胶体异质结构实现了可打印有机水凝胶中不相溶分子的界面传输

《Advanced Materials》：Colloidal Heterostructures Enable Interfacial Transport of Immiscible Molecules in Printable Organohydrogels

通过温度和剪切力调控表面活性剂稳定胶体乳液的微观结构，构建异构化有机水凝胶，实现亲水和疏水分子的独立可控释放。亲水分子因水凝胶网孔收缩而加速迁移至油水界面，疏水分子通过油滴间跳跃扩散，释放动力学与油相曲折度和特征尺寸成反比，为多组分药物递送提供新策略。

　　### 中文解读：通过微结构调控实现多组分分子的可控释放

#### 引言：分子运输在水凝胶中的重要性

在生物医学和材料科学领域，分子运输速率是影响水凝胶生物利用度和配方设计的关键参数。水凝胶因其良好的生物相容性，常被用于药物输送、组织工程和生物传感器等应用。然而，对于同时输送亲水性和疏水性分子的水凝胶系统，仍存在诸多挑战。亲水性分子通常具有较高的细胞和组织相容性，而大多数治疗分子却是疏水性的，因此需要复杂的步骤来将其封装到水凝胶中。传统方法中，一种常见的策略是通过有机溶剂溶解药物，然后通过干燥形成固态微粒，再将其装载到载体系统中，如核心-壳结构的脂质体、脂质体或双相结构的bijels，以实现水环境下的输送。然而，这些系统在控制释放速率和结构稳定性方面面临诸多限制，例如脂质体易发生膜不稳定，而乳液则在滴珠尺寸均匀性和长期稳定性方面存在困难。

本研究提出了一种基于温度响应的纳米乳液负载水凝胶系统，能够通过调控其微结构，实现亲水性和疏水性分子的协同输送。该系统利用纳米乳液作为前驱体，在加热或剪切作用下，油相会自组装形成不同的微结构，从而改变分子的释放动力学。这种调控方式无需改变配方化学，而是通过改变前驱体的合成温度来控制凝胶的微结构。这一框架为控制多组分分子的释放提供了新的思路，并为开发可扩展的多功能材料奠定了基础。

#### 结果与讨论：分子运输机制的调控

在本研究中，我们采用了一种包含纳米乳液前驱体的复合水凝胶系统，其中油相和水相分别承载疏水性和亲水性分子。通过调节合成温度，油相和水相的结构会经历形态转变，从而改变分子在不同路径上的扩散行为。亲水性分子如甲基蓝（methylene blue, MB）可以在水相中自由扩散，但当水凝胶的网格尺寸变得过小，亲水性分子会聚集在油-水界面，从而加速其扩散速率。而疏水性分子如香豆素-6（coumarin-6, C6）则必须在油滴之间跳跃，因此其释放速率受到油滴间距的限制。

在实验中，我们通过荧光成像技术观察了不同分子的释放行为，并结合2D动态光散射（DLS）和振荡剪切流变学（rheology）分析了水凝胶的微结构特征。结果显示，随着合成温度的升高，油相的结构逐渐由粗大的油滴转变为细密的网络结构，同时水相的网格尺寸也随之减小。这种微结构的变化显著影响了分子的扩散系数，例如C6的扩散系数随着油相特征长度尺度（L_c,oil）的减小而下降，符合一种负指数关系（m = -3），这表明C6的扩散受到油滴间距的限制。而MB的扩散行为则表现出更复杂的特征：当水凝胶的网格尺寸小于MB的直径时，其扩散速率会显著下降，但随着温度进一步升高，MB会迁移至油-水界面，从而获得更高的扩散速率。

为了验证这些机制，我们还进行了控制实验，使用不含油相的纯PEGDA水凝胶进行对比。结果表明，MB在纯PEGDA水凝胶中的扩散系数比在复合水凝胶中更高，这进一步支持了我们的假设，即油-水界面在调控MB的扩散过程中起到了关键作用。此外，我们还研究了不同温度对MB和C6扩散行为的影响，发现随着温度升高，MB的扩散速率从最初的受限状态转变为界面加速状态，而C6的扩散速率则始终受到油滴间距的限制。

#### 2D分子运输：油-水界面的作用

除了微结构调控，油-水界面在分子运输中也发挥了重要作用。MB作为一种带正电的分子，能够被油相中带负电的SDS（十二烷基硫酸钠）吸引至界面。在界面处，由于网格尺寸较大，MB的扩散阻力减小，从而加速其运输。这一现象在实验中得到了验证，通过荧光成像，我们观察到MB在界面处的聚集，而C6则主要分布在油相中。此外，我们还通过引入其他荧光分子如尼罗红（Nile Red）和尼罗蓝（Nile Blue）进一步验证了这种界面迁移机制。结果显示，尼罗蓝在界面处的聚集表明，正电性分子在复合水凝胶中倾向于迁移至负电性界面，从而促进其扩散。

