功能型微泡材料的研究進展

聶新斌，張德浩，顏偉城

（江蘇大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013）

引 言

中空結(jié)構(gòu)材料因其特殊的結(jié)構(gòu)而具有良好的反射回波性能。微泡(直徑在微米尺度的氣泡)是一種典型的中空結(jié)構(gòu)的材料，具有尺寸小、易功能化改性的特點，其制備方法多種多樣，可被用作增強醫(yī)學(xué)造影成像的輔助材料(超聲造影劑)[1-4]。目前傳統(tǒng)的制備方法主要有超聲空化法、吸附法、機械法和冷凍干燥法等[5-6]。傳統(tǒng)方法的局限性較大，微泡形成過程的不可控使得所制備的微泡尺寸分布范圍較寬，限制了其應(yīng)用。為了解決這一局限，近年來一些制備微泡的新型技術(shù)也相繼出現(xiàn)。例如，微流體技術(shù)法[7-10]、電流體動力技術(shù)法[11-13]等。當(dāng)前關(guān)于微泡的研究主要聚焦于實現(xiàn)微泡力學(xué)性能、強度和壽命的提高以及個性化功能的設(shè)計[14-15]。此外，多領(lǐng)域的研究應(yīng)用(例如，藥物控釋[16]、食品行業(yè)[17]、水處理[18]、養(yǎng)殖工業(yè)[19]等)進一步提高了其研究價值。從良好的制備工藝到可控的形貌尺寸，從單一的功能特性到多功能的設(shè)計，微泡逐漸成為了一種基礎(chǔ)的功能型載體材料。

關(guān)于微泡材料功能化的研究可簡單地概述為兩方面：一方面是微泡本身穩(wěn)定性的研究；另一方面是具有特定功能的微泡設(shè)計。研究者通過建立相應(yīng)的數(shù)值模型從理論上探討了微泡的穩(wěn)定機制，為微泡材料的穩(wěn)定性優(yōu)化提供了可行的解決方案。具有特定功能微泡的研究主要集中在功能型物質(zhì)(如納米顆粒、藥物分子、基因等)的引入和負載。例如，納米顆粒的諸多性能[20]使得改性后的微泡展現(xiàn)出多樣化功能(例如靶向功能、存活時間提升等)。這些功能化物質(zhì)的引入使得微泡材料從單一載體進一步發(fā)展到具有特定功能的微泡材料(如靶向藥物載體)[21]。一方面，納米顆粒的引入可提高微泡的穩(wěn)定性和存活壽命[22-23]；另一方面，經(jīng)過納米顆粒改性的微泡在靶向功能和成像能力方面均有所提升[24-25]。這種一石二鳥的研究策略吸引了眾多研究者的關(guān)注，因此，以微泡材料為載體，納米顆粒等功能化物質(zhì)為熱點的研究體系成為了微泡材料應(yīng)用研究領(lǐng)域的一大特色。而功能化研究的深入，也使得微泡從單一的成像助劑材料朝著具有高附加值的功能型載體發(fā)展。

本文圍繞功能型微泡材料的研究進展，首先介紹了微泡材料的相關(guān)基礎(chǔ)概念和一些制備方法，隨后對微泡功能化改性研究進行了綜述，最后論述了微泡材料的相關(guān)應(yīng)用以及未來發(fā)展的趨勢；歸納整理了目前有關(guān)微泡材料功能化研究的現(xiàn)狀和需要關(guān)注的焦點問題，以期指導(dǎo)后續(xù)有關(guān)微泡材料的研究設(shè)計和功能化改性。

1 微泡的基本結(jié)構(gòu)與材質(zhì)

