分子識別型智能微囊的制備及其控制釋放特性

楊超，謝銳，巨曉潔，汪偉，褚良銀

（四川大學(xué)化工學(xué)院，四川 成都 610065）

智能微囊，又稱為刺激響應(yīng)微囊，按響應(yīng)的刺激因素不同可分為溫度響應(yīng)型智能微囊[1-3]、pH 響應(yīng)型智能微囊[4-6]、磁場響應(yīng)型智能微囊[7-8]、電場響應(yīng)型智能微囊[9]、光響應(yīng)型智能微囊[10-11]和分子識別型智能微囊[12-13]等。其中，分子識別型智能微囊能與特定的客體分子包結(jié)并發(fā)生構(gòu)象變化，實現(xiàn)內(nèi)部包埋物質(zhì)的控制釋放。相對于其他智能微囊，分子識別型智能微囊具有特異性強的優(yōu)點。

目前，已有一些分子識別型智能微囊的研究報道。這些微囊可以分為基于溫度響應(yīng)型聚（N-異丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）和冠醚的識別金屬離子的分子識別型智能微囊、基于PNIPAM 和苯硼酸的識別葡萄糖的分子識別型智能微囊兩類。Chu 等[14]將苯并18-冠-6 與PNIPAM 的共聚線性高分子接枝到多孔微囊膜的膜孔中，得到識別Ba2+離子后“關(guān)閉”膜孔的分子識別型智能微囊。Liu 等[15]采用微流控乳液合成法將PNIPAM 與苯并15-冠-5 共聚，得到的智能微囊識別K+離子后可突釋內(nèi)部油核。Zhang 等[16]采用微流控乳液合成法制備出苯硼酸與PNIPAM 的共聚微囊，微囊能識別葡萄糖分子釋放出囊內(nèi)包覆的胰島素。然而，目前報道的分子識別型智能微囊僅能識別金屬離子或葡萄糖等少數(shù)客體分子，使得分子識別智能微囊的適用范圍較窄。眾所周知，芳環(huán)分子是一類含有苯環(huán)的化合物，其用途十分廣泛，常用于如農(nóng)藥生產(chǎn)、塑料合成等領(lǐng)域。但是，許多芳環(huán)分子對人體和環(huán)境有害[17-20]，因此，設(shè)計和開發(fā)識別芳環(huán)分子且能控制釋放的智能微囊具有重要的意義。

β-環(huán)糊精是一種能識別芳環(huán)分子的分子識別主體分子，本工作將其與溫度響應(yīng)型PNIPAM 結(jié)合，采用微流控乳液合成和縮合反應(yīng)來制備能識別芳環(huán)分子的智能微囊，并考察了微囊等溫收縮控制釋放特性。制備的分子識別微囊有望用于環(huán)境中芳環(huán)分子的檢測，因此在環(huán)境監(jiān)測和治理等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。同時，研究結(jié)果為制備單分散分子識別型智能微囊及研究其控制釋放特性提供了有價值的理論指導(dǎo)和實驗基礎(chǔ)。

1 實驗部分

1.1 實驗材料及試劑

N-異丙基丙烯酰胺（NIPAM）購自梯希愛（上海）化成工業(yè)發(fā)展有限公司。氨基化β-環(huán)糊精（ECD）依照文獻[21-22]中的方法合成。模型客體分子8-苯胺-1-萘磺酸銨鹽（ANS）和模型藥物分子異硫氰酸熒光素標(biāo)記葡聚糖（FITC-dextran，MW=4000）均購自Sigma-Aldrich 公司。其他試劑包括丙烯酸（AA）、1-乙基-（3-二甲基氨基丙基）碳酰二亞胺鹽酸鹽（EDC）和異丙醇均為分析純。實驗所用純水產(chǎn)自Millipore 純水系統(tǒng)。

1.2 實驗儀器

實驗中用到的主要儀器有帶熱臺（STC200，美國INSTEC 公司）的工業(yè)顯微鏡（BX61，日本OLYMPUS 公司）和激光共聚焦顯微鏡（SP5-II，德國Leica 公司）。

1.3 分子識別型智能微囊的制備

采用微流控乳化制備油包水包油（O/W/O）復(fù)乳、紫外光照引發(fā)復(fù)乳水相中的單體聚合得到聚（N-異丙基丙烯酰胺-共聚-丙烯酸）微囊。參考文獻[23-25]報道的反應(yīng)原理，將氨基化β-環(huán)糊精與微囊中羧基脫水縮合得到聚（N-異丙基丙烯酰胺-共聚-丙烯酸/氨基化β-環(huán)糊精）（PNA-ECD）微囊。

