超薄壁结构海藻酸钙胶囊膜制备及其功能化研究新进展

何帆，谢锐，巨晓洁，汪伟，刘壮，褚良银,2



超薄壁结构海藻酸钙胶囊膜制备及其功能化研究新进展

何帆1，谢锐1，巨晓洁1，汪伟1，刘壮1，褚良银1,2

（1四川大学化学工程学院，四川成都610065；2四川大学高分子材料工程国家重点实验室，四川成都610065）

海藻酸钙胶囊膜由于具有制备过程温和环保、材料生物相容性优良等优点，广泛应用于生物医药等领域。薄壁结构的胶囊膜可减小跨膜传质阻力，加速囊膜内外物质的交换，因而备受学术界和工业界的广泛关注。近年来，具有超薄壁结构的海藻酸钙胶囊膜的制备与改性成为一个研究热点。本文综述了超薄壁结构海藻酸钙胶囊膜的制备方法及其功能化的研究新进展，重点介绍了利用共挤出毛细管装置制备超薄壁结构的海藻酸钙胶囊膜、利用精蛋白吸附与仿生硅化技术对超薄壁结构海藻酸钙胶囊膜的有机/无机杂化处理，以及利用复合纳米响应性凝胶颗粒的方法和接枝响应性聚合物高分子的方法实现超薄壁结构海藻酸钙胶囊膜的功能化改性等方面的研究现状。

胶囊膜；海藻酸钙；超薄壁结构

引 言

海藻酸是一种常见的生物材料，由于其具有优良的生物相容性、生物可降解性以及低廉的成本等优点，受到了国际上越来越多的关注和重视[1-2]。基于海藻酸钙的水凝胶、微球和微囊膜等载体被广泛地应用于生物医药等领域[3-8]。微囊膜具有较大的内体积及优良的包埋能力，因而备受研究者们关注。毫米级海藻酸钙胶囊膜常被用作细胞及酶等物质的固定化载体，目前其主要的制备方法是利用海藻酸钠与钙离子可发生交联反应的性质，将钙离子溶液滴入海藻酸钠溶液中，或将海藻酸钠溶液滴入钙离子溶液中[2,9-12]。但这些方法制得的海藻酸钙胶囊膜壁厚较厚且难以控制。薄壁结构的胶囊膜可减小传质阻力，加速胶囊膜内外物质的交换。因此，具有超薄壁结构的海藻酸钙胶囊膜在生物化工、医药以及环境等领域具有广阔的应用前景。

本文主要介绍了近年来超薄壁结构海藻酸钙胶囊膜的制备方法及其功能化的研究新进展，重点介绍了利用共挤出毛细管装置制备超薄壁结构的海藻酸钙胶囊膜、超薄壁结构海藻酸钙胶囊膜的有机/无机杂化处理、超薄壁结构海藻酸钙胶囊膜的功能化改性等方面的研究现状，以期为进一步设计和研制新型超薄壁结构海藻酸钙胶囊膜材料提供指导。

1 超薄壁结构海藻酸钙胶囊膜的制备

超薄壁结构的海藻酸钙胶囊膜主要采用共挤出毛细管装置制备[13-15]。将内核液体及海藻酸钠溶液分别通入共挤出装置的内外相中，在一定的内外相流速比的条件下，管口处可稳定形成双重液滴。该液滴靠重力作用进入钙离子溶液中，海藻酸钠迅速与钙离子发生交联反应，形成具有核壳型结构的胶囊膜，其外层是微米级厚的海藻酸钙水凝胶膜，内核是水溶性或油溶性的液体，如图1(a)所示。从双重液滴形成到发生交联的过程中，如何维持两种液体的稳定性并且防止它们之间发生混合是极其关键的问题。研究发现，通过向外相溶液中加入表面活性剂，如十二烷基硫酸钠(SDS)，可成功制备出完整的海藻酸钙胶囊膜[13]。同时，通过调整装置出口与钙离子溶液液面之间的高度，以及内外流速比等参数，可灵活地改变所形成胶囊膜的厚度，厚度范围为0.6～150mm。利用共挤出方法制备包含水溶性液核及超薄壁结构的海藻酸钙胶囊膜，由于制备条件温和并且可避免使用油相等优点，为细胞培养、物质包埋等领域提供了一种全新的手段。利用上述制备方法可将相变石蜡Rbubitherm®R27 (Rbubitherm®Technologies GmbH)包载于海藻酸钙胶囊膜中，所制备的相变材料胶囊膜具有良好的球形度、单分散性及致密的囊壁结构[15]，如图1(b)、(c)所示。通过固定外相流速而改变内相流速，可灵活调节胶囊膜的粒径及芯核质量分数。这种包埋有相变材料的胶囊膜具有良好的调温性能、稳定性及重复使用性。

