分子识别型智能微囊的制备及其控制释放特性

杨超，谢锐，巨晓洁，汪伟，褚良银

（四川大学化工学院，四川 成都 610065）

智能微囊，又称为刺激响应微囊，按响应的刺激因素不同可分为温度响应型智能微囊[1-3]、pH 响应型智能微囊[4-6]、磁场响应型智能微囊[7-8]、电场响应型智能微囊[9]、光响应型智能微囊[10-11]和分子识别型智能微囊[12-13]等。其中，分子识别型智能微囊能与特定的客体分子包结并发生构象变化，实现内部包埋物质的控制释放。相对于其他智能微囊，分子识别型智能微囊具有特异性强的优点。

目前，已有一些分子识别型智能微囊的研究报道。这些微囊可以分为基于温度响应型聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）和冠醚的识别金属离子的分子识别型智能微囊、基于PNIPAM 和苯硼酸的识别葡萄糖的分子识别型智能微囊两类。Chu 等[14]将苯并18-冠-6 与PNIPAM 的共聚线性高分子接枝到多孔微囊膜的膜孔中，得到识别Ba2+离子后“关闭”膜孔的分子识别型智能微囊。Liu 等[15]采用微流控乳液合成法将PNIPAM 与苯并15-冠-5 共聚，得到的智能微囊识别K+离子后可突释内部油核。Zhang 等[16]采用微流控乳液合成法制备出苯硼酸与PNIPAM 的共聚微囊，微囊能识别葡萄糖分子释放出囊内包覆的胰岛素。然而，目前报道的分子识别型智能微囊仅能识别金属离子或葡萄糖等少数客体分子，使得分子识别智能微囊的适用范围较窄。众所周知，芳环分子是一类含有苯环的化合物，其用途十分广泛，常用于如农药生产、塑料合成等领域。但是，许多芳环分子对人体和环境有害[17-20]，因此，设计和开发识别芳环分子且能控制释放的智能微囊具有重要的意义。

β-环糊精是一种能识别芳环分子的分子识别主体分子，本工作将其与温度响应型PNIPAM 结合，采用微流控乳液合成和缩合反应来制备能识别芳环分子的智能微囊，并考察了微囊等温收缩控制释放特性。制备的分子识别微囊有望用于环境中芳环分子的检测，因此在环境监测和治理等领域具有潜在的应用价值。同时，研究结果为制备单分散分子识别型智能微囊及研究其控制释放特性提供了有价值的理论指导和实验基础。

1 实验部分

1.1 实验材料及试剂

N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）购自梯希爱（上海）化成工业发展有限公司。氨基化β-环糊精（ECD）依照文献[21-22]中的方法合成。模型客体分子8-苯胺-1-萘磺酸铵盐（ANS）和模型药物分子异硫氰酸荧光素标记葡聚糖（FITC-dextran，MW=4000）均购自Sigma-Aldrich 公司。其他试剂包括丙烯酸（AA）、1-乙基-（3-二甲基氨基丙基）碳酰二亚胺盐酸盐（EDC）和异丙醇均为分析纯。实验所用纯水产自Millipore 纯水系统。

1.2 实验仪器

实验中用到的主要仪器有带热台（STC200，美国INSTEC 公司）的工业显微镜（BX61，日本OLYMPUS 公司）和激光共聚焦显微镜（SP5-II，德国Leica 公司）。

1.3 分子识别型智能微囊的制备

采用微流控乳化制备油包水包油（O/W/O）复乳、紫外光照引发复乳水相中的单体聚合得到聚（N-异丙基丙烯酰胺-共聚-丙烯酸）微囊。参考文献[23-25]报道的反应原理，将氨基化β-环糊精与微囊中羧基脱水缩合得到聚（N-异丙基丙烯酰胺-共聚-丙烯酸/氨基化β-环糊精）（PNA-ECD）微囊。

