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区室化对于控制复杂的生物级联反应至关重要。在微凝胶中，离散区室的形成允许同时吸收和正交释放物理化学上不同的药物等。然而，许多产生区室化微凝胶的先进方法需要使用特定的（尽管并不总是生物相容的）成分和远高于生理范围的温度，这可能会损坏可能的生物货物。因此，开发了一种利用离子强度诱导沉淀作为区室化机制来制造区室化微凝胶的新技术。为此，采用了一种基于液滴的微流体方法，其中将预制的纳米凝胶掺入聚（N-异丙基丙烯酰胺）或聚（丙烯酰胺）基微凝胶中。仅在交叉连接处允许纳米凝胶-单体混合物与盐溶液接触可抑制纳米凝胶过早沉淀并在芯片上形成聚集体。结果表明，该方法适用于刺激响应和非刺激响应微凝胶网络中的多种纳米凝胶。对于非响应微凝胶中的温度响应纳米凝胶隔室，通过调节温度或盐浓度或改变溶剂来研究各向异性形状变化。最后，一个示例性的吸收和释放实验证明了高度选择性的药物吸收，为更先进的仿生聚合物结构铺平了道路。

三维交联胶体聚合物网络可以在水等良好溶剂中膨胀并模拟生物组织。这些微型凝胶被分为直径在 0.1 至 100 μm 之间的“微凝胶”和尺寸范围在 1 至 100 nm 之间的“纳米凝胶”，尽管通常界限不太明确，作者使用这些术语也不太严格。聚合物网络本身可以是合成来源的或生物基的。根据具体的化学成分，它们的物理化学性质差异很大，可以根据特定应用进行微调。纳米凝胶和微凝胶的其他特性包括多孔结构和可能的刺激响应性。这种刺激响应性微凝胶在暴露于外部刺激（如温度、pH 值、或紫外线）时会收缩或膨胀，具体取决于化学成分。因此，微凝胶可应用于催化、传感器和药物输送系统等多个领域。

隔室化是微凝胶的一个理想特性，因为它已被证明可以提高药物载体的功效。此外，微凝胶中的相分离允许结合多种具有相反特性的药物或分子，否则这些药物或分子无法结合到一个载体中。这还可以防止相反的功能削弱其效果。在催化作用中，微凝胶中的隔室有助于实现反应，例如酶级联。最后，各向异性与功能隔室的结合是微型机器人和微型游泳器设计的关键。

以前，人们曾通过各种技术合成过区间化微凝胶，其中最突出的一种是沉淀聚合。除了核壳型微凝胶，更复杂的区间化微凝胶是通过在不同反应时间混合多聚阴离子和多聚阳离子反应性前体溶液，通过凝聚获得 Janus 状微凝胶而产生的。另一种方法是采用沉淀聚合来合成微凝胶，然后将其用于在级联流动过程中引发另一种聚合，以产生树莓状的斑块状颗粒。也可以通过在半间歇沉淀聚合中使用自组装共聚单体来制备树莓状微凝胶，通过调节共聚单体含量也可以产生核壳或哑铃状微凝胶。然而，用这种方法很难控制微凝胶的形态，这就是为什么通常需要进行深入优化或计算机模拟支持的原因。

基于液滴的微流体方法具有多种优势，包括可制造高度单分散性液滴，只需要很少的反应量和易于自动化，以及可以精确控制流量，因此可以简单调整微凝胶组成。基于液滴的微流体以前也曾用于制造隔间化微凝胶。例如，Zhang 等人使用流动聚焦微流体，采用两种、三种或四种不同的水相，其中含有海藻酸盐和钙-乙二胺四乙酸 (EDTA) 复合物，在流动聚焦十字接头处形成乳化在油中的液滴。在层流状态下，避免混合，直到酸在第二个十字接头处通过油相引入。然后酸在扩散到水滴中后诱导钙离子从 EDTA 中释放。因此，藻酸盐通过游离钙离子交联，形成具有两个、三个或四个空间分离隔室的微凝胶，这些隔室包含荧光素或罗丹明标记的纳米颗粒。海藻酸钙凝胶化也被用于双乳液方法，以形成具有两个不同隔室的哑铃形微凝胶。为此，将含有海藻酸盐、复合钙和不同染料的两种水溶液分别分散在交叉点的酸性油相中，从而形成每种溶液的不同液滴。随后，在第二个交叉点，油包水乳液分散在另一个连续水相中。这样，就形成了由两个不同水滴组成的油滴。随着酸从周围的油中慢慢扩散到内部水滴中，水滴开始聚结，而藻酸盐则凝胶化，从而形成了 Janus 状的微凝胶结构。