從微泡結(jié)構(gòu)出發(fā)，可將微泡材料簡單歸類為三種：第一種是氣體在液相中分散，形成無殼膜包裹型微泡，如圖1(a)所示。通過控制氣體的種類，可形成含有不同氣核的微泡材料，這也是提升微泡材料穩(wěn)定性的重要手段之一。第二種是有殼膜包裹型微泡，如圖1(b)所示，選用不同的殼膜材料可制得具有不同功能的微泡(例如，脂質(zhì)體微泡可用于親水型藥物的封裝)。第三種是功能物質(zhì)引入型微泡，如圖1(c)所示，根據(jù)功能物質(zhì)引入方式的不同可分為外膜附著型、內(nèi)膜附著型和殼膜嵌入型三種。除了結(jié)構(gòu)的不同，根據(jù)微泡殼膜物質(zhì)的不同可將微泡材料分為蛋白質(zhì)類微泡、表面活性劑類微泡、脂質(zhì)類微泡、聚合物類微泡以及聚電解質(zhì)類微泡等[1]。不同殼膜的微泡，其性能也是大不相同(如表1所示)，通過不同殼膜材料的優(yōu)化，功能型物質(zhì)(如納米顆粒、藥物分子、DNA、siRNA等生物大分子等)的引入可進一步拓寬微泡材料的應(yīng)用發(fā)展[26-27]。

表1 不同殼層材質(zhì)微泡的比較［1］Table 1 Comparison of microbubbles in different shell materials［1］

圖1 微泡的基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of microbubbles

2 微泡的制備方法

2.1 傳統(tǒng)的制備方法

制備微泡的方法隨著研究的深入也逐漸更新?lián)Q代，傳統(tǒng)的制備方法主要有超聲空化法、吸附法、機械法和冷凍干燥法等。超聲空化法制備微泡主要是對某些低濃度且具有一定黏度的溶液進行超過空化閾值強度的超聲處理，這樣液體中會形成許多瞬時負壓氣核，從而產(chǎn)生微泡[5,15]。然而，采用超聲空化法制備微泡的聲振過程中會產(chǎn)生大量的熱[28]，這種高密度的熱量對于制備藥物負載型微泡是極為不利的。吸附法一般用于糖類材料的微泡制備，王巍等[5]指出，吸附法制備微泡的基本原理在于：任何氣體飽和的液體中氣泡首先在液體中的一些固體表面形成(如容器表面，分散在液體中固體粉末位點等)。相較于前述兩種微泡制備方法，采用機械振蕩的制備工藝相對簡單，且更容易控制，所制得的微泡也更穩(wěn)定，工藝重現(xiàn)性更好。譚開彬等[29]通過改裝機械振蕩儀-膠囊式調(diào)合器，采用機械振蕩的方法來大批量制備微泡。盡管機械法更加適合規(guī)?；a(chǎn)，但是對于精準調(diào)控微泡尺寸和控制其尺寸分布而言，機械法就顯得捉襟見肘。

冷凍干燥法作為一種輔助性工藝手段，在制備微泡時實際上是與其他制備方法結(jié)合起來的，對已制備好的微泡材料進一步通過冷凍干燥處理，與未經(jīng)過冷凍干燥的微泡材料相比，經(jīng)過冷凍干燥處理的微泡材料性能更優(yōu)越。Cho等[30]結(jié)合超聲法和冷凍干燥的方法制備了脂質(zhì)/表面活性劑混合的微泡材料，研究發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過冷凍干燥處理的樣品中微泡數(shù)量更多，處理后微泡的表面張力明顯優(yōu)于未經(jīng)冷凍干燥處理的微泡。此外，Bjerknes等[31]利用高聚合物和牛血清蛋白經(jīng)過有機相析出，再通過冷凍干燥處理得到尺寸分布范圍較窄的微泡。

這些傳統(tǒng)的制備工藝在經(jīng)濟性和應(yīng)用的廣泛性方面展現(xiàn)出了一定的優(yōu)勢，但是隨著研究的深入，技術(shù)要求和材料要求的不斷提高使得這些傳統(tǒng)的制備方法表現(xiàn)出了較大的局限。因此，尋求新型的制備工藝成為了微泡研究領(lǐng)域的重要分支。目前有關(guān)微泡制備的新型技術(shù)主要有兩種：微流體技術(shù)和電流體動力技術(shù)，這兩種技術(shù)為精準調(diào)控微泡形成過程和功能化設(shè)計提供了新方向。

