微流控技术仿生合成蜂巢状生物功能材料

最近,来自大连化物所的秦建华老师研究组巧妙利用微流控技术,建立了一种通过“一步法”,简单、快速合成具有蜂巢仿生结构高聚物材料的新方法,并探索其作为细胞和药物载体的生物功能多样性。该工作发表在最近一期Small上。

蜂巢(honeycomb)广泛存在于自然界中,由无数大小相同、紧密排列的正六角形结构单元组成,其结构精巧,功能特异。研究发现,正六角形的建筑结构具有密合度最高、所需材料最少、可使用空间最大等优越特性。因此,基于蜂巢结构的仿生材料被广泛应用于航天、建筑和电子等领域。传统蜂巢仿生材料的制备过程相对复杂,微结构精度有待提高,应用领域也有待扩展。

该研究通过夹流结构微流控芯片设计和微尺度空间多相流操控原理,先形成大小可控、均一的水/油/水(W1/O/W2 )双乳相微液滴,其有机相中碳酸二甲酯溶剂的快速挥发可使其溶解的聚乳酸-羟基乙酸(PLGA)析出,并沉积在内水相(W1)液滴周围。与此同时,碳酸氢铵泡腾盐分解产生气体,在令内水相液滴膨胀至最大限度同时却能有效避免其融合,作为模板的内水相液滴经脱水处理产生空腔,以此可形成具有类似蜂巢结构的PLGA微球。研究中,通过改变泡腾盐的含量可有效调节仿生微球的直径及微球内部空腔的大小。

合成的仿生微球材料经过表征,内部具有多个微空腔、其支架单元结构呈现明显的六角形或圆形轮廓,排列紧密,如蜂巢状貌,微球外层包裹有纳米薄膜。

进一步研究证实,该结构材料具有很好的生物相容性、膜通透性和载体多样性(粒子、药物分子、气体和细胞),不仅可作为干细胞载体用以形成“微组织”样细胞聚集体,还可作为药物载体包裹并释放水溶性抗癌药物,进而对癌细胞有生长抑制及诱导凋亡作用。

该研究工作为新型仿生功能材料的设计与制备提供了一种新的思路,其独特之处在于巧妙利用了微尺度空间双乳相模板效应、PLGA快速沉积、及泡腾盐分解反应的协同作用。该材料的结构特殊性和生物功能多样性将在组织工程、生物医药和催化等领域具有广泛的应用前景。

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