何帆，謝銳，巨曉潔，汪偉，劉壯，褚良銀,2

?

超薄壁結(jié)構(gòu)海藻酸鈣膠囊膜制備及其功能化研究新進(jìn)展

何帆1，謝銳1，巨曉潔1，汪偉1，劉壯1，褚良銀1,2

（1四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，四川成都610065；2四川大學(xué)高分子材料工程國家重點實驗室，四川成都610065）

海藻酸鈣膠囊膜由于具有制備過程溫和環(huán)保、材料生物相容性優(yōu)良等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥等領(lǐng)域。薄壁結(jié)構(gòu)的膠囊膜可減小跨膜傳質(zhì)阻力，加速囊膜內(nèi)外物質(zhì)的交換，因而備受學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。近年來，具有超薄壁結(jié)構(gòu)的海藻酸鈣膠囊膜的制備與改性成為一個研究熱點。本文綜述了超薄壁結(jié)構(gòu)海藻酸鈣膠囊膜的制備方法及其功能化的研究新進(jìn)展，重點介紹了利用共擠出毛細(xì)管裝置制備超薄壁結(jié)構(gòu)的海藻酸鈣膠囊膜、利用精蛋白吸附與仿生硅化技術(shù)對超薄壁結(jié)構(gòu)海藻酸鈣膠囊膜的有機/無機雜化處理，以及利用復(fù)合納米響應(yīng)性凝膠顆粒的方法和接枝響應(yīng)性聚合物高分子的方法實現(xiàn)超薄壁結(jié)構(gòu)海藻酸鈣膠囊膜的功能化改性等方面的研究現(xiàn)狀。

膠囊膜；海藻酸鈣；超薄壁結(jié)構(gòu)

引 言

海藻酸是一種常見的生物材料，由于其具有優(yōu)良的生物相容性、生物可降解性以及低廉的成本等優(yōu)點，受到了國際上越來越多的關(guān)注和重視[1-2]?；诤Ｔ逅徕}的水凝膠、微球和微囊膜等載體被廣泛地應(yīng)用于生物醫(yī)藥等領(lǐng)域[3-8]。微囊膜具有較大的內(nèi)體積及優(yōu)良的包埋能力，因而備受研究者們關(guān)注。毫米級海藻酸鈣膠囊膜常被用作細(xì)胞及酶等物質(zhì)的固定化載體，目前其主要的制備方法是利用海藻酸鈉與鈣離子可發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)的性質(zhì)，將鈣離子溶液滴入海藻酸鈉溶液中，或?qū)⒑Ｔ逅徕c溶液滴入鈣離子溶液中[2,9-12]。但這些方法制得的海藻酸鈣膠囊膜壁厚較厚且難以控制。薄壁結(jié)構(gòu)的膠囊膜可減小傳質(zhì)阻力，加速膠囊膜內(nèi)外物質(zhì)的交換。因此，具有超薄壁結(jié)構(gòu)的海藻酸鈣膠囊膜在生物化工、醫(yī)藥以及環(huán)境等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

本文主要介紹了近年來超薄壁結(jié)構(gòu)海藻酸鈣膠囊膜的制備方法及其功能化的研究新進(jìn)展，重點介紹了利用共擠出毛細(xì)管裝置制備超薄壁結(jié)構(gòu)的海藻酸鈣膠囊膜、超薄壁結(jié)構(gòu)海藻酸鈣膠囊膜的有機/無機雜化處理、超薄壁結(jié)構(gòu)海藻酸鈣膠囊膜的功能化改性等方面的研究現(xiàn)狀，以期為進(jìn)一步設(shè)計和研制新型超薄壁結(jié)構(gòu)海藻酸鈣膠囊膜材料提供指導(dǎo)。

