通过原位离子聚胶作用，由O/W/O Pickering双重乳液模板制备多孔海藻酸钙微球的一步合成方法

《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：One-Step Fabrication of Porous Calcium Alginate Microspheres Templated from O/W/O Pickering Double Emulsion via in situ Ionotropic Gelation

　　

摘要

多孔聚合物微球在生物医学、催化和吸附领域受到了广泛关注。然而，由于其较差的生物相容性限制了生物医学应用，而复杂的制备过程又阻碍了大规模生产和催化及吸附应用所需的结构精确控制，因此它们的实际应用仍然有限。在这里，我们报道了一种简单且环保的制备多孔海藻酸盐微球的方法，该方法使用油包水包油 тип的Pickering双乳液作为模板。疏水性二氧化硅纳米颗粒用于稳定乳液界面，而溶解在中间水相中的海藻酸盐会发生原位离子胶凝反应。这种胶凝过程是通过葡糖-δ-内酯（GDL）水解过程中乙二胺四乙酸钙钠（EDTA-Ca）复合体逐渐释放Ca²⁺来触发的。通过调整GDL、EDTA-Ca和海藻酸盐的浓度，可以调控微球的形态和内部结构。作为输送系统的概念验证，牛血清白蛋白能够高效地被包裹在这些多孔微球中，并且其释放行为可以通过改变蛋白质加载量和环境pH值来调控。由于避用了合成表面活性剂，这种环保且可扩展的方法为制备生物相容性多孔微球提供了一个多功能平台，具有在可控释放、蛋白质和酶固定、组织工程及相关高级应用中的广泛应用前景。

引言

多孔聚合物微球因其相互连接的三维（3D）结构而成为封装、分离、催化和可控释放的多功能平台，这种结构提供了高比表面积、改进的质量传输能力和可调的渗透性[1], [2], [3], [4], [5], [6]。它们的性能在很大程度上取决于制备策略，这激发了人们对开发可靠且可扩展的制备方法的持续兴趣[7], [8], [9]。迄今为止，由于结构坚固性和可调性能，已经探索了多种合成聚合物（如聚苯乙烯（PS）、聚（甲基丙烯酸甲酯）（PMMA）和聚氨酯（PU）用于制备多孔微球[10], [11], [12]。然而，这些聚合物在生物医学、化妆品和农用化学品应用中的使用受到了其有限的生物相容性、较差的生物降解性和环境影响方面的限制[13], [14], [15]。

天然多糖提供了一种更可持续和生物相容的替代方案[16], [17]。其中，海藻酸盐因其出色的生物相容性和生物降解性、低成本，以及能够产生具有刺激响应释放特性的离子交联水凝胶网络而受到广泛关注[18], [19], [20], [21]。为了将这些优点转化为实际的多孔微球，已经开发了多种模板策略来控制颗粒大小、形态和孔隙率[22], [23], [24]。其中，双乳液模板方法特别具有吸引力，因为它们操作简单且负载能力高。然而，大多数报道的方法涉及两次连续的乳化过程和使用传统表面活性剂。例如，郭等人使用两步双乳液法制备了多孔海藻酸盐微球，首先形成由Tween 20和F127稳定的O₁/W乳液，然后将其重新乳化到含有Span 80的油相中生成O₁/W/O₂双乳液，随后进行CaCl₂诱导的交联[25]。然而，第二次乳化可能会破坏预先形成的乳液，且表面活性剂的使用引发了关于纯化和生物相容性的问题[26], [27]。微流控乳化方法可以提供良好的结构控制和乳液模板的分散性，但其专用设备和低产量限制了大规模生产[28]。

