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天津大学仰大勇团队:电纺微纤维包覆微生物实

生物医学    2021-09-18 15:48

室温储存和运输微生物可最大限度地提高医疗、能源和环境中微生物的作用。最近,已经开发了基于纸的生物技术,使得能够室温存储各种非活生物体系,例如诊断设备和无细胞系统。传统上微生物的储存和运输通常需要冷链、特殊设备和复杂的加工方法,这些方法通常昂贵、技术要求高、人力密集或受到生物安全法规的限制。

近日,天津大学仰大勇课题组利用静电纺丝技术构建了包覆微生物的微纤维非织造纸(MEM),不同于之前报道的是,他们在商用纸固定了非活性生物试剂;相反,该课题组是将微生物封装在微纤维内。研究者通过含有凸起区域的静电纺丝非织造纸实现活微生物的室温储存,所述凸起区域由具有密集分布的微生物的卷曲微纤维组成。在静电纺丝后,微生物被包封到微纤维中并完好无损,且微生物可以在室温下保存较长时间。该研究以聚(环氧乙烷)(PEO)作为聚合物基质,甘油(GL)和右旋糖酐用作添加剂。大肠杆菌和酿酒酵母细胞在室温时间分别延长至2天和7天,达到室温存储的最长时间。

根据需要,可以通过添加水来活化微生物,并用于直接培养微生物。此外,该课题组还进一步研究了微生物活性和储存机制,发现微纤维的拓扑结构、电纺过程中渗透环境的剧烈变化以及微纤维内微量水分是影响微纤维活性的三个因素。研究结果表明,基于微纤维的策略适用于固体配方中原核微生物和真核微生物的室温存储。此外,通过自下而上策略构建的微生物/聚合物复合物结构代表了新型生物材料,这对于新的生物医学应用具有巨大潜力。


方案1. 微生物室温储存和运输的微纤维策略示意图。(a)通过瞬时干燥过程封装微生物的电纺微纤维的制备方案。(b)微生物以纸张形式储存,可在室温下储存和运输,例如空运到世界任何地方。(c)根据需要,微生物被活化并通过加水进一步培养。


图1. MEM中大肠杆菌的形态和活性。MEM由20% PEO/5%Gl/0.4%右旋糖酐/大肠杆菌分散体制备而成。(a-c)静电纺丝过程的数码照片。(d-f)光滑区域的荧光和SEM图像。罗丹明B(红色)用于染色微纤维和大肠杆菌细胞表达GFP(绿色)。(g-i)凸起区颗粒团聚体的荧光、扫描电镜和三维扫描图像。(j) 在PEO/大肠杆菌不同组分分散液中大肠杆菌的生长曲线。(k)电纺后,MEM立即被稀释100倍置于琼脂板的数码照片。


图2. 采用不同PEO/大肠杆菌体系制备的MEM的室温贮存。(a-d) CFU在不同PEO/大肠杆菌系统中存储时间的函数。(e-h)在不同存储时间,含有不同MEMs琼脂板的数码照片。(a,e)20%PEO/大肠杆菌。(b,f) 20% PEO/5%Gl/大肠杆菌,(c、g)20%PEO / 0.4%右旋糖酐/大肠杆菌,(d,h) 20% PEO/5%Gl/0.4%右旋糖酐/大肠杆菌。


图3. 微生物室温贮存的机理。(a)平衡微纤维拓扑结构、渗透环境、微纤维内部含水量和微生物活性的方案。(b)通过引入甘油形成颗粒团聚体的方案。(c)密集卷曲微纤维的荧光图像。(d)引入右旋糖酐制备两相结构微纤维的工艺方案。(e)微生物包封在具有两相结构的微纤维的荧光图像。(f)不同PEO/大肠杆菌系统的CFU与存活率曲线。(g)以PEO/Gl/大肠杆菌的MEMs为基础,计算不同甘油含量对CFU和含水率的影响,常温贮藏时间为6h。(h)不同PEO/大肠杆菌的MEMs对CFU和含水量的影响,室温贮藏时间为6小时。


图4. 微生物常温保存MEM的通用性。(a-c)使用20%PEO/5%Gl/0.4%右旋糖酐/大肠杆菌MEM存储多种同源大肠杆菌,贮藏时间为48h。(a)含MEM琼脂板的数码照片。(b) MEM的荧光图像。(c) MEM的激光扫描共聚焦显微镜图像。(d-f)酿酒酵母细胞室温贮藏。(d)不同MEMs中CFU作为存储时间函数的图。(e) 在不同的存储时间,20%PEO/S 酿酒酵母细胞MEM琼脂板的数码照片。(f) 在不同的存储时间,20%PEO/5%Gl/0.4%葡聚糖/S酿酒酵母细胞MEM琼脂板的数码照片。

总之,该研究提出的基于微纤维的方法有以下主要优势:1)所有工艺,包括制造、储存和运输都在室温下进行,避免了冷链;2)将微生物封装在微纤维内,作为纸张形式,避免液体形式造成潜在的生物安全问题;3)只涉及静电纺丝(简单的仪器和工艺),避免了庞大的设备和复杂的加工过程。因此,微纤维/微生物复合结构将为生物材料和器件的设计提供新的思路。