生命系統(tǒng)的一個(gè)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(guò)水介質(zhì)中的自組織和區(qū)室化將它們轉(zhuǎn)化為更復(fù)雜的實(shí)體。在自然界中，信息由多個(gè)連續(xù)的組織層次存儲(chǔ)，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(guān).因此，了解這些原理將有助于開(kāi)發(fā)用于催化，機(jī)器人和醫(yī)學(xué)的新型生物啟發(fā)可持續(xù)材料.通過(guò)設(shè)計(jì)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(huì)相互失活和失去效果.這可能對(duì)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(hù)藥物分子免受惡劣環(huán)境條件的影響，例如強(qiáng)烈的pH值變化?；钚晕镔|(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(rèn)為是藥物的載體.刺激反應(yīng)性微凝膠是靶向藥物遞送的有希望的候選者，因?yàn)樗鼈兊膬?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(luò)，與其他（大分子）材料不同，因?yàn)樗鼈儽憩F(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?yàn)樗鼈兙哂虚_(kāi)放和多孔的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).當(dāng)微凝膠網(wǎng)絡(luò)的化學(xué)成分被調(diào)整時(shí)，可以引入對(duì)刺激的敏感性，例如溫度，pH值，離子強(qiáng)度，光，或超聲波。環(huán)境的這種變化會(huì)引發(fā)微凝膠的膨脹或塌陷。響應(yīng)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(yīng)性和低細(xì)胞毒性而被廣泛研究。由于線(xiàn)性PNIPAAm鏈具有較低的臨界溶液溫度（LCST），它們的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)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(luò)還可以對(duì)pH值敏感，因此，當(dāng)摻入弱酸性或堿性共聚單體時(shí)，具有多反應(yīng)性，這些可電離的微凝膠可用于運(yùn)輸帶電的客體分子，因?yàn)樗鼈冊(cè)试S通過(guò)靜電相互作用有針對(duì)性地吸收和釋放所述分子.由于藥理學(xué)中豐富的帶電生物分子，pH響應(yīng)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(guò)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(fù)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(yáng)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(jī)械粉碎和篩分以產(chǎn)生微凝膠<75 μm.他們表明，當(dāng)使用酶不穩(wěn)定交聯(lián)劑時(shí)，陰離子微凝膠網(wǎng)絡(luò)可以選擇性地及時(shí)被胰蛋白酶降解，釋放納米凝膠，這反過(guò)來(lái)又誘導(dǎo)內(nèi)吞作用并促進(jìn)其貨物的內(nèi)體逃逸.這種方法的一個(gè)主要缺點(diǎn)是樣品在大小和形狀方面的異質(zhì)性，這會(huì)影響實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性。

