【科學背景】
智能微膠囊在食品，化妝品，家庭護理，個人護理和生物醫學等各個領域具有重要的應用，因為它們能夠在受到各種刺激（例如pH，溫度，機械壓力，和化學製劑)。這些刺激響應的微膠囊通常由乳液液滴產生，其中分散相作為模板，通過各種化學或物理方法（例如聚合，界面絡合，主體-客體相互作用，相變和溶劑蒸發）製備固體聚合物微球或核-殼結構微膠囊的剛性膜。
液滴微流控技術的最新進展實現了對多相流的精確控制，從而實現了具有微調尺寸，形態和成分的單分散多相乳液液滴的高通量生產。這些多種乳液可以容易地轉化為具有定製的物理和化學性質的微囊，以控制釋放包封的材料。例如，通過使用水包油型水（W/O/W）或O/O，具有將內部液滴與外部連續相分離的中間相的雙乳狀液已被用於封裝親水性或疏水性活性物質。W/O乳劑液滴分別。雖然每個系統中的中間相固結可以生成固化的外殼膜，可以對其進行微調以通過各種外部刺激實現封裝材料的觸發釋放，但是這些系統每個都有一些缺點；例如，殼膜的疏水性通常與W/O/W模板化微膠囊中的蛋白質等生物分子不相容，而O/W/O模板化微膠囊僅適用於疏水性活性物質的封裝。另外，最近甚至提出了更高階的多重乳液，例如三重乳液液滴，作為克服這些問題的有希望的膠囊模板。由三重乳液液滴形成的所得膠囊的顯著特徵是額外的中間層，其將膠囊外殼與最裡面的液滴分開。例如，通過在O/W/O/W三重乳液液滴中使用超薄水層或交聯水凝膠層，可以實現高封裝效率和在疏水性聚合物殼中長期儲存揮發性疏水性貨物實現。通過使用憎油性碳氟化合物油作為中間層，將多種極性和非極性貨物也封裝在一個平臺中。這兩項研究主要集中於各種貨物材料的封裝和保留。有趣的是，兩個中間層的存在提供了新的機會，可以獨立地調整每個層，以在單個平臺上實現多組件封裝和刺激響應。但是，這種潛力從未得到發掘。
【科研摘要】
最近，大邱韓醫大學Hyomin Lee和Chang‐Hyung Choi教授團隊在《Advanced Functional Materials》上發表了Hydrogel Microcapsules with a Thin Oil Layer: Smart Triggered Release via Diverse Stimuli一文。文中提出了具有中間薄油層的水凝膠微膠囊，以實現通過多種刺激觸發的多種貨物的智能釋放。微流控用於生產具有薄油層的三重乳液液滴，該油層將最裡面的水相與水凝膠預聚物相分離，後者通過光聚合作用轉變成水凝膠殼。水凝膠微膠囊中的中間油層充當有效的擴散屏障，允許將各種小貨物封裝在多孔水凝膠殼中，直到施加刺激使油層不穩定為止。事實證明，可以利用包括化學溶解，機械應力和滲透壓在內的多種刺激來按需釋放封裝的貨物。此外，可以獨立調整滲透壓和水凝膠殼的厚度，以控制釋放的開始時間以及多貨物封裝的水凝膠微膠囊的釋放行為。釋放可以是同時的或選擇性的。
2.1微流體生產具有薄油層的水凝膠微膠囊，用於封裝各種親水性貨物
為了使這些水凝膠微膠囊具有薄的油層，作者利用三重乳液液滴作為模板，如圖1A，B所示。使用玻璃毛細管微流體裝置製備三重乳液液滴。為了產生三重乳劑液滴，通過小的錐形毛細管供應含有親水性活性物質的水溶液。通過注入毛細管供應包含表面活性劑的油相，以由於油相優先潤溼到疏水處理的注入毛細管壁上而在油相中形成周期性的大水滴液滴流。這允許在最裡面的水滴和注入毛細管的壁之間形成潤滑層，從而在乳化過程中在每個三重乳液液滴內形成薄的油層。接下來，通過注入毛細管和注入管之間的間隙，提供由10％的聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA），表面活性劑（2％的聚乙烯醇（PVA））和光引發劑組成的附加水凝膠預聚物水溶液。方毛細管以並流方式流動。通過剪切外部油相（礦物油中2％Span80），在收集毛細管的入口處乳化三相同軸流，形成高度均勻的三層乳劑液滴，並形成薄油層。然後，將分散在油相中的水凝膠微膠囊通過直接收集在水中而無需任何額外的洗滌步驟即可轉移到水相中。如圖1C，D所示，這是由於水凝膠微膠囊與油相之間的密度差異較大，以及水凝膠與水的強親和力。作者還注意到，液滴形成過程中內部油相中最裡面的水滴的不連續性導致產生W/O/W/O三重乳液液滴和O/W/O雙重乳液液滴。三重乳液液滴的估計產率約為85％。
