微流体使智能微胶囊能够实现量身定制的递送和控制释放(中)

微流控芯片

3.1.2双乳液模板递送系统用于高效封装双乳液模板微胶囊具有核-壳结构，允许将材料封装在核内，壳充当扩散屏障，以增强有效封装的保留。使用不同的壳固化，壳可以被设计成致密壳、多孔壳、胶体颗粒壳和聚合物壳，如图所示。

具有致密外壳的微胶囊具有低渗透性和机械和化学稳定性的特性，适用于需要高效封装、长期储存/隔离而不泄漏、在输送过程中不需要分子交换的输送系统。聚合物的聚合和固结是形成致密壳的合适方法。一些化学稳定性较差的活性密封剂通常被封装在具有致密外壳的递送系统中。例如，开发了94.5%的热能储存系统的包封率，通过聚脲和聚甲基丙烯酸甲酯的混合和传感聚合物壳包封N-十六烷。具有致密壳的输送系统在减轻挥发性物质方面也发挥着关键作用。一个典型的例子是水乳液辅助微胶囊中的香料，其中致密壳是通过三羟甲基丙烷乙氧基化物三丙烯酸酯和PEGDA共聚制成的，α-蒎烯的包封效率超过95%。为了避免表面活性剂的吸附损失以提高石油采收率，致密壳微胶囊是一种有前景的输送系统，用于将表面活性剂输送到残油中。也有必要保护蛋白质的结构和活性免受胃肠道环境的负面影响。通过在分子之间引入氢键来构建稳定的壳，实现了高达98%的高包封率，并提高了藻蓝蛋白的稳定性和生物利用度。致密壳厚度是力学性能的重要参数，可以通过微流体前体浓度、流速和粘度进行调节。均匀的壳厚度有利于保持机械稳定性，但需要更高的渗透压来释放密封剂，这可能不适合某些生物医学应用。通过调节中间相和内相的流速比来制造不均匀的致密壳。在低渗透压条件下，不均匀壳的最薄弱点会膨胀并最终破裂，从而释放密封剂。

具有多孔外壳的半渗透微胶囊通常用于选择性地包封活性材料，并确保内部和周围环境之间的相互作用，特别是用于细胞包封。多孔膜可以通过内部液滴作为模板，然后在壳中产生孔或直接形成多孔壳来制造。多孔壳的渗透性由孔隙率和孔径决定，与孔径相比，这允许输送较小的材料。例如，使用乙酸丁酯作为致孔剂，通过聚合诱导的相分离制备了孔径小于30 nm的半渗透生物相容性微胶囊，该微胶囊可以包封大于32.7 kDa的蛋白质和酶，并允许较小分子的渗透。使用聚环氧乙烷作为致孔剂时，具有高细胞存活率（>90%）的β细胞被包裹在带有多孔藻酸盐外壳的递送系统中，这保护了β细胞免受免疫排斥，并允许在移植过程中交换小分子营养物质。常用的致孔剂是烃蜡、碳水化合物、明胶和糖。然而，必须谨慎去除致孔剂以防止对形态产生负面影响。因此，永久几何模板和自组装树枝状大分子染料络合物已被引入，以生产具有明确孔隙的单分散多孔微球。多孔递送系统很难将渗透性、选择性和机械稳定性结合起来。为了平衡这三个特征，引入了一种相转化技术来制备坚固且可渗透的多孔壳。一个例子是吴等人设计的不对称分级大孔壳，在他们的报告中，微胶囊在高渗压下缓慢松开并恢复球形（PEG-6000，0.1 mol L−1）。