2.2 微流體技術(shù)法

自1992年Manz等[32]報道了有關(guān)微型分析系統(tǒng)的概念以來，芯片集成化的微通道技術(shù)不斷發(fā)展，至今微流體技術(shù)已經(jīng)成為了一門全新的工藝技術(shù)，在材料合成、藥物封裝、多孔納米材料、金屬有機框架(MOF)等微納米材料的高效合成中應(yīng)用廣泛。微流體技術(shù)制備微泡是利用一個微小孔道(圖2)，通過外部的注射裝置(注射泵)將液相材料和氣相物質(zhì)注入微通道中(一般為T型結(jié)構(gòu))，這樣可制得尺寸均勻的氣泡(圖3)，且制得的微氣泡大多呈單分散分布。微流體技術(shù)法制備微泡材料的關(guān)鍵在于特定尺寸微通道芯片的制作以及微通道內(nèi)部流體傳輸?shù)姆绞?。一般選用被動傳輸，即在微通道進口處連接上一個注射泵，通過外力的推動來讓流體通過微通道，最后由收集口處收集所制備的微泡。Wan等[33]利用流聚式和T型結(jié)式的兩種微通道制備油水乳劑型微泡材料，研究指出可通過控制流體幾何形狀來控制微泡的大小以及殼膜的厚度。Xu等[35]在微流體裝置中采用橫向流動斷裂技術(shù)制備單分散的微泡，所制得的微泡分散指數(shù)為2%，有效地降低了奧斯特瓦爾德熟化效應(yīng)。Yasuno等[34]以十二烷基硫酸鈉(SDS)和脫水山梨糖醇單月桂酸酯(Tween 20)為主要的表面活性劑，以牛血清蛋白(BSA)為主要的微泡殼膜材料，采用微流體技術(shù)制備出了尺寸分布在33.6～51.1μm范圍內(nèi)的微泡。此外，一些復(fù)合式的制備工藝在連續(xù)生產(chǎn)微泡方面展現(xiàn)出相對優(yōu)勢，如Chen等[23]提出了一種結(jié)合微流體技術(shù)和超聲過程的方法(圖4)，可通過參數(shù)的改變來控制微泡尺寸，為微泡的生產(chǎn)提供了極大的便利。這種復(fù)合式的創(chuàng)新思路也進一步推動著微泡制備工藝朝著更加簡易化、智能化的方向發(fā)展[36]。值得注意的是，微流體技術(shù)雖然是一種制備單分散微泡的理想方法，操作簡單，工藝過程可控，但是其設(shè)備精度要求高，同時存在微通道容易被堵塞的問題。

圖2 油水乳劑型微泡的實驗裝置。在聚焦流動的T型結(jié)微流體設(shè)備(FFT)中封裝微泡的水滴的實驗圖像（比例尺：200 mm)[(a),(b)]。在雙流聚焦微流體設(shè)備(DFF)中封裝微泡的水滴的實驗圖像（比例尺：150 mm）[(c),(d)]。整個實驗過程中水相中含有質(zhì)量分數(shù)為2%的十二烷基硫酸鈉(SDS)[33]Fig.2 Experimental setups used to generate gas-in-water-in-oil emulsions.Illustration(a)and experimental(b)image of water droplet encapsulating microbubbles in a flow-focusing then T-junction microfluidic device(FFT).Scale bar:200 mm.Illustration(c)and experimental(d)image of water droplet encapsulating microbubbles in a double flow-focusing microfluidic device(DFF).Scale bar:150 mm.There is 2%(mass)SDSin the water phase for all experiments[33]

圖3 采用微流體技術(shù)在不同連續(xù)相下形成的單分散微泡圖[34]Fig.3 Images of monodispersed microbubbles formed using microfluid under different continuous phases[34]

圖4 超聲-微流體技術(shù)制備微泡[23]Fig.4 Sonication-microfluidics for microbubbles fabrication[23]

