基于液-液界面的主-客體分子識(shí)別

王貝貝，陳浩，劉倓，史少偉,*，Thoms P. Russell

a Beijing Advanced Innovation Center for Soft Matter Science and Engineering, College of Materials Science and Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China

b Department of Polymer Science and Engineering, University of Massachusetts, Amherst, MA 01003, USA

c Materials Sciences Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA 94720, USA

1. 引言

近年來，基于非共價(jià)鍵相互作用的超分子化學(xué)引起了廣泛關(guān)注[1-4]。穩(wěn)定的超分子體系，包括由靜電相互作用、主-客體作用、范德瓦耳斯力、氫鍵作用、π-π相互作用和親疏水相互作用等構(gòu)成的配合物與組裝體，在自愈合材料、生物傳感器和藥物納米載體等領(lǐng)域展示了一系列應(yīng)用潛能[5-7]。在各種非共價(jià)鍵相互作用中，基于大環(huán)主體分子和客體分子的主-客體相互作用表現(xiàn)出了與眾不同的識(shí)別特性。這一相互作用類似于“鎖”和“鑰匙”的關(guān)系[5]。帶有空腔的大環(huán)主體分子可以識(shí)別特定的客體單元，允許嵌入包括有機(jī)化合物、大分子、金屬離子甚至納米粒子（NP）等在內(nèi)的多種客體分子[8,9]。利用主-客體相互作用構(gòu)筑超分子組裝體有諸多優(yōu)點(diǎn)。例如，主體分子或客體分子可以根據(jù)需求進(jìn)行定制。此外，利用這種動(dòng)態(tài)、可逆的相互作用構(gòu)筑的多層級(jí)組裝結(jié)構(gòu)，在外部（如光、氧化還原劑和化合物等）刺激下可實(shí)現(xiàn)組裝和解組裝的可逆轉(zhuǎn)換[5,8]。迄今為止，基于大環(huán)主體分子，如冠醚、葫蘆[n]脲、環(huán)糊精、柱[n]芳烴和杯芳烴等構(gòu)筑的超分子組裝體，已在智能軟物質(zhì)材料、超分子聚合和分子機(jī)器/開關(guān)等領(lǐng)域表現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景[10-16]。

液-液界面，一般指油-水界面，為材料的組裝和界面組裝體的構(gòu)筑提供了一個(gè)柔性平臺(tái)[17]。通過在界面上組裝不同的基元可賦予界面組裝體相應(yīng)的功能，進(jìn)而用于封裝、微反應(yīng)器和藥物遞送等領(lǐng)域[18-23]。目前，許多研究致力于通過靜電或氫鍵相互作用來構(gòu)筑超分子界面，并取得了重要進(jìn)展[24-30]。另外，主-客體化學(xué)為構(gòu)建具有多重刺激響應(yīng)性的動(dòng)態(tài)界面體系提供了一種更加靈活的策略。近年來，研究人員利用修飾有主、客體單元的膠體粒子或聚合物，基于油-水界面成功制備了二維界面膜、微膠囊和結(jié)構(gòu)化液體等，在材料工程和生命科學(xué)等領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用潛力[31-33]。本文主要綜述了基于主-客體分子識(shí)別的超分子界面體系的研究進(jìn)展，包括超分子膠體界面、超分子聚合物界面以及超分子阻塞膠體界面的制備、性質(zhì)及其應(yīng)用。

2. 超分子膠體界面

Ramsden [34]和Pickering [35]最早發(fā)現(xiàn)并對(duì)Pickering乳液進(jìn)行研究。通常，在典型的油-水Pickering乳液體系中，膠體粒子傾向于遷移到界面，形成油包水（water-in-oil, w/o）或水包油（oil-in-water, o/w）乳液，進(jìn)而降低體系自由能[36]。根據(jù)Pieranski [37]建立的熱力學(xué)模型，單個(gè)粒子移動(dòng)至界面，降低的自由能（ΔE）可用下式表示：

