生命系統(tǒng)的一個迷人特征是它們能夠使用在納米尺度上表現(xiàn)出功能的分子結(jié)構(gòu)，并通過水介質(zhì)中的自組織和區(qū)室化將它們轉(zhuǎn)化為更復雜的實體。在自然界中，信息由多個連續(xù)的組織層次存儲，甚至生命的起源似乎也與分子結(jié)構(gòu)和能量載體的區(qū)隔化有關.因此，了解這些原理將有助于開發(fā)用于催化，機器人和醫(yī)學的新型生物啟發(fā)可持續(xù)材料.通過設計具有空間不同組件的系統(tǒng)，可以將多種功能組合在一起，而不會相互失活和失去效果.這可能對新藥物載體的概念特別感興趣。為了在藥物治療中有效使用，必須保護藥物分子免受惡劣環(huán)境條件的影響，例如強烈的pH值變化。活性物質(zhì)只能在病變部位附近釋放，以減少不良副作用并降低成本.各種膠體結(jié)構(gòu)（例如囊泡、脂質(zhì)體、膠束）已經(jīng)被認為是藥物的載體.刺激反應性微凝膠是靶向藥物遞送的有希望的候選者，因為它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以被分隔，有效載荷的釋放可以由環(huán)境觸發(fā)器刺激。

微凝膠是三維交聯(lián)聚合物的微尺度網(wǎng)絡，與其他（大分子）材料不同，因為它們表現(xiàn)出硬納米顆粒和軟大分子的二元特性。一旦在溶劑中膨脹，微凝膠就含有大量的溶劑分子，因為它們具有開放和多孔的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu).當微凝膠網(wǎng)絡的化學成分被調(diào)整時，可以引入對刺激的敏感性，例如溫度，pH值，離子強度，光，或超聲波。環(huán)境的這種變化會引發(fā)微凝膠的膨脹或塌陷。響應性微凝膠的突出例子是基于聚（N-異丙基丙烯酰胺）（PNIPAAm）的膠體水凝膠，由于其溫度響應性和低細胞毒性而被廣泛研究。由于線性PNIPAAm鏈具有較低的臨界溶液溫度（LCST），它們的交聯(lián)網(wǎng)絡在生理溫度>32°C.12a）下發(fā)生體積-相變（VPT）。

除了經(jīng)歷VPT外，PNIPAAm網(wǎng)絡還可以對pH值敏感，因此，當摻入弱酸性或堿性共聚單體時，具有多反應性，這些可電離的微凝膠可用于運輸帶電的客體分子，因為它們允許通過靜電相互作用有針對性地吸收和釋放所述分子.由于藥理學中豐富的帶電生物分子，pH響應性微凝膠是治療藥物遞送的有前途的候選者。

然而，較大的生物分子，如DNA或蛋白質(zhì)，組裝成3D結(jié)構(gòu)，不符合通過傳統(tǒng)聚合方法合成的微凝膠的尺寸限制，如沉淀聚合或反向微乳液聚合.此外，復雜的疾病需要遞送多種電荷或親水性不同的藥物，或者必須連續(xù)釋放.

為了克服這些挑戰(zhàn)，Peppas等人從含有聚陽離子2-（二乙氨基）乙基甲基丙烯酸酯基納米凝膠的聚（甲基丙烯酸-co-N-乙烯基-2-吡咯烷酮）（P（MAAc-NVP））合成了水凝膠薄膜。干燥的水凝膠薄膜被機械粉碎和篩分以產(chǎn)生微凝膠<75 μm.他們表明，當使用酶不穩(wěn)定交聯(lián)劑時，陰離子微凝膠網(wǎng)絡可以選擇性地及時被胰蛋白酶降解，釋放納米凝膠，這反過來又誘導內(nèi)吞作用并促進其貨物的內(nèi)體逃逸.這種方法的一個主要缺點是樣品在大小和形狀方面的異質(zhì)性，這會影響實驗的可重復性。

