鄭州大學第一附屬醫院楊建軍教授、東南大學謝卓穎教授和北京航空航天大學鄭付印副教授合作，構建了一種新型高強度、極低本體熒光的碳化光子晶體結構色編碼的液相芯片體系，拓展了基于流動編碼微載體的高通量、高靈敏、快速生物多元分析的新方法。

此新型多功能編碼微載體具備良好的生物相容性，結構穩定性，功能修飾性和多元編碼特性，将在細胞捕獲和培養，多功能微載體，多器官懸浮芯片等生物多元編碼和分析中取得廣泛應用。相關成果發表在Research上。

東南大學顧忠澤教授很早提出并實現了球形光子晶體編碼液相生物芯片的構想，此光子晶體微載體編碼作為國際上一種新型的代表性的光譜編碼方式獲日内瓦國際發明博覽會特别金獎，已廣泛應用于高通量、高靈敏、快速生物多元分析，尤其是在生物醫學領域。

傳統的光子晶體微球一直是由基于布拉格衍射原理産生的反射譜編碼，編碼的信息僅位于微球球形的頂點，根據目前的光譜測量技術，當微球足夠小時，光譜采集非常困難。

同時，由于其本體熒光依然會導緻很強的背景幹擾，會在基于熒光讀取的檢測應用中對檢測敏感度或可靠性産生負面影響。

由于組裝粒子之間弱的粘附性，那些作為細胞捕獲和培養載體的微球很容易被生長在表面的細胞破壞或内吞，導緻細胞損傷和載體破壞。

因此，急需開發一系列形貌和構建材料組合可控的更具有理想特性和明顯優勢的新型光子晶體編碼微球，并解決此液相芯片研究中流動編碼載體的編碼方法、功能特性、檢測技術和規模制造等瓶頸問題。

鄭州大學第一附屬醫院楊建軍教授、東南大學謝卓穎教授和北京航空航天大學鄭付印副教授合作，構建了一種新型高強度、極低本體熒光的碳化光子晶體結構色編碼的液相芯片體系，拓展了基于流動編碼微載體的高通量、高靈敏、快速生物多元分析的新方法。

前期研究已證實聚多巴胺的黏附性、黑色素性質及基團活性可以賦予光子晶體高的機械強度、顔色可見度及靈活的生物分子的修飾（ ACS Applied Materials & Interfaces, 2018, 10: 29378-29384；Nanoscale, 2018, 10: 3673-3679；ACS Applied Nano Materials, 2019, 2: 5752-5760. ）。

作者也進行了傳統光子晶體編碼微球在多元細胞捕獲、三維培養、緩釋載體和結構色傳感等方面的研究（ Advanced Materials, 2014, 26(43): 7333-7338，Small, 2014, 10, 1, 88-93，ACS Applied Materials & Interfaces, 2016, 8 (22), pp 13840–13848）。

本文中，作者通過液滴限域的微流體技術組裝單分散聚多巴胺包裹的二氧化矽納米顆粒（PDA@SiO2），然後熱分解得到碳化的光子晶體結構色編碼微球（C@SiO2 PC beads），借助聚多巴胺的黏附性實現了更穩定的機械強度和結構色編碼，且碳化後進一步賦予了極低的本體熒光。

此新型多功能編碼微載體具備良好的生物相容性、結構穩定性、功能修飾性和多元編碼特性，将在細胞捕獲和培養、多功能微載體、多器官懸浮芯片等生物多元編碼和分析中取得廣泛應用。

在堿性條件下聚合多巴胺可均勻地塗附在二氧化矽粒子表面形成聚多巴胺殼，得到核殼結構PDA@SiO2粒子。

然後，利用基于微滴的微流體技術，将該粒子組裝成球型PDA@SiO2微球。

最後，在無氧條件下對微球進行熱解處理，得到高強度結構色C@SiO2微球。

利用上述微流控技術，PDA@SiO2粒子基于表面PDA的黏附性可以直接組裝成穩定的PC結構的球型，與傳統工藝相比，省去繁瑣的高溫灼燒處理。

PDA作為良好的碳源，經過碳化後可形成類石墨結構的碳，從而使微球在顔色和機械強度方面得到穩定提升（圖1）。

圖1 C@SiO2結構色微球的納米粒子制備、限域組裝流程示意圖和微納結構表征

根據光子晶體的光學原理，用布拉格衍射方程可計算C@SiO2 PC微球的中心衍射波長（結構色），即λ= 1.633×d×na，其中λ是中心衍射波長，d是兩個納米粒子之間的中心到中心的距離，na是C@SiO2珠的平均折射率。因此調節組裝粒子的尺寸即可調節微球的顔色。

通過調節粒子粒徑制備的四種不同顔色的C@SiO2結構色微球，從圖片可觀察到這四種微球都具有明顯可辨識的顔色，通過分析顔色編碼與光譜編碼信号采集面積的比較，可得出顔色編碼比光譜編碼在信号采集方面有極大的優勢。（如圖2所示）

