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清華大學(xué)林金明教授團(tuán)隊(duì)《ACS AMI》：具有“凹坑”微結(jié)構(gòu)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(gòu)建生物材料的微觀形態(tài)和地形細(xì)節(jié)是有效控制細(xì)胞行為的關(guān)鍵參數(shù)。目前，生物制造領(lǐng)域不斷進(jìn)步，精準(zhǔn)調(diào)控生物材料的形貌特征也成為開拓進(jìn)取設(shè)計新型微載體的主攻方向。


圖1.表面“凹坑”結(jié)構(gòu)的水凝膠顆粒（CTMs）的制備


  近期，清華大學(xué)化學(xué)系林金明教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計制造了一種表面具有不規(guī)則“凹坑”結(jié)構(gòu)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(jié)合一組超聲波霧化器，即可在產(chǎn)生液滴的尖端營造一個氯化鈣氣溶膠反應(yīng)區(qū)。當(dāng)海藻酸鈉液滴從尖端滴落，穿梭過氯化鈣氣溶膠區(qū)域時，會連續(xù)地接受大量、隨機(jī)的超細(xì)氯化鈣氣溶膠撞擊，撞擊處的液滴表面向內(nèi)塌陷，同時海藻酸鈉-Ca2+快速聚合瞬時凍結(jié)了此處的“凹坑”形態(tài)。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(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)，并且光交聯(lián)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？梢哉T導(dǎo)自發(fā)的蛋白質(zhì)吸附，表層的蛋白質(zhì)通過與細(xì)胞膜表面受體的相互作用，從而指導(dǎo)細(xì)胞粘附在顆粒表面（圖3）。這些顆粒表現(xiàn)出優(yōu)越的細(xì)胞親和力，具體表現(xiàn)為高活性增殖、功能蛋白高表達(dá)以及多類型細(xì)胞的穩(wěn)固粘附（圖4）。這種顆粒通過地形指導(dǎo)了細(xì)胞以獨(dú)特的“手指狀”粘附狀態(tài)在其表面伸展、生長（圖5），這種活躍狀態(tài)對于細(xì)胞遷移至關(guān)重要。這項(xiàng)研究工作通過自制搭建的微流控系統(tǒng)制備了一種具有獨(dú)特表面微結(jié)構(gòu)的水凝膠微粒，系統(tǒng)研究了其通過地形特征指導(dǎo)細(xì)胞行為的功能和特性，為設(shè)計新型細(xì)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(fā)表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上（10.1021/acsami.2c21104）。文章第一作者是清華大學(xué)博士生鄭亞婧。該研究得到國家自然科學(xué)基金委項(xiàng)目的支持。


圖2. 表面“凹坑”結(jié)構(gòu)的水凝膠顆粒（CTMs）的調(diào)控 


圖3. CTMs誘導(dǎo)的蛋白質(zhì)吸附和細(xì)胞粘附


 圖4. CTMs的細(xì)胞親和力


 圖5. CTMs指導(dǎo)的“手指狀”細(xì)胞粘附“指紋”


  該工作是團(tuán)隊(duì)近期關(guān)于各向異性微粒研究的最新進(jìn)展之一；谖⒘骺丶夹g(shù)設(shè)計制造具有精確特征的功能材料，并將其應(yīng)用于生物學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)分析，一直是該團(tuán)隊(duì)在研究工作中“統(tǒng)籌兼顧”的研究重點(diǎn)。在過去的兩年中，團(tuán)隊(duì)制備了一系列核殼結(jié)構(gòu)的水凝膠顆粒，分別用于構(gòu)建細(xì)胞-細(xì)胞共培養(yǎng)（Anal. Chem. 2019, 91, 122837）以及細(xì)胞-細(xì)菌共培養(yǎng)模型（Anal. Chem. 2023, 10.1021/acs.analchem.2c04355），進(jìn)而對細(xì)胞和細(xì)菌的生物代謝進(jìn)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(xì)胞共培養(yǎng)的可視化獨(dú)立追蹤觀測（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 2225）；制備了PH響應(yīng)性的液晶彈性體微球，量化單細(xì)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(chǔ)，團(tuán)隊(duì)對制造功能材料、進(jìn)而操縱細(xì)胞命運(yùn)的系列工作進(jìn)行了總結(jié)（Lab Chip 2021, 21, 4311）。


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

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