2.3 電流體動力技術(shù)法

電流體動力技術(shù)[37-39]也稱為電噴技術(shù)，隨著研究者對同軸噴嘴針頭研究的推進[38,40-41]。利用該技術(shù)進行微泡制備成為了可能?；趥鹘y(tǒng)的電噴設(shè)備，將噴嘴改換成同軸針，便可形成制備殼核結(jié)構(gòu)液滴的簡易裝置(圖5)。其核心器件主要包括內(nèi)核材料、外殼材料的注射泵(圖5中pump1、pump2),高壓電源發(fā)生裝置,同軸針噴嘴和接地收集臺。利用該裝置制備微泡材料時只需要將內(nèi)核材料置換為氣體，外殼材料置換為微泡殼膜材料。通過調(diào)節(jié)氣體和液體注射的速率、操作電場強度、同軸針內(nèi)徑和外徑的大小可控制氣泡的形成速率和尺寸大小。2007年，F(xiàn)arook等[37,42]首次報道了利用電流體動力技術(shù)進行微泡制備的方法，因為所用噴嘴是同軸針，因此也稱之為同軸針電流體動力技術(shù)(CEHDA)。采用該方法，F(xiàn)arook等成功地制備出了甘油-空氣體系的微泡。同時，F(xiàn)arook等通過與微流體技術(shù)法對比指出：微流體技術(shù)法制備微泡對于微泡尺寸控制的關(guān)鍵在于微通道的大小，而電流體動力技術(shù)法的核心在于噴嘴孔徑的大小和操作過程中電壓的高低。相比于微流體技術(shù)，電流體動力技術(shù)法從生產(chǎn)規(guī)模上提升了幾個數(shù)量級。此外，通過控制電壓的大小，氣液兩相物質(zhì)注射通量的大小以及制備材料導(dǎo)電性的改善都可從不同程度上提高電流體技術(shù)制備微泡的穩(wěn)定性[14,43]。另外，由于對不同的微泡材料而言，其最優(yōu)的操作條件千差萬別，因而，利用同軸針電流體動力技術(shù)進行微泡制備的主要研究興趣也逐漸變?yōu)閷Σ煌馁|(zhì)微泡最優(yōu)操作條件的研究[14,43]。

圖5 CEHDA工藝生產(chǎn)均勻核-殼結(jié)構(gòu)材料裝置示意圖。區(qū)域A代表同軸噴嘴和收集器。區(qū)域B代表噴嘴尖端附近的區(qū)域。同軸噴嘴由具有不同的內(nèi)徑和外徑的核層和殼層毛細管組成，尺寸以毫米為單位[40]Fig.5 CEHDA processfor producing uniformcomposite core-shell structured.Domain A consists of the coaxial nozzle and the collector.Domain Bconsists of the region near the nozzle tip.The coaxial nozzle consists of core and shell capillaries with inner and outer diameters as indicated above,and the dimensions are given in millimeters[40]

電流體動力技術(shù)法制備微泡的出現(xiàn)，引起了許多研究者對于微泡的研究興趣。Parhizkar等[44]基于電流體動力學(xué)的基礎(chǔ)原理，對微流體技術(shù)和電流體動力技術(shù)進行優(yōu)化整合(如圖6所示)，對一個T型結(jié)的微流體裝置進行了改進，研究表明隨著施加電壓的增大，微氣泡的尺寸能夠減小到毛細管直徑的25%左右，且微泡單分散性良好(分散性指數(shù)約為1%)。電流體動力技術(shù)通過控制電場來精準控制微泡尺寸，相比于微流體法減小微泡的尺寸只能通過重新定制更小尺寸的微通道芯片實現(xiàn)(往往尺寸越小的微通道芯片的制作難度極大)而言，電流體動力技術(shù)的開發(fā)一定程度上彌補了微流體技術(shù)的缺陷。

圖6 電場輔助式微流體T型結(jié)微泡制備實驗裝置圖[44]Fig.6 Experimental setup of T-junction with electric field assisted for microbubble preparation[44]

2.4 其他方法

為了滿足不同的應(yīng)用需求，研究者們往往通過一些制備工藝的組合或者改進來達到理想的效果。一些新奇的制備方法諸如薄膜水化法[45]、加速旋壓法[46]、界面納米沉淀法[47]、多通道陶瓷膜法[48]等隨之出現(xiàn)。不同的制備工藝在生產(chǎn)微泡材料中都展現(xiàn)出了獨特的優(yōu)勢，例如Chen等[23]提出了基于超聲微流體技術(shù)的納米微泡制備方法，與傳統(tǒng)的超聲方法相比，這種超聲微流體連續(xù)流方法具有無限的氣核，可連續(xù)產(chǎn)生泡沫，且停留時間更短。然而，其中有些方法只適合于實驗室的研究，難以進行工業(yè)化發(fā)展。雖然多樣化的制備方法給微泡的生產(chǎn)提供了不同的研究路徑和方向，但是切實可行的微泡制備工藝仍舊是基于傳統(tǒng)工藝的延伸發(fā)展。在傳統(tǒng)工藝上的整合改進，則有利于研發(fā)具有優(yōu)勢的新型復(fù)合型工藝技術(shù)。

