导读：
智能聚合物微球（SPMs）是一类能够对外界刺激（如温度、pH、光、磁场）产生响应的材料，广泛应用于生物医学、环境保护和信息加密等领域。近期，哈尔滨工业大学冷劲松教授、张风华研究员等人联合发表综述，系统总结了SPMs的最新研究进展，包括其制备方法、微观结构、刺激响应特性以及在多个领域的应用。相关研究成果以“Smart Polymer Microspheres: Preparation, Microstructures, Stimuli-Responsive Properties, and Applications”为题目，发表在期刊《ACS Nano》上。
本文要点：
1、本文详细综述了智能聚合物微球（SPMs）的制备方法，涵盖乳化-溶剂蒸发、微流体技术和静电喷雾等物理方法，以及乳液聚合和沉淀聚合等化学方法。
2、深入分析了温度、pH、光和磁等不同类型的刺激响应行为。
3、探讨了SPMs在药物递送、组织工程和环境监测方面的应用，同时讨论了该领域未来的技术挑战和发展方向。
智能聚合物微球（SPMs）的制备技术主要包括物理方法和化学方法两大类，每种方法都有其独特的优势和应用场景。具体如下：
物理方法
1、乳化-溶剂蒸发法
原理：将聚合物溶解在挥发性有机溶剂中，形成油相，然后将其分散到水相中，通过搅拌形成乳液。随后，有机溶剂挥发，聚合物逐渐析出形成微球。
优点：操作简单，适合大规模生产。
缺点：微球尺寸分布不均匀，难以精确控制。
2、喷雾干燥法
原理：将原料溶液或乳液通过高压喷嘴雾化成细小的液滴，热空气迅速蒸发溶剂，使液滴干燥成微球。
优点：操作简单，一步成型，粒径控制精确，适合工业生产。
缺点：需要高温干燥，可能影响热敏性化合物的稳定性。
3、微流体法
原理：利用微流体技术在微流体通道中生成液滴，通过控制连续相和分散相的流速，形成稳定的液滴，再通过溶剂蒸发或聚合反应形成微球。
优点：可以精确控制微球的尺寸和形态，重复性高，适合高通量生产。
缺点：设备成本高，通道易堵塞。
4、静电喷雾法
原理：在高电场和静电作用下，通过喷雾装置将聚合物溶液喷雾成细小的液滴，液滴在电场作用下形成泰勒锥，进一步分裂成微球。
优点：可以精确控制微球的尺寸和形态，适合制备小尺寸微球。
缺点：微球的单分散性较差，药物载荷微球可能存在药物释放过快的问题。
5、膜乳化法
原理：将分散相通过微孔膜，形成液滴，液滴在膜孔处因表面张力作用而分离，形成均匀的微球。
优点：成本低，可扩展性强，适合大规模生产。
缺点：微球尺寸受膜孔径影响，难以进一步缩小。
化学方法
1、乳液聚合
原理：通过乳化剂将单体分散在水相中，形成乳液，然后加入引发剂进行聚合反应。
优点：可以精确控制微球的尺寸和形态，适合制备单分散微球。缺点：乳化剂难以完全去除，可能影响微球的性能。
2、沉淀聚合
原理：在聚合过程中，单体形成初级核，通过捕获单体和可溶性低聚物生长，当链长达到临界值时，形成微球。
优点：操作简单，适合制备单分散微球。
缺点：效率低，依赖有毒溶剂。
3、悬浮聚合
原理：将不相溶的液体分散在水相中，通过聚合反应形成微球。
优点：操作简单，适合大规模生产。
缺点：难以精确控制微球的尺寸。
它们是如何响应外界刺激的？
智能聚合物微球（SPMs）能够通过多种机制对外界刺激产生响应，这些机制主要基于聚合物的物理、化学或结构变化。以下是几种常见的响应机制：
1、温度响应
原理：聚合物链在温度变化时会发生相变，导致微球的体积或形态发生变化。这种变化通常是由于聚合物链的热膨胀或收缩引起的。
应用实例：聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）微球在温度超过其临界溶液温度（LCST）时，会发生体积收缩，可用于药物释放和吸附。
2、pH响应
原理：聚合物链在pH变化时会发生离子化，导致微球的体积或形态发生变化。这种变化通常是由于聚合物链上的酸性或碱性基团在不同pH值下发生质子化或去质子化。
应用实例：聚丙烯酸微球在酸性环境中会发生膨胀，可用于pH响应的药物释放。
3、光响应
原理：聚合物链在光照射下会发生光异构化或光热效应，导致微球的形态或温度发生变化。这种变化通常是由于聚合物链上的光敏基团（如偶氮苯）在特定波长的光照射下发生结构变化。
应用实例：含有偶氮苯基团的微球在紫外光照射下会发生光异构化，可用于光响应的药物释放。
4、磁场响应
原理：微球中的磁性粒子在磁场中会发生磁化，导致微球的运动或温度变化。这种变化通常是由于磁性粒子在交变磁场中产生热量。
应用实例：磁性微球在交变磁场中会产生热量，可用于磁热治疗。
5、机械响应
原理：微球在机械力作用下会发生形变或释放药物。这种变化通常是由于微球内部的结构在机械力作用下发生断裂或变形。
应用实例：机械响应微球在超声作用下会发生破裂，可用于超声触发的药物释放。
6、生物响应
原理：微球在生物环境中与生物分子（如酶、蛋白质、糖）发生特异性相互作用，导致微球的结构或性能发生变化。这种变化通常是由于微球表面的生物识别基团与生物分子发生特异性结合。
应用实例：含有葡萄糖氧化酶（GOX）的微球处于高血糖环境中，GOX会催化葡萄糖生成葡萄糖酸，使微球周围变酸，触发胰岛素释放。
7、多刺激响应
原理：微球同时响应多种刺激，通过整合多种响应机制，实现更复杂的功能。这种变化通常是通过在微球中引入多种响应基团或功能单元。
应用实例：多刺激响应微球可以同时响应温度、pH和光等刺激，实现更精准的药物释放和环境适应。
图1.刺激响应型聚合物微球的制备方法、微观结构、刺激响应类型及应用。
图2.聚合物微球的物理制备方法。
图3.聚合物微球的化学制备方法。
图4.不同结构的聚合物微球。
图5.物理刺激响应型聚合物微球。
图6.化学、生物及多刺激响应型聚合物微球。
图7.刺激响应型聚合物微球在药物递送系统中的应用。
图8.刺激响应型聚合物微球在组织工程中的应用。
图9.刺激响应型聚合物微球在微纳机器人中的应用。
图10.刺激响应型聚合物微球在智能窗户中的应用。
图11.刺激响应型聚合物微球在智能涂层中的应用。
图12.刺激响应型聚合物微球在信息加密中的应用。
图13.刺激响应型聚合物微球的环境应用。
论文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.5c00998
