在生命的微观世界里，每一个细胞都堪称一座效率极高的“精密工厂”。为了让成千上万种化学反应在方寸之间互不干扰地运行，细胞进化出了精妙的“隔间”结构——细胞器。这些“房间”不仅为生物酶提供了受控的反应环境，还精准地调节着物质的进出。

长期以来，学界一直渴望在人工系统中模拟这种“隔间化”功能，以构建高效的仿生微反应器。然而，如何兼顾结构的“精准性”与“稳固性”始终是一个巨大挑战。尽管目前已开发出如凝聚层、乳液液滴、脂质体和蛋白质体等多种微反应器，但它们大多依赖非共价相互作用构建，存在机械鲁棒性不足的问题，难以在实际应用中维持内部反应的连续性。

近日，华东理工大学王义明教授团队提出一种利用微流控技术结合界面聚合来连续制造仿生微反应器的新方法。为了克服传统非共价键构建的微型结构稳定性不足的问题，研究人员在油水界面通过单体反应快速生成聚酰胺酸（PAA）薄膜，作为反应器的稳固外壳。这些微反应器具有高度的机械稳定性和均匀的尺寸，并能通过内部的水凝胶基质有效负载酶分子。实验证明，该反应器能够成功诱导酶促级联反应，并在其内部实现类似于细胞骨架的超分子纤维自组装。这种策略为生物医学和绿色催化等领域大规模制备高性能、高稳定性的微型化学转化平台提供了可能。相关研究以“Microfluidic-Assisted Interfacial Polymerization for Continuous Fabrication of Biomimetic Microreactors”为题目，发表于期刊《Industrial & Engineering Chemistry Research》。

本文要点：

1. 核心挑战与解决方案

• 稳定性不足：传统的生物模拟微反应器（如无膜凝聚层、脂质体、囊泡等）大多基于非共价相互作用构建，其固有的不稳定性限制了实际应用。

• 解决方案：研究团队提出利用共价交联的聚酰胺酸（PAA）薄膜来构建微反应器边界，以显著增强其机械鲁棒性和化学稳定性。

2. 微反应器的制备策略

• 微流控辅助界面聚合：

• 将酸酐类单体（F）和三酰肼单体（H）分别分布在油相和水相中。

• 利用微流控技术生成均匀的液滴，两种单体在水-油界面通过形成酰胺键快速聚合成 PAA 薄膜。

• 内部凝胶化增强：

• 为了防止单纯 PAA 薄膜包覆的液滴发生破裂或融合，研究人员在水相中加入 PEGDA 和光引发剂 LAP。

• 通过 UV 照射使液滴内部形成水凝胶核，从而获得结构坚固的微反应器。

3. 微反应器的特性

• 尺寸均匀且形貌独特：制备的微反应器平均粒径约为 185 μm。SEM 观察显示其表面由于 PAA 薄膜的存在而呈现出皱褶结构。

• 卓越的稳定性：该微反应器表现出极强的环境适应性，在 pH 5.0 至 0以及高温（最高 80 °C）条件下孵育 4 小时仍能保持结构完整，且可稳定储存 3 天以上。

• 选择性渗透与酶负载：微反应器允许小分子（如罗丹明 B）自由扩散，但能有效拦截大分子（如 500 kDa 的葡聚糖和各类酶），葡萄糖氧化酶（GOx）的负载效率高达 1%。

4. 生物模拟应用演示

• 局部级联反应：成功在微反应器内封装 GOx，通过级联显色反应证明了反应能被限制在微反应器内部发生，有效防止了酶的泄漏。

• 模拟细胞内骨架组装：受活细胞内生物丝自组装的启发，研究者在微反应器内实现了超分子纤维的局部生长。通过 GOx 催化产生 H₂O₂，触发小分子前体（CSH）氧化并自组装成类似于细胞细丝的纤维结构。

结论与意义

该研究通过微流控与界面聚合的结合，实现了稳定生物模拟微反应器的连续、可规模化制备。这种微反应器在生物医药、生物制造和绿色催化等前沿领域具有广阔的应用前景，并可通过引入功能基团进一步实现物质传输的选择性控制。

图1. 通过微流控辅助聚酰胺酸（PAA）界面聚合连续制备微反应器的示意图。（a）示意图显示：水相中的 H 与油相中的 F 在水–油界面发生界面聚合，从而形成 PAA 薄膜；（b）微流控辅助界面聚合用于连续制备由 PAA 薄膜保护的微反应器；（c）所制备微反应器的共聚焦图像。PAA 薄膜使用 30 μM 醛基修饰荧光素（A-FITC）进行标记。

图2. 水–油界面处 PAA 薄膜的界面聚合及微反应器的连续制备。（a）显示水–油界面界面聚合结果的照片；（b）显示在水–油界面形成均一薄膜结构的荧光显微图；（c）所制备薄膜的扫描电子显微镜（SEM）图像；（d）生成薄膜及其对应单体的 ATR-IR 光谱；（e）所得微反应器的光学显微图；（f）所得微反应器的粒径分布；（g）所制备微反应器的荧光显微图，其中 BF 表示明场通道；（h）所制备微反应器的 SEM 图像。样品条件：（a−e）油相为含 10 mM F 和 24 wt% 乙酸乙酯的棕榈酸异丙酯溶液，水相为含 5 mM H 的 pH 5.0 去离子水。（f−h）除（a−e）中的条件外，油相中加入 5.3 wt% 表面活性剂，水相中加入 10 wt% PEGDA 和 0.2 wt% LAP，并使用 30 μM A-FITC 进行荧光显微成像。

图3. 微反应器中的酶级联反应。（a）GOx 和 POD 催化下，还原态邻联茴香胺氧化为氧化态邻联茴香胺的级联反应示意图；（b）显微图像显示 GOx 负载微反应器和微凝胶中氧化态邻联茴香胺随时间的生成过程；（c）洗涤后 GOx 负载微反应器和微凝胶上清液的紫外–可见吸收光谱，插图显示上清液中 GOx 的浓度。

图4. 微反应器内超分子纤维的酶促生长。（a）CSSC 在微反应器内酶促自组装形成超分子纤维的示意图；（b）在 GOx 负载微反应器和微凝胶存在条件下，CSSC 纤维随时间的生长过程。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.iecr.6c00777

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