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  精確控制合成材料的結構和功能的一直是眾多研究者不斷追求的目標，因為分子水平設計對于調節各種規模的生物材料的性質和功能至關重要。在常規方法中，分子水平的單鏈聚合物納米粒子或單鏈納米凝膠通常需要在極度稀釋的條件下和在較低的轉化率對聚合物鏈的精確折疊來生產。但是這些鏈內折疊技術難以實現大規模制備具有定制功能的單鏈納米物體，嚴重阻礙了單鏈納米物體的廣泛應用。

  在此，為了從分子水平實現生物材料的構建，香港中文大學邊黎明教授團隊首先開發了一種較高效率制備單鏈納米凝膠的新方法。這種方法利用可逆加成-斷裂鏈轉移聚合降低自由基活性的天然特性，通過制備對稱的大分子鏈轉移試劑，實現了對高分子鏈內交聯的促進，進而顯著的提高了制備單分子納米粒子的制備效率（圖一）。

圖一. 利用可逆加成-斷裂鏈轉移聚合方法實現單分子納米粒子的高效制備。

  基于這種可擴展的制備單鏈納米凝膠的策略，研究成員證明了單鏈納米凝膠在多種尺度生物醫學應用中的獨特應用。通過實驗表明，超分子動態單分子納米凝膠展示出優異的細胞兼容性并且展現出依賴于構象的細胞吞噬行為（圖二）。

圖二. 超分子動態單分子納米凝膠的制備方法與依賴于構象的細胞吞噬行為的研究

  同時，這些單鏈納米凝膠在培養基質上的動態鏈接生物活性配體，進而可以通過結構變化實現對配體與細胞受體連接的納米級調節，進而實現對干細胞黏附行為的調控（圖三）。

圖三. 單鏈納米凝膠通過結構變化實現對配體與細胞受體連接的納米級調節。

  此外，通過使用這種大量制備的單鏈納米凝膠作為構建模塊制造宏觀水凝膠材料展示出高效的能量耗散性質，從而對包埋于其中的干細胞實現有效的保護（圖四）。

圖四. 單鏈納米凝膠制造的宏觀水凝膠材料對包埋于其中的干細胞實現有效的保護。

  這種自下而上的分子設計策略將激發更多的利用單鏈納米物體在制造各種多尺度，并且為研究大分子動態性質與細胞行為提供了一種不可替代的平臺。這項研究結果已于近期在《Nature Communications》以“Conformational manipulation of scale-up prepared single chain polymeric nanogels for multiscale regulation of cells”為標題發表。

  該工作第一作者為香港中文大學生物醫學工程系博士生陳霄宇，通訊作者為邊黎明教授。該工作得到了復旦大學陳國頌教授及香港中文大學李剛教授的大力協助。該工作得到國家自然科學基金委的和香港研究資助局等研究資金的支持。

  文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-10640-z

  邊教授長期致力于發展先進納米材料與水凝膠材料在生物醫學領域的應用，并且逐漸建立了從基礎材料學，生物醫學研究到醫療應用研究的多方向的深度研究。邊教授課題組近期在高水平學術期刊發表多篇論文。

1. Immunoregulation of macrophages by dynamic ligand presentation via ligand-cation coordination. Nature Communications, 2019, volume 10, Article number: 1696.

2. Highly dynamic nanocomposite hydrogels self-assembled by metal ion-ligand coordination, Small, 2019.

3. Dynamic and cell-infiltratable hydrogels as injectable carrier of therapeutic cells and drugs for treating challenging bone defects. ACS Central Science, 2019, 5 (3), pp 440–50. 

4. Anisotropic ligand nanogeometry modulates the adhesion and polarization state of macrophages. Nano Letters, 19 (3), 1963–1975, 2019.

5. Anisotropic nanoscale presentation of cell adhesion ligand enhances the recruitment of diverse integrins in adhesion structures and mechanosensing-dependent differentiation of stem cells. Advanced Functional Materials, 2019.

6. Organic semiconducting polymer nanoparticles for photoacoustic labelling and tracking of stem cells in the second near-infrared window. ACS Nano, 2018, 12 (12), pp 12201–2211. 

7. In situ reversible heterodimeric nanoswitch controlled by metal ion-ligand coordination regulates the adhesion, release, and differentiation of stem cells. Advanced Materials, 2018 Nov; 30(44):e1803591.

8. Adaptable hydrogels mediate cofactor-assisted activation of biomarker-responsive drug delivery via positive feedback for enhanced tissue regeneration. Advanced Science, 2018 Dec; 5(12): 1800875.

9. Remote control of heterodimeric magnetic nanoswitch regulates the adhesion and differentiation of stem cells. J. Am. Chem. Soc., 2018;140 (18): 5909-5913.