吸附到乳液模板上的胶体颗粒连接成密集堆积的胶体颗粒壳，可称为胶体微胶囊。具有胶体颗粒壳的输送系统优选用于封装需要超高孔隙率、大接触表面积和内部结构控制的活性材料。无机和有机纳米粒子可用于形成胶体壳，其孔径可以通过监测不同流体动力学直径的染料分子来研究。胶体壳的渗透性可以通过涂层颗粒的半径和制造后处理来控制。颗粒之间的孔径约为颗粒半径的10%。通过聚合物的胶体自组装或相分离，孔径通常大于50 nm，而嵌段聚合物的微相分离提供5-50nm的孔径。尺寸较小的密封剂，可以通过这些壳扩散。例如，由20 nm紫胶纳米颗粒与遥爪聚合物交联制成的多孔壳可以允许1 nm罗丹明B的运输，同时将60 nm颗粒包封在芯中。特别是，当分子尺寸明显小于孔径时，包封剂的运输速率不受形成壳的颗粒尺寸的影响。为了提高胶体壳的机械性能，设计了低稀释剂浓度和密集互连的颗粒网络，并在断裂时表现出高达200 mN的力。不是自组装形成密集堆积的胶体颗粒，而是引入静电相互作用使带负电荷的紫胶纳米粒和带正电荷的遥爪聚合物复合，从而开发了一种多孔超用于选择性渗透性的薄壳。

聚合体（也称为聚合物囊泡）是具有由大分子两亲性嵌段共聚物、二嵌段、三嵌段、接枝和树枝状共聚物双层组成的膜的囊泡。聚合体用作递送系统，具有高稳定性、多功能性和同时包封亲水性和疏水性材料的能力。由于膜的化学成分和厚度经过调整，亲水性物质通常被包封在其水腔内，而疏水性分子被包裹在其膜内。膜的厚度可以通过调节两亲性嵌段共聚物的长度和组成来调节，范围在2 nm至47 nm之间。较厚的膜可以更有效地包封疏水性药物和较小的纳米粒子。例如，疏水性金纳米颗粒（9±2 nm）被掺入外壳的疏水部分，以实现激光触发释放，而7 nm以上的纳米颗粒不能被包裹在脂质体的膜内。与脂质体相比，聚合物体的困境在于调节稳定性和透性。通过精确控制微流体，制备了具有稳定和半渗透性的Pluronic L聚合物体，并实现了对人工细胞样酶反应的时空控制，从而形成了人工细胞模型。

为了在没有交叉污染的情况下将不同的材料同时封装在单一载体中，多室微胶囊是递送系统的良好候选者。多室微胶囊可分为同心多室（多壳）和平行多室（多核）。对于双乳液，同心多室通常是指芯和壳的同时封装。多芯输送系统可以通过在微流体装置中使用多个内部通道来制造（图5（a）和（b）），或者通过设计分层和可扩展的微流体装置来制造（见图5（c））。通过在一个内部通道中流动量子点，在另一个内部管道中流动氧化铁，制备了多核各向异性磁性微胶囊，将量子点和氧化铁包封在单独的芯中。Deng等人利用独立的液滴流并调节界面能来制备多室脂质体。通过改变造滴液的相关流速，从而改变液滴的形成速率和数量，生产出具有可控阵列四芯的微胶囊。此外，微流体装置中的五个单独的内部通道用于生产具有五芯的智能微胶囊。

3.1.3用于高效包封的高阶乳液模板递送系统通过结构和成分的灵活组合，高阶乳液模块化微胶囊作为递送系统能够有效包封活性材料，可以通过一步或多步液滴发生器制造，如图6所示。高阶乳液模板输送系统能够实现活性材料的多样化和灵活封装。以O/W/O/W三重乳液为模板，制备了一种具有超薄水层的递送系统，实现了95%的高包封率，并延长了疏水性α-烯烃的储存时间。通过制备W/O/W/O三重乳液模板，水凝胶递送系统，中间油层作为有效的扩散屏障，将亲水性钠盐包封到水性核心中，储存时间为3个月。受天然细胞的启发，Chu等人模仿非酶抗氧化防御系统，制备高活性抗氧化剂的三重乳液-模板载体，一个月后达到94.6±4.25%的包封率。为了确保更有效的包封能力，生产载体的要求很高。外壳薄，芯体积最大化。W/O/W/O三重乳液液滴的高内渗透性用于生产具有大水芯的输送系统。水芯的较高最内渗透性导至水随着油层的破裂而向内流动，从而使芯膨胀并使水凝胶壳收缩。

