导读

软性微载体在生物医学应用中具有巨大潜力，但其实际转化受限于缺乏受控降解、治疗性与细胞载荷共封能力有限、长期生物相容性以及规模化生产等挑战。在此，德国德累斯顿-罗森多夫赫尔姆霍兹中心（HZDR）的研究人员提出了一种离散型、可降解水凝胶微载体的新概念，旨在集成上述多种关键特性。该平台利用液滴微流控技术与紫外光聚合制备，实现了磁性颗粒、药物及活体细胞球的高效共包裹。

通过外部梯度磁场引导，这些微载体能够在复杂轨迹上实现精准的空间导航与运动控制。此外，该系统具备可调控的生物降解特性，降解速率受聚合物分子量、环境pH值和温度的影响，从而确保了载荷的定时释放与微载体在任务完成后的安全清除。相关研究以“Soft, Degradable, and Magnetic Microcarriers for Encapsulation and Guided Transport of Drugs and 3D Spheroids”为题目，发表在期刊《Advanced Materials》上。

本文要点：

1. 创新制备工艺

• 液滴微流控技术：研究人员利用基于 T 形接头的微流控系统结合 UV 光聚合技术，实现了微载体的高通量、可扩展生产。

• 结构可调：通过调整微流控参数，可以制备出磁性颗粒均匀分布的微载体，或是在梯度磁场下形成磁性颗粒局部聚集的 Janus 型微载体。

2. 多功能共包封能力

• 该微载体（直径约 500 µm）能够同时包封多种成分，包括：

• 磁性颗粒：负载量可达 10% (v/v)，赋予微载体磁响应性。

• 治疗药物：例如头孢噻肟（CTX）抗生素。

• 活性生物载荷：如 L929 成纤维细胞和 PANC-1 肿瘤细胞球，且能保持良好的细胞活性。

3. 精准的磁场导航

• 运动控制：在外部梯度磁场下，微载体展现出卓越的导航能力，能够在水环境中沿着预设的复杂轨迹（如直线、圆周或方形路径）精确移动。

• 自动化潜力：研究演示了通过自动化系统同时独立导航多个微载体，为未来的闭环导航临床应用奠定了基础。

4. 程序化降解与载荷释放

• 降解可控性：微载体的降解周期可根据需求在 3 天内到 15 天以上之间调节。

• 影响因素：降解速率受聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）分子量、交联密度、环境 pH 值和温度的影响。高温（如 85°C）或极端 pH 环境会加速酯键的水解，导致基质溶解。

• 生命周期管理：这种设计实现了“受控生命周期”，即微载体在完成精准输送任务后能够安全降解并释放载荷，避免长期滞留体内的风险。

5. 生物医学应用展示

• 药物递送：成功演示了微载体穿过微通道递送抗生素，对大肠杆菌（ coli）产生显著的剂量依赖性杀灭效果。

• 组织工程：微载体支持 3D 细胞球在内部生长、迁移并最终在基质降解后集成到目标组织中，展现了其在再生医学和微创治疗中的潜力。

结论：该平台通过将磁导航、应用导向的载荷加载和可编程降解集成到单一系统中，为精准递送和组织建模提供了一种通用的解决方案。

图1：PEGDA 微载体的制备及应用。(A) 软性功能材料及其制备技术（包括 3D 打印和微流控）概述。(B) 含有超顺磁性颗粒的 PEGDA 微载体制备示意图，包括用于制备功能性微载体的微流控装置照片，以及载有磁性颗粒的 PEGDA 水凝胶微载体的光学显微照片。(C) PEGDA 光聚合机制以及均质型和 Janus 型 PEGDA 水凝胶微载体的图解。后者是在梯度磁场中对水凝胶基磁性微载体进行光聚合制得的。(D) 温度和 pH 值对 PEGDA 水凝胶微载体降解影响的图解。(E) PEGDA 微载体在软体机器人、3D 细胞培养、健康细胞运输和药物递送中的应用。

