全球生物材料第一门派 —— Robert Langer 和他的学生们

【引语】

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说到生物材料领域第一大门派，领域内的科研工作者们一定会想到美国麻省理工学院的Robert Langer课题组。作为国际组织工程领域的第一大课题组（没有之一且不接受反驳），众多生物材料领域的大佬都在其实验室学习和工作过。课题组拥有全美最大的实验室——超过百人的工作人员，每年逾千万美金的研发经费，是全球最大的生物医学工程实验室。和大多数科研狗以灌水为目的的搬砖志向不同，课题组已经实现了一流成果做产品，二流结果水CNS，三流产物扔顶刊，早已经在产学研一体化的道路上狂奔多年。下面就让小编带领大家一起仰望一下这位牛逼的老板和他牛逼的学生们。

Robert Langer是全球组织工程领域的第一人，也是美国最有钱的科学家之一，主要研究靶向药物传递系统和组织工程学，目前已发表1200多篇研究论文，申请过900多项专利，400多项专利已经授权。Robert Langer毕业于康奈尔大学和MIT化工专业，此后利用自己的化学和化工背景，研究与生物和医学相关联的项目。43岁的Robert Langer作为最年轻的学者获得了美国三大科学院院士（美国科学院、美国工程院和医学院）头衔，获得了包括Albany医学中心医学与生物医学研究大奖、Lemelson-MIT奖和Charles Stark Draper奖在内的多种荣誉，一直活跃在生物材料研究领域的最前沿。

除了持续在顶刊上发表文章，Robert Langer带着他的学生们一块儿创办了25家公司，主要涉及生物技术和医疗器械。这里，小编介绍一些Robert Langer的代表作和公司。

2017年Robert Langer在Nature Materials上报道了一种有机硅聚合物，被称为XPL（crosslinked polymer layer）。这种材料涂覆在人体皮肤上会形成一种极薄且透明、几乎不可见的薄膜，与人体本来的皮肤无异。在人体实验中发现，这种材料可以消除眼袋，具有很强的保湿能力，可以防御紫外线，并不怕水洗。这种材料宛如人类的“第二层皮肤”，能够很好地保护皮肤，使肌肤恢复青春。

文献链接：https://www.nature.com/articles/nmat4635

2016年课题组在PNAS上报道了一种可以实现量产、低成本且安全的水凝胶。这种水凝胶是由纤维素聚合物和水凝胶二氧化硅粒子混合生成，组份之间依靠聚合物-纳米粒子的非共价键作用稳定。可实现大规模制备，从实验级别的0.5毫升到15升，甚至更大；这种水凝胶可成功应用于管道清洁和火灾扑灭。

文献链接：https://www.pnas.org/content/pnas/113/50/14255.full.pdf

Living Proof是成立于2005年的美容产品公司，老友记中的好莱坞女星Jennifer Aniston是这家公司的代言人及投资人之一。Living Proof的洗发水中用到的一种叫做Polyalkylaminoester-1的聚氨基酯，就是Robert Langer团队在研究基因疗法的过程中发现的；团队开发的最新产品就是一种叫做Neotensil的明胶，它可以起到紧致皮肤的效果。这种产品是一种可以贴在脸部的聚合物膜，它可以模拟年轻皮肤的紧致和弹性，只要把它贴在脸上，就可以重新塑造皮肤形象；此外，公司还推出了一款去眼袋的神器，由两支特制凝胶和一支按摩器组成。凝胶能够帮助遮盖眼袋，形成一层无形的弹性膜，使用者无需去医院更无需动刀。

Moderna公司自成立以来就以开发人类蛋白质以及抗体药物作为公司的核心。该公司技术的背后理念是，信使核糖核酸(RNA)本身可以作为药物使用——RNA是从脱氧核糖核酸(DNA)转录合成的带有遗传信息的一类单链核糖核酸。该公司在融资中募集4.5亿美元，是生物科技领域史上最大规模的私募股权融资活动。到目前为止，该公司的融资总额高达惊人的9.5亿美元。

介绍完如此厉害的大佬，我们一起来看看名师麾下的高徒们

1.David J. Mooney，哈佛大学教授，他是通过水凝胶(hydrogel)等材料模拟天然细胞外基质最早的一批科学家之一。David Mooney的研究方向包括各种药物输送、免疫疗法和再生医学项目，以促进体内组织和器官的再生和靶向破坏。

David Mooney团队2018年在PNAS上发文，通过采用3D细胞培养系统探索细胞微环境的相互作用。该系统允许独立控制培养基质刚度，应力松弛和粘附配体密度，以系统地探索受RNA-seq的不同生物物理参数组合影响的转录程序。在小鼠间充质干细胞和人皮质神经元祖细胞中，研究者发现这些底物特性之间存在显着的耦合，并且每种特性对基因表达变化的相对贡献随细胞类型而变化。通过生物信息学分析，发现包封小鼠间充质干细胞的水凝胶的刚度调节多种细胞因子的分泌，并因此影响Transwell共培养模型中的造血干细胞分化。这些结果可以深入了解不同组织中细胞如何整合生物物理特征，并为合成生物学家和生物工程师提供策略，以设计对细胞生物物理环境的响应。

