精确控制合成材料的结构和功能的一直是众多研究者不断追求的目标，因为分子水平设计对于调节各种规模的生物材料的性质和功能至关重要。在常规方法中，分子水平的单链聚合物纳米粒子或单链纳米凝胶通常需要在极度稀释的条件下和在较低的转化率对聚合物链的精确折叠来生产。但是这些链内折叠技术难以实现大规模制备具有定制功能的单链纳米物体，严重阻碍了单链纳米物体的广泛应用。

  在此，为了从分子水平实现生物材料的构建，香港中文大学边黎明教授团队首先开发了一种较高效率制备单链纳米凝胶的新方法。这种方法利用可逆加成-断裂链转移聚合降低自由基活性的天然特性，通过制备对称的大分子链转移试剂，实现了对高分子链内交联的促进，进而显著的提高了制备单分子纳米粒子的制备效率（图一）。

图一. 利用可逆加成-断裂链转移聚合方法实现单分子纳米粒子的高效制备。

  基于这种可扩展的制备单链纳米凝胶的策略，研究成员证明了单链纳米凝胶在多种尺度生物医学应用中的独特应用。通过实验表明，超分子动态单分子纳米凝胶展示出优异的细胞兼容性并且展现出依赖于构象的细胞吞噬行为（图二）。

图二. 超分子动态单分子纳米凝胶的制备方法与依赖于构象的细胞吞噬行为的研究

  同时，这些单链纳米凝胶在培养基质上的动态链接生物活性配体，进而可以通过结构变化实现对配体与细胞受体连接的纳米级调节，进而实现对干细胞黏附行为的调控（图三）。

图三. 单链纳米凝胶通过结构变化实现对配体与细胞受体连接的纳米级调节。

  此外，通过使用这种大量制备的单链纳米凝胶作为构建模块制造宏观水凝胶材料展示出高效的能量耗散性质，从而对包埋于其中的干细胞实现有效的保护（图四）。

图四. 单链纳米凝胶制造的宏观水凝胶材料对包埋于其中的干细胞实现有效的保护。

  这种自下而上的分子设计策略将激发更多的利用单链纳米物体在制造各种多尺度，并且为研究大分子动态性质与细胞行为提供了一种不可替代的平台。这项研究结果已于近期在《Nature Communications》以“Conformational manipulation of scale-up prepared single chain polymeric nanogels for multiscale regulation of cells”为标题发表。

  该工作第一作者为香港中文大学生物医学工程系博士生陈霄宇，通讯作者为边黎明教授。该工作得到了复旦大学陈国颂教授及香港中文大学李刚教授的大力协助。该工作得到国家自然科学基金委的和香港研究资助局等研究资金的支持。

  文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-10640-z

  边教授长期致力于发展先进纳米材料与水凝胶材料在生物医学领域的应用，并且逐渐建立了从基础材料学，生物医学研究到医疗应用研究的多方向的深度研究。边教授课题组近期在高水平学术期刊发表多篇论文。

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.