通過在微流控水滴中制備微凝膠，可以在10-1000μm的范圍內(nèi)精確調(diào)節(jié)其尺寸，并且可以精確控制內(nèi)部和外部形態(tài).在這里，通過摻入瞬時帶電荷的單體部分形成聚電解質(zhì)或聚兩性質(zhì)微凝膠也已得到充分證實，并且已被證明允許封裝營養(yǎng)分子或模型藥物.此外， Weitz等人通過將不同的材料（包括量子點、磁性納米顆粒和聚合物微粒）嵌入微凝膠網(wǎng)絡，為微凝膠引入了新的功能。即使在插入添加劑后，原始PNIPAAm網(wǎng)絡的溫度響應性仍得以保留.Santos等人將埃洛石納米管整合到基于羥丙基甲基纖維素醋酸琥珀酸酯的微凝膠網(wǎng)絡中。他們證明，該系統(tǒng)可以同時使用兩種模型藥物（阿托伐他汀和塞來昔布），它們的物理化學性質(zhì)不同，但當組合在一起時，可以有效地對抗結(jié)腸癌。聚合物網(wǎng)絡在酸性介質(zhì)中穩(wěn)定，但溶解在中性至堿性環(huán)境中，有助于快速和有針對性地釋放共載藥物.類似地，制造了類似Janus的微凝膠。為此，將陽離子溫度響應納米凝膠與聚丙烯酸、丙烯酰胺單體、交聯(lián)劑和引發(fā)劑混合在水滴中。陽離子納米凝膠和陰離子聚合物之間的溫度和靜電相互作用的升高迫使相分離，通過立即聚合得以保存。最近，Isa小組提出了用于多藥物遞送的超膠囊。他們采用微流體交叉結(jié)形成含有葡聚糖基納米凝膠的油滴，當溶劑蒸發(fā)時，這些納米凝膠會自發(fā)組裝成超顆粒。該小組表明，負責將納米隔室保持在一起的范德華力可以被超聲波形式的高能輸入打破，導致超粒子再次分離成奇異的實體.雖然這些分隔的超膠囊允許運輸和釋放多種藥物有效載荷，但整合表現(xiàn)出相反物理化學性質(zhì)或電荷的貨物仍然具有挑戰(zhàn)性。

以前的工作集中在將帶電或疏水物質(zhì)嵌入陰離子親水網(wǎng)絡中.然而，兩種帶相反電荷的聚電解質(zhì)納米凝膠物種的整合可能為正交藥物遞送開辟了途徑。在這項工作中，我們首次展示了通過乳液滴中聚電解質(zhì)納米凝膠（NG）的耗盡絮凝和共凝聚來合成區(qū)室化的聚兩性質(zhì)微凝膠（MG）。為了清晰和可讀性，我們在此使用術(shù)語“納米凝膠”來表示通過沉淀聚合制備的聚合物凝膠，即使它們的直徑（在HPLC級水中約為400-500nm）超過了IUPAC定義的納米凝膠的尺寸范圍。不同的名稱應該有助于區(qū)分聚合物網(wǎng)絡，因為微流體產(chǎn)生的微凝膠的尺寸要大幾個數(shù)量級。在基于液滴的微流控裝置中，通過常規(guī)沉淀聚合合成的帶相反電荷的NG分散體被整合到水性乳液液滴中，然后聚合并交聯(lián)N-異丙基丙烯酰胺。檢查了微凝膠膠體中納米凝膠 （NiM?C） 的宏觀響應性，包括 pH 值、離子強度和溫度，驗證了 NiM?C 與純 PNIPAAm MG 的反應相似。通過用熒光標簽標記NG，我們使用共聚焦激光掃描顯微鏡（CLSM）分析了NiM?C內(nèi)NG的排列。我們發(fā)現(xiàn)，當NG凝聚并積聚在MG網(wǎng)絡的一側(cè)時，Janus樣結(jié)構(gòu)就會形成。我們提出了一個合理的案例，即這種凝聚機制的驅(qū)動因素是兩種NG物質(zhì)之間的靜電相互作用以及聚合物鏈形成產(chǎn)生的消耗力。我們表明，由于帶電NG的響應特性，它們可以通過調(diào)整合成條件（即NG濃度，離子強度和pH值）來調(diào)節(jié)它們在MG中的排列。

