国家纳米科学中心中科院纳米系统与多级次制造重点实验室施兴华

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施兴华，国家纳米中心研究员，博士生导师，中国科学院大学岗位教授。2001年本科毕业于北京大学力学与工程科学系，2004年获中国科学院力学研究所硕士学位，2010年获美国布朗大学博士学位，2016年3月加入国家纳米科学中心工作。近期主要从事力学与纳米材料、生物科学的交叉领域研究，在纳米材料的力学性能、纳米材料与细胞交互作用中的力学行为研究方面取得了若干开创性成果。已在国际期刊如Nature Nanotechnology、 Nature Materials、Physical Review Letters、Nano Letters、Advanced Materials、ACS Nano、Small、Journal of the Mechanics and Physics of Solids等期刊发表多篇论文。


姓    名:施兴华        
性    别:男
职    务:无        
职    称:研究员
通讯地址:北京市海淀区中关村北一条11号
邮政编码:100190        
电子邮件:shixh@nanoctr.cn        

课题组主页：http://www.nanoctr.cas.cn/shixinghua/
研究领域：
多尺度理论与计算，靶向纳米药物输运，生物力学，纳米材料自组装
获奖及荣誉：
　　2013年获中国科学院卢嘉锡青年人才奖，入选青年创新促进会。
　　2014年获国家自然科学基金委优秀青年基金。
代表论著：
　　1.Xinghua Shi, Annette Vom dem Bussche, Robert Hurt, Agnes Kane, Huajian Gao, Cell entry of one-dimensional nanomaterials occurs by tip recognition and rotation, Nature Nanotechnology, 6 (11), 714-719 (2011).  
　　2.Xin Yi, Xinghua Shi, Huajian Gao, Cellular uptake of elastic nanoparticles, Physical Review Letters, 107, 098101 (2011).  
　　3.Yujie Wei, Jiangtao Wu, Hanqing Yin, Xinghua Shi, Ronggui Yang, Mildred S. Dresselhaus, The nature of strength enhancement and weakening by pentagon-heptagon defects in graphene, Nature Materials, 11, 759-763 (2012).  
　　4.Xin Yi, Xinghua Shi, Huajian Gao, A universal law for cell uptake of one-dimensional nanomaterials, Nano Letters, 14, 1049-1055 (2014).  
　　5.Jiuling Wang, Haimin Yao, Xinghua Shi*, Cooperative entry of nanoparticles into the cell, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 73, 151-165 (2014).   
　　6.Jiashu Sun, Lu Zhang, Jiuling Wang, Qiang Feng, Dingbin Liu, Qifang Yin, Dongyan Xu, Yujie Wei, Baoquan Ding, Xinghua Shi*, Xingyu Jiang*, Tunable rigidity of (polymeric core)-(lipid shell) nanoparticles for regulated cellular uptake, Advanced Materials, 27, 1402-1407 (2015).  
　　7.Lu Zhang, Qiang Feng, Jiuling Wang, Shuai Zhang, Baoquan Ding, Yujie Wei, Mingdong Dong, Ji-Young Ryu, Tae-Young Yoon, Xinghua Shi*, Jiashu Sun*, Xingyu Jiang*, Microfluidic synthesis of hybrid nanoparticles with controlled lipid layers: understanding flexibility-regulated cell-nanoparticle interaction, ACS Nano, 9, 9912-9921 (2015).  
      8. Miaorong Yu, Jiuling Wang, Yiwei Yang, Chunliu Zhu, Qian Su, Shiyan Guo, Jiashu Sun, Yong Gan*, Xinghua Shi*, Huajian Gao*, Rotation-facilitated rapid transport of nanorods in mucosal tissues, Nano Letters, 16, 7176-7182 (2016).
承担科研项目情况：
自然基金委优秀青年基金，自然基金委面上项目，自然基金委专项基金。

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研究亮点：

1.发现棒状粒子特有的“旋转-跳跃”运动方式能促进其在网格状黏蛋白液体内的扩散速度，可有效提高递药效率。

2.并提出了一个考虑颗粒黏附效应的障碍-扩散理论模型。

与传统的给药方式相比，将药物分子搭载到纳米药物载体上可以实现药物的高效精确传递和可控释放。近年来，这种新型的给药方式在改善药物口服吸收和肿瘤治疗中已经取得了突破性的研究成果。