1 超薄壁結(jié)構(gòu)海藻酸鈣膠囊膜的制備

超薄壁結(jié)構(gòu)的海藻酸鈣膠囊膜主要采用共擠出毛細(xì)管裝置制備[13-15]。將內(nèi)核液體及海藻酸鈉溶液分別通入共擠出裝置的內(nèi)外相中，在一定的內(nèi)外相流速比的條件下，管口處可穩(wěn)定形成雙重液滴。該液滴靠重力作用進(jìn)入鈣離子溶液中，海藻酸鈉迅速與鈣離子發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，形成具有核殼型結(jié)構(gòu)的膠囊膜，其外層是微米級厚的海藻酸鈣水凝膠膜，內(nèi)核是水溶性或油溶性的液體，如圖1(a)所示。從雙重液滴形成到發(fā)生交聯(lián)的過程中，如何維持兩種液體的穩(wěn)定性并且防止它們之間發(fā)生混合是極其關(guān)鍵的問題。研究發(fā)現(xiàn)，通過向外相溶液中加入表面活性劑，如十二烷基硫酸鈉(SDS)，可成功制備出完整的海藻酸鈣膠囊膜[13]。同時，通過調(diào)整裝置出口與鈣離子溶液液面之間的高度，以及內(nèi)外流速比等參數(shù)，可靈活地改變所形成膠囊膜的厚度，厚度范圍為0.6～150mm。利用共擠出方法制備包含水溶性液核及超薄壁結(jié)構(gòu)的海藻酸鈣膠囊膜，由于制備條件溫和并且可避免使用油相等優(yōu)點，為細(xì)胞培養(yǎng)、物質(zhì)包埋等領(lǐng)域提供了一種全新的手段。利用上述制備方法可將相變石蠟Rbubitherm?R27 (Rbubitherm?Technologies GmbH)包載于海藻酸鈣膠囊膜中，所制備的相變材料膠囊膜具有良好的球形度、單分散性及致密的囊壁結(jié)構(gòu)[15]，如圖1(b)、(c)所示。通過固定外相流速而改變內(nèi)相流速，可靈活調(diào)節(jié)膠囊膜的粒徑及芯核質(zhì)量分?jǐn)?shù)。這種包埋有相變材料的膠囊膜具有良好的調(diào)溫性能、穩(wěn)定性及重復(fù)使用性。

2 超薄壁結(jié)構(gòu)海藻酸鈣膠囊膜的有機/無機雜化處理

海藻酸鈣膠囊膜在水中易發(fā)生溶脹，造成膜孔徑增大，用于酶固定化等領(lǐng)域時，所包載的酶等物質(zhì)易流失。為解決上述問題，Wang等[16]通過三步法制備了超薄壁結(jié)構(gòu)的有機/無機雜化膠囊膜。首先，利用共擠出毛細(xì)管裝置將內(nèi)外相分別為羧甲基纖維素鈉(CMC)溶液與海藻酸鈉溶液的水包水(W/W)液滴滴入硝酸鈣溶液中，制備出超薄壁結(jié)構(gòu)的海藻酸鈣膠囊膜；隨后，通過在海藻酸鈣膠囊膜外表面吸附一層精蛋白分子，得到海藻酸鈣/精蛋白(AP)復(fù)合膠囊膜；最后，將上述AP膠囊膜置于硅酸鈉溶液中，由精蛋白分子調(diào)控的仿生硅化過程隨之發(fā)生，在靜電作用下，膠囊膜外表面生成一層二氧化硅無機層，得到海藻酸鈣/精蛋白/二氧化硅(APSi)有機/無機雜化膠囊膜，如圖2(a)所示。上述三步法中得到的膠囊膜均具有良好的球形度和單分散性，如圖2(b)～(d)所示。雜化膠囊膜是由疏松的海藻酸鈣/精蛋白復(fù)合層及致密的二氧化硅殼層組成，如圖2(e)、(f)所示。由于表面超薄無機層的生成，雜化膠囊膜的溶脹度為0%，相比于海藻酸鈣膠囊膜(溶脹度20%)，溶脹行為被有效地抑制。

研究表明，上述雜化膠囊膜是一種理想的酶固定化載體[16]。將漆酶混入內(nèi)相CMC溶液中，成功制得包埋有漆酶的海藻酸鈣膠囊膜和凝膠球以及雜化膠囊膜和凝膠球，平均粒徑分別為3.75、2.68、3.34和2.84 mm，包埋率高達(dá)100%。通過比較游離漆酶與上述4種載體中漆酶的催化活力，發(fā)現(xiàn)雜化膠囊膜固定化漆酶的活力相比于游離酶和海藻酸鈣膠囊膜固定化漆酶略低，但在30 min內(nèi)ABTS自由基的轉(zhuǎn)化產(chǎn)率可高達(dá)87%，如圖3(a)所示。此外，與游離漆酶相比，雜化膠囊膜固定化漆酶的熱穩(wěn)定性、pH穩(wěn)定性及儲存穩(wěn)定性大大提高[如圖3(b)所示]，在4℃下保存20 d后，固定化酶仍具有67%的酶活力，遠(yuǎn)高于游離漆酶(12%)。

