環境響應型控制釋放微載體材料研究新進展

巨曉潔，謝 銳，褚良銀

(四川大學化學工程學院，四川成都610065)

環境響應型控制釋放微載體材料研究新進展

巨曉潔，謝 銳，褚良銀

(四川大學化學工程學院，四川成都610065)

環境響應型智能微載體材料可以響應溫度、pH值、磁場、化學物質等環境刺激的微小變化，實現物質的自律式控制釋放，在藥物送達、酶和細胞固定化、分離純化等領域顯示出突出的優越性，具有廣泛應用前景。綜述了環境響應型控制釋放微載體材料的研究進展，介紹了“開-關模式”控釋微囊和“突釋模式”控釋微囊等環境響應型控釋微載體材料的研究新進展，著重介紹了溫度響應型、血糖濃度響應型、離子識別響應型“開-關模式”控釋微囊以及溫度響應型、pH響應型、離子識別響應型“突釋模式”控釋微囊的制備與性能方面的研究新成果。目前，環境響應型智能微載體材料仍多處于基礎研究階段，還需要進一步系統深入研究和開發完善。

微載體;環境響應型;控制釋放;智能微囊;功能材料

1 前言

微球、微囊等微載體材料是近年來備受矚目的新型功能材料，由于其特殊的尺寸和結構，可作為微存儲器、微反應器、微分離器和微結構單元，在醫藥、生物、化工、電子信息等領域具有廣泛的應用前景［1-2］。環境響應型智能微載體材料可以響應溫度、pH值、磁場等環境刺激的微小變化，實現物質的自律式靶向控制釋放、選擇性吸附分離，在藥物載體、分離純化、酶和細胞固定化、臨床診斷等領域應用中顯示出普通載體材料無法比擬的優越性，特別是在藥物控釋方面，環境響應型智能微球微囊被認為是將來征服癌癥等疑難雜癥的重要技術手段之一［3-5］。由于其廣闊的應用前景，環境響應型微載體材料目前已成為國際上廣泛關注的新熱點。

本文將介紹近年來環境響應型微囊微球等智能微載體材料的研究進展，重點介紹“開-關模式”控釋微囊和“突釋模式”控釋微囊等環境響應型控釋微載體材料的研究新進展。

2 環境響應型“開－關模式”控釋微囊

環境響應型“開-關模式”控釋微囊材料是一類在囊壁具有多孔結構并在膜孔內接枝線形的環境響應型智能高分子鏈作為控制釋放“開-關”的微膠囊，其結構及控制釋放響應特性如圖1示意圖所示。這種智能控釋微囊能夠根據外界環境的物理和(或)化學刺激(如溫度、pH值、物質種類、磁場等)的微小變化而改變高分子鏈的構象，發生“伸展-收縮”之間的構象轉變，從而改變微囊膜的有效孔徑和滲透性能，實現內載物質的“開-關模式”控制釋放。迄今，已設計和開發出各種響應不同環境刺激信號的智能“開 -關模式”控釋微囊載體材料。

圖1 環境響應型“開-關模式”控釋微囊示意圖Fig.1 Schematic representation of smart gating microcapsules for controlled-release

2.1 溫度響應型“開－關模式”控釋微囊

由于溫度變化不僅在自然環境中發生的情況很多，而且很容易依靠人工實現，所以迄今對溫度響應型智能材料的研究較多。溫度響應型“開-關模式”控釋微囊是在多孔微囊的膜孔內接枝溫敏性高分子開關鏈，其中應用最廣泛的溫敏性高分子材料是聚(N-異丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)。PNIPAM的低臨界溶解溫度(LCST)在31～33℃附近，當環境溫度低于LCST時，PNIPAM高分子鏈處于伸展構象;當環境溫度高于LCST時，PNIPAM 高分子鏈處于收縮構象［6，7］。