3 微泡材料的功能化

本文將微泡材料的功能化研究歸納為兩個方面：一方面是提升微泡材料的存活時間(穩(wěn)定性)；另一方面是進行功能型物質(zhì)的引入。穩(wěn)定性的提升主要通過殼膜材料的優(yōu)化或者氣核材料的優(yōu)化來降低氣體的溶解擴散，從而延緩微泡的消融/破碎行為。功能型物質(zhì)的引入則可使得微泡具有特定功能(例如可進行藥物包埋、可實現(xiàn)靶向定位、具有磁響應(yīng)功能等)。

3.1 微泡材料的穩(wěn)定性

微泡材料的穩(wěn)定性是限制其應(yīng)用的主要難點，為了得到性能穩(wěn)定的微泡，研究者從微泡本身的破碎機制出發(fā)進行了相應(yīng)的研究。就制備材料本身而言，由于氣泡在液體中缺乏穩(wěn)定性，因此會迅速溶解，故而微氣泡必須用外殼封裝，外殼一般是由脂質(zhì)或蛋白質(zhì)封裝而成的[1]。目前常見的微泡的制備原材料就集中在脂質(zhì)、蛋白質(zhì)以及一些合成的聚合物大分子之間?？偟膩碚f，微泡材料的穩(wěn)定性提升一般可通過降低其表面張力或者采用不同的內(nèi)充氣體來實現(xiàn)。

為全面了解微泡的溶解機理，研究者進行了多種數(shù)值模型的驗證，其中具有代表性的有Duncan等[49]的微管技術(shù)，Borden等[50]的層流灌注方法以及Kabalnov等[51]所使用的聲造影衰減持續(xù)性定性測量溶解時間等方法，為了獲得更具普適性的溶解機理，Kwan等[52]研究了脂質(zhì)微氣泡在多氣氛系統(tǒng)中的穩(wěn)定機理，經(jīng)模型驗證指出當(dāng)表面張力是動態(tài)時，微泡的溶解行為可以用單層膜的破裂、塌陷和堵塞來解釋。這也進一步說明，單分子層作用對微泡的穩(wěn)定性和尺寸分布有著至關(guān)重要的影響。

脂質(zhì)類微泡一般都滿足Epstein-Plesset模型的生長機理，根據(jù)經(jīng)典的Epstein-Plesset模型理論可知：液滴的溶解速率可以描述為液滴半徑(R)隨時間(t)的變化：

式中，D為溶質(zhì)(液滴)在溶劑介質(zhì)中的擴散系數(shù)；ρ為溶質(zhì)的密度；f為初始溶解濃度與液滴周圍介質(zhì)飽和時的濃度比(f=C0/Cs)，Cs為液滴處于飽和狀態(tài)的物質(zhì)濃度，C0為液滴初始溶解濃度。這個微分方程與時間有關(guān)，忽略了界面張力。此外，Duncan等[49]還指出，如果R?Dt且R由式(2)所確定(假設(shè)達到穩(wěn)定狀態(tài)是一個快速過程)，則式(1)中的穩(wěn)態(tài)部分的暫態(tài)方法可以忽略。

但是，上述兩個微分方程在驗證溶解速率時都忽略了液體表面的界面張力，經(jīng)典的Laplace方程認為微泡的大小與界面張力(σ)有關(guān)，由式(3)所確定：

式中，ΔP為微泡的壓差；R為液滴的半徑。壓差與微泡半徑R呈反比關(guān)系，在界面張力σ一定時，越小的微泡就有著越大的壓差，越大的內(nèi)外壓差也就意味著微泡越容易破碎。故而在控制微泡尺寸的同時，降低微泡殼膜材料的表面張力(界面張力)便是提高微泡穩(wěn)定性的重要手段之一，為此研究者指出制備性能穩(wěn)定的微泡可通過添加表面活性劑的方式來實現(xiàn)[53-54]。

