超分子胶囊的制作方法

超分子胶囊的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种胶囊，其具有为超分子交联网络的材料外壳。所述网络由葫芦脲(主体)和包含适当客体官能团的一个或多个结构单元的主体-客体络合作用形成。络合物非共价交联结构单元和/或非共价连接结构单元与其他结构单元，从而形成超分子交联网络。通过包含葫芦脲的组合物和具有适当葫芦脲客体官能团的一种或多种结构单元的络合作用来获得或可以获得胶囊，从而形成超分子交联网络。
【专利说明】超分子胶囊
[0001]优先权
[0002]本申请要求于2011年7月26日提交的GB1112893.1和2012年2月8日提交的GB1202127.5的优先权，两者的全部内容以引用方式结合于本文。
【技术领域】
[0003]本发明涉及基于葫芦脲交联网络的胶囊，尤其是微胶囊，以及用于制备所述胶囊的方法，以及它们在递送封装组分的方法中的应用。
【背景技术】
[0004]通过自组装空心微球对组分进行微胶囊化是纳米技术和材料科学的一个重要方面。对支承结构的形状和组成，影响材料性能的参数进行控制对于许多应用而言是重要的，如诊断学、药物递送、电子显示和催化作用(参见Ke et al.Angew.Chem.2011，123，3073 ; De Cock et al.Angew.Chem.1nt.Ed.2010, 49, 6954;Yang etal.Angew.Chem.2011, 123, 497;Comiskey et al.Naturel998, 394, 253;Peyratout etal.Angew.Chem.1nt.Ed.2004, 43，3762)。常规聚合物微胶囊的制备是通过层-层(L-b-L)方案进行的，其中通过依次添加一系列的相反电荷的聚电解质层来涂覆固相载体(参见 Caruso et al.Sciencel998, 282, 1111;Donath et al.Angew.Chem.1nt.Ed.1998，37，2201)。这种策略提供了均匀的材料，但遭受降低的封装效率(由于固体模板造成)。一种可替代的方法采用胶体乳液模板，其中液-液界面驱动外壳组分的自组装(参见Cui et al.Adv.Funct.Mater.2010，20，1625)。然而，难以控制产生的微胶囊的单分散性和材料多样性，从而限制其在药物递送和感测应用中的功能。
[0005]相比之下，微流体小滴，胶体乳液的子集，已显示出用于微胶囊制造的巨大潜力(参见 Gunther et al.Lab Chip2006, 6, 1487;Huebner et al.LabChip2008, 8, 1244; Theberge e`t al.Angew.Chem.1nt.Ed.2010, 49, 5846)。借助于试剂的经济使用，能够以非常高的频率产生具有较窄粒径分布(多分散指数〈2%)的这些小滴(参见Xu et al.AIChE Journal2006，52，3005)。基于微滴辅助制造来制备胶囊的最初的努力集中于利用双乳液和液晶芯模板进行相分离(参见Utada et al.Science2005, 308, 537;Priestet al.Lab Chip2008，8，2182)。还以一种方式描述了聚合物胶囊壁的形成，所述方式涉及微流体装置表面处理和快速聚合技术(参见Zhou et al.Electrophoresis2009, 31, 2; Abraham et al.Advanced Materials2008, 20，2177)。当溶剂由形成的有机溶剂小滴蒸发时，形成壁。最近也已报道了金属-有机架构胶囊(参见Ameloot et al.Nat.Chem.2011，3，382)。然而，借助于目前的离子或共价交联策略，在胶囊制造中的主要挑战在于同时生产具有高运载物装载效率的均匀胶囊以及将多种官能团容易地加入胶囊外壳。
[0006]现在本发明人已经建立了这样的胶囊，其基于葫芦脲类的主体-客体网络。利用多价和通过分子识别的协同效应来设计微结构提供了借助于可调节的相互作用和功能来制备微胶囊的无可比拟的机会。然而，利用超分子主体-客体方法(如本文所描述的)来制备微胶囊的努力是很少的(参见 De Cock et al.Angew.Chem.1nt.Ed.2010，49，6954)。
[0007]先前披露的内容包括包含环糊精和经由乳液模板制备的改性金纳米颗粒(AuNP)的胶体微胶囊(Patra et al., Langmuir2009, 25, 13852),以及包含用 L_b_L合成制备的环糊精和二茂铁官能化的聚合物的微胶囊(Wang et al., Chemistry ofMaterials2008, 20, 4194)。

【发明内容】

[0008]本发明总体上提供了胶囊，其具有作为超分子交联网络的材料外壳。网络由葫芦脲(主体)和一个或多个结构单元(包含适合的客体官能团)的主体-客体络合作用形成。络合物非共价交联结构单元和/或将结构单元非共价连接至另一结构单元，从而形成网络。
[0009]在一般性方面，本发明提供了胶囊，该胶囊具有可获自葫芦脲与适合的客体分子的络合作用的外壳。
