共挤出流体法制备功能化胶囊膜的研究进展(4)

2.2 胶囊膜的跨膜传质影响因素

胶囊膜在用作物质封装时，主要是基于液核和凝胶壳层的特殊结构，以实现封装物质的按需控释，其囊膜结构和特性对物质跨膜传输起关键性作用。囊膜结构和厚度、芯材性质及组分、环境溶液的pH 以及离子强度等对跨囊膜传输特性有重要的影响。根据扩散方程的基本原理可知，物质跨膜传输的渗透速率正比于推动力和扩散系数。对于外相仅为Ca?Alg 凝胶的胶囊膜，在溶质的跨膜传质过程中，胶囊膜的传质通道主要为Ca?Alg 凝胶网络间的空隙。胶囊膜的凝胶网络越致密，囊壁越厚，溶质跨膜传质阻力越大，渗透系数越低，因此，较薄的囊膜厚度可以减小跨膜传质阻力，但胶囊的机械性能会减弱。另外，胶囊的芯材性质及组分主要体现在渗透压的产生以及芯材释放等，环境溶液中的pH以及离子强度等主要影响囊膜的机械强度和稳定性。凝胶囊膜层的结构稳定性对其正常使用非常重要。Rolland 等[23]利用共挤出流体毛细管装置可控制备了封装不同溶质液核的Ca?Alg 凝胶囊膜，并研究了胶囊膜的物理化学特性。研究发现，当内外相流体的流率比为5～12时，所制备的胶囊膜厚度范围为45～100 μm，胶囊膜的壁厚与半径比值范围为0.026～0.06。当囊内的溶质不能完全渗透穿过囊膜时，囊膜内外产生的渗透压会驱使水分子持续进入囊内从而导致胶囊溶胀至饱和，囊膜厚度越薄，或者渗透压力越大，胶囊在溶胀的过程中会出现破裂[图5(a)]。分别对封装葡萄糖和摩尔质量Mw=2×104g·mol?1的葡聚糖以及Mw=2×106g·mol?1的葡聚糖的胶囊膜进行溶质释放动力学研究，结果发现，如图5(b)所示，分子摩尔质量高于临界尺寸的Mw=2×106g·mol?1的葡聚糖跨膜传输的质量分率在释放动力学特征时间t为100 h时仅为58%，而Mw小于临界尺寸的Mw=2×104g·mol?1的葡聚糖的t 仅为1 h，并比相同摩尔质量的葡萄糖大十倍，说明Mw=2×104g·mol?1的葡聚糖和葡萄糖均能自由渗透穿过胶囊膜，而Mw=2×106g·mol?1的葡聚糖跨膜传质会受限于海藻酸凝胶网络。胶囊的最大应力和渗透压随着囊内聚合物浓度的增大而增大，当渗透压一定时，应力随囊的壁厚或海藻酸的浓度减小而减小，胶囊的表观应力变软行为与其弹?塑性转化相关联，临界应变约为8%[图5(c)]。并且，由于胶囊的凝胶物理性质，在电解质的作用下，基于离子交换机理，囊内的包封物可以通过溶解囊膜而完全释放出来，囊壁的寿命与溶液的离子强度呈反比。

图5 胶囊膜的物理化学特性[23]：胶囊膜在渗透压下的溶胀(上)和饱和(下)变形过程光学图片(a);利用2%(质量)的海藻酸制备的胶囊膜对溶质葡萄糖(□)和Mw=2×104g·mol?1的葡聚糖(○)以及Mw=2×106g·mol?1的葡聚糖(●)的渗透扩散释放动力学(b);胶囊膜的最大应力与溶质液核中聚环氧乙烷初始浓度关系曲线(插图为弹性模量E与最大应力?m作用的胶囊应力变软行为)(c)Fig.5 Physicochemical properties of aqueous core hydrogel capsules[23]：time sequence of a capsule under osmotic stress that swells and whose deformation saturates(a);release kinetics of glucose(□),dextran with Mw=2×104g·mol?1(○),and dextran with Mw=2×106g·mol?1(●)from a capsule made with an alginate concentration of 2%(mass)(b);evolution of the maximal strain ?mof stable capsules as a function of the initial poly(ethylene)oxide concentration C0(insert:elastic modulus E versus maximal strain showing a strain softening behavior)(c)

3 共挤出流体法制备胶囊膜的应用研究

3.1 胶囊膜包埋细胞研究肿瘤变化机制

基于多细胞球体（MCS）的细胞培养能够解决2D 细胞培养缺乏组织特异性而使肿瘤对治疗药物反应可预测性差的问题。目前，产生MCS 的方法如悬滴法、回旋法或者液体覆盖培养液法[67]等存在产量低以及细胞聚集体尺寸不可控等缺点，基于微尺度光刻技术的微阵列[68]、微波[69]以及微流体装置[70?71]等对MCS 进行自动化生产难以达到温和的细胞培养条件。因此，Alessandri 等[72]基于如图6(a)所示的微流体共挤出技术，提出了一种利用可渗透的弹性多孔微球封装细胞并使其增长用于大量生产尺寸可控的多细胞球的方法，并通过构建3D基细胞实验研究了肿瘤细胞的体外增长机制。利用荧光聚合物染色的海藻酸进行共聚焦成像，发现该胶囊具有明显的核壳结构[图6(b)]。利用小鼠结肠癌细胞系CT26，在标准培养条件下监测封装细胞形成MCSs的能力。为了研究弹性约束对生长球体外围细胞运动的影响，利用共聚焦活体成像技术，对由LifeAct?mCherry 稳 定 转 染 的CT26 的MCSs 的 生 长[图6(c)]以及用phalloidin?Alexa 488 (Hot LUT, cyan)染色的固定球体表面进行了成像。研究发现，细胞在生长过程中形成了长而薄的带有板状足和丝状足突起尖端，且在用荧光法染色的固定细胞中也可观察到板状足和丝状足[图6(d)]，表明凝胶膜的渗透性可以使营养物质自由流进囊内，使得细胞在没有骨架的环境里也可以实现分裂增殖。另外，由于空心胶囊具有独特的几何形状和弹性性能，该胶囊能够作为定量测量因细胞球生长导致胶囊膜溶胀而产生的外部压力的机械传感器，使得胶囊膜的变形为外部压力的直接测量提供了策略。该研究将细胞封装在液核中并由凝胶膜层包围着，避免了油相环境，且制备过程中的装置剪切以及暴露在Ca2+溶液中均对细胞没有伤害。这种基于体外细胞实验的新方法，为新的抗癌疗法的开发以及研究肿瘤进化中力学和细胞增长的相互作用提供了一种新的策略。

文章来源：《功能材料与器件学报》 网址: http://www.gnclyqjxb.cn/qikandaodu/2021/0316/530.html