除了利用表面活性劑來進行微泡穩(wěn)定性的優(yōu)化，其他物質(zhì)的引入也有利于微泡穩(wěn)定性的提升。M?rch等[55]發(fā)現(xiàn)負載有Fe@Fe3O4(core@shell)納米顆粒的微泡在制備后的8個月里，其穩(wěn)定性依然良好。Ma等[56]報道了一種利用Traut試劑對蛋白質(zhì)進行單步表面處理來穩(wěn)定蛋白類微泡的方法，制得的蛋白類微泡的穩(wěn)定性遠優(yōu)于未經(jīng)改性的微泡。Mohamedi等[22]在微泡表面負載了一層金納米顆粒，與僅涂覆表面活性劑的微泡進行比較，發(fā)現(xiàn)負載有金納米顆粒的Au@DSPC微泡的穩(wěn)定性有了極大的提高，其保存時間最長可達到3 d(圖7)。除了負載納米顆粒，研究者發(fā)現(xiàn)通過選用性能更加穩(wěn)定的氣體作為微泡內(nèi)部的氣核也能一定程度上增強微泡的穩(wěn)定性能[57-58]。Yan等[14]研究發(fā)現(xiàn)將常用的空氣換成SF6氣體可增加微泡的穩(wěn)定性。相比于同條件下空氣作為內(nèi)部充氣，利用SF6氣體作為內(nèi)部充氣制得的微泡的壽命明顯優(yōu)于空氣填充的微泡(圖8)。

圖7 不加金納米顆粒[(a)～(c)]和添加金納米顆粒[(d)～(f)]的微泡穩(wěn)定性比較[22]Fig.7 Comparison of the stability of surfactant coated microbubbles without[(a)～(c)]and with the addition of gold nanoparticles[(d)～(f)][22]

圖8 空氣和SF6填充的脂質(zhì)MB的平均數(shù)密度(a)和平均直徑(b)[14]Fig.8 Mean number density(a)and diameter(b)of air and SF6 filled lipid MBs over a span of one hour[14]

關(guān)于微泡材料穩(wěn)定性優(yōu)化的研究大多是基于降低微泡殼膜材料的表面張力和抑制微泡中氣體溶解的原理出發(fā)[22,59]。此外，有研究者從微泡尺寸和殼膜的相對比率出發(fā)，證明了通過控制微泡半徑和殼膜厚度在一個臨界比(0.042)之上將有利于提升微泡的穩(wěn)定性[60-61]。

3.2 微泡材料的功能化物質(zhì)的引入

納米顆粒是一種應(yīng)用廣泛的功能化改性材料，已經(jīng)在生物醫(yī)學(xué)和制藥方面表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景[20,62]。納米顆粒的引入是微泡功能化的主要方式之一，無論是金納米顆粒還是氧化鐵納米顆粒的負載都成功地表明：通過納米顆粒的裝載，微泡不僅在尺寸分布上變窄，同時可使得微泡展現(xiàn)出新性能[63-65]。Brismar等[63]用磁性納米顆粒對微泡進行改性，改性后的微泡可用于多模態(tài)的醫(yī)學(xué)造影成像。M?rch等[55]在利用納米顆粒改性的基礎(chǔ)上對微泡表面進行PEG(聚乙二醇)涂覆，制備得到的微泡在超聲介導(dǎo)條件下，其多模態(tài)成像功能更為顯著。

除功能性納米顆粒的引入，其他功能性物質(zhì)的負載也可拓展微泡的性能。例如，Oeffinger等[53]將纖連蛋白肽片段與表面活性劑偶聯(lián)在超聲造影微泡上，得到了具備靶向和成像功能的造影劑。Ke等[66]在其研究工作中指出，通過量子點對微泡材料進行修飾可增強其雙模成像功能。隨著造影成像的應(yīng)用發(fā)展和功能化藥物的引入，利用微泡進行藥物的局部控釋也成為了微泡研究的熱點之一，Yan等[43]利用磷脂基微泡和牛血清蛋白(BSA)微泡，制備了負載有治療缺血性中風(fēng)的藥物纖溶酶原激活物(tissue plasminogen activator，tPA)，將微泡材料拓展到功能化藥物載體方面。Xiong等[67]認為聚合物微泡在造影和載藥方面有著極具優(yōu)勢的發(fā)展前景，但由于聚合物分子在體內(nèi)的作用關(guān)系尚不明確，其在體內(nèi)的安全性很難被保證，因此聚合物基微泡材料目前還難以實現(xiàn)醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用[31]。

