基于微流控技術的人工細胞制備研究

人工細胞是模擬天然細胞的合成結構體，在能源科學、環境治理和生命起源研究等領域具有廣闊的應用前景。然而，鑒于天然細胞在結構、功能和生物機制上的高度復雜性，構建人工細胞仍面臨諸多挑戰。近年來，液滴微流控技術憑借其高通量、微型化和精準控制的獨特優勢，吸引了研究者們的廣泛關注。該技術使研究人員能夠在微觀尺度上精準操縱流體，以高通量的方式制備大小可控、結構多樣和組分可調的人工細胞，推動在材料、生物、環境、醫學和能源等領域的應用發展。

中國計量科學研究院戴新華/龔曉云、清華大學梁瓊麟團隊合作，對基于微流控技術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）構建方法的特點，并展示了它們的廣泛應用（圖1）。相關工作以“RecentAdvances in Microfluidic Technologies for the Construction of Artificial Cells”為題，發表在《Advanced Functional Materials》期刊上。

圖1 綜述概述：基于微流控技術的人工細胞制備及應用（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（圖2）。首先，簡要介紹了用于生成簡單液滴的微流控技術，闡述了微流控液滴的生成影響因素（包括芯片材質、結構、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，概述了微流控技術在人工細胞囊泡制備技術的最新進展，討論了兩種最普遍研究的人工細胞囊泡，包括脂質體囊泡和聚合物囊泡。

此外，還討論了微流控技術在聚合物微球制備方面的貢獻，介紹了基于微流控技術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制備的類細胞系統方面的最新工作。這些極度近似于細胞的仿生系統不僅具有更類似細胞的結構，而且表現出更多的生物功能。

圖2 基于微流控技術從液滴、囊泡、聚合物微球到類細胞系統構建人工細胞（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用，包括生物細胞功能模擬、生物微反應器，以及臨床診斷和生物醫藥應用（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象，例如細胞通信、生長、分裂、蛋白表達、基因復制、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用于探索天然細胞的功能和現象，從而更好和更深入地理解細胞生物體中的物理、化學和生物學原理。在生物微反應器方面，人工細胞能夠作為生化微反應工廠，應用于蛋白質合成、酶促反應、環境處理和能量轉換等。

與實際的細胞反應器相比，人工細胞具有效率高、穩定性好、均勻性好以及能夠開展多重反應等優點。在臨床診斷和生物醫藥應用方面，人工細胞已被證明是藥物開發、分離分析、遞送和篩選的多功能平臺。此外，通過適當的修改或設計，它們自身也可以作為治療和診斷試劑。

圖3 基于微流控技術構建的人工細胞應用（圖片來源：Adv. Funct. Mater.）

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

該綜述旨在為基于液滴微流控技術的生物材料制備、微流控技術、能源醫療和生命科學領域的研究人員提供有價值的思路，從而進一步推進這一領域的快速發展。

審核編輯：劉清