以花粉為靈感，科學(xué)家打造單分散乳液制備新方法，實(shí)現活性物質(zhì)雙層封裝和保護
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單分散乳液，迎制備新方法不過(guò)，上述兩種方法各有優(yōu)劣?；诖?，江南大學(xué)教授蔣航和合作者提出一種制備單分散乳液的新方法。相比傳統方法，它能省去設計微通道與膜孔的步驟。
圖 | 蔣航（來(lái)源：蔣航）特別地，本次方法仍然建立在傳統的剪切乳化法上，不需要增加額外的輔助設備與器件。同時(shí)，他們很好地利用了大自然的饋贈——天然蜂花粉。蜂花粉來(lái)源廣泛、種類(lèi)繁多。最重要的是，同一品種的蜂花粉其微觀(guān)形貌和尺寸都十分均一，且擁有十分穩定的花粉外壁。于是，他們將蜂花粉以一顆顆微粒的形式均勻分散在水中，并將其作為水相。然后，將疏水二氧化硅納米顆粒的 D5 硅油分散液作為油相，這時(shí)二氧化硅納米顆粒充當了界面穩定的作用。在高速剪切乳化時(shí)，水相仍然會(huì )被剪切為一顆顆大小不同的小液滴并分散于油相中。不同的是，蜂花粉的加入使一部分水相液滴的剪切被限制，并使其尺寸接近于蜂花粉的大小。隨后，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的低速離心處理，便能得到包載單顆蜂花粉的單分散乳液液滴，從而用于制備單分散的微膠囊。蜂花粉廣泛存在于自然界，是植物攜帶遺傳物質(zhì)的天然載體?；ǚ郾谟蓛蓪咏M成：孢粉素構成的堅硬外壁層、和以多糖為基礎的內壁層。天然花粉的內腔主要充滿(mǎn)細胞質(zhì)和包括生物分子和細胞器團塊在內的孢漿物質(zhì)。據研究，某些花粉成分與人體免疫系統的相互作用，可能是導致花粉過(guò)敏的產(chǎn)生。為了消除潛在的過(guò)敏反應，花粉首先需要經(jīng)過(guò)脫脂處理，以去除外壁中的部分蛋白質(zhì)和脂質(zhì)。然后，使用酸處理或堿處理的方法，去除花粉顆粒內的殘留蛋白質(zhì)和孢質(zhì)器官。處理后的花粉，成為一種天然來(lái)源的空心微膠囊，故能適用于封裝各種活性物質(zhì)，比如油、蛋白質(zhì)和納米顆粒。在進(jìn)行脫脂和去蛋白之后，花粉顆粒表面顯示出大量的微米尺度和納米尺度的孔洞和開(kāi)口。這些孔道結構會(huì )影響封活性物質(zhì)在空心花粉微膠囊內的封裝效果。因此，他們將乳液界面工程的概念與空心花粉微膠囊加以結合，利用天然花粉外壁的固有特性，造出一種單分散的雙層微膠囊體系，以減緩或避免封裝活性物的泄露問(wèn)題。預計若干年后，本次成果在食品、化妝品、生物醫學(xué)等活性物包載和遞送等領(lǐng)域，能夠產(chǎn)生重要的應用前景。
在微觀(guān)中精雕細琢，于小液滴中蘊藏大自然事實(shí)上，自然界既神奇又充滿(mǎn)奧秘，很多原創(chuàng )性科研工作的啟發(fā)都來(lái)源于自然。早在 5 年前，蔣航已經(jīng)開(kāi)始關(guān)注來(lái)源于自然的生物基膠體，蜂花粉便是他的關(guān)注對象之一。讀博的時(shí)候，他跟隨香港中文大學(xué)魏濤教授研究乳液和微膠囊的相關(guān)課題，因此對單分散乳液有所了解。入職江南大學(xué)之后，蔣航給學(xué)生定下蜂花粉微膠囊的相關(guān)課題。起初，只是想看看乳液中包裹蜂花粉會(huì )是怎樣一種現象。既然蜂花粉的尺寸非常均一，那能否實(shí)現單個(gè)乳液液滴中僅僅包裹一顆花粉微粒從而實(shí)現單分散乳液的效果？基于此，他們定下了基于蜂花粉的單分散 Pickering 乳液的課題。首先，他們選取山茶花花粉作為研究對象、D5 硅油作為油相、氣相二氧化硅作為乳化顆粒。通過(guò)蜂花粉的加入，在進(jìn)行高轉速的剪切均質(zhì)乳化之后，所得到的乳液會(huì )存在兩種截然不同的尺寸分布。一種是包裹單顆花粉的大乳滴（＞30 微米），另一種則是高速剪切形成的尺寸小于 5 微米的小乳滴。隨后，采取低速離心的操作，將兩種尺寸分布的乳滴進(jìn)行有效分離，從而收集得到單分散的油包水型 Pickering 乳液。