除了三重乳液模板外，还制备了四重乳液模板微胶囊，特别是同心多隔室微胶囊，以实现高效封装。Lee等人使用W1/O2/W3/O4/W5四重乳液作为模板，制造了具有同心多隔室的多壳微胶囊，用于包封不同的试剂。为了提高包封效率，W1/O2/W3双乳液滴流过外核鞘流W3/O4的核心流，O2和O4由超薄壳制备。通过应用一步四重模板合成，报道了另一种具有同心多隔室的新型特洛伊木马状递送系统，其中嵌套的内核和外隔室可以通过将两个刺激响应功能壳结合到其内部和外部水层中来分别封装不同的材料。

外部刺激介导的被动靶标旨在对外部给定的刺激（如光、磁和超声波）做出反应。光和超声波刺激在触发释放方面比在靶标部位的积累起着更重要的作用。因此，我们在本节中重点介绍磁性介导的被动靶点。外部磁介导被动靶的最重要步骤是掺入超顺磁性纳米颗粒，这使得载体能够在可切换的磁场中被操纵，并提供准确有效的靶递送。通过将螯合溶液包封的Fe3O4超顺磁性纳米颗粒注入内核（图7（c）），双乳液模板微胶囊表现出高效的递送效率（>90%），并靶向递送到特定的尿石症部位进行尿石症治疗。此外，Fe3O4纳米颗粒可以掺入胶囊膜中进行智能磁靶向。这种方法的一个优点是，即使在重复膨胀/收缩20次后，包埋在胶囊膜中的纳米颗粒也不会扩散出膜。铁磁流体也被用于使聚电解质微胶囊功能化，以实现磁性靶向。尽管含有Fe3O4纳米粒子的递送系统可以实现位点特异性靶向递送，但方向特异性递送受到限制。通过利用微流体技术，制造了具有偏心磁芯的微胶囊，使微胶囊能够通过磁引导旋转控制特定方向。磁靶与响应特性相结合，能够制造出多刺激响应载体，以实现精确递送。一个例子是热响应PNIPAM外壳嵌入的超顺磁性Fe纳米粒子和pH响应微胶囊，它们表现出磁引导靶向性能、根据不同pH水平的病理部位自我调节释放和受控的热触发释放。值得注意的是，磁驱动的微/纳米机器人是最有前景的靶向递送系统，因为它们具有远程、精确和非侵入性操纵的能力。如图7（d）所示，通过将磁性纳米粒子掺入PEGDA和聚醚酰亚胺预聚物溶液中，制造出了具有精确磁集体控制的微机器人。凭借磁介导的精确定位控制（偏差小于4%）的优势，微机器人精确导航到目标部位进行超微创治疗。

3.2.2主动靶标递送尽管被动靶标正在被广泛探索，以实现不同应用的靶标递送，但由于多种障碍，特别是在多孔和生理介质中，这些载体有效靶向并保持在所需位置的能力是有限的。活性靶标在载体表面结合了靶配体，有可能显著增强靶向识别并减少脱靶效应。活性靶标和被动靶标之间的关键区别在于是否存在初始步骤，包括配体介导的识别和靶位点的亲和力。

活性靶标的常见配体包括抗体、个适体、种蛋白质、种肽或小分子。合适配体的结合使载体具有有效的初始附着并确保靶标递送。例如，通过配备叶酸配体，微胶囊对宫颈细胞显示出有效的细胞毒性活性，生长抑制活性和体外细胞毒性比未修饰配体的微胶囊高8倍。制备了与雌激素结合的微胶囊，以靶向表达雌激素受体的乳腺癌症细胞，其药物摄取结果比普通药物高13.9倍。尽管与未修饰载体相比，单链修饰载体提高了总体靶标和内在化能力，但其靶向选择性，摄取能力和迁移受到复杂生理屏障的限制。一种潜在的解决方案是在单个载体中掺入不同类型的配体，以产生双重靶向。可以设计双重靶向载体，靶向同一细胞上的不同受体，从而提高靶向选择性。例如，通过掺入叶酸和ABX-EGF scFv抗体来减少脱靶，制造微胶囊以提高siRNA细胞摄取和转染效率。与相应的单修饰载体相比，这种优化的双配体系统表现出2.5倍和1.5倍的细胞活性。此外，双配体靶向系统通过对靶向递送的协同作用增强了内化能力。例如，使用叶酸作为肿瘤的靶向配基，TAT作为穿透肽以减少靶外转运，使用微流体辅助流动聚焦装置制造了具有组合配体的载体。结果表明，双靶向载体对肿瘤具有协同靶向作用，与单叶酸修饰载体相比肿瘤细胞摄取高3.2倍。或者，如图8（a）所示，将受体介导的靶向与环境介导的靶标相结合，以实现药物递送的双重靶向设计。

