SCIENCE CHINA Materials 2017年第9期封面文章：微流控制备仿佛珠微载体用于细胞培养研究

【引言】

近年来，三维细胞培养在模拟体内细胞与细胞、细胞与微环境之间的相互作用方面取得了不错的技术进步，进一步巩固了其在组织工程领域的重要地位。而细胞微载体，作为一种新型的适用于细胞三维培养的仿生平台，它为细胞的包裹以及细胞球聚体的形成提供了三维的生物材料支架。光刻、微模板、电喷、微流控等方法都可用于细胞微载体的制备。其中，微流控方法制备细胞微载体具有单分散性高、尺寸控制精准、高通量、细胞微环境可控等优点，是一种相当具有前景的三维细胞包裹技术。

然而，由于缺少有效的营养交换途径，绝大多数的细胞微载体尺寸都限制在一定范围内，以避免载体内部细胞的坏死。此外，传统的细胞微载体只能够为细胞提供均一的微环境，而体内的细胞分布是十分复杂的。空间各向异性或异质的组织在生物体内普遍存在，其对保持生物体的生理功能具有重要意义。因此，赋予微载体更多复杂的结构和功能，并且实现氧气营养物质充分交换值得期待。

【成果简介】

近日，东南大学赵远锦教授课题组在Science China Materials上发表了一篇题为Microfluidic generation of Buddha beads-like microcarriers for cell culture的封面文章。文中报道了一种受佛珠手串中佛珠可以在绳子上自由滑动这一特殊结构的启发，利用毛细管阵列微流控技术制备的具有可控大孔微结构的新型异质细胞微载体，用于细胞三维培养研究。仿佛珠微载体的构建首先需要通过海藻酸钠与钙离子的快速凝胶化形成海藻酸钙纤维，随即在纤维上包覆可聚合的细胞预聚溶液，通过流体的剪切实现溶液乳化并将其固化聚合，从而获得串有可以自由滑动的微载体的纤维串。纤维上释放的微载体中间的大孔结构的尺寸高度可控，这一特点在微载体用于细胞三维培养中具有重要意义，因为微载体中间的大孔结构能够有效保证载体内部细胞氧气、营养物质的充分交换，减少细胞坏死。此外，通过将多种细胞预聚溶液引入微流控通道中，还可以获得具有多组分异质结构的细胞微载体，从而有望实现体内复杂的组织器官结构与功能的模拟。

【图文导读】

图一：受佛珠启发的大孔微载体微流控制备示意图

图1.（a）佛珠手串；（b）毛细管阵列微流控技术制备大孔微载体。

图二：大孔微载体的可控制备

图2.（a）尺寸可控的包覆有液滴的微纤维实时微流控生成图；（b-d）液滴短轴长（红点）和纤维直径（蓝点）与内相（F₁）、中间相（F₂）和外相（F₃）流速的关系。

图三：微纤维表征

图3. 微纤维的（a-c）共聚焦图片和（d）电镜图表征；（e-f）利用微载体在纤维上可滑动的特性所展示的同一组微纤维上的载体分散、堆叠状态下的光镜图。

图四：微载体表征

图4.（a-c）大孔微载体的光镜、共聚焦以及电镜图表征；（d-f）大孔微载体横截面的光镜、共聚焦以及电镜图表征。

图五：多组分微载体的微流控制备示意图和共聚焦表征

图5.（a）两组分，（b）三组分和（c）六组分的微载体的微流控制备示意图和共聚焦表征。

图六：大孔微载体与实心微载体对包裹的细胞活性的比较

图6.（a）实心微载体以及（b）大孔微载体培养七天的细胞活死染；（c）实心微载体以及大孔微载体MTT表征。

图七：两组分微载体在细胞共培养方面的研究

图7.（a-d）一组分和两组分的大孔微载体的光镜和共聚焦表征；（e）微载体的白蛋白分泌；（f）微载体的尿素合成。

【小结】

本研究提出了一种利用毛细管阵列微流控技术连续制备串有可移动大孔微载体的微纤维的途径。与佛珠可从手串绳子上滑动、脱落这一特点类似，微载体可以从微纤维上剥离且不破坏载体结构，这得益于微载体在纤维上的可移动性。通过调节微流控流体的各相流速，微载体及其内部的大孔尺寸高度可控；这保证了细胞包裹和培养过程中的氧气营养物质的充分交换。此外，通过将多种细胞预聚溶液引入微流控通道中，还可以获得具有多组分异质结构的细胞微载体；在微载体中将肝实质细胞与成纤维细胞共培养，可以观察到肝脏特异性功能的高水平表达，进一步论证了微载体的优越性。因此，研究人员认为，这些载有细胞的微载体可以用作生物体中的生物模型甚至是更为复杂的多组织研究，有望实现人体较大器官网络行为的模拟研究。

本导读由文章第一作者王洁供稿，材料人编辑部特邀编辑、Science China Materials实习编辑吴禹翰整理、校对、发布。