3 超薄壁結(jié)構(gòu)海藻酸鈣膠囊膜的功能化

傳統(tǒng)的海藻酸鈣膠囊膜在一定的條件下制備完成后，其滲透特性很難再調(diào)控。該問題可通過向海藻酸鈣膠囊膜中引入環(huán)境刺激響應(yīng)型材料來解決。環(huán)境刺激響應(yīng)型材料在環(huán)境中的刺激信號作用下，其物理化學(xué)性質(zhì)將發(fā)生改變，環(huán)境刺激可包括溫度[17-19]、pH[20-22]、離子強度[23-25]、葡萄糖濃度[26-27]等。研究者們正致力于將環(huán)境刺激響應(yīng)型材料與海藻酸鈣膠囊膜相結(jié)合，以實現(xiàn)不同的應(yīng)用功能。

3.1 膠囊膜滲透特性的溫度響應(yīng)功能

Wang等[28]研制了含有液核及超薄壁結(jié)構(gòu)的溫敏海藻酸鈣膠囊膜。將沉淀聚合法制備出的具有溫敏性的聚-異丙基丙烯酰胺(PNIPAM)微球混入外相的海藻酸鈉溶液中，然后利用共擠出裝置制備得到溫敏海藻酸鈣膠囊膜。當(dāng)環(huán)境溫度低于PNIPAM微球在水中的相轉(zhuǎn)變溫度(VPTT)時，海藻酸鈣膠囊膜中的PNIPAM微球處于溶脹狀態(tài)，膠囊膜的滲透性能降低，此時溶質(zhì)難以通過；當(dāng)環(huán)境溫度高于PNIPAM微球在水中的VPTT時，膠囊膜中的PNIPAM微球處于收縮狀態(tài)，膠囊膜的滲透性能提高，此時溶質(zhì)容易通過，如圖4(a)所示。研究發(fā)現(xiàn)，隨著膠囊膜中PNIPAM微球含量的增加，膠囊膜的溫敏開關(guān)性能隨之提高。在25℃時，隨著膠囊膜中PNIPAM微球含量的增加，PEG2000溶質(zhì)分子的滲透系數(shù)無明顯變化；而在40℃時，滲透系數(shù)隨著PNIPAM微球含量的增加而逐漸增大，如圖4(b)、(c)所示。只有在溶質(zhì)分子大小與膠囊膜擴散通道的尺寸相匹配時，膠囊膜才可表現(xiàn)出優(yōu)良的溫度響應(yīng)滲透特性。