Chu等［8-10］近來采用等離子體誘導接枝聚合的方法將PNIPAM高分子開關鏈接枝到聚酰胺多孔微囊的膜孔內，制備得到一種溫度響應型控釋微囊，該微囊具有對溫度刺激響應快的特點。研究發現，當膜孔內PNIPAM接枝量較低時，主要利用膜孔內PNIPAM接枝鏈的伸展-收縮特性來實現感溫性控制釋放:當環境溫度T＜LCST時，膜孔內PNIPAM鏈伸展使膜孔呈“關閉”狀態，從而限制微囊內載物質的通過，于是釋放速度較慢;而當環境溫度T＞LCST時，PNIPAM高分子鏈變為收縮狀態使膜孔“開啟”，為微囊內載物質的釋放敞開通道，于是釋放速度變快。控制釋放結果表明，這類膜孔接枝PNIPAM“開關”的微囊顯示出良好的溫度響應型控制釋放特性，特別是在合適接枝率情況下，“開-關”釋放特性十分明顯，如圖2所示。作者還探明了這種具有溫敏開關的控制釋放微囊膜系統的控制釋放機理，提出了相應的溫度響應型控制釋放模型［11］。

Yang等［12］還設計制備了一種能對磁場和溫度的刺激產生響應的雙重刺激響應型微囊材料。作者先在聚酰胺多孔微囊的囊壁中包埋磁性納米顆粒，再在微囊的膜孔內接枝溫敏PNIPAM高分子開關鏈，這樣不僅可以實現溫度響應型“開-關模式”控制釋放，還可以同時利用外加磁場實現給藥載體的靶向定位。因此，該微囊有望用于腫瘤組織的靶向治療，磁場靶向定位后，在腫瘤組織部位依靠局部超聲加熱實現定位局部加熱，微囊內載藥物因響應環境溫度的升高而定位釋放，對其他正常組織部位不產生任何毒副作用，達到靶向治療的目的。

圖2 溫度響應型微囊的感溫性控制釋放特性Fig.2 Thermo-responsive release of sodium chloride from the PNIPAM-grafted microcapsules

2.2 血糖濃度響應型“開－關模式”控釋微囊

現有的糖尿病藥物治療，特別是I型糖尿病治療，很大程度上依賴于胰島素的高頻率注射治療，而這種給藥方法存在極大的安全隱患并且給患者帶來極大的痛苦和創傷。因此，研究制備智能化胰島素控制釋放系統，在糖尿病的治療中具有重要的現實意義。血糖響應型胰島素智能給藥載體系統就是為了克服上述缺點而提出的新型給藥系統，可以根據病人體內血糖濃度的變化而自動調節胰島素的釋放。這種智能化給藥系統不僅可以隨時穩定血糖水平、提高胰島素利用率，而且能延長給藥時間、減輕糖尿病人的痛苦，受到了國際上廣泛的關注。

Chu等［13］近來設計和研制出了一種葡萄糖濃度響應型智能微囊膜材料，其制備和響應機理如圖3a所示。首先將聚丙烯酸高分子鏈接枝到聚酰胺多孔微囊的膜孔中作為pH敏感性高分子開關鏈，然后把葡萄糖氧化酶(GOD)固定到該聚電解質高分子鏈上，從而使這種智能微囊的膜孔能夠根據葡萄糖濃度的變化而開啟或關閉。在沒有葡萄糖的中性pH值環境下，聚丙烯酸接枝鏈上的羧基因解離而帶有負電荷，電荷之間的靜電斥力使接枝鏈呈伸展構象，膜孔處于關閉狀態，微囊內載的胰島素釋放速度慢;當葡萄糖濃度升高時，GOD催化葡萄糖轉變成葡萄糖酸，使微囊周圍局部pH值下降，接枝鏈上羧基發生質子化，靜電斥力下降，接枝鏈轉變為收縮構象，膜孔被開啟，內載胰島素的釋放速度迅速加快，于是，可以實現胰島素隨血糖濃度變化而進行自律式智能化控制釋放。圖3b顯示了該微囊對內載模型藥物的血糖濃度響應型控制釋放行為。并且，通過改變接枝開關鏈的密度、長度或微囊膜孔密度還可以調節該系統的胰島素滲透性對葡萄糖濃度的敏感性。

圖3 血糖濃度響應型微囊的控釋機理(a)及控釋行為(b)Fig.3 The controlled-release principle(a)and controlled-release behavior(b)of the glucose-sensitive microcapsules