式中，r是粒子的有效半徑；γO/W、γP/W、γP/O分別為油水兩相、粒子與水相以及粒子與油相的界面張力。式（1）表明ΔE隨粒子半徑的增大而增大。NP粒徑較?。ㄎ接诮缑婧螃與熱能相當(dāng)），熱運(yùn)動(dòng)極易使其從界面上脫附，使得NP在體相與界面之間存在動(dòng)態(tài)吸附平衡[38]。

因此，抑制NP在界面上的脫附對(duì)于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的NP組裝體的構(gòu)筑至關(guān)重要。迄今為止，采用開環(huán)易位聚合、“點(diǎn)擊”化學(xué)和配位化學(xué)等方法將界面上的NP進(jìn)行共價(jià)交聯(lián)，為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)提供了可行的策略[39-43]。另外，利用動(dòng)態(tài)可逆的非共價(jià)鍵，如主-客體相互作用亦可在界面實(shí)現(xiàn)NP的穩(wěn)定組裝。

在早期的研究中，Wang等[31]利用水溶性β-環(huán)糊精（β-CD）和油溶性金剛烷羧酸氯修飾的CoPt3NP之間的主-客體相互作用，在油-水界面原位制備了宏觀NP單層薄膜。此外，通過在β-CD上引入功能化基團(tuán)，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)NP多層膜的制備。與二維薄膜相比，微膠囊在生物醫(yī)學(xué)、微反應(yīng)器等領(lǐng)域具有更廣泛的應(yīng)用空間[44-46]。在本節(jié)中，我們將介紹兩種以膠體粒子為構(gòu)筑基元，利用油-水界面的主-客體相互作用制備穩(wěn)定微膠囊的方法。

2.1. 乳液模板法制備微膠囊

Patra等[47]以Pickering乳液為模板，利用β-CD和金剛烷（ADA）在甲苯-水界面上的分子識(shí)別制備了刺激響應(yīng)型微膠囊。通過剪切含有β-CD修飾的金（Au）NP水溶液和含有金剛烷修飾的Au NP甲苯溶液，NP可在油-水界面進(jìn)行非共價(jià)交聯(lián)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定微膠囊的制備[圖1（a）、（b）]。不同于共價(jià)交聯(lián)制備的微膠囊，主-客體相互作用賦予了微膠囊的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性，可以通過引入競爭性的客體分子金剛烷四甘醇（ADA-TEG-OH）來調(diào)控微膠囊尺寸的大小。如圖1（c）所示，隨著ADATEG-OH的加入，微膠囊的界面發(fā)生部分解組裝并融合，其尺寸由小變大。

除環(huán)糊精外，葫蘆[n]脲（CB[n],n= 5～8, 10）也是一類被廣泛應(yīng)用的大環(huán)分子。CB[n]是甘脲的環(huán)狀低聚物，其內(nèi)部空腔疏水，上下邊緣具有羰基。不同結(jié)構(gòu)和尺寸的CB[n]可以與不同的客體分子實(shí)現(xiàn)特定的主-客體絡(luò)合[1,9]。Meethal等[38]利用CB[7]介導(dǎo)的分子識(shí)別，基于氯仿-水界面制備了膠體薄膜和微膠囊。在這項(xiàng)研究中，分散在氯仿中由客體分子修飾的Au NP（Hex-AuNP）與溶于水相的主體分子CB[7]在界面上相互作用，顯著提高了NP的界面結(jié)合能，并在剪切作用下形成了穩(wěn)定的微膠囊[圖2（a）]。由于界面上的Hex-AuNP攜帶陽離子，因此其可以將帶負(fù)電荷的大分子吸附在微膠囊的表面。圖2（b）顯示了微膠囊雙重負(fù)載的能力，接枝熒光基團(tuán)的牛血清白蛋白（BSA）選擇性地吸附在微膠囊的外殼上，而疏水的尼羅紅則被包裹在微膠囊內(nèi)部。通過引入與CB[7]有更高親和力的競爭性客體分子金剛烷胺鹽酸鹽，可以實(shí)現(xiàn)微膠囊的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性。例如，當(dāng)使用阿霉素作為模型藥物時(shí)，微膠囊的結(jié)構(gòu)可被競爭性客體分子破壞，實(shí)現(xiàn)阿霉素的釋放[圖2（c）～（e）]。

