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人类多能干细胞 (hPSC) 能够无限自我更新并分化为所有成体组织类型。这些细胞为组织工程和再生医学应用带来了巨大的潜力。然而，实验室规模的 hPSC 培养通常不足以满足需要大量细胞的治疗应用的需求。旋转瓶（或搅拌生物反应器）中的悬浮培养已成为一种有前途的干细胞可扩展生产解决方案。然而，基于生物反应器的细胞培养仍然存在一些问题，包括营养输送、高剪切应力造成的损伤以及培养过程中细胞的大量损失。

近日，美国明尼苏达州罗切斯特市梅奥诊所Alexander Revzin等采用同轴流动聚焦微流体装置将干细胞封装在核壳微胶囊中，该微胶囊还包含氧化铁磁性纳米粒子 (MNP)。这些微胶囊对外部磁场表现出极佳的响应，并且可以保持在特定位置。作为实用性的演示，磁性微胶囊用于在搅拌生物反应器中分化 hPSC 球体作为悬浮培养物。与标准悬浮培养相比，磁性微胶囊可以更有效地更换培养基并产生更好的分化结果。相关工作以题为“Designing magnetic microcapsules for cultivation and differentiation of stem cell spheroids”发表于中国科学院空天信息创新研究院与Springer Nature出版集团合作创办的的第一本工程类科技期刊《Microsystems & Nanoengineering》上。

图1 制造含有干细胞的磁性微胶囊示意图

该工作中，同轴流聚焦微流体装置用于生产携带干细胞的磁性微胶囊。单个 HUES-8 细胞分散在粘稠且不可交联的核心溶液中，而壳流包含可交联成分 PEG-DAA 和 PEG4MAL。这两股水流被引入同轴流聚焦微流体装置，并在第一个油连接处分散成液滴。这些液滴包含核壳结构，并在第二个油连接处使用二硫醇分子 DTT 进行交联。在微胶囊转移到水性介质中后，非反应性高粘度成分从核心中浸出并被水分子取代。这得到了具有薄水凝胶壳和水性核心的微胶囊。为了确认磁性微胶囊的核壳结构，研究人员将荧光标记的磁性氧化铁纳米颗粒分别添加到核中（150 nm，绿色荧光）和壳流中（350 nm，红色荧光）。

图2 核壳微囊的表征

进一步研究发现，磁性微胶囊的运动方向可以通过调整磁场的位置来控制，并随着与磁铁的距离增加而以越来越快的速度向磁场源移动。

图3 微囊的磁驱动表征

接下来，作者研究了将 MNP 掺入微胶囊是否会影响 HUES-8 细胞（一种人类胚胎干细胞 (hESC) 细胞系）的活力和增殖能力。在球体形成后第 3 天进行死活染色，结果显示所有微囊中的球体都具有很高的活力。

图4 微囊生物相容性

此外，为了突出这项技术的一个应用，研究人员重点展示了磁性微胶囊在搅拌生物反应器中培养干细胞的优势。与裸球体相比，这些微胶囊可以提供更有效的培养基变化，并产生更好的分化结果。最后，作者设想未来使用携带 hPSC 球体的磁性微胶囊来提高胰岛和肝细胞等重要成体细胞类型的可扩展性和分化结果或进行细胞疗法的递送/移植。

图5 磁性微胶囊中HUES-8 球体的内胚层分化

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