通過(guò)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(guò)摻入瞬時(shí)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(shí)，并且已被證明允許封裝營(yíng)養(yǎng)分子或模型藥物.此外， Weitz等人通過(guò)將不同的材料（包括量子點(diǎn)、磁性納米顆粒和聚合物微粒）嵌入微凝膠網(wǎng)絡(luò)，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(luò)的溫度響應(yīng)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(luò)中。他們證明，該系統(tǒng)可以同時(shí)使用兩種模型藥物（阿托伐他汀和塞來(lái)昔布），它們的物理化學(xué)性質(zhì)不同，但當(dāng)組合在一起時(shí)，可以有效地對(duì)抗結(jié)腸癌。聚合物網(wǎng)絡(luò)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(duì)性地釋放共載藥物.類(lèi)似地，制造了類(lèi)似Janus的微凝膠。為此，將陽(yáng)離子溫度響應(yīng)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(yáng)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(guò)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(dāng)溶劑蒸發(fā)時(shí)，這些納米凝膠會(huì)自發(fā)組裝成超顆粒。該小組表明，負(fù)責(zé)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(dǎo)致超粒子再次分離成奇異的實(shí)體.雖然這些分隔的超膠囊允許運(yùn)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(xué)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(luò)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(kāi)辟了途徑。在這項(xiàng)工作中，我們首次展示了通過(guò)乳液滴中聚電解質(zhì)納米凝膠（NG）的耗盡絮凝和共凝聚來(lái)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?cè)诖耸褂眯g(shù)語(yǔ)“納米凝膠”來(lái)表示通過(guò)沉淀聚合制備的聚合物凝膠，即使它們的直徑（在HPLC級(jí)水中約為400-500nm）超過(guò)了IUPAC定義的納米凝膠的尺寸范圍。不同的名稱(chēng)應(yīng)該有助于區(qū)分聚合物網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)槲⒘黧w產(chǎn)生的微凝膠的尺寸要大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。在基于液滴的微流控裝置中，通過(guò)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(guān)響應(yīng)性，包括 pH 值、離子強(qiáng)度和溫度，驗(yàn)證了 NiM?C 與純 PNIPAAm MG 的反應(yīng)相似。通過(guò)用熒光標(biāo)簽標(biāo)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(dāng)NG凝聚并積聚在MG網(wǎng)絡(luò)的一側(cè)時(shí)，Janus樣結(jié)構(gòu)就會(huì)形成。我們提出了一個(gè)合理的案例，即這種凝聚機(jī)制的驅(qū)動(dòng)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(yīng)特性，它們可以通過(guò)調(diào)整合成條件（即NG濃度，離子強(qiáng)度和pH值）來(lái)調(diào)節(jié)它們?cè)贛G中的排列。

我們的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一種穩(wěn)健的合成方法，以獲得微米級(jí)的凝膠，這些凝膠在生理?xiàng)l件下含有帶正電荷和帶負(fù)電荷的隔室，以實(shí)現(xiàn)有效的藥物封裝。我們選擇了基于PNIPAAm的網(wǎng)絡(luò)與N，N′-亞甲基雙（丙烯酰胺）（BIS）交聯(lián)作為模型系統(tǒng)，因?yàn)镹IPAAm是應(yīng)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(dǎo)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(yīng)性共聚單體被引入，因?yàn)樗鼈兪撬苄缘?，并且在中性pH值下帶相反電荷。通過(guò)沉淀聚合合成了流體動(dòng)力學(xué)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(xiàn)所述，必須仔細(xì)調(diào)整a合成條件，以提供所需的相應(yīng)可電離共聚單體的摻入。對(duì)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(yīng)動(dòng)力學(xué)受到生長(zhǎng)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(fù)面影響。用陽(yáng)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(guò)將共聚單體延遲添加到酸性反應(yīng)混合物中來(lái)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(dāng)?shù)膎NG尺寸。為了在視覺(jué)上和CLSM中有效地區(qū)分NG物種，通過(guò)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(lái)標(biāo)記nNG。通過(guò)將 NHS 酯與 NG 網(wǎng)絡(luò)中的伯胺偶聯(lián)，在修飾后反應(yīng)中用花青 5 N-羥基琥珀酰亞胺酯 （Cy5 NHS） 標(biāo)記 pNG。通過(guò)自動(dòng)切向流滲濾（TFF）純化后，通過(guò)掃描透射電子顯微鏡（STEM，圖S2）、動(dòng)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(qiáng)度響應(yīng)度。結(jié)果表明，在室溫下，nNG在HPLC級(jí)水中的流體動(dòng)力學(xué)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(lèi)型的NG都表現(xiàn)出預(yù)期的熱，pH和離子強(qiáng)度響應(yīng)行為（圖S3）。ELS測(cè)量證實(shí)，在pH值高于pKA時(shí)，nNG的有效表面電荷為負(fù)，而在pH值低于pKA時(shí)，pNG的有效表面電荷為正（圖S4）。我們通過(guò)對(duì)樣品進(jìn)行質(zhì)子核磁共振（1H NMR）和紅外光譜（IR）來(lái)量化NG的共聚單體含量。通過(guò)1H NMR測(cè)定APMH的定量含量為8.4mol%（圖S7）。作為評(píng)估MAAc含量的方法，1H NMR是不合適的，因?yàn)镹IPAAm和MAAc部分的信號(hào)重疊。使用紅外線(xiàn)中相應(yīng)的羧基信號(hào)進(jìn)行定量。標(biāo)記后MAAc的含量為8.0mol%（圖S5，S8）。

