随着人口老龄化加剧和环境问题日益突出，癌症发病率逐年攀升，癌症防治任务异常艰巨。癌症作为一种复杂的多因素疾病，富集并分析癌细胞的特异性磷酸化蛋白，有望从分子层面上阐明癌症的诱发机制，为后续开发新型癌症疗法提供可靠的理论依据。目前，作为识别磷酸化蛋白的磷酸化肽段的富集普遍采用金属氧化物亲和层析法，通常以金属氧化物作为吸附剂，其中TiO₂和ZrO₂因其两性特性和金属（IV）-磷酸盐化学配位特异性等优异性能而被广泛使用。然而，常见的TiO2或ZrO2吸附材料多为粉末状，其在磷酸化肽富集过程中需要多次离心处理导致富集与分离步骤相对繁琐，将ZrO₂或TiO₂制成一体化纤维膜材料直接使用可有效简化富集程序，大幅提升富集效率。但目前开发的金属氧化物纤维膜材料普遍存在脆性大、机械稳定性差及吸附位点少导致富集性能难以提升的性能缺陷，极大限制了金属氧化物纤维膜在磷酸化肽富集和分离过程中的实际应用。

近日，西安工程大学张坤教授团队在期刊《Nano Research》上，发表了最新研究成果“Biomimetic design of highly flexible metal oxide nanofibrous membranes with exceptional mechanical performance for superior phosphopeptide enrichment”。研究者通过静电纺丝和原位水热后合成修饰技术结合高温煅烧工艺，制备出具有仿生根毛/枝叶结构的TiO₂@ZrTiO₄纳米纤维薄膜，该纤维膜不但具有优异的力学性能可直接用于富集磷酸化肽，而且对宫颈癌细胞中磷酸化肽的富集能力和特异性磷酸化蛋白的鉴别能力远超商品化的高性能TiO₂颗粒富集材料。

具体来讲，该仿生金属氧化物纳米纤维薄膜兼具优异的力学性能和柔性，其拉伸强度可达2.47MPa、弯曲刚度仅为10mN。此外，该TiO₂@ZrTiO₄纳米纤维膜对宫颈癌细胞中磷酸化肽段的富集数量可达6770、对应鉴别的磷酸化蛋白可达2205，其鉴定到的7种特异性磷酸化蛋白与宫颈癌的形成、细胞分化等疾病发生过程紧密相关。该项研究的进一步开发与转化有望拓展柔性金属氧化物纳米纤维膜在生物医药领域的应用，同时为研究癌症发病的分子机制和新型生物药研发提供理论参考。

图1：仿生结构的柔韧TiO₂@ZrTiO₄纳米纤维膜制备流程。

本工作首先通过静电纺丝技术结合高温煅烧工艺制备了具有良好柔性和力学性能的ZrTiO₄纳米纤维膜作为基底材料，如图1所示，随后通过后合成修饰技术在ZrTiO₄纳米纤维表面水热原位生长超薄TiO₂纳米片，制备出具有仿生根毛/枝叶结构的TiO₂@ZrTiO₄纳米纤维薄膜。

图2：柔韧TiO₂@ZrTiO₄纳米纤维膜微观结构。

如图2a和2b所示，未修饰的ZrTiO₄纳米纤维结构呈现典型的光滑圆柱形，而经过原位水热后合成修饰后，制备的TiO₂@ZrTiO₄纤维表面生长了均匀的TiO₂纳米片结构，透射电镜也证实了TiO₂纳米片稳定生长在ZrTiO₄纤维表面，纳米片与纳米纤维之间具有良好的界面结合。此外，X射线能谱图（图2h-2k）可以发现O和Ti原子仅分散在TiO₂纳米片内部，而O、Ti和Zr原子均匀分布在整个ZrTiO₄纳米纤维中，进一步证明了仿生结构TiO₂@ZrTiO₄纤维微观结构的稳定性。

图3：柔韧TiO₂@ZrTiO₄纳米纤维膜化学组成分析。

图4：柔韧ZrTiO₄和TiO₂@ZrTiO₄纳米纤维膜的拉伸强度及柔性分析。

此外，对比ZrTiO₄和TiO₂@ZrTiO₄纤维膜的拉伸强度和柔性，从图4a可以发现，其中ZrTiO₄纤维膜的拉伸强度为2.86MPa，原位水热后合成修饰制备的TiO₂@ZrTiO₄纤维膜的拉伸强度仍可达2.47MPa， 展示出了优异的力学性能。随后，通过柔软度分析仪测试了纤维膜的弯曲刚度，两种纤维膜经过25次弯曲实验后整体弯曲刚度仍能保持在10mN，展示出优异的柔韧性和抗折叠疲劳性能。同时，如图4c和4d所示，从纤维膜的宏观弯曲性能展示可以发现， ZrTiO₄和TiO₂@ZrTiO₄纤维膜均可以折叠而不破裂，当折叠应力释放后，两种纤维膜都可以快速恢复到原始形态，没有明显的皱褶和开裂，显示出优异的机械弹性和机械稳定性。

图5：（a）磷酸化肽富集流程图；（b）商品化TiO₂颗粒、ZrTiO₄和TiO₂@ZrTiO₄纳米纤维膜磷酸化肽富集数量和相应鉴别磷酸化蛋白数量对比；（c-f）商品化TiO₂颗粒、ZrTiO₄和TiO₂@ZrTiO₄纳米纤维膜鉴别磷酸化蛋白的维恩图。

最后，分别测试了商品化TiO₂颗粒、ZrTiO₄和TiO₂@ZrTiO₄纳米纤维膜对宫颈癌细胞中磷酸化肽段的富集性能，富集过程如图5a所示。测试发现，TiO₂颗粒、ZrTiO₄和TiO₂@ZrTiO₄纳米纤维膜对宫颈癌细胞中磷酸化肽段的富集数量分别为4525、6399和6770，相对应鉴别的磷酸化蛋白分别为1811、2132和2205，TiO₂@ZrTiO₄纳米纤维膜不仅其磷酸化肽段的富集性能和磷酸化蛋白的鉴别能力远超商品化TiO₂颗粒和ZrTiO₄纳米纤维膜，而且可以独立使用，极大提升了磷酸化肽/蛋白富集与鉴别的效率。另外，TiO₂@ZrTiO₄纳米纤维膜鉴定到的7种特异性磷酸化蛋白与宫颈癌的形成、细胞分化等疾病发生过程紧密相关，该项研究的进一步开发与转化有望形成新一代生物富集材料，以帮助了解癌症发病的分子机制并探索新的治疗方法。

论文链接：https://doi.org/10.1007/s12274-023-6277-7

人物简介：

张坤，西安工程大学教授、陕西高校青年杰出人才。团队长期从事功能纳米纤维材料的精细结构设计及其在空气过滤、耐火隔热、污染防治、红外隐身、生物医用等方面的应用研究工作，团队成员先后在Nano Letters、Journal of the American Chemical Society、Nano Research、Applied Catalysis B: Environmental、ACS Applied & Materials Interfaces、Small等国际知名学术期刊发表SCI收录论文40余篇，论文总计被引用2000余次，其中他引1900余次；授权国家发明专利20项；主持及参与国家级、省部级等科研项目20余项；获陕西省自然科学优秀学术论文奖、陕西高等学校科学技术研究优秀成果奖、“中国化学纤维工业协会·恒逸基金”优秀学术论文奖等。