[0010]在本发明的第一方面，提供了具有外壳的胶囊，其中外壳可获自包含葫芦脲的组合物和具有适合的葫芦脲客体官能团的一个或多个结构单元的络合作用，从而形成超分子交联网络。
[0011]在一种实施方式中，外壳可获自(a)包含葫芦脲的组合物和(I)或(2);或(b)包含多个共价连接的葫芦脲的组合物和(I)、(2)或(3)的络合作用。
[0012]在一种实施方式中，外壳可获自包含葫芦脲的组合物和(I)或(2)的络合作用。
[0013]在一种实施方式中，外壳可获自包含葫芦脲的组合物和(I)的络合作用。
[0014](I)包含共价连接于多个第一葫芦脲客体分子的第一结构单元和共价连接于多个第二葫芦脲客体分子的第二结构单元，其中第一客体分子和第二客体分子连同葫芦脲一起适合于形成三元客体-主体络合物。
[0015](2)包含共价连接于多个第一葫芦脲客体分子和多个第二葫芦脲客体分子的第一结构单元，其中第一和第二客体分子连同葫芦脲一起适合于形成三元客体-主体络合物。可选地所述组合物进一步包含共价连接于一个或多个第三葫芦脲客体分子、一个或多个第四葫芦脲客体分子或两者的第二结构单元，其中第三和第四分子连同葫芦脲一起适合于形成三元客体-主体络合物，和/或第一和第四分子连同葫芦脲一起适合于形成三元客体-主体络合物，和/或第二和第三个分子连同葫芦脲一起适合于形成三元客体-主体络合物。
[0016](3)包含共价连接于多个第一葫芦脲客体分子的第一结构单元，其中第一客体分子连同葫芦脲一起适合于形成二元客体-主体络合物。可选地所述组合物进一步包含共价连接于一个或多个第二葫芦脲客体分子的第二结构单元，其中第二客体分子连同葫芦脲一起适合于形成二元客体-主体络合物。
[0017]在一种实施方式中，葫芦脲选自CB[8]以及其变体和衍生物。
[0018]在一种实施方式中，葫芦脲和适合的客体分子，例如和第一和第二客体分子一起，形成三元络合物。
`[0019]在一种实施方式中，胶囊是微胶囊。
[0020]在一种实施方式中，胶囊封装组分。
[0021]在本发明的第二方面，提供了用于制备具有外壳的胶囊的方法，如本发明的第一方面的胶囊，所述方法包括以下步骤:
[0022](i)在通道中使第一相的流和第二相的流接触，从而在通道中产生第二相在第一相中的离散区域的分散体，优选小滴，其中第二相包含葫芦脲和具有适合的葫芦脲客体官能团(适合于形成超分子交联网络)的一种或多种结构单元，从而在离散区域内形成胶囊外壳，其中第一和第二相是不混溶的。
[0023]在一种实施方式中，第二相包含(a)葫芦脲和(I)或(2);或(b)多个共价连接的葫芦脲和⑴、⑵或⑶。
[0024]在一种实施方式中，第一和第二相中的一种是水相而另一个相是水不混溶相。
[0025]在一种实施方式中，第二相是水相。第一相是水不混溶相，例如油相。
[0026]在一种实施方式中，第一相是水相。第二相是水不混溶相，例如油相。
[0027]在一种实施方式中，所述方法进一步包括步骤(ii):从通道收集流出物，从而获得小滴，其包含胶囊。
[0028]在一种实施方式中，所述方法包括以上步骤(ii)以及(iii)可选地干燥在步骤(?)中获得的胶囊。
[0029]在一种实施方式中，通道是微流体通道。
[0030]在一种实施方式中，基本上垂直于第一相地使第二相的流与第一相的流接触。在这种实施方式中，通道结构可以是T型连接几何形状。
[0031]在一种实施方式中，第二相的流进一步包含用于封装的组分，以及步骤(i)提供胶囊，其具有封装组分的外 壳。
[0032]在本发明的第三方面，提供了通过本发明第二方面的方法获得或可获得的胶囊。
[0033]在本发明的第四方面，提供了用于将组分递送到某个位置的方法，该方法包括以下步骤:
[0034](i)提供胶囊，其具有封装组分的外壳；
[0035](ii)将胶囊递送到目标位置；
[0036](iii)由外壳释放组分。
[0037]在本发明的一个替代方面，提供了具有外壳的胶囊，其中外壳可获自包含主体的组合物和一个或多个具有适合的主体-客体官能团的结构单元的络合作用，从而形成超分子交联网络。
[0038]在一种实施方式中，主体选自环糊精、杯[η]芳烃、冠醚和葫芦脲，以及具有适合于环糊精、杯[η]芳烃、冠醚或葫芦脲主体的主体-客体官能团的一个或多个结构单元。在一种实施方式中，在以上第一至第四方面中提及葫芦脲和葫芦脲客体可解释为提及替代主体和适合所述主体的客体。
【专利附图】

【附图说明】
[0039]图1(a)是微滴生成过程的示意图，其中利用微流体流聚焦装置，所述装置由以下构成:连续油相，该连续油相垂直于CB[8] 1、MV2+-AuNP2、和Np-pol3 (作为分散相)的水溶液的组合。(b)流聚焦区的显微图像和示意图，其中下游混合通道允许在线充分混合试剂。(c)通过微流体小滴的较窄尺寸分布表明它的较高单分散性。
[0040]图2(a)是当水蒸发时，胶囊形成过程的后期的明场图像，这导致坍塌微胶囊。标尺=5μπι。(b)展开胶囊的光显微镜图像，其示出胶囊外壳的残余物。标尺=10 μ m。(C)干燥和至少部分坍塌胶囊的SEM图像。标尺=2 μ m。(d)微胶囊外壳的TEM图像，其示出5nmAuNP分散在聚合物网中。标尺=10nm。(e)提出的从最初的小滴(具有直径d)到脱水的稳定的胶囊(具有直径d’)的微胶囊形成过程的示意图。还提出了用于胶囊材料的I和2的交联结构。
