Acc. Chem. Res. 最新综述：功能微凝胶和微凝胶系统

【引言】

微凝胶是一类不同于普通胶体的非常独特的材料，在合成微凝胶的过程中，它可以以各种生物材料、大分子以及合成高分子为基础，但是，通常微凝胶的基本特征是依赖于官能团的化学性质。微凝胶能够结合化学官能团、结构整体性、大分子构架、适应性、渗透性以及变形性来以一种独特的方式去囊括“最佳”的胶体、高分子以及表面活性剂。这将为其在不同的领域中的新颖应用（例如传感器，催化和分离技术）开启大门。

图1 胶体领域的多样性

图2 具有不同化学官能团的可穿透核 - 壳微凝胶的示意图

最近，来自德国亚琛工业大学的Walter Richtering（通讯作者）等人在Accounts of Chemical Research上发表题了为 “Functional Microgels and Microgel Systems” 的综述，详细论述了微凝胶的功能化、构架及其理化性质，并结合其结构和物理化学性质叙述了微凝胶的几个应用，文章最后提到虽然微凝胶的研究存在巨大的挑战，但是微凝胶的研究仍然具有广泛的发展空间，并且越来越多的基于这种非常奇特的胶体类别的产品即将来临。

综述总览图

1. 功能化

在微凝胶合成中通常引入功能性化学基团或锚定基团来改变其化学功能。沉淀聚合能够制备具有可变尺寸和低尺寸分散性的微凝胶。因此，单体变成聚合物时，聚合物在聚合条件下最终不能溶于溶剂中。在决定粒子数目的成核初期之后，新聚合的聚合物加入到预成型的核上，进而导致逐步转化的连续生长。在交联剂的作用下，组装的聚合物链处于网络内，并且它还可以在适当的条件下溶胀。例如，N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）在高温下聚合能形成胶体颗粒，而由于PNIPAM支架的热敏性，它在冷却时能够吸收水。此外，PNIPAM微凝胶对静水压力和溶剂组成显示出敏感性。基于PNIPAM的微凝胶容易获得，它能够引入大量的功能共聚单体。对于其它支架如聚（N-乙烯基己内酰胺），聚（N，N-二乙基丙烯酰胺）或聚（N-异丙基甲基丙烯酰胺）也是如此。通常，只有这个共聚物在制备期间具有足够的疏溶剂作用，其亲水共聚单体可以随机分布在网络中。

图3 用于功能性微凝胶的示例性单体

然而，要得到高度带电的微凝胶，可以通过一种不同的途径（保护单体的乳液聚合）来获得。功能性共聚单体包含阴离子或阳离子部分（像丙烯酸或N-（3-氨基丙基）甲基丙烯酰胺），会产生具有或者不具有pH依赖性电离度的聚电解质微凝胶（后者可通过氨基的季铵化实现）。这些离子基团常常导致微凝胶在水分散体中大量溶胀，并且它们可以充当其它实体以及具有带点单元的络合物的锚定点。小的多价抗衡离子，带相反电荷的聚电解质，蛋白质和酶，甚至（磁性/等离子体）纳米粒子会进入到或吸附到微凝胶中。这种超分子组装方法也可以扩展作为偶联基序的氢键或疏水空腔（如环糊精）。再者，具有冠醚的网络的修饰允许带有离子络合物的形成，这使得微凝胶成为可逆的聚电解质。除了这样的超分子模块组装体之外，官能团可以共价连接到微凝胶网络。光敏性可以通过单体（如偶氮苯化合物，螺吡喃衍生物或光交联剂）或表面活性剂来引入，甚至能够通过照射改变热敏性质。

图4 超分子交联微凝胶的途径

2. 构架

许多微凝胶在其溶胀结构内不具有均匀的区段密度。这主要是由于单体和交联剂具有不同的反应活性，当单体和交联剂消耗更快时，将会导致内部更高的链段密度，而具有悬挂链的模糊表面构成了外边的部分。尽管如此，可逆的细乳液方法也可用于在溶胀状态下接近恒定的链段密度。这些例子已经表明均聚物微凝胶（包括额外的交联剂）可以具有不同的架构和内部结构。最近合成中的进展提供了获得超低交联微凝胶以及在中心或者是接近空心微凝胶部位具有较低的链段密度的空心微凝胶的方法。这里引入了颗粒形成后的交联步骤，并使用能在微凝胶合成之后溶解的牺牲核。后一个例子显示微粒凝胶壳的较高交联密度可以防止在移除核时壳溶胀到内部。

除了均聚物微凝胶中的这些结构多样性之外，当共聚物微凝胶内采用不同的区室时，也存在更多的变化性。将核-壳型微凝胶作为第一个例子，核-壳型微凝胶是通过从种子生长沉淀聚合到接种生长沉淀聚合来形成的。作为一种选择是，具有不同体积相转变温度（VPTT）的热响应聚合物被结合，而聚合物壳的序列顺序以及每种组分对应的VPTT能够影响微凝胶的总溶胀行为。当使用具有较低VPTT的聚合物壳时能够观察到锐角效应，而具有较高VPTT的核早已经准备用于水摄取。作为这种方法的扩展，由两个网状壳组成的中空微凝胶的灵敏性（例如对温度的敏感性）被开发出来，这允许独立地控制胶体稳定性和渗透性。这样不仅能够容易地获得不同的核 - 壳（壳）结构，而且在微凝胶中相当随机地放置较小的疏水域也是可能的（肮脏的雪球结构）。

