《AFM》三重乳液液滴的内部渗透设计具有可控厚度的半透水凝胶壳

【摘要】

水凝胶壳将水核与周围的水区分开来，在跨膜运输中提供了分子大小和电荷选择性。生产薄水凝胶壳以最小化扩散长度和最大化核心体积的要求很高。最近，韩国科学技术高等研究院Shin-Hyun Kim（译：金信贤）教授团队油包油包水 (W/O/W/O) 三重乳液液滴的内渗透用于生产包围大水核的薄水凝胶壳。

使用毛细管微流体装置将三重乳液液滴制备成具有超薄中间油层。最里面的水滴比含有光聚合水凝胶前体的外水层具有更高的渗透压，水凝胶前体通过渗透将水从外层泵送至核心，通过超薄油层。因此，外层变薄，水凝胶前体富集，而三重乳液液滴的大小保持不变。通过前驱体的光聚合和从油到水的相转移，在水环境中产生包围水核的水凝胶壳；油层破裂，通过壳进行分子交换。水凝胶壳的厚度和组成可通过渗透条件精确控制。由于中性和带电分子的薄度和受控的渗透截止阈值，壳显示出高渗透率。相关论文以题为Designing Semipermeable Hydrogel Shells with Controlled Thickness through Internal Osmosis in Triple-Emulsion Droplets发表在《Advanced Functional Materials》上。

【主图导读】

图1 a)用于制备具有超薄中间油层的 W/O/W/O 三乳液滴的毛细管微流体装置的设计，其中红色和蓝色虚线分别表示疏水和亲水表面处理。b) 静止镜头光学显微镜 (OM) 图像显示三重乳液液滴的形成。c）内渗透、光聚合和相转移以及油层破裂三个连续步骤的示意图，以产生具有薄水凝胶壳的微胶囊。d) 制备的三乳液滴的 OM 图像（第一个）并孵育 24 小时（第二个），微胶囊转移到水中（第三个）和油层破裂（第四个）。

图2 a-c）在每个面板中指定时间拍摄的一系列 OM 图像，显示内部渗透作用下核心和外层尺寸的时间变化。d)由外层直径归一化的核心直径的时间变化。e) 核心和外层渗透压的时间变化。f) PEGDA 的最终浓度（左 y 轴）和外层的厚度 （右 y 轴）作为 Ccore(t = 0) 的函数，根据质量守恒估计。

图3 a) 具有可控水凝胶壳厚度的微胶囊的 OM 图像。b) 使用 Ccore(t = 0) = 66（上图）和 626 mOsm L-1（下图）制备的两种不同微胶囊的共聚焦显微镜图像。c)染料排斥微胶囊的分数作为分子流体动力学直径、dH（底部 x 轴）或使用五种不同 Ccore(t = 0）。d,e) 对于带负电荷的 FITC 标记的葡聚糖，与面板 (b) 和 (c) 相同。f) 图片和共聚焦显微镜图像显示了使用 Ccore(t = 0) = 626 mOsm L-1 生产的微胶囊，中性 RITC 标记的葡聚糖的选择性渗透和带负电荷的 FITC 标记的葡聚糖的同时排斥。

图4 使用 a) Ccore(t = 0) = 1168 mOsm L−1 和 b)在没有内部渗透的情况下生产的具有 36 µm 厚壳的微胶囊的 OM 图像，其中厚壳的 PEGDA 浓度 设置为 38 w/w%，与薄壳相同。一系列共聚焦显微镜图像显示了注入分子量为 4400 g mol-1 的 TRITC 标记的葡聚糖，用于 c) 薄壳和 d) 厚壳。e) 核中荧光强度的时间变化由稳态值归一化，薄壳和厚壳的 I(t)/I(∞)。实线符合方程（3）。

【总结】

团队通过 W/O/W/O 三重乳液液滴的内部渗透设计了薄的水凝胶壳。最里面的水芯作为渗透泵，引起外水层的收缩，同时也为水性材料的封装提供了空间。外水层含有 PEGDA 的水凝胶前体，通过内渗透将水选择性地抽入核心而富集。中间油层超薄，有利于核心和外层之间的渗透流动。在 PEGDA 光交联后，水凝胶壳被转移到水中，油层破裂，使水凝胶壳将水核与水环境隔开，同时允许分子选择性渗透。中性分子大小选择性渗透的截止阈值由网孔大小或外层 PEGDA 的最终浓度设定，由富集程度决定。对于带负电荷的分子，通过分子与聚合 PEGDA 的部分负水凝胶之间的静电排斥抑制扩散，提供额外的电荷选择性。更重要的是，随着扩散路径的缩短，由内渗透产生的薄水凝胶壳显示出更高的渗透率。在确保对跨膜转运进行精细调控的同时，高渗透性对各种应用中的细胞、催化剂和分子传感器的封装要求很高；由于在水凝胶壳的生产过程中内部隔室具有高渗透压，因此只有对渗透压力不敏感的细胞，如酵母和一些人类干细胞，才能以高存活率被封装.此外，团队基于内渗透的方法可能有益于从太粘而无法在不稀释的情况下用于微流体乳化的预聚物制造水凝胶壳。

参考文献：

doi.org/10.1002/adfm.202105477

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