一个月8篇Nature Materials,了解生物材料等领域最新研究动态!
小奇 2021-03-02

三月已至,新的学期又即将开始,导师安排的文献任务不知各位完成了没,马上要来临的组会还不知道回报啥文献?来来来,奇物论编辑部为大家整理了2月份发表在材料顶刊Nature Materials杂志上与生物材料领域相关的文章,供大家有备开学~


在2月份,Nature Materials共上线19篇论文。我们选取了8篇相关的文章进行介绍。


一、纳米医学


首先,咱们先来看看偏向纳米医学领域的文献,有2篇文章涉及。


第一篇是先前奇物论报道过的,关于新型脂质体用于递送基因药物,详情报道点击:Nature Materials:脂质纳米颗粒递送取得新进展

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该文章是美国德克萨斯大学西南医学中心Daniel J. Siegwart教授课题组发表的,他们报道合成了一系列具有强内涵体逃逸性能的新型磷脂 (iPhos)。基于iPhos的LNPs用于递送mRNA或Cas9 mRNA/单向导RNA (sgRNA) 复合物,不但具有极高的体内递送效率,而且实现了器官选择性的mRNA递送和CRISPR/Cas基因编辑。该研究可为新载体材料的开发和器官靶向性递送体系的研究提供了新的思路。



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图|具有内涵体逃逸性能的新型磷脂的设计


然后另一篇相关的是一篇观点论文,介绍了用于非侵入性生物成像的可遗传编码的材料



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研究人员重点关注了使用蛋白质工程和合成生物学工具来开发的更丰富、更复杂的生物材料的最新进展。从而能够通过将声波、核自旋和光吸收的物理过程与独特的蛋白质基材料耦合起来,从而对人体内特定细胞和分子的位置和功能进行成像。


这些材料包括气体囊泡,衣壳状纳米腔室、色素产生酶和跨膜转运蛋白,可实现新形式的生物分子和细胞造影。这些基于蛋白质的造影剂能够通过基因编码并由细胞产生,这为细胞功能的体内研究创造了前所未有的机会,而它们对基因工程的适应性使其物理、化学和生物特性的原子级设计成为可能。



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图|小蛋白质作为遗传编码的造影剂用于非侵入性成像


二、仿生致动材料


接下来介绍的是仿生致动材料,该方向近年来非常受Nature Materials偏爱。在2月份,总共有4篇相关论文发表。


第一篇是2月1号上线的,详见报道:仿生凝胶,又一篇Nature Materials!


该研究主要是介绍了作者利用另一个常见的但又容易被忽略的物理过程(瞬态去膨胀过程)来设计一种可以产生重复多次自主运动的设备,这是一种仅靠自身环境中的能量流就可以自我恢复的材料这项研究可以使未来的军用机器人能够摆脱自身的能量。


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然后是芝加哥大学Aaron P. Esser‐Kahn等人报道的一种仿生复合材料,这种仿生复合材料能适应它所处的机械环境,其模量随力、时间和机械搅拌频率的变化而变化。这种复合材料的适应性由机械响应型ZnO控制,其控制聚合物复合凝胶中硫醇和烯烃之间的交联反应,从而导致机械驱动的66倍模量增加这种仿生复合材料设计有望用于开发从粘合剂到与生物系统接触材料。



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图|材料结构重塑和力分布模型


另一篇与致动材料相关的是一种光驱动同步运动的致动器



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荷兰埃因霍温科技大学Dirk J.Broer等人通过一种类似于摆锤和节拍的同步运动的方法报告了薄塑料致动器的同步振动。他们发现两个联合液晶网络振荡器,在光的驱动下,相互通信并同步它们的振荡,正如惠更斯用钟摆所观察到的。预计,通常在刚性系统中观察到的复杂同步现象也可能存在于软聚合物材料中。这样就可以使用新的刺激,以光致激发集体运动。



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图|夹带不对称振荡器


在另外一篇文章中,同样也涉及材料的集体运动


活性材料能够将自由能转化为机械功,以产生自发运动,并展现出惊人的集体动力学,而生物学正是这些动力学的基本功能。在合成系统中控制这些动力学和传输特别具有挑战性。于此,研究人员介绍空间结构化活动的概念,作为控制和操纵由肌动蛋白丝和光敏肌球蛋白马达组成的主动向列液晶中的运输的一种手段。这为自主和可重构微流体系统的设计提供了基础,其中通过光的调制活动来控制输运。



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图|肌动蛋白液晶中的图形化活动导致空间受限流动和拓扑缺陷


三、可拉伸材料


最后,咱们来介绍最后一个相关的领域——可拉伸材料


先前,我们报道过同时上线两篇Nature Materials关于柔性电子的研究,详情可见:一种电子皮肤,两篇Nature Materials


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即,耶鲁大学的Rebecca Kramer-Bottiglio课题组和香港理工大学郑子剑教授课题组报告了利用液态金属网络实现高导电性、超可拉伸性和机械稳定性电子产品的方法。这两个报告都表明,液体为制造软设备和机器人技术提供了一条途径。功能性液体组件将提供诱人的机会来制造具有皮肤般柔软性的不可感知的可穿戴电子设备和机器人。在功能性,可伸缩性和高度变形的电子学和机器人技术的竞争日益激烈的同时,该两个课题组所做的这项突破性工作使我们越来越接近真正无处不在的电子学。



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图|液态金属可伸缩电子产品


通过回顾2月,我们可以大致了解Nature Materials的最新研究动态,仿生材料和可穿戴器件领域占比较大,纳米医学相对较少,当然纳米医学还是以Nature Nanotechnology杂志为主战场(安排上?)。


未来3月,我们一起期待更多新奇的研究成果上线。


以下为参考文献,按照上文介绍顺序给出:

1. Shuai Liu et al. Membrane-destabilizing ionizable phospholipids for organ-selective mRNA delivery and CRISPR-Cas gene editing. Nature Materials,2021. https://doi.org/10.1038/s41563-020-00886-0

2. Farhadi, A., Sigmund, F., Westmeyer, G.G. et al. Genetically encodable materials for non-invasive biological imaging. Nat. Mater. (2021). https://doi.org/10.1038/s41563-020-00883-3

3. Kim, Y., van den Berg, J. & Crosby, A.J. Autonomous snapping and jumping polymer gels. Nat. Mater. (2021). https://doi.org/10.1038/s41563-020-00909-w

4. Wang, Z., Wang, J., Ayarza, J. et al. Bio-inspired mechanically adaptive materials through vibration-induced crosslinking. Nat. Mater. (2021). https://doi.org/10.1038/s41563-021-00932-5

5. Vantomme, G., Elands, L.C.M., Gelebart, A.H. et al. Coupled liquid crystalline oscillators in Huygens’ synchrony. Nat. Mater. (2021). https://doi.org/10.1038/s41563-021-00931-6

6. Zhang, R., Redford, S.A., Ruijgrok, P.V. et al. Spatiotemporal control of liquid crystal structure and dynamics through activity patterning. Nat. Mater. (2021). https://doi.org/10.1038/s41563-020-00901-4

7. Liu, S., Shah, D.S. & Kramer-Bottiglio, R. Highly stretchable multilayer electronic circuits using biphasic gallium-indium. Nat. Mater. (2021). https://doi.org/10.1038/s41563-021-00921-8

8. Ma, Z., Huang, Q., Xu, Q. et al. Permeable superelastic liquid-metal fibre mat enables biocompatible and monolithic stretchable electronics. Nat. Mater. (2021). https://doi.org/10.1038/s41563-020-00902-3


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