圖1具有薄油層的水凝膠微膠囊的微流控生產，用於封裝各種親水性貨物。A）示意圖，顯示了玻璃毛細管微流體裝置，用於產生油包水油包水（W/O/W/O）三重乳液液滴。B）明場顯微照片顯示乳液液滴的連續產生。C）示意圖顯示了直接在水中收集水凝膠微膠囊而無需額外的洗滌步驟。D）明視野顯微照片，顯示水中收集的單分散水凝膠微膠囊。E–H）封裝各種親水性貨物的水凝膠微膠囊的明場和共聚焦顯微照片。E）色甘草酸（藍色），F）螢光素鈉鹽（綠色），G）異硫氰酸羅丹明（RITC）-纖維蛋白原（Alexa Fluor 647纖維蛋白原，紅色），以及H）膠體（FluoSphere，紅色）。
在水凝膠微膠囊中存在中間油層允許在水凝膠微膠囊的水核心內包封各種親水性貨物。為了驗證這一點，作者首先證明了可以將小活性物質，如erioglaucine（藍色染料，793 Da）和螢光素鈉鹽（綠色染料，376 Da）封裝在水凝膠微膠囊的油層中。此外，通過選擇由十六烷和表面活性劑組成的油層，兩種親水性貨物均顯示了長達3個月的長期保留，這表明該油層可作為出色的阻隔層，如圖1E，F的光學和螢光顯微照片所示。為了進一步擴展這些水凝膠微膠囊的適用性，用疏水部分包裹了蛋白質，已知這些疏水部分容易吸附在油/水界面上，並隨時間變性。通過將碳氟化合物油與合適的表面活性劑（FC-70中的2％Krytox-PEG-Krytox）用作薄油層，成功地以有效且生物相容的方式封裝了纖維蛋白原，如圖1G所示。作者還將膠體（直徑2 µm）封裝在水凝膠微膠囊中，碳氟化合物油層中的表面活性劑的量要少一個數量級。碳氟化合物油相中表面活性劑的量的減少導致與相鄰相的界面張力的值增加，並且因此顯著降低了中間油層的穩定性。隨著時間的流逝，這會導致碳氟化合物油層去溼，並在水凝膠微膠囊中形成不穩定的液滴，如圖1H所示。雖然調節油層中的表面活性劑濃度可以調節中間層的穩定性，但難以精確控制發生不穩定的起始點。
2.2通過多種刺激按需釋放水凝膠微膠囊中的封裝貨物
為了首先證明油層溶解後的貨物釋放，將帶有己烷油層的水凝膠微膠囊懸浮在含有20％乙醇的水溶液中；由於己烷可與乙醇混溶，因此這會啟動油層的溶解。在此過程中，觀察到，由於水和乙醇通過水凝膠殼和中間油層（己烷）的流入，微膠囊在短時間內（2分鐘內）會暫時變大。然而，在中間油層快速溶解後，微膠囊通過水凝膠殼（在30分鐘內）釋放封裝的貨物，並如圖2A所示收縮。為了研究施加在微囊上的機械壓力的影響，將帶有己烷油層的水凝膠微囊放在兩個載有過量水的載玻片之間。在兩個載玻片之間的過量水蒸發後，由頂部玻璃施加在微囊上的壓縮壓力增加，導致微囊橫向膨脹。如圖2B所示，壓力的進一步增加會導致油層破裂並隨後由於壓縮壓力而釋放貨物。這也適用於以FC‐70為薄油層的水凝膠微膠囊，證明了提出的微膠囊具有很高的柔韌性和堅固性，可以通過多種刺激來實現智能釋放系統。然後，為了確定滲透壓對微囊的影響，作者準備了水凝膠微囊，其水樣芯中含有模型貨物和10％蔗糖的己烷油層，並監測了在去離子水中的釋放行為，如順序螢光所示。圖2C的顯微照片。
圖2通過選擇性地通過各種外部刺激（例如A）溶解，B）機械壓力和C）滲透壓使間質油層不穩定而使水凝膠微囊中的封裝貨物按需釋放，而水凝膠殼保持完整。微膠囊內的油層由正己烷組成。D）滲透壓對薄殼水凝膠微膠囊的核心尺寸隨時間的影響。E）殼厚度對水凝膠微膠囊的核心尺寸與時間的影響。F）殼厚度對水凝膠微膠囊的整體剛度的影響。
2.3具有薄油層的水凝膠微膠囊中多種貨物的智能控制釋放
在水凝膠微膠囊中存在兩個中間層，即內部油層和外部水凝膠殼層，為實現選擇性釋放或同時釋放封裝的多種貨物提供了新的機會。為了首先驗證多組分封裝在單個水凝膠微膠囊中的能力，作者結合了兩種類型的親水模型，分別是異硫氰酸螢光素-葡聚糖（FITC-葡聚糖，綠色）和Alexa Fluor 594（紅色），它們在水中的流體動力學半徑截然不同水凝膠微膠囊。作者觀察到，兩種貨物均成功封裝在水凝膠微膠囊中，如圖3A的明場以及螢光複合顯微照片所示。在一個單獨的實驗中，作者製備了兩組微膠囊，在水核心中均包含兩種貨物和10％的蔗糖，但水凝膠殼的厚度不同。一種具有約15 µm（厚）的殼厚度，而另一種具有約1 µm（超薄）的殼厚度。然後，作者在轉移到低滲條件下（去離子水）監測具有不同殼厚度的每組微膠囊的行為，如圖3B，C中的示意圖和相應的一系列螢光顯微照片所示。