2 超薄壁结构海藻酸钙胶囊膜的有机/无机杂化处理

海藻酸钙胶囊膜在水中易发生溶胀，造成膜孔径增大，用于酶固定化等领域时，所包载的酶等物质易流失。为解决上述问题，Wang等[16]通过三步法制备了超薄壁结构的有机/无机杂化胶囊膜。首先，利用共挤出毛细管装置将内外相分别为羧甲基纤维素钠(CMC)溶液与海藻酸钠溶液的水包水(W/W)液滴滴入硝酸钙溶液中，制备出超薄壁结构的海藻酸钙胶囊膜；随后，通过在海藻酸钙胶囊膜外表面吸附一层精蛋白分子，得到海藻酸钙/精蛋白(AP)复合胶囊膜；最后，将上述AP胶囊膜置于硅酸钠溶液中，由精蛋白分子调控的仿生硅化过程随之发生，在静电作用下，胶囊膜外表面生成一层二氧化硅无机层，得到海藻酸钙/精蛋白/二氧化硅(APSi)有机/无机杂化胶囊膜，如图2(a)所示。上述三步法中得到的胶囊膜均具有良好的球形度和单分散性，如图2(b)～(d)所示。杂化胶囊膜是由疏松的海藻酸钙/精蛋白复合层及致密的二氧化硅壳层组成，如图2(e)、(f)所示。由于表面超薄无机层的生成，杂化胶囊膜的溶胀度为0%，相比于海藻酸钙胶囊膜(溶胀度20%)，溶胀行为被有效地抑制。

研究表明，上述杂化胶囊膜是一种理想的酶固定化载体[16]。将漆酶混入内相CMC溶液中，成功制得包埋有漆酶的海藻酸钙胶囊膜和凝胶球以及杂化胶囊膜和凝胶球，平均粒径分别为3.75、2.68、3.34和2.84 mm，包埋率高达100%。通过比较游离漆酶与上述4种载体中漆酶的催化活力，发现杂化胶囊膜固定化漆酶的活力相比于游离酶和海藻酸钙胶囊膜固定化漆酶略低，但在30 min内ABTS自由基的转化产率可高达87%，如图3(a)所示。此外，与游离漆酶相比，杂化胶囊膜固定化漆酶的热稳定性、pH稳定性及储存稳定性大大提高[如图3(b)所示]，在4℃下保存20 d后，固定化酶仍具有67%的酶活力，远高于游离漆酶(12%)。

3 超薄壁结构海藻酸钙胶囊膜的功能化

传统的海藻酸钙胶囊膜在一定的条件下制备完成后，其渗透特性很难再调控。该问题可通过向海藻酸钙胶囊膜中引入环境刺激响应型材料来解决。环境刺激响应型材料在环境中的刺激信号作用下，其物理化学性质将发生改变，环境刺激可包括温度[17-19]、pH[20-22]、离子强度[23-25]、葡萄糖浓度[26-27]等。研究者们正致力于将环境刺激响应型材料与海藻酸钙胶囊膜相结合，以实现不同的应用功能。

3.1 胶囊膜渗透特性的温度响应功能

Wang等[28]研制了含有液核及超薄壁结构的温敏海藻酸钙胶囊膜。将沉淀聚合法制备出的具有温敏性的聚-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)微球混入外相的海藻酸钠溶液中，然后利用共挤出装置制备得到温敏海藻酸钙胶囊膜。当环境温度低于PNIPAM微球在水中的相转变温度(VPTT)时，海藻酸钙胶囊膜中的PNIPAM微球处于溶胀状态，胶囊膜的渗透性能降低，此时溶质难以通过；当环境温度高于PNIPAM微球在水中的VPTT时，胶囊膜中的PNIPAM微球处于收缩状态，胶囊膜的渗透性能提高，此时溶质容易通过，如图4(a)所示。研究发现，随着胶囊膜中PNIPAM微球含量的增加，胶囊膜的温敏开关性能随之提高。在25℃时，随着胶囊膜中PNIPAM微球含量的增加，PEG2000溶质分子的渗透系数无明显变化；而在40℃时，渗透系数随着PNIPAM微球含量的增加而逐渐增大，如图4(b)、(c)所示。只有在溶质分子大小与胶囊膜扩散通道的尺寸相匹配时，胶囊膜才可表现出优良的温度响应渗透特性。

