如何利用液滴微流控技術(shù)制造聚兩性電解質(zhì)納米微凝膠？

在pH反應(yīng)性的藥物載體中，電荷的分布會影響遞送效率，但難以進(jìn)行人為控制和表征。近日，來自德國亞琛工業(yè)大學(xué)的Andrij Pich教授團(tuán)隊進(jìn)行了通過乳液液滴納米凝膠的絮凝和凝聚來分隔聚兩性電解質(zhì)微凝膠的相關(guān)研究。研究成果以“Compartmentalized Polyampholyte Microgels by Depletion Flocculation and Coacervation of Nanogels in Emulsion Droplets”為題于近期發(fā)表在Angewandte Chemie International Edition期刊上。

該文開發(fā)了聚兩性電解質(zhì)納米微凝膠（NiM-C），通過調(diào)整合成條件可以操縱納米凝膠（NG）的排列。使用沉淀聚合技術(shù)合成了帶正電和負(fù)電的pH響應(yīng)性NG，并用不同熒光染料進(jìn)行標(biāo)記。獲得的NG隨后在基于液滴微流控的反乳化聚合中被整合到微凝膠（MG）網(wǎng)絡(luò)內(nèi)。共聚焦激光掃描顯微鏡（CLSM）驗(yàn)證了通過改變NG濃度、pH值和離子強(qiáng)度，可以得到具有不同NG排列的NiM-C，包括NG的兩相分離、NG的統(tǒng)計分布和核殼排列等。該研究為吸收和釋放帶相反電荷（藥物）的分子提供了一個新的策略。

圖1 用于生產(chǎn)聚兩性電解質(zhì)納米微凝膠（NiM-C）的微流控芯片流程圖

該研究開發(fā)了一種簡單且有效的合成方法，可以得到微米級凝膠，該凝膠內(nèi)存在正負(fù)電荷隔間，可以實(shí)現(xiàn)高效藥物封裝。選用基于PNIPAAm的N,N'-亞甲基雙（丙烯酰胺）（BIS）交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)作為模型系統(tǒng)，通過沉淀聚合法合成直徑400 nm~500 nm納米、共單體含量10mol%的聚電解質(zhì)NG。為了可以有效區(qū)分不同類型的NG，在聚合物中加入了羅丹明B來標(biāo)記nNG。通過掃描透射電子顯微鏡（STEM）、動態(tài)光散射（DLS）和電泳光散射（ELS）研究了NG的尺寸和溫度、pH值和離子強(qiáng)度反應(yīng)性。結(jié)果顯示，在室溫下HPLC級水中，nNG直徑約為400 nm，而pNG在相同條件下的尺寸約為470 nm，并且都具有<0.09的多分散指數(shù)，兩種類型NG都具有顯著的熱、pH和離子強(qiáng)度特性。接著通過基于液滴的微流控將標(biāo)記的NG加入MG網(wǎng)絡(luò)中，制造出單分散膠體水凝膠，改變流速和有機(jī)相和水相的含量可以進(jìn)行簡單調(diào)整。

圖2 聚合物NiM-C、nNG和pNG的CLSM圖

純化后，研究人員通過CLSM成像研究NiM-C的形態(tài)和NG定位。Rhod B標(biāo)記的nNG染成紅色，Cy5標(biāo)記的pNG染成藍(lán)色。由于攜帶相同電荷的分子之間排斥性靜電作用和隨之而來的反離子滲透壓，兩種NG在水中室溫下都會膨脹。這些相互作用也有長程效應(yīng)，可以誘發(fā)NG排列的空間分布。PNIPAAm鏈的形成、生長和交聯(lián)不會影響聚電解質(zhì)NG的膠體穩(wěn)定性。NG在MG網(wǎng)絡(luò)中的分布同樣非常均勻。含有兩種類型NG的多聚物NiM-C表現(xiàn)出Janus的結(jié)構(gòu)，其中兩個NG形成高度相分離的共滲物，在MG網(wǎng)絡(luò)中沉降到一邊。表明帶相反電荷的NG之間靜電作用是共凝的驅(qū)動力，而相同電荷NG之間的排斥力導(dǎo)致NG在整個MG網(wǎng)絡(luò)中的空間分布?；旌蟽煞N聚電解質(zhì)NG的分散體不會導(dǎo)致共固化出現(xiàn)。

