超薄壁結構海藻酸鈣膠囊膜制備及其功能化研究新進展

何帆，謝銳，巨曉潔，汪偉，劉壯，褚良銀,2

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超薄壁結構海藻酸鈣膠囊膜制備及其功能化研究新進展

何帆1，謝銳1，巨曉潔1，汪偉1，劉壯1，褚良銀1,2

（1四川大學化學工程學院，四川成都610065；2四川大學高分子材料工程國家重點實驗室，四川成都610065）

海藻酸鈣膠囊膜由于具有制備過程溫和環保、材料生物相容性優良等優點，廣泛應用于生物醫藥等領域。薄壁結構的膠囊膜可減小跨膜傳質阻力，加速囊膜內外物質的交換，因而備受學術界和工業界的廣泛關注。近年來，具有超薄壁結構的海藻酸鈣膠囊膜的制備與改性成為一個研究熱點。本文綜述了超薄壁結構海藻酸鈣膠囊膜的制備方法及其功能化的研究新進展，重點介紹了利用共擠出毛細管裝置制備超薄壁結構的海藻酸鈣膠囊膜、利用精蛋白吸附與仿生硅化技術對超薄壁結構海藻酸鈣膠囊膜的有機/無機雜化處理，以及利用復合納米響應性凝膠顆粒的方法和接枝響應性聚合物高分子的方法實現超薄壁結構海藻酸鈣膠囊膜的功能化改性等方面的研究現狀。

膠囊膜；海藻酸鈣；超薄壁結構

引 言

海藻酸是一種常見的生物材料，由于其具有優良的生物相容性、生物可降解性以及低廉的成本等優點，受到了國際上越來越多的關注和重視[1-2]。基于海藻酸鈣的水凝膠、微球和微囊膜等載體被廣泛地應用于生物醫藥等領域[3-8]。微囊膜具有較大的內體積及優良的包埋能力，因而備受研究者們關注。毫米級海藻酸鈣膠囊膜常被用作細胞及酶等物質的固定化載體，目前其主要的制備方法是利用海藻酸鈉與鈣離子可發生交聯反應的性質，將鈣離子溶液滴入海藻酸鈉溶液中，或將海藻酸鈉溶液滴入鈣離子溶液中[2,9-12]。但這些方法制得的海藻酸鈣膠囊膜壁厚較厚且難以控制。薄壁結構的膠囊膜可減小傳質阻力，加速膠囊膜內外物質的交換。因此，具有超薄壁結構的海藻酸鈣膠囊膜在生物化工、醫藥以及環境等領域具有廣闊的應用前景。

本文主要介紹了近年來超薄壁結構海藻酸鈣膠囊膜的制備方法及其功能化的研究新進展，重點介紹了利用共擠出毛細管裝置制備超薄壁結構的海藻酸鈣膠囊膜、超薄壁結構海藻酸鈣膠囊膜的有機/無機雜化處理、超薄壁結構海藻酸鈣膠囊膜的功能化改性等方面的研究現狀，以期為進一步設計和研制新型超薄壁結構海藻酸鈣膠囊膜材料提供指導。

1 超薄壁結構海藻酸鈣膠囊膜的制備

超薄壁結構的海藻酸鈣膠囊膜主要采用共擠出毛細管裝置制備[13-15]。將內核液體及海藻酸鈉溶液分別通入共擠出裝置的內外相中，在一定的內外相流速比的條件下，管口處可穩定形成雙重液滴。該液滴靠重力作用進入鈣離子溶液中，海藻酸鈉迅速與鈣離子發生交聯反應，形成具有核殼型結構的膠囊膜，其外層是微米級厚的海藻酸鈣水凝膠膜，內核是水溶性或油溶性的液體，如圖1(a)所示。從雙重液滴形成到發生交聯的過程中，如何維持兩種液體的穩定性并且防止它們之間發生混合是極其關鍵的問題。研究發現，通過向外相溶液中加入表面活性劑，如十二烷基硫酸鈉(SDS)，可成功制備出完整的海藻酸鈣膠囊膜[13]。同時，通過調整裝置出口與鈣離子溶液液面之間的高度，以及內外流速比等參數，可靈活地改變所形成膠囊膜的厚度，厚度范圍為0.6～150mm。利用共擠出方法制備包含水溶性液核及超薄壁結構的海藻酸鈣膠囊膜，由于制備條件溫和并且可避免使用油相等優點，為細胞培養、物質包埋等領域提供了一種全新的手段。利用上述制備方法可將相變石蠟Rbubitherm?R27 (Rbubitherm?Technologies GmbH)包載于海藻酸鈣膠囊膜中，所制備的相變材料膠囊膜具有良好的球形度、單分散性及致密的囊壁結構[15]，如圖1(b)、(c)所示。通過固定外相流速而改變內相流速，可靈活調節膠囊膜的粒徑及芯核質量分數。這種包埋有相變材料的膠囊膜具有良好的調溫性能、穩定性及重復使用性。