利用特定的主-客體相互作用，可以有效調(diào)控微膠囊的機(jī)械強(qiáng)度。Jeong等[48]使用分散在水中的β-CD修飾的Au NP與溶于油相中的不同客體分子，制備了具有不同表面微結(jié)構(gòu)的聚合物微球[圖3（a）、（b）]。以客體分子AB-Hex-AB為例，油相中的客體分子與分散于水相中的NP通過主-客體相互作用在界面交聯(lián)，形成穩(wěn)定微膠囊[圖3（d）]。當(dāng)使用客體分子、雙環(huán)戊二烯和催化劑的混合溶液作為油相時(shí)，雙環(huán)戊二烯發(fā)生聚合，產(chǎn)生具有表面褶皺結(jié)構(gòu)的聚合物微球（由于體積收縮） [圖3（c）、（e）]。這一周期性褶皺的特征長度與主體分子和客體分子之間的親合力有關(guān)，通過數(shù)值模擬可估算微球表面NP薄膜的彈性模量。

圖1.（a）、（b）利用乳液模板法制備動(dòng)態(tài)響應(yīng)型微膠囊的示意圖；（c）加入競爭性客體分子后微膠囊的尺寸變化。轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[47]，經(jīng)American Chemical Society許可，? 2009。

圖2.（a）基于CB[7]和Hex-AuNP的分子識(shí)別制備微膠囊的示意圖；（b）微膠囊的雙重負(fù)載能力；（c）～（e）加入競爭性分子后微膠囊的解組裝和藥物的釋放。轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[38]，經(jīng)American Chemical Society許可，? 2018。

2.2. 微流控裝置制備微膠囊

一般來講，利用經(jīng)典乳化法制備的膠體微膠囊具有比較寬的尺寸分布[49]。為了減小微膠囊的尺寸分布，研究人員開始使用微流控裝置來制備微膠囊[50-52]。Zhang等[32]報(bào)道了一種利用主-客體化學(xué)和四通道微流控裝置一步生成均勻微膠囊的方法。在他們的研究中，通過使用油相剪切包含CB[8]、甲基紫精（MV）功能化的Au NP以及萘酚功能化的聚合物的水相溶液，可得到尺寸均一的微膠囊[圖4（a）]。在此過程中，CB[8]、甲基紫精功能化的Au NP以及萘酚功能化的聚合物在水相中形成三元復(fù)合物，并在界面張力驅(qū)動(dòng)下被吸附到油-水界面，形成微膠囊的外殼。單分散的微膠囊在脫水過程中可以保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，并可通過再水化恢復(fù)其原始結(jié)構(gòu)[圖4（e）、（f）]。利用微膠囊可以實(shí)現(xiàn)不同貨物的高效封裝[圖4（b）～（d）]。同時(shí)，由于主-客體分子識(shí)別的動(dòng)態(tài)可逆性，微膠囊的超分子外殼會(huì)在外界刺激下被破壞，從而達(dá)到控制釋放的目的。

圖3.（a）微膠囊制備示意圖；（b）β-CD修飾的Au NP和不同的客體分子結(jié)構(gòu)；（c）通過聚合內(nèi)相制備具有褶皺表面的微球；（d）氯仿中微膠囊在干燥前（上圖）后（下圖）的光學(xué)顯微鏡圖像；（e）使用不同客體分子制備的聚合物微球的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像（頂部：AB-Hex-AB；中間：AB-Hex-AD；底部：AD-Hex-AD）。AB：偶氮苯；AD：金剛烷；DCPD：雙環(huán)戊二烯；pDCPD：聚雙環(huán)戊二烯；Ef, Es: E = E/(1 - ν2)，其中E為彈性模量，v表示泊松比，下標(biāo)f和s分別代表薄膜和襯底；liq.：液相（liquid）；cat.：催化劑（catalyst）。轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[48]，經(jīng)WⅠ-LEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA許可，? 2014。