[0041]图3(a)是NP-RD_pol4的化学结构和示意图。(b)小滴的LSCM图像，其中所述小滴包含Np-RD-pol、CB [8]和MV-AuNP的水溶液，以及荧光强度曲线。标尺=40 μ m。(c)小滴(46 μ m直径)的LSCM图像，其中所述小滴包含Np-RD-pol、CB [8]、MV-AuNP和FITC-葡聚糖的水溶液，以及相应的荧光强度曲线。标尺=7.5 μ m。(d)小滴(23 μ m直径)的LSCM图像，其中所述小滴包含Np-Rd-pol、CB [8] ,MV-AuNP和FITC-葡聚糖的水溶液，以及相应的荧光强度曲线。标尺=10 μ m。
[0042]图4是在再水化前后，干燥微胶囊的明场和荧光图像，其中所述干燥微胶囊包含FITC-葡聚糖，其示出(a)微胶囊壁的膨胀，伴随着FITC-葡聚糖(IOkDa)的渗漏，(b)FITC-葡聚糖(500kDa)的保留，以及(c)对于包含两次浓缩CB[8]交联剂的微胶囊，FITC-葡聚糖(70kDa)的部分可渗透性。标尺=20 μ m。
[0043]图5(a)是示意图，其示出提出了 MV2+的减少对三元络合物
CB[8]:MV2+-AuNP:Np-poI,以及导致的2:l(MV'AuNP:)2cCB [8]络合物形成的影响。
(b)在N2环境和25°C下，在Na2S2O4的水溶液中以及在H2O中12小时以上，微胶囊壁材料分解过程的荧光图像。标尺=5μπι。
[0044]图6 (a)具有和没有MV2+-AuNP的微胶囊(5nm和20nm)的示意图。对于阴性对照，使用 MV2+-pol5 替代 AuNP。(b)由 MV2+-pol、5nmMV2+-AuNP、和 20nm MV2+-AuNP 组成的空微胶囊的SERS谱，其示出CB [8]和MV2+的特征峰(用箭头表示)。(c)由MV2+-pol和20nmMV2+-AuNP组成的FITC-葡聚糖封装微胶囊的SERS谱，示出除胶囊外壳材料以外，FITC的特征峰(用箭头表示)。利用633nm激发激光线来获得所有谱。(d)微胶囊的SERS图谱，其示出针对CB [8]和MV2+的SERS信号的定位。
[0045]图7是Np-RD-pol的激发谱以及在514nm和544nm处激发的发射谱。
[0046]图8示出作为QtjilAiatl的比率的函数，利用T型连接以及宽度为40μηι的通道Qaq=80 μ L/h、100 μ L/h、120 μ L/h的各种含水流(实线)，和利用T型连接以及宽度为20 μ m的通道Qaq=40 μ L/h,60 μ L/h,80 μ L/h的各种含水流(虚线)的小滴平均直径的变化。
[0047]图9示出作为油和水流比率的函数，以及作为单独水流流率比率的函数，小滴平均直径的变化。
[0048]图10是小滴的LSCM图像，其中小滴包含Np-RD-pol、CB[8]、MV-AuNP和表达GFP的大肠杆菌细胞的水溶液，以及相应的荧光强度曲线。
【具体实施方式】
[0049]本发明人已经建立了，可以制备具有外壳的胶囊，其中所述外壳可获自葫芦脲与共价连接于适当葫芦脲客体分子的结构单元的超分子络合作用。
[0050]除其他技术外，还利用流体小滴生成技术来形成胶囊。鉴于先前报道这类材料的行为，葫芦脲和结构单元形成外壳的能力是令人惊讶的。[0051]来自本发明人之一的早期工作已发现，通过主体-客体络合作用，葫芦脲可以用来形成超分子交联网络(参见Appel et al.J.Am.Chem.Soc.2010，132，14251)。所述网络是基于CB [8]连同甲基紫精官能化(MV)聚合物和萘酚官能化(Np)聚合物一起的三元络合物的超分子组装。然而，其中描述的网络为超分子水凝胶形式。并没有描述或建议胶囊。
[0052]通过对MV-官能化聚合物连同CB[8] —起进行声处理，接着添加Np官能化聚合物，并借助于随后的短期混合步骤，来制备水凝胶。
[0053]因此，本发明人发现的葫芦脲可以和连接于适当客体分子的结构单元混合在一起从而产生材料外壳，是意想不到的。可以通过使用流体小滴制备技术和本体小滴生成技术来获得胶囊。前者是特别有利的，因为它产生具有非常低尺寸分布的小滴，这导致具有非常低尺寸分布的胶囊。此外，本发明的方法允许严密控制产品胶囊的形成。在流体小滴制备技术中的简单变化，如流率变化，可以用来控制所获得胶囊的尺寸、外壳中孔的尺寸、以及外壳的厚度等。
[0054]本发明的胶囊显示出是强劲的，并且能够承受至少100°C的温度。在减压下，胶囊还保持它们的完整性。
[0055]本发明的胶囊适用于封装组分。利用本文描述的流体小滴制备技术，可以在有待封装组分存在的条件下构造胶囊外壳。因此，在一种程序中，可以形成外壳并封装组分。因此，有利地，可以构造胶囊，而无需在胶囊建造以后进行后期被动扩散步骤。此外，封装的方法允许将材料高比率加入胶囊，因此将材料浪费降至最低。
[0056]现参照本发明的每个特点来更详细地描述本发明。
[0057]胶囊