2 超薄壁結構海藻酸鈣膠囊膜的有機/無機雜化處理

海藻酸鈣膠囊膜在水中易發生溶脹，造成膜孔徑增大，用于酶固定化等領域時，所包載的酶等物質易流失。為解決上述問題，Wang等[16]通過三步法制備了超薄壁結構的有機/無機雜化膠囊膜。首先，利用共擠出毛細管裝置將內外相分別為羧甲基纖維素鈉(CMC)溶液與海藻酸鈉溶液的水包水(W/W)液滴滴入硝酸鈣溶液中，制備出超薄壁結構的海藻酸鈣膠囊膜；隨后，通過在海藻酸鈣膠囊膜外表面吸附一層精蛋白分子，得到海藻酸鈣/精蛋白(AP)復合膠囊膜；最后，將上述AP膠囊膜置于硅酸鈉溶液中，由精蛋白分子調控的仿生硅化過程隨之發生，在靜電作用下，膠囊膜外表面生成一層二氧化硅無機層，得到海藻酸鈣/精蛋白/二氧化硅(APSi)有機/無機雜化膠囊膜，如圖2(a)所示。上述三步法中得到的膠囊膜均具有良好的球形度和單分散性，如圖2(b)～(d)所示。雜化膠囊膜是由疏松的海藻酸鈣/精蛋白復合層及致密的二氧化硅殼層組成，如圖2(e)、(f)所示。由于表面超薄無機層的生成，雜化膠囊膜的溶脹度為0%，相比于海藻酸鈣膠囊膜(溶脹度20%)，溶脹行為被有效地抑制。

研究表明，上述雜化膠囊膜是一種理想的酶固定化載體[16]。將漆酶混入內相CMC溶液中，成功制得包埋有漆酶的海藻酸鈣膠囊膜和凝膠球以及雜化膠囊膜和凝膠球，平均粒徑分別為3.75、2.68、3.34和2.84 mm，包埋率高達100%。通過比較游離漆酶與上述4種載體中漆酶的催化活力，發現雜化膠囊膜固定化漆酶的活力相比于游離酶和海藻酸鈣膠囊膜固定化漆酶略低，但在30 min內ABTS自由基的轉化產率可高達87%，如圖3(a)所示。此外，與游離漆酶相比，雜化膠囊膜固定化漆酶的熱穩定性、pH穩定性及儲存穩定性大大提高[如圖3(b)所示]，在4℃下保存20 d后，固定化酶仍具有67%的酶活力，遠高于游離漆酶(12%)。

3 超薄壁結構海藻酸鈣膠囊膜的功能化

傳統的海藻酸鈣膠囊膜在一定的條件下制備完成后，其滲透特性很難再調控。該問題可通過向海藻酸鈣膠囊膜中引入環境刺激響應型材料來解決。環境刺激響應型材料在環境中的刺激信號作用下，其物理化學性質將發生改變，環境刺激可包括溫度[17-19]、pH[20-22]、離子強度[23-25]、葡萄糖濃度[26-27]等。研究者們正致力于將環境刺激響應型材料與海藻酸鈣膠囊膜相結合，以實現不同的應用功能。