隨后，研究人員[53]將該方法擴(kuò)展到其他由CB[8]介導(dǎo)的超分子體系，他們利用CB[8]、萘酚功能化的聚丙烯酰胺以及甲基紫精功能化的NP在油-水界面上形成的超分子復(fù)合物，制備了對(duì)競爭性客體分子響應(yīng)的微膠囊。水溶性的物質(zhì)可以被封裝于微膠囊內(nèi)部，通過加入競爭性客體分子，超分子微膠囊的外殼可被破壞，從而觸發(fā)微膠囊內(nèi)部物質(zhì)的釋放。研究人員還進(jìn)一步制備了雙響應(yīng)型超分子膠體微膠囊[54]。在該研究中，微膠囊的外殼仍然是CB[8]介導(dǎo)的超分子復(fù)合物，粒子表面修飾有溫敏的聚異丙基丙烯酰胺（PNⅠPAM）和甲基紫精客體分子[圖5（a）]。在PNⅠPAM的最低臨界溶解溫度（LCST）以上，粒子隨溫度的升高而收縮，產(chǎn)生更大的間隙，導(dǎo)致封裝貨物的釋放[圖5（b）]。此外，偶氮苯功能化的聚乙烯醇賦予了微膠囊光響應(yīng)性。在紫外線（UV）照射下，偶氮苯的光異構(gòu)化導(dǎo)致界面上超分子復(fù)合物的解組裝，進(jìn)而觸發(fā)了貨物的釋放[圖5（c）]。

3. 超分子聚合物界面

近年來，聚合物憑借其化學(xué)結(jié)構(gòu)的高度可調(diào)節(jié)性及功能多樣性等優(yōu)點(diǎn)促進(jìn)了聚合物基微膠囊的出現(xiàn)?；陟o電相互作用、氫鍵、堿基對(duì)相互作用或主-客體相互作用驅(qū)動(dòng)的層層（LbL）自組裝技術(shù)已經(jīng)成功構(gòu)筑了聚合物基微膠囊[55-60]。然而，采用典型的LbL方法制備微膠囊通常過程繁瑣且耗時(shí)。Zheng等[61]利用CB[8]介導(dǎo)的主-客體相互作用和微流控裝置，實(shí)現(xiàn)了兩種不同客體分子修飾的聚合物的界面自組裝以及超分子微膠囊的制備。在這一研究中，P1（含甲基紫精的共聚物）和CB[8]溶于水相，P2（含萘酚的共聚物）溶于氯仿，它們可在界面處形成三元超分子復(fù)合物，并通過微流控裝置形成水包油型和油包水型微膠囊[圖6（a）、（b）]。激光共聚焦顯微鏡圖像表明，熒光素標(biāo)記的P1（綠色熒光）和羅丹明B標(biāo)記的P2（紅色熒光）富集在液滴表面，形成微膠囊的外殼[圖6（d）]。此外，當(dāng)使用高度支化的H1取代P2時(shí)，由于H1具有獨(dú)特的3D樹枝狀納米結(jié)構(gòu)，因此所產(chǎn)生的微膠囊外殼可用于包埋親水小分子[圖6（c）]。在紫外線照射下，由于偶氮苯發(fā)生光異構(gòu)化，因此微膠囊的超分子外殼發(fā)生解組裝，可實(shí)現(xiàn)包埋分子的釋放。由于聚合物化學(xué)結(jié)構(gòu)的多樣性，微膠囊殼體厚度、滲透性等參數(shù)可被有效調(diào)控。此外，這一研究為定量研究聚合物在界面上的分子識(shí)別和動(dòng)力學(xué)機(jī)制提供了有力的支持，在化學(xué)和生物領(lǐng)域具有重要意義。

