Academic Report

主要作者及机构

本研究的主要作者包括 Reshma Kadam、Marina Zilli、Michael Maas 和 Kurosch Rezwan。研究工作由 University of Bremen（德国不莱梅大学）和 MAPEX Centre of Materials and Processes 共同完成。其中，Michael Maas 和 Kurosch Rezwan 分别隶属于 Advanced Ceramics 实验室以及 MAPEX Centre of Materials and Processes。研究发表于《Particle & Particle Systems Characterization》，文章编号为 1700332，出版时间为 2018 年。

研究的学术背景及目标

本研究属于纳米材料领域，重点探讨 Janus 纳米颗粒的表面双功能化。这种颗粒由著名科学家 Pierre-Gilles de Gennes 在其 1991 年诺贝尔奖获奖演讲中首次提出，其定义为在单个颗粒上具有空间分隔的双侧表面功能，可实现不同功能的协同操作。此前的研究表明，Janus 颗粒在生物医学应用，如细胞靶向、成像、免疫调控以及药物递送等方面前景广阔。

尽管微米级 Janus 颗粒的生物功能化已经取得一定进展，目前对尺度较小的纳米级 Janus 颗粒的双功能化研究较少，而双功能化技术在精准靶向和诊断治疗一体化（Theranostic Nanomedicine）领域具有重要意义。本研究的目标是开发一种可扩展的方法，在纳米级（小于 100nm）的 Janus 颗粒上实现双蛋白功能化，以此作为研究该方法应用潜能的平台。

研究方法与流程

1. 样品制备与表面功能化

研究首先通过已建立的溶胶-凝胶（Sol-Gel）涂层法将二氧化硅纳米颗粒（SiNPs）表面功能化，附着上叠氮硅烷（Azidosilane）。通过动态光散射（DLS）检测，颗粒的初始粒径为 80 ± 20 nm，功能化后略微增大为 90 ± 10 nm，同时带负电荷（ζ电位约 -25mV）。通过透射电镜（TEM）确认功能化后的颗粒形貌。

2. Pickering 乳液形成

利用 Pickering 乳液法，将功能化 SiNPs 分散于溶有熔融蜡的水溶液中形成乳化液。加入阳离子型表面活性剂 CTAB（十六烷基三甲基溴化铵）以增强颗粒的疏水性。蜡液滴的粒径在 10-60 µm 之间，通过扫描电镜（SEM）观察表面覆盖了一层相对不规则的 SiNPs 单分子层。

3. 双功能化

利用叠氮硅烷功能化的一面，通过点击化学（Click Chemistry）与乙炔修饰的铁蛋白（Ferritin）连接；而通过生物素-聚乙二醇-乙氧基硅烷（Biotin-PEG-Silane）修饰另一面，并利用金标链霉亲和素（Streptavidin）进行连接。这种组合策略实现了 Janus 颗粒的双蛋白功能化。其中，铁蛋白的核心含氧化铁，金标链霉亲和素则标记了超小金纳米颗粒，在 TEM 下表现出明显对比标记。

4. 分散性与界面表征

颗粒的分散性通过 Zeta 电位测量及 DLS 确认。Janus 颗粒表现出较低的负电荷，但仍保持足够的稳定性。此外，通过悬滴张力计和2D 弹性模量测量其表面活性，半功能化和全功能化颗粒在空气/水界面显示了弹性与粘性特性的显著提升，尤其是双蛋白 Janus 颗粒展现出更高的界面弹性。

5. 统计分析与成功率评估

通过 TEM 微观图像，研究统计了具有双蛋白功能化特征的 Janus 颗粒比例。结果表明，双功能化的成功率为 24%，另一种颗粒带单蛋白修饰的比例为 60%，未显示功能化迹象的则占 16%。

主要研究结果

1. 双蛋白功能化的实现： 成功在 80 nm 和 150 nm 的 SiNPs 上开发了可操作的双蛋白功能化方法，包括叠氮功能化和生物素功能化的双侧化学修饰，且每步功能化过程均通过量化分析和电镜表征得以验证。

2. 界面活性与吸附性能： 生物功能化后的 Janus 颗粒表现出更强的界面活性，尤其在空气/水界面上的表现，表明颗粒的双面功能可能对细胞膜交互等生物系统具有显著作用。

3. 规模化生产潜力： 采用 Pickering 蜡乳液法和点击化学相结合的策略，证明此方法可产出克级数量的 Janus 粒子。适当优化工艺有望在工业生产领域实际应用。

研究结论与意义

本研究提出了一种通用、可扩展的方法，用于在单个纳米颗粒表面实现个体分隔的双蛋白功能化。此方法温和可操作，适用于生物分子功能化，并展示了针对 Janus 纳米颗粒的深度表征，以验证其潜在生物医学或诊断应用。研究提供了一种创新性平台，可用于细胞靶向、纳米级药物运输以及多功能生物界面的构建，是 Janus 纳米颗粒在纳米生物界面应用中的关键进步。

研究亮点

• 新方法建立：提出了结合 Pickering 乳液法与点击化学的方法，具有创新性且具有规模化生产能力。
• 双蛋白功能化：首次在小于 100 nm 的 Janus 颗粒上成功实现双侧蛋白功能成分的选择性连接。
• 界面物理性能：通过悬滴张力实验，系统揭示了界面弹性与颗粒双面功能的内在联系。
• 适用性验证：不同粒径的纳米颗粒均采用此技术成功实现功能化，验证了方法的通用性。

进一步的优化方向

研究中部分功能化步骤的效率如逻辑分离或蜡去除等仍有优化空间。此外，提高双功能化的最终成功率对于实现其在实际生物医学中的应用至关重要。

文章价值

此研究填补了对纳米级 Janus 颗粒双功能化的研究空白，展示了一种通用且有效的功能化策略，并提供了丰富的数据支持。它为未来生物工程与纳米技术的交叉研究提供了强有力的理论基础和技术平台。