纳米人编辑部对2019年国内外重要科研团队的代表性重要成果进行了梳理，今天，我们要介绍的是美国科学院院士、美国工程院院士、美国医学院院士、美国艺术与科学院院士，中国科学院外籍院士，美国西北大学化学系、医学系以及材料工程系Chad A. Mirkin教授。
Chad A. Mirkin教授是纳米科学与技术、生物医学工程等领域的国际顶尖专家。他在球形核酸分子的合成与应用、蘸笔纳米印刷术以及超分子化学领域都取得了非常显赫的原创性科技成就并对这些领域的发展产生了深邃的影响。
Chad A. Mirkin课题组主要研究领域包括：
1. 球形核酸
2. 各向异性纳米结构
3. 可编程纳米材料
4. 蘸笔纳米印刷
5. 有机金属化学
下面，我们简要总结了Chad A. Mirkin教授课题组2019年部分研究成果，供大家交流学习。
1）仅限于通讯作者文章，以online时间为准。
2）由于学术有限，所选文章及其表述如有不当，敬请批评指正。
以下篇幅分六个部分展开
Part Ⅰ 3D打印
Part Ⅱ 纳米合金合成
Part Ⅲ DNA可编程纳米技术
Part Ⅳ 核酸技术与细胞蛋白质工程
Part Ⅰ 3D打印
1. Science：流动液体界面实现快速、大规模3D打印
3D打印是快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术，然而，受打印速度、产量和分辨率的限制，目前仍未大规模应用。
有鉴于此，美国西北大学Chad A. Mirkin等人近日设计开发了一种用于聚合物组分的立体凹版三维打印方法，该方法使用一个移动的液体界面(一种氟化油)来减少界面和打印对象之间的粘附力，从而允许一个连续的、快速的打印过程，而不考虑聚合物前驱体，连续的垂直打印速率超过每小时430毫米，并且打印了由硬塑料、陶瓷前体和弹性体制成的材料。该工作是3D打印技术的革命性突破！有利于推动3D打印技术的应用。
David A. Walker, James L. Hedrick, Chad A. Mirkin. Rapid, large-volume,thermally controlled 3D printing using a mobile liquid interface. Science,2019.
https://science.sciencemag.org/content/366/6463/360
Part Ⅱ 纳米晶合成
2. Science：七种元素把合金进行到底！
随着多相，多元纳米颗粒的发展趋向于更大的组成多样性和结构复杂性，理解如何在一个粒子中建立特定类型的界面，对于设计新型功能性纳米结构至关重要。目前，合成多元纳米异质结的策略很多，但是对于其中的热力学相仍然知之甚少，对于为什么形成特定结构，表面和界面能量在控制形成特定结构中的所起的作用尚不明了。
有鉴于此，美国西北大学Chad A. Mirkin团队报道了一种七元合金的相和界面的控制合成策略，揭示了表面和界面能量之间的平衡如何影响相和界面结构。研究人员使用扫描探针嵌段共聚物光刻（SPBCL）技术，基于Au，Ag，Cu，Co, Ni五种元素，在纳米反应器中与PdSn合金系统性构建形成多元金属纳米颗粒数据库。研究表明，三相纳米粒子具有两个或三个界面结构，四相纳米粒子表现出多达六个界面。这项研究为多元异质结的构建提供了更系统的理论指导，为金属纳米异质结在催化、电子器件等领域的应用提供了更多借鉴。
Peng-Cheng Chen, Chad A.Mirkin et al. Interface and heterostructure design in polyelementalnanoparticles. Science 2019, 363,959-964.
http://science.sciencemag.org/content/363/6430/959
3. Science：二十四面体高指数晶面纳米颗粒合成普适性策略
美国西北大学Chad A.Mirkin团队在硅晶片上合成了由铂（Pt），钯，铑，镍和钴组成的二十四面体颗粒（约10至约500nm）以及双金属组合物，并且在无配体的催化载体上实现了合成，通过固态反应使用微量元素[锑（Sb），铋（Bi），铅或碲]来稳定高指数面,。模拟和实验都证实了这种方法稳定了{210}平面。
对PtSb体系的研究表明，二十四面体形状是由Sb从初始合金中蒸发去除产生的 ，形状调节过程与溶液相，配体依赖性过程根本不同。通过采用Bi转化成二十四面体颗粒后，在商用Pt/C催化剂电氧化甲酸的固定电位下，其电流密度增加了20倍。
Liliang Huang et al. Shape regulation of high-index facet nanoparticlesby dealloying. Science 2019,365, 1159-1163.
