梳理：生物材料优秀成果

2022-01-17 15:03:18 作者：材料人来源：材料人分享至：

1、仿生层状壳聚糖支架

黏龈手术已成为牙科临床实践中软牙龈组织修复的常见手术，主要依赖于自体移植或商业胶原膜（CM）。然而，自体移植物在来源可用性和长期术后疼痛管理方面面临巨大挑战，而CM在水性环境中受到其较差的机械性能的限制。俞书宏课题组通过双向冷冻方法制造的具有长程有序多孔结构的仿生层状壳聚糖支架（LCS）作为一种有前途的牙龈组织工程材料。LCS不仅在水合状态下表现出优异的机械性能，而且在体内加速血管形成和软组织再生。最有趣的是，发现LCS能够诱导巨噬细胞分化为M2巨噬细胞，这被认为在组织再生中起重要作用。这些优势与其简单且低成本的制备过程相结合，使LCS成为牙科临床应用的有希望的候选者。相关研究以“Biomimetic Lamellar Chitosan Scaffold for Soft Gingival Tissue Regeneration”为题目，发表在AFM上。

2、细菌纤维素基吸管

俞书宏课题组报道了一种由细菌纤维素（BC）通过生物合成制成的新型可食用无微塑料吸管。通过藻酸盐涂层，这种基于BC的吸管实现了比纸吸管更好的机械性能，并且避免了额外的粘合剂。由于3D纳米纤维网络和强大的层间连接，这种基于BC的秸秆的综合性能超过了市售同类产品，满足了实际使用的要求。特别值得注意的是，可食用特性为吸管提供了更好的用户体验和新的报废选择，使基于BC的吸管成为塑料吸管的更健康、更环保的替代品。相关研究以“Edible, Ultrastrong, and Microplastic-Free Bacterial Cellulose-Based Straws by Biosynthesis”为题目，发表在AFM上。

3、快速自愈的活体材料

国科学院深圳先进技术研究院合成所、深圳合成院戴卓君课题组与集成所刘志远课题组合作使用一种全新策略来设计具有多功能功能的自愈生物材料。显示外膜锚定纳米体抗原对的细菌分别培养，当混合时，可以相互粘附使加工成功能材料，因此称之为细菌粘附活性材料（LAMBA）。LAMBA是可编程的，可以与多达545个氨基酸的细胞外部功能化。值得注意的是，LAMBA中纳米体-抗原对之间的粘附导致在拉伸或弯曲下快速恢复。为此制造了可检测生物电或生物力学信号的可穿戴LAMBA传感器。研究团队希望通过该研究建立一种活体材料组装的新方法，在活体生物可编程的基础上，通过引入高分子物理及化学合成中的理论赋予微生物新的特性，使组装的材料具有快速自愈合的特性，并初步尝试了IT与BT的融合，他们也在推进其他相关的各项有趣研究，期待并相信合成生物可以带来无限可能。研究成果以题为Programmable living assembly of materials by bacterial adhesion发表在Nature Chemical Biology上。

4、角膜修复热敏水凝胶

浙江大学眼科医院姚克教授、浙江大学转化医学院周民研究员等团队开发了一种新的方法，基于诱导多能干细胞衍生间充质干细胞（iPSC-MSCs）的外泌体，结合热敏水凝胶，用于治疗角膜创伤。研究发现，热敏壳聚糖水凝胶（CHI水凝胶）缓释iPSC-MSC外泌体可以有效地促进受损的角膜上皮和基质层修复，下调胶原蛋白在角膜基质的表达，减少疤痕的形成。该研究为目前临床角膜疾病提供新的治疗方式，具有极大的临床应用及转化可能。研究成果以“Exosomes-loaded thermosensitive hydrogels for corneal epithelium and stroma regeneration”为题发表于Biomaterials。

