背景：
海藻酸盐是一种天然阴离子多糖，通过与二价或三价金属离子交联可形成稳定的三维凝胶网络，广泛应用于生物医学、食品、环境等领域。其中，海藻酸铁（Fe-Alg）因铁离子的高化学活性、稳定配位能力以及通过原位氧化生成磁性颗粒的特性，近年来备受关注。然而，现有研究多集中于Fe-Alg凝胶膜或毫米级催化颗粒，传统制备方法（如滴加法）存在颗粒尺寸不均、形状不规则等问题，限制了其在微生物学和精准医学中的应用。因此，开发一种高效、可控的制备方法以获得尺寸均一、功能多样的球形Fe-Alg微凝胶具有重要意义。
导读：
近期，北京交通大学胡远渡教授团队与普渡大学Arezoo Ardekani团队合作，利用液滴微流控技术结合外部离子交联方法制备球形磁性海藻酸铁（Fe-Alg）微凝胶，并探讨其氧化还原特性、pH依赖的Fe3+释放行为及其在生物医学和环境工程中的潜在应用。相关研究以“Spherical Magnetic Fe-Alginate Microgels Fabricated by Droplet-Microfluidics Combining with an External Crosslinking Approach and the Study of Their pH Dependent Fe3+ Release Behaviors”为题目，发表在期刊《Chinese Journal of Polymer Science》上。
本文要点：
1、本研究采用液滴微流控技术结合外部离子交联方法制备了球形磁性海藻酸铁（Fe-Alg）微凝胶，通过调节Fe3+浓度可以控制微凝胶的尺寸和颜色。
2、这些微凝胶表现出可逆的氧化还原特性，在还原剂作用下会发生颜色变化，并伴随着体积膨胀，而在Fe3+溶液中可以恢复原状。
3、通过简单的原位氧化反应，可以在Fe-Alg微凝胶中原位生成磁性Fe3O4纳米颗粒，赋予微凝胶磁性，为其在磁分离、靶向给药等领域的应用提供了新的可能。
4、微凝胶中Fe3+的释放行为受pH值影响显著。在酸性条件下，因质子交换和氢键作用减弱，Fe3+释放较快，而在中性和碱性条件下释放较慢。
5、在微凝胶表面涂覆壳层可以提高其抗还原剂降解的稳定性，增强其在复杂环境中的应用潜力。
使用滴液微流控技术制备Fe-Alg微凝胶具有以下优势：
1、尺寸均一性高：滴液微流控技术能够通过精确控制流体的流速和剪切力，生成具有单分散性和均一尺寸的微凝胶（100-200μm）。相比传统的滴加法（如滴定法），微流控技术避免了尺寸不均和形状不规则的问题。
2、形状可控：通过微流控装置的设计（如玻璃毛细管的尺寸和间距），可以确保生成的微凝胶具有规则的球形结构，适合生物医学和其他精密应用。
3、高效的交联反应：微流控技术能够精确控制液滴进入交联溶液的过程，确保液滴与Fe3+离子充分接触，从而快速完成交联反应，形成稳定的Fe-Alg微凝胶。
4、避免凝胶聚集：微流控技术通过调节液滴间距（10-15 mm），防止液滴在形成过程中发生聚并或聚集，进一步提高了微凝胶的均一性和稳定性。
5、简化工艺：相较于传统方法（如将磁性纳米颗粒与预凝胶溶液混合的复杂过程），微流控技术直接利用Fe3+的交联特性制备磁性微凝胶，减少了工艺步骤，同时避免了对预凝胶溶液流变性能的影响。
6、多功能性：微流控技术制备的Fe-Alg微凝胶可以通过后续的氧化还原反应赋予磁性，进一步拓展其在磁性分离、靶向药物递送等领域的应用。
综上，滴液微流控技术在Fe-Alg微凝胶的制造中具有显著的优势，尤其是在尺寸控制、形状均一性、工艺简化和功能拓展方面表现突出。
在Fe-Alg微凝胶的研究中，pH依赖性释放行为是一个重要的课题，涉及到微凝胶在不同pH环境下释放铁离子的机制和特征。以下是关于pH依赖性释放的一些关键点：
1、pH对释放机制的影响：