与这些多相和多乳液方法相比，微凝胶中的区室化可以通过从均质液滴中相分离而进一步实现。为此，形成含有响应性材料的微流体液滴，这些材料在暴露于特定刺激时又会改变其性质（例如，它们变得疏水），从而聚集在液滴的一侧。这方面的例子包括含有通过紫外线照射相分离的光敏随机共聚物的液滴，以及通过溶剂蒸发获得的含有琼脂糖、聚乙二醇和葡聚糖的区室化微凝胶。虽然可以采用多种刺激进行相分离，从而实现区室化，但这种方法仅限于特定的响应性材料。

在大多数例子中，温度响应性材料用于从均质液滴中实现相分离。例如，在 Shah 等人的研究中，阳离子对（N-异丙基丙烯酰胺） (PNIPAAm)/聚烯丙胺微凝胶和聚丙烯酸分散在含有单体丙烯酰胺 (AAm)、交联剂和光引发剂的液滴中。由该溶液形成的液滴在高温下会发生相分离，因为热响应性 PNIPAAm 基微凝胶会因静电相互作用而塌陷、沉淀并与聚阴离子一起聚集在微凝胶的一侧。通过用紫外线活化聚合这些液滴，产生了富含丙烯酰胺和微凝胶的 Janus 状颗粒。这种方法的缺点不仅在于它仅限于热响应性组件，而且无法使用这种方法加入温度敏感的生物货物。

离子强度是另一个用于诱导水滴相分离的触发因素。含有海藻酸盐和氧化铁纳米颗粒的均质水滴分散在高粘度油中，并放置在含有大量盐的琼脂糖凝胶上。由于琼脂糖凝胶和水滴之间产生的盐浓度梯度，盐从琼脂糖凝胶扩散到液滴中，而水从液滴扩散到琼脂糖凝胶中。因此，水滴中的盐浓度增加，氧化铁纳米颗粒聚集在液滴的一侧，从而持续收缩凝胶化，产生富含铁的一侧的 Janus 状微凝胶。然而，这种技术需要多个步骤，需要很长时间，因为它是一种非连续批量方法，并且仅适用于允许这种特定类型凝胶化的某些液滴组合物。此外，液滴中存在的确切离子强度无法通过这种方式控制。当前的挑战包括找到一种可控且易于实施的利用离子强度进行区室化的方法，因为与温度诱导的相分离相比，它具有多种优势，包括更温和的条件。

最后，在我们之前的研究中，我们成功合成了隔室由带负电和带正电的聚电解质纳米凝胶组成的微凝胶，我们称之为纳米凝胶-微凝胶胶体 (NiM-C)。原则上，我们制备了包含两种纳米凝胶以及交联剂 NIPAAm 和光引发剂的分散体，用于生产微流体液滴。我们可以证明，带相反电荷的聚电解质纳米凝胶之间的静电吸引力与在紫外线照射期间线性和交联聚合物链生成时发生的耗竭絮凝相结合，导致了聚两性电解质隔室的形成。尽管如此，带正电和带负电的纳米凝胶的非常特殊的组合限制了这种方法在其他系统（如聚电解质或不带电的纳米凝胶或其他粒子）中的适用性。

