南京林业大学黄超伯/熊燃华课题组在多面异向/芯壳微球方面取得系列进展

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多面异向/芯壳微球在医学工程和材料科学领域中受到广泛关注，由于单个微球可以在不同空间中携带多种材料，因此在多药物释放、多靶点检测等领域应用广泛。但目前制备多面微球材料的方法存在很大的局限性，比如传统微流控技术在微球的制备过程中使用油、引发剂和表面活性剂等，这大大的限制了其在生物领域的应用。为此，南京林业大学化学工程学院黄超伯/熊燃华团队以多面异向/芯壳微球的绿色制备及其在生物医药领域的应用等入手，进行了深入研究，在Advanced Science、Small 和Chemical Engineering Journal 等高影响力国际期刊上发表多篇论文。

1. 气辅法构筑生物基绿色多面异向微球及其理论模型的创建

该研究团队将微流控技术和微加工手段与气体相结合，首次利用气辅法制备八面异向微球，建立了精准调控微球形貌的理论模型，并首次实现了生物基八面异向微球的可控制备，突破了目前六面各异向微球制备的瓶颈。通过改变同轴微针头系统的结构组成以及排列方式，该方法可以轻松地制备2-8面异向微球（图1A）。目前已有技术仅限于六面异向微球的制备，而本研究建立的利用气体辅助制备多面异向微球的方法，可以成功地制备八面异向微球，不同的腔室之间界限清晰且微球具有良好的形态。通过改变气体流速，微球尺寸可以控制在数十到数百微米之间，具有很好的单分散性且产量极高（图1B-C）。不仅如此，异向微球在整个制备过程中不需要引入任何化学试剂，多面异向微球表现出了超高的生物相容性，可以良好应用于生物医药领域（Adv. Sci. 2019, 6, 1802342）。

图1. (A) 同轴微针头系统制备多面异向微球示意图。（B）（C）通过调节气体流速精准调控微球粒径。

南京林业大学博士生唐国胜（现为广州医科大学特聘教授）和熊燃华教授为论文共同第一作者，黄超伯教授和欧洲科学院院士、比利时根特大学Stefaan C. De Smedt教授为通讯作者，南京林业大学为第一作者单位。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/advs.201802342

2. 双驱动多面异向微球模型的构筑

基于Janus结构的微、纳马达已被提出可应用于如水环境修复、药物运输和生物传感等领域。该研究团队通过气辅法制备了一系列多面微球微马达，具有高度的调节性、很好的生物相容性和完成复杂运动的可行性。因为在传统制备微马达的策略中，多采用双面异向微球作为自驱动微马达，所以微马达的运动复杂性上会受到限制。基于他们提出的制备微球的策略，首次提出了基于八面异向微球的双驱动微马达，同时赋予微球磁响应和过氧化氢酶双响应特性。如图2，通过控制外部磁场和微球各个腔室中磁性纳米粒子和生物酶的组成，可以让微球完成各种程序化设计的轨迹的运动，如旋转、直线、曲线和圆周运动等，展示了其完成复杂运动的可行性。通过该方法制备的多面双重响应性微马达具有高度的灵活性和可控性及良好的生物相容性。该微球作为一种具有自主运动能力的水性微马达在生物医药等相关领域体现出了巨大的潜力（Chem. Eng. J. 407（2021)127187）。

图2. (A)用于微电机的8面对称微球的制备示意图，以及获得的代表性微球的照片。(B)承载各种复杂设计运动的球形微马达示意图。

南京林业大学博士生唐国胜（现为广州医科大学特聘教授）为论文第一作者，黄超伯教授和哈佛大学医学院Y. Shrike Zhang教授为通讯作者，南京林业大学为第一作者单位。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.127187