5、高性能可持续性含硫高分子材料

据中科院官网报道，中国科学院上海有机化学研究所金属有机化学国家重点实验室研究员洪缪研究团队在基于非张力五元环硫羰代内酯制备可持续性高分子材料的研究中取得新进展。该工作以五元环内酯为原料，尽管这是一类价廉量大的可再生化合物，然而“非张力”环结构导致了它们的环张力小、开环聚合缺乏驱动力，过去常被称为“不能聚合”的单体。科研人员通过单体设计，一步硫化反应将硫原子引入五元环内酯中，以接近定量的收率合成新型五元环硫羰代内酯单体，并利用其开环过程选择性的发生alkyl-oxygen键断裂和S/O异构化的协同反应，而不是常见的acyl-oxygen键断裂，构建了一种不可逆开环聚合（IROP）的新策略。与传统的开环聚合（ROP）的本质差别在于，该策略以异构化反应为热力学驱动力，而不是环张力，从而促使这类非张力环单体在室温甚至是高温下发生聚合，为工业化合成基于五元环内酯的可持续性高分子提供了可能。研究发现，磷腈强碱tBu-P4/Ph2CHOH催化体系能有效抑制二聚和回咬副反应，可高活性地催化γ-硫羰代丁内酯及其甲基衍生物在工业温度下（80–100 °C）的IROP，即使是在单体大比例过量的条件下（1600当量），4-6小时内可完成单体的定量转化，得到数均分子量高达251.0 kg/mol的聚硫酯。理论计算研究表明，催化体系中的Ph2CHOH组分在聚合过程中起着独特的质子转移引发和抑制回咬副反应的双重作用，保证了聚合的可控性；此外，alkyl-oxygen键断裂和S/O异构化的协同反应会生成热力学稳定的产物，为聚合反应提供热力学驱动力。物理性能测试表明，该工作合成的聚（γ-硫代丁内酯）是具有高熔融温度（~100 °C）的结晶性塑料，断裂伸长率和拉伸强度分别为412.5%和30 MPa，其热性能与机械性能可与商业化的低密度聚乙烯相媲美，并能在外界刺激触发下发生高效可控的降解，是一类新型的高性能可持续性含硫高分子材料。该工作发展了一种不可逆开环聚合的新策略，以S/O异构化反应为开环聚合的热力学驱动力，而非传统的环张力，打破了非张力环单体无法常温/高温聚合的局限，为“挑战性”五元环内酯转化成性能各异的可持续性高分子材料提供了新途径。相关研究成果以Towards High-performance Sustainable Polymers via Isomerization-driven Irreversible Ring-opening Polymerization of Five-membered Thionolactones为题，发表在Nature Chemistry上。

6、植物纤维素纳米纤维衍生结构材料

今天，一个没有塑料的世界似乎是不可想象的，但塑料确实有其阴暗面。大多数广泛使用的石化塑料都是不可生物降解的，因此它们最终可能会进入土壤、河流和海洋。因此，基于石化的塑料将对环境造成几乎永久性的破坏，并可能威胁人类健康。为了解决这一复杂的环境问题，从可再生资源中开发可持续聚合物是一种可能的选择。但它们的机械和热性能无法与现有的石化塑料，尤其是用作结构材料的塑料相媲美。中科大俞书宏院士团队研发了一种可生物降解的植物纤维素纳米纤维（CNF）衍生的聚合物结构材料，其纳米纤维之间具有高密度可逆相互作用网络，其机械和热性能优于现有的石化塑料。与现有的石化塑料相比，这种全绿色材料的弯曲强度（~300 MPa）和模量（~16 GPa）显着提高。其平均热膨胀系数仅为7×10 –6 K–1，比石化塑料低10倍以上，说明其尺寸在加热时几乎不变，因此具有优于塑料的热尺寸稳定性。作为一种完全生物衍生和可降解的材料，全绿色材料为石化塑料提供了一种更可持续的高性能替代品。研究成果以“Plant Cellulose Nanofiber-Derived Structural Material with High-Density Reversible Interaction Networks for Plastic Substitute”为题发表于Nano Letters。

7、智能响应有机分子笼膜

利物浦大学Andy Cooper教授团队联合伦敦玛丽皇后大学/帝国理工学院的Andrew Livingston教授团队报道了一种可以快速改变自身孔径大小的智能响应有机分子笼膜。它不仅具有高通量，在不同的溶液中也展示出了不同的分离性能，从而实现了单一膜的多级分离。界面合成的方法被第一次应用在分子笼膜的制备上，通过对结晶过程的控制，作者优化出连续、均匀、平整的晶体薄膜，将其厚度降至80纳米，是旋涂法制备分子笼膜的1/4。这些分子笼膜可以通过溶剂的刺激，来改变自身的膜孔结构和孔径大小。这种“开”和“关”的状态是一种动态的、可逆的过程，并且不会破坏分子笼膜的连续性。由于分子笼膜的“开关调节”可以快速灵活地控制膜孔的结构，只需改变溶液，就能用一张膜实现多级分离，而无需其他的活化过程或者使用多张膜。迄今为止，这是第一例具有可调节膜孔结构的结晶膜，这一科研成果在分子分离上取得的突破性进展，对于膜科学和材料领域都有着十分重要的意义。研究成果以“A smart and responsive crystalline porous organic cage membrane with switchable pore apertures for graded molecular sieving”为题发表于Nat. Mater.