为了规避这些限制，我们提出了一种在基于液滴的微流体中进行的一步式离子强度诱导区室化方法。在这项工作中，通过沉淀聚合合成了不带电以及带正电或负电的基于 PNIPAAm 的聚合物凝胶，以产生流体动力学直径约为 500 nm 的凝胶。为了将它们与在基于液滴的微流体中制备的微凝胶（其大小要大几个数量级）区分开来，在这里将它们称为“纳米凝胶”以进行明确区分。随后，为了合成和纯化，将不同的纳米凝胶物种以不同的离子强度掺入热响应（NIPAAm）和非温度响应（AAm）微凝胶中。本文中的术语“微凝胶中的纳米凝胶胶体”（NiM-C）是指含有较小纳米凝胶的微凝胶。

介绍了新颖的优化合成路线，并用 PNIPAAm 和 PAAm 基微凝胶中不带电、带正电和带负电的纳米凝胶证明了其广泛的适用性。使用共聚焦激光扫描显微镜 (CLSM) 对纳米凝胶进行荧光标记以实现在 NiM-C 内部的定位，以验证在合成过程中调节离子强度是否能够精确控制纳米凝胶的定位和区室化。此外，该方法还应用于金属纳米粒子，以在微凝胶中产生金属纳米粒子区室。对于由非响应性基质中的热响应性纳米凝胶区室组成的 PAAm 基 NiM-C，研究了 NiM-C 的各向异性形状变化，包括区室大小的变化和周围基质大小的变化。接下来，在 CLSM 中进行渗透性试验，以检查区室化和盐对微凝胶渗透性的影响。最后，原理验证实验证明了模型药物成功且高度选择性地进入隔室并随后释放。

液滴微流体合成

将两个注射泵（PHD Ultra，Harvard Apparatus，Holiston USA）连接到带有细孔聚乙烯管（内径：0.40 毫米，外径：1.10 毫米）的微流体 PDMS 器件。用倒置显微镜观察液滴形成，并用照相机（Flea3，Point Grey，Richmond CA）记录。对于第一水相，将NIPAAm（98.4 mg，0.87 mmol，100 mol％）或AAm（61.8 mg，0.87 mmol，100 mol％）以及BIS（3.4 mg，0.02 mmol，2.5 mol％）和LAP（10 mg，0.03 mmol，1 wt.％）溶解在0.5 mL一定浓度的纳米凝胶分散体中（对于不含纳米凝胶的样品，则为纯HPLC级水）。对于第二水相，将氯化钠以所需浓度溶解在HPLC级水中（对于不含纳米凝胶或纳米凝胶分布均匀的样品，则为纯HPLC级水）。对于连续油相，采用含有FluoSurf 2 wt.％ in Fluo-Oil 7500表面活性剂的氟碳油。FluoSurf 是一种中性表面活性剂，之所以选择它是因为它不与纳米凝胶的电荷相互作用。两个水相的体积流速均为 150 μL/h，油相的体积流速均为 600 μL/h。将所得的油包水乳液置于紫外线（3.6 W，365 nm）下 10 秒以引发聚合。为了纯化，用 HFE-7500 油清洗样品三次，方法是加入溶剂、摇晃，并在微凝胶沉淀后去除多余的油。用己烷和 1% Span80 混合物重复此操作两次，用纯己烷重复两次，用 1,4-二氧六环重复两次，用异丙醇重复三次，用 HPLC 级水重复三次。对于用二氧六环、异丙醇和水进行的清洗步骤，将样品以 8000 rpm 的速度离心 15 至 30 秒，以加速微凝胶的沉降。

为了生产含有金属纳米颗粒隔室的微凝胶，将 NIPAAm（98.4 mg，0.87 mmol，100 mol%）或 AAm（61.8 mg，0.87 mmol，100 mol%）以及 BIS（3.4 mg，0.02 mmol，2.5 mol%）和 LAP（10 mg，0.03 mmol，1 wt.%）溶解在 0.5 mL HPLC 级水中，然后加入 2 μL EMG 700。对于第二水相，使用 X10 PBS 缓冲液。在反应过程中，约 7 cm 的微流体管被连续照射，以确保每个液滴都得到完全照射，因为纳米颗粒表现出高吸收率。其余的合成和纯化以与生产 NiM-C 相同的方式进行。