2.3 離子識別響應型“開－關模式”控釋微囊

金屬離子對生物體的生命活動起著核心的作用，各種復雜的新陳代謝活動必須有許多金屬離子參與才能進行，這些金屬離子在生物體液中保持著一定的最佳濃度，體內金屬離子過多或過少都將導致人體正常生理功能的紊亂，從而引起各種各樣的疾病。此外，一些重金屬離子(如Pb2+，Hg2+)在很低濃度時就對生物體具有極強的毒性。因此，研究具有金屬離子識別特性的智能微載體材料具有極其重要的理論價值和實用意義，在醫藥、環境等領域具有廣闊的應用前景。

Chu等［14］近來研制出了一種離子識別型控釋微囊，即在聚酰胺多孔微囊的膜孔中利用等離子體誘導接枝聚合的方法接枝聚［N-異丙基丙烯酰胺-共-(苯并-18-冠-6-丙烯酰胺)］(Poly(NIPAM-co-B18C6Am))高分子鏈作為離子識別響應開關。該微囊的離子識別響應機理和控釋行為如圖4所示。

圖4 離子識別響應型微囊的控釋機理(a)及控釋行為(b)Fig.4 The controlled-release principle(a)and controlled-releaseresults(b)of the ion-recognition microcapsules

由于高分子鏈上的18-冠-6單元對Ba2+具有選擇性識別特性，形成“主-客體”配合物后可以等溫地改變高分子鏈的伸展-收縮構象，進而改變微囊內載的釋放行為。研究結果表明，內載NaCl從微囊中的釋放行為明顯受環境溶液中Ba2+的存在與否所控制，當環境溶液中沒有Ba2+存在時，由于膜孔內接枝的Poly(NIPAM-co-B18C6Am)高分子鏈呈收縮狀態而使微囊膜孔開啟，所以NaCl釋放速度快;相反，當環境溶液中有Ba2+存在時，由于冠醚與Ba2+的配位作用，Poly(NIPAM-co-B18C6Am)接枝高分子鏈呈伸展狀態，于是微囊膜孔被關閉，從而導致NaCl釋放速度變得很慢。并且，特別值得注意的是:該微囊的離子識別響應釋放特性顯示出了良好的可逆性和可重復性。

3 環境響應型“突釋模式”控釋微囊

環境響應型“突釋模式”控釋微囊是一類以環境響應型智能高分子材料直接作為微囊膜的基體，依靠微囊膜本身對環境變化的刺激信號(如溫度、pH值、物質種類等)的響應特性，實現對內載物質突然釋放的智能微載體材料。

新興的微流控(Microfluidics)技術，由于其具有良好的可設計性、優異的界面控制能力以及優良的傳質傳熱性能，為構建具有新型結構及功能的智能微球微囊材料提供了良好的手段和技術平臺［15］。近年來，利用微流控技術設計和制備了一系列能夠響應不同環境刺激信號的智能微球微囊材料，該類新型微載體材料作為智能化控釋載體系統，不僅具有極高的尺寸單分散性和精確可控微囊大小及囊壁膜厚度，并且可實現物質輸運傳遞與控釋傳質過程的強化，顯示出顯著的優越性。迄今，利用微流控技術已設計和研制出各種響應不同環境刺激的“突釋模式”智能微囊材料。

3.1 溫度響應型“突釋模式”控釋微囊

圖5 微流控技術制備具有超順磁特性的溫度響應型“突釋模式”控釋微囊Fig.5 Microfluidic preparation of superparamagnetic thermo-responsive microcapsule for burst-release

Wang等［16］利用微流控技術以二級同軸聚焦毛細管微流控裝置制備出單分散性良好的O/W/O復乳模板，其中，中間相水相中含有水溶性單體N-異丙基丙烯酰胺(NIPAM)、交聯劑N，N-亞甲基雙丙烯酰胺(MBA)、引發劑過硫酸銨(APS)以及水基磁流體，外相油相中含有表面活性劑和油溶性的光引發劑安息香雙甲醚(BDK)，如圖5b，c所示。O/W/O復乳液滴模板制成后，將乳液體系在紫外光照射下引發聚合，從而在中間水相內發生聚合反應生成交聯的PNIPAM微囊膜。所制備的該微囊具有明顯的超順磁特性和溫度響應突釋特性，如圖5a所示。當環境溫度高于PNIPAM的LCST時，微囊突然劇烈收縮，由于微囊內部油核的不可壓縮性，當擠壓超過一定程度時，微囊內部壓力升高到某一臨界值時，微囊膜發生局部破裂，致使內載油溶性物質得到突釋。同時，微囊膜的尺寸、單分散性以及膜厚等參數也可由微流控技術完全可控。該智能微囊可用于靶向式給藥載體材料，其超順磁特性可實現磁靶向定位，其溫敏特性可用于環境響應型控制釋放。

