Robert Langer团队研发可降解微粒，正与盖茨基金会探索产品落地

张林子铉（Rhoda Zhang）是一名 95 后，来自于云南省昆明市。本科期间，她就读于美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校。今年 4 月从美国麻省理工学院化学工程系博士毕业，博士期间师从于美国三院院士、麻省理工学院教授罗伯特·朗格（Robert S. Langer）。

在近期一项研究中，张林子铉和所在团队探讨了如何利用全新材料作为化妆品微珠的替代品，以便更大程度地减少环境污染。

研究中，课题组利用了 Langer 实验室之前开发的一种聚合物——聚（β-氨基酯）（PAE，poly（beta-amino esters）），这种聚合物曾在基因递送和其他医疗应用中表现出较大潜力，其具有可降解的特性，能够分解为糖类和氨基酸。

通过调整上述材料的基本组成，让该团队得以精确地调控 PAE 的疏水性、机械强度和 pH 敏感性等性质。研究中，他们设计了五种候选材料，并筛选出一种具有最佳特性的聚合物，这一“最佳”聚合物即便在人体胃部等酸性环境中也具备溶解能力。

随后，他们展示了这一聚合物微粒的应用潜力。例如，它可被用于包裹维生素 A、维生素 D、维生素 E、维生素 C、锌和铁等微量营养素。一些营养素通常对热和光极为敏感，但是经过微粒包裹之后，即使在沸水中加热两小时依然能够保持稳定。

此外，他们还发现即使在高温高湿的环境下存储六个月，超过一半的包裹营养素仍未受到损害。

肉汤块，是撒哈拉以南非洲地区的主要烹饪材料，其为改善该地区数十亿人的营养状况起到了重要作用。为了验证本次微粒在食品强化中的应用潜力，研究团队将这些微粒加入肉汤块之中，实验结果显示这些微粒能够在肉汤块中保持稳定，即使经过两小时的沸煮营养素依然保持完好。

在安全性方面，研究团队通过将微粒暴露于培养的人类肠道细胞进行测试，以评估其对于细胞的影响，借此发现当将其用于食品强化的剂量范围之内，这些微粒对于细胞没有任何损害。

同时，他们还探索了这些微粒在替代清洁产品中常见微珠方面的能力。其发现当把微粒与肥皂泡沫混合之后，能够更有效地清除皮肤上的永久性记号笔痕迹和防水眼线笔痕迹，清洁效果显著优于单独使用肥皂。与传统含有聚乙烯微珠的清洁剂相比，这种微粒能够更好地吸附重金属等潜在有毒元素。

总的来说，此次开发的 PAE 微粒不仅展现了其在食品强化中的应用潜力，还为替代化妆品中的微塑料微珠提供了一种环保型解决方案。

预计这种材料将在食品强化中得到广泛应用，特别是在肉汤块等主食的强化方面。未来，该团队计划与本次研究的资助方比尔及梅琳达·盖茨基金会（Bill & Melinda Gates Foundation）开展密切合作，共同寻找商业领域和非营利领域的合作伙伴，以便将这类强化主食分发到微量营养素缺乏较为严重的地区。

与此同时，这种材料也具有广泛的跨领域应用潜力。例如，它能够替代化妆品和清洁产品中使用的传统微珠。即这种可降解微粒不仅能够显著提高清洁效率，还能减少微塑料污染，从而为环保型日用消费品的发展提供一种新型解决方案。

未来，研究团队还计划开展大规模的安全性和可行性测试，通过积累更多数据来支持本次材料的监管审批，并推动其进入商业化生产。在几年内，他们希望这些材料能够逐步拓展至全球范围内的食品工业和化妆品行业，并最终成为减少微塑料污染、解决“隐性饥饿”的支柱性技术。

“无孔不入”的微塑料

据介绍，微塑料这种环境有害物几乎遍布地球的每个角落，它们的来源包括轮胎磨损、服装纤维脱落和塑料包装分解等。而另一类重要来源是一些清洁剂、化妆品及美容产品中添加的微小塑料颗粒。

2019 年，Langer 实验室的安娜·雅克莱内茨（Ana Jaklenec）教授小组开发了一种基于聚合物的微粒，并将其用于微量营养素的稳定化和口服递送。

当时的这项研究旨在缓解全球微量营养素缺乏问题（即“隐性饥饿”）。“隐性饥饿”是一个全球性的公共健康危机。据估计，全球约有 20 亿人受到这一问题的影响。食品强化——是针对这一问题的公认解决方案，其核心是将微量营养素添加到主食之中。我们经常食用的加碘食盐，便是食品强化的经典案例。

然而，许多微量营养素对于热和光表现得极为敏感，因此在用于食品强化之前，需要通过技术手段进行稳定化。

尽管该团队于 2019 年开发的基于聚合物的微粒技术效果显著，但是由于其不可降解的特性，面临着被欧盟归类为微塑料的监管风险。正是这一潜在的监管壁垒，成为推动课题组研发新型可降解聚合物材料的重要原因。

从更大的视角来看，全球社会对于微塑料污染问题的关注度正在日益增加。相比于轮胎与路面摩擦等无意释放的微塑料污染，一些产品则会主动将微塑料作为添加成分以便获得特定功能。

