想像一下，一個聚合物和一個小分子會立即組裝成一個靈活但堅固的囊，您可以在其中培養人類幹細胞，從而創建一種微型實驗室。而那個囊，如果用於細胞治療，可以將人體免疫系統中的干細胞隱藏起來，並在到達目的地後進行生物降解，釋放乾細胞發揮作用。
未來派？只是一部分。西北大學醫學生物納米技術研究所的一個研究小組創造了這樣的囊，並證明人類幹細胞會在其中生長。研究人員還報告說，這些囊可以在培養中存活數週，並且它們的膜對蛋白質是可滲透的。蛋白質，即使是大的，也可以自由穿過膜。
這種新的、出人意料的自組裝模式，將於3月28日發表在《科學》雜誌上，也可以生產尺寸和形狀可以定制的薄膜。該方法有望用於細胞治療和其他生物應用，以及通過自組裝設計電子設備，如太陽能電池，以及設計新材料。
“我們從兩個感興趣的分子開始，溶解在水中，然後將兩種溶液結合在一起，”領導這項研究的董事會材料科學與工程、化學和醫學教授 Samuel I. Stupp 說.
“我們原以為它們會混合，但令我們驚訝的是，它們在接觸時立即形成了固體膜。這是一個令人興奮的發現，然後我們開始調查它發生的原因。了解令人驚訝的分子機制更令人興奮。”
其中一個分子是肽兩親物 (PA)，這是 Stupp 七年前首次開發的合成小分子，這在他的再生醫學工作中至關重要。另一個分子是生物聚合物透明質酸 (HA)，它很容易在人體的關節和軟骨等部位找到。 Stupp 最近開始了一項關於軟骨再生醫學的新研究項目，這吸引了他研究透明質酸。
“這是知情發現的一個明顯例子，”醫學生物納米技術研究所所長斯圖普說。 “從我們之前對可導致血管生長的納米結構的研究中，我們知道肽兩親物和生物聚合物之間的相互作用很有趣。我們對透明質酸特別感興趣，因為它在軟骨中的作用，這是一種成年人無法再生的組織，當關節受損時，會給人類帶來悲傷。”
僅使用這兩個分子，Stupp 和他的團隊就可以製造出許多不同的結構，其中最重要的兩個是囊，它們的外部是固體膜，內部是液體，還有任何形狀的扁平膜。研究人員可以使結構變大或變小，用鑷子夾起材料，拉伸它，如果材料撕裂或有其他缺陷，甚至可以通過自組裝輕鬆修復囊。囊也足夠堅固，可以被外科醫生縫合到生物組織上。
大（透明質酸）和小（肽兩親物）分子是通過超分子相互作用而不是通過化學反應聚集在一起的，在其中形成共價鍵。
在平膜的情況下，研究人員將肽兩親物溶液放在淺模具底部，並在頂部添加透明質酸溶液。兩者在接觸時相互作用，形成一個實體。通過改變模具，研究人員產生了各種形狀，包括星形、三角形和六邊形，每種形狀都有兩個化學性質不同的表面。乾燥後，材料堅硬而結實，像塑料一樣。
在創建囊時，研究人員利用了透明質酸（HA）分子比較小的肽兩親物（PA）分子更大更重的事實。在一個深小瓶中，他們倒入 PA 溶液並倒入 HA 溶液。隨著較重的分子下沉，較輕的分子將它們吞沒，形成一個封閉的囊，透明質酸溶液被困在膜內。
形成囊後，Stupp 和他的團隊接下來研究了在培養的囊內被自組裝過程吞噬的人類幹細胞。研究人員發現，這些細胞可以存活長達 4 週，一種大蛋白質--一種在幹細胞信號傳導中很重要的生長因子--可以穿過細胞膜，並且幹細胞能夠分化。
“我們預計基因、siRNA 和抗體也將穿過細胞膜，使這個微型細胞生物學實驗室成為研究或治療的強大設備，”Stupp 說。 “為了開發癌症療法，我們將能夠將細胞限制在囊內，並研究它們對不同類型療法的反應，以及對相鄰囊中不同細胞的信號傳導的反應。”
在自我修復的巧妙演示中，如果囊膜有孔（例如，來自針頭注射），研究人員只需將一滴 PA 溶液滴在淚液上，它與 HA 相互作用內部，導致自組裝和密封孔。
“膜是一種引人入勝且不尋常的結構，具有高度的等級秩序，”斯圖普說。 “膜通過動態自組裝過程生長，該過程產生由兩種分子組成並垂直於膜平面定向的混合納米纖維。這種架構很難在材料中自發獲得。使用正確的化學方法，可以設計厚膜結構以在太陽能電池或納米級催化納米結構柱中獲得電荷導管，從而在任意宏觀尺寸上延伸。”
雖然囊和膜的底層高度有序結構具有納米級的尺寸，但囊和膜本身可以具有任何尺寸並且肉眼可見。
科學論文的標題是“大小分子自組裝成分層有序的囊和膜”。除了 Stupp，其他作者還有西北大學醫學生物納米技術研究所 (IBNAM) 的 Ramille M. Capito（主要作者）、Yuri S. Velichko 和 Alvaro Mata；和來自 IBNAM 和葡萄牙米尼奧大學的 Helena S. Azevedo。
這項研究得到了美國能源部、美國國立衛生研究院和美國國家科學基金會的支持。
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