生物分子的封裝和可控釋放在生物基信息存儲(chǔ)、生物傳感、醫(yī)學(xué)鑒定、藥物遞送等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。目前，常用的封裝策略如礦化、聚合物包覆和納米材料吸附等存在封裝或解封步驟繁瑣、需引入化學(xué)反應(yīng)、難以提供光學(xué)保護(hù)等問題。金屬材料因其高氣密性、水密性、光反射和電離防護(hù)性能，在食品和電子封裝領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)的金屬封裝材料熔點(diǎn)較高，并且還需引入真空處理或者惰性氣體填充，因此需要設(shè)計(jì)新型的金屬封裝方法以兼容生物分子。

近日，東南大學(xué)劉宏教授團(tuán)隊(duì)提出了一種基于鎵基液態(tài)金屬的生物分子封裝新策略，充分利用了鎵在低溫下的固液相變特性、高氣/水密、光學(xué)保護(hù)和自愈合等特點(diǎn)。研究人員將生物分子置于兩層固態(tài)鎵薄膜之間（鎵的熔點(diǎn)為29.8℃），加熱使薄膜液化，利用液態(tài)金屬的自愈合效應(yīng)實(shí)現(xiàn)低溫焊接，冷卻后固化完成封裝。解封時(shí)，無需對(duì)封裝體進(jìn)行化學(xué)降解，只需將固態(tài)鎵加熱至液態(tài)，在水相中施加機(jī)械振動(dòng)刺激誘導(dǎo)液態(tài)鎵破裂，即可實(shí)現(xiàn)生物分子的按需快速釋放。

基于這一新型封裝方法，研究團(tuán)隊(duì)探索了其在DNA信息存儲(chǔ)和新冠病毒樣本檢測方面的應(yīng)用潛力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，DNA編碼的圖像文件在高溫高濕加速老化實(shí)驗(yàn)后，序列丟失率僅為0.1%。此外，通過將CRISPR生物試劑封裝在液態(tài)金屬內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)了新冠病毒RNA擴(kuò)增和CRISPR/Cas12a剪切反應(yīng)的級(jí)聯(lián)進(jìn)行，避免了核酸擴(kuò)增和檢測過程中液體轉(zhuǎn)移操作引起的污染風(fēng)險(xiǎn)。該研究為利用低熔點(diǎn)金屬開發(fā)刺激響應(yīng)性的生物分子膠囊提供了新思路。

基于鎵固液相變對(duì)生物分子進(jìn)行封裝和釋放的原理示意圖

鎵膠囊用于DNA信息的長期存儲(chǔ)



鎵膠囊在新冠病毒快速檢測中的應(yīng)用 相關(guān)成果以“Phase Transition-Driven Encapsulation of Biomolecules Using Liquid Metal with On-Demand Release for Biomedical Applications”為題發(fā)表在Biosensors and Bioelectronics期刊上。東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院博士研究生高亞坤為文章第一作者，劉宏教授和馬標(biāo)博士為共同通訊作者。感謝東南大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院丁雄研究員團(tuán)隊(duì)和華大基因主任科學(xué)家平質(zhì)團(tuán)隊(duì)對(duì)本工作的大力支持。該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。

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https://doi.org/10.1016/j.bios.2024.116403

審核編輯：劉清