 2020,7, 1186-1194

https://doi.org/10.1039/C9MH01761E

4. Small：具有高度可拉伸性和生物相容性的液态金属弹性体导体，可用于自愈电子设备

高伸缩性、导电性、生物相容性的导体和连接器是制造柔性器件的关键。然而，在大规模生产中以低成本获得高延展性导电材料仍然是一个难题。生产中的另一个问题是软构件和刚性构件之间的连接。

于此，蒋兴宇教授等人通过将11-巯基十一酸（MUA）修饰的液态金属（LM）纳米粒子与聚苯乙烯-聚丁二烯-聚苯乙烯（SBS）混合，报道了一种新的导电纳米复合材料，其具有生物相容性（体内和体外）、导电性（导电性为12000 S cm-1）和可拉伸性（伸长率为800%）。除了其良好的性能外，还可通过使用商业聚合物产品和简单的物理生产工艺来大规模生产这种材料。通过使用树脂对这种复合材料进行改性，这种新的导电材料可以具有粘性和高导电性，并且可以作为软导体和刚性组件之间的稳定有效连接器。

Mou, L., et al., Highly Stretchable and Biocompatible Liquid Metal‐Elastomer Conductors for Self‐Healing Electronics. Small 2020, 16, 2005336.

https://doi.org/10.1002/smll.202005336

二、组织工程

5. Biomaterials：受生物启发的膜提供了类似骨膜的微环境，可加速血管化的骨再生

骨膜在骨损伤愈合过程中起着重要的血管化、骨化和重塑的作用。然而，目前对具有骨膜模拟效果的人工种植体的构建研究较少。为了模拟天然骨膜或骨内组织在骨再生中的主要作用，华中科技大学张胜民教授和南方科技大学蒋兴宇教授等人提供了一种功能性仿生膜，该仿生膜具有特定部位的生物矿化微模式。

本文要点：

1）微图案化是由羟基磷灰石纳米粒子（HANPs）结合生物矿化磷灰石的选择性生长和生长因子（GFs）的原位共沉淀生成的。仿生膜可持续提供骨膜模拟微环境，如长期定位引导细胞募集和通过释放磷酸钙和生长因子诱导细胞分化。

2）研究人员证明大鼠间充质干细胞（rMSCs）在这种仿生膜上表现出高度的定向组织，从而促进血管生成和成骨。在大鼠颅骨缺损模型中，具有生物矿化模式的仿生膜能显著促进血管化骨化，促进新骨形成。目前的研究表明，具有特定生物矿化微模式的功能仿生膜可以作为自体骨膜移植的一种很有前途的替代品，在整形外科的临床转化潜力很

Gaojie Yang, et al., Bioinspired membrane provides periosteum-mimetic microenvironment for accelerating vascularized bone regeneration. Biomaterials 2020.

https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2020.120561

6. AFM：快速制备自愈性、导电性和可注射性凝胶作为敷料，用于身体可伸展部位的伤口愈合

身体可伸展部位的皮肤伤口，包括肘部、膝盖、手腕和颈背，由于频繁运动的干扰，通常会延迟愈合，且愈合不良。由于敷料的力学性能与伤口不匹配，普通敷料不够灵活，难以促进伤口愈合。有鉴于此，南方科技大学的Xingyu Jiang、华中科技大学的Guang Yang和中国科学院纳米生物效应与安全性重点实验室的Wenfu Zheng等研究人员，开发出一种可注射的、生物相容的、可自我修复的导电材料聚（3,4-亚乙基二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸盐）/瓜尔粘液（PPGS），用于各种运动的伤口愈合。

本文要点

1）作为一种原理验证性试验，研究人员在经常频繁运动的大鼠背部皮肤创伤模型上探讨了PPGS的愈合作用。

2）PPGS，可以在1分钟内准备，成功地加速伤口愈合。

结果表明，PPGS在组织工程和生物医学领域具有巨大的应用潜力。

Sixiang Li, et al. Rapid Fabrication of Self‐Healing, Conductive, and Injectable Gel as Dressings for Healing Wounds in Stretchable Parts of the Body. Advanced Functional Materials, 2020.

