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  芯殼多隔間微球因其仿生自然界真核細胞結構，在多藥物釋放、細胞共培養、多酶聯反應等領域有很多重要的應用。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構，但這些結構均存在多隔間相對位置難以調控等問題。近日，南京林業大學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構的啟發，采用前期課題組發展的氣輔法（doi:10.1002/advs.201802342），構建了一種“山竹型”芯殼多隔間微球（圖1），不同隔間既獨立又相互連續，且避免了傳統微球制備方法中需要使用油和表面活性劑的弊端，拓寬了其在生物醫藥領域的應用。

圖1. “山竹”微球的制備及其應用于人工細胞領域。

  首先以單面芯殼微球為例，探究了其相關形貌特性。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，經二步氣輔法得到芯殼微球。(B)用21G內針和14G外針獲得芯殼微球的光學圖像。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）及其相應的“山竹”微球（圖5）。同時，該“山竹”微球展現出了類似自然細胞的極性現象，這種極化誘導行為可能會在各種應用中引起興趣。

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；葡萄糖的氧化導致H₂O₂形成；由于過量的H₂O₂在體內具有毒性，需要過氧化氫酶將多余的H₂O₂分解產生O₂；O₂被重復利用進行葡萄糖氧化。葡萄糖酸導致微球環境pH下降，引發殼聚糖氨基質子化，釋放出其中的胰島素，模擬胰島β細胞感應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境中的pH變化。(E) 人工細胞在不同葡萄糖濃度環境中胰島素的釋放過程。(F)葡萄糖氧化酶和過氧化物酶驅動的級聯反應和過氧化物酶氧化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，同時展示了將其應用于人工細胞的可行性。通過優化制備參數，可以控制微球的芯殼大小及厚度，調整芯微球的隔間數量和極性，實現了在單個微球中發生多重級聯反應，用于模擬生物體內的各種生理功能，有望進一步構筑更加復雜的人工細胞。

  以上相關成果發表在Chemical Engineering Journal（IF=13.27）上。論文的第一作者為南京林業大學化學工程學院博士生曲清莉，通訊作者為南京林業大學化學工程學院黃超伯教授，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