在自然界中，生物体通过极其精妙的通信网络维持着体内的稳态（Homeostasis），比如调节pH值、体温或血糖。如何让合成材料也拥有这种“类生命”的自愈和自调节能力，一直是智能材料领域的巅峰挑战。

近日，天津大学汪怀远教授联合利物浦大学斯蒂芬森可再生能源研究所Dmitry Shchukin教授团队，开发了一种受生物启发的人造微囊系统，能够通过拮抗酶反应网络实现自主的pH稳态调节。研究人员利用低成本3D打印微流控技术配合表面共组装工艺，精确制造出包裹有脲酶和酯酶的单分散微球。

该系统由两种具有相反响应特性的微囊组成：一种在酸性环境下开启并释放碱性产物，另一种在碱性条件下激活并产生酸。通过这两种微囊间的信号交换与互补通讯，该材料能够在外部干扰下维持pH值的动态平衡或程序化稳定。这种创新的设计方案为开发具有环境适应性的智能生物医学材料和环境调节系统提供了重要参考。相关研究以“Autonomous and Communicative Microcapsule Systems for Life‐Like Homeostatic pH Regulation”为题目，发表在期刊《Small》上。

本文要点：

1. 核心系统设计：双微胶囊拮抗网络

研究者构建了一个由两种功能互补的酶微胶囊组成的系统，模拟生物体内的拮抗调节：

• 脲酶微胶囊 (UMCs)：在酸性环境（pH < 5）下外壳渗透性增加，通过催化尿素产生氨（碱性），从而调高pH值。

• 酯酶微胶囊 (EMCs)：在碱性环境（pH > 8）下外壳渗透性增加，通过催化乙酸乙酯产生乙酸，从而调低pH值。

2. 制造工艺创新：低成本3D打印微流控

系统利用定制化且成本低廉的熔融沉积建模 (FDM) 3D打印微流控设备进行生产：

• 混合通道设计：结合了“流动聚焦”和“共流”几何结构，通过芯片内预交联技术确保了海藻酸钠微球的高度单分散性。

• 后涂层处理：采用改性环氧树脂后涂层策略，解决了3D打印固有的通道粗糙和缺陷问题，赋予通道疏水疏油特性，确保了液滴生产的稳定性。

3. 动态调节机制：反馈与通信

该系统通过精妙的化学信号交换实现自主控制：

• 负反馈调节：单个微胶囊具有自适应外壳渗透性。当环境pH达到设定阈值时，外壳会改变状态以限制燃料进入，从而抑制进一步的酶反应。

• 胶囊间通信：UMCs和EMCs通过pH信号进行“对话”。一种胶囊产生的产物会触发另一种胶囊的活动，形成闭环的通信网络。

4. 调节效果：振荡与稳定

通过调整微胶囊的比例和燃料浓度，系统可以实现两种模式的pH调节：

• pH 振荡：产生类似生物节律的持续pH波动，直到燃料耗尽。

• 可编程稳态：系统能自主抵御外部酸碱干扰，将环境pH精确稳定在预设的范围内（如pH 6-7），表现出极强的鲁棒性。

5. 应用前景与意义

这项工作为开发自适应、智能化材料提供了通用框架：

• 生物医学：用于肿瘤微环境调节或体内代谢稳态维持。

• 环境调节：自动中和污染物或调节局部化学环境。

• 软机器人：作为基于化学信息交换的软控制系统。

结论：该研究成功克服了在合成材料中实现长效、动态稳态控制的挑战，通过低成本制造方式展示了类似生命系统的自主调节功能。

在该研究中，UMCs（脲酶微胶囊）和EMCs（酯酶微胶囊）通过其具有pH响应性的半透性外壳来精确控制内部的酶促反应。这种控制机制的核心在于外壳渗透性的可逆切换，从而调节底物（燃料）进入微胶囊的速度。

具体运作方式如下：

1. 脲酶微胶囊 (UMCs) 的控制机制

• 外壳组成：由支化聚乙烯亚胺 (bPEI) 和聚丙烯酸 (PAA) 交替层叠而成。

• 开启状态 (pH < 5)：在酸性环境下，PAA 的羧酸基团发生质子化，而 bPEI 的胺基产生静电排斥，导致外壳溶胀并增加渗透性。此时，底物尿素能够扩散进入微胶囊，被脲酶催化产生氨（碱性）。

• 关闭状态 (pH > 5)：随着氨的积累导致环境 pH 升高，外壳结构收缩，渗透性降低，进入“关闭”状态，从而限制底物扩散并抑制进一步的酶促反应。这形成了一个负反馈调节回路。

2. 酯酶微胶囊 (EMCs) 的控制机制

• 外壳组成：由聚苯乙烯磺酸钠 (PSS) 和聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯 (PDMAEMA) 交替沉积而成。

• 开启状态 (pH > 8)：在碱性环境下，由于 PDMAEMA 的构象转变（变为皱缩/环状结构）以及 PSS 磺酸基团的静电排斥，外壳发生溶胀并变得高度渗透。底物乙酸乙酯进入微胶囊，被酯酶催化产生乙酸。

• 关闭状态 (pH < 8)：随着乙酸的产生导致 pH 降低，外壳孔隙率减小并转变为低渗透性的“关闭”状态，停止产酸反应。

3. 关键的“休眠窗口”与通信逻辑

• 协同工作：这种设计建立了一个闭环的通信网络。UMCs 产生的碱性产物会触发 EMCs 的活性，而 EMCs 产生的酸性产物则会重新激活 UMCs。

• 休眠区间：研究发现存在一个 pH 5 到 8 之间的“休眠窗口”。在此范围内，两种微胶囊的外壳都处于低渗透性的“关闭”状态。通过调整燃料和微胶囊的比例，可以利用这一特性将环境 pH 精确稳定在特定的目标值。

总之，外壳充当了智能化学阀门的角色，根据环境 pH 信号自主决定何时允许反应发生，从而在合成系统中实现了类似生物稳态的动态调节功能。

图1：稳态微胶囊系统的设计、制造及功能示意图。

图2：FDM 3D 打印微流控芯片新制造流程概览。

图3：制造具有指定通道几何形状的 3D 打印微流控器件的优化策略及后涂层改性。

图4：FCMF 实现了海藻酸盐球形微球的可控生产。

图5：酸介导的 UMC 自调制及产碱调节行为。

图6：碱介导的 EMC 自调制及产酸调节行为。

图7：微胶囊群落通过内部通信实现的集体 pH 自调节行为及反馈控制的可编程 pH 稳定。

论文链接：https://doi.org/10.1002/smll.73756

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