聚合物以及胶体聚合物网络可以根据其化学组成表现出对外部刺激的响应性。例如，PNIPAAm 是一种将亲水部分和疏水部分分别与其酰胺和异丙基团相结合的聚合物。因此，PNIPAAm 表现出热响应特性：当聚合物水合时，它会在其最低临界溶解温度 (LCST) 32°C以下溶解，而在 LCST 以上，增加的热能会引起这种水合的波动。这导致水分子离开聚合物，从而使聚合物变成球状并沉淀。对于交联聚合物或聚合物胶体，这种现象称为体积相变温度 (VPTT)。除了热响应性之外，PNIPAAm 还会对离子强度的变化做出反应。在低离子强度下，PNIPAAm 链通过聚合物链段和水分子之间形成氢键而水合。然而，随着离子强度的增加，添加的电解质与聚合物链竞争水分子的水合作用，聚合物链段和水分子之间的氢键数量减少。在足够高的离子强度下，聚合物链段之间的疏水相互作用比氢键占主导地位，微凝胶会消肿。在临界盐浓度以上，电解质-水相互作用和聚合物链之间的疏水相互作用占主导地位，微凝胶形成聚集体，可从水溶液中沉淀出来。对于各种基于 PNIPAAm 的纳米凝胶，这种影响甚至在宏观上也是可见的。

这种效应可用于离子强度诱导水性微流体液滴相分离。不带电的 PNIPAAm 基纳米凝胶被选为热响应模型颗粒。对于较大的微凝胶网络，同时使用 PNIPAAm 和 PAAm。将 PNIPAAm 纳米凝胶加入 PNIPAAm 微凝胶中已得到证实，并可以直接比较这两种方法。PAAm 是一种无响应材料，因此与热响应纳米凝胶结合可促进各向异性形状变化行为。

不带电的 PNIPAAm 基纳米凝胶采用半间歇法合成，其中含有 NIPAAm、N,N'-亚甲基双（丙烯酰胺） (BIS)、盐酸和十二烷基硫酸钠 (SDS) 的溶液以 2,2'-偶氮双[N-(2-羧乙基)2-甲基丙脒] (ACMA) 为起始剂。甲基丙烯酰氧乙基硫代氨基甲酰基罗丹明 B (RB) 被延迟添加作为荧光共聚单体，以便稍后在 CLSM 中可视化。

通过透析纯化后，将冻干的纳米凝胶以所需浓度重新分散在 HPLC 级水中，以进行基于液滴的微流体合成。为此，将 NIPAAm 或 AAm、交联剂 BIS 和光引发剂锂苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰膦酸盐 (LAP) 溶解在纳米凝胶分散体中，用作第一水相。所需浓度的氯化钠溶液用作第二水相。这里，重要的是要考虑到两个水相的流量比（因此体积比）均为 1:1。因此，在芯片上形成油包水液滴后，组分的浓度减半。含FluoSurf 2 wt.% in HFE7500 中性表面活性剂油用于油相，以稳定乳液并避免表面活性剂与水相中存在的带电组分之间发生不必要的静电相互作用。在足够高的离子强度下，纳米凝胶会在两个水相交汇处的交叉点处沉淀并形成隔室。将水包油乳液收集在小瓶中，并用紫外线照射 10 秒以引发聚合。此方法的示意图如图 1 所示。

图1：基于液滴的微流体装置的示意图。一个水相包含单体、交联剂、引发剂和纳米凝胶，另一个水相由氯化钠溶液组成。A) 在两个水相接触的界面处，局部高盐浓度导致纳米凝胶坍塌和沉淀。B) 在交叉连接处形成油包水液滴后，液滴内部形成相分离区。C-E) CLSM 图像显示基于 PNIPAAm 的 NiM-C 具有不同程度的区室化，具体取决于合成过程中使用的离子强度，这通过插入到相应图像中的示意图进行了示例性说明。比例尺代表 300 μm。

