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清華大學林金明教授團隊《ACS AMI》：具有“凹坑”微結構表面的水凝膠微粒 - 有望作為新型微載體

2023-01-18 來源：高分子科技

構建生物材料的微觀形態和地形細節是有效控制細胞行為的關鍵參數。目前，生物制造領域不斷進步，精準調控生物材料的形貌特征也成為開拓進取設計新型微載體的主攻方向。

圖1.表面“凹坑”結構的水凝膠顆粒（CTMs）的制備

近期，清華大學化學系林金明教授團隊設計制造了一種表面具有不規則“凹坑”結構的水凝膠顆粒（Crater–terrain microparticles，CTMs）。在氣體剪切輔助的微流控液滴制備器的下方結合一組超聲波霧化器，即可在產生液滴的尖端營造一個氯化鈣氣溶膠反應區。當海藻酸鈉液滴從尖端滴落，穿梭過氯化鈣氣溶膠區域時，會連續地接受大量、隨機的超細氯化鈣氣溶膠撞擊，撞擊處的液滴表面向內塌陷，同時海藻酸鈉-Ca²⁺快速聚合瞬時凍結了此處的“凹坑”形態。最終海藻酸鈉液滴在含有氯化鈣的收集皿中固化完全，形成表面遍布“凹坑”的水凝膠顆粒（圖1）。氯化鈣氣溶膠的速度和濃度是制備“凹坑”結構的關鍵參數，并且光交聯水凝膠材料——聚乙二醇二丙烯酸酯同樣適用該制備體系（圖2）。這些表面粗糙的顆粒可以誘導自發的蛋白質吸附，表層的蛋白質通過與細胞膜表面受體的相互作用，從而指導細胞粘附在顆粒表面（圖3）。這些顆粒表現出優越的細胞親和力，具體表現為高活性增殖、功能蛋白高表達以及多類型細胞的穩固粘附（圖4）。這種顆粒通過地形指導了細胞以獨特的“手指狀”粘附狀態在其表面伸展、生長（圖5），這種活躍狀態對于細胞遷移至關重要。這項研究工作通過自制搭建的微流控系統制備了一種具有獨特表面微結構的水凝膠微粒，系統研究了其通過地形特征指導細胞行為的功能和特性，為設計新型細胞微載體提供了新思路。該工作以“Microfluidic Engineering of Crater–Terrain Hydrogel Microparticles: Toward Novel Cell Carriers”為題發表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上（10.1021/acsami.2c21104）。文章第一作者是清華大學博士生鄭亞婧。該研究得到國家自然科學基金委項目的支持。

圖2. 表面“凹坑”結構的水凝膠顆粒（CTMs）的調控

圖3. CTMs誘導的蛋白質吸附和細胞粘附

圖4. CTMs的細胞親和力

圖5. CTMs指導的“手指狀”細胞粘附“指紋”

該工作是團隊近期關于各向異性微粒研究的最新進展之一。基于微流控技術設計制造具有精確特征的功能材料，并將其應用于生物學領域的基礎分析，一直是該團隊在研究工作中“統籌兼顧”的研究重點。在過去的兩年中，團隊制備了一系列核殼結構的水凝膠顆粒，分別用于構建細胞-細胞共培養（Anal. Chem. 2019, 91, 122837）以及細胞-細菌共培養模型（Anal. Chem. 2023, 10.1021/acs.analchem.2c04355），進而對細胞和細菌的生物代謝進行深入分析；制備了具有二十隔室的水凝膠微粒，用于對多類型細胞共培養的可視化獨立追蹤觀測（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 2225）；制備了PH響應性的液晶彈性體微球，量化單細胞水平的過氧化氫釋放（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 9282）。以這些各向異性微粒為基礎，團隊對制造功能材料、進而操縱細胞命運的系列工作進行了總結（Lab Chip 2021, 21, 4311）。

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.2c21104

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（責任編輯：xu）

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