Chu等［17］利用微流控技術設計制備了一種特洛伊木馬式溫度響應型單分散微囊載體材料。作者首先利用如圖6a所示的三級同軸聚焦毛細管微流控裝置制備得到單分散性良好的W1/O1/W2/O2三重乳液作為模板，其中，中間相水相W2中含有水溶性單體NIPAM、交聯劑MBA以及引發劑APS。三重乳液模板收集后，向外相連續相油相O2中加入催化劑四甲基乙二胺(TEMED)，從而引發中間相水相W2中的單體發生聚合反應，形成交聯的PNIPAM微囊膜。由于使用了三重乳液作為模板，該微囊膜內同時包載有油相O1和內部水相液滴W1，所以其內部可以同時裝載水溶性和油溶性物質，而且具有像特洛伊木馬一樣的控制釋放功能。其內載水溶性物質由于不能穿透油層，所以遞送過程中完全不會發生泄漏;當其到達遞送地點，需要從微囊內部釋放出來時，可使其環境溫度升高到 LCST以上(如，從25℃升高到50℃)，使PNIPAM微囊膜發生劇烈收縮，微囊膜發生局部破裂，導致內部小液滴被突然釋放，如圖6b所示。

圖6 微流控技術制備特洛伊木馬式溫度響應型微囊:(a)三級同軸聚焦毛細管微流控法制備W1/O1/W2/O2三重乳液，(b)溫度響應型微囊的突釋行為Fig.6 Microfluidic preparation of Trojan-horse-like thermo-responsive microcapsules:(a)schematic diagram of the capillary microfluidic device for generating W1/O1/W2/O2triple emulsions and(b)thermo-responsive microcapsule for burst-release

Liu等［18］利用微流控技術制備了用于納米顆粒突釋的溫度響應型微囊載體材料。作者先用均質乳化劑將含有納米顆粒的水溶液分散到油相O2中形成W1/O1初乳，然后利用二級同軸聚焦毛細管微流控裝置制備出單分散性良好的(W1/O1)/W2/O2三重乳液模板，其中W2水相中含有單體NIPAM，交聯劑MBA以及引發劑偶氮二異丁基脒二鹽酸鹽(V50)。三重乳液模板收集后，向外相油相中加入油溶性光引發劑BDK，然后將乳液體系在紫外光照射下引發聚合，從而在W2水相內發生聚合反應形成交聯的PNIPAM微囊膜。同樣，該微囊也具有溫度響應型突釋特性，其釋放行為像一顆微型納米顆粒炸彈一樣，當環境溫度升高到LCST以上，微囊膜收縮而破裂，導致內載的納米顆粒以較大動量突然釋放出來，如圖7所示。該微囊載體為靶向式運載納米顆粒藥物提供了嶄新手段。

3.2 pH響應型“突釋模式”控釋微囊

pH值變化同樣也是一種廣泛被用來設計制備智能微載體材料的環境刺激信號。人體內胃腸道不同部位的pH值不同，而且特定病灶部位也會引起局部的pH值變化(如腫瘤部位的pH值異常現象)等，都可用來控制藥物釋放。

Liu等［19］利用微流控技術制備了單分散的pH響應型殼聚糖控釋微囊。作者首先利用二級同軸聚焦毛細管微流控裝置制備出單分散性良好的O/W/O復乳作為模板，其中，中間相水相中含有水溶性殼聚糖，內相油相為含有適量對苯二甲醛的大豆油和苯甲酸芐酯混合油相。復乳液滴模板制成后，內相中的對苯二甲醛擴散到油水界面，與中間水相內的殼聚糖發生界面交聯反應，從而在中間水相內形成交聯的殼聚糖微囊膜，其尺寸、單分散性以及膜厚等參數由微流控技術完全可控。研究表明，所制備的殼聚糖微囊具有明顯的pH響應特性，如圖8所示。當環境溶液為中性或弱酸性時，殼聚糖微囊膜外觀一直保持完整球形，當環境溶液呈酸性(如，pH=3.1)時，殼聚糖微囊膜會很快被酸解，從而使內載物質得到突釋。