在实验中，我们还发现，MB的扩散行为表现出非单调性：当水凝胶的网格尺寸较大时，其扩散速率较高；而当网格尺寸缩小到接近MB的尺寸时，其扩散速率会显著下降，但在温度进一步升高后，又会随着界面的形成而加速。这种行为表明，温度调控不仅影响油相的结构，还通过改变油-水界面的特性，对MB的扩散路径产生了深远影响。同时，剪切速率的调控也能够改变微结构的连通性，从而影响分子的释放行为。

#### 可扩展性：通过添加剂制造实现个性化释放

为了进一步验证该系统的可扩展性，我们还利用3D打印和离心喷射等添加剂制造方法，制备了不同形状和尺寸的水凝胶。通过调整打印参数，如流速、剪切速率和温度，我们成功制备了适用于不同应用场景的结构，如皮肤贴片和微球。实验结果显示，3D打印的水凝胶能够实现快速释放和持续释放的双模式，而微球则能够在不同的温度条件下释放不同速率的分子。这些结果表明，该系统不仅具有高度的可调性，还具备良好的可扩展性，适用于工业化生产和定制化应用。

#### 结论：微结构调控的潜力

本研究通过调控纳米乳液前驱体的微结构，实现了亲水性和疏水性分子的协同释放。这种调控方法基于温度和剪切率，能够独立地改变两种分子的释放动力学，从而满足不同应用对释放速率的需求。此外，该系统还具备良好的可扩展性，能够通过添加剂制造方法制备不同形状和尺寸的水凝胶，适用于个性化药物输送和废水处理等应用。

我们进一步指出，该平台的广泛应用不仅限于模型荧光分子，还能够用于封装和释放多种亲水性和疏水性小分子。通过调整前驱体的配方和加工参数，可以实现对分子释放行为的精细调控。例如，通过改变SDS的浓度、离子强度和pH值，可以进一步优化油-水界面的特性，从而影响分子的扩散路径和速率。

尽管该系统在调控分子运输方面表现出色，但未来在生物医学应用中仍需考虑表面活性剂的生物相容性。目前所使用的SDS浓度可能对细胞产生一定的毒性，因此可以通过后处理清洗或使用其他生物相容性表面活性剂（如卵磷脂或甲基纤维素）来提高系统的安全性。

#### 实验方法：材料与合成

本研究使用的材料包括聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为油相，聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）作为热凝胶剂和光交联剂，以及SDS作为表面活性剂。所有化学品均从Sigma-Aldrich购买，并在使用前无需进一步纯化。纳米乳液的合成方法采用预乳化法，将MB和C6分别溶解在水相和油相中，然后通过机械搅拌和超声处理形成稳定的纳米乳液。

为了确定水凝胶的凝胶温度，我们进行了振荡剪切流变学实验。通过监测存储模量（G'）和损耗模量（G″）的变化，我们确定了该系统的凝胶温度为50.0 ± 1.4 °C。在凝胶化后，水凝胶的微结构进一步通过紫外光交联固定。通过调整合成温度和剪切速率，我们能够实现对水凝胶微结构的精细调控。

#### 数据分析：微结构与分子扩散的关联

为了量化水凝胶的微结构特征，我们使用了可训练的Weka分割算法对荧光成像数据进行处理。通过计算无约束随机游走和受约束随机游走的均方位移（MSD），我们得到了水凝胶的微结构曲折度（τ）和特征长度尺度（L_c）。结果表明，随着合成温度的升高，油相的曲折度减小，而水相的曲折度则呈现出波动性。这种微结构的变化与分子的扩散行为密切相关，例如C6的扩散系数与油相的特征长度尺度呈负相关，而MB的扩散行为则在不同温度下表现出不同的动力学特征。

为了进一步验证这些结果，我们还进行了统计分析。通过方差分析（ANOVA），我们发现不同温度下MB和C6的扩散系数存在显著差异（p < 0.05）。这些结果表明，温度调控对分子的扩散行为具有显著影响，并且可以通过调整微结构来实现对分子释放速率的精确控制。

#### 潜在应用与未来方向

本研究提出的纳米乳液负载水凝胶系统，具有广泛的应用前景。首先，该系统可以用于药物输送，特别是在需要同时释放亲水性和疏水性分子的治疗方案中。其次，该系统可用于环境修复，如废水处理，其中亲水性分子的快速扩散有助于提高污染物去除效率。此外，该系统还可用于个性化医疗，通过调整水凝胶的结构和释放速率，满足不同患者的需求。

未来的研究方向包括进一步优化表面活性剂的种类和浓度，以提高系统的生物相容性。同时，可以通过引入其他添加剂，如离子液体或纳米颗粒，来增强水凝胶的结构稳定性和分子运输效率。此外，还可以探索该系统的在生物传感器、组织工程支架等领域的应用潜力。

总之，本研究通过调控纳米乳液前驱体的微结构，实现对多种分子的可控释放。这一方法不仅提高了分子运输的灵活性，还为开发新型多功能水凝胶材料提供了理论依据和技术支持。