3. 生物基多面异向微球应用于生物防伪

为了拓宽生物基多面异向微球的进一步应用，受传统二维码的启发，该研究团队创新性地提出了一种基于气体辅助、颜色可调控编码微球的制备方法，可制备多达10面的编码微球。通过三原色（红色、绿色、蓝色）调控来获得多达七种荧光颜色的组合机制，以构成大量的编码，最为重要的是赋予了编码微球磁响应特性，构筑了一系列可控的信息编码。如图3所示，研究人员采用3种不同荧光纳米粒子的预凝胶溶液来程序化地调整10面微球每个腔室的颜色（通过三基色红、绿、蓝可构建出肉眼可识别的7种荧光编码基色）。同时，引入Fe₃O₄纳米粒子作为条形码的读取起点，对微球每个腔室进行颜色编码，从而构成了具有超强编码能力的微球。磁性纳米颗粒的引入不仅锁定了微球条形码读取的方向、方便编码信息的获取，而且进一步提高了信息的安全性。更重要的是，该研究通过使用FDA批准的、具有良好生物相容性的生物基材料构建出多颜色微球，进一步增加了微球条形码在食品药品行业中应用的可行性（Small 2020, 16, 1907586）。

图3. 可编码具有磁响应特性的生物基多面各异向微球的制备。（A）通过气体辅助策略制备磁响应生物基编码微球；（B） 编码微球的获得以及解码信息的读取策略建立；（C） 生物基可调控编码微球在液体药物防伪领域的应用

南京林业大学博士生唐国胜（现为广州医科大学特聘教授）和硕士生陈龙为论文共同第一作者，黄超伯教授和哈佛大学医学院Y. Shrike Zhang教授为通讯作者，南京林业大学为第一作者单位。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/smll.201907586

4. 气辅法构筑生绿色芯壳微球及其在抗肿瘤领域的应用

基于前期对多重响应性微球在药物防伪、微马达等领域的深入探索，该研究团队进一步将气辅法制备响应性微球的应用拓宽至药物递送领域。受自然界褐腐真菌降解木质纤维素造孔机制的启发（图4A-B），创造性地制备了多载药光响应型木质纤维素基芯壳微球。基于木质纤维素基芯壳微球的独特结构和优越的光响应特性，研究人员首次提出利用光敏剂的光动力效应水解纤维素释放药物的策略，真正将光疗和精准可控的化疗有机结合，成功构筑了光响应型多模式协同治疗的药物递送系统。研究人员探索了分散在PBS中的各类芯壳微粒对DOX的释放(图4C)。将微粒暴露在5个开/关激光循环中；显然，没有ICG(即ROS)的微粒中几乎没有DOX的释放，而ICG在照射时将DOX的释放“打开”。我们假设纤维素的破坏解释了“开”状态:当激光照射停止时，纤维素分子可能会轻微地恢复到原来的相互作用状态，这实现了在肿瘤组织部位微环境下药物的按需释放。此外，整个协同治疗体系全部采用国家药监局批准使用的临床药物及药用辅料，体现了该光响应芯壳微球的巨大临床应用潜力（ACS Sustainable Chem. Eng. 2021, 9, 387−397）。

图4. （A）受自然界褐腐真菌降解木质纤维素的启发制备了多载药光响应型木质纤维素基芯壳微球。（B） 被/未被ROS降解的纤维素纳米晶图像；（C） 芯壳微球的多模式协同药物释放和按需释放

南京林业大学博士生曲清莉为论文第一作者，黄超伯教授和欧洲科学院院士、比利时根特大学Stefaan C. De Smedt教授为通讯作者，南京林业大学为第一作者单位。

论文链接：

https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.0c07514

5. 气辅法构筑多面异向芯壳微球及其在人工细胞的应用

在前期多面异向微球和芯壳微球的工作基础上，该研究团队受到自然界中具有明确边界的细胞器的启发，通过绿色气辅法构筑了模拟真核细胞的pH响应芯壳多隔间微球。申请者首次通过气体剪切策略建立了一系列以生物基芯壳多隔间微球为载体的人工细胞体系，创造性地将生物基材料作为载体构筑了结构可拓展的pH响应微球。该“山竹型”芯壳多隔间微球所特有的多隔间既独立又相互连续的创新结构，克服了传统全水相多芯壳微球结构的限制，实现了微球内部多隔间的精确定位，从而提高了人工细胞多酶级联反应的精准可控性。

