将鸡蛋弄碎以释放其卵黄需要施加外力(例如被击打在碗的边缘)以克服蛋壳的强度。类似地，将包含微胶囊的治疗性生物分子递送到人体中需要在注射后将其容器弄碎，以便可以在正确的时间将其运送到正确的位置。可以使用多种外部刺激来触发封装分子的释放，其中最简单的一种就是渗透压，因为它只需要引入水即可使微囊肿胀和破裂。但是，为了产生足以破坏胶囊壳的内部压力，必须将大量的渗透剂添加到微胶囊中以吸引水，

哈佛大学Wyss生物启发工程研究所和约翰·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的研究人员现已开发出解决这一绊脚石的方法，他们设计了一种方法来制造具有不均匀厚度壳的微胶囊，从而使他们在较低的渗透压下破裂，使其更安全地用于人体。这项研究发表在Small。

Wyss Institute和SEAS的博士后研究员，第一作者张伟霞博士说：“我们的贝壳最薄的部分比最坚固的部分薄40倍，这使它们更容易破碎和释放货物。” 。另一方面，这些微胶囊非常耐用，如果不暴露在高渗透压下也不会泄漏，这使它们非常稳定，能够长时间储存​​其内含物。”

为了制造它们的非均质微胶囊，研究人员使用了玻璃毛细管微流体装置，该装置采用水包油包水法将包含蔗糖(一种渗透剂)的水溶液封装在悬浮在油中的单体壳中。当单体暴露于紫外线下时，它们彼此反应并交联，形成围绕蔗糖溶液的固体聚合物壳。通过改变蔗糖溶液“货物”和单体油“壳”流经装置的速率，研究小组发现它们可以引起所形成壳厚度的变化，从而形成一侧壁厚的不对称胶囊。在另一面更薄。

微胶囊在壳的最薄部分破裂，留下数十微米的开口，可以释放大多数生物分子和药物。图片来源：哈佛大​​学怀斯学院

然后，研究人员通过添加水使微囊受到渗透压冲击，水扩散到微囊中，并使它们开始在壳的最薄部分膨胀。大约20-30分钟后，变薄的外壳破裂，形成一个大小为几十微米的开口，该开口足够大，可以成功释放大多数生物分子和纳米材料。壳的最薄部分和最厚部分之间的差异越大，导致破裂的微囊数量越多，这证实了不均匀程度会影响货物释放的效力。

“能够通过在制造过程中改变壳的厚度来制造高度不均一的微胶囊，并以较小的渗透压释放货物，从而在控释方面开辟了新的应用，这对于药物在医学中的输送非常重要，因为Wyss Institute and SEAS的博士后研究员，第一作者，共同第一作者曲良良博士说。

为了测试微胶囊的耐用性，研究小组将一种荧光聚合物封装在其中，并测量了其核心中荧光强度随时间的变化。他们在封装后的30天内观察到强度没有变化，表明微胶囊保留了它们的货物而没有泄漏。此外，聚合物的大小比大多数生物分子(如抗体和酶)小得多，这表明这些壳可用于长时间保护和储存生物分子或药物。

最后，研究人员将蛋白酶(一种分解蛋白质的酶)和蔗糖共包囊在微胶囊中37天，然后进行渗透压刺激以触发其内含物的释放。该蛋白酶保留了其原始活性的91%，表明该存储方法并未显着损害其生物学功能。

微囊是使用油中水包油技术制造的，该技术通过改变壳体和货物的流速来实现不均匀的壳体厚度。图片来源：哈佛大​​学怀斯学院

“与其他控释载体(例如细胞，纳米粒子或囊泡)相比，该系统具有高度的通用性，稳定性和可定制性，使其成为安全有效地为人类健康和其他应用安全地递送药物和其他生物分子的有吸引力的选择，”相应的作者大卫·威茨(David Weitz)博士说，他是威斯学院(Wyss Institute)的核心教员，同时也是SEAS的Mallinckrodt物理学和应用物理学教授。

该团队正在继续通过优化壳材料来进一步开发微囊，以进一步降低破裂它们所需的渗透压。他们计划首先将其技术应用于药物(例如治疗性抗体)的输送，其目标是能够利用人体的高水分含量在注射后充当破裂触发物。

“该项目是一个简单的解决方案通常比复杂的解决方案更好的很好的例子，因为破裂微胶囊所需的唯一输入是机械压力，而不是复杂的化学或分子开关，”合著者Donald Ingber博士说，博士，是Wyss研究所的创始董事，HMS的Judah Folkman教授和波士顿儿童医院的Vascular Biology Program以及SEAS的生物工程学教授。