https://science.sciencemag.org/content/365/6458/1159
ACS Nano: 各向异性纳米反应器中大规模并行合成纳米颗粒
Liban Jibril, et al.Massively Parallel Nanoparticle Synthesis in Anisotropic Nanoreactors. ACS Nano2019 13 (11), 12408-12414
https://doi.org/10.1021/acsnano.9b05781
Part Ⅲ DNA可编程纳米技术
4. Science：胶体晶体中电子的粒子类似物
纳米粒子的结晶可以通过DNA链的功能化来控制，DNA链通过杂交直接组装。在这样的体系中，DNA纳米颗粒偶联物被认为是可编程原子等价物（PAEs），并且设计规则来设计结晶结果。受到分子动力学模拟的启发，西北大学Chad A. Mirkin和MonicaOlvera de la Cruz等人表明，当减小尺寸（约1.5nm）和DNA嫁接密度时，PAEs表现为电子等价物（EEs），可以稳定较大PAEs (约10nm) 的晶格，这些较小的粒子在晶格中是可移动和扩散的，因此键的相互作用类似于金属中电子的经典现象。
这一发现定义了胶体晶体的一种新特性：金属性，由EEs的离域和扩散程度表征可得。随着DNA股数的增加或温度的降低，EEs局部化，这在结构上使人想起金属-绝缘体转变。因此，胶体晶体的金属性为金属、金属间和化合物相提供了新的途径。
Chad A. Mirkin, MonicaOlvera de la Cruz, et al., Particle analogs of electrons in colloidal crystals.Science 2019, 364, 1174-1178
https://science.sciencemag.org/content/364/6446/1174
5. Nature Rev. Mater.：DNA用于晶体工程
此篇综述中，美国西北大学化学系教授Chad A. Mirkin等人回顾了过去20年中对晶体工程进行基因编码的相关研究。与用于生物过程的基因编码不同，这种编码是指：采用人工合成的DNA，对纳米颗粒、微米颗粒组装成1D/2D/3D晶态结构的过程进行程控。值得注意的是，这种方法对产物结构的几乎所有指标都能系统地控制。在此概念框架下，作者总结了结构与功能调控方面的进展，尽可能展现了最前沿的相关研究工作，并预测了未来发展方向。
相关的研究进展主要包括：1.晶格对称性可程控+晶体习性明确的奇异结构；2.利用核酸的内在特性来按需操纵结构的响应材料；3. 从表面外延生长的纳米粒超晶格；4. 对光-物质相互作用提供深入认知的胶体晶体。展望未来，作者认为，虽然DNA用于晶体工程在结构控制方面具有非凡优越性，但其在制备性质超越天然晶体材料/传统策略所制备材料的功能材料方面仍存在挑战。
Laramy C R, O´Brien M N & Mirkin C A. Crystal engineering with DNA. NatureReviews Materials, 2019.
https://www.nature.com/articles/s41578-019-0087-2
6. JACS: 胶体晶体“合金”
Chad A. Mirkin等人报道了“胶体晶体合金”的设计，即将两种不同大小的金粒子（5nm -40nm）与作为电子等价物（EEs）的互补DNA修饰的2 nm金纳米粒子（15条DNA链/粒子）结合起来，以用于预测的“合金”相的形成过程。
Shunzhi Wang, et al.Colloidal Crystal “Alloys”. Journal of the American Chemical Society 2019 141(51), 20443-20450
https://doi.org/10.1021/jacs.9b11109
AM: DNA和磁场介导的磁性纳米颗粒组装成高长径比晶体
Park, S. S., Mirkin, C.A., et al. DNA‐ and Field‐MediatedAssembly of Magnetic Nanoparticles into High‐AspectRatio Crystals. Adv. Mater. 2019, 1906626.
https://doi.org/10.1002/adma.201906626
JACS:多价阳离子激发DNA介导的胶体超晶格
Devleena Samanta, et al.Multivalent Cation-Induced Actuation of DNA-Mediated Colloidal Superlattices.Journal of the American Chemical Society 2019 141 (51), 19973-19977
https://doi.org/10.1021/jacs.9b09900
另：
Part Ⅳ 核酸技术与细胞蛋白质工程
7. Nature Biomed.Eng.: 通过高通量筛选和机器学习探索纳米药物设计空间
由于纳米医学的结构复杂性和缺乏相关的高通量合成和分析方法，纳米医学设计空间中只有很小一部分已经被探索。于此，西北大学Chad A. Mirkin, AndrewLee, Neda Bagheri和Milan Mrksich等人报道了一种用于确定球形核酸（SNAs）的结构-活性关系和设计规则的方法，而SNAs是作为候选的癌症疫苗。该方法是通用的，可以将需要测试的纳米颗粒数量减少一个数量级，并且可以作为开发纳米颗粒疗法的筛选工具。
首先，研究人员根据11个设计参数的合理范围确定了约1000个候选SNAs，这些参数可以系统地、独立地改变，以优化SNA性能。第二，研究人员开发了一种高通量方法，可在384孔规格下以皮摩尔规模制备SNAs，并使用质谱分析法快速测量SNA免疫激活。第三，还使用机器学习对SNA免疫激活进行定量建模，并确定最佳结构-活性关系所需的最小SNA数量。
