生物大分子药物（蛋白质、多肽等）的控释递送长期面临一个核心矛盾：传统原位封装方法通常需要将药物暴露在自由基聚合、有机溶剂或剧烈剪切等苛刻条件下，而生物药的活性又极为脆弱。近期发表于Small的一项研究提出了一种"先合成、后装载"的思路——利用聚(N-丙烯酰甘氨酸)（PNAG）水凝胶微球的双刺激响应特性，在温和条件下实现了生物药的高效装载与持续释放。

先做空白微球，再"吸"药进去

该研究的核心策略（Figure 1）可概括为三步：先通过微流控制备空白微球，再利用pH驱动溶胀使药物扩散进入网络，最后加入Ca2+使网络收缩将药物"锁"住。具体而言，将冻干的PNAG微球置于高于其pKa（约4）的药物溶液中，微球因羧基去质子化、静电排斥而发生显著溶胀，体积增幅可超过5000%；药物分子趁网络打开之际扩散进入内部；随后加入Ca2+，通过离子交联诱导网络收缩，实现药物捕获。这种"溶胀介导装载"（SML）方法将药物装载环节与合成环节完全解耦，避免了活性药物在聚合阶段的暴露，且可利用冻干微球库存灵活按需装载。

Figure 1. 研究概览：微流控液滴生成与原位光聚合制备PNAG微球，以及基于溶胀-收缩循环的SML药物装载策略。

微流控合成与可逆双刺激响应

研究采用同轴玻璃毛细管微流控芯片结合FEP管式光反应器，实现了NAG单体液滴的生成与原位紫外光聚合。系统筛选了光引发剂类型与浓度、单体浓度及流速等参数。其中，纳米颗粒形式的水溶性TPO（TPO-NP）因消光系数高、引发效率强脱颖而出；25 wt.%单体浓度下仅需极低引发剂用量即可在数秒内完成凝胶化。最终获得的微球粒径约37 μm，变异系数低于10%，FTIR确认单体转化率超过94%。

PNAG微球展现出完全可逆的pH/Ca2+双重响应行为（Figure 2）：酸性条件下氢键主导网络稳定，微球保持紧凑；提高pH后羧基去质子化，静电排斥驱动微球急剧膨胀；加入Ca2+则通过离子交联使微球重新收缩至约50 μm——恰好落在皮下注射缓释制剂的理想粒径范围（10–100 μm）内。该过程可多次循环：通过EDTA或柠檬酸盐螯合去除Ca2+后微球再次溶胀。值得强调的是，即便在pH 9条件下放置72小时，微球也并未溶解，酸化后可恢复原状，表明聚合物网络中存在持久的化学交联点。流变学结合多量子核磁共振（MQ-NMR）进一步从分子层面揭示：pH 3条件下氢键赋予网络最强的弹性约束，pH 6时静电排斥使链迁移率显著升高，而Ca2+的加入可部分恢复约束但效果不及酸性条件。

Figure 2. PNAG微球在不同pH和Ca2+条件下的可逆溶胀-收缩行为（左：粒径定量分析；右：对应显微镜图像，标尺50 μm）。

载药效果与体外释放

研究以还原型谷胱甘肽（GSH，307 Da）为主要模型药物。在pH 6（GSH等电点附近）条件下，SML方法实现了约21 wt.%的载药量，对于聚合物基载药微球而言这是相当高的水平。作为对照，直接装载（DL，即Ca2+自始至终存在于介质中）的载药量仅约13 wt.%，证实充分打开网络结构是高效载药的关键前提。此外，分子量较大的木瓜蛋白酶（23 kDa）在调整至其等电点（pH 9）后也实现了3.35 wt.%的装载，说明SML策略对较大分子量生物药同样具有适用性。不过，当药物带有与聚合物异号净电荷时（如溶菌酶在 pH 6 时带正电、聚合物带负电），强静电吸附会使蛋白在颗粒表面形成致密层，堵塞进一步扩散导致载药失败——这一发现提示装载条件设计中需充分考虑药物等电点与介质pH的匹配。

释放实验中，GSH在无Ca2+的生理pH条件下呈现典型的先快后慢特征（Figure 3）：SML载药微球的初始突释约40%，低于DL方法的约55%，这与SML方法下药物在微球内部分布更为均匀有关；随后进入持续约12天的扩散控制释放阶段。更重要的是，整个释放过程中超过90%的GSH保持还原态，未被氧化为GSSG，表明PNAG微球对药物具有良好的稳定性保护作用。不过研究也指出，微球在离心等操作中存在一定粘附聚集倾向，未来需在空间位阻稳定剂方面加以改进。

Figure 3. GSH从PNAG微球中的累积释放曲线（A）及释放过程中还原态GSH占比（B），SML与DL两种装载方法对比。

小结与展望

这项工作将PNAG水凝胶从块体材料拓展至微流控可控制备的微球体系，并通过流变学与MQ-NMR从分子层面揭示了不同pH和Ca2+条件下网络约束与链迁移率的差异。所提出的SML策略为生物药的可控装载提供了温和、灵活的解决方案：合成与装载解耦、载药量高、药物稳定性好。未来可通过共聚其他单体调控水凝胶的亲疏水性与网络孔径，拓展至更多治疗性生物药的装载与递送。

论文链接：https://doi.org/10.1002/smll.75268
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