图2：共聚焦激光扫描显微镜叠加 PNIPAAm（顶部，深灰色）和基于 PAAm 的 NiM-C（底部，浅灰色）的图像，其中包含不带电的纳米凝胶（黄色）、带负电的纳米凝胶（红色）、带正电的纳米凝胶（蓝色）以及带负电和带正电的纳米凝胶的混合物（粉色）。图像中标出了微流体合成过程中水滴中所含的离子强度。由于 PAAm 和水的折射率相似，因此标记了基于 PAAm 的 NiM-C，以提高可见度。比例尺代表 300 μm。

图3：A) 显微镜图像和示意图概述了 PAAm 基 NiM-C 在温度、离子强度或溶剂极性变化时各向异性形状变化行为。B) 不含纳米凝胶的 PAAm 基微凝胶的离子强度响应行为，具有均匀的纳米凝胶分布和分隔的纳米凝胶，以及隔间本身，其中 n = 50 个微凝胶测量微凝胶面积，n = 25 个微凝胶测量隔间面积。C) n = 20 个微凝胶在一系列不同溶剂中按极性递减排序的 PAAm 基 NiM-C 的微凝胶和隔间尺寸。

图4：纯 PNIPAAm 微凝胶、具有均匀纳米凝胶分布的 PNIPAAm NiM-C 和分隔的 NiM-C 的渗透性测定。右侧绘制了通过微凝胶横截面的荧光 FITC-葡聚糖（平均分子量为 4 至 250 kDa）的强度。比例尺代表 100 μm。

图5：纯 PAAm 微凝胶、具有均匀纳米凝胶分布的 PAAm NiM-C 和分隔的 NiM-C 的渗透性测定。右侧绘制了通过微凝胶横截面的荧光 FITC-葡聚糖（平均分子量为 4 至 250 kDa）的强度。比例尺代表 100 μm。

图6：A) PAAm NiM-C 示意图，其隔间包含未标记的 PNIPAAm 纳米凝胶，用于吸收疏水性模型药物姜黄素（青色）并随后在甲醇中释放。CLSM 图像显示 NiM-C B) 吸收前，C) 吸收后 D) 和释放后。比例尺代表 100 μm。

在本文的研究中，我们开发了基于液滴的微流体中离子强度诱导的区室化技术，并针对 PNIPAAm 和 PAAm 基纳米凝胶微凝胶胶体 (NiM-C) 中的不带电、带负电和带正电的纳米凝胶进行了优化。我们发现，将两种带电纳米凝胶物种结合在一起会导致它们由于松散链端的缠结而共沉淀。对于所有研究的组合，通过调节盐浓度可以精确控制区室化的程度。此外，还生产了具有氧化铁纳米颗粒区室的微凝胶，以进一步展示该方法的范围。

PNIPAAm 和 PAAm NiM-C 的离子强度和温度相关测量证实，所掺入的纳米凝胶和周围微凝胶的性质保持不变。尤其是对于隔室化的 PAAm NiM-C，嵌入非响应性微凝胶中的响应性隔室的组合导致各向异性形状变化行为：PNIPAAm 隔室可以通过温度或盐浓度的变化触发，而 PAAm 基质在有机溶剂中崩塌。此外，渗透性试验表明，纳米凝胶的加入略微降低了 NiM-C 的渗透性。相反，在 NIPAAm 等离子强度响应性单体的聚合过程中存在盐会产生更多多孔微凝胶，这是因为生成的聚合物链在聚合过程中会沉淀。最后，在示例性吸收实验中，疏水性模型药物姜黄素被装入 PAAm NiM-C 中富含 PNIPAAm 的隔室中，证实了该方法可用于制造隔室化微凝胶，以实现高度选择性的吸收和随后的释放。

总之，我们提出了一种生产分区微凝胶的新方法，该方法能够轻松精确地控制分区程度，适用于各种系统。该方法可用于生产表现出各向异性形状变化并可选择性吸收较小分子的微凝胶。因此，该方法为生物医学应用的先进微凝胶形态铺平了道路。

参考文献：

Pieper MI, Mathews HF, Pich A. Ionic Strength-Induced Compartmentalization for Nanogel-in-Microgel Colloids. Small. 2025 Jan 15:e2410221. doi: 10.1002/smll.202410221. 

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