（來(lái)源：Advanced Functional Materials）然而，采用此種方法制備的單分散乳液的產(chǎn)量，嚴重依賴(lài)于花粉微粒的數量。過(guò)少的花粉加入量，雖然能顯著(zhù)增強乳液的單分散效果，但是產(chǎn)量卻很低。過(guò)高的花粉加入量，則可能導致乳滴中包裹多顆花粉，反而影響乳液的整體均一性。為此，他們不斷優(yōu)化油相-水相體積比、剪切轉速、花粉加入量等影響因素，確定了單分散乳液制備的優(yōu)選條件。并發(fā)現花粉的濃度哪怕達到水相的 20%，仍能保證乳滴中包裹單顆花粉。但是，不同品種的蜂花粉形貌各異。于是，他們挑選許多不同植物來(lái)源的蜂花粉，包括以球狀為代表的油菜花花粉、以突刺狀為代表的向日葵花粉。有趣的是，天然蜂花粉自帶熒光屬性，通過(guò)對水相與二氧化硅顆粒熒光染色，便能通過(guò)激光共聚焦熒光顯微鏡，清晰地觀(guān)察到單分散 Pickering 乳液包裹花粉微粒的情況，也能對乳液結構立體表征。他們還發(fā)現花粉的形貌形狀，的確會(huì )對乳滴形貌產(chǎn)生影響。尤為突出的是向日葵花粉，其突刺狀結構可以進(jìn)一步防止乳滴的聚并，形成高度對稱(chēng)且穩定的單分散乳滴結構。
（來(lái)源：Advanced Functional Materials）
雖然利用花粉微粒能夠制備單分散的乳液液滴，但是花粉本身占據了大部分內水相空間，不利于乳液和微膠囊體系的活性物包載。為此，他們通過(guò)脫脂與脫蛋白的方法，得到了內腔中空的天然花粉微膠囊。隨后，將花粉微膠囊代替天然花粉，結果發(fā)現仍能形成包裹單顆花粉微膠囊的單分散乳滴。這樣一來(lái)，許多活性物質(zhì)便能事先包載于花粉微膠囊中，并再次通過(guò)乳化作用被包裹于乳滴內水相。緊接著(zhù)，通過(guò)界面溶膠-凝膠反應，課題組發(fā)現很容易就能在花粉微膠囊外，再次固化形成一層二氧化硅材料的保護殼，從而作為活性物經(jīng)花粉微膠囊泄露的第二道“防護盾”。至此，研究正式告一段落。
（來(lái)源：Advanced Functional Materials）
日前，相關(guān)論文以《利用自然的力量：利用蜂花粉顆粒的單分散皮克林乳液液滴和蛋黃殼微膠囊》（Harnessing the Power of Nature: Monodisperse Pickering Emulsion Droplets and Yolk-Shell Microcapsules Utilizing Bee Pollen Particles）為題發(fā)在 Advanced Functional Materials[1]。江南大學(xué)蔣航教授、江南大學(xué)研究生余姮星是共同一作，英國赫爾大學(xué) Bernard P. Binks 和香港中文大學(xué)魏濤教授擔任通訊作者。
圖 | 相關(guān)論文（來(lái)源：Advanced Functional Materials）而在未來(lái)，蔣航希望能繼續拓展單分散乳液的方法學(xué)研究，以及開(kāi)展基于花粉微膠囊的智能包載體系的研究，從而帶來(lái)更多的實(shí)際應用。
參考資料：
1.Jiang, H., Yu, H., Guan, X., Jiang, W., Li, Y., Liu, W., ... & Ngai, T. (2024). Harnessing the Power of Nature: Monodisperse Pickering Emulsion Droplets and Yolk‐Shell Microcapsules Utilizing Bee Pollen Particles.Advanced Functional Materials, 2316510.
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