基于微流控技术的人工细胞制备研究

人工细胞是模拟天然细胞的合成结构体，在能源科学、环境治理和生命起源研究等领域具有广阔的应用前景。然而，鉴于天然细胞在结构、功能和生物机制上的高度复杂性，构建人工细胞仍面临诸多挑战。近年来，液滴微流控技术凭借其高通量、微型化和精准控制的独特优势，吸引了研究者们的广泛关注。该技术使研究人员能够在微观尺度上精准操纵流体，以高通量的方式制备大小可控、结构多样和组分可调的人工细胞，推动在材料、生物、环境、医学和能源等领域的应用发展。

 

中国计量科学研究院戴新华/龚晓云、清华大学梁琼麟团队合作，对基于微流控技术的人工细胞制备研究最新进展进行了综述，详细讨论了不同类型的人工细胞（液滴、囊泡、聚合物微球和类细胞系统）构建方法的特点，并展示了它们的广泛应用（图1）。相关工作以“RecentAdvances in Microfluidic Technologies for the Construction of Artificial Cells”为题，发表在《Advanced Functional Materials》期刊上。

图1 综述概述：基于微流控技术的人工细胞制备及应用（图片来源：Adv. Funct. Mater.）

在本综述中，该团队讨论了基于微流控平台构建人工细胞的代表性实例，涵盖从液滴到囊泡、聚合物微球以及类细胞系统（图2）。首先，简要介绍了用于生成简单液滴的微流控技术，阐述了微流控液滴的生成影响因素（包括芯片材质、结构、流速、外加作用力、液滴组分等）以及生成机理，并讨论了不同人工细胞液滴的生成方法，包括：T型通道法、流动聚焦法和共流聚焦法。其次，概述了微流控技术在人工细胞囊泡制备技术的最新进展，讨论了两种最普遍研究的人工细胞囊泡，包括脂质体囊泡和聚合物囊泡。

此外，还讨论了微流控技术在聚合物微球制备方面的贡献，介绍了基于微流控技术制备的具有不同腔室、形状和表面形貌的聚合物微球。另外，还阐述了基于微流控技术制备的类细胞系统方面的最新工作。这些极度近似于细胞的仿生系统不仅具有更类似细胞的结构，而且表现出更多的生物功能。

图2 基于微流控技术从液滴、囊泡、聚合物微球到类细胞系统构建人工细胞（图片来源：Adv. Funct. Mater.）

此外，该团队还展示了基于微流控人工细胞的潜在应用，包括生物细胞功能模拟、生物微反应器，以及临床诊断和生物医药应用（图3）。在生物细胞功能模拟方面，人工细胞含有与细胞类似的功能和现象，例如细胞通信、生长、分裂、蛋白表达、基因复制、运动性、粘附性、变形性和大分子聚集等。

这些具有各种特性的人工细胞可以进一步应用于探索天然细胞的功能和现象，从而更好和更深入地理解细胞生物体中的物理、化学和生物学原理。 在生物微反应器方面，人工细胞能够作为生化微反应工厂，应用于蛋白质合成、酶促反应、环境处理和能量转换等。

与实际的细胞反应器相比，人工细胞具有效率高、稳定性好、均匀性好以及能够开展多重反应等优点。在临床诊断和生物医药应用方面，人工细胞已被证明是药物开发、分离分析、递送和筛选的多功能平台。此外，通过适当的修改或设计，它们自身也可以作为治疗和诊断试剂。

图3 基于微流控技术构建的人工细胞应用（图片来源：Adv. Funct. Mater.）

最后，作为结论和前景展望，该团队还探讨了该领域的相关挑战和未来趋势。他们认为目前主要挑战和发展趋势包括：（1）当前人工细胞功能仍较为单一，需要包含更多功能模块，构建更类似于天然细胞的合成系统；（2）目前的人工细胞生物相容性有限，需要使它们能更好结合生物组织，避免排异反应；（3）需要增加人工细胞的稳定性和耐用性；（4）实现规模化生产和降本增效。相信随着材料科学、生物学、工程学和微制造技术的进步，未来这些人工细胞有望在仿生学、环境、医疗保健、能源和生物分析等领域显示巨大的潜力，例如：（1）构建仿生组织和器官，解决移植器官短缺问题；（2）与人工智能相结合，构建智能化信息处理系统；（3）构建高效催化功能的人工细胞，解决能源危机；（4）构建含有仿生纳米酶的人工细胞，用于环境治理和临床治疗；（5）作为标准化的质量控制试剂，校准各类细胞分析技术。

该综述旨在为基于液滴微流控技术的生物材料制备、微流控技术、能源医疗和生命科学领域的研究人员提供有价值的思路，从而进一步推进这一领域的快速发展。

审核编辑：刘清