MC微流控｜维生素MOF + 微流控纺丝 = 疗伤新材料

微流控技术在微尺度（几十到数百微米）上集成通道系统，并通过设计微流路，控制微量流体的流动方式，实现化学、生物、医学等应用。微流控技术的起源可以追溯到几十年前，早在1959年，Richard Feynman（1965年诺贝尔物理奖得主）就提出了将现实生活中的机械系统微型化，形成微型电子机械系统，简称微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System, MEMS）。从那时起，微流控芯片的概念开始逐渐建立起来。如今，微流控技术已经在物理、化学、生物、医学和工程学等多学科交叉领域有着广泛的应用。

微流控系统与应用。图片来源：Chem. Rev.

东南大学赵远锦教授近年来在微流控领域做出了很多开创性的工作 ^[1]。近日，赵远锦教授研究团队又将微流控技术与金属有机骨架（MOF）化合物结合起来，通过微流控纺丝（microfluidic spinning）的方法，制备了一种含维生素MOF的水凝胶微纤维材料。这种微纤维以海藻酸盐水凝胶为壳，以铜-维生素或锌-维生素MOF为核。通过利用微流控技术集成和精确操作的优势，实现了微纤维材料尺寸和形状的调节。通过该方法制备的微纤维具有长、薄、柔性等特点，可应用于生物医学领域，作为促进伤口愈合的辅助材料。相关论文近期发表于Materials Horizons，第一作者为博士生余筠如，深圳大学孔湉湉博士为共同通讯作者。

赵远锦教授。图片来源：新华网 / 东南大学

水凝胶材料用于生物医学领域相当常见，但含MOF的水凝胶用于生物医学领域却并不多。含MOF的水凝胶往往缺乏柔性而且功能单一，此外MOF在水凝胶中的随机包裹与分布使其在生物体内的释放很难受控，再加上MOF中常用的一些有机配体的生物相容性还存在争议，都使得含MOF的水凝胶的生物医学应用受到很大的限制。因此，开发具有一定形貌而且生物相容、释放可控的含MOF的水凝胶就很有必要。

维生素MOF水凝胶微纤维的制备及应用示意图。图片来源：Mater. Horiz.

在本文中，研究团队使用具有多级注射通道的同轴毛细管微流控系统进行了连续微流体纺丝（上图），制备了这种以海藻酸盐水凝胶为壳、以铜-维生素或锌-维生素MOF为核的微纤维。海藻酸盐水凝胶壳层通过微流控系统中海藻酸钠和氯化钙两相溶液在鞘流中的迅速凝胶化反应而形成。与此同时，烟酸（即“维生素B3”）溶液和醋酸铜或醋酸锌溶液作为MOF前体注入鞘流中央（下图a），在中空的水凝胶壳层中原位生成铜-维生素或锌-维生素MOF。制备得到的锌-维生素MOF水凝胶微纤维如下图b所示。后续表征结果表明，这种微纤维的确具有明显的核壳结构（下图c-d）。通过增加注射通道，含有多种MOF核的水凝胶微纤维也可轻松制备，研究团队也制备了含两种核（下图e）和三种核（下图f）的微纤维。由于可以使用不同组分或预凝胶溶液的浓度，水凝胶微纤维的组成可以准确控制；同时，通过调节微流体的流速，水凝胶微纤维的尺寸同样可控。

维生素MOF水凝胶微纤维过程及电镜图片。图片来源：Mater. Horiz.

由于海藻酸盐水凝胶壳层的存在，而且其厚度可在制备时调节，维生素MOF水凝胶微纤维的释放过程温和且可控（下图a）。为了验证这种维生素MOF水凝胶微纤维在生物医学领域的应用，研究团队先测试了它的生物相容性。随着金属离子浓度的提高，材料的细胞毒性逐渐升高（下图b-h）。不过有趣的是，在金属离子浓度很低的情况下，细胞的存活率还有少量的增加，这可能是金属离子与维生素共同作用的结果。

维生素MOF水凝胶微纤维的可控释放以及生物相容性。图片来源：Mater. Horiz.

随后，研究团队测试了维生素MOF水凝胶微纤维的抗菌活性以及促进伤口愈合的能力。随着铜离子浓度的提高，铜-维生素MOF水凝胶微纤维可以有效降低大肠杆菌的存活率，因此可以预防环境中细菌感染伤口。而此前实验已经证明金属离子浓度越高，细胞毒性也就越高。最终通过实验，研究团队将铜离子浓度控制在0.158 mM，可以兼顾生物相容性和抗菌活性。另外，研究团队也验证了含锌离子的锌-维生素MOF水凝胶微纤维可保护细胞免受氧化损伤。最后，研究团队将锌-维生素及铜-维生素MOF水凝胶微纤维用于动物创伤模型，验证它们在促进伤口愈合中的实用价值。结果显示，用MOF微纤维治疗9天后，创面基本愈合，而对照组愈合的时间较长。而且组合使用锌-维生素及铜-维生素MOF水凝胶微纤维，比各自单独使用的愈合速度要快。这些结果证明这些MOF水凝胶微纤维的抗菌和抗氧化功能对伤口愈合的确有促进作用。

铜-维生素MOF水凝胶微纤维的抗菌活性。图片来源：Mater. Horiz.

维生素MOF水凝胶微纤维促进伤口愈合。图片来源：Mater. Horiz.

综上，赵远锦教授团队利用微流控技术开发出一种功能性维生素MOF水凝胶微纤维，组分、尺寸均可控制。以维生素B3为配体并且采用合适的金属离子含量，这种维生素MOF水凝胶微纤维具有良好的生物相容性、抗菌活性和抗氧化活性，可有效加快伤口愈合速度，同时促进胶原沉积和创面肉芽组织的形成，预防炎症和感染的发生。这种制备方法在生物医学工程中具有重要的潜在应用价值。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Vitamin metal–organic framework-laden microfibers from microfluidics for wound healing

Mater. Horiz., 2018, DOI: 10.1039/C8MH00647De

导师介绍

赵远锦

http://www.x-mol.com/university/faculty/41619

参考文献：

1. Emerging Droplet Microfluidics. Chem. Rev., 2017, 117, 7964–8040, DOI: 10.1021/acs.chemrev.6b00848