基于微流控技術(shù)的人工細(xì)胞制備研究

人工細(xì)胞是模擬天然細(xì)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(xì)胞在結(jié)構(gòu)、功能和生物機(jī)制上的高度復(fù)雜性，構(gòu)建人工細(xì)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(dú)特優(yōu)勢(shì)，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(xì)胞，推動(dòng)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(jì)量科學(xué)研究院戴新華/龔曉云、清華大學(xué)梁瓊麟團(tuán)隊(duì)合作，對(duì)基于微流控技術(shù)的人工細(xì)胞制備研究最新進(jìn)展進(jìn)行了綜述，詳細(xì)討論了不同類型的人工細(xì)胞（液滴、囊泡、聚合物微球和類細(xì)胞系統(tǒng)）構(gòu)建方法的特點(diǎn)，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。

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

在本綜述中，該團(tuán)隊(duì)討論了基于微流控平臺(tái)構(gòu)建人工細(xì)胞的代表性實(shí)例，涵蓋從液滴到囊泡、聚合物微球以及類細(xì)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(jī)理，并討論了不同人工細(xì)胞液滴的生成方法，包括：T型通道法、流動(dòng)聚焦法和共流聚焦法。其次，概述了微流控技術(shù)在人工細(xì)胞囊泡制備技術(shù)的最新進(jìn)展，討論了兩種最普遍研究的人工細(xì)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(xiàn)，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(xì)胞系統(tǒng)方面的最新工作。這些極度近似于細(xì)胞的仿生系統(tǒng)不僅具有更類似細(xì)胞的結(jié)構(gòu)，而且表現(xiàn)出更多的生物功能。

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

此外，該團(tuán)隊(duì)還展示了基于微流控人工細(xì)胞的潛在應(yīng)用，包括生物細(xì)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(xì)胞功能模擬方面，人工細(xì)胞含有與細(xì)胞類似的功能和現(xiàn)象，例如細(xì)胞通信、生長、分裂、蛋白表達(dá)、基因復(fù)制、運(yùn)動(dòng)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(xì)胞可以進(jìn)一步應(yīng)用于探索天然細(xì)胞的功能和現(xiàn)象，從而更好和更深入地理解細(xì)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(xì)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(shí)際的細(xì)胞反應(yīng)器相比，人工細(xì)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(diǎn)。在臨床診斷和生物醫(yī)藥應(yīng)用方面，人工細(xì)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(tái)。此外，通過適當(dāng)?shù)男薷幕蛟O(shè)計(jì)，它們自身也可以作為治療和診斷試劑。

圖3 基于微流控技術(shù)構(gòu)建的人工細(xì)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(tuán)隊(duì)還探討了該領(lǐng)域的相關(guān)挑戰(zhàn)和未來趨勢(shì)。他們認(rèn)為目前主要挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢(shì)包括：（1）當(dāng)前人工細(xì)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(xì)胞的合成系統(tǒng)；（2）目前的人工細(xì)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(xì)胞的穩(wěn)定性和耐用性；（4）實(shí)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(jìn)步，未來這些人工細(xì)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(xì)胞，解決能源危機(jī)；（4）構(gòu)建含有仿生納米酶的人工細(xì)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(xì)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(jià)值的思路，從而進(jìn)一步推進(jìn)這一領(lǐng)域的快速發(fā)展。

審核編輯：劉清