3.1 膠囊膜滲透特性的溫度響應功能

Wang等[28]研制了含有液核及超薄壁結構的溫敏海藻酸鈣膠囊膜。將沉淀聚合法制備出的具有溫敏性的聚-異丙基丙烯酰胺(PNIPAM)微球混入外相的海藻酸鈉溶液中，然后利用共擠出裝置制備得到溫敏海藻酸鈣膠囊膜。當環境溫度低于PNIPAM微球在水中的相轉變溫度(VPTT)時，海藻酸鈣膠囊膜中的PNIPAM微球處于溶脹狀態，膠囊膜的滲透性能降低，此時溶質難以通過；當環境溫度高于PNIPAM微球在水中的VPTT時，膠囊膜中的PNIPAM微球處于收縮狀態，膠囊膜的滲透性能提高，此時溶質容易通過，如圖4(a)所示。研究發現，隨著膠囊膜中PNIPAM微球含量的增加，膠囊膜的溫敏開關性能隨之提高。在25℃時，隨著膠囊膜中PNIPAM微球含量的增加，PEG2000溶質分子的滲透系數無明顯變化；而在40℃時，滲透系數隨著PNIPAM微球含量的增加而逐漸增大，如圖4(b)、(c)所示。只有在溶質分子大小與膠囊膜擴散通道的尺寸相匹配時，膠囊膜才可表現出優良的溫度響應滲透特性。

3.2 膠囊膜滲透特性的pH響應功能

Mei等[29]研究了APSi有機/無機雜化膠囊膜的pH響應滲透特性，并將其應用于仿生酶固定化載體。雜化膠囊膜的pH響應性來自于內層的海藻酸鈣/精蛋白復合層，當環境pH高于膠囊膜臨界pH時，海藻酸鈣凝膠網絡帶負電，此時帶正電的精蛋白分子由于靜電作用被吸附到海藻酸鈣凝膠網絡上，因而擴散通道呈現“開”的狀態，酶催化反應的底物和產物均可快速通過膠囊膜，使得膠囊膜內部的酶催化反應可順暢進行；當環境pH低于臨界pH時，海藻酸鈣凝膠網絡呈電中性，帶正電的精蛋白分子相互排斥地分布于凝膠網絡的擴散通道內，此時通道受阻，呈現“關”的狀態，酶催化反應底物和產物的擴散受阻，使得膠囊膜內部的酶催化反應停止，如圖5(a)所示。研究發現，在pH=3～7的環境中，隨pH的增大，海藻酸鈣膠囊膜的滲透系數緩慢增大，但無明顯突變，表明海藻酸鈣膠囊膜本身不具備pH響應性。而AP膠囊膜以及APSi膠囊膜的滲透系數隨環境pH的增大，在pH約為4.5時出現突變，該值即為上述的臨界pH，表明這兩種膠囊膜具備pH響應性，如圖5(b)所示。只有在溶質分子大小與膠囊膜擴散通道的尺寸相匹配時，膠囊膜才可表現出優良的pH響應控制釋放特性[30]。研究還發現，當環境pH從4突變為5時，酶催化反應的還原糖生成量突然顯著增加，反應速率突增，表明APSi膠囊膜具有優良的pH響應性酶催化反應控制性能，如圖5(c)所示。海藻酸鈣與精蛋白之間相互作用產生的pH響應性能在腸靶向智能化藥物載體等方面也極具應用前景[31]。

此外，APSi膠囊膜的表面接枝聚合物刷也可實現膠囊膜的功能化。Mei等[32]利用紫外光照誘導接枝方法，制備得到了APSi膠囊膜的表面接枝有聚甲基丙烯酸(PMAA)聚合物刷的pH響應性酶固定化膠囊膜。膠囊膜的pH響應性來自于外層表面接枝有PMAA聚合物刷的二氧化硅致密層。當環境pH低于PMAA的電離平衡常數(paPMAA)時，PMAA聚電解質的官能團因質子化作用而呈電中性，聚電解質鏈段處于收縮構象，此時二氧化硅殼層表面的孔隙被收縮的鏈段所覆蓋，反應底物難以透過膠囊膜進入內部，酶催反應因而無法正常進行；當環境pH高于paPMAA時，PMAA聚電解質的官能團因解離而帶負電，帶負電的官能團之間的靜電排斥作用使得接枝鏈處于伸展構象，此時二氧化硅殼層表面的孔隙處于通暢狀態，反應底物可自由進入膠囊膜內部，酶催化反應順利進行，如圖6(a)所示。研究發現，接枝后的復合膠囊膜滲透系數隨環境pH的增大，在pH=5～6之間出現突變，如圖6(b)所示。當環境pH從3突變為7時，膠囊膜的滲透系數突增，后者的滲透系數為前者的35倍，如圖6(c)所示，表明表面接枝有PMAA聚合物刷的復合膠囊膜具有優良的pH響應控制釋放特性。

