打破一个鸡蛋来释放它的蛋黄需要外力(如被撞在碗的边缘)来克服蛋壳的强度。同样，将含有微胶囊的治疗性生物分子输送到人体需要打碎鸡蛋以释放其蛋黄，并且需要外力(如被撞在碗的边缘)来克服蛋壳的强度。同样，要将含有微胶囊的治疗性生物分子输送到人体内，其容器需要在注射后破裂，以便在正确的时间输送到正确的地方。多种外界刺激可以用来触发被包裹分子的释放，其中最简单的是渗透压，因为它只需要引入水就可以使微胶囊膨胀破裂。然而，为了产生足以破坏胶囊壳的内压，必须向微胶囊中加入大量渗透剂来吸水，
哈佛大学Wyss生物工程研究所和约翰保尔森工程与应用科学研究所(SEAS)的研究人员现在已经开发出一种方法来解决这个绊脚石。他们设计了一种方法来制造具有不均匀厚度外壳的微胶囊，以便它们可以在较低的渗透压下破裂，使它们对人类使用更安全。这项研究发表在《小》。
Wyss研究所和的博士后研究员、第一作者张博士说，“我们的壳最薄的部分比最强的部分薄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，不会泄漏，这使它们非常稳定，可以长时间储存其内容物。"
为了制造他们的异质微胶囊，研究人员使用了玻璃毛细管微流控设备，该设备使用油包水方法将含有蔗糖(渗透剂)的水溶液封装在悬浮于油中的单体壳中。当单体暴露于紫外线时，它们相互反应并交联，形成包围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”流经该装置的速率，研究小组发现它们可以引起壳的厚度发生变化，从而形成侧壁厚的不对称胶囊。另一边更薄。
微胶囊外壳最薄的地方破裂，留下几十微米的开口，可以释放大部分生物分子和药物。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胶囊受到渗透压冲击，水扩散到微胶囊中，并使它们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，这个开口足够大，可以成功释放大多数生物分子和纳米材料。外壳最薄处和最厚处相差越大，微胶囊破裂越多，证明不均匀程度会影响货物释放的有效性。
“能够在制造过程中通过改变外壳的厚度来制造高度不均匀的微胶囊，释放渗透压小的物品，从而在控制释放方面开辟新的应用，这对于医学上的药物传递非常重要，因为Wyss研究所和的博士后研究员、第一作者和共同第一作者曲博士说，
为了测试微胶囊的耐久性，研究小组在其中封装了一种荧光聚合物，并测量了其核心的荧光强度随时间的变化。他们观察到包装后30天内强度没有变化，表明微胶囊保持了货物不渗漏。此外，聚合物的尺寸远小于大多数生物分子(如抗体和酶)，这表明这些外壳可以用于保护和长期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)和蔗糖共同封装在微胶囊中37天，然后在渗透压的刺激下触发其内容物的释放。蛋白酶保留了91%的原始活性，表明储存方法没有显著破坏其生物功能。
微胶囊采用油包水技术制成，通过改变外壳和货物的流速实现外壳厚度不均匀。图片来源：哈佛大学怀斯学院
“与其他可控释放载体(如细胞、纳米颗粒或囊泡)相比，这种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提供药物和其他生物分子的一种有吸引力的选择，”通讯作者、Wyss研究所和SEAS Mallinckrodt的核心教员David Weitz博士说。
该团队正在继续通过优化外壳材料来进一步开发微胶囊，以进一步降低破裂所需的渗透压。他们计划首先将他们的技术应用于药物的输送(例如治疗性抗体)，目标是能够利用人体的高含水量在注射后充当破裂触发器。
“这个项目是一个很好的例子，简单的解决方案通常比复杂的解决方案更好，因为打破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，他是Wyss研究所的创始主任，HMS的Judah Folkman教授，波士顿儿童医院的血管生物学项目和SEAS的生物工程教授。
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