圖4.（a）微流控裝置制備微膠囊的示意圖；（b）微膠囊的激光共聚焦顯微鏡圖像；（c）、（d）封裝有FⅠTC-葡聚糖（上圖）或大腸桿菌細(xì)胞（下圖）的微膠囊的激光共聚焦顯微鏡圖像；（e）微膠囊的光學(xué)顯微鏡圖像；（f）微膠囊的脫水過程示意圖。轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[32]，經(jīng)American Association for the Advancement of Science許可，? 2012。

圖5.（a）CB[8]介導(dǎo)的雙響應(yīng)型微膠囊示意圖；（b）溫控釋放；（c）光控釋放。FC40: flouriner FC-40 (3M, USA)。轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[54]，經(jīng)Royal Society of Chemistry許可，? 2016。

Parker等[62]報(bào)道了另一種構(gòu)筑超分子聚合物微膠囊的方法。在這項(xiàng)研究中，研究人員首先使用微流控裝置制備了油包水液滴，其中連續(xù)相（油相）含有帶電荷的表面活性劑，分散相（水相）含有客體分子修飾的帶電荷聚合物和CB[8] [圖7（a）、（b）]。低濃度的聚合物溶液可以有效防止加入CB后水相的凝膠化[8]。在該體系中，油相中的表面活性劑首先聚集在油-水界面上，使界面帶正電荷或負(fù)電荷。隨后，帶有互補(bǔ)電荷的聚合物由于靜電相互作用被吸附到界面，形成微膠囊的外殼[圖7（c）]。如圖7（d）、（e）所示，當(dāng)水相中含有陰離子聚合物1A(-)時(shí)，隨著油相中帶正電荷的表面活性劑K(+)濃度的增加，越來越多的1A(-)被吸附到界面。然而，當(dāng)油相中僅有帶負(fù)電荷的表面活性劑K(-)時(shí)，1A(-)則會(huì)均勻分布在液滴中，說明聚合物的界面組裝由靜電相互作用驅(qū)動(dòng)。當(dāng)水相中有CB[8]、1A(-)和1B(-)時(shí)，隨著帶正電荷的表面活性劑K(+)濃度的增加，微膠囊的外殼逐漸形成并最終實(shí)現(xiàn)微膠囊的構(gòu)筑[圖7（e）]。此外，當(dāng)水相中有帶不同電荷的聚合物時(shí)，通過選擇表面活性劑的類型可以獲得不同的組裝結(jié)構(gòu)。如圖7（f）所示，當(dāng)1A(-)、1B(-)、2A(+)、2B(+)、CB[8]溶于水相，而電中性表面活性劑溶于油相中時(shí)，無法形成微膠囊的外殼。而將K(+)溶解在油中，可制備以1A(-)-CB[8]-1B(-)為外殼的微膠囊，用K(-)代替K(+)則可以制備以2A(+)-CB[8]-2B(+)為外殼的微膠囊。

圖6.（a）微膠囊制備示意圖；（b）P1、P2和CB[8]的結(jié)構(gòu)；（c）以樹枝狀共聚物H1作為基元制備微膠囊的示意圖；（d）水包油或油包水型微膠囊的激光共聚焦顯微鏡圖像。轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[61]，經(jīng)Springer Nature許可，? 2014。

Yu等[63]采用類似的策略，以油-水界面靜電作用力為驅(qū)動(dòng)，利用CB[8]和蒽的主-客體相互作用制備了一種光刺激響應(yīng)型聚合物微膠囊。通過向該體系添加競爭性的金剛烷胺客體分子，可實(shí)現(xiàn)微膠囊中封裝貨物的控制釋放[圖8（a）～（d）]。此外，在紫外線照射下，嵌入CB[8]的兩個(gè)蒽分子可轉(zhuǎn)化為[4 + 4]-光二聚體。通過調(diào)節(jié)CB[8]內(nèi)蒽的交聯(lián)程度，可以對(duì)微膠囊殼層的滲透性進(jìn)行調(diào)控。如圖8（e）、（f）所示，通過延長紫外線照射時(shí)間可提高蒽的交聯(lián)程度（微膠囊殼層的滲透性下降），進(jìn)而顯著降低封裝物質(zhì)的釋放速率。

