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(chǎng)響應(yīng)型智能微囊[7-8]、電場(chǎng)響應(yīng)型智能微囊[9]、光響應(yīng)型智能微囊[10-11]和分子識(shí)別型智能微囊[12-13]等。其中，分子識(shí)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(shí)現(xiàn)內(nèi)部包埋物質(zhì)的控制釋放。相對(duì)于其他智能微囊，分子識(shí)別型智能微囊具有特異性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

目前，已有一些分子識(shí)別型智能微囊的研究報(bào)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(shí)別金屬離子的分子識(shí)別型智能微囊、基于PNIPAM 和苯硼酸的識(shí)別葡萄糖的分子識(shí)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(shí)別Ba2+離子后“關(guān)閉”膜孔的分子識(shí)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(shí)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(shí)別葡萄糖分子釋放出囊內(nèi)包覆的胰島素。然而，目前報(bào)道的分子識(shí)別型智能微囊僅能識(shí)別金屬離子或葡萄糖等少數(shù)客體分子，使得分子識(shí)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(duì)人體和環(huán)境有害[17-20]，因此，設(shè)計(jì)和開發(fā)識(shí)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(shí)別芳環(huán)分子的分子識(shí)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(shí)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(shí)別微囊有望用于環(huán)境中芳環(huán)分子的檢測(cè)，因此在環(huán)境監(jiān)測(cè)和治理等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，研究結(jié)果為制備單分散分子識(shí)別型智能微囊及研究其控制釋放特性提供了有價(jià)值的理論指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)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(xiàn)[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(shí)驗(yàn)所用純水產(chǎn)自Millipore 純水系統(tǒng)。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)中用到的主要儀器有帶熱臺(tái)（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(shí)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(xiàn)[23-25]報(bào)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(shí)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(cè)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(jì)算方法見文獻(xiàn)[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(shí)別特性

通過測(cè)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(shí)別特性。首先，將PNA-ECD 微囊在20℃、待測(cè)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(gè)測(cè)試溫度下至少保持20min 使其達(dá)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(duì)應(yīng)的溫度。

1.4.3 微囊的等溫控制釋放實(shí)驗(yàn)

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(cè)微囊。實(shí)驗(yàn)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(jì)時(shí)，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(gè)過程用激光共聚焦顯微鏡來觀察和記錄。通過測(cè)量微囊的熒光強(qiáng)度隨時(shí)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(shí)別特性

圖2 溫度、ANS 濃度對(duì) 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(shí)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(shí)，ANS 分子中萘環(huán)進(jìn)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(shí)，PNA-ECD 微囊的直徑比rANS/W達(dá)到最小值0.7。直徑比rANS/W的最小值表示在32℃時(shí)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(shí)，PNA-ECD 微囊在識(shí)別ANS 之后將會(huì)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(shí)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(shí)分子識(shí)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(qiáng)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(qiáng)度也隨之下降。如圖3(a)所示，當(dāng)PNA-ECD 微囊識(shí)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(shí)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(shí)，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(huì)識(shí)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(qiáng)度顯著下降。ANS 溶液中，PNA-ECD微囊在16min 內(nèi)達(dá)到收縮平衡，此時(shí)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(qiáng)度和直徑比rt/0（直徑比rt/0為任意時(shí)刻的微囊直徑與初始時(shí)刻的之比）隨時(shí)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(kuò)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(shí)別ANS 模型客體分子發(fā)生等溫收縮控制釋放的機(jī)理如前所述，這里不再贅述。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，制備的PNA-ECD 微囊在識(shí)別芳環(huán)分子ANS 后能實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)PNA-ECD 微囊分子識(shí)別等溫收縮控制釋放的熒光圖片

圖5 32℃時(shí)PNA-ECD 微囊的分子識(shí)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(shí)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(shí)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(shí)別芳環(huán)分子ANS 后能實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)載藥物的等溫收縮控制釋放。32℃時(shí)，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。

[1] Chu L Y，Park S H，Yamaguchi T，et al. Preparation of micron-sized monodispersed thermoresponsive core-shell microcapsules[J]. Langmuir，2002，18（5）：1856-1864.

[2] Choi C H，Jung J H，Kim D W，et al. Novel one-pot route to monodisperse thermosensitive hollow microcapsules in a microfluidic system[J]. Lab on a Chip，2008，8（9）：1544-1551.

[3] Wang A，Tao C，Cui Y，et al. Assembly of environmental sensitive microcapsules of PNIPAAm and alginate acid and their application in drug release[J]. Journal of Colloid and Interface Science，2009，332（2）：271-279.

[4] Liu L，Yang J P，Ju X J，et al. Monodisperse core-shell chitosan microcapsules for pH-responsive burst release of hydrophobic drugs[J]. Soft Matter，2011，7（10）：4821-4827.