Yamankurt, G., Berns,E.J., Xue, A. et al. Exploration of the nanomedicine-design space withhigh-throughput screening and machine learning. Nat Biomed Eng 3, 318–327(2019)
https://doi.org/10.1038/s41551-019-0351-1
8. PNAS: 球形核酸合理设计疫苗
尽管佐剂和抗原分子在产生适应性免疫应答中的作用众所周知，但疫苗的开发仍然是一个突出的挑战，特别是对于癌症免疫治疗。西北大学Chad A. Mirkin、Andrew Lee和Bin Zhang等人研究了一组球形核酸（SNAs），其中佐剂、抗原和纳米结构的整体结构得以保留，但在一个关键特征上有所区别：肽抗原的位置和结合化学。通过比较这些成分相同但结构不同的SNAs，研究人员确定了一种在多种动物模型中作为治疗性疫苗具有优异性能的结构，并为改善抗肿瘤免疫反应提供了机制基础；这些结果表明了合理开发SNA疫苗的成功潜力。
Shuya Wang, et al.Rational vaccinology with spherical nucleic acids. Proceedings of the NationalAcademy of Sciences May 2019, 116 (21) 10473-10481
https://doi.org/10.1073/pnas.1902805116
9. AM综述：作为活细胞的胞内探针的核酸平台
细胞在分子水平上的化学成分决定了它们的生长、分化、结构和最终的功能。而对这类成分进行检测分析则可以帮助人们了解细胞内部的化学过程，并有望实现基于分子水平的疾病诊断。近年来，核酸探针已被证明是一种很有应用前途的平台，可以在单细胞分辨率下检测多种活细胞内的分析物。美国西北大学Chad A. Mirkin教授团队对这一领域的最新研究进展进行了介绍，对探针设计的常用策略、靶点的类型、目前的局限性和未来的发展方向进行了详细介绍。
Devleena Samanta, ChadA. Mirkin. et al. Nucleic-Acid Structures as Intracellular Probes for Live Cells. AdvancedMaterials. 2019
https://doi.org/10.1002/adma.201901743
10. JACS: DNA功能化的MOF用于蛋白质的细胞内递送
由于蛋白质体积大、表面带电、对环境敏感，它们不能自然完整地穿过细胞膜，因此很难用于诊断和治疗目的。基于观察到的聚簇寡核苷酸可以自然地参与促进细胞转染的清道夫受体，西北大学Chad A. Mirkin和Omar K. Farha等人分别从NU-1000和PCN-222/MOF-545设计并合成了核酸-金属有机框架纳米粒子（MOF NP）偶联物，并且以磷酸封端的寡核苷酸。
对它们的结构和进入哺乳动物细胞的能力进行表征。MOF作为蛋白质宿主，其密集的功能化、寡核苷酸丰富的表面使其胶体稳定，并确保容易进入细胞。用胰岛素作为模型蛋白，与天然蛋白相比，其高负载量和细胞摄取增加了10倍。重要的是，这种方法可以推广到促进各种蛋白质作为生物探针或潜在治疗剂的递送。
Shunzhi Wang, et al.DNA-Functionalized Metal–Organic Framework Nanoparticles for IntracellularDelivery of Proteins. Journal of the American Chemical Society 2019 141 (6),2215-2219
https://doi.org/10.1021/jacs.8b12705
11. JACS: 无汞自动化合成胍骨架寡核苷酸
Chad A. Mirkin等人报道了一种以碘为温和廉价偶联剂合成脱氧胍（DNG）寡核苷酸的新方法。该方法消除了对用于制备DNG寡核苷酸的方法中历史上使用的有毒汞盐和辛基硫酚的需要。这种偶联策略很容易被转化为标准的MerMade 12寡核苷酸合成器，偶联率为95%，并且能够合成一个20 mer的DNG寡核苷酸，这是迄今为止最长的DNG链，此外还有带有3-9个DNG插入的混合DNA-DNG序列。
重要的是，与未修饰的寡核苷酸相比，DNG寡核苷酸具有强大的非辅助细胞摄取。综上所述，这些发现将大大增加阳离子骨架修饰的可获得性，并有助于开发基于寡核苷酸的药物。
Kacper Skakuj, et al.Mercury-Free Automated Synthesis of Guanidinium Backbone Oligonucleotides.Journal of the American Chemical Society 2019 141 (51), 20171-20176
https://doi.org/10.1021/jacs.9b09937
Acc. Chem. Res.:利用DNA进行蛋白质材料工程
Janet R. McMillan, etal. Protein Materials Engineering with DNA. Accounts of Chemical Research 201952 (7), 1939-1948
https://doi.org/10.1021/acs.accounts.9b00165
另：
此外，Chad A.Mirkin教授课题组在2019年还有关于DNA的其他应用和纳米印刷技术等研究，就不在此一一列举，感兴趣的读者可前往网站进行学习。
课题组网站：https://mirkin-group.northwestern.edu/
Chad A. Mirkin教授简介