然而，与简单的体外实验环境相比，纳米药物载体在到达靶组织和靶细胞之前需要克服生物体内的多重生理病理屏障，如酶屏障、黏液屏障、细胞间质屏障、细胞屏障以及胞内转运屏障等。因此，为实现疗效最大化，设计和制备能够克服多重生理屏障并且具备高效的细胞摄入量的新型递送载体成为纳米药物从实验室转向临床应用的一个重要挑战。

有鉴于此，中科院上海药物所甘勇研究员，国家纳米科学中心施兴华研究员以及布朗大学高华健教授合作，通过研究发现刚度适中的颗粒易于穿越生物凝胶、细胞膜等多重屏障，具有最优的递药能力。

前期，中国科学院上海药物研究所甘勇研究员和国家纳米中心施兴华研究员团队结合分子动力学模拟和超分辨率显微镜技术，发现棒状粒子特有的“旋转-跳跃”运动方式能促进其在网格状黏蛋白液体内的扩散速度，可有效提高递药效率，并提出了一个考虑颗粒黏附效应的障碍-扩散理论模型。相关成果陆续发表于Nano Letters 16, 7176-7182(2016)；固体力学旗舰期刊Journal of the Mechanics and Physics ofSolids 112: 431-457 (2018)。

双方又发现制约纳米载体口服递药和肿瘤递药的共性生理因素：具有网状结构的生物凝胶（如黏液和肿瘤细胞间质）在药物载体抵达靶细胞前扮演了重要的阻滞作用，且单一调节载体的尺度、表面性质等往往不能够有效地克服递药过程中的多重生理屏障。同时，肿瘤细胞较正常细胞具有更低的杨氏模量（刚度），能加速肿瘤细胞的转移和扩散。

在此基础上，研究人员考察不同刚柔性纳米药物载体在克服胞内外多重屏障的能力。采用微流控技术，设计制备了以磷脂膜为壳、聚丙交酯乙交酯共聚物（PLGA）为核的纳米颗粒载体。通过调节载体的力学性能，发现刚度适中的载体在生物凝胶中具有最高的扩散系数，且比不含PLGA内核的脂质体扩散系数提高10倍，进而拥有最优的细胞摄取量和药物递送能力。相关高效递药效果也在生物体内获得了验证。

随后，结合高分辨显微镜观测和分子模拟技术，研究者对药物载体的力学性能调节其在生物凝胶屏障中扩散的力学机制进行了解析，即颗粒越软，易于变形，则载体与黏蛋白组织产生更强吸附影响其扩散；而过硬的颗粒不易变形，则容易陷入黏蛋白网络，也难以实现高效扩散。进而发现刚度适中的颗粒具有适宜的变形能力，易于穿越生物凝胶、细胞膜等多重屏障，具有最优的递药能力。

参考文献：

Yu M, Xu L, Tian F, et al. Rapidtransport of deformation-tuned nanoparticles across biological hydrogels andcellular barriers[J].Nature Communications, 2018.

DOI: 10.1038/s41467-018-05061-3

https://www.nature.com/articles/s41467-018-05061-3

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施兴华AM综述：纳米酶研究的最新进展

纳米酶作为新一代人工酶，具有催化活性高、稳定性好、成本低等优点。由于其广泛的应用前景，纳米酶已成为纳米技术与生物学之间连接的桥梁，吸引了众多领域的研究人员的关注，越来越多具有高催化活性的纳米酶被设计和合成出来。然而，目前人们对纳米酶背后的机理的了解还不够深入，这也限制了纳米酶的进一步发展。Wang等人综述回顾了近十年来纳米酶的实验研究和计算研究的进展，主要包括：（1）新型纳米酶模拟酶的研究进展，包括它们的结构和应用，例如生物传感和生物成像和治疗以及环境保护；（2）催化机理的研究，讨论了该领域所面临的计算研究的挑战和未来的发展方向。

Wang H, Wan K W, et al. Recent Advances inNanozyme Research[J]. Advanced Materials, 2018.

DOI: 10.1002/adma.201805368

https://doi.org/10.1002/adma.201805368