综述：用于可持续微囊化的界面聚合技术：生物基核壳结构设计、机理原理及新兴应用

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Interfacial Polymerization for Sustainable Microencapsulation: Bio-based Core/Shell Design, Mechanistic Principles, and Emerging Applications

　　

摘要

界面聚合技术是通过在两种不相溶的相之间引发缩合反应来制备聚合物的关键技术。它在微胶囊材料的合成方面具有独特优势。然而，传统方法主要使用石油基单体作为囊壁材料，这些材料存在潜在毒性、环境适应性差以及降解性不佳等问题。用可再生、生物相容且可降解的生物基材料替代石油基原料，已成为界面聚合微胶囊领域的研究热点。本文系统总结了生物基界面聚合微胶囊的最新研究进展：首先阐述界面聚合反应的机制，并分析生物基单体在该过程中的适用性；接着着眼于核心材料的功能特性，总结生物基囊壁材料的多尺度结构设计策略；最后综述了这类微胶囊在农药缓释、能量存储、自修复材料、生物医药、食品科学以及纺织工业中的当前应用。通过系统梳理现有研究，本研究旨在探索生物基界面聚合微胶囊在结构创新和应用拓展方面的新途径，推动环保可持续的微胶囊制备技术的发展。

引言

微胶囊通常是由活性物质（如农药制剂、能量存储材料、修复材料、生物医药用品、食品及纺织品等）与合成聚合物作为囊壁材料共同构成的核壳结构。这种封装技术能在核心材料表面形成保护层，作为抵御氧气、水分和光线等环境因素的物理屏障，从而实现核心材料物理化学性质的可控释放与调节[1]、[2]，进而拓展其在农业、生物医药、纺织、食品和材料科学等领域的应用潜力。此外，研究人员还设计了能够对温度、pH值、酶、超声波或多种因素组合作出响应的智能型微胶囊，以实现精准控释并提高活性成分的利用效率[3]、[4]、[5]。微胶囊存在多种结构形式，通过调整囊壁层数、核心材料种类及其空间分布，即可得到不同结构的微胶囊（见图1）。其制备方法包括界面聚合、复凝聚、原位聚合和喷雾干燥等。相比其他方法，界面聚合工艺具有操作简单、反应条件温和、反应速率快、成本低且封装效率高等优点[6]、[7]。

传统界面聚合所使用的单体几乎都源自石油基材料，比如六亚甲基二异氰酸酯（HDI）、异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）和乙二胺（EDA）。这类材料通常具有高毒性，在环境中降解缓慢，容易给环境带来负担[8]。其生产过程高度依赖化石燃料，会产生大量碳排放，因此难以应用于对安全性要求较高的生物医药和食品领域。在“双碳”目标以及绿色可持续发展理念日益受重视的背景下，传统聚合物材料的环境影响受到了广泛关注，这就更加迫切需要开发可再生资源，以推动微胶囊的绿色发展[9]、[10]。生物基材料来源丰富，包括多糖（壳聚糖、海藻酸、纤维素、环糊精和淀粉）、蛋白质（明胶、大豆蛋白）、植物油（大豆油、蓖麻油）以及木质素等[11]、[12]、[13]。这类材料不仅易于获取且可再生，还具有优异的生物相容性和降解性[14]、[15]。将它们引入界面聚合体系，有助于减少对化石燃料的依赖，降低生产过程中的碳排放，从根本上提升微胶囊产品的环境友好性和可持续性。

基于现有研究，本综述全面总结了近年来通过界面聚合法制备生物基微胶囊的进展。首先介绍了传统的界面聚合工艺及其局限性，探讨了生物基单体在界面聚合体系中的适用性，系统总结了微胶囊核心材料的特性以及生物基囊壁材料的结构组成。同时概述了生物基微胶囊在农业、功能材料及纺织领域的应用现状，为推动高效、环保的生物基微胶囊的研发与应用提供参考。

章节节选

聚合反应机制

界面聚合技术是一种广泛用于封装水溶性或油溶性核心材料的微胶囊制备技术。其基本原理是将两种反应活性高且互不相容的单体分别溶解在油相和水相中。制备过程通常包含两个连续阶段：首先通过乳化作用形成稳定的乳液体系，一般为油包水型或水包油型，随后在界面处进行反应

核心材料

核心材料本身具有很高的反应活性，但通常对环境因素较为敏感，这些因素很容易降低其反应活性甚至使其完全失活。封装处理可以有效提升核心材料的溶解性、热稳定性和抗紫外线能力，进而提高其利用效率。表1和表2系统总结了通过界面聚合法制备微胶囊时所用的主要核心材料类别，其中包括农药等

生物基微胶囊的应用

微胶囊技术在农药制剂、能量存储、修复材料、生物医药、食品以及纺织工业等领域都有广泛应用。鉴于核心材料与囊壁材料在设计和功能上可能存在协同效应，现有研究多采用聚氨酯丙烯酸酯和聚氨酯作为囊壁材料（见图12）。

结论与挑战

本文综述了目前利用生物基材料通过界面聚合法制备微胶囊的最新研究进展。文中系统阐述了用于合成生物基囊壁材料的各类核心材料以及生物基原料，包括木质素、纤维素衍生物、壳聚糖和植物油等，强调了这些材料在推动可持续微囊化技术发展方面的巨大潜力。此外，未来

作者贡献说明

孙凤霞：资金获取。 张丽娜：撰写——审阅与编辑。 葛彦瑞：实验研究。 顾立民：撰写——审阅与编辑、项目监督、项目管理、方法设计、资金获取、概念构思。 苏燕：实验研究。 李帅：可视化处理。 秦学青：撰写——初稿撰写、方法设计、定量分析。 任子岩：实验研究。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

顾立民和孙凤霞感谢中国国家自然科学基金（项目编号U20A20144）提供的资金支持。

顾立民|秦学青|任子岩|苏燕|李帅|张丽娜|葛彦瑞|孙凤霞

中国河北省石家庄市河北科技大学化学与制药工程学院，邮编050018