发布时间：2024-06-06 17:00:43 栏目：生活
让开，石墨烯。实验室里出现了一种新型改良的二维材料。硼墨烯是 2015 年首次合成的原子级薄硼，比碳的二维版本石墨烯导电性更强、更薄、更轻、更坚固、更柔韧。现在，宾夕法尼亚州立大学的研究人员通过赋予这种材料手性(或手性)，使其具有更大的应用潜力，可用于制造先进的传感器和可植入医疗设备。这种手性是通过一种以前从未在硼墨烯上使用过的方法诱导的，使这种材料能够以独特的方式与不同的生物单元(如细胞和蛋白质前体)相互作用。
该团队由 Dipanjan Pan、Dorothy Foehr Huck & J. Lloyd Huck 纳米医学讲席教授以及材料科学与工程和核工程教授领导，他们在ACS Nano上发表了他们的研究成果——他们称这是同类研究中的首例 。
“硼烯是一种非常有趣的材料，因为它与碳非常相似，包括原子量和电子结构，但具有更显著的特性。研究人员才刚刚开始探索其应用，”潘说。“据我们所知，这是第一项了解硼烯生物相互作用的研究，也是第一份将手性赋予硼烯结构的报告。”
手性是指相似但不完全相同的物理特性，例如左手和右手。在分子中，手性可以使生物或化学单元以两种无法完美匹配的形式存在，例如左手套和右手套。它们可以精确地互相映射，但左手套永远无法像适合左手那样适合右手。
硼墨烯具有多态结构，这意味着硼原子可以以不同的结构排列，从而赋予其不同的形状和特性，就像同一组乐高积木可以拼成不同的结构一样。这使得研究人员能够“调整”硼墨烯，使其具有各种特性，包括手性。
“由于这种材料作为可植入传感器的基质具有巨大的潜力，我们想了解它们暴露在细胞中时的行为，”潘说。“我们的研究首次表明，硼烯的各种多态结构与细胞的相互作用不同，它们的细胞内化途径由其结构独特决定。”
研究人员利用溶液状态合成法合成了硼烯血小板(类似于血液中的细胞碎片)，即将液体中的粉末状材料暴露于一种或多种外部因素(例如热或压力)中，直到它们结合成所需的产品。
“我们通过对硼粉施加高能声波来制造硼墨烯，然后将这些薄片与液体中的不同氨基酸混合以赋予手性，”潘说。“在这个过程中，我们注意到氨基酸中的硫原子比氨基酸的氮原子更倾向于粘附在硼墨烯上。”
研究人员发现，某些氨基酸(如半胱氨酸)会根据其手性与硼烯结合在不同的位置。研究人员将手性化的硼烯片状体暴露在培养皿中的哺乳动物细胞中，并观察到它们的手性改变了它们与细胞膜的相互作用以及进入细胞的方式。
潘表示，这一发现可能为未来的应用提供参考，例如开发更高分辨率的对比医学成像，以精确追踪细胞相互作用，或通过精确定位材料与细胞之间的相互作用实现更好的药物输送。他说，至关重要的是，了解材料如何与细胞相互作用——并控制这些相互作用——有朝一日可能会带来更安全、更有效的植入式医疗设备。
“硼墨烯的独特结构可以实现有效的磁和电子控制，”潘说，并指出这种材料还可以在医疗保健、可持续能源等领域有更多应用。“这项研究只是个开始。我们正在进行几个项目，以开发硼墨烯的生物传感器、药物输送系统和成像应用。”
除潘之外，这项研究的其他作者还包括核工程博士后研究员特蕾莎·阿迪亚 (Teresa Aditya);研究期间担任宾夕法尼亚州立大学核工程研究助理教授、现任印度科学教育与研究学院助理教授的帕里克希特·莫伊特拉 (Parikshit Moitra);研究期间担任宾夕法尼亚州立大学研究科学家、现任约旦科技大学助理教授的玛哈·阿拉菲夫 (Maha Alafeef);以及宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程研究生助理大卫·斯克罗兹基 (David Skrodzki)。
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