CN117965531A - 一种基于低熔点金属的生物试剂封装和释放的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于低熔点金属相变的生物试剂封装和释放的方法，还包括该生物封装试剂及其应用。本发明通过控制低熔点液态金属相变，实现生物试剂干粉的快速封装和可控释放。该方法简单高效，封装效果好，可以有效隔绝各种物理和化学损伤，还可以通过振动将液体镓破碎成小颗粒，使生物分子按需释放。这种方法的提出为利用低熔点金属作为生物试剂封装材料的实际应用提供了新的思路。

Description

一种基于低熔点金属的生物试剂封装和释放的方法

技术领域

本发明涉及生物技术领域，特别涉及一种基于低熔点金属的生物试剂封装和释放方法。

背景技术

生物分子主要包括核酸，酶和蛋白质等，在体外诊断、信息存储、药物递送和污水处理等领域得到越来越广泛的重视和应用。然而，这类生物分子自身十分脆弱，容易受到活性氧、高温、高湿、诱变化学物质、pH变化和水解酶等因素的影响而降解或变性。因此，构建一种稳健的分子封装方法避免生物分子受到这些损伤性因素的影响是非常重要的。现有的生物分子包封方法，如二氧化硅石化法、碱法共沉淀法、基于金属有机框架的仿生矿化法等，需要复杂的化学处理来进行包封和解封，在这个过程中还会大量用到氢氟酸，氢氧化钠等各种有毒试剂，这都会损害生物分子的活性。此外，现有的大多数包封材料不能对生物分子提供全面的保护。例如，硅容易被酸腐蚀，碱性盐只能实现半开放封装，并且大多数现有材料不能阻挡光刺激，如紫外线照射。因此，迫切需要开发一种简单有效、保护能力强且全面的生物分子包封方法。

低熔点的镓基液态金属可能会以一种简单高效的方式构建一种金属基生物分子包封方法。首先，液态金属表现出与固体金属相似的密封性能，不仅可以隔离水和氧气，而且由于其固有的不透明和反射特性，可以屏蔽紫外线的攻击。其次，它们的低熔点和自愈性能允许在低温下进行直接焊接和密封操作，并且封装操作可以在无溶剂的情况下进行。第三，由于液态金属可以通过温和的机械刺激轻易破裂，无需使用化学品或复杂的操作即可实现生物分子的可控释放。这些性质都使金属基生物分子的包封和控释成为可能。现有技术中进行包封的操作复杂，且不能提供全面保护，而且关于封装过程中如何能够更好的包封并且维持好生物分子的活性存在较大的困难。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供了一种基于低熔点金属相变的生物分子封装方法。

本发明还要解决的技术问题是提供了上述方法制备得到的生物封装试剂。

本发明最后要解决的技术问题是提供了基于低熔点金属相变的生物试剂封装和释放方法。

技术方案：为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于低熔点金属相变的生物试剂封装的方法，包括以下步骤：

(1)制备低熔点金属薄膜；

(2)在第一层低熔点金属薄膜上滴加待封装试剂溶液随后进行干燥；

(3)在步骤(2)制备后的薄膜上覆盖第二层低熔点金属薄膜形成三明治结构；

(4)低温焊接形成液态金属胶囊；

(5)液态金属胶囊固化。

其中，步骤(1)中制备低熔点金属薄膜的材料成分包括铟锡合金、镓或铟锡铋不损伤生物分子的低熔点金属材料，作为优选的，所述低熔点金属薄膜的材料成分包括镓。

进一步地，步骤(1)中，制备低熔点金属薄膜的方法是利用微阵列芯片或压铸法把液态金属压成片状，并使其固化成为薄金属薄膜。优选的，金属片为长2mm，宽2mm，高0.2mm。

其中，步骤(2)中所述待封装试剂溶液包括核酸、酶或蛋白，将试剂溶液滴加在一片低熔点薄膜上。进一步地，步骤(2)中，配置不同浓度的生物试剂溶液，将2uL溶液滴加在一片低熔点金属薄膜上。

其中，步骤(3)中干燥待封装试剂溶液的方法包括自然干燥、真空干燥或冷冻干燥。

其中，步骤(3)中所用的第二层低熔点金属薄膜的制备与步骤(1)相同。

其中，步骤(4)中所述低温焊接指的是加温到低熔点金属熔点以上，使金属薄膜液化自愈实现生物试剂的胶囊化封装。优选的，将温度升到30℃将金属熔化。

其中，步骤(5)中，液态金属胶囊固化的方法包括利用低温过冷固化或利用固态低熔点金属提供成核点，触发低熔点金属由液态到固态的相变。

本发明内容还包括上述封装方法制备得到的生物封装试剂，所述的生物封装试剂为一种外表面为镓金属包裹生物分子的球形胶囊。

本发明内容还包括基于低熔点金属相变的生物试剂封装和释放方法，所述方法包括所述的封装方法，还包括释放方法，具体步骤如下：

(6)通过加热到低熔点金属熔点以上液化固态金属胶囊；

(7)振动刺激液态金属胶囊释放生物试剂。

其中，步骤(6)中，先加温到低熔点金属熔点以上，将固态封装转化为液态封装，优选的，将温度升到30℃将金属熔化。

其中，步骤(7)中通过施加一个外部的机械刺激破坏金属胶囊表面结构，释放被封装试剂，作为优选，所施加的外部机械刺激包括振荡、涡旋或超声中的一种或几种。优选的，使用涡旋的方法将生物试剂释放出来。

