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  芯殼多隔間微球因其仿生自然界真核細胞結(jié)構(gòu)，在多藥物釋放、細胞共培養(yǎng)、多酶聯(lián)反應(yīng)等領(lǐng)域有很多重要的應(yīng)用。目前芯殼多隔間微球主要有一殼多芯和一芯多層殼兩種結(jié)構(gòu)，但這些結(jié)構(gòu)均存在多隔間相對位置難以調(diào)控等問題。近日，南京林業(yè)大學(xué)黃超伯教授課題組在制備芯殼多隔間微球的研究中取得重要進展（doi: 10.1016/j.cej.2021.132607），課題組成員曲清莉受自然界中山竹結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，采用前期課題組發(fā)展的氣輔法（doi:10.1002/advs.201802342），構(gòu)建了一種“山竹型”芯殼多隔間微球（圖1），不同隔間既獨立又相互連續(xù)，且避免了傳統(tǒng)微球制備方法中需要使用油和表面活性劑的弊端，拓寬了其在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用。

圖1. “山竹”微球的制備及其應(yīng)用于人工細胞領(lǐng)域。

  首先以單面芯殼微球為例，探究了其相關(guān)形貌特性。采用氣輔法制備了單面均一微球，并展示了氣流速度等參數(shù)對其粒徑的影響（圖2）。將單面微球作為芯微球，第二次采用氣輔法制備芯殼微球，同時展示了多芯一殼式微球同樣可以通過本策略制備得到（圖3）。

圖2. (A)單面微球的制備：30G內(nèi)針(直徑160 μm)通添加黃色染色的海藻酸鈉溶液；13G外針(直徑2000 μm)通氣體；氣體流量為6 L/min。(B)光學(xué)圖像(比例尺為300 μm)和(C)微球的尺寸分布。(D)用不同的氣體流速制備的微球的直徑。

圖3. (A)芯殼微球的制備：單面微球分散在1%海藻酸鹽溶液中，經(jīng)二步氣輔法得到芯殼微球。(B)用21G內(nèi)針和14G外針獲得芯殼微球的光學(xué)圖像。氣體流速為5 L/min。(C)用不同的尺寸針頭和不同的氣體流量制備的芯殼微球的尺寸。(D)含有多個芯的芯殼微球的光學(xué)圖像。比例尺均為200 μm。

  然后采用上述類似的方法，制備了多面異向微球（圖4）及其相應(yīng)的“山竹”微球（圖5）。同時，該“山竹”微球展現(xiàn)出了類似自然細胞的極性現(xiàn)象，這種極化誘導(dǎo)行為可能會在各種應(yīng)用中引起興趣。

圖4. (A)用于制備多面異向微球的針頭及相應(yīng)微球的熒光圖像。(B)(二面、四面、六面和八面)“山竹”微球的顯微圖像。

圖5. (A)極化遷移細胞示意圖。(B)不同氣體流量和內(nèi)針直徑制備得到的極化芯殼微球。(C) 極化芯殼微球的形成示意圖。(D)磁極化芯殼在兩種不同驅(qū)動模式下的延時圖像。比例尺為400 μm。

  接下來，研究者將上述制備的“山竹”微球應(yīng)用于人工細胞中（圖6）。采用雙面芯殼微球：海藻酸鈉芯微球中，一面芯負載葡萄糖氧化酶，另一面負載過氧化氫酶；殼聚糖殼中負載胰島素。外界環(huán)境中過量濃度的葡萄糖被葡萄糖氧化酶氧化為葡萄糖酸；葡萄糖的氧化導(dǎo)致H₂O₂形成；由于過量的H₂O₂在體內(nèi)具有毒性，需要過氧化氫酶將多余的H₂O₂分解產(chǎn)生O₂；O₂被重復(fù)利用進行葡萄糖氧化。葡萄糖酸導(dǎo)致微球環(huán)境pH下降，引發(fā)殼聚糖氨基質(zhì)子化，釋放出其中的胰島素，模擬胰島β細胞感應(yīng)高濃度葡萄糖釋放胰島素的生理過程。另外，人工細胞的可循環(huán)利用性也得到了證明。

圖6. (A)人工胰島β細胞的制備過程。(B) Janus核心和人工細胞的大小分布。(C)人工細胞中殼聚糖釋放胰島素的示意圖。(D) 人工細胞在不同葡萄糖濃度環(huán)境中的pH變化。(E) 人工細胞在不同葡萄糖濃度環(huán)境中胰島素的釋放過程。(F)葡萄糖氧化酶和過氧化物酶驅(qū)動的級聯(lián)反應(yīng)和過氧化物酶氧化oPD生成DAP的示意圖。(G)人工細胞的回收及循環(huán)利用。

  最后，研究者通過細胞相容性、血液相容性和活體斑馬魚生存率，驗證了該策略制備的人工細胞超高的生物相容性（圖7）。

圖7. “山竹”微球處理24、48、72 h后L929細胞的活/死染色(A)和細胞活力(B)，比例尺為200 μm。(C) “山竹”微球的血液相容性；根據(jù)ISO 7405:2018，如果樣品的溶血率為> 5%（微球的溶血率為0.27%），則認為樣品是溶血的。(D)斑馬魚(插圖)在水中7天(不喂食)有或沒有“山竹”微球的生存能力。

  總之，該工作提出了一種基于氣體剪切液滴形成生物相容性好且可擴展的“山竹”微球的策略，同時展示了將其應(yīng)用于人工細胞的可行性。通過優(yōu)化制備參數(shù)，可以控制微球的芯殼大小及厚度，調(diào)整芯微球的隔間數(shù)量和極性，實現(xiàn)了在單個微球中發(fā)生多重級聯(lián)反應(yīng)，用于模擬生物體內(nèi)的各種生理功能，有望進一步構(gòu)筑更加復(fù)雜的人工細胞。

  以上相關(guān)成果發(fā)表在Chemical Engineering Journal（IF=13.27）上。論文的第一作者為南京林業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院博士生曲清莉，通訊作者為南京林業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院黃超伯教授，南京林業(yè)大學(xué)為第一完成單位。該研究工作得到國家自然科學(xué)基金等項目的資助。

  全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.132607

  實驗室主頁：https://www.x-mol.com/groups/nfu-ugent