例如，为了提高清洁效率，许多化妆洁面产品和日常清洁产品都会被加入微塑料微珠。这些微珠在使用之后会被排放到环境中，从而成为一种有意为之的污染来源。

基于此，本次研究从微塑料污染的严峻环境危害和食品强化的实际需求出发，开展了本次课题。

比天然聚合物更具优势

课题组的目标是开发一种可降解的聚合物材料，以用于制备微粒。这些微粒能够包裹并稳定各种微量营养素，同时还能在人体消化系统中实现有效释放。

在材料设计阶段，研究团队选择了 PAE 作为研究重点。这种聚合物不仅可降解，而且比天然聚合物在性能可调性、规模化生产和一致性方面具有明显优势。

通过精确地调整单体比例，他们优化了材料的疏水性，以便满足营养素口服递送的特殊需求。借此合成了一系列受自然产物启发的 PAE 聚合物，建立了一种既环保又高效的递送平台。

随后，研究团队制备并测试了五种不同组成的聚合物微粒，并重点关注其形态、稳定性和功能表现。

实验结果显示，P5 聚合物表现尤为突出，基于这种聚合物制成的微粒形态均匀、表面光滑，同时在稳定维生素 A 方面具备卓越性能。在沸水中加热两小时后，P5 微粒包裹的维生素 A 回收率高达 83%，并且展现出强光保护能力和快速释放特点。

为了验证其实际应用潜力，课题组将 P5 微粒融入肉汤块等常见食品基质中，并进行了多种储存和烹饪条件下的测试。结果表明，即使在六个月高温高湿的极端条件下，微粒仍能显著延长营养素的稳定性。

此外，他们还探索了其在清洁产品中的应用，将 P5 微粒与肥皂泡沫混合后，测试其对于永久性记号笔和防水眼线笔痕迹的清洁效果。结果显示，P5 微粒的清洁效率优于传统的聚乙烯微珠，并能有效吸附重金属等有害物质。

为了更深入地理解材料的性能，研究团队利用分子动力学模拟分析了 P5 聚合物与营养素之间的分子相互作用。与此同时，他们还揭示了微粒在高温和降解状态下仍能保护营养素的机制。

从材料研发到实际验证，这项研究展示了完整的技术路线和跨领域的应用潜力。他们希望这一技术平台能被广泛用于食品强化和环保型清洁产品，为解决“隐性饥饿”和减轻微塑料污染问题带来切实改变。

日前，相关论文以《可生物降解的聚（β-氨基酯）微颗粒用于清洁产品和食品强化》（Degradable poly(β-amino ester) microparticles for cleansing products and food fortification）为题发在Nature Chemical Engineering[1]，张林子铉是第一作者，罗伯特·朗格和安娜·雅克莱内茨担任共同通讯作者 [1]。

据了解，自读博开始张林子铉便投身于这项研究，并在多次学术会议和公众场合介绍了这一项目。通过她的介绍越来越多的人开始关注这一全球性的健康危机。

在中低收入国家，微量营养素缺乏的问题严重影响了妇幼群体的身体健康。这些地区的人们虽然能够获得热量充足的食物，但这些食物却无法提供足够的微量营养素以维持健康，这便是“隐性饥饿”这一概念的由来。

张林子铉曾在演讲中提到，对于婴幼儿而言如果在生命早期没有获得足够的微量营养素，他们的身体发育和健康状况将难以在后期弥补。这种后果与某些显性健康问题比如癌症或传染病有着较大不同，因此“隐性饥饿”往往缺乏足够的关注度甚至处于被忽视的状态。

在对外分享的过程中，张林子铉也深刻感受到，尽管这一问题看似“无声无息”，却对全球数十亿人的生活产生深远影响。每当看到听众因为自己的演讲对这一问题产生兴趣并表达关注时，她都会感到由衷的欣慰，并更加坚定了对于自己研究的意义与使命感。

凭借这一系列研究，张林子铉也获得了一些外部认可。比如，她曾获得 Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab（J-WAFS）2022-2023 年度研究生奖学金的资助。2023 年，其获得了 Controlled Release Society 口服递送研究组的学员奖。2024 年，她又获得由美国国家发明家名人堂和美国专利商标局主办的大学生发明家竞赛的研究生组冠军及“人民选择奖”，并获得了奖金及 USPTO 专利加速证书。

而基于本次研究，她和所在团队已经制定了多项后续计划。目前，他们正在全面收集安全性数据，这些数据将用于向美国食品药品监督管理局申请“公认为安全”认证。这将是推动微粒技术在食品强化中实际应用的重要一步，因为这一认证将为其进入食品市场铺平道路。

同时，他们还计划开展临床试验，以便测试这些微粒强化食品在人体中的实际效果，尤其是对于微量营养素稳定性和生物利用度的提升作用，以及评估对于皮肤的安全性。

此外，他们还计划进一步扩展其应用场景，探索微粒在其他领域的潜力，例如用于工业清洁、医疗耗材或农业中的环保解决方案。

其希望通过这些努力，使这一技术平台在解决全球微塑料污染和微量营养素缺乏问题上发挥更大的作用，同时开拓更多跨领域的应用场景。

参考资料：

1.Zhang, L., Xiao, R., Jin, T. et al. Degradable poly(β-amino ester) microparticles for cleansing products and food fortification.Nat Chem Eng2, 77–89 (2025). https://doi.org/10.1038/s44286-024-00151-0

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