用天然褐藻提取物制作的微球，直径仅有几百微米，却是一个神奇的“条形码”，暗藏上亿种编码组合……
近日，南京林业大学黄超伯教授团队与美国哈佛大学医学院科学家合作，使用天然褐藻提取物海藻酸钠，创新地设计出一种“微球条形码”。
在“码上经济”大行其道的今天，打开手机扫一扫已成为许多人的习惯，一维条形码、二维条形码也成为许多商品防伪溯源的手段。
但是在食品、药物领域，条形码不能直接印制在商品表面，印刷在包装盒上又不能很好地起到防伪的作用，同时依然存在化学聚合物污染的可能。
而利用天然生物材料制作的新型条形码，可以让食品、药物等实现无污染、安全、绿色的防伪扫码。目前，该成果的相关论文已在线发表于国际权威期刊《Small》上。
理论上有数亿种可能的信息组合
在条形码、二维码的制备过程中，不可避免地要使用到化学光引发剂、交联剂、表面活性剂或其他未经国家市场监督管理总局批准的聚合物，考虑到安全问题，这些条形码无法应用于食品或药品行业。
而这种微球采用生物材料制备，安全性非常高。“它可以用很多种生物基聚合物材料制备，目前我们使用的是海藻酸钠，这是一种生物可相容、环境友好的聚合物，可以直接用在药物片剂的表面或疫苗玻璃瓶中。”黄超伯告诉科技日报记者。
据介绍，海藻酸钠是一种天然多糖，大多是由海藻酸的钠盐组成，可以从天然褐藻中提取出来。十九世纪末，科学家首次提取出了海藻酸钠并对其进行研究；到了上个世纪三十年代，海藻酸钠在美国被应用于工业生产当中。人类从几百年前就将海藻酸钠当作食物了，1983年，美国食品和药物管理局正式允许把海藻酸钠添加到食品当中。海藻酸钠不仅可以作为食品添加剂，改善食品色、香、味等品质，还具有保健功能，可以降低血压、血脂，改善肠胃功能，防止便秘。现如今，海藻酸钠以其良好的生物降解性和生物相容性，被广泛应用于化学、生物、医药、食品等领域。
这种微球直径约几百微米，由10个腔室组成。科研人员通过微流控技术和微加工手段，在微球的制备过程中可以精确地控制多面异向微球每个腔室的组成。“每个腔室相连，就构成了一个类似橘瓣的形状。”论文第一作者、南京林业大学博士生唐国胜介绍说，利用红、绿、蓝三基色可构建出肉眼能识别的7种荧光编码的原理，用含有这3种不同荧光纳米粒子的预凝胶溶液可程序化地调整10面微球每个腔室的颜色。
“目前我们做的微球有10个腔室，只要微球尺寸增大，20个腔室都有可能做出来。这种‘微球条形码’理论上有数以亿计种可能的信息组合，如果提高腔室的数量，组合可以几何级倍增。”黄超伯说。
用荧光显微镜读取编码信息
目前，基于各种新技术的“微型条形码”已经在信息存储、检测和防伪等领域中发挥良好作用。那么，这种新颖的生物“微球条形码”能用手机扫一扫吗？答案是否定的。
“一个硬币都有两面，防伪技术不能太低端，不然太容易造假了。我们的防伪技术是给监管机构用来检测的，不是供普通消费者用的。”黄超伯告诉记者，监管机构利用荧光显微镜就可以读取编码信息，再把所得编码信息输入到厂家的数据库，进行自动比对得出产品真假、生产日期、生产厂家等信息。
唐国胜说，他们还引入四氧化三铁磁性纳米粒子作为条形码的读取起点，对微球每个腔室进行颜色编码。磁性纳米粒子的引入不仅锁定了“微球条形码”读取的方向、方便编码信息的获取，而且进一步提高了信息的安全性。
常用的一维条形码和二维条形码是基于计算机图像识别技术发展而来，目前大多是印刷在物品表面，一旦受到污染损毁就难以读取。而生物“微球条形码”是融入药物或食品中，不易受损。
同时，制备微球的全过程都没有有机溶剂的参与，具有良好的生物相容性，进一步增加了“微球条形码”在食品、药物行业中应用的可行性。
据介绍，一个微球就是一组编码。在一个疫苗瓶里可以放数个不同的微球，组成一个编号阵列，让防伪更立体。
“眼下，世界各国都在加速研发新冠肺炎疫苗。由于我们制备的编码微球有很好的生物相容性，可直接加入液体药物中进行防伪，具有分离和读取方便等优势，可用于疫苗溯源。”该论文共同第一作者、南京林业大学化学工程学院大三学生陈龙说。