張林子鉉（Rhoda Zhang）是一名 95 後，來自於雲南省昆明市。本科期間，她就讀於美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校。今年 4 月從美國麻省理工學院化學工程系博士畢業，博士期間師從於美國三院院士、麻省理工學院教授羅伯特·朗格（Robert S. Langer）。
圖 | 張林子鉉（來源：張林子鉉）
在近期一項研究中，張林子鉉和所在團隊探討了如何利用全新材料作為化妝品微珠的替代品，以便更大程度地減少環境汙染。
研究中，課題組利用了 Langer 實驗室之前開發的一種聚合物——聚（β-氨基酯）（PAE，poly（beta-amino esters）），這種聚合物曾在基因遞送和其他醫療應用中表現出較大潛力，其具有可降解的特性，能夠分解為糖類和氨基酸。
透過調整上述材料的基本組成，讓該團隊得以精確地調控 PAE 的疏水性、機械強度和 pH 敏感性等性質。研究中，他們設計了五種候選材料，並篩選出一種具有最佳特性的聚合物，這一“最佳”聚合物即便在人體胃部等酸性環境中也具備溶解能力。
隨後，他們展示了這一聚合物微粒的應用潛力。例如，它可被用於包裹維生素 A、維生素 D、維生素 E、維生素 C、鋅和鐵等微量營養素。一些營養素通常對熱和光極為敏感，但是經過微粒包裹之後，即使在沸水中加熱兩小時依然能夠保持穩定。
此外，他們還發現即使在高溫高溼的環境下儲存六個月，超過一半的包裹營養素仍未受到損害。
肉湯塊，是撒哈拉以南非洲地區的主要烹飪材料，其為改善該地區數十億人的營養狀況起到了重要作用。為了驗證本次微粒在食品強化中的應用潛力，研究團隊將這些微粒加入肉湯塊之中，實驗結果顯示這些微粒能夠在肉湯塊中保持穩定，即使經過兩小時的沸煮營養素依然保持完好。
在安全性方面，研究團隊透過將微粒暴露於培養的人類腸道細胞進行測試，以評估其對於細胞的影響，藉此發現當將其用於食品強化的劑量範圍之內，這些微粒對於細胞沒有任何損害。
同時，他們還探索了這些微粒在替代清潔產品中常見微珠方面的能力。其發現當把微粒與肥皂泡沫混合之後，能夠更有效地清除皮膚上的永久性記號筆痕跡和防水眼線筆痕跡，清潔效果顯著優於單獨使用肥皂。與傳統含有聚乙烯微珠的清潔劑相比，這種微粒能夠更好地吸附重金屬等潛在有毒元素。
總的來說，此次開發的 PAE 微粒不僅展現了其在食品強化中的應用潛力，還為替代化妝品中的微塑膠微珠提供了一種環保型解決方案。
預計這種材料將在食品強化中得到廣泛應用，特別是在肉湯塊等主食的強化方面。未來，該團隊計劃與本次研究的資助方比爾及梅琳達·蓋茨基金會（Bill & Melinda Gates Foundation）開展密切合作，共同尋找商業領域和非營利領域的合作伙伴，以便將這類強化主食分發到微量營養素缺乏較為嚴重的地區。
與此同時，這種材料也具有廣泛的跨領域應用潛力。例如，它能夠替代化妝品和清潔產品中使用的傳統微珠。即這種可降解微粒不僅能夠顯著提高畫質潔效率，還能減少微塑膠汙染，從而為環保型日用消費品的發展提供一種新型解決方案。
未來，研究團隊還計劃開展大規模的安全性和可行性測試，透過積累更多資料來支援本次材料的監管審批，並推動其進入商業化生產。在幾年內，他們希望這些材料能夠逐步拓展至全球範圍內的食品工業和化妝品行業，並最終成為減少微塑膠汙染、解決“隱性飢餓”的支柱性技術。
“無孔不入”的微塑膠
據介紹，微塑膠這種環境有害物幾乎遍佈地球的每個角落，它們的來源包括輪胎磨損、服裝纖維脫落和塑膠包裝分解等。而另一類重要來源是一些清潔劑、化妝品及美容產品中新增的微小塑膠顆粒。
2019 年，Langer 實驗室的安娜·雅克萊內茨（Ana Jaklenec）教授小組開發了一種基於聚合物的微粒，並將其用於微量營養素的穩定化和口服遞送。
當時的這項研究旨在緩解全球微量營養素缺乏問題（即“隱性飢餓”）。“隱性飢餓”是一個全球性的公共健康危機。據估計，全球約有 20 億人受到這一問題的影響。食品強化——是針對這一問題的公認解決方案，其核心是將微量營養素新增到主食之中。我們經常食用的加碘食鹽，便是食品強化的經典案例。
然而，許多微量營養素對於熱和光表現得極為敏感，因此在用於食品強化之前，需要透過技術手段進行穩定化。
儘管該團隊於 2019 年開發的基於聚合物的微粒技術效果顯著，但是由於其不可降解的特性，面臨著被歐盟歸類為微塑膠的監管風險。正是這一潛在的監管壁壘，成為推動課題組研發新型可降解聚合物材料的重要原因。
從更大的視角來看，全球社會對於微塑膠汙染問題的關注度正在日益增加。相比於輪胎與路面摩擦等無意釋放的微塑膠汙染，一些產品則會主動將微塑膠作為新增成分以便獲得特定功能。
例如，為了提高畫質潔效率，許多化妝潔面產品和日常清潔產品都會被加入微塑膠微珠。這些微珠在使用之後會被排放到環境中，從而成為一種有意為之的汙染來源。
基於此，本次研究從微塑膠汙染的嚴峻環境危害和食品強化的實際需求出發，開展了本次課題。
比天然聚合物更具優勢
課題組的目標是開發一種可降解的聚合物材料，以用於製備微粒。這些微粒能夠包裹並穩定各種微量營養素，同時還能在人體消化系統中實現有效釋放。