圖7.（a）利用微流控裝置制備微膠囊的光學(xué)圖像；（b）微膠囊結(jié)構(gòu)示意圖；（c）微膠囊在干燥后的光學(xué)顯微鏡圖像；（d）聚合物和表面活性劑的結(jié)構(gòu)示意圖；（e）隨著K(+)濃度的增加，含有1A(-)液滴的激光掃描共聚焦顯微鏡圖像（上圖）以及隨著K(+)濃度的增加，含有1A(-)、1B(-)和CB[8]的液滴在蒸發(fā)過程中的光學(xué)顯微鏡圖像（下圖）；（f）使用激光掃描共聚焦顯微鏡（左）和光學(xué)顯微鏡（右），表征接枝了不同熒光分子的聚合物，在微液滴內(nèi)的分布情況，其中水相中溶解有1A(-)、1B(-)、2A(+)、2B(+)、CB[8]，油相中溶解有帶不同電荷的表面活性劑。轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[62]。

聚合物膠束和超分子聚合物也可以在靜電作用驅(qū)動(dòng)下被吸附到油-水界面，并通過CB[8]介導(dǎo)的主-客體相互作用形成微膠囊殼層[64,65]。Yu等[64]通過利用兩親性嵌段共聚物自組裝形成的聚合物膠束制備了微膠囊[圖9（a）]。這一微膠囊具有雙重負(fù)載的能力：一方面，在水中形成膠束時(shí)，疏水物質(zhì)（尼羅紅，紅色熒光）可被封裝于膠束內(nèi)部；另一方面，膠束在自組裝形成微膠囊的過程中，水溶性物質(zhì)（FⅠTC-葡聚糖，綠色熒光）可被封裝于微膠囊內(nèi)部[圖9（b）～（d）]，從而實(shí)現(xiàn)多重刺激下疏水物質(zhì)和親水物質(zhì)的選擇性釋放。

圖8.（a）微膠囊制備示意圖（Ant-HEC：蒽官能化的羥乙基纖維素）；（b）微膠囊干燥過程中的光學(xué)顯微鏡圖像；加入競爭性客體分子后微膠囊的光學(xué)顯微鏡圖像（c）和熒光顯微鏡圖像（d）；（e）界面組裝體在加入金剛烷胺之后的解組裝示意圖以及蒽基在CB[8]空腔中的光二聚反應(yīng)示意圖；（f）不同紫外線照射時(shí)間下封裝物質(zhì)的釋放速率。轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[63]，經(jīng)Royal Society of Chemistry許可，? 2015。

圖9.（a）具有多層級(jí)結(jié)構(gòu)的超分子微膠囊示意圖；（b）微膠囊對(duì)于疏水性尼羅紅和親水性FⅠTC-葡聚糖的雙重負(fù)載能力；微膠囊在去水化后的光學(xué)顯微鏡圖像（c）和再水化后的激光共聚焦顯微鏡圖像（d）。轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[64]。

Groombridge等[65]基于超分子聚合物的油-水界面組裝制備了一種動(dòng)態(tài)響應(yīng)型微膠囊。當(dāng)油相中溶解有帶負(fù)電荷的表面活性劑時(shí)，利用微流控裝置，可將帶正電荷的超分子聚合物吸附于界面形成界面凝膠[圖10（a）～（d）]。通過對(duì)懸掛的液滴進(jìn)行回吸，發(fā)現(xiàn)液滴表面在很短的時(shí)間（約2 s）內(nèi)出現(xiàn)褶皺現(xiàn)象，說明界面處發(fā)生了超分子凝膠轉(zhuǎn)變[圖10（e）]。由于超分子凝膠的自調(diào)節(jié)性，褶皺界面在1 min內(nèi)恢復(fù)到光滑的狀態(tài)。此外，加入金剛烷胺鹽酸鹽作為競爭性客體分子后，超分子聚合物被破壞，回吸液滴時(shí)無法觀察到褶皺現(xiàn)象。此外，Salmon等[66]同樣證實(shí)界面上的相變（凝膠化）是在液滴體積收縮條件下發(fā)生的，從而導(dǎo)致褶皺的產(chǎn)生。隨液滴體積的減少，界面膜的密度和厚度不斷增加，最終達(dá)到臨界值。

