如何利用液滴微流控技术制造聚两性电解质纳米微凝胶？

在pH反应性的药物载体中，电荷的分布会影响递送效率，但难以进行人为控制和表征。近日，来自德国亚琛工业大学的Andrij Pich教授团队进行了通过乳液液滴纳米凝胶的絮凝和凝聚来分隔聚两性电解质微凝胶的相关研究。研究成果以“Compartmentalized Polyampholyte Microgels by Depletion Flocculation and Coacervation of Nanogels in Emulsion Droplets”为题于近期发表在Angewandte Chemie International Edition期刊上。

该文开发了聚两性电解质纳米微凝胶（NiM-C），通过调整合成条件可以操纵纳米凝胶（NG）的排列。使用沉淀聚合技术合成了带正电和负电的pH响应性NG，并用不同荧光染料进行标记。获得的NG随后在基于液滴微流控的反乳化聚合中被整合到微凝胶（MG）网络内。共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）验证了通过改变NG浓度、pH值和离子强度，可以得到具有不同NG排列的NiM-C，包括NG的两相分离、NG的统计分布和核壳排列等。该研究为吸收和释放带相反电荷（药物）的分子提供了一个新的策略。

图1 用于生产聚两性电解质纳米微凝胶（NiM-C）的微流控芯片流程图

该研究开发了一种简单且有效的合成方法，可以得到微米级凝胶，该凝胶内存在正负电荷隔间，可以实现高效药物封装。选用基于PNIPAAm的N,N'-亚甲基双（丙烯酰胺）（BIS）交联网络作为模型系统，通过沉淀聚合法合成直径400 nm~500 nm纳米、共单体含量10mol%的聚电解质NG。为了可以有效区分不同类型的NG，在聚合物中加入了罗丹明B来标记nNG。通过扫描透射电子显微镜（STEM）、动态光散射（DLS）和电泳光散射（ELS）研究了NG的尺寸和温度、pH值和离子强度反应性。结果显示，在室温下HPLC级水中，nNG直径约为400 nm，而pNG在相同条件下的尺寸约为470 nm，并且都具有<0.09的多分散指数，两种类型NG都具有显著的热、pH和离子强度特性。接着通过基于液滴的微流控将标记的NG加入MG网络中，制造出单分散胶体水凝胶，改变流速和有机相和水相的含量可以进行简单调整。

图2 聚合物NiM-C、nNG和pNG的CLSM图

纯化后，研究人员通过CLSM成像研究NiM-C的形态和NG定位。Rhod B标记的nNG染成红色，Cy5标记的pNG染成蓝色。由于携带相同电荷的分子之间排斥性静电作用和随之而来的反离子渗透压，两种NG在水中室温下都会膨胀。这些相互作用也有长程效应，可以诱发NG排列的空间分布。PNIPAAm链的形成、生长和交联不会影响聚电解质NG的胶体稳定性。NG在MG网络中的分布同样非常均匀。含有两种类型NG的多聚物NiM-C表现出Janus的结构，其中两个NG形成高度相分离的共渗物，在MG网络中沉降到一边。表明带相反电荷的NG之间静电作用是共凝的驱动力，而相同电荷NG之间的排斥力导致NG在整个MG网络中的空间分布。混合两种聚电解质NG的分散体不会导致共固化出现。

图3不同NG浓度、离子强度和pH值下制造的PA NiM-C的CLSM叠加图像

合成参数如NG浓度、pH值和离子强度会显著影响其内部相互作用，因此改变这些参数能够控制NiM-C内部形态和NG排列。基于液滴的微流控技术使用的NG分散浓度在5到30之间。较小数量的NG存在于液滴中会使MG网络内有更高的空间分离率，随着NG浓度的增加，共沸物的大小也会不断增加，直到占据MG网络大部分。在30 mg/ml时，整个MG网络被NG填充，表现为一种类似于核壳的亚结构，其中pNG位于内部，nNG位于外围。此外，PNIPAAm基MG中共有单体的选择会改变其界面活性。离子强度的增加导致较少共存，两种NG在MG网络中分布的更均匀。盐浓度越高，NG电荷屏蔽的越多，反过来又会减少NG之间的静电吸引力。nNG在pH<4.0时不带电，而pNG在pH>10.0时不带电。加入NIPAAm和BIS后，nNG在酸性缓冲液中会沉淀。主要因为nNG在pH值5.0时已经大部分质子化，因此由于NIPAAm和BIS存在时发生的疏水效应而发生沉淀。

在了解了其相互作用控制NiM-C的结构及其作用方式，并且初步实验验证了NiM-C对带电模型药物的摄取和触发释放后，研究人员进一步对其进行优化和分析，以提高货物分子的吸收和排出的效率，并验证对多种药物的适用性。使用基于液滴的微流控技术，可以制造出直径在10 μm和1000 μm之间的微凝胶。根据所需的NiM-C的大小，在沉淀聚合中通过调整反应条件，NG的直径也可以减少。对于静脉注射到血液中的药物递送系统来说，理想的尺寸为100nm~500 nm，而吸入性药物载体的尺寸应该在0.5μm~5 μm之间。在不同的情况下下，NiM-C的尺寸、表面功能和可降解性都需要优化，以改善其在体内的作用效果。

综上所述，该研究建立了一个简单的逐步合成路线，用于制造聚两性电解质纳米微凝胶（NiM-C）。共聚焦激光扫描显微镜观察NiM-C内的NG定位和排列情况。MG网络形成后，pH值和离子强度的变化表明NiM-C形态在不同环境条件下可以保持完整，并且NG牢固的固定在MG网络中。不同电荷的NG之间静电吸引和聚合物链产生的耗竭是NG共存和相分离的主要驱动力。选择合成参数NG的分散浓度、pH值和离子强度可以控制NiM-C的内部形态，以产生相分离或均匀分布的核壳状排列NG共凝物，只有在HPLC级水中，低离子强度和10mg/mL的NG浓度下才能获得相分离的凝聚物。

审核编辑：刘清