图2：实验参数对磁性微载体制备的影响以及微载体在梯度磁场中的运动。(A) 利用不同浓度的磁性颗粒生成的微载体照片。(B) 利用不同曝光时间制备的微载体照片。(C) 含有不同浓度磁性颗粒的 Janus 水凝胶微载体的代表性图像。平均 UV 强度：34 mW cm⁻²，曝光时间：8 秒。(D) 磁性微载体暴露于梯度磁场时的速度测量实验示意图 (I)；微载体在不同梯度磁场下随时间变化的追踪 (II)；同一微载体在 10 秒时间戳处、不同磁场强度（20、50、100、150 和 200 mT）及对应梯度（分别为 0.15、0.39、0.81、1.3 和 1.7 T m⁻¹）下的追踪路径 (III)；带箭头的虚线表示近似位移。从含有 3%、7% 和 10% (v/v) 磁性颗粒的不同磁性微载体在不同磁场强度下获得的平均追踪速度。微珠直径约为 500 µm。UV 曝光时间：1.22 秒，平均强度 = 34 mW cm⁻²。(E) 磁性 PEGDA 微载体在水浴电磁系统中的导航。微载体的预设路径（虚线）和实验观察路径（实线）(I & II)；微珠坐标随时间的变化 (III & IV)。

图3：可降解磁性微载体的受控设计。(A) 单体分子量、温度和 pH 值对磁性软微载体降解时间影响的图解。(B) 不同分子量的 PEGDA 单体在 37°C 下、酸性（pH 2；顶行）、中性（pH 7；中间行）和碱性（pH 12；底行）条件下培养的磁性微载体代表性形貌。含有 1% (v/v) 磁性颗粒（直径：1 µm）的 PEGDA 700 10% (w/v) 微载体 (I) 是在平均 UV 强度为 18 mW cm⁻²、照射时间为 0.2 秒下制备的；含有 2% (v/v) 磁性颗粒（直径：10 µm）的 PEGDA 6000 10% (w/v) 和 7.5% (w/v) 微载体 (II) 是在平均 UV 强度为 230 mW cm⁻²、照射时间为 2.5 秒下制备的。比例尺 = 200 µm。(C) 对应于 (B) 中条件的微载体降解状态。在图 (C) 中，“1”表示载体在指定条件下相对于降解保持稳定。“0”表示载体已降解。

图4：用于抗生素递送的磁性载体及其抗菌效果。(A) 磁性微载体 (10% (v/v)) 在电磁导航 (200 mT) 下通过 5 mm 通道的运输；带箭头的虚线表示近似位移。(B) 10% (v/v) 磁性载体加载头孢噻肟 (CTX) (I) 并释放 CTX 进行药物递送和大肠杆菌 (E. coli) 杀灭测试 (II) 的示意图。(C) 在含有不同浓度 CTX（0.1、0.5、1.5、5 和 10 mg mL⁻¹）的磁性载体存在下，大肠杆菌 YFP 在不同时间点的增殖和生长情况。(D) 从图 C 中量化的大肠杆菌 YFP 的细胞密度 (I) 和平均长度 (II)（单位：cells mm⁻²）。虚线表示在无法精确测量大肠杆菌数量和长度的情况下的估算趋势，而总体发现仍然可靠。

图5：PEGDA 载体中的 3D 组织培养。(A) 用于组织工程研究的细胞与磁性颗粒共包封微载体、体外细胞培养及磁性递送示意图。(B) 显示在含有或不含磁性颗粒的 PEGDA 微载体中的 PANC-1 细胞代表性图像。(C) 显示在含有或不含磁性颗粒（直径：10 µm）的 PEGDA 微载体中的 L929 细胞代表性图像，以及在含有磁性颗粒的 PEGDA 微载体中的细胞增殖情况。(D) 载有磁性颗粒的 L929 微载体在磁导航下的运动。(E) 代表性的活/死染色图像。(F) 显示在微载体内部和表面的 L929 细胞的伸展形貌。(G) 在可降解 PEGDA 基质中培养的 L929 细胞。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.73735

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