4 結 論

超薄壁結構海藻酸鈣膠囊膜是優良的生物醫用材料，通過對其進行功能化得到的具有優良性能的復合膠囊膜，在生物化工、醫藥以及環境等領域具有廣闊的應用前景。迄今，對于此類膠囊膜的大多數研究仍處于實驗室基礎研究和應用開發階段，還需要系統深入研究和開發完善，才能在實際生產中得到應用。因此，今后對于此類膠囊膜的研究，還需著重考慮和解決以下問題。

（1）迄今利用共擠出裝置主要是依靠重力作用，使得W/W液滴滴入鈣離子溶液發生交聯，制備得到的海藻酸鈣膠囊膜尺寸多為3～4 mm。為使該膠囊膜能更有效地應用于更多的領域，還需要深入地探索與研究可控制備微米級含有液核及超薄壁結構海藻酸鈣微囊膜的方法，例如施加離心力或引入氣流等輔助手段[33]。

（2）為了實現可控制備出結構更加多樣化的海藻酸鈣膠囊膜，如多腔室結構膠囊膜等，以使其具有更多的功能和應用價值，還需要進一步對制備裝置和方法進行改進與設計。

（3）還需繼續深入研究超薄壁結構海藻酸鈣膠囊膜功能化的方法，進一步將其他的環境刺激響應性材料與該膠囊膜相結合，從而拓寬其應用領域。

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Recent progress in fabrication and functionalization of Ca-alginate capsules with ultrathin membranes

HE Fan1, XIE Rui1, JU Xiaojie1, WANG Wei1, LIU Zhuang1, CHU Liangyin1,2

School of Chemical EngineeringSichuan UniversityChengduSichuanChinaState Key Laboratory of Polymer Materials EngineeringSichuan UniversityChengduSichuanChina

Calcium alginate (Ca-alginate) capsule membranes are widely used in biological and medical fields due to their notable advantages such as good biocompatibility, and mild gelation conditions. Thin capsule membranes are desired to reduce the resistance to the mass transfer across the membranes, and to accelerate the exchange of solutes between the internal space of the capsule and the external environment. Therefore, fabrication and functionalization of Ca-alginate capsules with ultrathin membranes have attracted much attention recently. This paper reviews recent progress in fabrication and functionalization of Ca-alginate capsules with ultrathin membranes, and the controllable fabrication of Ca-alginate capsules with ultrathin membranesa co-extrusion approach, organic/inorganic hybrid processingadsorption of protamine molecules and biosilicification as well as functional modification of the Ca-alginate capsules with ultrathin membranes are highlighted. The thicknesses of the resultant Ca-alginate capsule membranes range from 0.6 to 150 μm, and the permeability performance of the capsule membranes could be controllably adjusted. The strategy reported in this paper provides a novel approach to fabricate novel structures of capsule membranes for various applications, particularly as a new tool for screening microorganism survival and growth in three-dimensional environments. Protamine is used to inspire and template silica formation onto the surfaces of the Ca-alginate capsules, which provides a facile and efficient method to prepare the organic/inorganic hybrid capsules with ultrathin membranes. The Ca-alginate/ protamine/silica capsules efficiently inhibit the swelling of Ca-alginate capsules, and thus are promising carriers for encapsulation of cells and enzymes. In addition, Ca-alginate capsules membranes blended with poly(-isopropylacrylamide) (PNIPAM) nanogels exhibit desirable thermo-responsive gating characteristics. pH-Responsive switching functions can be endowed by the electrostatic interactions between Ca-alginate networks and protamine molecules, or by the swelling/shrinking behaviors of the grafted poly(methacrylic acid) (PMAA) brushes on the capsule membranes. These functional capsules with ultrathin membranes have many potential applications in various fields such as enzyme catalytic reactions, immobilizations of cells and foods, and controlled release of chemicals.

capsule membranes; calcium alginate; ultrathin shells

2015-05-21.

Prof. CHU Liangyin, chuly@scu.edu.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20150663

TQ 316；TB 34

A

0438—1157（2015）08—2817—07

褚良銀。

何帆（1990—），男，博士研究生。

國家自然科學基金項目（21136006）；高分子材料工程國家重點實驗室自主研究課題“團隊項目”（sklpme2014-1-01）。

2015-05-21收到初稿，2015-05-28收到修改稿。

supported by the National Natural Science Foundation of China (21136006) and the State Key Laboratory of Polymer Materials Engineering (sklpme2014-1-01).