Pickering emulsions stabilized by biocompatible particles: A review of preparation, bioapplication, and perspective (Open Access)
Tong Zhang（张童）, Fuguo Liu（刘夫国）, Jie Wu（吴颉）, To Ngai（魏涛）*
Keywords: Biocompatible particle; Pickering emulsion; High internal phase emulsion (HIPE); Porous structure
DOI: 10.1016/j.partic.2021.07.003
Pickering乳液是一种由颗粒稳定的乳液。由于其稳定性和安全性，Pickering乳液广泛应用于个人护理、食品工业及医用材料。近年来，生物相容性颗粒的发展进一步拓展了Pickering乳液的应用。
近日，香港中文大学魏涛教授团队在PARTICUOLOGY上发表的综述文章，主要聚焦于生物相容性颗粒，包括壳聚糖、聚乳酸-乙醇酸共聚物、明胶和蛋白颗粒。由生物相容性颗粒稳定的Pickering乳液可作为模板用于制作胶囊和多孔材料，后者在细胞培养、生物医药方面有着极大的应用潜力。
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研究背景
胶体颗粒与油水界面之间的强相互作用广为人知。具有恰当亲疏水性的固体颗粒可以吸附于界面并稳定乳液。在过去十年中，这类胶体颗粒作为小分子表面活性剂或嵌段共聚物的替代品在医疗、个人护理和食品生产中的新用途重新引起了人们的兴趣。除了使用Pickering乳液作为最终产品之外，以Pickering乳液作为模板来制造特定的多孔材料和微胶囊也在生物应用领域越来越受欢迎。
基于以上背景，香港中文大学魏涛教授团队简要总结了由生物相容性颗粒稳定的Pickering乳液作为模板来制造用于封装和控制释放的胶体胶囊的研究进展。重点关注生物相容性颗粒的合成、乳液的形成和结构，以及生产的胶囊在生物医学等方面的应用。
Pickering乳液基本知识
乳液是指由至少两种不混溶的液体组成的胶体体系。为了确保乳液的动力学稳定性，需要乳化剂来帮助稳定新形成的界面。传统的乳化剂包括表面活性剂和聚合物，Pickering乳液则使用颗粒来稳定界面，稳定性极好且毒性较低。
颗粒的润湿性决定其可以形成的乳液类型。颗粒的润湿性可以通过颗粒的三相接触角体现。图1给出了三相接触角、颗粒润湿性和乳液类型之间的直接关系。亲水性颗粒的接触角（相对于水）低于 90°，倾向于形成稳定水包油乳液；疏水性颗粒的接触角大于 90°，倾向于形成油包水乳液。吸附到油水界面后，颗粒的解吸能与接触角、界面张力和颗粒尺寸有关。对于半径为 R 且接触角为θ（相对于水）的球形颗粒，从界面张力为γ解吸附所需的能量∆E为，∆E=πR2γ(1±cosθ)2
图1 球形颗粒接触角与乳液类型的关系。
海藻酸盐颗粒稳定的Pickering乳液
海藻酸钠是一种线性聚阴离子，在碱性条件下膨胀，在酸性条件下收缩，pKa约为3–4。海藻酸钠良好的pH敏感性使其成为药物递送系统的潜在候选者。然而，由于大量羟基和羧基的存在，天然海藻酸盐亲水性太强，无法单独稳定乳液，需要预先进行疏水改性。目前报道的改性方法包括用辛基链接枝、与双丙酮丙烯酰胺反应，与多巴胺酰胺化，以及与环氧丙烷的酯化等。壳聚糖修饰是一种简单便捷的改性方法，配合膜乳化和钙离子交联，可以得到分布均匀的海藻酸钠颗粒（图2A–B）。通过调节膜的孔径以及跨膜压力，可以得到不同尺寸的海藻酸钠颗粒，并用于稳定Pickering乳液（图2C）。通过在油相中加入聚（D,L-乳酸-乙醇酸共聚物）（PLGA），此Pickering乳液可以作为模版得到PLGA胶体颗粒（图2D），并作为口服药物载体来运送胰岛素（图2E–F）。
