在pH反應(yīng)性的藥物載體中，電荷的分布會(huì)影響遞送效率，但難以進(jìn)行人為控制和表征。近日，來(lái)自德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)的Andrij Pich教授團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了通過(guò)乳液液滴納米凝膠的絮凝和凝聚來(lái)分隔聚兩性電解質(zhì)微凝膠的相關(guān)研究。研究成果以“Compartmentalized Polyampholyte Microgels by Depletion Flocculation and Coacervation of Nanogels in Emulsion Droplets”為題于近期發(fā)表在Angewandte Chemie International Edition期刊上。

該文開發(fā)了聚兩性電解質(zhì)納米微凝膠（NiM-C），通過(guò)調(diào)整合成條件可以操縱納米凝膠（NG）的排列。使用沉淀聚合技術(shù)合成了帶正電和負(fù)電的pH響應(yīng)性NG，并用不同熒光染料進(jìn)行標(biāo)記。獲得的NG隨后在基于液滴微流控的反乳化聚合中被整合到微凝膠（MG）網(wǎng)絡(luò)內(nèi)。共聚焦激光掃描顯微鏡（CLSM）驗(yàn)證了通過(guò)改變NG濃度、pH值和離子強(qiáng)度，可以得到具有不同NG排列的NiM-C，包括NG的兩相分離、NG的統(tǒng)計(jì)分布和核殼排列等。該研究為吸收和釋放帶相反電荷（藥物）的分子提供了一個(gè)新的策略。

圖1 用于生產(chǎn)聚兩性電解質(zhì)納米微凝膠（NiM-C）的微流控芯片流程圖

該研究開發(fā)了一種簡(jiǎn)單且有效的合成方法，可以得到微米級(jí)凝膠，該凝膠內(nèi)存在正負(fù)電荷隔間，可以實(shí)現(xiàn)高效藥物封裝。選用基于PNIPAAm的N,N'-亞甲基雙（丙烯酰胺）（BIS）交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)作為模型系統(tǒng)，通過(guò)沉淀聚合法合成直徑400 nm~500 nm納米、共單體含量10mol%的聚電解質(zhì)NG。為了可以有效區(qū)分不同類型的NG，在聚合物中加入了羅丹明B來(lái)標(biāo)記nNG。通過(guò)掃描透射電子顯微鏡（STEM）、動(dòng)態(tài)光散射（DLS）和電泳光散射（ELS）研究了NG的尺寸和溫度、pH值和離子強(qiáng)度反應(yīng)性。結(jié)果顯示，在室溫下HPLC級(jí)水中，nNG直徑約為400 nm，而pNG在相同條件下的尺寸約為470 nm，并且都具有<0.09的多分散指數(shù)，兩種類型NG都具有顯著的熱、pH和離子強(qiáng)度特性。接著通過(guò)基于液滴的微流控將標(biāo)記的NG加入MG網(wǎng)絡(luò)中，制造出單分散膠體水凝膠，改變流速和有機(jī)相和水相的含量可以進(jìn)行簡(jiǎn)單調(diào)整。

圖2 聚合物NiM-C、nNG和pNG的CLSM圖

純化后，研究人員通過(guò)CLSM成像研究NiM-C的形態(tài)和NG定位。Rhod B標(biāo)記的nNG染成紅色，Cy5標(biāo)記的pNG染成藍(lán)色。由于攜帶相同電荷的分子之間排斥性靜電作用和隨之而來(lái)的反離子滲透壓，兩種NG在水中室溫下都會(huì)膨脹。這些相互作用也有長(zhǎng)程效應(yīng)，可以誘發(fā)NG排列的空間分布。PNIPAAm鏈的形成、生長(zhǎng)和交聯(lián)不會(huì)影響聚電解質(zhì)NG的膠體穩(wěn)定性。NG在MG網(wǎng)絡(luò)中的分布同樣非常均勻。含有兩種類型NG的多聚物NiM-C表現(xiàn)出Janus的結(jié)構(gòu)，其中兩個(gè)NG形成高度相分離的共滲物，在MG網(wǎng)絡(luò)中沉降到一邊。表明帶相反電荷的NG之間靜電作用是共凝的驅(qū)動(dòng)力，而相同電荷NG之間的排斥力導(dǎo)致NG在整個(gè)MG網(wǎng)絡(luò)中的空間分布。混合兩種聚電解質(zhì)NG的分散體不會(huì)導(dǎo)致共固化出現(xiàn)。

