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秉承自然手性精细构型的水凝胶生物材料｜上海市科学技术奖

2023-11-08 08:59

来源：澎湃新闻·澎湃号·政务

2022年度上海市科学技术奖

强国复兴有我

优秀创新成果展示

今年5月，科技蓝闪耀上海。期间，暌违两年的上海市科学技术奖于5月26日在上海展览中心再度揭晓。胸怀“国之大者”，坚持“四个面向”，一大批标志性成果竞相涌现，为正处于关键跃升期的上海国际科技创新中心建设增添底色和亮度。

2022年度上海市科学技术一等奖获奖项目优秀创新成果来啦！本栏目以“强国复兴有我”为主题，重点围绕项目要解决的问题、取得的重要创新、实际应用效果等方面，向社会公众展示获奖成果。

本期“档案”大揭秘

项目名称：秉承自然手性精细构型的水凝胶生物材料

完成单位：上海交通大学

完成人：冯传良等

奖励等级：自然科学奖一等奖

对称之美在自然界比比皆是，例如人的双手互为镜像对称关系，但如果把双手伸出来，手心都朝下，一只手叠放到另一只手上，双手却无法重合。科学上，我们用“手性”一词来描述一个物体无法与其镜像重合的现象。人体中众多生命物质都具有单一确定的手性结构，如L-氨基酸、D-多糖、右旋的DNA和RNA等（图1），一旦这些物质的手性结构发生异变，将造成多种生理障碍。著名的“反应停”事件中，R-沙利度胺是孕妇镇静剂，而其手性对映体S-沙利度胺则会导致婴儿畸形；人体中右旋B-DNA负责复制和转录遗传信息，而异变的左旋Z-DNA则会激活某些致癌基因。由此可见，自然界生命体经亿万年进化出的手性结构在维持正常生理功能中发挥着不可或缺的作用。秉承生命体中手性结构精细构型、发掘手性结构生命意义对深入研究人类疾病防治，服务人民健康具有重要影响。

图1. 人体中广泛存在具有手性结构的小分子（如氨基酸、多糖），以及由小分子组装构筑的具有手性结构的生物大分子（如蛋白质、DNA）

手性结构的人工创制

将生命体中手性精细结构进行人工仿生构筑是发掘手性结构生命意义，揭秘手性科学和手性信息的必由之路，也是材料科学和生物医学发展面临的空前挑战。超分子组装是仿生生命体手性结构最有效的方法之一，然而传统两亲性超分子体系由于非平衡的亲疏水作用导致长程无序聚集，难以实现从分子手性到材料结构手性的跨尺度可控传递，无法支撑构建宏观有序的手性超分子体系，在传承和仿生生命体多层级手性结构和生物性能方面还存在巨大差距，严重阻碍了对生命体手性精细构型的探索和解析，也制约了高性能结构化人工生物材料的设计和应用。

上海交通大学材料科学与工程学院冯传良教授带领团队为此开展了十余年持久探索，在“秉承自然手性精细构型的水凝胶生物材料”研究中，立足建立仿生生命手性结构的材料研究平台，针对传统超分子基元难以长程有序组装进行精准手性构筑的制约，创新性提出了“对称手性传递”的超分子基元设计新思想，设计合成了系列以苯、联苯、芘、苝为中心核，苯丙氨酸、色氨酸、丙氨酸等手性位点对称分布于核两侧的凝胶基元，发展了全新的“中心对称”手性超分子基元骨架体系。在“分子-链增长”组装模式下，分子的高度有序排列可将氨基酸的手性特征传递至超分子组装体，仿生构筑了生命体中的多层级手性结构，解决了传统仿生超分子体系由于“分子-成核-聚集”导致的结构手性“淬灭”的核心难题，实现了超分子组装过程中的亲疏水平衡和手性信息的多层级、跨尺度精准有序传递，创制出系列高效仿生生命物质手性结构的水凝胶生物材料（图2），突破了人工生物材料无法再现生命体精细手性构型的瓶颈，为仿生手性结构构筑提供了新原理和新方法。

图2.冯传良教授带领团队首次制备出秉承自然手性精细构型水凝胶生物材料。

手性结构决定细胞命运的新发现

进一步，将秉承生命手性结构的水凝胶作为细胞培养基质，对细胞进行二维和三维体外培养，首次发现了手性结构调控细胞命运的现象：例如左旋凝胶纤维与细胞粘附蛋白间手性立体构型匹配可增强上皮细胞、血管内皮细胞等在手性水凝胶上的粘附与增殖；左旋凝胶纤维可诱导骨髓间充质干细胞及牙髓干细胞向成骨分化，而右旋纤维则促进其向成脂分化，这一过程与手性水凝胶基质和纤连蛋白相互作用激活Itgα5β1信号传导，进而介导干细胞命运选择密切相关。利用哺乳动物细胞和细菌膜蛋白对手性结构粘附的差异，该项目开发了高效促进细胞粘附增殖、抑制细菌粘附的手性水凝胶创面敷料，解决了感染创面再生修复治疗中抗菌与促细胞增殖的矛盾。这一新发现为探索与手性结构相关的组织再生工程、干细胞移植治疗提供了理论与实践基础，为新型高性能生物医用材料研究提供了新范式。

项目研究成果获2022年上海市自然科学一等奖。国内外研究同行在Nature Review Chemistry、Chemical Reviews、Chemical Society Reviews、Advanced Materials等国际权威学术期刊对此进行高度评价，认为本研究是手性结构构筑与调控的典型范例，为手性调控提供了方法学，同时揭示细胞行为对手性结构的高度选择性是一项开创性成果。第一完成人冯传良教授因在超分子化学领域的创新性研究获得国际纯粹与应用化学联合会颁发的Richard Robert Ernst奖。

基础研究成果促进医疗器械创新发展

基础研究支撑生物医用材料应用与发展，秉承自然手性结构的水凝胶材料攻克了慢性糖尿病创面组织再生难、功能恢复差的世界难题（图3），可促进该类创面的高效愈合，愈合时间缩短30%以上。同时解决了具有手性精细结构生物医用材料宏量生产的国际难题，专利技术已在中国药企百强上海凯宝药业股份有限公司落地转化，科技引领了我国大健康领域创面修复医用材料的产业升级。