研究人员将上述制备的“山竹”微球应用于人工细胞中（图5）。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（Chem. Eng. J. 428（2022)132607）。

图5. (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。

南京林业大学博士生曲清莉为论文第一作者，黄超伯教授为通讯作者，南京林业大学为第一作者单位。

论文链接：

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

6.综述：芯壳微球的合理设计及其在生物医药领域的应用

基于上述系列研究成果及近几年在生物相容多面异性/芯壳微球在生物医药领域的研究经验，该团队研究人员近期发表综述文章（Adv Colloid Interface Sci,10.1016/j.cis.2021.102568），系统的介绍了芯壳微球的合理设计先进技术以及在人工细胞、药物释放、细胞培养和生物传感等方面的应用（图6）。最后总结了现阶段芯壳微球一些挑战及其未来的发展方向，包括如何合理设计芯壳微球以适应于不同的应用场景；促进现有制备策略的发展，重点是实现芯壳微球的规模化和通用性；促进实验室研究向实际应用的转变。随着人工细胞、药物递送、细胞培养和生物传感技术的发展，芯壳微球将成为现代医学发展的重要工具之一。

图6. 芯壳微球的制备及其在生物医药领域的应用。

南京林业大学硕士生张小丽和博士生曲清莉为论文共同第一作者，黄超伯教授、博士生华大威和比利时鲁汶大学Stefaan J. Soenen教授为通讯作者，南京林业大学为第一作者单位。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cis.2021.102568

课题组主页：

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

作者简介：

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唐国胜简介

唐国胜（Guosheng Tang），1988年出生于吉林省梅河口市，满族，中共党员，工学博士，广州医科大学“南山学者骨干人才”计划获得者，特聘教授，硕士生导师、博士生导师，2021年以广东省高水平大学建设项目全职引进到广州医科大学药学院工作。2016-2019年博士师从黄超伯教授（南京林业大学化学工程学院副院长，中比先进生物医用材料国际联合实验室主任）。2019-2021年在哈佛大学医学院（Harvard Medical School, USA）进行公派博士联合培养和博士后研究工作，师从Y. Shrike Zhang教授（Aggregate、Bio-Design and Manufacturing杂志副主编，Biofabrication、Advanced Healthcare Materials、Chinese Chemical Letters等杂志编委）。曾获十佳大学生奖学金、校长奖学金、研究生国家奖学金和江苏省政府留学奖学金等。相关科研成果被科技日报、南京日报、江苏科技报等重点报道。

研究方向主要涉及生物医用异向材料（主要为异向微球）、药物靶向/智能递送、细胞递送、3D生物打印、组织工程与再生医学等前沿交叉学科研究领域，致力于开发解决临床问题的新材料、新技术和药物、细胞等递送方式。截止目前，在Advanced Materials、Advanced Science、Advanced Function Materials、Matter、Small、Chemical Engineering Journal以及Advanced Healthcare Materials等国际权威期刊上发表三大检索收录论文25篇，共发表学术论文30余篇。近三年，以第一或共同第一作者在Advanced Materials、 Advanced Science、Small、Chemical Engineering Journal、Advanced Healthcare Materials等发表论文6篇（IF>85）。论文被引用超过1100余次，累计影响因子超过270，影响因子大于10分的文章10篇，发表论文平均影响因子大于10分。5篇文章入选全球Top 1% ESI高被引论文。共授权发明专利13项。

曲清莉简介

曲清莉（Qingli Qu），1992年出生于山东省青岛市。2018年于南京林业大学黄超伯教授课题组攻读博士学位，研究方向主要涉及生物医用材料、药物靶向/智能递送、人工细胞等前沿交叉学科研究领域。截止目前，共发表学术论文27篇，其中SCI中科院1区9篇，累计影响因子超过80，总引用超过200次，已授权发明专利1项。

相关进展

南林黄超伯教授和哈佛医学院 Y. Shrike Zhang教授：一种利用气体辅助策略制备的具有复杂运动能力的双驱动微球马达

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