在材料設計階段，研究團隊選擇了 PAE 作為研究重點。這種聚合物不僅可降解，而且比天然聚合物在效能可調性、規模化生產和一致性方面具有明顯優勢。
透過精確地調整單體比例，他們優化了材料的疏水性，以便滿足營養素口服遞送的特殊需求。藉此合成了一系列受自然產物啟發的 PAE 聚合物，建立了一種既環保又高效的遞送平臺。
隨後，研究團隊製備並測試了五種不同組成的聚合物微粒，並重點關注其形態、穩定性和功能表現。
實驗結果顯示，P5 聚合物表現尤為突出，基於這種聚合物製成的微粒形態均勻、表面光滑，同時在穩定維生素 A 方面具備卓越效能。在沸水中加熱兩小時後，P5 微粒包裹的維生素 A 回收率高達 83%，並且展現出強光保護能力和快速釋放特點。
為了驗證其實際應用潛力，課題組將 P5 微粒融入肉湯塊等常見食品基質中，並進行了多種儲存和烹飪條件下的測試。結果表明，即使在六個月高溫高溼的極端條件下，微粒仍能顯著延長營養素的穩定性。
此外，他們還探索了其在清潔產品中的應用，將 P5 微粒與肥皂泡沫混合後，測試其對於永久性記號筆和防水眼線筆痕跡的清潔效果。結果顯示，P5 微粒的清潔效率優於傳統的聚乙烯微珠，並能有效吸附重金屬等有害物質。
為了更深入地理解材料的效能，研究團隊利用分子動力學模擬分析了 P5 聚合物與營養素之間的分子相互作用。與此同時，他們還揭示了微粒在高溫和降解狀態下仍能保護營養素的機制。
從材料研發到實際驗證，這項研究展示了完整的技術路線和跨領域的應用潛力。他們希望這一技術平臺能被廣泛用於食品強化和環保型清潔產品，為解決“隱性飢餓”和減輕微塑膠汙染問題帶來切實改變。
日前，相關論文以《可生物降解的聚（β-氨基酯）微顆粒用於清潔產品和食品強化》（Degradable poly(β-amino ester) microparticles for cleansing products and food fortification）為題發在 Nature Chemical Engineering[1]，張林子鉉是第一作者，羅伯特·朗格和安娜·雅克萊內茨擔任共同通訊作者 [1]。
圖 | 相關論文（來源：Nature Chemical Engineering）
據瞭解，自讀博開始張林子鉉便投身於這項研究，並在多次學術會議和公眾場合介紹了這一專案。透過她的介紹越來越多的人開始關注這一全球性的健康危機。
在中低收入國家，微量營養素缺乏的問題嚴重影響了婦幼群體的身體健康。這些地區的人們雖然能夠獲得熱量充足的食物，但這些食物卻無法提供足夠的微量營養素以維持健康，這便是“隱性飢餓”這一概念的由來。
張林子鉉曾在演講中提到，對於嬰幼兒而言如果在生命早期沒有獲得足夠的微量營養素，他們的身體發育和健康狀況將難以在後期彌補。這種後果與某些顯性健康問題比如癌症或傳染病有著較大不同，因此“隱性飢餓”往往缺乏足夠的關注度甚至處於被忽視的狀態。
在對外分享的過程中，張林子鉉也深刻感受到，儘管這一問題看似“無聲無息”，卻對全球數十億人的生活產生深遠影響。每當看到聽眾因為自己的演講對這一問題產生興趣並表達關注時，她都會感到由衷的欣慰，並更加堅定了對於自己研究的意義與使命感。
憑藉這一系列研究，張林子鉉也獲得了一些外部認可。比如，她曾獲得 Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab（J-WAFS）2022-2023 年度研究生獎學金的資助。2023 年，其獲得了 Controlled Release Society 口服遞送研究組的學員獎。2024 年，她又獲得由美國國家發明家名人堂和美國專利商標局主辦的大學生髮明家競賽的研究生組冠軍及“人民選擇獎”，並獲得了獎金及 USPTO 專利加速證書。
而基於本次研究，她和所在團隊已經制定了多項後續計劃。目前，他們正在全面收集安全性資料，這些資料將用於向美國食品藥品監督管理局申請“公認為安全”認證。這將是推動微粒技術在食品強化中實際應用的重要一步，因為這一認證將為其進入食品市場鋪平道路。
同時，他們還計劃開展臨床試驗，以便測試這些微粒強化食品在人體中的實際效果，尤其是對於微量營養素穩定性和生物利用度的提升作用，以及評估對於皮膚的安全性。
此外，他們還計劃進一步擴充套件其應用場景，探索微粒在其他領域的潛力，例如用於工業清潔、醫療耗材或農業中的環保解決方案。
其希望透過這些努力，使這一技術平臺在解決全球微塑膠汙染和微量營養素缺乏問題上發揮更大的作用，同時開拓更多跨領域的應用場景。
參考資料：
1.Zhang, L., Xiao, R., Jin, T. et al. Degradable poly(β-amino ester) microparticles for cleansing products and food fortification. Nat Chem Eng 2, 77–89 (2025). https://doi.org/10.1038/s44286-024-00151-0
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