在生物医学、材料科学与工程领域，复杂设计的水凝胶颗粒的可控制造和功能化具有重要意义。受自然界生物系统层次结构的启发，水凝胶颗粒丰富的内部和表面空间为其功能定制提供了更多的设计可能性，使这些功能集成的颗粒能够在各种应用场景中执行复杂任务。例如，具有内部异质性的颗粒在药物负载、组织工程和智能驱动器等方面发挥了关键作用。此外，表面功能化颗粒在细胞输送、可注射治疗和药物筛选等领域展现了广泛的应用前景。然而，由于现有技术在微粒功能定制方面缺乏灵活性，区室化微粒的全面应用潜能尚未被充分利用。
近期，清华大学林金明教授团队联合北京工商大学林玲教授团队提出了一种开放气溶胶微流控（OAMF）方法，用于一步法制备具有正交功能化的区室化水凝胶微粒，实现了对微粒内部结构和表面功能的独立控制，为器官芯片技术提供了一种灵活设计工程微粒的新途径。相关研究以“Open aerosol microfluidics enable orthogonal compartmentalized functionalization of hydrogel particles”为题目发表于期刊《Matter》。
本文要点：
1、本研究提出了一种开放气溶胶微流控（OAMF）方法，用于制造具有正交功能化内外部结构的水凝胶微粒。
2、该技术利用微流控网络调整颗粒内部多室结构，并通过反应性气溶胶精确工程化微粒表面，实现了对微粒内部和表面功能的独立控制。
3、作为概念验证，制造了具有复杂内外设计的微粒，并通过不同水凝胶展示了微粒定制的广泛材料适用性。
4、此外，还探索了微粒作为新型细胞载体的潜在应用，成功在微粒表面和内部建立了图案化细胞培养体系。
5、该技术为设计灵活的工程化微粒奠定了基础，有望推动组织工程、药物筛选和细胞治疗等领域的创新发展。
使用OAMF方法进行微粒制造的优势包括：
1、正交设计：实现微粒内部结构和表面功能的独立控制，提供更高的设计灵活性。
2、广泛的材料适用性：能够使用不同的水凝胶材料进行微粒定制，适应多种应用需求。
3、精确的表面工程：利用反应性气溶胶进行区域选择性的表面功能化，确保表面改性不影响内部物质。
4、复杂功能的定制：支持微粒复杂功能的多样化定制，促进复杂多细胞系统和器官芯片技术的发展。
5、生物相容性：方法简单、灵活且生物相容，适合生物工程领域的应用。
6、一体化制造：通过一步法制造具有多种功能的微粒，简化了制造过程。
这种具有内部和表面功能正交定制能力的区室化水凝胶微粒具有以下潜在应用：
1、组织工程：微粒内部和表面可以分别进行细胞铺垫，构建复杂的多细胞系统，模拟生理组织结构。
2、药物筛选：微粒内部可以封装不同细胞类型，表面可以进行定制化修饰，为高通量药物筛选提供新平台。
3、细胞治疗：微粒可以作为细胞载体，通过内外部功能的定制，增强细胞的活性和功能性。
4、生物传感：微粒内部可以封装生物传感元件，表面可以进行化学修饰，用于构建新型生物传感器。
5、智能执行器：微粒内部可以集成刺激响应材料，表面可以进行功能化，用于制造新型智能执行器件。
总之，这种具有内外部正交定制能力的区室化水凝胶微粒在组织工程、药物筛选、细胞治疗、生物传感和智能执行器等领域都具有广泛的应用前景。
图1.开放气溶胶微流控（OAMF）示意图
图2.区室化微粒的生成
图3.可通过改变微流控网络和流速来调整区室化微粒的内部布局
图4.利用反应气溶胶对微粒表面进行功能设计
图5.用于多细胞系统的区室化微粒
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2024.06.045