3.3 離子識別響應型“突釋模式”控釋微囊

人體某些病灶部位會相應產生一些特殊的生物或物理化學變異，如炎癥病灶部位會因局部細胞壞死而導致該部位鉀離子濃度比其他正常部位要高出許多，于是可以設計利用離子識別型控釋微囊載體對這些特殊病變信號的感應而實現靶向式藥物送達。

Liu等［20］利用微流控技術設計制備一種離子識別響應型“突釋模式”控釋微囊。作者首先制備出單分散性良好的O/W/O復乳模板，其中，中間相水相中含有水溶性溫敏單體NIPAM和作為離子信號感應單元的苯并-15-冠-5-丙烯酰胺(B15C5Am)單體、交聯劑 MBA以及引發劑V50，外相油相中含有表面活性劑和油溶性的光引發劑BDK。O/W/O復乳液滴模板制成后，將乳液體系在紫外光照射下引發聚合，從而在中間水相內形成交聯的聚［N-異丙基丙烯酰胺-共-(苯并-15-冠-5-丙烯酰胺)］(Poly(NIPAM-co-B15C5Am))微囊膜。由于15-冠-5對K+具有特異性識別能力，形成2∶1的“主-客體”配合物后，可等溫地改變Poly(NIPAM-co-B15C5Am)微囊膜的溶脹-收縮特性，因此，所制備的微囊具有K+識別響應控釋特性。當環境溶液中僅存在Na+或Ca2+時，微囊膜幾乎沒有任何響應;但是，當環境溶液中出現K+時，如圖9所示，微囊膜會快速劇烈收縮，致使內載油溶性物質突釋。該類微囊載體材料可以為研發細胞壞死信號(局部K+濃度異常升高)響應型智能給藥載體提供新的途徑和手段。

圖9 離子識別響應型微囊在K+誘導下的突釋行為Fig.9 The K+-triggered burst-release process of ion-recognition microcapsules

4 結語

迄今，人們已經設計和開發出許多不同類型的環境響應型控制釋放微載體材料，由于其在眾多領域具有重要的潛在應用價值，目前已成為國際上研究的新熱點。但是，環境響應型微載體材料由于受到許多因素的制約，如作為藥物控釋載體，受到藥物生物活性及穩定性、載體材料的生物降解性及生物相容性、藥物裝載效率、藥物智能釋放水平等因素的制約，目前在國際上仍多處于基礎研究階段，還需要進一步地開發完善。要實現智能微載體材料的大規模應用，還需要多學科、多領域的科技工作者的進一步努力。盡管這方面的研究和開發充滿挑戰，但由于該項技術應用前景廣闊、具有很重要的社會意義和顯著的經濟價值，因此在國際上將進一步備受關注和重視。

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Recent Progress in Development of Microcarrier Materials for Environmental-Responsive Controlled Release

JU Xiaojie，XIE Rui，CHU Liangyin
(School of chemical Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China)

Environmental stimuli-responsive smart microcarrier materials，which can realize self-regulated controlled-release in response to the change of temperature，pH，magnetic field and special chemicals in external environment，exhibit excellent superiorities in various fields，such as drug delivery，immobilization of enzyme and cells，and separation and purification of chemicals.The progress in development of environmental stimuli-responsive smart microcarrier materials are reviewed，in which the smart gating microcapsules for controlled-release and smart microcapsules for controlled burst-release are introduced.Especially，the thermo-responsive，glucose-responsive and ion-recognition smart gating microcapsules for controlled-release as well as the thermo-responsive，pH-responsive and ion-recognition smart microcapsules for burst-release are introduced and reviewed systematically.At present，environmental stimuli-responsive smart microcarrier materials are still in the basic research stage and need intensive study and further development.

microcarriers;environmental stimuli-response;controlled-release;smart microcapsules;functional materials

TB34

A

1674-3962(2012)02-0038-07

2011-12-09

國家973計劃(2009CB623407);國家自然科學基金(20825622，20906064，21076127，21036002，21136006);教育部高等學校博士學科點專項科研基金(200806100038，200806101045，20090181120045)

巨曉潔，女，1980年生，博士，副教授

褚良銀，男，1967年生，教授，博士生導師