图2 (A) 海藻酸钠颗粒的扫描电子显微镜图像；(B) 壳聚糖-海藻酸钠颗粒的制备方法；(C) 壳聚糖-海藻酸钠颗粒稳定的乳液；(D) 壳聚糖-海藻酸钠颗粒装载胰岛素；(E) 胰岛素的体外释放曲线；(F) 口服胰岛素的体内释放曲线。
聚乳酸-乙醇酸共聚物稳定的Pickering乳液
除了天然生物聚合物，合成的可生物降解聚合物在制药应用中也很受欢迎。常用的聚合物包括聚乳酸（PLA）、聚乳酸-乙醇酸共聚物（PLGA）、聚乙烯醇（PVA）、聚乙二醇（PEG）和聚己内酯（PCL）。PVA 通常用于稳定 PLGA 颗粒，利用膜乳化技术可以得到大小均一的PLGA颗粒。由于PLGA具有良好的生物相容性，PLGA稳定的乳液被证明可用于负载抗原，激活小鼠体内免疫反应。Pickering 乳液的覆盆子状表面为装载抗原提供了较大的表面积，有利于提高抗原负载效率。此外，液滴在内化过程中保持完整，并在酸性溶酶体条件下诱导溶酶体抗原逃逸，其带正电荷的表面将大部分抗原释放到细胞质中。体内试验也观察到引流淋巴结中抗原的积累和持续存在。
蛋白质基颗粒稳定的Pickering乳液
5.1. 乳化系统
具有不同蛋白质颗粒的 Pickering 乳液的稳定性引起了广泛的关注。被广泛研究的蛋白质乳化剂包括：醇溶谷蛋白、乳清蛋白、大豆蛋白等，其中一些是天然蛋白质通过自组装或热诱导交联形成的纯蛋白质颗粒，还有一些是蛋白质-多糖、蛋白质-多酚或通过共价或非共价相互作用形成的蛋白质-多糖-多酚复合颗粒。
醇溶蛋白
它是来自谷物种子的主要储存蛋白。由于疏水性氨基酸含量高，可溶于55–95%乙醇水溶液，不溶于水和无水乙醇。基于此，醇溶蛋白易于通过改变醇溶蛋白周围微环境的极性自组装形成微米/纳米颗粒，具有成为Pickering乳液理想颗粒稳定剂的巨大潜力。其中，玉米醇溶蛋白是目前研究最广泛的Pickering稳定剂。
已经证实，用亲水性蛋白质、多糖和多酚对玉米醇溶蛋白进行表面改性可以有效提高其作为Pickering稳定剂的乳化性能。与纯玉米醇溶蛋白颗粒相比，相对亲水性的麦醇溶蛋白或酪蛋白酸钠改性的玉米醇溶蛋白复合颗粒具有更合适的表面润湿性，三相接触角接近90°，使其在油水界面上的吸附性更好，形成Pickering乳液具有增强的稳定性。
乳清蛋白
乳清蛋白是一种氨基酸组成均衡、营养价值高、富含多种活性成分的蛋白质。热诱导乳清蛋白微凝胶颗粒和乳清蛋白凝胶-多糖复合颗粒是良好的 Pickering 稳定剂。蛋白质微凝胶颗粒可以吸附在油水界面上，并通过颗粒的变形和相互渗透，在油滴表面周围扩散，形成更连续的涂层。此外，蛋白质颗粒的形成和维持一般依赖于分子内或分子间的非共价键，包括氢键、静电和疏水相互作用等。但是，这些蛋白质颗粒在Pickering乳液中的应用仍有一定的局限性。例如，某些加工条件或环境变化可能会破坏蛋白质颗粒内的非共价键，导致乳液稳定性降低。在蛋白颗粒制备过程中对蛋白颗粒进行共价修饰或直接引入交联剂是提高颗粒稳定性和稳定乳液的有效途径。
明胶
明胶是通过胶原蛋白水解获得的线性蛋白质。根据水解条件，明胶可分为等电点（pI）为 pH7–9的A 型（酸水解）和pI为pH5左右的B型（碱水解）。经过两步去溶剂化后通过化学交联或络合获得的明胶纳米粒子已被证明是有效的 Pickering 乳化剂。与其他聚合物的络合也可以提高明胶稳定乳液的乳化稳定性。通过静电相互作用将明胶与壳聚糖络合产生不溶性复合物，该复合物可在pH5.5和6.5条件下稳定凝胶状Pickering乳液。