1.4 分子识别型智能微囊的表征

1.4.1 微囊的形貌表征

采用显微镜来观察复乳和PNA-ECD 微囊的形貌，它们的粒径由粒径分析软件测量。偏差系数（coefficient of variation，CV）用于衡量复乳、PNA-ECD 微囊的单分散性，其计算方法见文献[16]。若CV＜5%，说明样品具有良好的单分散性。

1.4.2 微囊的分子识别特性

通过测量PNA-ECD 微囊在不同浓度的ANS 溶液中温度响应曲线来考察微囊的分子识别特性。首先，将PNA-ECD 微囊在20℃、待测浓度的ANS溶液中浸泡12h。然后升高溶液的温度，记录微囊在ANS 溶液中不同温度下的直径变化。微囊在每个测试温度下至少保持20min 使其达到体积变化平衡后，再记录其直径。温度变化范围为20～48℃，ANS浓度范围为0～2.0mmol/L。微囊在ANS 溶液中的体积相转变温度（VPTT）定义为微囊直径最大值与最小值的一半所对应的温度。

1.4.3 微囊的等温控制释放实验

将一定数量的PNA-ECD 微囊浸泡在4℃的FITC-dextran 溶液（0.4g/L)中3 天，以得到内部包覆荧光药物分子的待测微囊。实验开始前先将微囊外部的荧光物质洗净，然后将其置于32℃纯水中并开始计时，20min 后迅速将微囊周围的纯水换为同体积同温度的ANS 溶液（2.0mmol/L）。整个过程用激光共聚焦显微镜来观察和记录。通过测量微囊的荧光强度随时间的变化，以及相应的直径变化来研究PNA-ECD 微囊的等温控制释放特性。

图1 O/W/O 复乳和PNA-ECD 微囊在异丙醇中的光学图片

2 结果与讨论

2.1 PNA-ECD 微囊的形貌

由图1 可知，O/W/O 复乳和PNA-ECD 微囊尺寸均一且具有明显的核壳型结构。复乳和PNA-ECD微囊的平均直径分别为347 µm 和470 µm，CV 值分别为0.57%和2.98%。与复乳相比，PNA-ECD 微囊的直径较大，这是由于主体分子β-环糊精的引入和微囊在异丙醇中溶胀造成的。研究结果表明得到的PNA-ECD 微囊具有明显的核壳结构和良好的单分散性。

2.2 PNA-ECD 微囊的分子识别特性

图2 温度、ANS 浓度对 PNA-ECD 微囊直径的影响

图2(a)为PNA-ECD 微囊在不同ANS 溶液中的直径随温度的变化。无论在纯水还是在ANS 溶液中，微囊的直径在VPTT 附近均迅速减小，而在低于或高于VPTT 时分别保持溶胀或收缩的状态。并且，随着ANS 溶液浓度的升高，PNA-ECD 微囊的VPTT 往低温迁移。由图2(b)可知，PNA-ECD 微囊的VPTT 随ANS 溶液浓度的升高而线性降低。PNA-ECD 微囊在纯水中的VPTT 为33.6℃，而在2.0mmol/L 的ANS 溶液中降低到29.5℃。这是由于PNA-ECD 微囊上的β-环糊精分子与客体分子ANS形成络合物时，ANS 分子中萘环进入β-环糊精空腔 而将苯环留在空腔之外，导致微囊的疏水性增加，因此PNA-ECD 微囊的VPTT 往低温迁移（图3）。图2(c)显示了PNA-ECD 微囊在ANS 溶液中与纯水中的直径比rANS/W随温度和ANS 浓度的变化。随着温度的升高，PNA-ECD 微囊的直径比rANS/W在某一温度附近出现最小值，且该最小值随着ANS 浓度的增加而减小。在考察的温度和ANS 浓度范围内，当温度为32℃、ANS 溶液浓度为2.0mmol/L 时，PNA-ECD 微囊的直径比rANS/W达到最小值0.7。直径比rANS/W的最小值表示在32℃时PNA-ECD 微囊在2.0mmol/L ANS 溶液中与相同温度下水中的相比，收缩率最大。而当环境温度（T1）处于PNA-ECD微囊在水中的VPTT1和ANS 溶液中的VPTT2之间时，PNA-ECD 微囊在识别ANS 之后将会等温收缩，从而释放出内载药物（如图3 所示）。为了让PNA-ECD 微囊在控制释放过程中产生最大的收缩率，从而彻底地释放内载药物，采用32℃为环境温度、2.0mmol/L 为ANS 浓度来考察微囊的控制释放特性。

