聚合物微泡体作为加速聚合物机械化学反应的通用平台

研究人员针对超声(US)在20 kHz频率下机械化学转化效率低的问题，开发了聚合物微泡体(PMBs)平台，通过压力敏感气核将声能转化为拉伸/压缩力，成功加速了多种机械力响应基团(mechanophores)在20 kHz和MHz高频(如0.68 MHz HIFU)下的激活，实现了药物/荧光分子释放，并首次实现超声诱导的弯曲激活(flex-activation)，为生物医学应用提供了新策略。

　　

在刺激响应材料领域，机械力引发的化学转化(mechanochemistry)因其非侵入性和时空可控性备受关注。然而传统超声(US)在20 kHz频率下机械化学效率低下，而MHz高频超声又常因能量分散难以有效激活聚合物中的机械力响应基团(mechanophores)。这一瓶颈严重限制了其在生物医学领域的应用前景。

德国莱布尼茨研究所的Jilin Fan等人在《Nature Communications》发表研究，创新性地提出聚合物微泡体(PMBs)作为通用平台，通过微流控技术制备的氮气核心微泡，在超声作用下将声能高效转化为机械力。研究团队设计了四种分子释放策略：二硫键断裂引发的逆狄尔斯-阿尔德(rDA)反应、硫醇/二硫交换、呋喃马来酰亚胺加合物的裂解，以及突破性地实现了超声诱导的弯曲激活(flex-activation)。实验表明，20 kHz超声(12 W cm^-2)可使PMBs释放15-24%的载荷，0.68 MHz高频聚焦超声(HIFU)在75.5 W cm^-2下仍能实现10%释放效率。原子力显微镜(AFM)显示PMBs壳层刚度(300 pN nm^-1)比实心微凝胶低一个数量级，这种高形变性是其力传导的关键。通过"广义力修正势能面"(G-FMPES)计算，首次证实压缩力场可使弯曲激活能垒降低至16 kcal mol^-1，解释了传统线性聚合物无法实现超声激活的机制。

关键技术包括：1)微流控双重乳液(G/O/W)制备单分散PMBs；2)20 kHz至2.6 MHz多频超声处理系统；3)AFM力学表征；4)G-FMPES量子化学计算；5)细胞毒性测试(MTS法)验证药物释放活性。

【PMBs的制备与表征】
通过微流控芯片制备直径约29 μm的PMBs，壳层由聚丙二醇二丙烯酸酯(PPGDA)和机械力响应交联剂构成。扫描电镜(SEM)显示完整泡状结构，HIFU处理后产生较大碎片，而20 kHz超声产生更细小碎片。

【二硫键激活与分子释放】
以丹磺酰荧光团为模型，证实20 kHz超声(12 W cm^-2)释放23%载荷，0.68 MHz HIFU(134.2 W cm^-2)释放10%。对照实验显示无气核的实心微凝胶仅释放<0.1%，验证气核的关键作用。

【硫醇敏感系统应用】
成功释放抗癌药喜树碱(CPT)，经HIFU处理的PMB-CPT使HeLa细胞IC₅₀显著降低，证明生物活性保持。

【呋喃碳酸酯激活】
通过2-呋喃基甲醇加合物释放芘丁醇(PBL)，20 kHz超声实现24%释放率，展示温度依赖性自催化释放特性。

【弯曲激活突破】
首次实现超声诱导的氧杂降冰片二烯(furan-acetylene adduct)弯曲激活，20 kHz释放15%载荷，超越传统块体材料的个位数效率。单功能化对照实验排除热效应干扰，计算证实压缩力可降低活化能。

该研究创立了"声学-机械力转换器"新概念，阐明PMBs通过气核振荡产生压缩力而非传统拉伸力的独特机制。0.68 MHz HIFU在机械指数(MI)1.8(接近FDA安全限值1.9)下有效激活的特性，为血栓治疗等医学应用奠定基础。研究不仅拓展了机械化学的理论边界，更通过微流控-超声技术联用，为精准药物递送提供了可临床转化的新工具。