专栏名称: 生命科学前沿

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他，杰青+长江，北大口腔医院院长，连发Science、Nature！

生命科学前沿 · 公众号 · · 2024-12-28 13:15

正文

邓旭亮 ，男，教授、主任医师，博士生导师。首批教育部长江学者特聘教授，国家杰青，复旦特聘教授。现任北京大学口腔医学院（北京大学口腔医院）院长；北京大学跨学部生物医学工程系常务副系主任。1990.9-1995.6，本科毕业于北京医科大学口腔医学院；1995.9-1999.6 ，硕博连读于北京医科大学口腔医学院。1999.8-至今，在北京大学口腔医院历任主治医师，副主任医师，主任医师，教授。2018.9-至今，北京大学跨学部生物医学工程系，常务系副主任，博士生导师。

邓旭亮教授

邓教授在 口腔修复材料领域 取得了一系列原创性的研究成果，得到国内外同行的高度认可。近年来主持了国家级、省部级科研项目30余项。发表论文250余篇，其中SCI收录论文160余篇，包括Nature、Science、Nat. Mater.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、ACS Nano、Adv. Func. Mater.等，总被引用4534次，授权国家发明专利35项，授权国际专利4项。所研发的系列牙齿与颌骨修复材料取得国药局III类医疗器械注册证，明显提高临床效果。获教育部“高等学校科学研究优秀成果奖”科技进步一等奖1项(第一完成人)，中华口腔医学会科技奖励一等奖1项(第一完成人)，华夏医学科技奖科学技术奖一等奖1项(第二完成人)。获全国优秀科技工作者称号，光华工程科技奖青年奖。在此，我们汇总了邓教授团队的代表性论文与大家一起分享，内容如下，

Nature：高强度自支撑MXene骨再生引导膜材料

发展具有骨再生微环境调控作用的高强度自支撑新型材料是实现高效、安全促成骨的关键策略，具有重要的临床意义和经济价值。目前，临床应用的骨再生引导膜材料虽然具备一定的机械强度，但是不具备调控成骨微环境作用，包括清除活性氧/活性氮（ROS/RNS）等促炎相关分子，限制了其成骨效果。因此，亟待开发兼具骨再生微环境调控作用和力学自支撑的新型材料。碳化钛MXene纳米片具有优异的力学、纳米酶活性、光热转换和生物相容性，是制备高性能纳米复合材料的理想基元。如何将MXene纳米片连续化组装成宏观高性能纳米复合材料，并深入探究其骨再生机制，是实现骨再生应用亟需解决的关键科学问题。

为了实现高性能二维纳米复合薄膜材料的连续化制备， 北京大学口腔医学院邓旭亮教授 和 北京航空航天大学程群峰教授 等人创新性地开发了卷对卷辅助刮涂结合有序界面交联的新策略，即通过卷对卷辅助刮刀涂覆(RBC)与顺序桥接相结合来制造高性能MXene薄膜，在近红外照射下提供良好的光热转换和成骨效率。MXene薄片首先通过氢键与丝胶蛋白桥接，然后使用连续RBC工艺组装成宏观薄膜，然后进行离子桥接以冻结其取向结构。所得大尺寸MXene薄膜具有强层间相互作用，排列整齐、致密性好，具有高抗拉强度（755 MPa）、韧性（17.4 MJ m ^-3 ）和电磁干扰 (EMI) 屏蔽能力（78000 dB cm2 g ^-1 ），以及良好的环境稳定性、光热转换和骨再生性能。该策略不仅为实现MXene在柔性EMI屏蔽材料和骨组织工程领域的实际应用铺平了道路，也为其他二维薄片的高性能和可扩展组装提供了途径。

文献链接： https://www.nature.com/articles/s41586-024-08067-8

Science：史上最强人造牙釉质

牙釉质作为高度矿化的生物组织，几乎可被视为纯无机物，由于缺乏包括细胞在内的生物有机基质，因此无法再生。自恒牙长成的第一天起，牙釉质就在缓慢地消耗着，细菌酵解食物中的糖类物质释放出酸以及酸性饮料都会加速它的消耗。一旦牙釉质的防线被突破，整颗牙就像失去了保护伞。让很多人噩梦般痛苦的蛀牙，都是从牙釉质的破坏开始的。修复牙釉质，堪称是仿生领域一项最“硬核”的挑战。虽然可以通过生物矿化、无机模板合成等方法仿生天然牙釉质的结构，但是由于牙釉质结构的复杂性，目前还无法有效获得与天然釉质多级结构相同的大面积修复层，也并未复刻天然牙齿的各项性能，离临床应用还有较远的距离。

