可见光接枝聚合包覆/修饰活细胞新体系及其应用研究

Surface modification of living cells has great potential applications in drug delivery, cell therapy, biocatalysis and tissue engineering. Developing cytocompatible modification strategy has become the hot topic in field of cell surface engineering, which is significant to establish practical living cells-based technology. In this proposal, a series of water soluble thioxantone (TX) derivatives will be designed and synthesized. The effect of structure, number, position of substituent group on the photochemical property of TX derivatives will be systemically investigated to find out a water soluble photoinitiation system with high efficient visible light absorption and cytocompatibility. After introducing macromolecular hydrogen donor onto cells surface, the TX derivative can abstract hydrogen from donor to generate surface radicals under visible light irradiation, which will initiate graft/crosslinking polymerization under visible light to achieve the encapsulation/surface modification of living cells. Finally, the developed novel facile and cytocompatible strategy will be applied to cell-based drug delivery system. Our strategy avoids the adverse condition of high temperature, transition metal, UV exposure in traditional radical graft polymerization, which can address the issue that how to maintain high cell viability during polymerization. This strategy will open a new avenue in living cells surface engineering.

活细胞表面修饰在药物递送、细胞治疗、生物催化及组织工程等领域具有广阔的应用前景。开发低细胞毒性的修饰策略是细胞表面工程研究的热点方向，对发展实用的活细胞相关技术意义重大。本课题拟通过对以硫杂蒽酮（TX）为骨架的光敏剂分子的结构设计，合成系列水溶性TX衍生物，系统研究取代基结构、数量和取代位置对其光化学性能的影响，开发出水溶性、可见光利用效率高、细胞相容性好的高效夺氢型光引发体系。进而将大分子氢供体结合在细胞表面，在可见光照射下通过光敏剂夺氢反应产生表面自由基，从而引发单体的接枝/交联聚合，实现对活细胞的表面包覆/修饰。最终形成简单易行、条件温和的细胞表面修饰新策略，并将其应用于基于细胞的药物递送系统。该方法避免了传统表面接枝聚合所涉及的高温、过渡金属、紫外辐照等苛刻条件，能够解决如何在高细胞存活率下实现细胞表面接枝聚合的关键问题，为活细胞表面修饰提供了新思路。

单细胞表面修饰可以实现活细胞的功能拓展和行为调控，在生物传感器、药物递送、细胞治疗、再生医学、生物催化及组织工程等方面具有广阔的应用前景。通过表面引发自由基接枝聚合引入功能聚合物是调控材料表面理化性能的重要方法，适用单体范围广，在开发普适性细胞表面修饰技术方向有很大的应用潜力。然而，传统的表面化学接枝方法涉及的高温、有毒试剂、有机溶剂、紫外光辐照等问题极易造成细胞失活，难以用于活细胞的表面修饰。针对上述问题，本项目开发了能够在温和条件下实施的可见光表面接枝聚合新体系，解决了如何在高细胞存活率下实现细胞表面接枝聚合的关键问题，为活细胞表面化学改性提供了新方法。主要研究结果如下：（1）基于水溶性硫杂蒽酮衍生物光敏剂/含胺基高分子氢供体光引发体系，开发了条件温和、细胞相容性良好的可在单个活细胞表面实施的可见光接枝聚合新反应，并在细胞表面构建了厚度可控的聚合物壳层。（2）利用仿生矿化和可见光表面接枝聚合方法，开发了一种制备蛋黄-壳结构包覆酵母细胞的方法，在聚合物壳层与酵母细胞之间引入了空隙层，改善了细胞的储存稳定性和抗溶壁酶降解能力。（3）基于可见光活性接枝聚合反应，开发了一种在单细胞表面构筑部分/全包覆修饰层新策略，并通过在部分修饰细胞表面引入脲酶进一步制备了具有自推进功能的细胞。（4）基于可见光活性接枝聚合，开发了载酶中空聚合物微囊制备新策略，并实现了同一载体上的多酶分隔共固定化。.本项目顺利完成了预期的研究任务，共发表国际期刊论文10篇，获得3项授权发明专利，培养研究生7人。