[0058]本发明的胶囊包含材料外壳。该材料是超分子络合物，其由葫芦脲和共价连接于适当的葫芦脲客体分子的结构单元的络合作用形成。外壳限定内部空间，该内部空间可以称为中空空间，其适合于保持组分。因此，`在一种实施方式中，本发明的胶囊扩大到在外壳内封装组分的那些胶囊。外壳可以形成阻挡层，其限制或阻止封装在其内的材料进行释放。
[0059]通过在外壳中存在的孔，组分可以由胶囊释放。在一些实施方式中，孔是足够小以防止组分被释放。因此，构成外壳的网络可以被至少部分地解体，从而允许从外壳内释放材料。另外，可以通过对外壳施加外部刺激来产生孔。在这种情况下，可以通过破坏葫芦脲客体络合物来产生孔。因而，这样的解络合作用产生孔，通过这些孔，封装组分可以由外壳内释放。在本发明的一些实施方式中，可以随后通过外壳组分的重新组装来重新形成外壳材料。
[0060]在一种实施方式中，胶囊在外壳内保存水。水可以是包含一种或多种试剂的水溶液，其中这些试剂用于制备超分子外壳，即未反应的试剂。在一种实施方式中，水溶液包含葫芦脲和/或(I)或(2)，或(b)多种共价连接的葫芦脲和/或(I)、(2)或(3)。在外壳内，还可以存在网络，其由用来产生外壳的试剂的络合作用形成。
[0061]在外壳内，可以提供除水和用于外壳的超分子组装的试剂以外的封装材料。
[0062]在胶囊被说成封装组分的情况下，可以理解的是，这种封装组分可以存在于由外壳限定的内部空间内。在一种实施方式中，还存在封装剂，至少部分地在外壳的孔内。
[0063]可以利用能够区别外壳材料和封装剂的适合的分析技术，来确定在外壳内和/或在外壳的孔内组分的存在。例如，每种外壳材料和组分可以具有可检测标记或适合的官能团，它们相对于其他外壳材料和组分的标记或官能团是独立可检测的(正交的)。在一种实施方式中，每种外壳和组分具有正交荧光标记。例如，一种具有罗丹明标记而另一种则具有萤光素标记。激光扫描共聚焦显微技术可以用来独立地检测每种标记的荧光，从而定位每种外壳和封装剂。在组分信号被定位在和来自外壳的信号相同点的情况下，可以理解的是，组分存在于外壳的孔内。
[0064]并未特别限制外壳的总体形状，因而并未特别限制胶囊的形状。然而，在实践中，可以通过它的制备方法来决定胶囊的形状。在本文描述的制备方法中，可以利用流体小滴形成技术来制备胶囊外壳。通常，在连续相中的分散(或不连续)相的边界处形成外壳材料。例如，一个相可以是水相，而另一个相可以是水不混溶相。离散区域可以是具有基本上球形形状的小滴。因而，形成的外壳也基本上是球形。
[0065]在某些实施方式中，当外壳具有基本上球形形状时可以获得胶囊。此胶囊可以经受干燥步骤，其减少在胶囊中和在胶囊周围的溶剂(例如，水)量。作为此步骤的结果，胶囊的尺寸会收缩。起初，外壳保持基本上球形形状。在进一步干燥以后，胶囊球体可以部分地或完全地坍塌于本身上。胶囊的结构完整性被保持并且外壳简单地变形以适应内部体积的变化。因此，本发明的胶囊包括那些胶囊，其中外壳是至少部分坍塌球体。
[0066]鉴于在离散区域(例如，小滴)的边界处形成胶囊外壳，所以提及小滴的尺寸也可以视为提及胶囊的尺寸。胶囊外壳可以在干燥步骤以前形成。
[0067]本发明人已经建立了，可以将已收缩的胶囊(例如通过去溶剂化)，随后返回到它们原始的基本上球形形状(例如通过将胶囊再溶剂化)。
[0068]可以通过简单观察所形成的胶囊，其中利用显微术，如明场显微术、扫描电子显微术或透射电子显微术，来确定胶囊的形状。在外壳材料包含标记的情况下，检测通过外壳的标记将揭示胶囊形状。例如，在标记是荧光标记的情况下，激光扫描共聚焦显微术可以用来定位外壳材料和它的形状。`
[0069]并不特别限制胶囊的尺寸。在一种实施方式中，胶囊是微胶囊和/或纳米胶囊。
[0070]在一种实施方式中，每个胶囊具有至少0.1,0.2,0.5,0.7、1、5、10、20、30、40、50、100或200 μ m的平均尺寸(直径)。
[0071]在一种实施方式中，每个胶囊具有至多400、200、100、75或50μπι的平均尺寸(直径)。
[0072]在一种实施方式中，胶囊尺寸是在一定范围内，其中最小和最大直径选自所述实施方式。例如，胶囊尺寸为10至IOOym (直径)。
[0073]平均尺寸是指胶囊样品的测得直径的数值平均值。通常，测量样品中的至少5个胶囊。从外壳的最外边缘，进行横截面测量。
[0074]可以利用对形成胶囊的简单的显微分析来确定胶囊的横截面。例如，可以将形成的胶囊放置在显微镜载物片上并分析胶囊。可替换地，可以在制备过程中测量胶囊尺寸，例如当在流体装置的通道(即管线)中形成胶囊时。
[0075]还可以利用关于在外壳材料内检测存在的可检测标记或官能团的技术来测量横截面。如以上关于封装组分的检测和定位所述的，外壳材料可以包含荧光标记，其可以通过激光扫描共聚焦显微技术加以检测。在胶囊外壳内和周围存在多种标记允许确定横截面形状，以及测量最大横截面。[0076]在本文描述的制备方法中，利用流体小滴生成技术来制备胶囊。在小滴中形成胶囊外壳，其中所述小滴在流体小滴生成装置的通道中，在小滴的水相与连续相的边界处产生。因此，胶囊的尺寸基本上相同于小滴的尺寸。
