气泡驱动的细胞脱落

控制细胞黏附在制药、生物医学、生物传感器、食品加工和生物燃料生产等众多行业和应用中都是一项重要挑战。在二维细胞培养中，传代需将贴壁细胞从表面存活移除以便后续培养，目前哺乳动物细胞培养的脱落策略主要依赖酶解法，这种耗时且产生大量废弃物的方法已沿用百余年。此外，藻类黏附在光生物反应器壁上会导致因清洁停机增加运营成本。

过去几十年，虽出现含杀菌化合物涂层或抑制蛋白质吸附的功能化表面等技术，但涂层分子快速消耗及对细胞健康的负面影响限制了其应用。近年防污和细胞脱落策略采用电化学生成次氯酸钠等杀菌剂的方法，虽能有效脱落细胞，但杀菌剂的产生使其仅限于对细胞存活要求不高的场景。

本研究发现，即使消除杀菌剂生成，仅气泡也能有效脱落黏附细胞和污染物，提供了纯物理的细胞脱落机制，实现按需、可重复且高存活率的脱落。以光生物反应器中常见的普通小球藻为模型，通过在10纳米透明金膜表面电解生成气泡，实验研究气泡脱离与黏附藻类的动态相互作用，并结合分析模型证实：气泡脱离时产生的剪切应力是细胞脱落的主要机制。

为确认脱落机制与生物特性无关，使用聚苯乙烯胶体（尺寸和黏附强度与藻类相近）重复实验，发现其脱落行为与藻类几乎一致，证明脱落由物理机械作用主导。

通过设计实验室级细胞脱落原型，验证了该方法在藻类光生物反应器和哺乳动物细胞培养中的实用性。针对实际应用中难以去除培养基中氯离子导致杀菌剂生成的问题，采用质子交换膜（PEM）分离电极，在淡水和海水藻类（普通小球藻和眼点拟微球藻）实验中，均实现有效脱附且细胞保持高存活率，而无PEM的对照组细胞死亡。在哺乳动物细胞（MG-63骨肉瘤细胞和OVCAR-8卵巢癌细胞）实验中，气泡脱附后细胞存活率与标准胰蛋白酶法相当，且相比胰蛋白酶法减少40-50%塑料使用量、最高67%废液量和89%操作时间。

该技术仅依赖流体动力学流动，不依赖细胞、表面或培养基的物理化学特性，有望应用于光生物反应器、高通量细胞培养等多种场景，未来还可能扩展到食品、生物医学传感器和可持续水产养殖等领域。