冰介导的界面聚酰胺膜合成微胶囊
细胞通过膜定义区室组织物质与能量流动，选择性运输与空间限域共同调控生化反应。受此启发，聚合物微胶囊已用于催化、药物与基因递送及酶微反应器。硬/软模板、乳液聚合、溶胶-凝胶和自组装等扩展了其结构多样性，但制备膜结构明确、可定量调控的微胶囊仍困难。现有方法常依赖高温、强酸强碱、有机溶剂或剧烈多步处理，易产生局部浓度梯度和瞬态微环境，影响膜均匀性与重复性；同时需避免苛刻条件和机械剪切，以保护酶、蛋白组装等敏感货物。因此，亟需更精确协调单体递送与反应进程，实现膜厚与结构的定量控制，并兼顾货物通用性。
鉴于此，北京理工大学贺志远教授、陈笑非教授、清华大学金烁教授以及吉林大学吴雨辰教授报道一种冰介导界面反应（IMIR）平台，可在冰球模板上编程膜生长，生成具有货物无关封装能力的闭合微胶囊。在冰重结晶过程中，预载于冰基质中的单体富集到准液体层（QLL），与互补有机相单体发生限域界面酰胺化，形成共形聚酰胺（PA）膜。融化冰模板可释放完整微胶囊，封装的货物得以保留。所得微胶囊具有可调膜厚（7–260 nm）和直径（30–500 μm），可作为限域微反应器用于多酶氧化还原级联，使可见光驱动 CO₂ 到甲醇转化获得高达 80 倍的增强。该策略为可编程半透微区室提供了一条温和且潜在可扩展的路线。相关研究成果以题为“Ice-mediated interfacial membrane synthesis of cargo-independent microcapsules”发表在最新一期《nature synthesis》上。
在 IMIR 制备与表征方面，作者首先验证了该策略可构建尺寸精确可调、封装可靠的 PA 微胶囊。将 PPD 溶于水，并用微流控装置分割为单分散液滴，液滴直径由水相/油相流速比定义。液滴在液氮中快速淬冷形成冰球，随后转移至预冷（−5°C）的含 TMC 的 EA 溶液中。在冰表面，PPD 与 TMC 进行胺-酰氯聚酰胺化 12 h，形成包覆每个冰球的 PA 膜（图1a）。当水相单体中包含货物分子或颗粒时，它们同时被封装。以 Alexa Fluor 568 标记的过氧化氢酶（CATs）作为荧光探针，CLSM 显示 PA 膜在 488 nm 激发下具有内源绿色荧光，CATs 在 560 nm 激发下发射红色荧光并限域于微胶囊内部（图1b），表明酶被有效封装。3D Z-stack 重建进一步确认连续膜完整包封水相内部（图1c、1d）。膜厚可从 7 nm 调至 260 nm，微胶囊直径可从 30 μm 调至 500 μm（图1e），与微流控液滴的高单分散性一致。冻干后 SEM 显示膜光滑连续（图1f）。纳米压痕测得干燥 PA 微胶囊表观壳模量约 58 MPa（Reissner 模型）。STM 显示均匀表面纹理和纳米网络开口，高倍图像分辨出约 2.0 nm 的开口状横向特征（图1g）；HR-STEM 进一步显示连续 PA 网络含约 2.0 nm 的开口状特征（图1h）。这些结果确立了 IMIR 可制备结构明确、尺寸和膜厚独立可调的 PA 微胶囊。
图 1 IMIR 衍生的 PA 微胶囊的制造与结构表征
机制研究将 IMIR 分为三个阶段：QLL 介导 PPD 在冰表面富集、重结晶辅助 PPD 从冻结基质递送、持续 PPD 供应转化为冰-有机边界处的 PA 膜生长和网络致密化（图2a–c）。低温拉曼光谱显示，PPD 相关振动位于 1100–1650 cm⁻¹；有序冰相 O–H 伸缩约 3000–3250 cm⁻¹，QLL 相关界面水约 3200–3500 cm⁻¹。在 −40°C、−30°C 和 −20°C 时，QLL 相关 O–H 信号和 PPD 振动响应均较弱；在 −10°C 和 −5°C 下，O–H 伸缩带显著增强，并伴随 PPD 信号增强。时间分辨拉曼显示，在 1–20 min 冰重结晶期间 PPD 信号逐步增加，−5°C 下变化最显著（图2e、2f）。低温 CLSM 以 eosin Y 为荧光示踪剂，发现 −5°C 下冰晶粗化明显，约 40 min 后平均晶体尺寸稳定在约 160 μm（图2g、2h），形成连接冻结内部与表面 QLL 的互连晶界网络。PPD 在 −5°C 下约 40 min 达到约 5 mM 并接近平台（图2j），与冰晶粗化趋于稳定的时间窗口匹配。对照实验中，预洗的 PPD 负载冰球仍可产生完整 PA 微胶囊，而空白冰球短暂暴露于含 PPD 的 EA 后仅产生碎片化 PA 沉积。AFM 显示 PA 膜厚可从约 60 nm 连续调至 220 nm，对应约 3.7 倍生长程度增加（图2l）。原位 CLSM 显示连续 PA 层在冰球表面逐步出现并横向生长（图2k）。这些结果建立了“冰重结晶产生运输通路、界面水富集单体、持续低温递送驱动共形 PA 壳形成”的机制框架。
图 2 冰球模板上 PA 膜形成的机制性研究。