图3 分子识别型智能微囊等温收缩控制释放的原理及控制释放行为

2.3 PNA-ECD 微囊的等温收缩控制释放特性

图4 为内载荧光模型药物的PNA-ECD 微囊在32℃时分子识别等温收缩的控制释放过程。在考察的20min 内，PNA-ECD 微囊在32℃纯水中直径保持不变，微囊荧光强度也几乎保持不变。当周围的溶液替换成2.0mmol/L 的ANS 溶液后，微囊迅速发生等温收缩，微囊荧光强度也随之下降。如图3(a)所示，当PNA-ECD 微囊识别ANS 分子后，ANS分子的苯环留在β-环糊精空腔外部导致微囊疏水性增加，PNA-ECD 微囊的VPTT 从纯水中的VPTT1= 33.6℃向低温迁移到2.0mmol/L ANS 中的VPTT2= 29.5℃。如图2(a)所示，PNA-ECD 微囊在温度低于或高于VPTT 时分别保持溶胀或收缩的状态。因此，当环境温度为32℃（VPTT2< T1= 32℃ < VPTT1）时，PNA-ECD 微囊在纯水中处于溶胀状态（T1= 32℃ < VPTT1），而在2.0mmol/L ANS 中处于收缩状态（T1= 32℃ > VPTT2）。于是，在32℃的环境温度下加入2.0mmol/L ANS 后，PNA-ECD 微囊会识别ANS 而由溶胀变为收缩。由于液体的不可压缩性，微囊内部溶解有荧光药物分子的溶液被收缩的微囊挤压释放到微囊外部[如图3(b)所示]，因此微囊的荧光强度显著下降。ANS 溶液中，PNA-ECD微囊在16min 内达到收缩平衡，此时微囊内部药物释放也基本完成。

图5 定量地表示PNA-ECD 微囊在等温收缩过程中的荧光强度和直径比rt/0（直径比rt/0为任意时刻的微囊直径与初始时刻的之比）随时间的变化。在纯水中，PNA-ECD 微囊处于溶胀状态且粒径保持不变，仅有7% FITC-dextran 分子在浓差的作用下透过囊壁的凝胶网络扩散到微囊外部。而当加入ANS 溶液（2.0mmol/L），PNA-ECD 微囊迅速地等温收缩，直径比rt/0为0.83。由于内部液体的不可压缩性，16min 后，约有70%的FITC-dextran 分子释放到微囊外部。PNA-ECD 微囊识别ANS 模型客体分子发生等温收缩控制释放的机理如前所述，这里不再赘述。实验结果表明，制备的PNA-ECD 微囊在识别芳环分子ANS 后能实现对内载药物的等温收缩控制释放，在32℃和2.0mmol/L 的条件下微囊的等温收缩控制释放效果显著。

图4 32℃时PNA-ECD 微囊分子识别等温收缩控制释放的荧光图片

图5 32℃时PNA-ECD 微囊的分子识别等温收缩控制释放行为

3 结 论

采用微流控乳液合成和缩合反应成功地制备了基于PNIPAM 和β-环糊精的分子识别型智能微囊。得到的PNA-ECD 微囊具有明显的核壳型结构和良好的单分散性，平均直径为470µm，CV 值为2.98%。PNA-ECD 微囊识别ANS 分子后，VPTT向低温迁移，VPTT 值由纯水中的33.6℃降低到在2.0mmol/L ANS 溶液中的29.5℃。PNA-ECD 微囊在识别芳环分子ANS 后能实现对内载药物的等温收缩控制释放。32℃时，微囊内部的FITC-dextran在纯水中无明显释放，而在加入2.0mmol/L ANS溶液16min 后，微囊中约70%的FITC-dextran 释放到微囊外部。

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