1.4 分子識別型智能微囊的表征

1.4.1 微囊的形貌表征

采用顯微鏡來觀察復(fù)乳和PNA-ECD 微囊的形貌，它們的粒徑由粒徑分析軟件測量。偏差系數(shù)（coefficient of variation，CV）用于衡量復(fù)乳、PNA-ECD 微囊的單分散性，其計算方法見文獻[16]。若CV＜5%，說明樣品具有良好的單分散性。

1.4.2 微囊的分子識別特性

通過測量PNA-ECD 微囊在不同濃度的ANS 溶液中溫度響應(yīng)曲線來考察微囊的分子識別特性。首先，將PNA-ECD 微囊在20℃、待測濃度的ANS溶液中浸泡12h。然后升高溶液的溫度，記錄微囊在ANS 溶液中不同溫度下的直徑變化。微囊在每個測試溫度下至少保持20min 使其達到體積變化平衡后，再記錄其直徑。溫度變化范圍為20～48℃，ANS濃度范圍為0～2.0mmol/L。微囊在ANS 溶液中的體積相轉(zhuǎn)變溫度（VPTT）定義為微囊直徑最大值與最小值的一半所對應(yīng)的溫度。

1.4.3 微囊的等溫控制釋放實驗

將一定數(shù)量的PNA-ECD 微囊浸泡在4℃的FITC-dextran 溶液（0.4g/L)中3 天，以得到內(nèi)部包覆熒光藥物分子的待測微囊。實驗開始前先將微囊外部的熒光物質(zhì)洗凈，然后將其置于32℃純水中并開始計時，20min 后迅速將微囊周圍的純水換為同體積同溫度的ANS 溶液（2.0mmol/L）。整個過程用激光共聚焦顯微鏡來觀察和記錄。通過測量微囊的熒光強度隨時間的變化，以及相應(yīng)的直徑變化來研究PNA-ECD 微囊的等溫控制釋放特性。

圖1 O/W/O 復(fù)乳和PNA-ECD 微囊在異丙醇中的光學(xué)圖片

2 結(jié)果與討論

2.1 PNA-ECD 微囊的形貌

由圖1 可知，O/W/O 復(fù)乳和PNA-ECD 微囊尺寸均一且具有明顯的核殼型結(jié)構(gòu)。復(fù)乳和PNA-ECD微囊的平均直徑分別為347 μm 和470 μm，CV 值分別為0.57%和2.98%。與復(fù)乳相比，PNA-ECD 微囊的直徑較大，這是由于主體分子β-環(huán)糊精的引入和微囊在異丙醇中溶脹造成的。研究結(jié)果表明得到的PNA-ECD 微囊具有明顯的核殼結(jié)構(gòu)和良好的單分散性。

2.2 PNA-ECD 微囊的分子識別特性

圖2 溫度、ANS 濃度對 PNA-ECD 微囊直徑的影響

圖2(a)為PNA-ECD 微囊在不同ANS 溶液中的直徑隨溫度的變化。無論在純水還是在ANS 溶液中，微囊的直徑在VPTT 附近均迅速減小，而在低于或高于VPTT 時分別保持溶脹或收縮的狀態(tài)。并且，隨著ANS 溶液濃度的升高，PNA-ECD 微囊的VPTT 往低溫遷移。由圖2(b)可知，PNA-ECD 微囊的VPTT 隨ANS 溶液濃度的升高而線性降低。PNA-ECD 微囊在純水中的VPTT 為33.6℃，而在2.0mmol/L 的ANS 溶液中降低到29.5℃。這是由于PNA-ECD 微囊上的β-環(huán)糊精分子與客體分子ANS形成絡(luò)合物時，ANS 分子中萘環(huán)進入β-環(huán)糊精空腔 而將苯環(huán)留在空腔之外，導(dǎo)致微囊的疏水性增加，因此PNA-ECD 微囊的VPTT 往低溫遷移（圖3）。圖2(c)顯示了PNA-ECD 微囊在ANS 溶液中與純水中的直徑比rANS/W隨溫度和ANS 濃度的變化。隨著溫度的升高，PNA-ECD 微囊的直徑比rANS/W在某一溫度附近出現(xiàn)最小值，且該最小值隨著ANS 濃度的增加而減小。在考察的溫度和ANS 濃度范圍內(nèi)，當(dāng)溫度為32℃、ANS 溶液濃度為2.0mmol/L 時，PNA-ECD 微囊的直徑比rANS/W達到最小值0.7。直徑比rANS/W的最小值表示在32℃時PNA-ECD 微囊在2.0mmol/L ANS 溶液中與相同溫度下水中的相比，收縮率最大。而當(dāng)環(huán)境溫度（T1）處于PNA-ECD微囊在水中的VPTT1和ANS 溶液中的VPTT2之間時，PNA-ECD 微囊在識別ANS 之后將會等溫收縮，從而釋放出內(nèi)載藥物（如圖3 所示）。為了讓PNA-ECD 微囊在控制釋放過程中產(chǎn)生最大的收縮率，從而徹底地釋放內(nèi)載藥物，采用32℃為環(huán)境溫度、2.0mmol/L 為ANS 濃度來考察微囊的控制釋放特性。

