化学家发明了具有诱人生物医学潜力的变形纳米材料

上面的荧光显微照片显示了片状新纳米材料。白色比例尺在主照片中为4微米，在插图中为2微米。

化学家已经开发出一种纳米材料，它们可以以可控的方式触发形状变化-从平板到管再到板。美国化学学会杂志发表了纳米材料的描述，该材料是在埃默里大学开发的，具有从控释药物递送到组织工程等一系列生物医学应用的潜力。

这种纳米材料的片状厚度是人发宽度的10,000倍，是由合成胶原蛋白制成的。天然存在的胶原蛋白是人类中最丰富的蛋白质，使这种新材料具有内在的生物相容性。

该发现的资深作者，埃默里大学生物分子化学教授Vincent Conticello说：“以前没有人制造出具有我们纳米材料可变形特性的胶原蛋白。”“我们可以简单地通过改变其环境中的pH值或酸浓度，将其从薄板转换为试管，再转换回试管。”

Emory技术转让办公室已为纳米材料申请了临时专利。

滚动形式的荧光显微照片。白色比例尺在主照片中为4微米，在插图中为2微米。

该发现的第一作者是现任加州梅塞德大学Conticello实验室前博士后研究员安德里亚·梅格（Andrea Merg），以及埃默里（Emory）本科生并现在在斯坦福医学院就读的加文·图彭斯（Gavin Touponse）。这项工作是Emory与来自Argonne国家实验室，瑞士Villigen的Paul Scherrer研究所以及巴塞尔大学细胞成像和纳米分析中心的科学家之间的合作。

胶原蛋白是人体结缔组织（例如软骨，骨骼，肌腱，韧带和皮肤）中的主要结构蛋白。它在血管，肠，肌肉和身体其他部位也很丰富。

取自其他哺乳动物（例如猪）的胶原蛋白有时用于人类的伤口愈合和其他医学应用。Conticello的实验室是全球仅有的几十个致力于开发适用于生物医学和其他复杂技术的合成胶原蛋白的实验室之一。可以以天然胶原蛋白无法控制的方式来控制此类合成的“设计”生物材料。

电子显微照片给出了新纳米材料的详细视图。箭头指示在试管中形成的层，从而导致研究人员通过在角落处滚动来假设薄片形成试管。

Conticello说：“早在30年前，就可以控制胶原蛋白的序列。”“但是，由于晶体学和电子显微镜技术的进步，在过去的15年中，该领域的发展确实加速了，这使我们能够更好地分析纳米级的结构。”

Conticello说，埃默里（Emory）新的可变形纳米材料的开发是“一次偶然的意外”。“它有运气和设计元素。”

胶原蛋白由三层螺旋状的纤维组成，它们像三股绳子一样互相缠绕。股线不灵活，像铅笔一样坚硬，并且紧密排列在一起，排列成晶体状。

Conticello实验室已经使用了十年来开发的胶原片。Conticello解释说：“一张纸是一个大的二维晶体，​​但是由于肽的包装方式，它就像一束完整的铅笔捆在一起。”“束中的一半铅笔的笔尖朝上，而另一半的橡皮擦笔尖朝上。”

Conticello希望尝试精制胶原蛋白片，以使每一面都仅限于一种功能。进一步将铅笔类比，片的一个表面将是所有引线点，而另一个表面将是所有橡皮​​擦。最终目标是开发一种胶原片，该胶原片可以通过使一个表面与设备兼容，而另一个表面与体内功能蛋白兼容，从而与医疗设备集成在一起。

但是，当研究人员将这些不同类型的表面设计成单个胶原薄片时，他们惊讶地发现它导致这些薄片像卷轴一样卷曲。然后他们发现形状转变是可逆的-他们可以通过改变溶液的pH值来控制薄片是平坦的还是卷动的。他们还证明了他们可以在特定的pH值下调整薄片以使其变形。通过设计可以在分子水平上进行控制。

“特别有趣的是，发生过渡的条件是生理条件，” Conticello说。“这打开了寻找在受控的实验室条件下将治疗剂加载到胶原蛋白管中的方法的潜力。然后，进入人体细胞的pH环境后，可以调节胶原蛋白管以消除卷曲并释放其中包含的药物分子。”

参考：“形变肽纳米材料：表面不对称使胶原蛋白管和薄片的pH依赖性形成和相互转化”，作者：Andrea D. Merg，Gavin Touponse，Eric van Genderen，Thorsten B. Blum，Xiaobing Zuo，Alisina Bazrafshan，Hew Ming Helen Siaw，Arthur McCanna，R。Brian Dyer，Khalid Salaita，Jan Pieter Abrahams和Vincent P.Conticello，2020年11月10日，《美国化学学会杂志》。
10.1021 / jacs.0c08174

为测量和表征这种新的纳米材料做出贡献的Emory科学家包括化学教授Brian Dyer和Khalid Salaita，他是该论文的合著者。化学研究生Alisina Bazrafshan和Helen Siaw；以及来自Robert P. Apkarian集成电子显微镜核心的Arthur McCanna。

Paul Scherrer研究所的合著者帮助表征了晶体组件的三维结构，并进一步分析了纳米材料。其中包括Jan Pieter Abrahams，Thorsten Blum和Eric van Genderen。来自阿贡国家实验室的左小兵也是该项目的合著者。

这项工作得到了美国国家科学基金会，瑞士国家科学基金会和美国国立卫生研究院的资助。