3.2 膠囊膜滲透特性的pH響應(yīng)功能

Mei等[29]研究了APSi有機/無機雜化膠囊膜的pH響應(yīng)滲透特性，并將其應(yīng)用于仿生酶固定化載體。雜化膠囊膜的pH響應(yīng)性來自于內(nèi)層的海藻酸鈣/精蛋白復(fù)合層，當(dāng)環(huán)境pH高于膠囊膜臨界pH時，海藻酸鈣凝膠網(wǎng)絡(luò)帶負(fù)電，此時帶正電的精蛋白分子由于靜電作用被吸附到海藻酸鈣凝膠網(wǎng)絡(luò)上，因而擴散通道呈現(xiàn)“開”的狀態(tài)，酶催化反應(yīng)的底物和產(chǎn)物均可快速通過膠囊膜，使得膠囊膜內(nèi)部的酶催化反應(yīng)可順暢進(jìn)行；當(dāng)環(huán)境pH低于臨界pH時，海藻酸鈣凝膠網(wǎng)絡(luò)呈電中性，帶正電的精蛋白分子相互排斥地分布于凝膠網(wǎng)絡(luò)的擴散通道內(nèi)，此時通道受阻，呈現(xiàn)“關(guān)”的狀態(tài)，酶催化反應(yīng)底物和產(chǎn)物的擴散受阻，使得膠囊膜內(nèi)部的酶催化反應(yīng)停止，如圖5(a)所示。研究發(fā)現(xiàn)，在pH=3～7的環(huán)境中，隨pH的增大，海藻酸鈣膠囊膜的滲透系數(shù)緩慢增大，但無明顯突變，表明海藻酸鈣膠囊膜本身不具備pH響應(yīng)性。而AP膠囊膜以及APSi膠囊膜的滲透系數(shù)隨環(huán)境pH的增大，在pH約為4.5時出現(xiàn)突變，該值即為上述的臨界pH，表明這兩種膠囊膜具備pH響應(yīng)性，如圖5(b)所示。只有在溶質(zhì)分子大小與膠囊膜擴散通道的尺寸相匹配時，膠囊膜才可表現(xiàn)出優(yōu)良的pH響應(yīng)控制釋放特性[30]。研究還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)環(huán)境pH從4突變?yōu)?時，酶催化反應(yīng)的還原糖生成量突然顯著增加，反應(yīng)速率突增，表明APSi膠囊膜具有優(yōu)良的pH響應(yīng)性酶催化反應(yīng)控制性能，如圖5(c)所示。海藻酸鈣與精蛋白之間相互作用產(chǎn)生的pH響應(yīng)性能在腸靶向智能化藥物載體等方面也極具應(yīng)用前景[31]。

此外，APSi膠囊膜的表面接枝聚合物刷也可實現(xiàn)膠囊膜的功能化。Mei等[32]利用紫外光照誘導(dǎo)接枝方法，制備得到了APSi膠囊膜的表面接枝有聚甲基丙烯酸(PMAA)聚合物刷的pH響應(yīng)性酶固定化膠囊膜。膠囊膜的pH響應(yīng)性來自于外層表面接枝有PMAA聚合物刷的二氧化硅致密層。當(dāng)環(huán)境pH低于PMAA的電離平衡常數(shù)(paPMAA)時，PMAA聚電解質(zhì)的官能團因質(zhì)子化作用而呈電中性，聚電解質(zhì)鏈段處于收縮構(gòu)象，此時二氧化硅殼層表面的孔隙被收縮的鏈段所覆蓋，反應(yīng)底物難以透過膠囊膜進(jìn)入內(nèi)部，酶催反應(yīng)因而無法正常進(jìn)行；當(dāng)環(huán)境pH高于paPMAA時，PMAA聚電解質(zhì)的官能團因解離而帶負(fù)電，帶負(fù)電的官能團之間的靜電排斥作用使得接枝鏈處于伸展構(gòu)象，此時二氧化硅殼層表面的孔隙處于通暢狀態(tài)，反應(yīng)底物可自由進(jìn)入膠囊膜內(nèi)部，酶催化反應(yīng)順利進(jìn)行，如圖6(a)所示。研究發(fā)現(xiàn)，接枝后的復(fù)合膠囊膜滲透系數(shù)隨環(huán)境pH的增大，在pH=5～6之間出現(xiàn)突變，如圖6(b)所示。當(dāng)環(huán)境pH從3突變?yōu)?時，膠囊膜的滲透系數(shù)突增，后者的滲透系數(shù)為前者的35倍，如圖6(c)所示，表明表面接枝有PMAA聚合物刷的復(fù)合膠囊膜具有優(yōu)良的pH響應(yīng)控制釋放特性。

4 結(jié) 論

超薄壁結(jié)構(gòu)海藻酸鈣膠囊膜是優(yōu)良的生物醫(yī)用材料，通過對其進(jìn)行功能化得到的具有優(yōu)良性能的復(fù)合膠囊膜，在生物化工、醫(yī)藥以及環(huán)境等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。迄今，對于此類膠囊膜的大多數(shù)研究仍處于實驗室基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)階段，還需要系統(tǒng)深入研究和開發(fā)完善，才能在實際生產(chǎn)中得到應(yīng)用。因此，今后對于此類膠囊膜的研究，還需著重考慮和解決以下問題。