DOI：10.1002/adfm.202002370

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202002370

三、抗菌研究

7. Angew：通过减小尺寸来激活金纳米颗粒的抗菌作用

充分修饰的金纳米颗粒（GNPs）对多药耐药（MDR）细菌具有良好的抗菌活性。具有革兰氏选择性抗菌作用的纳米颗粒有利于精确治疗。于此，蒋兴宇、郑文富等人提出了一种通过调整小分子（4,6-二氨基-2-嘧啶硫醇，DAPT）修饰的GNPs（DAPT-GNPs，DGNPs）的大小来调节其抗菌谱的策略。

与与不具有抗菌作用或仅靶向革兰氏阴性（G-）细菌的大（直径约14 nm）DGNP（lDGNPs）和中等（直径3-4 nm）DGNP（mDGNPs）相比，超小DGNP（uDGNPs，<2 nm）具有广泛的抗菌谱，尤其是对革兰氏阳性（G⁺）细菌的抗菌效果提高了60倍以上。此外，uDGNPs-功能化支架（琼脂糖凝胶）可作为治疗烧伤感染的通用伤口敷料。该策略对于探索纳米材料的特性及其应用具有洞察力。

Y. Xie, et al., Activating the Antibacterial Effect of 4,6‐Diamino‐2‐pyrimidinethiol‐Modified Gold Nanoparticles by Reducing their Sizes. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 23471.

https://doi.org/10.1002/anie.202008584

8. Biomaterials：超分子组装体模拟中性粒细胞胞外杀菌网络用于治疗MRSE感染

中性粒细胞胞外杀菌网络（NETs）在体内能粘附细菌并防止感染，其活性在炎症刺激下随着活性氧(ROS)的突然增加而激活。然而，NETs过度激活可能会导致有害的后果。利用NETs进行治疗的一大挑战是合成一种能够在体内发挥NETs功能的人工系统。在此，国家纳米科学中心高远、蒋兴宇等人开发了一种体内超分子组装系统来模拟NETs的天然免疫过程，以抑制耐甲氧西林表皮葡萄球菌(MRSE)的感染。

本文要点：

1）合成的小分子在炎症部位经过氧化形成超分子纳米纤维。

2）原位形成的纳米纤维网络有效地捕获MRSE细胞，防止它们侵袭性扩散。纳米纤维与细菌的长时间相互作用通过转录本的改变直接导致MRSE的死亡。

3）在临床相关模型(腹腔感染和导管植入)中，该超分子网络显示出显著的抗菌活性，与万古霉素相比，其疗效是万古霉素的三倍。ROS的自发消耗和抗菌网络的形成创造了一个稳定的负反馈系统来对抗细菌感染。

Zhentao Huang, et al. Supramolecular assemblies mimicking neutrophil extracellular traps for MRSE infection control, Biomaterials, 2020.

https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2020.120124

9. Nano Lett.: 表面涂层的密度可有助于金纳米颗粒的不同抗菌活性

随着抗生素的广泛使用，由未知病原体引起的复杂感染病例的数量正在增加，并且具有可调谐的抗菌谱和低毒性的新型抗生素是非常需要的。在此，南方科技大学蒋兴宇、哈尔滨工业大学刘绍琴、国家纳米科学中心郑文富等人报道了通过选择硫醇或胺这两种与金有不同结合亲和力的基团作为锚定基团，可以在密度不同的金纳米颗粒（AuNPs）上修饰苯基硼酸，这有助于其对革兰氏选择性的抗菌活性。

本文要点：

1）胺类或巯基苯硼酸修饰的AuNPs分别与脂多糖（LPS，革兰氏阴性）或脂磷壁酸（LTA，革兰氏阳性）特异性结合。

2）通过用不同比例的巯基和胺连接的苯硼酸修饰AuNPs，得到的AuNPs具有很强的可调抗菌活性。基于AuNP的选择性革兰氏抗菌剂在个性化治疗中具有广阔的应用前景。

Le Wang, et al., The Density of Surface Coating Can Contribute to Different Antibacterial Activities of Gold Nanoparticles. Nano Letters 2020.

DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c01196

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c01196

10. Small：无抗菌剂的MOF也具有增强的抗菌活性

这项研究仅使用金属有机框架（MOF），而未添加任何抗菌成分作为用于多药耐药（MDR）细菌感染的慢性伤口的光动力疗法（PDT）的非抗生素药物。MOF（PCN-224）的纳米颗粒（NP）通过简便的阳离子交换策略与钛结合。

所获得的双金属PCN-224（Zr / Ti）在可见光下显示出大大增强的光催化性能，用于产生活性氧，这是有效的抗菌活性的原因。将PCN-224（Zr / Ti）NP负载到乳酸-乙醇酸纳米纤维上以制备伤口敷料，该敷料具有很高的生物相容性和最小的细胞毒性。伤口敷料可有效地对受MDR细菌感染的慢性伤口进行基于PDT的体内愈合。最重要的是，这项工作不涉及任何其他抗菌剂，它们简便易行，成本低廉，尤其是极大地探索了MOF作为PDT中强大的非抗生素剂的潜力。

Chen, M., et al.,, Titanium Incorporation into Zr‐Porphyrinic Metal–Organic Frameworks with Enhanced Antibacterial Activity against Multidrug‐Resistant Pathogens. Small 2020, 16, 1906240.

https://doi.org/10.1002/smll.201906240

四、纳米治疗与检测

11. Angew：微流体组装的AIE量子点可靶向肿瘤并减少其在肝脏中的富集

国家纳米科学中心蒋兴宇教授通过一个强大的平台来将四种不同的AIE 分子(AIEgens)组装成尺寸小于10nm的有机AIE粒子（AIE量子点(QDs)）。

本文要点：

（1）与尺寸大于25 nm的AIE点相比，该AIE QDs具有更好的细胞摄取效率和成像效果，并且不需要在其表面修饰任何穿膜多肽或其他靶向分子。

（2）研究表明，该AIE QDs中含有的NIR-II AIEgens使其不会被来自生物体的背景荧光干扰，实验也证明了AIE QDs可以对小到80mm³的肿瘤实现高对比度的成像，并且其与AIE点相比也能更有效地降低肝脏受摄取，由此证明其在对实体瘤进行敏感和精确诊断方面具有良好的应用前景。

Xuanyu Li. et al. Sub-10 nm Aggregation-Induced Emission Quantum Dots Assembled by Microfluidics for Enhanced Tumor-Targeting and Reduced Retention in the Liver. Angewandte Chemie International Edition. 2020

DOI: 10.1002/anie.202008564

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202008564

12. Adv. Drug. Deli. Rev：用于CRISPR-Cas9基因组编辑的多层纳米颗粒

南方科技大学蒋兴宇教授总结综述了当前基于CRISPR-Cas9的临床实验，并对CRISPRCas9系统的发展和它们的治疗应用进行了介绍。

本文要点：

（1）成簇的规律间隔的短回文重复序列(CRISPR)在生物医学研究和疾病治疗等领域具有巨大的应用价值潜力。而基因编辑的特异性和有效性在很大程度上取决于对CRISPR载荷的高效递送。然而，优化CRISPR递送载体在当前仍然是一个不小的难题。目前，已有很多种非病毒载体被用来作为递送CRISPR的工具，其中有很多载体都具有多层结构。

（2）作者在文章重点介绍了多层纳米颗粒(NPs)以及这些纳米颗粒在体内外递送各种CRISPR的应用；同时作者也讨论了如何将CRISPR工具转化为制药产品，并就效率和生物安全问题提出了相应的解决方案。

Hao Tang. et al. Synthetic multi-layer nanoparticles for CRISPR-Cas9 genome editing. Advanced Drug Delivery Reviews. 2020

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169409X20300132

13. ACS Nano：明亮的聚集诱导发光纳米粒子的双光子成像和癌症的局部复合疗法

光动力疗法（PDT）是一种用于癌症治疗的非侵入性治疗策略，但总是遭受传统有机染料的低活性氧（ROS）产率的困扰。

鉴于此，香港科技大学唐本忠院士、南方科技大学蒋兴宇和国家纳米科学中心郑文富等人介绍了一种脂质包裹的聚集诱导发光纳米粒子（AIE NPs），在近红外光（800 nm）照射下具有高量子产率（23%）和最大双光子吸收（TPA）截面为560 GM。

本文要点：

1）在小鼠黑色素瘤模型上，AIE-NPs可作为肿瘤组织时空成像的显像剂，其穿透深度可达505μm。NIR-1（800 nm）两光子荧光成像表明，AIE NPs积累在小鼠黑色素瘤模型的肿瘤组织中，尤其是肿瘤血管中。

2）重要的是，AIE-NPs可以在800nm的光动力学肿瘤消融照射下同时产生单线态氧（1O2）和剧毒羟基自由基（•OH）。另外，经过影像学和治疗后，AIE-NPs可以有效地从小鼠体内清除。

综上所述，本研究为开发高亮度、高光稳定性和高生物安全性的肿瘤图像引导PDT治疗剂提供了一种策略。

Ying Li, et al., Bright Aggregation-Induced Emission Nanoparticles for Two-Photon Imaging and Localized Compound Therapy of Cancers. ACS Nano 2020.

