我國科學家在仿生手性超分子水凝膠材料研究方面取得 了重要進展，為再生醫學和干細胞治療開辟了新方向。

對稱與手性

▲ 蝴蝶的對稱之美

自然界宛如一位神奇的藝術家，用那獨特的筆觸勾勒出一幅幅美麗的畫卷。看那翩翩起舞的蝴蝶，五彩斑斕的翅膀宛如精美的藝術品；再看那盛開的花朵，色彩艷麗，形態各異；還有那晶瑩剔透的雪花，每一片都仿佛是一幅冰晶拼圖。

如果你仔細觀察，就會發現蝴蝶、花朵和雪花的形態和布局都蘊含著對稱之美。對稱現象是大自然的一種默契，它賦予了萬物獨特的魅力和平衡感。對稱是事物、現象、規律、過程等客體，在一定變換條件下的不變性。

對稱有多種形式，如雪花的中心對稱和花朵的輻射對稱等。很多魚類、昆蟲等都表現出明顯的鏡面對稱（也稱軸對稱），它們的身體兩側在形態、顏色等方面幾乎完全相同。在我們的身體上也有一種有趣的對稱現象。我們的左手和右手看似一模一樣，互成鏡像，但如果把一只手疊放到另一只手上，它們無法重合。這種一個物體不能與其鏡像重疊的現象就被稱為手性。

生命體中的手性

自然界的生命體經億萬年進化出的手性結構在維持正常生理功能中發揮著不可或缺的作用。手性不僅出現在宏觀的物質結構中，在生命體中的微觀結構中，手性也發揮著重要的作用。構成生命體系的生物大分子大多具有手性。例如，地球上自然存在的糖以及核酸、淀粉、纖維素中的糖單元都為D型（右型），而組成生命基元的氨基酸絕大多數為L型（左型）。

一旦人體中生物分子的手性結構發生異變，將造成多種生理障礙。例如，右旋的B-DNA是人體內具有生物活性的DNA雙螺旋結構之一，它們負責復制和轉錄遺傳信息。在一定條件下它們會異變為左旋的Z-DNA，從而可能激活某些致癌基因。

▲ B-DNA和Z-DNA

左手”天使“，右手”魔鬼“

具有手性的化合物一般有特殊的性能和用途。許多藥物分子都具有手性，這些手性分子的一對對映體通常顯示不同的生物活性。手性藥物在臨床上的應用非常廣泛，目前，臨床上50%的藥物是手性藥物。如果忽視了藥物的手性，就會導致嚴重的后果。

20世紀60年代，曾經出現了一種治療妊娠反應的藥物沙利度胺。沙利度胺包含一對手性對映體，R-沙利度胺可作為孕婦鎮靜劑和止痛劑，而其手性對映體S-沙利度胺則會導致胎兒畸形。但是，生產該藥物的企業沒有將這一對手性分子拆分開，因孕婦服用沙利度胺導致畸形的嬰兒有數千名之多，釀成了制藥史上的悲劇。

▲手性分子

秉承自然手性精細構型的水凝膠生物材料

幾十年來，科學家開展了關于手性分子、手性藥物對生命體影響機制的研究，探索發展了多種手性超分子體系，相關研究也兩度獲得諾貝爾化學獎。2001年，日本化學家野依良治和美國化學家威廉 ·諾爾斯、巴里·夏普萊斯因手性催化劑的開發獲得諾貝爾化學獎。2021年，德國化學家本杰明 ·利斯特和美國化學家戴維·麥克米倫因在不對稱有機催化的發展方面所做出的開創性貢獻獲得諾貝爾化學獎。

生命體內的手性結構具有多樣化和長程有序的結構特征，它為生物材料學家提供了先進的構筑模板。超分子組裝是仿生生命體手性結構最有效的方法之一，但傳統超分子體系由于分子基元長程無序排列，手性特征難以逐級傳遞。

上海交通大學材料科學與工程學院馮傳良教授帶領團隊開展了十余年的研究，突破了傳統基元難以再現生命體手性精細構型的設計瓶頸，提出了“對稱手性傳遞”的超分子組裝機理，揭示了自然手性結構精細構型的形成機制，發現了手性結構決定細胞命運的生物功能，推動了超分子化學和生物材料領域的創新發展。機理，解決了手性從分子層級性微納結構跨尺度傳遞難的問題，制備了系列組分可調、結構可控的中心對稱構型手性分子。通過分子間氫鍵調控、配位鍵調控、手性位點調控、路徑調控，研究團隊實現了對生命體多構型手性結構的精準仿生。

研究團隊將具有手性結構的水凝膠作為細胞培養基質，對細胞進行二維和三維體外培養，首次發現了手性結構調控細胞命運的現象。他們發現，手性結構中的手性分子對細胞黏附生長有重要影響，左旋分子能促進細胞黏附、增殖。細胞在左旋結構中的生長量比右旋多了至少 260%，比細胞在不同手性單分子層上的黏附量提高了約 74倍。同時，左旋結構更易于與纖連蛋白作用。這些結果揭示，手性結構精細構型決定細胞命運——左旋結構、右旋結構各自扮演不同角色。

手性水凝膠結構與皮膚組 織膠 原蛋白具有高度相似性，生物相容性良好，在促進組織及血管再生等方面具有獨特優勢。 此外，手性水凝膠能高效促進糖尿病創面愈合。 秉承自然手性結構的水凝膠材料攻克了慢性糖尿病創面組織再生難、功能恢復差的世界難題，該研究成果相關專利技術已落地轉化，有多種手性創面敷料問世，為糖尿病患者創面愈合提供幫助。

本文相關成果“秉承自然手性精細構型的水凝膠生物材料”榮獲2022年度上海市自然科學獎一等獎。

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