封装策略至关重要：通过Vaterite模板制备的表面支撑微凝胶中大分子的预加载与后加载过程

《ACS Materials Au》：Encapsulation Strategy Matters: Pre- and Post-Loading of Macromolecules into Surface-Supported Microgels Formed via Vaterite Templates

预负载策略下表面支撑碳酸钙微凝胶包封大分子的机制及性能研究，通过dextran及其带电衍生物的负载实验发现，预负载（co-synthesis）包封效率达9% w/w显著高于后负载（<1% w/w），吸附等温模型显示中性分子遵循Langmuir物理吸附模型（ΔG=-31.0 kJ/mol），带电分子因静电排斥遵循Freundlich模型，微凝胶在酸性环境稳定但可通过trypsin酶解实现缓释。

　　钙 carbonate 的 vaterite 晶体因其独特的结构特性，正逐渐成为一种重要的牺牲模板，用于制造聚合物微凝胶。这些微凝胶在生物医学领域展现出广阔的应用前景，主要得益于 vaterite 的多孔结构、良好的生物相容性以及环保的合成方式。在本研究中，vaterite 晶体被生长在特定的表面上，并通过交替沉积带电的多聚电解质（如藻酸钠和聚-L-赖氨酸）形成表面支撑的微凝胶（ss-microgels）。随后，通过溶解 vaterite 核心，留下具有多层结构的微凝胶。为了研究不同负载策略对大分子封装效率的影响，本研究采用了 dextran 及其带电衍生物作为模型分子进行预加载和后加载的比较。

微凝胶是一种由交联聚合物网络构成的结构，直径范围在 10 纳米到 100 微米之间。它们与微胶囊有所不同，后者通常由一个聚合物壳层包裹一个核心，而微凝胶则通过多层沉积技术形成，核心可能为空或为其他材料。历史上，所有通过层叠沉积技术在胶体核心上形成的微结构都被称为微胶囊，但后来的研究表明，许多结构实际上并不是真正的胶囊，而是由相互渗透的聚合物网络组成的多组分凝胶。因此，这些结构更准确地被描述为多层微凝胶。vaterite 作为一种常见的钙 carbonate 多晶型，因其球形结构和高孔隙率，成为多种分子载体的理想选择。vaterite 的孔径通常处于介孔范围，这使得它在封装大分子时比小分子药物更有效。

本研究采用了一种新的方法，直接在表面上生长 vaterite 晶体，从而形成表面支撑的微凝胶。这种方法为那些需要局部持续释放药物或在纳米和微米尺度上控制表面拓扑结构的生物医学和生物技术应用提供了新的可能性。研究中比较了两种主要的负载策略：预加载（在 vaterite 合成过程中引入负载物）和后加载（在微凝胶形成后引入负载物）。预加载方法在封装效率方面表现出显著优势，能够实现高达 9% 的封装率。相比之下，后加载的封装率则低于 1%，并且其行为不受 pH 值的影响。此外，微凝胶在酸性环境中表现出良好的稳定性，但可以通过蛋白酶（如 trypsin）降解，实现负载物的持续释放。

研究发现，dextran 的吸附遵循 Langmuir 模型，其自由吉布斯能为 -31.0 kJ/mol，表明其吸附主要由物理吸附主导。而其带电衍生物则遵循 Freundlich 模型，1/n 值在 0.7 到 0.8 之间，这可能与分子间的静电排斥作用有关。这些结果揭示了负载策略和负载物电荷性质对封装效率和微凝胶稳定性的显著影响。在封装效率方面，预加载方法能够更有效地将大分子封入微凝胶内部，而后加载则主要依赖于负载物与多聚电解质之间的静电相互作用。

此外，研究还评估了微凝胶在酸性环境中的稳定性。实验表明，ss-microgels 在 0.1 M HCl 中能够保持结构完整性，仅发生轻微的变形和收缩，但不会脱离表面。这一特性表明，微凝胶可以在酸性条件下稳定存在，从而为负载物的后加载提供了一种潜在的应用途径。然而，对于预加载的微凝胶，其封装的大分子可以通过蛋白酶的降解实现持续释放。实验结果显示，在静态条件下，经过 60 分钟的蛋白酶处理，大约 35%-40% 的 dextran-FITC 从微凝胶中释放出来。这一释放过程表现出指数衰减的特征，说明其释放是渐进且可控的。

本研究的结果不仅澄清了大分子在 ss-vaterite 上的吸附机制，还强调了在设计微凝胶用于特定应用时，负载策略的重要性。同时，研究结果支持了 ss-microgels 作为治疗性大分子载体的潜力。微凝胶的结构和功能可以通过调整负载策略和多聚电解质的组合来优化，从而满足不同生物医学应用的需求。例如，在组织工程和医疗生物涂层领域，ss-microgels 可以作为高效的药物递送系统，实现药物的持续释放和局部作用。这种新型的负载策略和材料设计方法为未来的生物医学研究提供了重要的理论基础和技术支持。