由胶体颗粒稳定的Pickering双乳液在降低或消除对表面活性剂需求的同时提供了更好的稳定性，使其成为构建生物相容性多孔材料的理想模板[29], [30], [31], [32], [33], [34]。Pickering双乳液可以通过一步或两步乳化过程生成[35], [36], [37], [38]。然而，为了更广泛的应用，制备过程需要简单且可靠，这是一步乳化的优势。天然聚合物的水溶性进一步要求采用油包水包油（O/W/O）结构，在这种结构中，水相必须同时容纳聚合物及其交联剂。一个主要挑战在于同步实现双乳液的稳定和内部交联，因为过早的交联会破坏乳液的形成，而延迟或不足的交联则无法保持多孔结构。大多数报道的一步O/W/O Pickering双乳液主要集中在稳定颗粒的界面工程上，而乳液稳定与内部交联之间的关键耦合则受到了较少的关注[39], [40], [41]。对于基于天然聚合物的多孔微球来说，这一点尤为重要，因为水相必须同时容纳聚合物和交联剂以实现随后的胶凝和孔隙固定。迄今为止，从含有交联剂的天然聚合物溶液中直接生成O/W/O Pickering双乳液的情况很少见，这是模板法制备多孔微球的一个显著限制。

我们最近发现，通过调整含有天然聚合物的水相的粘度可以实现一步生成O/W/O Pickering双乳液[42]。这一发现为直接使用此类乳液作为模板来制备天然聚合物多孔微球提供了新的机会。基于我们之前建立的O/W/O Pickering双乳液[43]，我们使用这种乳液模板制备了多孔海藻酸盐微球，其中水相为海藻酸盐溶液。通过葡糖-δ-内酯（GDL）水解过程中乙二胺四乙酸钙钠（EDTA-Ca）复合体逐渐释放Ca²⁺来实现离子胶凝。我们使用牛血清白蛋白（BSA）作为模型蛋白，系统研究了多孔微球的制备、结构控制以及大分子封装和释放行为。这种简单、可扩展且无表面活性剂的方法为基于天然聚合物的多孔微球提供了一种以前无法实现的制备途径，并大大拓宽了可持续多孔材料的设计空间。

章节片段

材料

荧光异硫氰酸酯（FITC）由Sigma-Aldrich（美国）提供。异丙醇、二甲基亚砜（DMSO）、盐酸（HCl）、氢氧化钠（NaOH）、磷酸盐缓冲盐水（PBS）和柠檬酸钠由中国广州白云山药业有限公司购买。牛血清白蛋白（BSA）和乙二胺四乙酸钙钠（EDTA-Ca）由Macklin（中国）提供。苝由中国阿拉丁化学试剂公司提供。辛酸/癸酸

结果与讨论

图1示意性地展示了基于一步O/W/O Pickering双乳液模板及其随后原位离子胶凝过程的多孔海藻酸盐微球的制备过程。首先，通过剪切诱导的一步乳化方法，使用含有疏水性二氧化硅纳米颗粒作为稳定剂的海藻酸盐溶液和油相制备了稳定的O/W/O Pickering双乳液（见图S1）。所得的双乳液滴显示出明确的球形

结论

总之，我们开发了一种可持续且高效的一步法，利用O/W/O Pickering双乳液作为模板制备多孔海藻酸盐微球。成功的关键在于疏水性二氧化硅纳米颗粒对界面稳定的协同作用，以及通过GDL水解诱导的EDTA-Ca逐渐释放Ca²⁺来控制海藻酸盐的内部离子胶凝。系统的研究表明

CRediT作者贡献声明

蔡雪：验证、研究。李万平：可视化、编写-初稿、可视化、形式分析、概念化。李佳明：可视化、验证、研究、数据整理。李云星：写作-审阅与编辑、监督、资金获取、概念化。江航：监督。赵炳天：写作-审阅与编辑、监督、资源提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（项目编号22272064）、江苏省研究生研究与实践创新计划（KYCX24_2533）以及中央高校基本科研业务费的支持。

Weijie Jiang|Jiaming Li|Xue Cai|Wanping Li|Hang Jiang|Bingtian Zhao|Yunxing Li