[0077]本发明人已经建立了，可以制备具有低尺寸分布的本发明的胶囊。这是特别有利的，因为可以制备各自具有可预测的物理和化学特性的大量的胶囊。
[0078]在一种实施方式中，胶囊直径具有至多0.5%、至多1%、至多1.5%、至多2%、至多4%、至多5%、至多7%、或至多10%的相对标准偏差(RSD)。
[0079]相对标准偏差计算由以下计算:标准偏差除以数值平均值并乘以100。胶囊的尺寸是指胶囊的最大横截面(在任何截面中)。基本上球形胶囊的横截面是直径。
[0080]外壳限定内腔，其适合于封装组分。内部空间的尺寸将总体上对应于胶囊本身的尺寸。因此，内部空间的尺寸，例如直径，可以选自上文针对外壳本身给出的直径值中的任何一种。
[0081]在测量胶囊尺寸的情况下，直径是指在两个相对点处外壳材料的最外边缘到最外边缘的距离(如上所述)。在测量内部空间尺寸的情况下，直径是指在两个相对点处外壳材料的最内边缘到最内边缘的距离。
[0082]本发明人已经建立了这样的技术，其允许确定外壳外边缘和内边缘。例如，在外壳材料内存在可检测标记允许确定外壳的最外边缘和最内边缘。如果可以检测这些边缘，则可以确定外壳的厚度。
[0083]通常，如从最外边缘到最外边缘测量的直径并不显著不同于如从最内边缘到最内边缘测量的直径。差异是在两个相对点处外壳的厚度。
[0084]在一种实施方式 中，外壳具有至少0.02、至少0.05、至少0.1、至少0.5、至少1.0、至少2.0或至少5.0 μ m的厚度。
[0085]如上所述，外壳具有孔。在一种实施方式中，孔具有一定尺寸以允许材料从其中通过。例如，封装在胶囊内的组分可以通过外壳的孔以由胶囊释放。相反地，孔可以具有足够的尺寸以允许组分进入外壳内部空间并从而被封装。这些可以称为被动扩散封装步骤。这样的技术可以用来提供在其内部具有封装剂的胶囊。如本文所描述的，本发明的发明人已提供了在外壳制备步骤中用于封装材料的替代方法。这样的方法允许对胶囊更有效加载材料，当材料被完全封装在外壳内时。
[0086]在一种实施方式中，孔可以具有一定的尺寸，其太小以致不允许材料从其通过。例如，封装在胶囊内的组分可以被阻止通过外壳的孔，因而不能由胶囊释放。可以通过，例如，破坏将外壳保持在一起的葫芦脲络合物，从胶囊释放这样的材料。以这种方式，外壳的破坏产生材料可以从其中通过的较大的孔。
[0087]认为，在先前去溶剂化胶囊的溶剂化以后，可以增加孔径。当胶囊收缩时，随着外壳材料折叠起来，胶囊的孔隙率可以降低，从而至少部分地封闭一些孔。
[0088]利用一系列封装组分，各自具有不同的横截面，如不同直径，可以通过实验测量孔的尺寸。横截面可以是已知的或可以基于对组分的可能构型的了解加以预测。可以基于何种组分由胶囊释放以及何种组分并未由胶囊释放来确定孔径。
[0089]可以基于每种封装组分的计算的回转半径来预测组分的横截面，通常为直径。所述计算最适合于确定小球状颗粒的尺寸，并且可以用于聚合物系统，如多肽、多核苷酸和多糖。用于计算回转半径的方法描述于Andrieux et al.AnalyticalChemistry2002, 74，5217，其以引用方式于本文。
[0090]可以利用本文描述的方法来制备包含封装组分的胶囊。在制备胶囊(具有封装剂)以后，可以针对材料从外壳内丧失到外部水相来分析胶囊和它的水环境。封装的组分可以具有分析标记以帮助检测。适合的标记包括荧光标记，其是利用标准荧光显微技术可检测的。
[0091]在一种实施方式中，不同分子量的葡聚糖化合物可以用作测试化合物来确定形成的胶囊的孔径。葡聚糖可以被标记，并且优选用荧光标记加以标记。
[0092]不同分子量的葡聚糖化合物容易获自商业来源,包括,例如,Sigma Aldrich。可获得平均分子量为1，000至500，000的葡聚糖。分子量为70kDa的葡聚糖具有约8nm的回转半径，而分子量为150kDa的葡聚糖则具有约Ilnm的回转半径(参见Granath Journal ofColloid Sciencel958, 13，308)。具有突光标记,如异硫氰酸突光素，的葡聚糖化合物也可获自商业来源，再次包括Sigma Aldrich。
[0093]在一种实施方式中，孔径是至多20、至多15、至多10、至多5、至多I或至多0.5 μ m0
[0094]在一种实施方式中，孔径是至多500、至多200、至多100、至多50、或至多20nm。
[0095]在一种实施方式中，孔径是至少0.5、至少1、或至少5nm。
[0096]在一种实施方式中，孔径是在一定范围内，其中最小和最大孔径选自所述实施方式。例如，孔径为I至20nm。
[0097]作为对葡聚糖的替代，可以替代使用蛋白质标准品。作为对以上描述的标记化合物的替代，还可以利用质谱法、或蛋白`质凝胶电泳(用于蛋白质标准品)，来检测由胶囊释放的化合物。
[0098]利用BET气体吸收技术，还可以通过实验确定表面积、孔隙率和孔径。
[0099]如预期的，通过在从其可以制备胶囊的可络合组合物中存在的葫芦脲的量来影响外壳孔径。增加在可络合组合物中葫芦脲的存在量被认为会增加与网络的交联量，从而减小在所形成的外壳材料中孔的尺寸。
