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《Mater. Horiz.》:微流体技术高效可控制备类黑色素纳米材料

黑色素(Melanin)是一种常见的天然高分子,大到哺乳动物小到某些特定的细菌都能产生黑色素。我们最熟悉的一类能产生黑色素的动物莫过于章鱼。当章鱼感受到外界的威胁时,就会喷出墨汁,其中就富含了黑色素纳米颗粒。两千多年前,古希腊和古罗马人就将章鱼墨汁入药,虽然当时他们并不知道其中真正的有效成分。在我国经典《本草纲目》中也有将章鱼墨囊干粉药用的记载。近些年的研究表明,章鱼墨汁中的黑色素有消除活性氧自由基的作用,在抗氧化和抗炎方面有良好的应用前景

黑色素纳米颗粒的生物合成是一个精密可控的过程。在章鱼体内有一些细胞富含黑色素体(直径约0.5到1毫米的细胞内囊泡),其中酪氨酸和3,4-二羟基-L-苯丙氨酸(DOPA)底物经过一系列的酶级联反应,最终形成黑色素纳米粒。通过透射电镜观察发现,这些黑色素纳米粒呈均匀的球形,平均大小约为150 纳米。而且在一个黑色素体囊泡内可同时容纳多达30个黑色素纳米粒。这些现象表明黑色素纳米粒子可能是在一个高浓度的环境中由一系列酶催化而形成的。整个过程凸显了生物合成的高效性和可控性。

微流体技术高效可控制备类黑色素纳米材料

受此启发,芬兰赫尔辛基大学药学院Helder Santos课题组利用玻璃毛细管的微流控装置模拟了黑色素的生物合成过程。通过强碱性条件氧化高浓度多巴胺,并通过强酸性条件快速终止反应,实现了单分散类黑色素纳米粒的高效可控制备。传统的化学制备方法尽管也可以生成均一的黑色素纳米粒,但多巴胺底物只能在非常稀的浓度下以缓慢的速率进行反应(通常需要1-3天)。一旦通过升高底物浓度来加速制备过程,过快的反应速率和反应物的不均匀混合,会导致生成的纳米颗粒粒径非常不均匀。相比之下,微流控技术可以在复杂、微型化的毛细管中精确控制超快的液体混合和物质交换。所有的试剂可以在毫秒内实现有效混合,从而营造一个均匀的反应环境。

该方法首次实现了在高浓度的基质溶液中,几秒之内制备单分散的类黑色素纳米粒。通过简单地调整微流控装置的参数,可以精确地控制纳米粒的大小和形态。用微流控法制备的这些类黑色素纳米粒与用传统方法制备的具有相似的化学成分,而且也具有消除活性氧自由基的作用。体外实验表明,该纳米粒可以通过调控巨噬细胞的极化来缓解炎症,在抗炎方面具有良好的应用前景。

 

以上成果发表在最新一期Materials Horizons上。论文的第一作者为赫尔辛基大学博士后王诗琪和泰国宋卡王子大学博士生Saowanee Wannasarit,通讯作者为赫尔辛基大学李威研究员和Helder Santos教授。

论文链接:

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/MH/D0MH00014K#!divAbstract

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