科海撷珠 | 神奇的仿生手性材料

我国科学家在仿生手性超分子水凝胶材料研究方面取得 了重要进展，为再生医学和干细胞治疗开辟了新方向。

对称与手性

▲ 蝴蝶的对称之美

自然界宛如一位神奇的艺术家，用那独特的笔触勾勒出一幅幅美丽的画卷。看那翩翩起舞的蝴蝶，五彩斑斓的翅膀宛如精美的艺术品；再看那盛开的花朵，色彩艳丽，形态各异；还有那晶莹剔透的雪花，每一片都仿佛是一幅冰晶拼图。

如果你仔细观察，就会发现蝴蝶、花朵和雪花的形态和布局都蕴含着对称之美。对称现象是大自然的一种默契，它赋予了万物独特的魅力和平衡感。对称是事物、现象、规律、过程等客体，在一定变换条件下的不变性。

对称有多种形式，如雪花的中心对称和花朵的辐射对称等。很多鱼类、昆虫等都表现出明显的镜面对称（也称轴对称），它们的身体两侧在形态、颜色等方面几乎完全相同。在我们的身体上也有一种有趣的对称现象。我们的左手和右手看似一模一样，互成镜像，但如果把一只手叠放到另一只手上，它们无法重合。这种一个物体不能与其镜像重叠的现象就被称为手性。

生命体中的手性

自然界的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。手性不仅出现在宏观的物质结构中，在生命体中的微观结构中，手性也发挥着重要的作用。构成生命体系的生物大分子大多具有手性。例如，地球上自然存在的糖以及核酸、淀粉、纤维素中的糖单元都为D型（右型），而组成生命基元的氨基酸绝大多数为L型（左型）。

一旦人体中生物分子的手性结构发生异变，将造成多种生理障碍。例如，右旋的B-DNA是人体内具有生物活性的DNA双螺旋结构之一，它们负责复制和转录遗传信息。在一定条件下它们会异变为左旋的Z-DNA，从而可能激活某些致癌基因。

▲ B-DNA和Z-DNA

左手”天使“，右手”魔鬼“

具有手性的化合物一般有特殊的性能和用途。许多药物分子都具有手性，这些手性分子的一对对映体通常显示不同的生物活性。手性药物在临床上的应用非常广泛，目前，临床上50%的药物是手性药物。如果忽视了药物的手性，就会导致严重的后果。

20世纪60年代，曾经出现了一种治疗妊娠反应的药物沙利度胺。沙利度胺包含一对手性对映体，R-沙利度胺可作为孕妇镇静剂和止痛剂，而其手性对映体S-沙利度胺则会导致胎儿畸形。但是，生产该药物的企业没有将这一对手性分子拆分开，因孕妇服用沙利度胺导致畸形的婴儿有数千名之多，酿成了制药史上的悲剧。

▲手性分子

秉承自然手性精细构型的水凝胶生物材料

几十年来，科学家开展了关于手性分子、手性药物对生命体影响机制的研究，探索发展了多种手性超分子体系，相关研究也两度获得诺贝尔化学奖。2001年，日本化学家野依良治和美国化学家威廉 ·诺尔斯、巴里·夏普莱斯因手性催化剂的开发获得诺贝尔化学奖。2021年，德国化学家本杰明 ·利斯特和美国化学家戴维·麦克米伦因在不对称有机催化的发展方面所做出的开创性贡献获得诺贝尔化学奖。

生命体内的手性结构具有多样化和长程有序的结构特征，它为生物材料学家提供了先进的构筑模板。超分子组装是仿生生命体手性结构最有效的方法之一，但传统超分子体系由于分子基元长程无序排列，手性特征难以逐级传递。

上海交通大学材料科学与工程学院冯传良教授带领团队开展了十余年的研究，突破了传统基元难以再现生命体手性精细构型的设计瓶颈，提出了“对称手性传递”的超分子组装机理，揭示了自然手性结构精细构型的形成机制，发现了手性结构决定细胞命运的生物功能，推动了超分子化学和生物材料领域的创新发展。机理，解决了手性从分子层级性微纳结构跨尺度传递难的问题，制备了系列组分可调、结构可控的中心对称构型手性分子。通过分子间氢键调控、配位键调控、手性位点调控、路径调控，研究团队实现了对生命体多构型手性结构的精准仿生。

研究团队将具有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。他们发现，手性结构中的手性分子对细胞黏附生长有重要影响，左旋分子能促进细胞黏附、增殖。细胞在左旋结构中的生长量比右旋多了至少 260%，比细胞在不同手性单分子层上的黏附量提高了约 74倍。同时，左旋结构更易于与纤连蛋白作用。这些结果揭示，手性结构精细构型决定细胞命运——左旋结构、右旋结构各自扮演不同角色。

手性水凝胶结构与皮肤组 织胶 原蛋白具有高度相似性，生物相容性良好，在促进组织及血管再生等方面具有独特优势。 此外，手性水凝胶能高效促进糖尿病创面愈合。 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，该研究成果相关专利技术已落地转化，有多种手性创面敷料问世，为糖尿病患者创面愈合提供帮助。

本文相关成果“秉承自然手性精细构型的水凝胶生物材料”荣获2022年度上海市自然科学奖一等奖。

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