[0100]胶囊外壳可以包含一层或多层材料。可以连接材料层，例如通过葫芦脲与存在于一层中的第一客体分子和存在于第二层中的第二客体分子的三元超分子络合物。另外，或可替换地，可以通过具有多个客体分子的第一结构单元来连接材料层，其中一个客体分子与葫芦脲和存在于第一层中的另一客体分子形成三元络合物，而另一客体分子与葫芦脲和存在于第二层中的另一客体分子形成三元络合物。在这些实施方式中，外壳可以看作三维延伸的网。虽然，外壳可以具有材料深度，如本文描述的厚度，但可以理解的是，外壳的形成将仍然提供其中组分可以驻留的内部空间。因此，本发明并不旨在涵盖没有内部空间的颗粒。
[0101]可替换地，胶囊外壳可以包含网络材料的多个同心层，其并不是互相连接的。在任何这种实施方式中，提及胶囊尺寸是指最外部外壳的横截面。
[0102]如上文所讨论的，外壳材料可以包括可检测标记或可检测官能团。
[0103]可检测官能团是胶囊外壳组分的官能团，所述胶囊外壳组分具有这样的特性，其可检测超过及高于存在于胶囊的其他组分的特性，或甚至相同组分的其他官能团。可检测官能团可以是指特定化学基团，其在，例如，IR、UV-VIS、NMR或拉曼分析中会产生独特的信号。官能团可以是放射性元素。
[0104]通常，外壳材料的一部分或封装剂配备有可检测标记，因为所选标记的引入允许使用这样的技术，其最适合于待测量的性能。本文描述的是具有荧光可检测标记的结构单元。另外，本文描述的是这样的结构单元，其能够提供表面增强共振效应。
[0105]外壳可以在它的内表面和/或外表面上具有另外的官能团。本文描述的是这样的结构单元，其具有用来改善溶解性、帮助检测的官能团；用于后期细化外壳的反应性官能团；以及催化剂等。
[0106]本发明的胶囊外壳是稳定的并且可以加以储存而没有丢失外壳结构。因此，外壳的完整性允许胶囊用作封装剂的贮存容器。本发明的胶囊是热稳定的并且已知外壳保持它的完整性至少高达100°C。本发明的胶囊在减压下(即在低于环境压力下)也是稳定的。已知外壳保持它的完整性下至至少20Pa。
[0107]本发明的胶囊具有较长保质期。本发明人已经证实，保持结构完整性持续至少10个月。
[0108]外壳的结构完整性部分地是由于葫芦脲客体-主体络合物的强度,其更详细地描述于下文。
[0109]另外或替代的胶囊特点
[0110]胶囊外壳具有孔。可以通过适当改变用来形成胶囊的试剂的化学计量来调节孔隙率。增加结构单元之间的交联将降低胶囊中孔的尺寸。可替换地，可以选择结构单元，以提供具有增加或减少孔隙率的外壳材料。在封装剂或相对较小尺寸被封装的情况下，制备具有相对较小直径孔的胶囊，从而限制或防止封装剂丢失到外壳外面。在相对较大封装剂被封装的情况下，孔径可以较大。
[0111]如上所述，外壳在它内表面和/或外表面上可以具有另外的官能团。在一些实施方式中，提供官能团，用于胶囊外壳的后期化学官能化，例如作为用于连结至具有特别期望的反应性的化合物的反应位点。
[0112]在一种实施方式中，外壳具有化学官能团，其可用于在胶囊的外表面和/或内表面上反应。化学官能团选自由羟基、胺(优选伯胺和仲胺)、羧基、巯基、酯、硫酯、碳酸酯、聚氨酯、和硫脲组成的组。
[0113]在一种实施方式中，将外壳连接于官能化合物。
[0114]在一种实施方式中，官能化合物是分析标记，以帮助检测和量化胶囊。这些在以上部分中已经描述过。
[0115]官能化合物可以是催化的(包括酶促)、抗真菌的、除草的、或抗原性的。
[0116]官能化合物可以具有表面粘附性能。所述官能团可以用来将胶囊共价或非共价地连接于表面。
[0117]官能化合物能够结合于(或螯合)化合物或离子。这样的官能团可以有助于纯化如过滤，以及用于捕获有毒和无毒的元素和化合物。
[0118]在一种实施方式中，官能化合物是生物分子。
[0119]在一种实施方式中，官能化合物是多肽、多糖、多核苷酸、或脂质。
[0120]多肽的实例包括酶、抗体、激素和受体。[0121]通过适当选择结构单元材料，可以将官能团引入外壳。因此，在结构单元是聚合物的情况下，可以将适合的官能团加入聚合物的单体，所述单体可以存在于聚合物主链内，或存在于侧链上。在结构单元是颗粒的情况下，可以将颗粒表面适当地官能化。
[0122]在官能分子存在于外壳表面上的情况下，可以在形成胶囊以后加入此分子。可以利用为此目的已引入的化学官能团来将官能分子连接于外壳。
[0123]原则上，葫芦脲可以具有可用于反应的官能团。然而，这是较少优选的。
[0124]在需要时，在胶囊制备过程中，适当的保护基团可以用来保护官能团。后期可以除去保护基团(根据需要以及在需要时)。
[0125]络合物
[0126]胶囊外壳包含网络,所述网络通过超分子束缚(supramolecular handcuff)保持在一起。形成这种超分子束缚的络合物是基于葫芦脲，其结合一个客体(二元络合物)或两个客体(三元络合物)。葫芦脲形成与每个客体的非共价键。本发明人已经建立了，葫芦脲的络合物可以容易地形成并提供在结构单元之间强劲的非共价键。络合物的形成允许在结构单元内的许多官能团。本发明人之一已表明，可以利用葫芦脲束缚来制备聚合物网络。然而，到目前为止，还未描述利用葫芦脲来形成如胶囊的精确的聚合物结构。
