多面異向微球在醫學工程和材料科學領域中受到廣泛關注，由于單個微球可以在不同空間中攜帶多種材料，因此在多藥物釋放、細胞共培養、微驅動、多靶點檢測等領域有很多重要的應用。目前制備多面微球材料的方法主要包括微流體法、電沉積法、電噴法和模板法等，但由于各自的局限性，比如微流體的方法需要使用油、引發劑和表面活性劑等，這些方法在生物領域的應用受到一定限制。
近日，南京林業大學黃超伯教授課題組在制備多面異向微球的研究中取得重要進展，課題組成員唐國勝將微流控技術和微加工手段與氣體相結合，構建了一種氣體剪切一步無油法制備多面異向微球。以海藻酸鈉為例，該方法借助氣體剪切力克服表面張力形成微液滴，并通過海藻酸鈉液滴與鈣離子的快速交聯形成微球，微球尺寸可以控制在數十到數百微米之間，具有很好的單分散性且產量極高（圖1）。
同軸微針頭系統制備多面異向微球示意圖。
圖1 氣體剪切方法制備均質微球
通過改變同軸微針頭系統的結構組成以及排列方式，該方法可以輕松地制備2-8面異向微球（圖2）。目前已有技術僅限于六面異向微球的制備，而本研究建立的利用氣體輔助制備多面異向微球的方法，可以成功地制備八面異向微球，不同的腔室之間界限清晰且微球具有良好的形態。
圖2 多面異向微球的制備。
黃超伯教授說，在該研究中，除海藻酸鈉，我們還對水溶性聚合物（如殼聚糖）以及有機溶解聚合物（如醋酸纖維素、乙基纖維素、鄰苯二甲酸醋酸纖維素、聚己內酯、聚丙烯腈和聚氨酯）分別進行了成球實驗評價，結果顯示這些聚合物微球均可以成功制備（圖3），這證明該方法具有普適性和通用性。
圖3 水溶性聚合物和有機溶劑溶解聚合物微球的制備
此外，該方法制備微球具有高度的可控性，可精確的控制每個腔室的比例。可以用來封裝、結合不同的控制策略（pH和溫度傳感、磁力控制等），進而開發出多種功能材料。該研究通過加載磁性Fe3O4納米顆粒制備出的八面微球可以實現可控旋轉，從而構建“磁性微機器人”（圖4）。
圖4 多面磁性微球的可控制備和“磁性微機器人”。
在本研究中，鑒于該方法的 “軟”策略，多面異向微球表現出了超高的生物相容性，可實現多種細胞的有序組裝和任意編隊，在一個有限的微米大小的空間中精確地組裝不同類型的細胞。這將為研究不同細胞之間復雜的相互作用提供一個有效的平臺。該制備多面異向微球方法的建立代表著該領域的一個重大突破，有望在生物醫藥和材料科學領域實現重要的應用。
圖5 多面異向微球作為細胞載體用于多種細胞共培養。
以上相關成果發表在Advanced Science（IF=12.4）上。論文的第一作者為南京林業大學化學工程學院博士生唐國勝，共同第一作者熊燃華博士，其它作者呂丹、Ronald X. Xu教授、Kevin Braeckmans教授，通訊作者為黃超伯教授和南京林業大學化學工程學院特聘教授、歐洲科學院院士、比利時根特大學Stefaan C. De Smedt教授，南京林業大學為第一完成單位。該研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃和南京林業大學優秀博士學位論文創新基金等項目的資助。課題組主頁：http://bfm.njfu.edu.cn/
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