ACS Mater. Lett. | 基于多孔超吸水小球的自驱动微滤过程以实现生物样品处理及保存

英文原题：Self-Driven “Microfiltration” Enabled by Porous Superabsorbent Polymer (PSAP) Beads for Biofluid Specimen Processing and Storage

通讯作者：谢兴, Georgia Institute of Technology

作者：Wensi Chen (陈文锶), Ting Wang (王婷), Zeou Dou (窦泽欧) and Xing Xie (谢兴)

在COVID-19疫情严峻的当下，疾病的有效诊断在广大农村地区和中低收入国家面临巨大的挑战。目前，生物样品(例如血液、尿液和唾液等)的收集、运输和保存均需要严格的冷藏条件。否则，样品中的溶血现象、微生物污染和分子标志物降解等因素将会导致测试的偏差，乃至诊断结果的错误。然而在资源有限的条件下，冷链运输的缺失致使许多生物样品在运送至实验室前无法得到有效的保存，从而阻碍了对偏远地区人群的样品采集、疾病筛查、早期诊断和临床干预。因此，我们迫切需要开发低成本、有效且可靠的替代性生物样品保存技术。

近日，美国佐治亚理工学院谢兴教授团队开发了可实现自驱动微滤过程的多孔超吸水高分子(Porous Superabsorbent Polymer，PSAP)小球，并将其应用于生物样品的处理和保存。合成得到的PSAP小球具有可控的孔隙结构和出色的溶胀能力，能够捕获生物样品中的较小的目标检测物(<0.5微米)，并排除其中的细菌和血细胞(>1微米)，基于尺寸排阻实现目标物质的分离，从而避免了微生物污染和溶血现象对目标检测物的影响(图1)。

图1. PSAP小球应用于生物样品处理，在捕获小尺寸的目标检测物的同时排除大尺寸的非目标物质，从而实现自驱动微滤过程。

在自驱动微滤处理过程中，目标检测物的分离效果取决于PSAP小球的孔隙结构和溶胀能力。通过改变前驱体浓度、致孔剂剂量和聚合温度等合成条件，PSAP小球的孔隙结构和溶胀能力可被调节和优化。例如，当致孔剂PEG剂量越大，制备得到的小球孔隙率越高，平均孔径更大，吸水能力也越强(图2)。

图2. 不同浓度致孔剂制备的PSAP小球的孔隙结构表征及生理盐水中的吸水性能。

该团队分别选取了过氧化氢酶和大肠杆菌来测试PSAP小球的微滤效果以确定最佳的多孔结构。实验结果表明，当PEG剂量为10 wt%时，PSAP小球对于过氧化氢酶的回收率接近100%，于此同时，对于大肠杆菌的排斥率也达到近90%。此外，目标检测物在PSAP小球孔隙结构中的分布，可以通过荧光乳胶微球得到可视化呈现。荧光显微镜图像显示0.1微米大小的微球可在PSAP的横截面上均匀分布，仅在边缘出现轻微的聚集现象，而绝大多数2微米大小的微球则被排除在外，仅有少量被吸附在PSAP的外表面(图3)。

图3. PSAP小球对生理盐水中的不同尺寸物质微滤效果的测试。

生物样品例如尿液、血浆或全血，由于富含有机物、大分子甚至活细胞，使得其成为高度复杂的系统。在生物样品中溶胀实验的结果显示，PSAP小球可以在5分钟内快速吸收尿液，而血浆蛋白和血细胞的存在导致其在血液样品中的溶胀速度减慢，需要30-40分钟以达到平衡。此外，微滤效果测试显示PSAP小球在生物样品中同样能实现对于不同尺寸目标检测物(糖类、酶和病毒)约100%的高效回收。并且，通过这种自驱动的微滤过程可以在不离心的情况下，实现血细胞和血清的有效分离(图4)。

图4. PSAP小球对生物样品中的不同尺寸物质微滤效果的测试。

该团队进一步评估了PSAP小球避免细菌污染和延长目标检测物保质期的能力。经PSAP微滤处理后，对对照组和保存在PSAP小球中的过氧化氢酶的酶活性进行了7天的监测。结果显示，PSAP小球能够有效排除细菌，从而避免目标酶被细菌降解，达到与冷藏同样的保存效果。在4-35 ℃的保存条件下，保存在PSAP小球中的目标酶在7天之后仍能保持90%的酶活性(图5)。

图5. 在细菌污染下，过氧化氢酶在对照组和PSAP组的酶活性监测。

在血浆样品中，即使没有微生物污染，过氧化氢酶仍可能因为与血浆中的大分子聚集或相互作用而失活。在35 ℃环境中， 对照组中的目标酶活性在2天内降低了约60%。即使低温4 ℃冷藏，也无法完全防止目标酶活性的降低。于此形成对比的是，经PSAP小球处理，由于物质在多孔结构中的传输和扩散受到限制，聚集现象和相互作用减弱，由此引发的失活速率减缓，目标酶在血浆样品中的活性可以得到显著的提高，保存期限也得以延长(图6)。

图6. 血浆样品中过氧化氢酶在对照组和PSAP组的酶活性监测。

该研究的意义在于通过调控PSAP小球的孔隙结构和溶胀能力，对生物样品进行有效快速的微滤处理，从而进一步实现无离心分离、无移液等分和无冷藏储存等目标。用10%PEG制备得到的PSAP小球在生理盐水中仅需5分钟即可排除90%以上的细菌污染，在血样样品中仅需40分钟即可排除80%以上的红细胞。由于具有均匀的尺寸和稳定的溶胀能力， PSAP小球在处理液体样品时，能自动将目标检测物等分至每个小球中，无需移液或称重，通过小球数量即可计算样品质量并且等分样品。此外，通过排除微生物和血细胞，PSAP小球能够有效防止微生物污染和溶血现象，延长目标检测物在室温下的保存期限。

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ACS Materials Lett. 2020, 2, 11, 1545-1554

Publication Date: October 21, 2020

https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.0c00348

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