圖2 通過調節粒子粒徑制備的四種不同顔色的C@SiO2結構色微球，以及結構色編碼的原理示意圖和光學特性

根據C@SiO2微球、PDA@SiO2微球和SiO2微球在不同波段刺激下的熒光照片可得出，C@SiO2結構色微球具有更低的本體熒光（圖3）。

此外，通過抗壓及抗超聲損傷實驗也驗證了C@SiO2結構色微球比PDA@SiO2微球及SiO2微球具有更高的機械強度。

圖3 光子晶體編碼微球的超低本體熒光特性

基于結構色的多元編碼特性，不同結構色的微球表面可以修飾不同的靶向功能探針，實現對多重細胞的同時捕獲、培養、分離和多元分析。

作者在定性和定量表征編碼微球具有良好生物相容性後，将C@SiO2微球經多聚賴氨酸修飾後進行細胞的捕獲和共培養，發現細胞可被捕獲并貼壁生長在微球表面進行三維懸浮培養，經共培養7天後，細胞增殖密度非常大并完全覆蓋微球表面，在這個過程中微球依然可以保持原有的球體形狀及結構色。

将C@SiO2微球捕獲的細胞進行相應的細胞核（Hoechst 33342）和細胞膜（DiO）的熒光染色，藍色的細胞核熒光和綠色的細胞膜熒光信号均可以很容易辨識，消弱了細胞信息分析期間微載體背景熒光的幹擾，簡化了細胞熒光信号的提取。

所有這些結果表明，C@SiO2微球不僅能在細胞捕獲和培養過程中保持良好的機械穩定性和顔色可見性，而且用熒光标記細胞後具有良好的熒光讀取能力（圖4）。

圖4 新型光子晶體編碼微球在細胞捕獲，培養及多元分析檢測的應用

光子晶體具有獨特的光學和結構特性，球形自組裝光子晶體的特征反射峰具有檢測角度無關性及分級耦合和協同放大效應，基于此液相懸浮編碼微載體的多元分析由于其高靈活性、快速檢測及良好的重複性在多元定量檢測，尤其是生物醫學領域具有廣泛的應用。

以此多元編碼微載體體系為基礎，未來将通過發展限域可控組裝等技術手段開發一系列形貌和構建材料組合可控的新型光子晶體微載體，解決、優化和發展流動編碼載體的編碼方法、檢測技術等瓶頸問題，以及打破規模制備工藝的局限性，努力實現從實驗室樣本轉換為實際産品，服務于醫院及研究機構用于腫瘤等臨床疾病的診斷和分析。

這項工作得到了中國博士後科學基金、國家自然科學基金、北京市科技新星計劃、北航青年拔尖創新人才支持計劃等項目的資助。特别感謝東南大學生物電子學國家重點實驗室在工作中給予的支持和幫助。

• 楊建軍

主任醫師，教授，鄭州大學第一附屬醫院麻醉與圍術期醫學部主任，鄭州大學醫學科學研究院神經科學研究所副所長，擔任中國精準醫學學會常務理事、中華醫學會麻醉學分會常務委員；國家自然科學基金、法國國家科研署（ANR）及荷蘭科學研究會（NWO）等基金評審專家。

主要研究方向：1）全麻機理及術後認知功能障礙；2）疼痛、抑郁、認知損傷共病的機制研究；3）大數據及人工智能；4）微納材料與醫學的交叉學科研究。

• 謝卓穎

東南大學青年首席教授，生物電子學國家重點實驗室主任助理、生物醫學工程國家教學示範中心副主任。

主要從事微納功能材料、生物傳感與生物成像、器官芯片等研究。

主持國家自然基金、江蘇省自然科學基金、國家重點研發計劃子課題等多項國家與省部級科研項目。已在國内外知名期刊上發表論文60餘篇，申請中國發明專利30餘項，獲授權20餘項。

• 鄭付印

北京航空航天大學生物與醫學工程學院和北京市生物醫學工程高精尖創新中心雙聘副教授，博士生導師，北京市科技新星計劃，江蘇省“優博”，北航“青拔”。

曾依次為東南大學和中國航天員中心聯培博士，美國加州大學伯克利分校訪問學者，麻省理工學院博士後和新加坡南洋理工大學Research Fellow。

重點圍繞在地基和面向空間應用的人體類器官和器官芯片，3D和4D生物打印，仿生結構色功能材料和航天醫學工程等領域進行深入的研究，并建立了仿生類器官和器官芯片實驗室（Bioinspired Organoids & Organ-on-a-Chip，BOOC Lab）。

主持和參與9項國家自然科學基金項目（重點2項，面上1項，青年2項），在PNAS，Adv. Mater.，Research等發表30餘篇學術論文，已授權10項發明專利。

擔任中國創新型醫院學會醫工轉化與健康産業融合專業委員會委員，中國微循環學會轉化醫學分會委員會委員。

來源：微信公衆号“Research科學研究”

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