[5] Li C，Luo G F，Wang H Y，et al. Host–guest assembly of pH-responsive degradable microcapsules with controlled drug release behavior[J]. The Journal of Physical Chemistry C，2011，115（36）：17651-17659.

[6] 張豪，褚良銀，胡林. PHEMA 多孔微球和微囊的制備及生物醫(yī)藥應(yīng)用進(jìn)展[J]. 化工進(jìn)展，2008，27（2）：196-205.

[7] Zebli B，Susha A S，Sukhorukov G B，et al. Magnetic targeting and cellular uptake of polymer microcapsules simultaneously functionalized with magnetic and luminescent nanocrystals[J]. Langmuir，2005，21（10）：4262-4265.

[8] 楊文川，褚良銀，龐雪芹，等. 磁性溫度感應(yīng)微囊膜的制備與表征[J]. 化工進(jìn)展，2008，27（1）：120-124.

[9] Guo H，Zhao X，Wang J. Synthesis of functional microcapsules containing suspensions responsive to electric fields[J]. Journal of Colloid and Interface Science，2005，284（2）：646-651.

[10] Bogdanowicz K A，Tylkowski B，Giamberini M. Preparation and characterization of light-sensitive microcapsules based on a liquid crystalline polyester[J]. Langmuir，2013，29（5）：1601-1608.

[11] Xiao W，Chen W H，Zhang J，et al. Design of a photoswitchable hollow microcapsular drug delivery system by using a supramolecular drug-loading approach[J]. The Journal of Physical Chemistry B，2011，115（46）：13796-13802.

[12] Pi S W，Ju X J，Wu H G，et al. Smart responsive microcapsules capable of recognizing heavy metal ions[J]. Journal of Colloid and Interface Science，2010，349（2）：512-518.

[13] Chu L Y，Liang Y J，Chen W M，et al. Preparation of glucose-sensitive microcapsules with a porous membrane and functional gates[J]. Colloids and Surfaces B：Biointerfaces，2004，37（1-2）：9-14.

[14] Chu L Y，Yamaguchi T，Nakao S I. A molecular-recognition microcapsule for environmental stimuli-responsive controlled release[J]. Advanced Materials，2002，14（5）：386-389.

[15] Liu Z，Liu L，Ju X J，et al. K+-recognition capsules with squirting release mechanisms[J]. Chemical Communications，2011，47（45）：12283.

[16] Zhang M J，Wang W，Xie R，et al. Microfluidic fabrication of monodisperse microcapsules for glucose-response at physiological temperature[J]. Soft Matter，2013，9（16）：4150-4159.

[17] Lu S W，An L，Qing X X. Water solubility enhancement of phthalates by cetyltrimethylammonium bromide and α-cyclodextrin[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research，2003，42（5）：949-955.

[18] 張京，董潔，李凡. 用于多環(huán)芳烴裂解催化劑的研究進(jìn)展[J]. 化工進(jìn)展，2011，30（s1）：129-133.

[19] 蔣平平，張書源，冷炎，等. 催化合成環(huán)保增塑劑的研究及其應(yīng)用進(jìn)展[J]. 化工進(jìn)展，2012，31（5）：953-964.

[20] Guo Y R，Liang X，Wang Y Y，et al. Cyclodextrin-based molecularly imprinted polymers for the efficient recognition of pyrethroids in aqueous media[J]. Journal of Applied Polymer Science，2013，128（6）：4014-4022.

[21] 黃怡，范曉東. 堿性水溶液中β-環(huán)糊精的選擇性磺?；痆J]. 西北大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2003，33（1）：41-44.

[22] Bonomo R P，Cucinotta V，Allessandro F D，et al. Coordination properties of 6-deoxy-6-[1-(2-amino)ethylamino]-/3-cyclodextrin and the ability of its copper（Ⅱ） complex to recognize and separate amino acid enantiomeric pairs[J]. Journal of Inclusion Phenomena and Molecular Recognition in Chemistry，1993，15（2）：167-180.

[23] Li L，Guo X H，F(xiàn)u L，et al. Complexation behavior of α-，β-，and γ-cyclodextrin in modulating and constructing polymer networks[J]. Langmuir，2008，24（15）：8290-8296.

[24] Guo X H，Abdala A A，May B L，et al. Novel associative polymer networks based on cyclodextrin inclusion compounds[J]. Macromolecules，2005，38（7）：3037-3040.

[25] Li L，Guo X H，Wang J，et al. Polymer networks assembled by host-guest Inclusion between adamantyl and β-cyclodextrin substituents on poly(acrylic acid) in aqueous solution[J]. Macromolecules，2008，41（22）：8677-8681.