圖案化微陣列為自組裝提供了一個(gè)重要平臺(tái)[67,68]。Zhang等[69]制備了一種可用于遞送和傳感的圖案化微膠囊陣列。在這項(xiàng)工作中，含有CB[8]的高度支化聚輪烷（HBP-CB[8]）和萘酚功能化的羥乙基纖維素（HEC-Np）首先通過主-客體相互作用在附著于基底的液滴陣列中形成帶正電荷的超分子復(fù)合物，當(dāng)使用帶負(fù)電荷的表面活性劑的油相對(duì)液滴進(jìn)行覆蓋時(shí)，水相中的超分子復(fù)合物受到靜電吸引，運(yùn)動(dòng)至油-水界面并形成微膠囊外殼[圖11（a）～（c）]。研究表明，由高度支化的HBP-CB[8]形成的微膠囊陣列，在外部刺激下表現(xiàn)出良好的緩釋效果[圖11（d）]。此外，當(dāng)微膠囊陣列的襯底附著Au NP時(shí)，微膠囊基質(zhì)材料及其所負(fù)載物質(zhì)的拉曼特征峰信號(hào)均得到了增強(qiáng)。

圖10.（a）超分子聚合物的制備示意圖；（b）基于超分子聚合物構(gòu)筑界面凝膠示意圖；（c）利用微流控裝置制備微膠囊示意圖；（d）微膠囊在干燥過程中的光學(xué)顯微鏡圖像；（e）液滴在收縮過程中的形態(tài)演變。轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[65]，經(jīng)Royal Society of Chemistry許可， ? 2017。

4. 超分子阻塞膠體界面

界面阻塞是由于液-液界面上膠體粒子密度的增加而引起的，粒子間的自由體積減小，抑制了粒子在界面的自由運(yùn)動(dòng)[26]。界面粒子從一種類似于流體的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃朴诠腆w的狀態(tài)，使組裝體變得具有剛性，抑制了界面張力驅(qū)動(dòng)的兩相系統(tǒng)的形態(tài)變化，為液體的塑形或結(jié)構(gòu)化提供了可能[70-74]。近年來，利用NP與聚合物配體在油-水界面協(xié)同組裝構(gòu)建NP表面活性劑（nanoparticle surfactant, NPS）的策略，為結(jié)構(gòu)化液體的構(gòu)筑提供了一種簡單易行的方法，在藥物封裝、遞送和全液相微流控等領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景[24,75-81]。然而，現(xiàn)階段NPS主要基于靜電相互作用構(gòu)建，刺激響應(yīng)性較為單一（僅有pH、離子強(qiáng)度和溫度響應(yīng)性）。