（1）迄今利用共擠出裝置主要是依靠重力作用，使得W/W液滴滴入鈣離子溶液發(fā)生交聯(lián)，制備得到的海藻酸鈣膠囊膜尺寸多為3～4 mm。為使該膠囊膜能更有效地應(yīng)用于更多的領(lǐng)域，還需要深入地探索與研究可控制備微米級含有液核及超薄壁結(jié)構(gòu)海藻酸鈣微囊膜的方法，例如施加離心力或引入氣流等輔助手段[33]。

（2）為了實現(xiàn)可控制備出結(jié)構(gòu)更加多樣化的海藻酸鈣膠囊膜，如多腔室結(jié)構(gòu)膠囊膜等，以使其具有更多的功能和應(yīng)用價值，還需要進(jìn)一步對制備裝置和方法進(jìn)行改進(jìn)與設(shè)計。

（3）還需繼續(xù)深入研究超薄壁結(jié)構(gòu)海藻酸鈣膠囊膜功能化的方法，進(jìn)一步將其他的環(huán)境刺激響應(yīng)性材料與該膠囊膜相結(jié)合，從而拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。

[1] Lee K Y, Mooney D J. Alginate: properties and biomedical applications [J]., 2012, 37(1): 106-126.

[2] Lin Y H, Liang H F, Chung C K, Chen M C, Sung H W. Physically crosslinked alginate/,-carboxymethyl chitosan hydrogels with calcium for oral delivery of protein drugs [J]., 2005, 26(14): 2105-2113.

[3] Jain D, Bar-Shalom D. Alginate drug delivery systems: application in context of pharmaceutical and biomedical research [J]., 2014, 40(12): 1576-1584.

[4] de Vos P, Faas M M, Strand B, Calafiore R. Alginate-based microcapsules for immunoisolation of pancreatic islets [J]., 2006, 27(32): 5603-5617.

[6] Sugiura S, Oda T, Izumida Y, Aoyagi Y, Satake M, Ochiai A, Ohkohchi N, Nakajima M. Size control of calcium alginate beads containing living cells using micro-nozzle array [J]., 2005, 26(16): 3327-3331.

[7] Taqieddin E, Amiji M. Enzyme immobilization in novel alginate-chitosan core-shell microcapsules [J]., 2004, 25(10): 1937-1945.

[8] Vandenberg G W, Drolet C, Scott S L, De la Noüe J. Factors affecting protein release from alginate-chitosan coacervate microcapsules during production and gastric/intestinal simulation [J]., 2001, 77(3): 297-307.

[9] Jiang Z Y, Zhang Y F, Li J, Jiang W, Yang D, Wu H. Encapsulation of-glucuronidase in biomimetic alginate capsules for bioconversion of baicalin to baicalein [J]., 2007, 46(7): 1883-1890.

[10] Chai Y, Mei L H, Wu G L, Lin D Q, Yao S J. Gelation conditions and transport properties of hollow calcium alginate capsules [J]., 2004, 87(2): 228-233.

[11] Zhang Y F, Wu H, Li J, Li L, Jiang Y J, Jiang Y, Jiang Z Y. Protamine-templated biomimetic hybrid capsules: efficient and stable carrier for enzyme encapsulation [J]., 2008, 20(3): 1041-1048.

已有大量關(guān)于ENSO與中國夏季降水關(guān)系的工作(葉愈源,1988;Huang and Wu,1989;金祖輝和陶詩言,1999;趙亮等,2006)。研究表明東亞夏季風(fēng)降水可能與ENSO循環(huán)的階段性有關(guān),并建立ENSO與中國夏季降水的時滯相關(guān)模型,將其應(yīng)用于業(yè)務(wù)預(yù)報,取得了一定成效。但ENSO 與中國夏季降水的關(guān)系具有不穩(wěn)定性(宗海峰等,2010)。中國夏季降水異?？赡芘cEl Nio事件的強度(薛峰和劉長征,2007)、與El Nio事件發(fā)生時最大暖海溫的位置(張志華和黃剛,2008;Feng et al.,2011;郭棟等,2016)有關(guān)。

[12] Chai Y, Mei L H, Lin D Q, Yao S J. Diffusion coefficients in intrahollow calcium alginate microcapsules [J]., 2004, 49(3): 475-478.