本发明的机理：本发明基于相变的低温焊接的封装操作是将生物分子溶液滴到固体镓膜上，然后干燥以去除溶剂，另一种镓膜覆盖干燥的生物分子，形成一个三明治结构。为了不损害生物分子并同时实现生物分子的直接密封，在～35℃的低温下将镓膜加热到液态，在此过程中，由于液态金属的自修复特性，两种镓膜融合成一个球形胶囊。而球形结构的形成是由于液态镓高达700mN/m的表面张力，大约是水的10倍。同时，固体镓的杨氏模量高达～9.3Gpa，后续对液态镓胶囊进行了固化，以增强其机械稳定性，便于后续的储存、转移和使用。而当需要对生物分子进行脱囊时，将镓胶囊加热到液体状态，并受到机械振动，使胶囊破裂，释放生物分子。

有益效果：与现有的生物分子封装技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明提出一种基于液态金属相变的生物分子封装和释放方法，基于低熔点金属物理性质的封装无需化学反应，也没有化学试剂参与，全面保护生物分子免受各种物理，化学和生物刺激。

(2)本发明的方法利用低熔点金属的固-液相转变对生物分子进行封装，并通过液-固相转变进行可控的生物分子释放。这种方法封装和释放生物分子的速度很快，只需几秒或几分钟；

(3)本发明的方法是无溶剂的处理方法，避免了复杂的操作步骤，释放的生物分子可直接溶解于水溶液中，无需提纯，极大的降低了生物分子的损伤率。

(4)本发明中所使用液态金属材料熔点(29.8℃)较低，接近室温，可以通过热台、热风枪甚至人体等多种方式触发相变，不受专业仪器的限制。

(5)本发明中所使用液态金属材料经盐酸和水清洗后可回收利用，进一步降低了保存成本。

附图说明

图1为本发明基于低熔点金属相变的生物试剂封装和释放流程图；

图2为本发明所涉及的低熔点金属封装实物图；

图3为本发明所涉及的低熔点金属封装Cy3修饰ssDNA的截面SEM图；

图4为本发明所涉及的低熔点金属封装和释放Cy3修饰ssDNA的荧光结果图；

图5为不同厚度低熔点金属薄膜中分子的包封效率；

图6为不同振动时间下低熔点金属胶囊中包封的分子的释放效率；

图7为固态镓胶囊和液态镓胶囊机械性能表征。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例1

高通量微阵列芯片的制备方法：首先，用数字激光机将双面胶带雕刻成2mm×2mm的微阵列腔。然后，在带图案的胶带上夹上两层聚对苯二甲酸乙二酯(PET)薄膜。随后，我们将液态镓注入腔内，并将其压缩以挤出多余的液态镓。为固化液态镓，将阵列室置于-20℃冰箱中5min，最后去除PET膜，得到固体镓膜。镓膜的厚度可以通过使用不同厚度的双面胶带来调节，从50μm到250μm不等。

如图1～图2，本发明的一种基于低熔点金属对生物试剂的封装和释放方法包括下述步骤：

(1)1ml注射器中的液态镓填充在厚度为0.2mm的高通量微阵列芯片中，然后将该芯片置于-20℃冰箱中5分钟，实现镓从液态到固态的相变，从而得到长2mm，宽2mm，高0.1mm的镓金属薄膜；

(2)将需要封装的试剂配成相应浓度的溶液，本实施例中将Cy3修饰的ssDN(5’TTCTAATACGACTCACTATAGAGTGAGTGTGAATAGGTAGTGTTTTAGAGCTAGA-Cy3-3’)配成浓度为10μM的ssDNA溶液；取2μL滴加到镓金属薄膜上；

(3)将负载了ssDNA溶液的镓金属薄膜置于真空装置中，真空干燥10min，直至完全干燥的DNA分子附着在镓金属薄膜表面；

(4)干燥的DNA镓金属薄膜上面覆盖另一个同样大小的镓金属薄膜，两个镓金属薄膜将DNA裹在中间，形成一个“三明治”结构，如图3所示；

(5)将这个“三明治”结构放在35℃的热台上直至熔化并自愈合成镓胶囊；本步骤中用固态镓作核点，触发该镓胶囊从液态到固态的相变，增强其抵抗损伤的能力；图7为该固态镓胶囊和液态镓胶囊机械性能表征结果，从图中可以看出，该镓胶囊变成固态后，其机械性能大幅提升。

