赵东元院士/李晓民JACS：新奇！介孔纳米“羽毛球”！爆赞！

研究内容

纳米技术的发展促进了疾病治疗的显著进步。纳米颗粒与生物界面(细胞、血管和器官)的相互作用对其体内血液循环时间、器官摄取等有着深远的影响，研究纳米生物相互作用至关重要。虽然纳米生物相互作用在决定纳米颗粒的体内命运方面至关重要，但之前研究纳米颗粒与生物屏障相互作用的工作主要是在静态下进行的。然而，纳米粒子的流体动力学对其遇到生物宿主的频率有着不可忽略的影响。

受羽毛球独特的空气动力学的启发，复旦大学赵东元院士、李晓民基于空间诱导的各向异性组装策略，成功合成了羽毛球结构Fe₃O₄和mPDA(Fe₃O₄=磁铁矿纳米颗粒和mPAD=介孔聚多巴胺)Janus纳米颗粒。“头部”Fe₃O₄的密度比mPDA“圆锥体”大得多，”羽毛球”状的Janus纳米颗粒显示出不对称的质量分布。与传统球形Fe₃O₄@mPDA纳米颗粒相比，具有不对称质量分布的Janus纳米颗粒具有更直的血流轨迹，血管壁遭遇频率降低50%，从而提供双倍的血液半衰期和降低15%的器官摄取。相关工作以“Mesoporous Nano-Badminton with Asymmetric Mass Distribution: How Nanoscale Architecture Affects the Blood Flow Dynamics”为题发表在国际著名期刊Journal of the American Chemical Society上。

研究要点

要点1. 作者首先基于层状介孔聚多巴胺(mPDA)在磁铁矿Fe₃O₄纳米颗粒上的空间诱导各向异性组装，设计并合成了具有羽毛球状形态和不对称质量分布的Fe₃O₄和mPDA Janus纳米颗粒。获得的纳米“羽毛球”具有双亚基，即直径为～100 nm的高密度Fe₃O₄“头”和直径为～250 nm、高度为～200 nm的圆形基底的低密度mPDA聚合物“圆锥体”。

要点2. 纳米“羽毛球”颗粒独特的形态和不对称的质量分布显著影响其流体动力学。计算模拟表明，纳米“羽毛球”具有mPDA锥形向前的稳定流体姿态，力分析表明，“羽毛球“状的形态和质量分布使纳米颗粒在该姿态周围具有平衡的运动，使其在流体中的运动稳定。从而与球形Fe₃O₄@mPDA纳米颗粒相比提供了更直的流动轨迹。

要点3. 结果显示，与传统球形Fe₃O₄@mPDA纳米颗粒相比，具有不对称质量分布的纳米“羽毛球”Janus纳米颗粒具有更直的血流轨迹，纳米徽章和血管壁之间的相互作用频率降低了约50%，进一步导致血液循环时间延长，24小时内细胞摄取和肝脏摄取分别减少了约40%和约15%。

该工作提出了具有不对称质量分布的新型羽毛球状纳米颗粒的制备，并系统地探讨了纳米颗粒的结构、生物流体动力学、器官清除和血液循环之间的联系，为理解纳米颗粒的体内行为提供了新的视角，为生物医学领域的纳米材料制备铺平了新的道路。

研究图文

图1. 纳米羽毛球的合成和独特的流动动力学。

图2. 纳米羽毛球的合成与表征。

图3. 层状介孔聚多巴胺的空间诱导各向异性组装。

图4. 微流体显微镜系统分析颗粒流体动力学。

图5. 纳米颗粒在血管中流体动力学的计算和体外模拟。

图6. 纳米颗粒的体内血液循环和器官摄取。

图7. 纳米羽毛球独特的血液流动动力学机制。

文献详情

Mesoporous Nano-Badminton with Asymmetric Mass Distribution: How Nanoscale Architecture Affects the Blood Flow Dynamics

Tiancong Zhao, Runfeng Lin, Borui Xu, Minchao Liu, Liang Chen, Fan Zhang, Yongfeng Mei, Xiaomin Li,* Dongyuan Zhao*

J. Am. Chem. Soc.

DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.3c07097