在酸性环境中（如pH=2），海藻酸盐中的羧基（-COOH）会发生质子化，导致微凝胶的物理稳定性降低。这种质子化使得微凝胶内部的交联结构受到破坏，促进了铁离子的释放。此外，酸性条件下铁离子的溶解度增加，进一步加速了释放过程。
在中性环境（pH=7）下，微凝胶的交联结构相对稳定，铁离子的释放速率较低，因为交联的羧基与铁离子之间的结合较强。
在碱性环境（如pH=9.5），羧基去质子化形成负电荷，虽然这种去质子化增强了微凝胶的膨胀性，但同时也使得铁离子与海藻酸盐的结合变得更加稳定，导致铁离子的释放变得困难。然而，随着时间的推移，微凝胶的膨胀和离子交换作用可能会促进铁离子的释放。
2、释放速率和时间的关系：
在酸性条件下，铁离子的释放通常表现出“突释”效应，即在最初的30-60分钟内释放速率较快，随后逐渐减缓并达到平衡。
在中性和碱性条件下，释放速率相对平稳，尤其在中性条件下，释放量较少。
3、应用潜力：
这种pH依赖性释放特性使得Fe-Alg微凝胶在生物医学和环境工程中具有广泛的应用潜力。例如，它们可以用于治疗缺铁性疾病（如贫血），通过控制释放速率来提供持续的铁离子供应。此外，它们还可以用于去除重金属污染物，通过螯合和沉淀反应实现环境修复。
总体而言，Fe-Alg微凝胶的pH依赖性释放特性不仅影响其在不同环境中的行为，还为其在医疗和环境应用中的设计提供了重要的指导。
图1.顶部：示意图显示了微流控芯片内均匀尺寸的SA液滴的生成，随后通过橡胶管将其输送到含有交联离子的收集溶液中，形成微凝胶。底部：在不同浓度Fe3+的收集溶液中，由同一批初始SA液滴形成的不同尺寸和颜色的微凝胶的卡通图像。
图2.（a-d）由直径相同但收集在不同FeCl3浓度的溶液中的初始SA液滴获得的微凝胶的光学显微镜图像：（b）2wt%，（c）4wt%，（d）6wt%；（e）同一批初始直径为164µm的SA液滴在Fe3+溶液中的尺寸收缩率图。红点和蓝点分别表示2wt%-10wt%FeCl3和2wt%-10wt%CaCl2收集溶液中的变化率。（f）初始SA液滴的粒度分布图；（g-i）在分别含有2wt%、4wt%和6wt%FeCl3的收集溶液中交联相同尺寸的SA液滴后获得的Fe-Alg微凝胶的粒度分布图。
图3.（a-d）光学显微镜图像显示了浸入10wt%抗坏血酸溶液后Fe-Alg微凝胶的颜色变化；（e-h）光学显微镜图像显示了微凝胶在10wt%AC溶液中浸泡25分钟，然后洗涤并进一步浸泡在10wt%FeCl3溶液中的颜色变化。（i）初始微凝胶和微凝胶在多次还原反应循环后的色相（黄色实线）和饱和度（蓝色虚线）变化图。插图显示了每个反应间隔前后微凝胶的光学显微镜图像。（j）图示显示了Fe-Alg微凝胶的还原氧化反应机理。
图4.示意图分别显示了SC诱导的微凝胶降解（左上）和壳聚糖通过静电相互作用涂覆的机理（右上）。（a,b）未涂覆的Fe-Alg微凝胶的SEM和光学显微镜图像；（c）添加SC溶液后1分钟捕获的微凝胶的光学显微镜图像；（d,e）用1wt%壳聚糖溶液涂覆后的微凝胶的SEM和光学显微镜图像；（f）添加SC溶液后24小时捕获的微凝胶的光学显微镜图像。
图5.（a）不同pH环境下Fe-Alg微凝胶释放铁的机制图；（b）将Fe-Alg微凝胶（0.1g）分别浸泡在pH=2（乙酸溶液）、pH=7（蒸馏水）和pH=9.5（氨溶液）的10mL溶液中，以测量其铁释放；（c）不同pH环境中铁的动力学释放曲线。
图6.（a）通过原位氧化反应赋予微凝胶磁性能的示意图；（b）磁化微凝胶的振动样品磁强计（VSM）光谱，插图显示了被外部磁体吸引的磁性微凝胶的照片；（c）在pH=3的乙酸溶液中浸泡7天后，磁性微凝胶的VSM光谱；（d）柱状图显示了磁性Fe-Alg微凝胶分别在蒸馏水（pH=7）和乙酸溶液（pH=3）中浸泡7天后的磁性强度。
论文链接：https://doi.org/10.1007/s10118-025-3257-2