目前對于微泡功能化改性的方法主要以納米材料或者功能化藥物的負載來實現(xiàn)，經(jīng)過功能化改性的微泡所攜帶的物質(zhì)對于制備過程有著不同程度的要求，特別是進行藥物負載型微泡的制備時，相關(guān)功能化藥物的包埋與保存對制備工藝提出了新的要求，因此進行普適化和個性化的微泡制備工藝探究是極為必要的。

4 功能微泡的應(yīng)用

4.1 超聲造影劑

超聲造影劑是微泡的主流應(yīng)用，其在不同超聲強度下展現(xiàn)出不同的回聲行為。在低強度的超聲環(huán)境中微泡隨著全身的血液循環(huán)沿著血管流動；高強度的超聲條件下微泡會隨著超聲強度的變化而破碎?；谶@一特性，研究者將一些藥物嵌入微泡殼膜中來實現(xiàn)藥物靶向運輸?shù)哪康?，再結(jié)合造影成像以達到診療一體化的治療手段[16,68-69]。

超聲造影微泡發(fā)展至今可概括為三個階段：無殼膜包裹的CO2氣核型；殼膜包裹的空氣核型；殼膜包裹的惰性氣核型(例如氟化烷基氣體)[70]。進行超聲成像時，相比于周圍組織的不可壓縮性，微泡造影劑的氣核表現(xiàn)出理想的可壓縮性?？蓧嚎s性使得微泡材料相比于固體或者液體材料有著較高的反向散射信號[1]，因此微泡材料會表現(xiàn)出更加良好的造影成像能力。超聲介導(dǎo)下的微泡表現(xiàn)出的回應(yīng)行為主要有兩種：反向散射和慣性空化。反向散射主要用于造影成像，慣性空化主要用于藥物或者基因的控釋。圖9詳細展示了微泡在不同強度的超聲條件下的回應(yīng)行為。如圖9(a)，中低壓力的超聲場中氣核的振蕩產(chǎn)生一種可探測的反向反射信號，此外，液體在微泡周圍的流動產(chǎn)生剪切力可促進微泡對藥物的釋放和附近細胞對藥物的吸收；如圖9(b)，在較高壓力的超聲場下微泡會隨之破碎；如圖9(c)、(d)，在適當(dāng)?shù)某晧毫ο庐?dāng)其低于破碎閾值時，微泡的氣核會逐漸溶解，微泡的尺寸也隨之逐漸變??；如圖9(e)，在低頻率和高壓力的超聲條件下會造成微泡的慣性空化，微泡周圍會產(chǎn)生振蕩波和卷曲射流；如圖9(f)，低壓條件下，附近的微泡共振會產(chǎn)生輻射力，使得微泡朝著遠離超聲源的方向移動。

圖9 超聲介導(dǎo)下的微泡行為[1]Fig.9 Useful ultrasound-mediated effects of microbubbles[1]

Qin等[68]探索了微泡成像模式、微泡振蕩模型和微泡與內(nèi)皮細胞的相互作用，并指出微泡膨脹和坍塌的速率取決于微泡直徑以及超聲脈沖中靜息微泡的頻率、相位和振幅等(詳情如圖10所示)。提高稀疏峰值壓力，降低超聲頻率和靜息微泡的尺寸會增加微泡的膨脹和破碎的可能性。此外，超聲造影用微泡對于其尺寸有著特定的要求，Unnikrishnan等[24]指出用作超聲造影劑的微泡平均直徑為幾微米。

圖10 微泡在兩個周期正弦信號下的相對膨脹。在2.25 MHz,稀疏峰值壓力(peak rarefactional pressure，PRP)310～1200 kPa(a);PRP為800 kPa(b)[68]Fig.10 Relative expansion of microbubbles during insonation with a two-cycle sinusoid at 2.25 MHz with a PRPranging from 310 kPa to 1200 kPa(a);with a PRPof 800 kPa(b)[68]