圖3不同NG濃度、離子強(qiáng)度和pH值下制造的PA NiM-C的CLSM疊加圖像

合成參數(shù)如NG濃度、pH值和離子強(qiáng)度會(huì)顯著影響其內(nèi)部相互作用，因此改變這些參數(shù)能夠控制NiM-C內(nèi)部形態(tài)和NG排列。基于液滴的微流控技術(shù)使用的NG分散濃度在5到30之間。較小數(shù)量的NG存在于液滴中會(huì)使MG網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有更高的空間分離率，隨著NG濃度的增加，共沸物的大小也會(huì)不斷增加，直到占據(jù)MG網(wǎng)絡(luò)大部分。在30 mg/ml時(shí)，整個(gè)MG網(wǎng)絡(luò)被NG填充，表現(xiàn)為一種類似于核殼的亞結(jié)構(gòu)，其中pNG位于內(nèi)部，nNG位于外圍。此外，PNIPAAm基MG中共有單體的選擇會(huì)改變其界面活性。離子強(qiáng)度的增加導(dǎo)致較少共存，兩種NG在MG網(wǎng)絡(luò)中分布的更均勻。鹽濃度越高，NG電荷屏蔽的越多，反過(guò)來(lái)又會(huì)減少NG之間的靜電吸引力。nNG在pH<4.0時(shí)不帶電，而pNG在pH>10.0時(shí)不帶電。加入NIPAAm和BIS后，nNG在酸性緩沖液中會(huì)沉淀。主要因?yàn)閚NG在pH值5.0時(shí)已經(jīng)大部分質(zhì)子化，因此由于NIPAAm和BIS存在時(shí)發(fā)生的疏水效應(yīng)而發(fā)生沉淀。

在了解了其相互作用控制NiM-C的結(jié)構(gòu)及其作用方式，并且初步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了NiM-C對(duì)帶電模型藥物的攝取和觸發(fā)釋放后，研究人員進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化和分析，以提高貨物分子的吸收和排出的效率，并驗(yàn)證對(duì)多種藥物的適用性。使用基于液滴的微流控技術(shù)，可以制造出直徑在10 μm和1000 μm之間的微凝膠。根據(jù)所需的NiM-C的大小，在沉淀聚合中通過(guò)調(diào)整反應(yīng)條件，NG的直徑也可以減少。對(duì)于靜脈注射到血液中的藥物遞送系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，理想的尺寸為100nm~500 nm，而吸入性藥物載體的尺寸應(yīng)該在0.5μm~5 μm之間。在不同的情況下下，NiM-C的尺寸、表面功能和可降解性都需要優(yōu)化，以改善其在體內(nèi)的作用效果。

綜上所述，該研究建立了一個(gè)簡(jiǎn)單的逐步合成路線，用于制造聚兩性電解質(zhì)納米微凝膠（NiM-C）。共聚焦激光掃描顯微鏡觀察NiM-C內(nèi)的NG定位和排列情況。MG網(wǎng)絡(luò)形成后，pH值和離子強(qiáng)度的變化表明NiM-C形態(tài)在不同環(huán)境條件下可以保持完整，并且NG牢固的固定在MG網(wǎng)絡(luò)中。不同電荷的NG之間靜電吸引和聚合物鏈產(chǎn)生的耗竭是NG共存和相分離的主要驅(qū)動(dòng)力。選擇合成參數(shù)NG的分散濃度、pH值和離子強(qiáng)度可以控制NiM-C的內(nèi)部形態(tài)，以產(chǎn)生相分離或均勻分布的核殼狀排列NG共凝物，只有在HPLC級(jí)水中，低離子強(qiáng)度和10mg/mL的NG濃度下才能獲得相分離的凝聚物。

審核編輯：劉清