標(biāo)記的NG通過(guò)基于液滴的微流控合成被摻入MG網(wǎng)絡(luò)中，這允許制造單分散膠體水凝膠，這些水凝膠可以通過(guò)改變有機(jī)相和水相的流速和含量來(lái)輕松調(diào)節(jié).再次，NIPAAm和BIS用于凝膠網(wǎng)絡(luò)。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(yīng)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(kāi)始聚合，該LAP具有良好的水溶性和快速的UV反應(yīng)性（365 nm）。眾所周知，LAP可以抑制過(guò)早的凝膠化，在這方面，允許對(duì)光聚合進(jìn)行空間和時(shí)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?yàn)檫@會(huì)誘導(dǎo)NG的沉淀。

對(duì)于微流控反應(yīng)，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(gè)入口（圖S1）。為了制備聚兩性溶解液NiM?C，兩種類(lèi)型的NG都是通過(guò)同時(shí)使用兩種不同的水分散體（每個(gè)入口一個(gè)）來(lái)?yè)饺氲?。在橫流交界處（圖1（A）），兩種不混溶流體之間的剪切力導(dǎo)致形成油包水滴，然后通過(guò)混合部分（圖1（B）），其中層流變?yōu)橥牧鳎@是蛇形通道的結(jié)果.收集液滴后（圖1（C）），乳液被紫外線(xiàn)照射。10 s的輻照時(shí)間是最佳的，因?yàn)榘l(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(dǎo)致的流速差異。

純化后，我們通過(guò)CLSM成像研究了NiM?C對(duì)熒光標(biāo)記NG的形態(tài)和定位。對(duì)于兩種類(lèi)型的聚電解質(zhì)NiM?C，圖2顯示了NG的統(tǒng)計(jì)分布，其中Rhod B標(biāo)記的nNG為紅色，Cy5標(biāo)記的pNG為藍(lán)色。兩種NG物種在室溫下在水中膨脹（圖S3，（C）），因?yàn)閿y帶相同電荷的部分之間的排斥靜電相互作用和隨之而來(lái)的天然反離子的滲透壓.39我們假設(shè)這些相互作用也具有長(zhǎng)期效應(yīng)，因此，誘導(dǎo)空間分布的NG排列。PNIPAAm鏈的形成、生長(zhǎng)和交聯(lián)顯然不會(huì)影響聚電解質(zhì)NG在被聚合物網(wǎng)絡(luò)捕獲之前的膠體穩(wěn)定性。純PNIPAAm NG的參考實(shí)驗(yàn)顯示，NG在MG網(wǎng)絡(luò)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(tuán)和Rhod B Ac標(biāo)記劑會(huì)引起輕微的靜電貢獻(xiàn)。這些穩(wěn)定機(jī)制很可能已經(jīng)足以誘導(dǎo)NG的統(tǒng)計(jì)分布。與此相反，含有兩種類(lèi)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(luò)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(lán)色）組合而成，凝聚物由兩種NG物種組成。這一觀(guān)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(dòng)力，就像同一電荷的NG之間的排斥導(dǎo)致NG在整個(gè)MG網(wǎng)絡(luò)中的空間分布一樣。簡(jiǎn)單地混合兩種聚電解質(zhì)NG分散體不會(huì)導(dǎo)致可見(jiàn)或顯微鏡可檢測(cè)到的凝聚（圖S10，圖4）。通過(guò)粘度測(cè)定，我們近似出分散體中NG的廣義有效體積分?jǐn)?shù)低于膠體玻璃化轉(zhuǎn)變（圖S11）。

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