[13] Bremond N, Santanach-Carreras E, Chu L Y, Bibette J. Formation of liquid-core capsules having a thin hydrogel membrane: liquid pearls [J]., 2010, 6(11): 2484-2488.

[14] Rolland L, Santanach-Carreras E, Delmas T, Bibette J, Bremond N. Physicochemical properties of aqueous core hydrogel capsules [J]., 2014, 10(48): 9668-9674.

[15] Liang W G, Yang C, Wen G Q, Wang W, Ju X J, Xie R, Chu L Y. A facile and controllable method to encapsulate phase change materials with non-toxic and biocompatible chemicals [J]., 2014, 70(1): 817-826.

[16] Wang J Y, Yu H Y, Xie R, Ju X J, Yu Y L, Zhang Z, Chu L Y. Alginate/protamine/silica hybrid capsules with ultrathin membranes for laccase immobilization [J]., 2013, 59(2): 380-389.

[17] Chu L Y, Li Y, Zhu J H, Chen W M. Negatively thermoresponsive membranes with functional gates driven by zipper-type hydrogen- bonding interactions [J]., 2005, 44(14): 2124-2127.

[18] Yang M, Chu L Y, Wang H D, Xie R, Song H, Niu C H. A novel thermo-responsive membrane for chiral resolution [J]., 2008, 18(4): 652-663.

[19] Xie R, Li Y, Chu L Y. Preparation of thermo-responsive gating membranes with controllable response temperature [J]., 2007, 289(1/2): 76-85.

[20] Qu J B, Chu L Y, Yang M, Xie R, Hu L, Chen W M. A pH-responsive gating membrane system with pumping effects for improved controlled-release [J]., 2006, 16(14): 1865-1872.

[21] Wei J, Ju X J, Zou X Y, Xie R, Wang W, Liu Y M, Chu L Y. Multi-stimuli-responsive microcapsules for adjustable controlled- release [J]., 2014, 24(22): 3312-3323.

[22] Luo T, Lin S, Xie R, Ju X J, Liu Z, Wang W, Mou C L, Zhao C S, Chen Q M, Chu L Y. pH-Responsive poly(ether sulfone) composite membranes blended with amphiphilic polystyrene--poly(acrylic acid) copolymers [J]., 2014, 450: 162-173.

[23] Chu L Y, Yamaguchi T, Nakao S. A molecular recognition microcapsule for environmental stimuli-responsive controlled-release [J]., 2002, 14(5): 386-389.

[24] Ju Xiaojie(巨曉潔), Xie Rui(謝銳), Wang Wei(汪偉), Chu Liangyin(褚良銀). Development of ion-recognition-responsive smart materials based on crown ethers [J].(化工學(xué)報), 2013, 64(1): 261-267.

[25] Liu Zhuang(劉壯), Ju Xiaojie(巨曉潔), Xie Rui(謝銳), Wang Wei(汪偉), Chu Liangyin(褚良銀). Progress of Pb2+-recognition-responsive smart polymeric functional materials [J].(化工學(xué)報), 2014, 65(5): 1571-1576.

[26] Chu L Y, Li Y, Zhu J H, Wang H D, Liang Y J. Control of pore size and permeability of a glucose-responsive gating membrane for insulin delivery [J]., 2004, 97(1): 43-53.

[27] Zhang M J, Wang W, Xie R, Ju X J, Liu L, Gu Y Y, Chu L Y. Microfluidic fabrication of monodisperse microcapsules for glucose- responsive at physiological temperature [J]., 2013, 9(16): 4150-4159.

[28] Wang J Y, Jin Y, Xie R, Liu J Y, Ju X J, Meng T, Chu L Y. Novel calcium-alginate capsules with aqueous core and thermo-responsive membrane [J]., 2011, 353(1): 61-68.

[29] Mei L, Xie R, Yang C, Ju X J, Wang J Y, Zhang Z, Chu L Y. Bio-inspired mini-eggs with pH-responsive membrane for enzyme immobilization [J]., 2013, 429: 313-322.

[30] He F, Mei L, Ju X J, Xie R, Wang W, Liu Z, Wu F, Chu L Y. pH-Responsive controlled release characteristics of solutes with different molecular weights diffusing across membranes of Ca- alginate/protamine/silica hybrid capsules [J]., 2015, 474: 233-243.