然而，由于不同制剂的影响和不同配体之间的潜在相互干扰，具有双配体靶向系统的载体的有效性并不总是得到提高。优化协同组合并尽量减少配体之间的相互干扰以实现有效的活性靶向递送至关重要。一个强有力的策略是调整配体的不同参数，包括密度、比率和相对长度。增加配体密度并不总是导至更高的细胞结合，因为存在一个最佳数量和最小阈值来获得更好的靶向结果，这可以使用颗粒计数技术来确定。此外，配体的比率和相对距离会影响构象和流动性，从而影响它们的靶向能力。例如，Liu等人使用流动聚焦微流体装置构建了单配体和双配体微胶囊的组合库，以系统地研究配体靶向效率的影响。结果表明，使用分子量为5K的叶酸和分子量为5k或10K的透明质酸，双配体没有显示出靶向效果，使用7K的透明质酸时，协同效果增强。提高靶选择性的另一种策略是结合异质配体，如刺激响应致动器、共聚物、和Janus结构。如图8（b）所示，通过引入细胞穿透肽进行pH响应构象变化和Gal部分到靶肝来制备配体可切换载体。在酸性环境中口服给药，肽保持拉伸状态，促进肠道内的有效运输，并在进入生理pH值时，该肽发生了构象变化，这有助于Gal暴露，并将胰岛素治疗的肝糖原产量提高了7.2倍。

3.2.3微流体辅助靶微流体可以通过提高相遇率和增强微流体亲和界面的动力学和热力学来增强靶捕获和识别，以实现高效富集。尽管微流体辅助靶标主要应用于细胞识别和聚集，但它对载体实现靶递送具有巨大潜力。

微流体以层流模式为主，这限制了目标和识别位点之间的相遇率。引入了高表面积/体积比设计的微流体平台，包括高纵横比微通道芯片、微柱阵列芯片、微混合芯片和3D纳米多孔芯片，以提高相遇率。例如，使用流体动力学优化的三角形微柱设计了一种基于确定性横向位移的尺寸决定的免疫捕获芯片。在这种微芯片中（图9（a）），较大的颗粒与微柱的相互作用比较小的颗粒更频繁。这促进了基于大小的循环肿瘤细胞的选择，循环肿瘤细胞比血细胞大。此外，三角形微柱围绕其轴线顺时针旋转15°会放大粘附力梯度并减小流体动力梯度，从而有效富集靶细胞。为了增强质量扩散，引入人字形作为微孔隙发生器，设计了一种用于高效肿瘤细胞聚集的微孔隙混合芯片（图9（b））。人字形芯片对肿瘤细胞的捕获效率为91.8%，与对照组相比提高了26.3%。

或者，微流体基质可以用识别分子进行修饰，以增强界面亲和力。例如，适配体功能化的白细胞膜纳米囊泡与微流体芯片结合，以实现循环肿瘤细胞的富集，如图9（c）所示。流体多价纳米界面有助于与循环肿瘤细胞的高亲和力结合，并表现出对背景血细胞的低吸收。此外，细胞和捕获基底之间柔软柔软的纳米囊泡起着缓冲作用，可以减少界面碰撞造成的细胞损伤。经修饰的微流体芯片显示出4个数量级的显著亲和力增强，其捕获效率比用单价适配体官能化的芯片高7倍。尽管已经为微尺度结构设计了许多制造方法，但实现具有高度精确尺寸的纳米尺度结构的可重复制备仍然是一项技术挑战。张等人介绍的“微流体芯片中的DNA纳米光刻”为微流体芯片的制造和成本问题提供了一种替代方法，如图9（d）所示。亚10 nm四面体DNA纳米结构-17作为刚性框架附着在微流体基底上，作为识别元件的适配体SYL3C组装在DNA片段的顶部顶点，而不是直接将适配体附着在微流控基底上。四面体DNA纳米结构促进了识别分子的垂直锚定，避免了拥挤效应，并实现了高达60%的增强积累效率。

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