DOI: 10.1021/acsnano.0c05610

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.0c05610

14. ACS Nano：四合一：先进铜纳米复合材料用于多分析物测定

由于非贵金属纳米材料稳定性差、功能性差、表面等离子体共振特性差，因此将其用于纳米探针或功能模块仍然是一个巨大的挑战。于此，蒋兴宇教授等人将铜离子，巯基琥珀酸和纳米晶纤维素结合起来，可以轻松地一步合成和自组装超小铜纳米颗粒，从而生产出超胶体颗粒（NCC @ MSA-Cu SPs）。

Cu SPs具有先进的多功能性，可用于四种金属离子（Hg2 +，Pb2 +，Ag +和Zr4 +）的快速即时检测（POCT）。这些选择性识别整合了四种不同的化学反应机制（离子蚀刻，核-壳沉积，模板化合成和沉淀），以产生四种不同的读出信号。多信号模式引导的多分析物传感策略可以有效避免影响基于单信号模式的传感的干扰。

Zhang JJ, et al., Four-in-One: Advanced Copper Nanocomposites for Multianalyte Assays and Multicoding Logic Gates, ACS Nano, 14, 7, 9107–9116. (2020)

https://doi.org/10.1021/acsnano.0c04357

15. Anal. Chem：荧光微球介导的循环肿瘤细胞检测

南方科技大学蒋兴宇教授和杜昶教授、国家纳米科学中心张伟研究员设计了一种基于荧光微球的分离和分析方法，它可以从转移性癌症患者的全血中分离出循环肿瘤细胞(CTCs)，进而在不进行免疫染色的情况下在原位识别分离出的CTCs。

本文要点：

（1）实验构建了由抗体功能化的荧光聚苯乙烯(PS)微球，它可以选择性地结合到CTCs上以形成复合物，从而可以对CTCs进行同时的尺寸放大和标记。

（2）实验采用微加工技术制备了金字塔形的微腔阵列(PMCA)，该 PMCA过滤装置能有效分离出被微球标记的CTCs，同时使血液细胞发生变形并通过。利用这种方法，实验在18例转移性结直肠癌患者中分离并鉴定出了15例CTCs，由此表明这种方法能够为CTCs的分离和鉴定提供一个新的高效平台。

Jiaxiang Yin. et al. Detection of Circulating Tumor Cells by Fluorescence MicrospheresMediated Amplification. Analytical Chemistry. 2020

DOI: 10.1021/acs.analchem.9b05844

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.analchem.9b05844

此外，蒋兴宇教授团队2020年还发表了其他相关的高水平研究论文，由于篇幅关系就不在此一一展示，感兴趣的读者可前往该课题组网站进行学习。课题组网站：https://faculty.sustech.edu.cn/jiang/

个人简介：

蒋兴宇，南方科技大学讲席教授，1999年获得美国芝加哥大学化学学士，2004年于美国哈佛大学化学系取得博士学位，师从美国两院院士George Whitesides教授。2005年-2018年任国家纳米科学中心研究员、博士生导师。2018年加入南方科技大学，担任生物医学工程系讲席教授、系主任。先后获得国家重点研发项目首席科学家、英国皇家化学会会士、中青年科技创新领军人才、国务院特殊津贴专家等荣誉称号、腾讯首届“科学探索奖”获得者、美国医学与生物工程会会士。

蒋兴宇教授在国际重要学术期刊发表SCI论文310余篇，总引用超过20,000余次，H因子71。申请发明专利180余项，授权发明专利90项，转化14项并获得CFDA批件4项。现任Nanoscale Horizons, Nanoscale, Nanoscale Advances顾问委员会成员, Advanced Healthcare Materials, Analytical Chemistry等期刊编委。