文献链接：https://www.pnas.org/content/pnas/115/36/E8368.full.pdf

2.Molly Stevens教授，帝国理工学院生物医学工程研究所生物医学材料科学研究室的主任，科研界公认的模范人物，2010年被时代周刊评价为40岁以下科学家世界TOP10。Molly Stevens团队利用生物工程方法，主要解决生物传感和再生医学中的问题。利用创新设计和最先进的材料表征方法来理解和设计生物材料界面。

Molly Stevens团队2018年在Science上发文研究骨矿物质的组装。骨组件分层组装以提供刚度和韧性。然而，骨骼的主要成分——矿物质和胶原蛋白之间的组织和关系尚未明确阐明。 使用三维电子断层扫描成像和高分辨率二维电子显微镜，作者证明骨矿物质从纳米级开始分层组装：针状矿物单元横向合并形成血小板，并且这些进一步组织成大致的堆叠平行血小板。 这些堆叠聚结成聚集体，其超过胶原原纤维的横向尺寸并跨越相邻的原纤维作为连续的交叉原纤维矿化。在这些观察的基础上，作者提出了矿物相的层次和连续性的结构模型，这有助于骨的结构完整性。

文献链接：http://science.sciencemag.org/content/360/6388/eaao2189

3.Ali Khademhosseini，麻省理工学院教授，其研究成果获40多项国家及国际大奖和荣誉。同时他是ACS Nano的副主编，H因子高达80，研究领域涉及生物材料、医用器械和组织工程。

尽管生物打印技术取得了进展，但是具有细胞异质性的周向多层管状组织或器官的生物制造仍然是一个挑战，例如血管，气管，肠，结肠，输尿管和尿道。课题组于2018年在Advanced Materials上发表文章，提出了一种有前途的多通道同轴挤出系统（MCCES），用于在一个步骤中对周向多层管状组织进行微流体生物打印，使用构成明胶甲基丙烯酰基，藻酸盐和八臂聚（乙二醇）丙烯酸酯与三季戊四醇核的定制生物粉末。这些可灌注的套管构造可以在生物打印管的整个长度上以规则的间隔从单层连续调整到三层。使用定制的bioink和MCCES，以及具有足够的生物功能性（包括细胞活力，增殖和分化）的相关细胞类型生物打印几种管状组织构建体。利用人尿路上皮细胞和人膀胱平滑肌细胞以及血管组织构建体，以及人脐静脉内皮细胞和人平滑肌细胞，对套管尿路上皮组织构建体进行生物打印。这些生物打印的管状组织可以用流体和营养物主动灌注，以促进嵌入细胞类型的生长和增殖。这种可调和可灌注的周向多层组织的制造代表了制造人体管状组织的基本步骤。

文献链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adma.201706913

4.Antonios G. Mikos，现任美国生物材料学会主席、美国工程院院士，美国莱斯大学生物工程与化学、生物分子工程Louis Calder教授，及该校生物医学工程J.W. Cox实验室和组织工程“卓越中心”主任。课题组利用合成的可生物降解聚合物作为细胞的支持性支架，引导组织生长的导管，靶向细胞粘附的特异性底物，以及细胞响应的刺激材料。

基于聚合的高内相乳液（polyHIPEs）的组织工程支架的设计已经成为有希望的骨移植策略。在目前的研究中，研究了氧化还原引发的水凝胶载体，其利用可生物降解的大分子单体聚（乙二醇）-二硫苏糖醇原位递送人间充质干细胞（hMSC）。调节水凝胶载体性质，包括网络形成时间，溶胶-凝胶分数和溶胀比，以在没有外部刺激和5-7天的靶细胞释放期的情况下实现快速固化。与标准悬浮接种相比，这些原位载体能够改善hMSC在3D打印的聚HIPE移植物中的分布。另外，载体加载的polyHIPEs支持释放后hMSC的持续细胞活力和成骨分化。总之，这些发现证明了这种原位固化水凝胶载体的潜力，以增强hMSC在骨移植物中的细胞分布和保留。虽然最初专注于改善骨再生，但是预期在不依赖于可在大移植物或组织中减弱的外部刺激而将细胞包封在水凝胶载体中的能力在组织工程中具有广泛的应用。

文献链接：https://ac.els-cdn.com/S0142961218306641/1-s2.0-S0142961218306641-main.pdf?_tid=5aaa769d-8aae-43b5-a412-494d21b75c17&acdnat=1547627532_2b7afa9391798df24922ee82ec8405e1

本文由材料人专栏作者tt供稿，材料人编辑部编辑。

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