3.2 胶囊膜渗透特性的pH响应功能

Mei等[29]研究了APSi有机/无机杂化胶囊膜的pH响应渗透特性，并将其应用于仿生酶固定化载体。杂化胶囊膜的pH响应性来自于内层的海藻酸钙/精蛋白复合层，当环境pH高于胶囊膜临界pH时，海藻酸钙凝胶网络带负电，此时带正电的精蛋白分子由于静电作用被吸附到海藻酸钙凝胶网络上，因而扩散通道呈现“开”的状态，酶催化反应的底物和产物均可快速通过胶囊膜，使得胶囊膜内部的酶催化反应可顺畅进行；当环境pH低于临界pH时，海藻酸钙凝胶网络呈电中性，带正电的精蛋白分子相互排斥地分布于凝胶网络的扩散通道内，此时通道受阻，呈现“关”的状态，酶催化反应底物和产物的扩散受阻，使得胶囊膜内部的酶催化反应停止，如图5(a)所示。研究发现，在pH=3～7的环境中，随pH的增大，海藻酸钙胶囊膜的渗透系数缓慢增大，但无明显突变，表明海藻酸钙胶囊膜本身不具备pH响应性。而AP胶囊膜以及APSi胶囊膜的渗透系数随环境pH的增大，在pH约为4.5时出现突变，该值即为上述的临界pH，表明这两种胶囊膜具备pH响应性，如图5(b)所示。只有在溶质分子大小与胶囊膜扩散通道的尺寸相匹配时，胶囊膜才可表现出优良的pH响应控制释放特性[30]。研究还发现，当环境pH从4突变为5时，酶催化反应的还原糖生成量突然显著增加，反应速率突增，表明APSi胶囊膜具有优良的pH响应性酶催化反应控制性能，如图5(c)所示。海藻酸钙与精蛋白之间相互作用产生的pH响应性能在肠靶向智能化药物载体等方面也极具应用前景[31]。

此外，APSi胶囊膜的表面接枝聚合物刷也可实现胶囊膜的功能化。Mei等[32]利用紫外光照诱导接枝方法，制备得到了APSi胶囊膜的表面接枝有聚甲基丙烯酸(PMAA)聚合物刷的pH响应性酶固定化胶囊膜。胶囊膜的pH响应性来自于外层表面接枝有PMAA聚合物刷的二氧化硅致密层。当环境pH低于PMAA的电离平衡常数(paPMAA)时，PMAA聚电解质的官能团因质子化作用而呈电中性，聚电解质链段处于收缩构象，此时二氧化硅壳层表面的孔隙被收缩的链段所覆盖，反应底物难以透过胶囊膜进入内部，酶催反应因而无法正常进行；当环境pH高于paPMAA时，PMAA聚电解质的官能团因解离而带负电，带负电的官能团之间的静电排斥作用使得接枝链处于伸展构象，此时二氧化硅壳层表面的孔隙处于通畅状态，反应底物可自由进入胶囊膜内部，酶催化反应顺利进行，如图6(a)所示。研究发现，接枝后的复合胶囊膜渗透系数随环境pH的增大，在pH=5～6之间出现突变，如图6(b)所示。当环境pH从3突变为7时，胶囊膜的渗透系数突增，后者的渗透系数为前者的35倍，如图6(c)所示，表明表面接枝有PMAA聚合物刷的复合胶囊膜具有优良的pH响应控制释放特性。

4 结 论

超薄壁结构海藻酸钙胶囊膜是优良的生物医用材料，通过对其进行功能化得到的具有优良性能的复合胶囊膜，在生物化工、医药以及环境等领域具有广阔的应用前景。迄今，对于此类胶囊膜的大多数研究仍处于实验室基础研究和应用开发阶段，还需要系统深入研究和开发完善，才能在实际生产中得到应用。因此，今后对于此类胶囊膜的研究，还需着重考虑和解决以下问题。

（1）迄今利用共挤出装置主要是依靠重力作用，使得W/W液滴滴入钙离子溶液发生交联，制备得到的海藻酸钙胶囊膜尺寸多为3～4 mm。为使该胶囊膜能更有效地应用于更多的领域，还需要深入地探索与研究可控制备微米级含有液核及超薄壁结构海藻酸钙微囊膜的方法，例如施加离心力或引入气流等辅助手段[33]。

（2）为了实现可控制备出结构更加多样化的海藻酸钙胶囊膜，如多腔室结构胶囊膜等，以使其具有更多的功能和应用价值，还需要进一步对制备装置和方法进行改进与设计。

（3）还需继续深入研究超薄壁结构海藻酸钙胶囊膜功能化的方法，进一步将其他的环境刺激响应性材料与该胶囊膜相结合，从而拓宽其应用领域。

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已有大量关于ENSO与中国夏季降水关系的工作(叶愈源,1988;Huang and Wu,1989;金祖辉和陶诗言,1999;赵亮等,2006)。研究表明东亚夏季风降水可能与ENSO循环的阶段性有关,并建立ENSO与中国夏季降水的时滞相关模型,将其应用于业务预报,取得了一定成效。但ENSO 与中国夏季降水的关系具有不稳定性(宗海峰等,2010)。中国夏季降水异常可能与El Nio事件的强度(薛峰和刘长征,2007)、与El Nio事件发生时最大暖海温的位置(张志华和黄刚,2008;Feng et al.,2011;郭栋等,2016)有关。

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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

褚良银。

何帆（1990—），男，博士研究生。

国家自然科学基金项目（21136006）；高分子材料工程国家重点实验室自主研究课题“团队项目”（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).