我們的目標是開發(fā)一種穩(wěn)健的合成方法，以獲得微米級的凝膠，這些凝膠在生理條件下含有帶正電荷和帶負電荷的隔室，以實現(xiàn)有效的藥物封裝。我們選擇了基于PNIPAAm的網(wǎng)絡與N，N′-亞甲基雙（丙烯酰胺）（BIS）交聯(lián)作為模型系統(tǒng)，因為NIPAAm是應用最廣泛的單體之一，并且表現(xiàn)出接近人體溫度的溫度誘導VPTa，弱酸性甲基丙烯酸（MAAc，pKA≈5.032）和弱堿性N-（3-氨丙基）甲基丙烯酰胺作為pH響應性共聚單體被引入，因為它們是水溶性的，并且在中性pH值下帶相反電荷。通過沉淀聚合合成了流體動力學直徑為400–500 nm、共聚單體含量為10 mol%的聚電解質(zhì)NG。如文獻所述，必須仔細調(diào)整a合成條件，以提供所需的相應可電離共聚單體的摻入。對于含有APMH（pNG）的NG的合成，將pH值調(diào)整為堿性值，以確保共聚單體的去質(zhì)子化。正如離子單體在水溶液中的自由基聚合所表明的那樣，反應動力學受到生長的聚合物與反離子、其他聚合物主鏈或自由基物種之間的靜電相互作用的負面影響。用陽離子偶氮引發(fā)劑2,2′-偶氮雙-引發(fā)批量沉淀聚合。在含有MAAc（nNG）的NG的合成中，與NIPAAm相比，MAAc的消耗速度更快，這是通過將共聚單體延遲添加到酸性反應混合物中來解釋的。以2,2′-偶氮雙[N-（2-羧乙基）-2-甲基丙脒]四水合物（ACMA，VA-057）為引發(fā)劑，加入陰離子十二烷基硫酸鈉（SDS）作為表面活性劑，得到與pNG相當?shù)膎NG尺寸。為了在視覺上和CLSM中有效地區(qū)分NG物種，通過在聚合混合物中加入丙烯酰氧乙基硫代氨基甲酰羅丹明B（Rhod B Ac）來標記nNG。通過將 NHS 酯與 NG 網(wǎng)絡中的伯胺偶聯(lián)，在修飾后反應中用花青 5 N-羥基琥珀酰亞胺酯 （Cy5 NHS） 標記 pNG。通過自動切向流滲濾（TFF）純化后，通過掃描透射電子顯微鏡（STEM，圖S2）、動態(tài)光散射（DLS，圖S3）和電泳光散射（ELS，圖S4）研究了NG的大小和溫度、pH值和離子強度響應度。結(jié)果表明，在室溫下，nNG在HPLC級水中的流體動力學直徑約為400 nm，而pNG在相同條件下的尺寸約為470 nm。它們的多分散指數(shù)均為 <0.09，表明尺寸分布較窄。兩種類型的NG都表現(xiàn)出預期的熱，pH和離子強度響應行為（圖S3）。ELS測量證實，在pH值高于pKA時，nNG的有效表面電荷為負，而在pH值低于pKA時，pNG的有效表面電荷為正（圖S4）。我們通過對樣品進行質(zhì)子核磁共振（1H NMR）和紅外光譜（IR）來量化NG的共聚單體含量。通過1H NMR測定APMH的定量含量為8.4mol%（圖S7）。作為評估MAAc含量的方法，1H NMR是不合適的，因為NIPAAm和MAAc部分的信號重疊。使用紅外線中相應的羧基信號進行定量。標記后MAAc的含量為8.0mol%（圖S5，S8）。