4.2 藥物載體

進行藥物的負載運輸是目前微泡的最新研究熱點之一。將藥物附著在脂質(zhì)、蛋白質(zhì)或者聚合物分子的微泡殼膜材料中再結(jié)合微泡在超聲介導(dǎo)中的流變性能實現(xiàn)藥物的定向運輸和控制釋放對于功能化靶向藥物載體的研究有著指導(dǎo)性的研究意義。Deelman等[71]在2010年的綜述成果中詳細介紹了利用載藥微泡在超聲介導(dǎo)下對腎臟進行靶向治療的研究報道，包括微泡的聲學(xué)性能到藥物局部釋放的機理(如圖11所示)以及微泡在腎臟中可能存在的危害。載藥微泡的出現(xiàn)有望改善相關(guān)疾病的治療效果，為解決由血腦屏障、脊髓屏障等體自身的排斥反應(yīng)造成藥物利用率低下的問題提供了可行的思路。Otani等[72]利用內(nèi)酰胺對微泡進行表面修飾可增強與糖蛋白Ⅱb/Ⅲa的結(jié)合，是功能性靶向定位的典型代表之一。Yan等[43]制備出負載治療中風(fēng)的藥物tPA且具有超聲響應(yīng)觸發(fā)釋放性能的微泡，基于超聲碎泡的靶向定位機理，實現(xiàn)了靶向功能的可調(diào)控性。Tayier等[73]將氣泡作為非病毒基因載體，借助超聲空化將基因有效導(dǎo)入腫瘤細胞的報道，所合成的氣泡為圖像引導(dǎo)和高效基因傳遞提供了強有力的工具。進行載藥微泡的研究，一方面可提高藥物的利用率，另一方面可實現(xiàn)疾病的個性化定位治療，因此能進一步強化相關(guān)疾病治療手段。

圖11 載藥微泡進行靶向運輸?shù)臋C理示意圖(以腎臟為靶向區(qū)域)[71]Fig.11 Schematic diagramdemonstrating local delivery of drugs to the kidney using microbubbles and ultrasound[71]

4.3 其他應(yīng)用

醫(yī)藥領(lǐng)域是微泡大規(guī)模應(yīng)用的優(yōu)勢點，實際上，微泡材料在水處理、食品工業(yè)[74-75]等中都有著較大的應(yīng)用潛力。Wright等[76]報道了微泡在水處理工業(yè)曝氣過程中的作用，表明了微泡的引入會增強反應(yīng)器中的一些大分子物質(zhì)的分散，進一步提高氧化分解的過程。此外，最近還報道了一種利用微泡處理來對鯉科泥鰍進行浸浴免疫以達到接種效果[19]的研究。不同行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用還需要進一步的研究和大膽嘗試，以實現(xiàn)功能型微泡材料的創(chuàng)新應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化的轉(zhuǎn)型發(fā)展。

5 總結(jié)與展望

諸多研究表明功能微泡有著極大的市場潛力，不同分支的研究主要朝著制備工藝的優(yōu)化及精準可控和微泡功能化手段的發(fā)展推進。傳統(tǒng)制備工藝的局限在于所產(chǎn)微泡的尺寸分布范圍較寬，對于尺寸要求較高的醫(yī)用微泡而言，需要經(jīng)過二次篩選工藝。盡管可精準控制尺寸和功能化的微泡制備方法(如微流體技術(shù)、電流體動力技術(shù)等)逐漸興盛起來，由于研究深度的欠缺(特別是進行工業(yè)化的擴展研究少有報道)，微泡制備工藝仍然存在諸多挑戰(zhàn)。因此，進行微泡制備工藝的簡易化、智能化研究仍需進一步發(fā)展。醫(yī)藥領(lǐng)域是微泡的主流應(yīng)用領(lǐng)域，也是高附加值微泡研究的潛力所在，在保留微泡原有的良好聲學(xué)性能的同時，經(jīng)過功能化改性后的微泡還需兼具特定的功能是醫(yī)用微泡的重要特點。此外，醫(yī)用微泡的安全性仍然需要考慮，相比于尺寸安全性的考量，醫(yī)用微泡在生物體內(nèi)部的協(xié)同作用機制的研究也是必不可少的。