在这项研究中， 北京航空航天大学郭林教授、北京大学口腔医院邓旭亮教授 和 美国密歇根大学 Nicholas A. Kotov教授 合作，通过双向冷冻对齐组装形成了羟基磷灰石纳米线与聚乙烯醇交织的无定形晶间相 (AIP) 涂层，设计出一种具有多尺度高度有序HA层次结构的人造牙釉质（ATE），实现了天然牙的成分、结构（紧密有序）以及性能（力学及再矿化）的完美复刻。要想准确复制如此复杂的分层结构并复刻天然牙齿的各项功能是一项巨大的挑战。为此，研究人员首先通过溶剂热法合成了沿[001] 方向生长，没有明显缺陷的HA纳米线；然后通过 Zr 前体的原位水解，原位生长出厚度约 3 nm 的 ZrO2（A-ZrO2）非晶层。最后，研究人员在聚乙烯醇（PVA）存在下双向冷冻HA@A-ZrO2纳米线分散体，自组装形成纳米线平行排列的宏观复合材料。在冷冻干燥和机械压缩后，获得了致密的人造牙釉质（ATE）。其中，聚二甲基硅氧烷（PDMS）楔产生双向温度梯度，驱动冰晶在垂直和平行方向生长。冰晶的垂直生长迫使HA@A-ZrO2纳米线和PVA占据冰层之间的间隙，平行生长迫使它们获得平行取向。所获得的ATE表现出出色的机械性能，实现了高刚度（105.6 ± 12.1 GPa）、硬度（5.9 ± 0.6 GPa）、强度、粘弹性和韧性的完美组合，不仅超过了已报道的HA 基复合材料和陶瓷-聚合物基复合材料，甚至超过了天然牙釉质。

文献链接： https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj3343

Nat. Mater.：具有多尺度界面交联的异相薄片增强氧化石墨烯块材料

氧化石墨烯（GO）和还原GO具有强大的机械、电学和化学性能，与其有关的纳米复合材料已被广泛探索用于不同领域。然而，由于GO纳米片具有高柔性和较弱的层间相互作用，GO基复合材料的弯曲力学性能，特别是在块体材料中，在很大程度上受到了限制，阻碍了其在实际应用中的性能。

受珍珠层血小板内异相的无定形/结晶特征的启发， 北京航空航天大学郭林教授/董雷霆教授 和 北京大学口腔医院邓旭亮教授 等人提出了一种厘米级的GO基块体材料，该材料由GO和无定形/晶体片状MnO2六边形纳米片的构建块组成，这些纳米片再进一步与聚合物基交联剂粘附在一起。不仅如此，研究还将这些构建块堆叠并热压，在层之间进一步交联以形成基于GO/MnO2的层状（GML）块体材料。所得到的GML块体材料显示出高达231.2 MPa的弯曲强度。此外，该材料在重量较轻的同时还表现出足够的断裂韧性和强的抗冲击性。实验和数值分析表明，有序的异相结构和跨多尺度界面的协同交联相互作用使材料具有优异的力学性能。这些结果有望为结构材料的设计以及高性能GO基块体材料在航空航天、生物医学和电子领域的潜在应用提供深刻的见解。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41563-022-01292-4

Nat. Commun.：多级次结构设计构筑力学性能匹配的牙修复材料

牙釉质是一种具备明显结构特征的天然生物材料，包裹在牙齿的外表面，是保护牙齿咬合系统避免承受持续冲击和剪切载荷的屏障。遗憾的是，牙釉质的成熟和矿化仅在发育过程中完成，一旦受到损伤或破坏后将无法继续再生，因而急需研发牙修复材料。目前的牙修复材料因其内部结构组分简单，其力学性能与天然牙釉质不匹配，导致治疗效果有待进一步改善。例如，常用的氧化锆陶瓷牙修复材料，它的硬度和模量较好，可以满足咀嚼的需求，但是其韧性和粘弹性不足，易崩瓷，且硬度是天然牙釉质的5-10倍，严重的力学失配会对健康牙齿造成严重的磨损；常用的树脂牙修复材料，它的韧性较好，但是其强度和刚度不足，对咀嚼硬物造成影响。理想的牙修复材料应该具有和天然牙釉质匹配的力学性能，这样才能保证材料在使用过程中既能维持正常的咀嚼咬合功能，又能不损害邻牙，实现“修牙护牙”的目的。因此，如何研发具有与天然牙釉质匹配的力学性能（刚度、硬度、粘弹性等）的牙修复材料是一个巨大的挑战。

