南京林业大学黄超伯/熊燃华课题组《Chem. Eng. J.》：气辅法制备“山竹”微球作为人工细胞的应用研究

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芯壳多隔间微球因其仿生自然界真核细胞结构，在多药物释放、细胞共培养、多酶联反应等领域有很多重要的应用。目前芯壳多隔间微球主要有一壳多芯和一芯多层壳两种结构，但这些结构均存在多隔间相对位置难以调控等问题。近日，南京林业大学黄超伯教授课题组在制备芯壳多隔间微球的研究中取得重要进展（doi: 10.1016/j.cej.2021.132607），课题组成员曲清莉受自然界中山竹结构的启发，采用前期课题组发展的气辅法（doi:10.1002/advs.201802342），构建了一种“山竹型”芯壳多隔间微球（图1），不同隔间既独立又相互连续，且避免了传统微球制备方法中需要使用油和表面活性剂的弊端，拓宽了其在生物医药领域的应用。

图1. “山竹”微球的制备及其应用于人工细胞领域。

首先以单面芯壳微球为例，探究了其相关形貌特性。采用气辅法制备了单面均一微球，并展示了气流速度等参数对其粒径的影响（图2）。将单面微球作为芯微球，第二次采用气辅法制备芯壳微球，同时展示了多芯一壳式微球同样可以通过本策略制备得到（图3）。

图2. (A)单面微球的制备：30G内针(直径160 µm)通添加黄色染色的海藻酸钠溶液；13G外针(直径2000 µm)通气体；气体流量为6 L/min。(B)光学图像(比例尺为300 μm)和(C)微球的尺寸分布。(D)用不同的气体流速制备的微球的直径。

图3. (A)芯壳微球的制备：单面微球分散在1%海藻酸盐溶液中，经二步气辅法得到芯壳微球。(B)用21G内针和14G外针获得芯壳微球的光学图像。气体流速为5 L/min。(C)用不同的尺寸针头和不同的气体流量制备的芯壳微球的尺寸。(D)含有多个芯的芯壳微球的光学图像。比例尺均为200 μm。

然后采用上述类似的方法，制备了多面异向微球（图4）及其相应的“山竹”微球（图5）。同时，该“山竹”微球展现出了类似自然细胞的极性现象，这种极化诱导行为可能会在各种应用中引起兴趣。

图4. (A)用于制备多面异向微球的针头及相应微球的荧光图像。(B)(二面、四面、六面和八面)“山竹”微球的显微图像。

图5. (A)极化迁移细胞示意图。(B)不同气体流量和内针直径制备得到的极化芯壳微球。(C) 极化芯壳微球的形成示意图。(D)磁极化芯壳在两种不同驱动模式下的延时图像。比例尺为400 μm。

接下来，研究者将上述制备的“山竹”微球应用于人工细胞中（图6）。采用双面芯壳微球：海藻酸钠芯微球中，一面芯负载葡萄糖氧化酶，另一面负载过氧化氢酶；壳聚糖壳中负载胰岛素。外界环境中过量浓度的葡萄糖被葡萄糖氧化酶氧化为葡萄糖酸；葡萄糖的氧化导致H₂O₂形成；由于过量的H₂O₂在体内具有毒性，需要过氧化氢酶将多余的H₂O₂分解产生O₂；O₂被重复利用进行葡萄糖氧化。葡萄糖酸导致微球环境pH下降，引发壳聚糖氨基质子化，释放出其中的胰岛素，模拟胰岛β细胞感应高浓度葡萄糖释放胰岛素的生理过程。另外，人工细胞的可循环利用性也得到了证明。

图6. (A)人工胰岛β细胞的制备过程。(B) Janus核心和人工细胞的大小分布。(C)人工细胞中壳聚糖释放胰岛素的示意图。(D) 人工细胞在不同葡萄糖浓度环境中的pH变化。(E) 人工细胞在不同葡萄糖浓度环境中胰岛素的释放过程。(F)葡萄糖氧化酶和过氧化物酶驱动的级联反应和过氧化物酶氧化oPD生成DAP的示意图。(G)人工细胞的回收及循环利用。

最后，研究者通过细胞相容性、血液相容性和活体斑马鱼生存率，验证了该策略制备的人工细胞超高的生物相容性（图7）。

图7. “山竹”微球处理24、48、72 h后L929细胞的活/死染色(A)和细胞活力(B)，比例尺为200 μm。(C) “山竹”微球的血液相容性；根据ISO 7405:2018，如果样品的溶血率为> 5%（微球的溶血率为0.27%），则认为样品是溶血的。(D)斑马鱼(插图)在水中7天(不喂食)有或没有“山竹”微球的生存能力。

总之，该工作提出了一种基于气体剪切液滴形成生物相容性好且可扩展的“山竹”微球的策略，同时展示了将其应用于人工细胞的可行性。通过优化制备参数，可以控制微球的芯壳大小及厚度，调整芯微球的隔间数量和极性，实现了在单个微球中发生多重级联反应，用于模拟生物体内的各种生理功能，有望进一步构筑更加复杂的人工细胞。

以上相关成果发表在Chemical Engineering Journal（IF=13.27）上。论文的第一作者为南京林业大学化学工程学院博士生曲清莉，通讯作者为南京林业大学化学工程学院黄超伯教授，南京林业大学为第一完成单位。该研究工作得到国家自然科学基金等项目的资助。

全文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.132607

实验室主页：

https://www.x-mol.com/groups/nfu-ugent

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