[31] Mei L, He F, Zhou R Q, Wu C D, Liang R, Xie R, Ju X J, Wang W, Chu L Y. A novel intestinal-targeted Ca-alginate-based carrier for pH- responsive protection and release of lactic acid bacteria [J]., 2014, 6(8): 5962-5970.

[32] Mei L, Xie R, Yang C, Ju X J, Wang W, Wang J Y, Chu L Y. pH-Responsive Ca-alginate-based capsule membranes with grafted poly(methacrylic acid) brushes for controllable enzyme reaction [J]., 2013, 232: 573-581.

[33] Alessandri K, Sarangi B R, Gurchenkov V V, Sinha B, Kiessling T R, Fetler L, Rico F, Scheuring S, Lamaze C, Simon A, Geraldo S, Vignjevic D, Domejean H, Rolland L, Funfak A, Bibette J, Bremond N, Nassoy P. Cellular capsules as a tool for multicellular spheroid production and for investigating the mechanics of tumor progression[J]., 2013, 110(37): 14843- 14848.

Recent progress in fabrication and functionalization of Ca-alginate capsules with ultrathin membranes

HE Fan1, XIE Rui1, JU Xiaojie1, WANG Wei1, LIU Zhuang1, CHU Liangyin1,2

School of Chemical EngineeringSichuan UniversityChengduSichuanChinaState Key Laboratory of Polymer Materials EngineeringSichuan UniversityChengduSichuanChina

Calcium alginate (Ca-alginate) capsule membranes are widely used in biological and medical fields due to their notable advantages such as good biocompatibility, and mild gelation conditions. Thin capsule membranes are desired to reduce the resistance to the mass transfer across the membranes, and to accelerate the exchange of solutes between the internal space of the capsule and the external environment. Therefore, fabrication and functionalization of Ca-alginate capsules with ultrathin membranes have attracted much attention recently. This paper reviews recent progress in fabrication and functionalization of Ca-alginate capsules with ultrathin membranes, and the controllable fabrication of Ca-alginate capsules with ultrathin membranesa co-extrusion approach, organic/inorganic hybrid processingadsorption of protamine molecules and biosilicification as well as functional modification of the Ca-alginate capsules with ultrathin membranes are highlighted. The thicknesses of the resultant Ca-alginate capsule membranes range from 0.6 to 150 μm, and the permeability performance of the capsule membranes could be controllably adjusted. The strategy reported in this paper provides a novel approach to fabricate novel structures of capsule membranes for various applications, particularly as a new tool for screening microorganism survival and growth in three-dimensional environments. Protamine is used to inspire and template silica formation onto the surfaces of the Ca-alginate capsules, which provides a facile and efficient method to prepare the organic/inorganic hybrid capsules with ultrathin membranes. The Ca-alginate/ protamine/silica capsules efficiently inhibit the swelling of Ca-alginate capsules, and thus are promising carriers for encapsulation of cells and enzymes. In addition, Ca-alginate capsules membranes blended with poly(-isopropylacrylamide) (PNIPAM) nanogels exhibit desirable thermo-responsive gating characteristics. pH-Responsive switching functions can be endowed by the electrostatic interactions between Ca-alginate networks and protamine molecules, or by the swelling/shrinking behaviors of the grafted poly(methacrylic acid) (PMAA) brushes on the capsule membranes. These functional capsules with ultrathin membranes have many potential applications in various fields such as enzyme catalytic reactions, immobilizations of cells and foods, and controlled release of chemicals.

capsule membranes; calcium alginate; ultrathin shells

2015-05-21.

Prof. CHU Liangyin, chuly@scu.edu.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20150663

TQ 316；TB 34

A

0438—1157（2015）08—2817—07

褚良銀。

何帆（1990—），男，博士研究生。

國家自然科學(xué)基金項目（21136006）；高分子材料工程國家重點實驗室自主研究課題“團隊項目”（sklpme2014-1-01）。

2015-05-21收到初稿，2015-05-28收到修改稿。

supported by the National Natural Science Foundation of China (21136006) and the State Key Laboratory of Polymer Materials Engineering (sklpme2014-1-01).