標記的NG通過基于液滴的微流控合成被摻入MG網(wǎng)絡中，這允許制造單分散膠體水凝膠，這些水凝膠可以通過改變有機相和水相的流速和含量來輕松調(diào)節(jié).再次，NIPAAm和BIS用于凝膠網(wǎng)絡。為了穩(wěn)定油包水滴，在連續(xù)氟化油相中采用了不帶電荷的表面活性劑FluoSurf，從而避免了可能影響反應的額外電荷。使用UV引發(fā)劑-苯基--三甲基苯甲酰膦酸鋰（LAP）開始聚合，該LAP具有良好的水溶性和快速的UV反應性（365 nm）。眾所周知，LAP可以抑制過早的凝膠化，在這方面，允許對光聚合進行空間和時間控制.我們決定使用UV引發(fā)劑而不是傳統(tǒng)的偶氮引發(fā)劑，以避免加熱分散體，因為這會誘導NG的沉淀。

對于微流控反應，將NIPAAm、BIS和LAP溶解在各自的NG分散體（10 mg/mL）中，以確保NG的均勻分布。為了獲得聚電解質(zhì)NiM?C，分散的水相包括nNG或pNG，并且僅使用一個入口（圖S1）。為了制備聚兩性溶解液NiM?C，兩種類型的NG都是通過同時使用兩種不同的水分散體（每個入口一個）來摻入的。在橫流交界處（圖1（A）），兩種不混溶流體之間的剪切力導致形成油包水滴，然后通過混合部分（圖1（B）），其中層流變?yōu)橥牧?，這是蛇形通道的結(jié)果.收集液滴后（圖1（C）），乳液被紫外線照射。10 s的輻照時間是最佳的，因為發(fā)生了聚合，但光漂白效果保持在最低限度。樣品之間MG尺寸的差異可歸因于單體重量的微小偏差，或注射泵精度導致的流速差異。

純化后，我們通過CLSM成像研究了NiM?C對熒光標記NG的形態(tài)和定位。對于兩種類型的聚電解質(zhì)NiM?C，圖2顯示了NG的統(tǒng)計分布，其中Rhod B標記的nNG為紅色，Cy5標記的pNG為藍色。兩種NG物種在室溫下在水中膨脹（圖S3，（C）），因為攜帶相同電荷的部分之間的排斥靜電相互作用和隨之而來的天然反離子的滲透壓.39我們假設這些相互作用也具有長期效應，因此，誘導空間分布的NG排列。PNIPAAm鏈的形成、生長和交聯(lián)顯然不會影響聚電解質(zhì)NG在被聚合物網(wǎng)絡捕獲之前的膠體穩(wěn)定性。純PNIPAAm NG的參考實驗顯示，NG在MG網(wǎng)絡內(nèi)的分布同樣均勻（圖S9）。在不含帶電共單體的中性NG中，膠體穩(wěn)定性由懸鏈引起，而集成的引發(fā)劑衍生基團和Rhod B Ac標記劑會引起輕微的靜電貢獻。這些穩(wěn)定機制很可能已經(jīng)足以誘導NG的統(tǒng)計分布。與此相反，含有兩種類型NG的多兩性溶解質(zhì)NiM?C表現(xiàn)出Janus樣結(jié)構(gòu)，其中兩種NG物種形成高度相分離的凝聚物，這些凝聚物沉降在MG網(wǎng)絡的一側(cè)。正如疊加圖像中的粉紅色（圖2，圖3）所證明的那樣，由nNG（紅色）和pNG（藍色）組合而成，凝聚物由兩種NG物種組成。這一觀察表明，帶相反電荷的NG之間的有吸引力的靜電相互作用是凝聚的驅(qū)動力，就像同一電荷的NG之間的排斥導致NG在整個MG網(wǎng)絡中的空間分布一樣。簡單地混合兩種聚電解質(zhì)NG分散體不會導致可見或顯微鏡可檢測到的凝聚（圖S10，圖4）。通過粘度測定，我們近似出分散體中NG的廣義有效體積分數(shù)低于膠體玻璃化轉(zhuǎn)變（圖S11）。

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