最近，Sun等[33]報(bào)道了一種基于主-客體化學(xué)的新型光響應(yīng)型NPS，實(shí)現(xiàn)了光響應(yīng)型結(jié)構(gòu)化液體的構(gòu)筑。在這項(xiàng)工作中，分散在水中的α-CD修飾的Au NP與溶解在油相中的偶氮苯封端的聚苯乙烯（Azo-PS）或偶氮苯封端的聚丙交酯（Azo-PLLA），通過主-客體作用在界面處形成NPS [圖12（a）]。研究發(fā)現(xiàn)，兩種高分子配體均可通過主-客體作用與Au NP進(jìn)行協(xié)同組裝，并在油-水界面原位形成NPS。但基于Azo-PS構(gòu)建的NPS界面活性較低，主-客體作用的觸發(fā)僅取決于主體NP和客體高分子配體在界面的無規(guī)碰撞。另外，由于Azo-PLLA與水分子和α-CD之間可形成氫鍵，其本身表現(xiàn)出一定的界面活性，可將Au NP吸附至界面附近，有效增強(qiáng)了主體NP和客體高分子配體之間的碰撞概率，進(jìn)而誘導(dǎo)主-客體作用的快速觸發(fā)[圖12（b）]。通過構(gòu)筑褶皺液滴（NPS在界面處于阻塞狀態(tài)），研究人員系統(tǒng)研究了NPS和宏觀液滴的光響應(yīng)行為。如圖12（c）、（d）所示，在可見光照射下，trans-Azo-PLLA與α-CD發(fā)生主-客體作用，構(gòu)建的NPS可穩(wěn)固吸附于界面，并賦予Au-NP足夠的結(jié)合能以抵抗兩相界面在縮減過程中產(chǎn)生的擠壓應(yīng)力，使褶皺液滴在長時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定形態(tài)；在紫外線照射下，trans-Azo-PLLA發(fā)生順反異構(gòu)，形成的cis-Azo-PLLA從α-CD的空腔中脫落，Au NP在界面的結(jié)合能隨之下降，部分Au NP從界面脫附，液滴發(fā)生松弛，表面的褶皺逐漸消失。此外，通過構(gòu)筑形貌更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)化液體，這種光響應(yīng)行為依然可以實(shí)現(xiàn)[圖12（e）]。

圖11.（a）圖案化微膠囊陣列的制備示意圖；（b）HBP-CB[8]、HEC-Np、CB[8]和帶負(fù)電荷的表面活性劑的結(jié)構(gòu)示意圖；（c）微膠囊陣列的光學(xué)圖像和熒光圖像；（d）微膠囊陣列的控制釋放性能。轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[69]。

圖12.（a）光響應(yīng)型NPS的形成示意圖；（b）不同高分子配體和Au NP的界面組裝動(dòng)力學(xué)研究；（c）～（e）光響應(yīng)型結(jié)構(gòu)化液體。α-CD-SH：巰基功能化的α-環(huán)糊精。轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[33]，經(jīng)American Chemical Society許可，? 2020。

5. 結(jié)論與展望

本文總結(jié)了近年來基于液-液界面的主-客體分子識(shí)別的研究進(jìn)展，概述了各種超分子界面（包括膠體界面和聚合物界面）的自組裝策略，并重點(diǎn)介紹了其在藥物封裝和遞送等方面的應(yīng)用。簡而言之，主-客體分子識(shí)別為構(gòu)筑具有多重刺激響應(yīng)性、不同尺寸和形狀的智能超分子界面系統(tǒng)提供了重要方法。

目前，對(duì)于液-液界面主-客體分子識(shí)別的研究還十分有限，制備具有明確結(jié)構(gòu)、滲透性和機(jī)械強(qiáng)度的超分子界面體系仍然面臨挑戰(zhàn)。例如，采用Pickering乳液或微流控技術(shù)制備的超分子微膠囊的尺寸通常較大，一定程度限制了藥物的遞送效率，制備更小尺寸（如納米級(jí)）的微膠囊有望解決這一問題；除了油-水體系，雙水相系統(tǒng)（aqueous two phase system, ATPS）由于較低的界面張力和良好的生物相容性，在生物、化妝品和食品等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，而將主-客體分子識(shí)別應(yīng)用于雙水相體系則能進(jìn)一步拓寬ATPS的應(yīng)用范圍。此外，基于膠體粒子的界面阻塞和主-客體化學(xué)，利用全液相3D打印或全液相模塑成型等方法可構(gòu)筑具有多重刺激響應(yīng)性的復(fù)雜流體器件?？傊?，這些研究在制備下一代功能型軟物質(zhì)材料方面有著十分重要的意義。

致謝

本研究得到了國家自然科學(xué)基金（51903011）的支持。Thomas P. Russell獲得了美國能源部的支持。

Compliance with ethics guidelines

Beibei Wang, Hao Chen, Tan Liu, Shaowei Shi, and Thomas P. Russell declare that they have no conflict of interest or financial conflicts to disclose.