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基于微流控技術(shù)的人工細胞制備研究

微流控 ? 來源:微流控 ? 2023-08-12 10:57 ? 次閱讀

人工細胞是模擬天然細胞的合成結(jié)構(gòu)體,在能源科學(xué)、環(huán)境治理和生命起源研究等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而,鑒于天然細胞在結(jié)構(gòu)、功能和生物機制上的高度復(fù)雜性,構(gòu)建人工細胞仍面臨諸多挑戰(zhàn)。近年來,液滴微流控技術(shù)憑借其高通量、微型化和精準(zhǔn)控制的獨特優(yōu)勢,吸引了研究者們的廣泛關(guān)注。該技術(shù)使研究人員能夠在微觀尺度上精準(zhǔn)操縱流體,以高通量的方式制備大小可控、結(jié)構(gòu)多樣和組分可調(diào)的人工細胞,推動在材料、生物、環(huán)境、醫(yī)學(xué)和能源等領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展。

中國計量科學(xué)研究院戴新華/龔曉云、清華大學(xué)梁瓊麟團隊合作,對基于微流控技術(shù)的人工細胞制備研究最新進展進行了綜述,詳細討論了不同類型的人工細胞(液滴、囊泡、聚合物微球和類細胞系統(tǒng))構(gòu)建方法的特點,并展示了它們的廣泛應(yīng)用(圖1)。相關(guān)工作以“RecentAdvances in Microfluidic Technologies for the Construction of Artificial Cells”為題,發(fā)表在《Advanced Functional Materials》期刊上。

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圖1 綜述概述:基于微流控技術(shù)的人工細胞制備及應(yīng)用(圖片來源:Adv. Funct. Mater.)

在本綜述中,該團隊討論了基于微流控平臺構(gòu)建人工細胞的代表性實例,涵蓋從液滴到囊泡、聚合物微球以及類細胞系統(tǒng)(圖2)。首先,簡要介紹了用于生成簡單液滴的微流控技術(shù),闡述了微流控液滴的生成影響因素(包括芯片材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、流速、外加作用力、液滴組分等)以及生成機理,并討論了不同人工細胞液滴的生成方法,包括:T型通道法、流動聚焦法和共流聚焦法。其次,概述了微流控技術(shù)在人工細胞囊泡制備技術(shù)的最新進展,討論了兩種最普遍研究的人工細胞囊泡,包括脂質(zhì)體囊泡和聚合物囊泡。

此外,還討論了微流控技術(shù)在聚合物微球制備方面的貢獻,介紹了基于微流控技術(shù)制備的具有不同腔室、形狀和表面形貌的聚合物微球。另外,還闡述了基于微流控技術(shù)制備的類細胞系統(tǒng)方面的最新工作。這些極度近似于細胞的仿生系統(tǒng)不僅具有更類似細胞的結(jié)構(gòu),而且表現(xiàn)出更多的生物功能。

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圖2 基于微流控技術(shù)從液滴、囊泡、聚合物微球到類細胞系統(tǒng)構(gòu)建人工細胞(圖片來源:Adv. Funct. Mater.)

此外,該團隊還展示了基于微流控人工細胞的潛在應(yīng)用,包括生物細胞功能模擬、生物微反應(yīng)器,以及臨床診斷和生物醫(yī)藥應(yīng)用(圖3)。在生物細胞功能模擬方面,人工細胞含有與細胞類似的功能和現(xiàn)象,例如細胞通信、生長、分裂、蛋白表達、基因復(fù)制、運動性、粘附性、變形性和大分子聚集等。

這些具有各種特性的人工細胞可以進一步應(yīng)用于探索天然細胞的功能和現(xiàn)象,從而更好和更深入地理解細胞生物體中的物理、化學(xué)和生物學(xué)原理。在生物微反應(yīng)器方面,人工細胞能夠作為生化微反應(yīng)工廠,應(yīng)用于蛋白質(zhì)合成、酶促反應(yīng)、環(huán)境處理和能量轉(zhuǎn)換等。

與實際的細胞反應(yīng)器相比,人工細胞具有效率高、穩(wěn)定性好、均勻性好以及能夠開展多重反應(yīng)等優(yōu)點。在臨床診斷和生物醫(yī)藥應(yīng)用方面,人工細胞已被證明是藥物開發(fā)、分離分析、遞送和篩選的多功能平臺。此外,通過適當(dāng)?shù)男薷幕蛟O(shè)計,它們自身也可以作為治療和診斷試劑。

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圖3 基于微流控技術(shù)構(gòu)建的人工細胞應(yīng)用(圖片來源:Adv. Funct. Mater.)

最后,作為結(jié)論和前景展望,該團隊還探討了該領(lǐng)域的相關(guān)挑戰(zhàn)和未來趨勢。他們認(rèn)為目前主要挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢包括:(1)當(dāng)前人工細胞功能仍較為單一,需要包含更多功能模塊,構(gòu)建更類似于天然細胞的合成系統(tǒng);(2)目前的人工細胞生物相容性有限,需要使它們能更好結(jié)合生物組織,避免排異反應(yīng);(3)需要增加人工細胞的穩(wěn)定性和耐用性;(4)實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)和降本增效。相信隨著材料科學(xué)、生物學(xué)、工程學(xué)和微制造技術(shù)的進步,未來這些人工細胞有望在仿生學(xué)、環(huán)境、醫(yī)療保健、能源和生物分析等領(lǐng)域顯示巨大的潛力,例如:(1)構(gòu)建仿生組織和器官,解決移植器官短缺問題;(2)與人工智能相結(jié)合,構(gòu)建智能化信息處理系統(tǒng);(3)構(gòu)建高效催化功能的人工細胞,解決能源危機;(4)構(gòu)建含有仿生納米酶的人工細胞,用于環(huán)境治理和臨床治療;(5)作為標(biāo)準(zhǔn)化的質(zhì)量控制試劑,校準(zhǔn)各類細胞分析技術(shù)。

該綜述旨在為基于液滴微流控技術(shù)的生物材料制備、微流控技術(shù)、能源醫(yī)療和生命科學(xué)領(lǐng)域的研究人員提供有價值的思路,從而進一步推進這一領(lǐng)域的快速發(fā)展。





審核編輯:劉清

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原文標(biāo)題:綜述:基于微流控技術(shù)的人工細胞制備研究進展

文章出處:【微信號:Micro-Fluidics,微信公眾號:微流控】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

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