清华大学林金明教授团队《ACS AMI》：具有“凹坑”微结构表面的水凝胶微粒

清华大学林金明教授团队《ACS AMI》：具有“凹坑”微结构表面的水凝胶微粒 - 有望作为新型微载体

2023-01-18 来源：高分子科技

构建生物材料的微观形态和地形细节是有效控制细胞行为的关键参数。目前，生物制造领域不断进步，精准调控生物材料的形貌特征也成为开拓进取设计新型微载体的主攻方向。

图1.表面“凹坑”结构的水凝胶颗粒（CTMs）的制备

近期，清华大学化学系林金明教授团队设计制造了一种表面具有不规则“凹坑”结构的水凝胶颗粒（Crater–terrain microparticles，CTMs）。在气体剪切辅助的微流控液滴制备器的下方结合一组超声波雾化器，即可在产生液滴的尖端营造一个氯化钙气溶胶反应区。当海藻酸钠液滴从尖端滴落，穿梭过氯化钙气溶胶区域时，会连续地接受大量、随机的超细氯化钙气溶胶撞击，撞击处的液滴表面向内塌陷，同时海藻酸钠-Ca²⁺快速聚合瞬时冻结了此处的“凹坑”形态。最终海藻酸钠液滴在含有氯化钙的收集皿中固化完全，形成表面遍布“凹坑”的水凝胶颗粒（图1）。氯化钙气溶胶的速度和浓度是制备“凹坑”结构的关键参数，并且光交联水凝胶材料——聚乙二醇二丙烯酸酯同样适用该制备体系（图2）。这些表面粗糙的颗粒可以诱导自发的蛋白质吸附，表层的蛋白质通过与细胞膜表面受体的相互作用，从而指导细胞粘附在颗粒表面（图3）。这些颗粒表现出优越的细胞亲和力，具体表现为高活性增殖、功能蛋白高表达以及多类型细胞的稳固粘附（图4）。这种颗粒通过地形指导了细胞以独特的“手指状”粘附状态在其表面伸展、生长（图5），这种活跃状态对于细胞迁移至关重要。这项研究工作通过自制搭建的微流控系统制备了一种具有独特表面微结构的水凝胶微粒，系统研究了其通过地形特征指导细胞行为的功能和特性，为设计新型细胞微载体提供了新思路。该工作以“Microfluidic Engineering of Crater–Terrain Hydrogel Microparticles: Toward Novel Cell Carriers”为题发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上（10.1021/acsami.2c21104）。文章第一作者是清华大学博士生郑亚婧。该研究得到国家自然科学基金委项目的支持。

图2. 表面“凹坑”结构的水凝胶颗粒（CTMs）的调控

图3. CTMs诱导的蛋白质吸附和细胞粘附

图4. CTMs的细胞亲和力

图5. CTMs指导的“手指状”细胞粘附“指纹”

该工作是团队近期关于各向异性微粒研究的最新进展之一。基于微流控技术设计制造具有精确特征的功能材料，并将其应用于生物学领域的基础分析，一直是该团队在研究工作中“统筹兼顾”的研究重点。在过去的两年中，团队制备了一系列核壳结构的水凝胶颗粒，分别用于构建细胞-细胞共培养（Anal. Chem. 2019, 91, 122837）以及细胞-细菌共培养模型（Anal. Chem. 2023, 10.1021/acs.analchem.2c04355），进而对细胞和细菌的生物代谢进行深入分析；制备了具有二十隔室的水凝胶微粒，用于对多类型细胞共培养的可视化独立追踪观测（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 2225）；制备了PH响应性的液晶弹性体微球，量化单细胞水平的过氧化氢释放（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 9282）。以这些各向异性微粒为基础，团队对制造功能材料、进而操纵细胞命运的系列工作进行了总结（Lab Chip 2021, 21, 4311）。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.2c21104

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（责任编辑：xu）

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