以花粉為靈感，科學家打造單分散乳液制備新方法，實現活性物質雙層封裝和保護
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單分散乳液，迎制備新方法不過，上述兩種方法各有優劣。基于此，江南大學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，他們很好地利用了大自然的饋贈——天然蜂花粉。蜂花粉來源廣泛、種類繁多。最重要的是，同一品種的蜂花粉其微觀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，水相仍然會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，經過簡單的低速離心處理，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的天然載體。花粉壁由兩層組成：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細胞質和包括生物分子和細胞器團塊在內的孢漿物質。據研究，某些花粉成分與人體免疫系統的相互作用，可能是導致花粉過敏的產生。為了消除潛在的過敏反應，花粉首先需要經過脫脂處理，以去除外壁中的部分蛋白質和脂質。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和孢質器官。處理后的花粉，成為一種天然來源的空心微膠囊，故能適用于封裝各種活性物質，比如油、蛋白質和納米顆粒。在進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口。這些孔道結構會影響封活性物質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題。預計若干年后，本次成果在食品、化妝品、生物醫學等活性物包載和遞送等領域，能夠產生重要的應用前景。
在微觀中精雕細琢，于小液滴中蘊藏大自然事實上，自然界既神奇又充滿奧秘，很多原創性科研工作的啟發都來源于自然。早在 5 年前，蔣航已經開始關注來源于自然的生物基膠體，蜂花粉便是他的關注對象之一。讀博的時候，他跟隨香港中文大學魏濤教授研究乳液和微膠囊的相關課題，因此對單分散乳液有所了解。入職江南大學之后，蔣航給學生定下蜂花粉微膠囊的相關課題。起初，只是想看看乳液中包裹蜂花粉會是怎樣一種現象。既然蜂花粉的尺寸非常均一，那能否實現單個乳液液滴中僅僅包裹一顆花粉微粒從而實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。通過蜂花粉的加入，在進行高轉速的剪切均質乳化之后，所得到的乳液會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行有效分離，從而收集得到單分散的油包水型 Pickering 乳液。
（來源：Advanced Functional Materials）然而，采用此種方法制備的單分散乳液的產量，嚴重依賴于花粉微粒的數量。過少的花粉加入量，雖然能顯著增強乳液的單分散效果，但是產量卻很低。過高的花粉加入量，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選條件。并發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，通過對水相與二氧化硅顆粒熒光染色，便能通過激光共聚焦熒光顯微鏡，清晰地觀察到單分散 Pickering 乳液包裹花粉微粒的情況，也能對乳液結構立體表征。他們還發現花粉的形貌形狀，的確會對乳滴形貌產生影響。尤為突出的是向日葵花粉，其突刺狀結構可以進一步防止乳滴的聚并，形成高度對稱且穩定的單分散乳滴結構。
（來源：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，結果發現仍能形成包裹單顆花粉微膠囊的單分散乳滴。這樣一來，許多活性物質便能事先包載于花粉微膠囊中，并再次通過乳化作用被包裹于乳滴內水相。緊接著，通過界面溶膠-凝膠反應，課題組發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。
（來源：Advanced Functional Materials）
日前，相關論文以《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）為題發在 Advanced Functional Materials[1]。江南大學蔣航教授、江南大學研究生余姮星是共同一作，英國赫爾大學 Bernard P. Binks 和香港中文大學魏濤教授擔任通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：Advanced Functional Materials）而在未來，蔣航希望能繼續拓展單分散乳液的方法學研究，以及開展基于花粉微膠囊的智能包載體系的研究，從而帶來更多的實際應用。
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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