为了解决上述问题， 北京航空航天大学郭林教授、江雷院士 团队联合 北大口腔医院邓旭亮教授 团队等人创造性地采取可控离子水解-湿法纺丝-磁场辅助双向冷冻的三步走策略，成功研制具有和天然牙釉质多级次结构及无机组分高度一致的类牙釉质复合材料（HEA），并实现其力学性能和天然牙釉质的匹配。受天然牙釉质的多级次结构和组分的启发，研究者以表面包覆非晶Mg3(PO4)2和FePO4的羟基磷灰石纳米线（HA@Mg/Fe-AIP）为基础结构单元，通过湿法纺丝技术进行预组装得到微米簇；以聚乙烯醇为有机相对微米簇进行磁场辅助双向冷冻组装，最终得到具有和天然牙釉质多级次结构及无机组分高度一致的类牙釉质复合材料。力学测试表明，HEA具有和天然牙釉质匹配的刚度（84.3 GPa）、硬度（3.9 GPa）、粘弹性（4.2 GPa），实现良好咀嚼功能的同时不损伤健康牙釉质，性能优于现有牙修复材料以及文献报道的其他类牙釉质材料，这主要是因为HEA和天然牙釉质之间的结构和组分高度相似，使得HEA表现出和天然牙釉质相似的力学行为，从而实现了生物力学性能的匹配。材料内部存在的多级次界面增强作用以及滑移拔出机制赋予材料优异的耐久性以及出色的强度和韧性，为新一代仿生牙修复材料和工程材料的研发提供了设计基础。

文献链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-54576-5

Nat. Commun.：原位激活柔性磁电膜可增强骨缺损修复

对于在共病条件下的骨缺损修复，使用可以非侵入性调节的生物材料是非常可取的，这可以避免进一步的并发症并促进成骨。然而，在临床应用中，用刺激响应材料实现有效的成骨仍然是一个巨大的挑战。在此， 北京大学口腔医院邓旭亮教授/张学慧副研究员、华中科技大学陈莉莉教授 和 中山大学黄厚兵教授 等人发展了掺杂有极化CoFe2O4@BaTiO3/聚（偏二氟乙烯-三氟乙烯）[P（VDF-TrFE）]核壳颗粒的复合膜，其具有高磁电转换效率，可用于激活骨再生。CoFe2O4核上的外磁场力传导可以增加BaTiO3壳层上的电荷密度，并增强P（VDF-TrFE）基体中的β相变。这种能量转换增加了膜表面电位，从而激活了成骨作用。对雄性大鼠的颅骨缺损实验表明，即使地塞米松或脂多糖诱导的炎症引起成骨抑制，在膜上重复施加磁场也能增强骨缺损修复。本研究提供了一种利用刺激响应磁电膜有效激活原位成骨的策略。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-39744-3

Nat. Commun.：突变RIG-I可通过激活circRIG-I信号通路增强癌症相关炎症

RIG-I/DDX58在宿主先天免疫中起着关键作用。然而，它对炎症相关癌症的治疗潜力仍有待探索。在此项研究中， 北京大学口腔医院邓旭亮教授/张学慧副研究员/吕丹教授 和 尹玉新教授 等人确定了发生在癌症患者中的RIG-I的移码种系突变。因此，携带移码突变Rig-i的Rig-ifs/fs小鼠表现出对结肠炎相关结肠癌癌症的易感性增加以及对化学物质、病毒或细菌的炎症反应增强。除了中断Rig-i mRNA翻译外，Rig-i突变还改变了Rig-i前mRNA的二级结构，并削弱了其与DHX9的结合，从而诱导Rig-i转录物产生环状RNA（命名为circRIG-I）。CircRIG-I在结肠癌中经常上调，其上调预测结肠癌癌症的不良结局。从机制上讲，circRIG-I与DDX3X相互作用，DDX3X反过来刺激MAVS/TRAF5/TBK1信号级联，最终激活IRF3介导的I型IFN转录并加重炎症损伤。相反，全反式视黄酸作为DHX9激动剂，可通过抑制circRIG-I的生物发生来改善免疫病理。总之，该研究成果提供了对突变RIG-I作用的深入了解，并提出了治疗结肠癌的潜在策略。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-34885-3