圖3. 以選擇性或同時方式智能控制釋放封裝在水凝膠微膠囊中的多種貨物。A）明場螢光複合顯微照片，顯示兩種微囊（Alexa Fluor 594和FITC-葡聚糖）的共包封。連續的複合顯微照片顯示B）較小的貨物（Alexa Fluor 594）的選擇性釋放和C）通過滲透壓誘導的水流入（在低滲條件下）使水凝膠殼破裂而同時釋放兩種貨物。
對於厚殼微囊，水核膨脹，而薄油層在10分鐘內破裂，這是由於選擇性釋放Alexa Fluor 594（紅色）導致核中的螢光信號從黃綠色變為綠色所證明的在圖3B的順序複合螢光顯微圖中。由於厚殼微膠囊的堅硬特性，水凝膠殼在施加的滲透壓下保持完整，只有選擇性釋放小於水凝膠殼篩孔尺寸的Alexa Fluor 594，而較大尺寸的FITC-葡聚糖保留在微膠囊內。相反，當類似的超薄殼微膠囊暴露於相同的低滲條件下時，水的流入導致水核心膨脹，從而導致超薄水凝膠殼同時膨脹。接下來是在35分鐘內屈服並最終破裂水凝膠殼，如圖3C的複合顯微照片中兩種模型貨物的同時釋放所證明的。
2.4用於抗癌藥物遞送應用的生物相容性水凝膠微膠囊
近年來，機械響應微膠囊受到廣泛關注，因為它們適用於多種領域，包括香料的包封和控釋，營養物質保存，自修復粘合劑，甚至幹細胞療法。為了擴展生物相容性水凝膠微膠囊在藥物釋放系統中的控釋行為的適用性，作者首先將水溶性抗癌藥，阿黴素鹽酸鹽（1 mg mL-1）和10％蔗糖摻入最稠的最內層水相中。外殼微膠囊（平均外殼厚度：12 µm），如圖4A所示。阿黴素（543 g mol-1，1.5 nm）的大小與Alexa Fluor 594（819 g mol-1，1.5 nm）相似，並且固有地是螢光的，從而可以通過螢光顯微鏡觀察它們在水凝膠殼中的釋放行為。作者還注意到，豆油用於薄油層，以提高其生物相容性。作者觀察到，雖然微膠囊在等滲條件下保持完好無損，但暴露於低滲條件下會導致水核心膨脹，從而導致油層破裂而通過水凝膠殼釋放阿黴素，如圖4Ba，b，c，d的順序螢光顯微照片所示。
圖4具有生物相容性的水凝膠微膠囊，用於抗癌藥物遞送應用。A）示意圖顯示了厚殼微膠囊中阿黴素的包封和滲透壓誘導釋放。B）順序螢光顯微照片，顯示由於油層破裂而使阿黴素通過水凝膠殼釋放。C）培養基中阿黴素濃度對膠囊數濃度的圖。D）示意圖顯示在超薄殼微膠囊中同時包裹和滲透壓誘導的阿黴素和紫杉醇釋放。E）複合螢光顯微照片，顯示由於水凝膠殼破裂而釋放阿黴素和紫杉醇。
精確控制在目標部位釋放的藥物的能力是受控藥物輸送系統的主要挑戰之一。由於微流控技術能夠始終如一地生產高度單分散的微膠囊，並且每個微膠囊中都有預先定義的藥物量，因此可以更改膠囊數量以控制釋放的藥物濃度。作者觀察到培養基中阿黴素濃度與膠囊數量濃度之間存在線性關係，如圖4C所示，證明了水凝膠微膠囊在調節目標藥物濃度方面的潛力通過簡單地改變所應用的微膠囊的數量來確定位點。接下來，為了利用超薄殼微膠囊在藥物輸送系統中的釋放行為，作者將兩種極性不同的抗癌藥物摻入單個微膠囊中，如圖4D所示。為了證明兩種常見的抗癌藥物在滲透壓下同時釋放，製備了微囊，其超薄水凝膠殼（平均殼厚：2.5 µm）在水核心中含有阿黴素（紅色，1 mg mL-1），並且大豆油層中的俄勒岡綠色染料標記為紫杉醇（綠色，40 µg mL-1），如圖4E的複合螢光顯微照片所示。在施加滲透壓時，水的流入導致水核心膨脹，隨後在油層之前使水凝膠殼破裂。這導致阿黴素和紫杉醇的釋放，如圖4E的複合螢光顯微照片中紅色螢光信號向周圍水溶液中的減少以及綠色螢光油滴的形成所證明。儘管阿黴素在水凝膠殼破裂後迅速釋放到水性介質中（圖4E-d），但紫杉醇從油滴中釋放得相對緩慢（圖4E-e），因為紫杉醇在水中（0.3 µg mL-1）的溶解度低。
參考文獻：
doi.org/10.1002/adfm.202009553
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