分子动力学模拟进一步阐明 QLL 在聚酰胺化前如何调控单体定位。冰-QLL-EA 三相体系的轨迹快照显示，PPD 在界面水区逐步再分布，优先在 QLL-EA 界面累积，仅少部分扩散进入 EA 相（图3a–c）。268 K 和 260 K 下的质量密度剖面显示，PPD 在 z 轴约 3.6–4.0 nm 处出现明显最大值，与 QLL-EA 界面重合（图3d、3e）。QLL 水分子数增加增强了 PPD 在 EA 侧界面区的累积（图3f），并扩大冰与 EA 相之间的界面水环境；扩散系数分析显示 PPD 迁移率随 QLL 水分子数增加而提高。固定模拟条件下，初始 PPD 浓度增加进一步增强界面 PPD 累积（图3g），与实验观察到的单体负载升高导致膜增厚一致。取向分析表明 PPD 优先在 QLL-EA 边界附近采取界面排列；相互作用能分析显示，随 QLL 水分子数增加，PPD-TMC 相互作用更有利。这些结果确立了单体定位、迁移率、取向和 PPD-TMC 接触在 QLL-EA 反应边界协调的预聚合界面构型。
图 3 在冰-QLL-EA 三相系统中，基于 QLL 实现 PPD 定位及 PPD–TMC 界面接触的分子动力学模拟
货物兼容性方面，PA 微胶囊可封装小有机分子、量子点、蛋白、贵金属纳米簇、无机/有机微球（图4a）。eosin Y 可跨膜再分布；量子点和 CATs 在外部无 detectable 荧光，表明有效保留。Pt 纳米簇经 SEM-EDX 确认限域，SiO₂ 和 PS 微球也被封装。渗透实验显示，Rhodamine B 快速渗透所有微胶囊；rhodamine 标记 dextran 呈尺寸和制备温度依赖。−5°C 形成的胶囊排除所有测试 dextran，包括 4-kDa；−20°C 或以下允许 10-kDa 进入；40-kDa 仅渗透更通透膜；100-kDa 仅在 −40°C 胶囊中检测到运输（图4c）。优化条件下，膜保留酶、量子点等大分子/纳米组分，同时允许 NADH 和小分子底物交换。CATs 进料浓度增加使内部荧光单调上升（图4d），Bradford 测定显示 CAT 质量分数可从 0 调至约 25 wt%（图4e）。共封装 HRP₅₆₈ 与 GOx₄₀₅，进料比 1:2 时 HRP 信号约为 GOx 一半（图4f、4g），1:1 时相当，2:1 时约为两倍（图4h、4i），表明多组分化学计量可编程。
图 4 PA 微胶囊内的货物兼容性、可编程渗透性及受控共封装
光酶催化中，CdS 量子点和乙醇脱氢酶（ADH）共限域于 PA 微胶囊，NAD⁺、铑介体 [Cp*Rh(bpy)(H₂O)]²⁺、三乙醇胺和乙醛由外部供应并跨膜交换。400 nm 照射下，CdS 和 [M] 再生 NADH，ADH 将乙醛还原为乙醇（图5a）。膜厚从 100 增至 250 nm，8 h 乙醇产量从约 9.86 mM 增至 28.30 mM，150 和 200 nm 组为 15.50 和 19.46 mM；表观比活从 0.75 增至 4.27 U mg⁻¹，高于非限域约 0.25 U mg⁻¹（图5b、5c）。直径从 500 降至约 30 μm，乙醇产量从 9.30 增至 66.55 mM，200 和 100 μm 组为 19.84 和 28.30 mM；比活从 1.43 增至 5.55 U mg⁻¹（图5d、5e）。ADH@PA 在 pH 3 和 11 下保留更高活性（图5f）；80°C 后保留约 74%，游离 ADH 约 33%（图5g）；对 MeCN、THF、DMSO、DMF 和蛋白酶 K 耐受性提高（图5h）；十次循环后保留约 86% 活性（图5i）。进一步共封装 FDH、FaldDH 和 ADH 构建 CO₂ 到甲醇级联（图5j）。FDH:FaldDH:ADH 从 1:1:1 调至 1:5:1，24 h 甲醇产量从约 5.24 增至 9.62 mM，非限域约 0.12 mM，优化比例下提升至 80 倍（图5k）。
图 5 IMIR 衍生的 PA 微胶囊能够实现隔室化的光子酶氧化还原生物催化和二氧化碳向甲醇的转化
综上，IMIR 以冻结水滴为可编程模板，利用冰重结晶和 QLL 驱动 PPD 向冰-有机界面富集，与 TMC 形成共形 PA 壳。持续单体递送与界面聚合耦合、货物预限域与壳形成解耦，使温和条件下封装结构多样货物成为可能。所得微胶囊集成可调尺寸、膜厚、纳米网络和选择性运输；通过调节低温条件可系统调控膜结构与渗透性，允许小分子交换，同时保留酶、量子点、纳米簇和微粒。作为区室化光酶反应器，半透膜保护 ADH 免受热、pH、蛋白水解和有机溶剂胁迫，同时保持催化所需小分子运输；耦合可见光驱动 CdS/[M] 辅因子再生，三酶 CO₂ 到甲醇级联产量达 9.62 mM，较非限域提升 80 倍。未来扩展至更多单体对、寡聚前体和界面聚合化学，有望获得更丰富膜组成与复杂胶囊结构，为人工细胞器、多区室软材料和先进生物制造提供机会。
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