圖3不同NG濃度、離子強(qiáng)度和pH值下制造的PA NiM-C的CLSM疊加圖像

合成參數(shù)如NG濃度、pH值和離子強(qiáng)度會顯著影響其內(nèi)部相互作用，因此改變這些參數(shù)能夠控制NiM-C內(nèi)部形態(tài)和NG排列。基于液滴的微流控技術(shù)使用的NG分散濃度在5到30之間。較小數(shù)量的NG存在于液滴中會使MG網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有更高的空間分離率，隨著NG濃度的增加，共沸物的大小也會不斷增加，直到占據(jù)MG網(wǎng)絡(luò)大部分。在30 mg/ml時，整個MG網(wǎng)絡(luò)被NG填充，表現(xiàn)為一種類似于核殼的亞結(jié)構(gòu)，其中pNG位于內(nèi)部，nNG位于外圍。此外，PNIPAAm基MG中共有單體的選擇會改變其界面活性。離子強(qiáng)度的增加導(dǎo)致較少共存，兩種NG在MG網(wǎng)絡(luò)中分布的更均勻。鹽濃度越高，NG電荷屏蔽的越多，反過來又會減少NG之間的靜電吸引力。nNG在pH<4.0時不帶電，而pNG在pH>10.0時不帶電。加入NIPAAm和BIS后，nNG在酸性緩沖液中會沉淀。主要因?yàn)閚NG在pH值5.0時已經(jīng)大部分質(zhì)子化，因此由于NIPAAm和BIS存在時發(fā)生的疏水效應(yīng)而發(fā)生沉淀。

在了解了其相互作用控制NiM-C的結(jié)構(gòu)及其作用方式，并且初步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了NiM-C對帶電模型藥物的攝取和觸發(fā)釋放后，研究人員進(jìn)一步對其進(jìn)行優(yōu)化和分析，以提高貨物分子的吸收和排出的效率，并驗(yàn)證對多種藥物的適用性。使用基于液滴的微流控技術(shù)，可以制造出直徑在10 μm和1000 μm之間的微凝膠。根據(jù)所需的NiM-C的大小，在沉淀聚合中通過調(diào)整反應(yīng)條件，NG的直徑也可以減少。對于靜脈注射到血液中的藥物遞送系統(tǒng)來說，理想的尺寸為100nm~500 nm，而吸入性藥物載體的尺寸應(yīng)該在0.5μm~5 μm之間。在不同的情況下下，NiM-C的尺寸、表面功能和可降解性都需要優(yōu)化，以改善其在體內(nèi)的作用效果。

綜上所述，該研究建立了一個簡單的逐步合成路線，用于制造聚兩性電解質(zhì)納米微凝膠（NiM-C）。共聚焦激光掃描顯微鏡觀察NiM-C內(nèi)的NG定位和排列情況。MG網(wǎng)絡(luò)形成后，pH值和離子強(qiáng)度的變化表明NiM-C形態(tài)在不同環(huán)境條件下可以保持完整，并且NG牢固的固定在MG網(wǎng)絡(luò)中。不同電荷的NG之間靜電吸引和聚合物鏈產(chǎn)生的耗竭是NG共存和相分離的主要驅(qū)動力。選擇合成參數(shù)NG的分散濃度、pH值和離子強(qiáng)度可以控制NiM-C的內(nèi)部形態(tài)，以產(chǎn)生相分離或均勻分布的核殼狀排列NG共凝物，只有在HPLC級水中，低離子強(qiáng)度和10mg/mL的NG濃度下才能獲得相分離的凝聚物。

審核編輯：劉清