8、选择性油/有机溶剂回收的柔性碳气凝胶

频繁的石油泄漏、不溶于水的有机溶剂泄漏以及工业含油废水排放的增加，都造成水污染、生态系统失衡和许多自然灾害。全球对油污净化的需求需要开发低成本、高效率的可靠且灵活的材料和技术。在众多的材料和技术中，吸附剂由于操作简单、回收油分效率高、环保等优点，被认为是油污净化的有前景的候选材料。华南理工大学陈克复院士、曾劲松教授等研究团队提出了一种新策略来有效地制造3D弹性还原氧化石墨烯（RGO）交联碳气凝胶。值得注意的是，从植物纸浆中分离出的纤维素纳米晶体（CNCs）是必不可少的成分，而植物纸浆过程中的工业副产品预水解液（PHL）作为粘合促进剂，实现了碳气凝胶强度和柔韧性的增强。这是第一次充分利用树的所有成分（纸浆和PHL）来设计碳气凝胶。具有跳板弹性支撑微结构的波浪状碳层的形成能够实现机械拉伸和收缩，并避免压缩过程中的界面塌陷。得益于独特的波浪层结构和强相互作用，碳气凝胶超轻（4.98 mg cm–3 ）并表现出超压缩（承受95%的极端应变）和超弹性（在50%的应变下500次循环后保持约100%的高度）。特别是碳气凝胶可以选择性、快速地吸附各种油性污染物，表现出较高的油/有机溶剂吸收能力（对四氯化碳可达276 g g–1）和良好的可回收性。最后，展示了碳气凝胶在石油净化和污染修复设备中的实际应用。因此，这种多功能且坚固的功能化碳气凝胶在石油净化和污染修复方面具有广阔的潜力。研究成果以“Mechanically Flexible Carbon Aerogel with Wavy Layers and Springboard Elastic Supporting Structure for Selective Oil/Organic Solvent Recovery”为题发表于ACS Applied Materials & Interfaces。

9、含银水凝胶

汉大学的张先正教授和孙志军教授（共同通讯作者）等人发现在口腔鳞状细胞癌患者的肿瘤中，较高水平的消化链球菌属细菌能够大概率地进行长期生存。基于这一现象，作者在小鼠OSCC肿瘤中注入OSCC患者的口腔微生物群，进一步基于消化链球菌的代谢特征，设计了含银纳米粒子黏膜粘附性水凝胶对口腔中其他细菌的生长进行抑制，而不影响消化链球菌的增殖。因此使得抑癌的消化链球菌在口腔菌群中占据了优势地位。这一研究表明，理性设计的生物材料可以特异性的调节人类微生物群，以增强抗肿瘤免疫反应。本文第一作者为郑迪威和邓伟伟，研究成果以题为“Biomaterial-mediated modulation of oral microbiota synergizes with PD-1 blockade in mice with oral squamous cell carcinoma”发布在国际著名期刊Nature Biomedical Engineering上。

10、光固化生物吸收胶粘剂

灵活的电子/光电系统可以紧密地集成到重要器官系统的表面，有潜力提供与广泛的疾病和紊乱相关的革命性诊断和治疗能力。这些技术与活体组织之间的关键界面必须提供软机械耦合和有效的光/电/化学交换。美国西北大学John A. Rogers、Yevgenia Kozorovitskiy联合乔治华盛顿大学Igor R. Efimov等人介绍了一种功能性粘附生物电子-组织界面材料，其形式为机械顺应性、导电性和光学透明封装涂层、界面层或支撑基体。这些材料与设备表面和不同内部器官的表面紧密结合，在几天到几个月的时间内具有稳定的粘附性，可以以可控的速率量身定制生物吸收。活体动物模型的实验演示包括设备应用，从用于脑深部光遗传学和真皮下光疗的无电池光电系统到无线毫米级起搏器和柔性多极心外膜阵列。这些进展可以立即应用于目前用于动物模型研究的几乎所有类型的生物电子/光电系统，它们也有潜力在未来治疗危及生命的疾病和紊乱。相关研究以“Photocurable bioresorbable adhesives as functional interfaces between flexible bioelectronic devices and soft biological tissues”为题目，发表在Nature Materials上。

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