圖3 分子識別型智能微囊等溫收縮控制釋放的原理及控制釋放行為

2.3 PNA-ECD 微囊的等溫收縮控制釋放特性

圖4 為內(nèi)載熒光模型藥物的PNA-ECD 微囊在32℃時分子識別等溫收縮的控制釋放過程。在考察的20min 內(nèi)，PNA-ECD 微囊在32℃純水中直徑保持不變，微囊熒光強度也幾乎保持不變。當(dāng)周圍的溶液替換成2.0mmol/L 的ANS 溶液后，微囊迅速發(fā)生等溫收縮，微囊熒光強度也隨之下降。如圖3(a)所示，當(dāng)PNA-ECD 微囊識別ANS 分子后，ANS分子的苯環(huán)留在β-環(huán)糊精空腔外部導(dǎo)致微囊疏水性增加，PNA-ECD 微囊的VPTT 從純水中的VPTT1= 33.6℃向低溫遷移到2.0mmol/L ANS 中的VPTT2= 29.5℃。如圖2(a)所示，PNA-ECD 微囊在溫度低于或高于VPTT 時分別保持溶脹或收縮的狀態(tài)。因此，當(dāng)環(huán)境溫度為32℃（VPTT2< T1= 32℃ < VPTT1）時，PNA-ECD 微囊在純水中處于溶脹狀態(tài)（T1= 32℃ < VPTT1），而在2.0mmol/L ANS 中處于收縮狀態(tài)（T1= 32℃ > VPTT2）。于是，在32℃的環(huán)境溫度下加入2.0mmol/L ANS 后，PNA-ECD 微囊會識別ANS 而由溶脹變?yōu)槭湛s。由于液體的不可壓縮性，微囊內(nèi)部溶解有熒光藥物分子的溶液被收縮的微囊擠壓釋放到微囊外部[如圖3(b)所示]，因此微囊的熒光強度顯著下降。ANS 溶液中，PNA-ECD微囊在16min 內(nèi)達到收縮平衡，此時微囊內(nèi)部藥物釋放也基本完成。

圖5 定量地表示PNA-ECD 微囊在等溫收縮過程中的熒光強度和直徑比rt/0（直徑比rt/0為任意時刻的微囊直徑與初始時刻的之比）隨時間的變化。在純水中，PNA-ECD 微囊處于溶脹狀態(tài)且粒徑保持不變，僅有7% FITC-dextran 分子在濃差的作用下透過囊壁的凝膠網(wǎng)絡(luò)擴散到微囊外部。而當(dāng)加入ANS 溶液（2.0mmol/L），PNA-ECD 微囊迅速地等溫收縮，直徑比rt/0為0.83。由于內(nèi)部液體的不可壓縮性，16min 后，約有70%的FITC-dextran 分子釋放到微囊外部。PNA-ECD 微囊識別ANS 模型客體分子發(fā)生等溫收縮控制釋放的機理如前所述，這里不再贅述。實驗結(jié)果表明，制備的PNA-ECD 微囊在識別芳環(huán)分子ANS 后能實現(xiàn)對內(nèi)載藥物的等溫收縮控制釋放，在32℃和2.0mmol/L 的條件下微囊的等溫收縮控制釋放效果顯著。

圖4 32℃時PNA-ECD 微囊分子識別等溫收縮控制釋放的熒光圖片

圖5 32℃時PNA-ECD 微囊的分子識別等溫收縮控制釋放行為

3 結(jié) 論

采用微流控乳液合成和縮合反應(yīng)成功地制備了基于PNIPAM 和β-環(huán)糊精的分子識別型智能微囊。得到的PNA-ECD 微囊具有明顯的核殼型結(jié)構(gòu)和良好的單分散性，平均直徑為470μm，CV 值為2.98%。PNA-ECD 微囊識別ANS 分子后，VPTT向低溫遷移，VPTT 值由純水中的33.6℃降低到在2.0mmol/L ANS 溶液中的29.5℃。PNA-ECD 微囊在識別芳環(huán)分子ANS 后能實現(xiàn)對內(nèi)載藥物的等溫收縮控制釋放。32℃時，微囊內(nèi)部的FITC-dextran在純水中無明顯釋放，而在加入2.0mmol/L ANS溶液16min 后，微囊中約70%的FITC-dextran 釋放到微囊外部。

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