[0127]在一种实施方式中，外壳是具有多种络合物的网络，其中每种络合物包含葫芦脲，其结合第一客体分子和第二客体分子。第一和第二客体分子共价连接于第一结构单元，或连接于第一结构单元和第二结构单元。
[0128]在络合物在葫芦脲腔内包含两个客体的情况下，络合物的结合常数，Ka，是至少IO3M'至少IO4M'至少IO`5M'至少IO6M'至少IO7M'至少IO8M'至少IO9M'至少IO10M'至少IO11M'或至少IO12M'
[0129]在葫芦脲结合两个客体分子的情况下，客体分子可以是相同的或它们可以是不同的。能够结合两个客体分子的葫芦脲还能够与单个客体形成稳定的二元络合物。三元客体-主体络合物的形成被认为是借助于中间体二元络合物来进行。在外壳内，可以存在客体分子和葫芦脲之间形成的二元络合物。二元络合物可视为部分形成的三元络合物，其还未与另一客体分子形成非共价键。
[0130]在一种实施方式中，外壳是具有多种络合物的网络，其中每种络合物包含葫芦脲，其结合一个客体分子，并且每个葫芦脲共价连接于至少另一个葫芦脲。客体分子共价连接于第一结构单元，或共价连接于第一结构单元和第二结构单元。
[0131]在络合物在葫芦脲腔内包含一个客体的情况下，络合物的结合常数，Ka，是至少IO3M'至少IO4M'至少IO5M'至少IO6M'至少IO7M'至少IO8M'至少IO9M'至少IO10M'至少IO11M'或至少IO12M'
[0132]在一种实施方式中，客体是一种化合物，该化合物能够形成络合物，所述络合物具有IO4至ΙΟΙ1的结合常数。
[0133]在一种实施方式中，络合物的形成是可逆的。响应于外部刺激，包括，例如，竞争剂客体化合物，可以发生络合物的解络合作用以分开一个或多个客体。可以诱导所述解络合作用以在胶囊中提供另外的或较大的孔，封装材料可以通过这些孔。
[0134]如上所述，相对于胶囊外壳，葫芦脲与一个或两个客体的络合物是非共价连接，其连接和/或互连结构单元以形成材料的超分子网络。络合物是热稳定的并且在减压下并不分开，如针对外壳所解释的。
[0135]网络
[0136]形成超分子络合物用来连接和/或互连结构单元，从而形成材料的网络。这是胶
囊外壳。
[0137]提供了两种类型的网络。第一类型是基于形成多个三元络合物，其中每个络合物包含葫芦脲主体与第一客体分子和第二客体分子。第二类型是基于形成多个二元络合物，其中每个络合物包含葫芦脲主体与第一客体分子。在此第二类型中，每个葫芦脲共价连接于至少另一个葫芦脲。这些类型的网络可以结合于外壳。
[0138]在结构单元提供有多个客体分子的情况下，所有的客体分子不必都参加与葫芦脲的络合物。在网络是基于在三元结构之间的连接的情况下，结构单元的客体分子可以是在与葫芦脲的二元络合物中。二元络合物可视为部分形成的三元络合物，其还未与另外的客体分子结合以产生三元形式。
[0139]在整个描述中，提及了结构单元、第一结构单元和第二结构单元。可以理解的是，提到这些是指单个分子、颗粒、聚合物等(其是结构单元)的集合。在提及单个结构单元分子、颗粒等的情况下，术语单个用来指结构单元，例如单个第一结构单元。
[0140]以下描述的网络是基本网络，其可获自描述的组合物。可以理解的是，本发明延伸到更加复杂的网络，其可获自包含另外结构单元的组合物。
[0141]基于葫芦脲的 三元络合物的网络
[0142]此网络可获自第一客体分子和第二客体分子以及葫芦脲主体的组装。客体分子可以提供在一个或两个(或更多)结构单元上(如下文所描述的)。
[0143]在一种实施方式中，网络可获自或获自组合物的络合作用，所述组合物包含葫芦脲、共价连接于多个第一葫芦脲客体分子的第一结构单元和共价连接于多个第二葫芦脲客体分子的第二结构单元，其中第一客体分子和第二客体分子连同葫芦脲一起适合于形成三元客体-主体络合物。
[0144]三元络合物用来非共价连接第一和第二结构单元。单个第一结构单元可以与多个第二结构单元形成多个非共价连接。类似地，单个第二结构单元可以与多个第一结构单元形成多个非共价连接。以这种方式，建立了材料的网络。
[0145]应该注意的是，在一些实施方式中，第一和第二客体分子可以是相同的。因此，第一和第二结构单元的差异可以在于它们的组成。在一些实施方式中，第一和第二结构单元可以是相同的。在这种情况下，第一和第二客体分子是不同的。
[0146]以下示出的是在葫芦脲、单个第一结构单元和两个单个第二结构单元之间形成的基本网络的示意性结构。在包括在本文中的示意图中，客体分子被描述为长方形，其共价连接(垂直线)于结构单元(水平线)。垂直线可以描述与结构单元的直接共价键或接头。结构单元可以是聚合物分子、颗粒等(如本文所描述的)。
[0147]在以下示意图中，第一结构单元的一些第一客体分子(无阴影长方形)是在与葫芦脲主体(桶)和第二结构单元的第二客体分子(阴影长方形)的络合物中。
[0148]
【权利要求】
1.一种胶囊，具有外壳，所述外壳可由包含主体的组合物和具有适合的主体客体官能团的一个或多个结构单元的络合作用获得，从而形成超分子交联网络。