图5 具有不同转变温度的空心核 - 壳 - 壳微凝胶的热致塌陷

除了具有不同相变温度和亲水性的区域的相互作用之外，pH敏感，（反向）带电和不带电区域的组合导致微凝胶溶胀，其膨胀强烈依赖于它们的形态。与具有随机分布的阳离子和阴离子基团的聚阳离子微凝胶（其还包括两性离子微凝胶）相比，核 - 壳型结构显示出了明显不同的pH依赖性溶胀。

虽然各向异性微凝胶几乎不是现在的焦点，但是作者设想其将增加额外的结构自由到这些系统上去，特别是当向各向异性结构扩展上述变化时。在这个方向上，已经产生了表面结合的微凝胶串，其可以用作产生直径在300nm范围内的对准的导电金引线的模板。

3. 渗透性

溶胀的微凝胶能够被溶剂渗透，允许较小的实体扩散到微凝胶的内部。利用上述提及的区室化，微凝胶处于作为多步骤化学转化的壳体或反应位点的边缘。分子的运输甚至可以受到响应性溶胀或者塌陷作用的刺激。生物材料的海绵样吸收能够促进微凝胶负载：溶胀将周围分子“吸”到颗粒的内部。在存在更多疏水酶的情况下，塌陷的微凝胶的吸收增强。同时，微凝胶可以被用作酶和纳米颗粒从水相到有机溶剂的相转移工具，反之亦然。通常，相互作用实体的相对尺寸和微凝胶网孔尺寸的相对大小会决定微凝胶的内部是否可以接近。当客体尺寸小于微凝胶网孔尺寸时主要发生吸收，而在相反的情况下主要是观察到在微凝胶的外部区域上的吸收。酶摄取过程中也能观察到类似的现象，因为较大的酶位于外部，而较小的酶渗透到微凝胶的内部。不同位置的酶的双酶系统可以被认为是第一微凝胶工厂之一，因为催化级联反应在一个胶体实体内是可能的。

图6 不同位置的酶在吸附到微凝胶里或者微凝胶表面的不同尺寸示意图

人们研究了针对表面反应的络合客体的可用性，即朝电化学转化。可以预料的是中心结合的氧化还原活性实体由于其与电极的距离大而不能直接参与电化学转化。通过交换（在自由移动实体的情况下）或电泳机制，仍然有相当大部分的氧化还原活性单元可以被电极化处理。在电化学反应的时间尺度上，尽管会有一定产生额外物理交联的几率，但主要的电子通路还是构成了电子在自由分散的电活性实体间的转移或传递。甚至，微凝胶选择性地加热，其中塌缩的微凝胶的行为像铁氰化物（六氰基高铁酸盐（III））的绝缘包裹一样。

在利用电荷密度中的热触发变化去研究氧化还原活性实体在多孔胶态分散体中的电化学行为之后，可以引入电化学作为新颖的刺激以改变微凝胶的尺寸（在恒温下）。通过电解，尺寸可以可逆地转换，其中伴随着六氰基高铁酸盐的电触发的吸收和释放。在微凝胶网状结构内，六氰基的速率会导致一些额外的物理交联。作为电活性微凝胶系统的其他方法，人们提出了将聚苯胺掺入到微凝胶中、二茂铁单元的主链中以及钌络合物中作为侧基的思路。

图7 通过电化学刺激的微凝胶尺寸变化

4. 变形性

微凝胶最令人兴奋的特点是它们的适应性：它们可以变形并且使其形状适应它们的周围环境。当将具有不同尺寸的溶胀微凝胶结合到胶体晶体中时就已经看到这一点了。较大尺寸的次要微凝胶成分解吸以适应较小尺寸的主要微凝胶成分的晶格，同时，微凝胶可以改变那些明显小于自己实际尺寸（溶胀状态）的孔的位置。

由于它们的可变形性，它们往往以薄饼状构象粘附到固体界面上，导致很大的变形。吸附的微凝胶的形状与交联度有很大关系：可以观察到从球形到平坦层的过渡，并且在吸附期间发生的应力甚至可导致键断裂。物理交联的微凝胶甚至可以形成超薄膜。

图8 SEM显示的吸附微凝胶的变形性

通常，与表面相互作用的模式可以是静电性质的。在铂的表面只有有限的吸附。尽管离子微凝胶可以在吸附后大量溶胀，但是疏水性石墨表面可以提供不可逆的微凝胶附着方式。因此，基于PNIPAM的微凝胶的疏水接触表面比水- 石墨界面更不利。此外，如果吸附发生在崩陷情况下时，能够达到更高的微凝胶覆盖率。这种微凝胶层可用于热可切换的细胞粘附或用于聚合物吸附到多层上的关口。