其他蛋白质
大豆蛋白也被广泛用作Pickering乳化剂。热诱导的大豆分离蛋白纳米颗粒和天然β-伴大豆球蛋白是良好的Pickering颗粒稳定剂。豌豆蛋白和豌豆蛋白高甲氧基果胶颗粒也被证明是Pickering乳化剂。据报道，水不溶性蛋白质（如在某些条件下从茶中分离的蛋白质）也可以稳定Pickering乳液。
5.2. 多孔结构
最近，高内相乳液（HIPE）的模板聚合对于生产用于骨组织工程的可调高孔隙率支架越来越有吸引力。HIPE连续相中的单体聚合，随后去除水和油，形成高度互连的多孔结构，称为聚 HIPE。HIPE的一项独特优势是其在固化前具有类似蛋黄酱的性质，这使其适合注射和保留在骨缺损部位。基于蛋白质的聚HIPE由于其良好的生物相容性和可生物降解特性而受到广泛关注。之前有研究报道了以牛血清白蛋白（BSA）、明胶纳米颗粒稳定的水包油Pickering HIPE为模板的纯蛋白质多孔材料。为了保持聚HIPE中HIPE的永久微观结构，可以在连续相中添加单体和交联剂（例如戊二醛、京尼平）。图3显示了基于明胶稳定的多孔结构，其中京尼平被用于交联界面以及水相中的明胶，从而提高多孔材料的稳定性及改善孔径大小。然而，常规使用这些聚合物和交联剂来获得所需的多孔结构可能会同时引起生物毒性问题。一些基于蛋白质相互作用的聚HIPEs则更具有吸引力，例如花生分离蛋白微凝胶颗粒和麦醇溶蛋白-壳聚糖复合颗粒。
图3 (A) 制备明胶稳定的多孔结构；(B) 路径 A 制备的多孔结构扫描电镜图像，明胶浓度为 0.5% (B1) 和 1% (B2)；(C) 路径 B制备的多孔结构扫描电镜图像，明胶浓度为 0.5% (C1) 和 1% (C2)。
以这些基于蛋白质的Pickering HIPE为模板的多孔结构通常被设计为特别有吸引力的支架，用于医学领域和组织工程，例如体外3D细胞培养和生长。此外，天然蛋白质多孔材料还可以通过其可操作的多孔结构用于控释，以及用于水/油的吸附和保留。
总结与展望
本文简要讨论了生物相容性颗粒用于稳定Pickering乳液的研究进展。乳液模板形成的胶囊和多孔材料在化妆品、食品和生物医学领域具有广泛的潜在应用。未来，该领域有前景的研究包括：
（1）包封和递送：Pickering乳液在生物活性成分/药物的包封和递送方面的应用有限，尚未有关于使用生物评价试验的包封物质的药代动力学（如消化、细胞摄取、生化转化和排泄）系统报道。因此，为了促进生物相容性颗粒稳定的Pickering乳液的生物应用，未来需要进行深入的体外和体内研究。
（2）材料制作模板：以Pickering乳液为模板制作多孔支架。为了在医学和组织工程中得到更好的应用，需要进一步研究① 在生物相容性多孔材料的形成中开发适度和自然的交联方式以提高其性能，② 设计具有精细调节结构和响应性的多孔材料，③ 探索多孔材料所携带的生物活性物质或药物在应用于组织工程时的释放和功能。
通讯作者
魏涛，现为香港中文大学（CUHK）化学系教授、学院助理院长（研究）及英国皇家化学会会士（FRSC）。他在1999年获得了香港中文大学学士学位，2003年在同一所大学获得博士学位，从事光散射和溶液中聚合物相互作用的研究。2003 年，他作为博士后研究员移居巴斯夫（德国路德维希港）两年，研究胶体和表面化学。2005年在明尼苏达大学化学系进行短期博士后培训后，于2006年加入中大化学系担任研究助理教授。2008年任助理教授，2012年晋升副教授，2017年晋升教授。目前的研究兴趣集中在胶体、表面化学、聚合物和软物质。
供稿：原文作者
编辑：《颗粒学报》编辑部