(6)DNA需要释放时，把封装了DNA的固态镓胶囊放到装有50μL超纯水的ep管中，放在35℃的热台上，让镓胶囊液化；

(7)将ep管放在涡旋仪(2800HZ)上涡旋2min，破坏镓胶囊结构，暴露出被包裹的DNA分子并直接溶解到水溶液中，溶液迅速产生荧光信号，完成生物分子的释放。结果如图4所示。在图4i中，包裹DNA的镓胶囊浸泡在超纯水中，没有荧光信号。加热融化后，没有检测到荧光信号(图4ii)。只有当镓胶囊结构被涡旋力破坏时，DNA才会释放，溶解到水溶液中并产生实质性的荧光信号(图4iii)，与图4iv的信号强度相似。图4iv为直接溶解于50μL超纯水中的DNA的荧光信号。

实施例2

如图5，本发明中镓膜厚度对分子包封效率有重大影响，以亮蓝染料分子为例，使用不同厚度的镓膜(50、100、150、200、250μm)，按照上述步骤包封亮蓝分子。将获得的固体镓胶囊转移到水中，静置5min，测量液体上清的吸光度，定量分析染料分子的泄漏。我们观察到，泄漏的染料分子将水变成蓝色，在630nm处也测量到了染料的特征峰。包封效率(EE＝1-Wt/Wi×100％，其中Wt为泄漏分子的量，Wi为初始分子的量)随着镓膜厚度的增加而增加。当镓膜厚度为50μm时，包封率小于20％，当镓膜厚度为200μm时，包封率达到100％。然后，我们使用200μm厚度的镓膜来封装各种生物分子，包括核酸(单链DNA,双链DNA和RNA)，酶(辣根过氧化物酶和淀粉糖苷酶)和蛋白质(牛血清白蛋白)。所有这些生物分子的包封率均达到了100％。

实施例3

如图6，本发明中涡旋振动时间对分子释放效率有重大影响，这种基于镓的封装方法还可以通过振动破裂镓胶囊实现快速、可控的分子释放。由于液态镓表现出1.99×10³Pa·s的低粘度，液态镓胶囊很容易在水的剪切下破裂，并在振动过程中释放分子到溶液中。在这里，我们使用一个频率为2800HZ的涡旋振荡器来破裂液体镓。释放效率(RE＝Wt/Wi×100％，其中Wt为释放的染料量，Wi为初始染料量)随着振动时间的增加而增加。振动120s后，分子释放效率达到94％。此外，在120s的振动时间下，各种生物分子的释放效率均超过85％。

Claims (10)

1.一种基于低熔点金属相变的生物试剂封装的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）制备低熔点金属薄膜；

（2）在第一层低熔点金属薄膜上滴加待封装试剂溶液随后进行干燥；

（3）在步骤（2）制备后的薄膜上覆盖第二层低熔点金属薄膜形成三明治结构；

（4）低温焊接形成液态金属胶囊；

（5）液态金属胶囊固化。

2.根据权利要求1所述的基于低熔点金属相变的生物试剂封装方法，其特征在于，步骤（1）中制备低熔点金属薄膜的材料成分包括铟锡合金、镓或铟锡铋不损伤生物分子的低熔点金属材料，作为优选的，所述低熔点金属薄膜的材料成分包括镓，作为优选，步骤（1）中制备低熔点金属薄膜的方法包括压铸法或微阵列芯片倒模法。

3.根据权利要求1所述的基于低熔点金属相变的生物试剂封装方法，其特征在于，步骤（2）中所述待封装试剂溶液包括核酸、酶或蛋白，将试剂溶液滴加在一片低熔点薄膜上。

4.根据权利要求1所述的基于低熔点金属相变的生物试剂封装方法，其特征在于，步骤（3）中干燥待封装试剂溶液的方法包括自然干燥、真空干燥或冷冻干燥。

5.根据权利要求1所述的基于低熔点金属相变的生物试剂封装方法，其特征在于，步骤（3）中所用的第二层低熔点金属薄膜的制备与步骤（1）相同。

6.根据权利要求1所述的基于低熔点金属相变的生物试剂封装方法，其特征在于，步骤（4）中所述低温焊接指的是加温到低熔点金属熔点以上，使金属薄膜液化自愈实现生物试剂的胶囊化封装。

7.根据权利要求1所述的基于低熔点金属相变的生物试剂封装方法，其特征在于，步骤（5）中，液态金属胶囊固化的方法包括利用低温过冷固化或利用固态低熔点金属提供成核点，触发低熔点金属由液态到固态的相变。

8.权利要求1~7任一项所述的方法制备得到的生物封装试剂。

9.基于低熔点金属相变的生物试剂封装和释放方法，其特征在于，所述方法包括权利要求1~8任一项所述的封装方法，还包括释放方法，具体步骤如下：

（6）通过加热到低熔点金属熔点以上液化固态金属胶囊；

（7）振动刺激液态金属胶囊释放生物试剂。

10.根据权利要求9所述的基于低熔点金属相变的生物试剂封装和释放方法，其特征在于，步骤（7）中通过施加一个外部的机械刺激破坏金属胶囊表面结构，释放被封装试剂，作为优选，所施加的外部机械刺激包括振荡、涡旋或超声中的一种或几种。