当到达液-液界面时，微凝胶的结构再次改变，因为微凝胶的一部分突出到油相中，所述油相是所使用的聚合物的非溶剂。众所周知，聚合物能够吸附到界面，即使界面不是两亲性的，例如，聚环氧乙烷和聚异丙基丙烯酰胺。这里，两亲性可以理解为经历分离自组装的能力，即胶束的形成。在本体溶液中没有自组装的微凝胶可以多次吸附到界面上，并且还能观察到与界面平行的强变形去覆盖尽可能多的界面。因此，可以防止有害的油/水接触。垂直于界面的溶胀的“半球”连接到较小的塌陷的半球形成的独特结构也是微凝胶稳定乳液具有特殊性质的原因。这种微凝胶的稳定乳液一旦受到触发就会发生断裂，并且它与不具有变形作用的颗粒稳定的Pickering乳液正好相反。

图9 吸附在油 - 水界面处的中空微凝胶的模拟快照

图10 由阳离子（蓝色）和阴离子微凝胶（黄色）稳定的庚烷液滴组成的水包油乳液的光学显微照片

如上所述，将部分电荷引入微凝胶中时将会强烈地影响它们在水性本体相中的溶胀。在油 - 水界面中，静电相互作用的影响仍然知之甚少。微凝胶在界面处的填充几乎不受电荷的影响，然而，其压缩和剪切模量受影响，表明微凝胶覆盖的界面的粘弹性性质与乳液稳定性相关。

5. 应用

微凝胶的上述性质使它们在许多应用中作为容易获得的实体变得更有意义，接下来将介绍微凝胶的几个用途。

其工业重要性在于它具有随需稳定性以及破乳的能力。因此，可变换的乳液稳定性被用于生物催化体系，其中水基酶转化为油溶性底物。在乳液的状态下由于大界面的存在，促进了反应物的转移以及后来的转化。在加速反应之后，一旦触发的乳液破裂，产物可以容易地与酶分离，而微凝胶和酶可以用于另一个反应器循环。当进一步讨论微凝胶/酶系统时，微凝胶可以用来固定和保护有机溶剂中的酶。此外，表面附着的微凝胶可以作为完美模板来沉积这些生物催化剂。这是由于溶胀的微凝胶主要由水组成并且容易保护酶的结构的缘故。当将电极表面用于微凝胶和酶沉积时，可以构建例如苯酚的生物传感器，因为酶氧化的产物（醌）能够被电化学检测。另一种方法是表面结合有序的微凝胶层（标准具）被开发用于光学分析信号的读出，因为分析物依赖性溶胀会导致光子材料的布拉格峰偏移。

通过将微凝胶与纳米颗粒结合，这些构建体还可以用于表面增强拉曼散射的分析目的，这利用由于微凝胶的尺寸排阻效应造成的尺寸选择性。纳米颗粒还具有催化性质，因此，微凝胶/纳米颗粒杂化物的热响应性允许调节催化转化与温度，而疏水性的变化甚至赋予它调节的催化选择性。由于其独特的化学功能，物理性质，特别是其界面行为，微凝胶代表了如上所述的软物质材料的新平台。而功能性微凝胶是较大系统的一部分，其中微凝胶为应用体系提供了重要的性质。令人满意的新功能在化学工程单元操作中引发了两个挑战：首先就是微凝胶功能性必须被设计用于期望的应用（产品设计），并且制造工艺必须被定制以实现所需的功能（工艺设计）。

工业规模化生产微凝胶的瓶颈是其纯化。由于经常在实验室规模上使用的超速离心分离几乎不适用于大规模，因此，人们已经提出将超滤作为可能的后处理方法，但这可能会有滤饼的形成。科研工作者们利用微流体的方法研究了这种滤饼的形成，同时已经确定了允许使用超滤程序纯化微凝胶的条件。用微凝胶阻断过滤膜也可以转变成一个有利条件：微凝胶被用来渗透到中空纤维膜中，这将导致与温度依赖性的渗透性的热敏膜的制备变得容易。这也是一个微凝胶如何使复合材料发挥功能的实例。

图11 微凝胶改性的高分子薄膜的SEM图

【结论与展望】

微凝胶由于其独特的组合特征（结构完整性、区室化、正交官能化、柔软性、可变形性、渗透性和适应性）而被人们广泛应用。微凝胶研究的巨大挑战是三个模块化方法的结合：（1）好奇心驱动的关于新功能微凝胶的研究；（2）应用所决定的功能体系；（3）需要考虑微凝胶所需的性质、微凝胶体系以及在合成、组装和应用过程中的方法的产品设计。希望在将来微凝胶能够吸引更多的研究者投入其中，在不久的将来，应该会有越来越多的产品基于这种非常奇特的胶体类别进行制造。

图12 产品设计和过程设计将化学功能转移到应用中的相互作用说明

文献链接：Functional Microgels and Microgel Systems（Chem. Soc. Rev., 2017, DOI: 10.1021/acs.accounts.6b00544）

本文由材料人编辑部高分子材料组周小凤供稿，材料牛整理编辑。

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