ACS Nano | 通过囊泡融合组装基于微凝胶的人造细胞的脂质膜支架，安装在水凝胶网络上

由水凝胶等材料组装而成的人造细胞已成为复制和理解生物功能、过程和行为的平台。然而，水凝胶缺乏脂质膜，而脂质膜是细胞系统的重要特性。我们开发了一种通过电静介导纳米级脂质囊泡融合，组装流体稳定脂质膜的工艺，该膜包裹在颗粒内的水凝胶网网络中。这赋予了通过微流控生成的微尺度、细胞大小的水凝胶人工细胞的细胞模拟性和生物技术相关性质。我们利用所制膜的特性，通过改变渗透性和保护水凝胶免受小分子降解剂侵害，增强现有水凝胶的性能。此外，我们证明脂质膜与水凝胶内的细胞器亚结构兼容，这使得利用增强的材料设计空间构建越来越模拟细胞组织的水凝胶人工细胞成为可能。该平台为利用界面水凝胶-脂质材料生产下一代人工细胞和功能性微型器件铺平了道路。我们的技术有望为膜集成到水凝胶系统中提供新机遇，包括药物递送和组织工程。

科学家们在制造人工细胞的道路上又迈出了关键一步。近期，一项发表在《ACS纳米》上的研究，成功将生物细胞最核心的特征——流动的脂质膜，与优秀的人工细胞骨架水凝胶结合起来，创造出了一种前所未有、更接近真实细胞的新型“人工细胞”。

人工细胞是模拟生命细胞形态与功能的微型平台，在药物递送、生物传感等领域潜力巨大。其中，水凝胶因其能模拟细胞质般拥挤的三维环境而备受青睐。然而，传统水凝胶缺少一个关键组件：包裹并定义细胞的脂质膜。这限制了它们模拟细胞膜动态过程、控制物质进出等核心功能的能力。

以往的研究尝试将脂质膜包裹在水凝胶外部，或将其作为囊泡嵌入凝胶内部，但功能有限。这项新研究则另辟蹊径，开发了一种简单而巧妙的策略：让纳米级的脂质囊泡直接在水凝胶内部的网络结构上融合，形成一层包裹整个凝胶网络的脂质膜。

研究者首先利用微流控技术制备了直径约100微米的海藻酸钙水凝胶微球。然后，他们将带有正电荷的脂质囊泡溶液与这些带负电的水凝胶微球混合。静电吸引使得囊泡聚集到水凝胶表面。关键在于，研究团队使用了由阳离子脂质和具有高融合倾向的脂质组成的特殊囊泡配方。这些囊泡不仅被吸附，更能在水凝胶表面相互融合，并逐渐“爬”进水凝胶内部的孔隙网络中，最终形成一个贯通、连续且具有多层结构的流体脂质膜涂层。

这种膜的形成深度可以轻松调控：只需改变囊泡与凝胶的孵育时间，就能获得从仅覆盖表面到完全渗透整个凝胶网络的不同厚度的膜。这为模拟细胞内如高尔基体等富含膜结构的细胞器提供了可能

通过各种先进技术验证，这层膜展现出类似生物膜的优异特性。它具备良好的流动性，如同真正的细胞膜一样。它还能精细调控水凝胶的渗透性。实验表明，当形成完全渗透的厚膜时，可以阻挡像钙离子螯合剂这样的小分子进入，从而保护水凝胶不被降解。而当膜仅部分渗透时，凝胶的不同区域会呈现出差异化的渗透性，这为在单个微结构中实现分区控释药物等应用打开了大门。

更令人兴奋的是，这层膜涂层能与水凝胶内部预先装载的其他“细胞器”（如脂质囊泡或固体颗粒）和谐共存，互不干扰。研究人员成功构建了这样一个复杂结构：在同一个水凝胶人工细胞内，内部的脂质囊泡作为“细胞器”被凝胶网络固定，而凝胶本身的网络则被一层连续的脂质膜包裹，膜内还可截留小分子染料，模拟了真实细胞中细胞质与细胞器并存的组织方式。

这项研究不仅提供了一种构建新型仿生材料的通用方法，更极大地增强了水凝胶人工细胞的功能性。通过赋予其类细胞膜的渗透屏障、保护能力和复杂内部组织结构，这些新型“细胞”在药物递送、组织工程乃至基础生命科学研究中都将展现出更广阔的应用前景。它为构建下一代功能更完备的人工生命系统奠定了坚实基础。

参考文献：

DOI: 10.1021/acsnano.5c12532