Angew：亚纳米线调控聚合物基纳米复合材料的力学和光学性能

亚纳米线（SNW）由于其高比表面积、高柔性以及在尺寸上与聚合物链相似，在纳米复合材料中表现出巨大的应用潜力，是连接无机材料和聚合物材料的良好切入点。在此， 北京大学口腔医院邓旭亮教授/卫彦教授 和 清华大学王训教授 等人通过简单混合羟基磷灰石纳米线和聚酰亚胺（PI），合成了羟基磷灰石纳米线（HAP-SNW）和工程羟基磷灰石纳米线/聚酰亚胺（HSP）凝胶/薄膜。得益于HAP-SNW和PI之间的相互作用，这些纳米复合材料形成了连续的杂化网络。随着HAP-SNW含量的增加，HSP凝胶的粘度和模量比PI凝胶显著提高了一到两个数量级。研究显示，HSP膜不仅保持了高透明度，而且获得了高雾度，并且表现出增强的杨氏模量。因此，本工作中开发的HSP凝胶/薄膜在涂料和高性能薄膜中的各种应用都很有前景。

文献链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202214571

Adv. Mater.：多功能PtCuTe纳米片强大的ROS清除能力和ROS非依赖性抗菌性能促进糖尿病伤口愈合！

纳米酶作为一种最有效的清除活性氧(ROS)的生物材料，在促进糖尿病创面愈合方面受到广泛关注。尽管最近试图提高铂基纳米酶的催化效率(例如，PtCu，最好的体系之一)，但它们对ROS的清除能力仍然非常有限，对细菌或免疫细胞的ROS依赖的抗菌作用，导致不受控制和糖尿病伤口愈合不良。

北京大学邓旭亮/郭少军/江久汇 &华中科技大学陈莉莉 等人报道了一类新型多功能PtCuTe纳米片，它具有良好的催化、抗菌、促血管生成、抗炎和免疫调节性能，可促进糖尿病创面的愈合。证明了PtCuTe纳米片比PtCu纳米片具有更强的ROS清除能力和更好的抗菌效果。该研究还发现，PtCuTe可以促进血管形成，刺激巨噬细胞向M2表型极化，并改善成纤维细胞的流动性，优于传统的PtCu。此外，PtCuTe促进了不同单元类型之间的串扰，形成了正反馈环路。因此，PtCuTe刺激了具有相关细胞群的生殖环境，以确保正常的组织修复。利用糖尿病小鼠模型，证明了PtCuTe显著促进了高度血管化的皮肤的再生，第8天创面闭合率超过90%，在已报道的可比多功能生物材料中是最好的。

文献链接： https://doi.org/10.1002/adma.202306292

Adv. Mater.：迄今为止性能最好的仿生种植体周围人工韧带！

具有优异机械强度和抗疲劳性的金属植入物是重建生理功能的硬组织替代物的主要选择。植入物的首要要求是骨整合，它实现了与周围骨骼的锚固，以支持日常的承重应用。然而，在长期的使用过程中，已建立的骨整合可能会被过载严重破坏，这是后来植入物失效的主要风险。因此，设计一种能量耗散的植入物来消除过载损伤是一种很有前途的预防骨损伤的策略。然而，现有的种植体只能单独实现骨整合或能量消散。在发展金属植入物作为永久性硬组织替代物的过程中，既需要骨整合来实现承重支撑，也需要能量消耗来防止超负荷引起的骨吸收。然而，在现有的植入物中，这两种特性只能单独实现。经过自然进化的优化，具有纤维束结构的牙齿-牙周韧带（PDLs）可以有效地协调承载和能量消耗，从而使牙齿-骨复合体在极高的咬合载荷(>300N)下拥有更长的寿命。

受牙周组织的启发， 北京大学口腔医学院邓旭亮教授、卫彦教授 和 北京航空航天大学 的 郭林教授、加利福尼亚大学伯克利分校 Robert O. Ritchie教授 等人通过聚合物浸润无定形二氧化钛纳米管阵列，模拟牙周组织结构，设计制备出仿生种植体周围的人工韧带（PIL），同时实现了骨整合和能量耗散。人工韧带不仅由于其纳米结构和成分提供了优异的成骨诱导性，而且由于力传递模式和界面滑动的复杂性，也产生了类似牙周组织的能量耗散效应。韧带增加了超过18%的骨-种植体接触面积，同时减少了从种植体到种植体周围骨的有效应力转移≈30%（与钛植入物相比），这是迄今为止性能最好的结构。预计人工韧带的概念将为开发高性能的植入材料和延长寿命开辟新的可能性。

他，杰青+长江，北大口腔医院院长，连发Science、Nature！

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