电流体动力学工艺制备纤维素纳米晶体水凝胶微球，破解生物活性化合物控释难题-北京永康乐业科技发展有限公司

导读：

控释系统（CRSs）是生物活性化合物（BCs）定点递送的重要平台，但受非均一性、结构不稳定等问题制约。近期，有研究人员采用电流体动力学（EHD）工艺，将胶体（cCNC）与交联（xCNC）两种形式的纤维素纳米晶体分别与海藻酸盐（ALG）复合，成功制备出形状均一、pH敏感的水凝胶微球（HMs），并通过模拟胃肠道环境验证了其对亲/疏水生物活性化合物的可控释放性能，为解决控释系统非均一性与结构不稳定问题提供了新方案。相关研究以“Cellulose nanocrystal-based hydrogel microspheres prepared via electrohydrodynamic processes for controlled release of bioactive compounds”为题目，发表在期刊《Carbohydrate Polymers》上。

本文要点：

1、本研究采用电流体动力学（EHD）工艺，将两种形态的纤维素纳米晶体（CNC：胶体态cCNC、交联态xCNC）与海藻酸盐（ALG）复合，制备形状均一的水凝胶微球（HMs），用作pH敏感型BCs控释载体。

2、以疏水和亲水染料为模型BCs负载于HMs，其球形因子≤0.05，尺寸随电压变化，范围为 ∼1200 μm（电压关闭）至300 μm（电压打开）。

3、在模拟胃（pH 2.4）和小肠（pH 8.2）环境中，采用Korsmeyer-Peppas模型分析释放机制，释放指数（n）表明，染料通过非费克扩散（0.43≤n≤0.85）和Case-II转运（n≥0.85）实现pH依赖性释放。

电流体动力学（Electrohydrodynamic, EHD）工艺是一种利用电场力调控流体行为，实现微纳米级材料制备的先进技术，核心是通过电场与流体力学作用的耦合，将流体（如聚合物溶液、溶胶等）转化为形态、尺寸可控的微球、纤维或薄膜等结构，在生物医药、材料科学等领域应用广泛，尤其适用于生物活性化合物（BCs）载体（如水凝胶微球）的精准制备。

其基本原理是：将待处理的流体（如研究中的ALG/CNC复合溶液）装入带针头的注射器，通过注射泵控制流速将流体推向针头尖端；同时在针头与接地的收集装置（如含氯化钙的收集浴）间施加高压电场，使针头尖端的流体因电荷积累发生形变（形成“泰勒锥”），随后在电场力、表面张力、粘性力等共同作用下，流体被拉伸、破碎为微小液滴或连续纤维；最终液滴在收集浴中固化（如研究中ALG与钙离子交联），形成目标微结构（如水凝胶微球）。

该工艺的关键优势在于：

1、精准调控产物形状与尺寸：通过调节电压（如研究中0kV→10kV使微球尺寸从1200μm缩至300μm）、流速（如2.5ml/h更易形成球形微球）、流体粘度等参数，可实现产物尺寸（纳米级至微米级）、形状（球形、纤维状等）的精准控制；

2、生物相容性好：过程温和（无需高温、强化学试剂），能有效保留BCs（如药物、益生菌）的活性，适合生物医药载体制备；

3、制备效率高：操作简单且可连续生产，易于规模化应用，在控释系统、组织工程支架、功能材料等领域具有重要价值。

图1 电流体动力学（EHD）工艺制备微球的分步流程及微球形成过程中涉及的作用力示意图。其中，F1 为表面张力（Fs）与粘性力（Fv）之和，F2 为重力（Fg）与电场力（Fe）之和。

图 2 工艺方案优化：（a）工艺参数对微球形貌的影响；（b）不同组成体系下电流体动力学工艺制备微球的效果。

图 3 所制备水凝胶微球在测试条件下的理想特性确定：（a）电动力学参数（组成与工艺）；（b）尺寸；（c）形状。

图 4 用于表征对照组及其复合体系（负载与未负载染料）化学键特征的傅里叶变换红外（FTIR）光谱图。具体包括：（a）对照纤维素纳米晶体（CNC）；（b）对照海藻酸盐（ALG）；（c）负载柠檬黄的 ALG；（d）负载三联吡啶氯化钌（II）（rubpy）的 ALG；（e）ALG/cCNC 对照体系；（f）负载柠檬黄的 ALG/cCNC；（g）负载 rubpy 的 ALG/cCNC；（h）ALG/xCNC 对照体系；（i）负载柠檬黄的 ALG/xCNC；（j）负载 rubpy 的 ALG/xCNC。其中，柠檬黄为亲水性染料，rubpy 为疏水性染料。

图 5 微球性能评估。（a）溶胀度，（b）孔隙率，（c- d）压缩试验结果（c 为电压关闭状态，d 为电压开启状态）。

图 6 不同 pH 条件对负载染料微球影响的显微照片。（a- c）负载柠檬黄的微球，（d- f）负载 rubpy 的微球。

图 7 不同组成及电压条件下制备的微球中染料的累积释放曲线。（a- d）柠檬黄的释放曲线［（a）pH 2.4、0 kV；（b）pH 2.4、10 kV；（c）pH 8.2、0 kV；（d）pH 8.2、10 kV］；（e- h）rubpy 的释放曲线［（e）pH 2.4、0 kV；（f）pH 2.4、10 kV；（g）pH 8.2、0 kV；（h）pH 8.2、10 kV］。每条曲线上的虚线为拟合线，代表 Korsmeyer-Peppas 模型。