2.根据权利要求1所述的胶囊，其中，所述主体选自葫芦脲、环糊精、杯[η]芳烃、和冠醚，而所述一个或多个结构单元具有适合于所述葫芦脲、环糊精、杯[η]芳烃或冠醚主体的主体客体官能团。
3.根据权利要求2所述的胶囊，其中，所述主体是葫芦脲且所述一个或多个结构单元具有适合的葫芦脲客体官能团。
4.根据权利要求3所述的胶囊，其中，所述外壳可由(a)包含葫芦脲的组合物和(I)或(2);或(b)包含多个共价连接的葫芦脲的组合物和(I)、(2)或(3)的络合作用获得，其中: (1)包含共价连接于多个第一葫芦脲客体分子的第一结构单元和共价连接于多个第二葫芦脲客体分子的第二结构单元，其中第一客体分子和第二客体分子连同葫芦脲一起适合于形成三元客体-主体络合物； (2)包含共价连接于多个第一葫芦脲客体分子和多个第二葫芦脲客体分子的第一结构单元，其中第一和第二客体分子连同葫芦脲一起适合于形成三元客体-主体络合物，且可选地所述组合物进一步包含共价连接于一个或多个第三葫芦脲客体分子、一个或多个第四葫芦脲客体分子或两者的第二结构单元，其中第三和第四分子连同葫芦脲一起适合于形成三元客体-主体络合物，和/或所述第一和第四分子连同葫芦脲一起适合于形成三元客体-主体络合物，和/或所述第二和第三分子连同葫芦脲一起适合于形成三元客体-主体络合物；以及 (3)包含共价连接于 多个第一葫芦脲客体分子的第一结构单元，其中所述第一客体分子连同所述葫芦脲一起适合于形成二元客体-主体络合物，可选地，所述组合物进一步包含共价连接于一个或多个第二葫芦脲客体分子的第二结构单元，其中所述第二客体分子连同所述葫芦脲一起适合于形成二元客体-主体络合物。
5.根据权利要求4所述的胶囊，其中，所述外壳可由包含葫芦脲的组合物和(I)或(2)的络合作用获得。
6.根据权利要求5所述的胶囊，其中，所述外壳可由包含葫芦脲的组合物和(I)的络合作用获得。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的胶囊，其中，所述葫芦脲选自CB[8]及其变体和衍生物。
8.根据权利要求7所述的胶囊，其中，所述葫芦脲是CB[8]。
9.根据权利要求7或权利要求8所述的胶囊，其中，所述葫芦脲与第一客体分子和第二客体分子形成三元络合物，并且所述第一和第二客体分子选自以下的对: 紫精和萘酚； 紫精和~二羟基苯； 紫精和四硫富瓦烯； 紫精和Π引噪； 甲基紫精和萘酚； 甲基紫精和~二羟基苯； 甲基紫精和四硫富瓦烯；甲基紫精和H引噪； N，N’ -二甲基二吡啶鎗基乙烯和萘酚； N，N’ - 二甲基二吡啶鎗基乙烯和二羟基苯； N, N’ - 二甲基二吡淀鐵基乙稀和四硫富瓦稀； N, N’ - 二甲基二吡淀鐵基乙稀和吲噪； .2，7- 二甲基二氮杂芘鎗和萘酚； .2，7- 二甲基二氮杂芘鎗和二羟基苯； .2，7-二甲基二氮杂芘鎗和四硫富瓦烯；以及 .2，7- 二甲基二氮杂芘鎗和吲哚。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的胶囊，其中，所述第一结构单元是聚合物分子。
11.根据权利要求10所述的胶囊，其中，所述聚合物分子是或包含聚(甲基)丙烯酸酯聚合物、聚苯乙烯聚合物和/或聚(甲基)丙烯酰胺聚合物。
12.根据权利要求10或权利要求11所述的胶囊，其中，所述聚合物分子包含可检测标记。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的胶囊，其中，所述第二结构单元如果存在的话是颗粒。
14.根据权利要求13所述的胶囊，其中，所述颗粒是或包含金或银或它们的混合物。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的胶囊，其中，所述胶囊尺寸是直径在10至.100 μ m的范围内。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的胶囊，其中，所述胶囊直径具有至多10%的相对标准偏差(RSD)。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的胶囊，其中，所述外壳孔径在I至20nm的范围内。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的胶囊，其中，所述胶囊封装组分。
19.根据权利要求18所述的胶囊，其中，所述组分是生物分子。
20.一种用于制备具有外壳的胶囊的方法，所述方法包括以下步骤: (i)在通道中使第一相的流和第二相的流接触，从而在所述通道中产生处于所述第一相中的所述第二相的离散区域的分散体，优选小滴，其中所述第二相包含葫芦脲和具有适合于形成超分子交联网络的适合的葫芦脲客体官能团的一个或多个结构单元，从而在所述离散区域内形成胶囊外壳，其中所述第一和第二相是不混溶的。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述第二相是(a)葫芦脲和(I)或(2);或(b)多个共价连接的葫芦脲和(I)、(2)或(3)，其中: (1)包含共价连接于多个第一葫芦脲客体分子的第一结构单元和共价连接于多个第二葫芦脲客体分子的第二结构单元，其中第一客体分子和第二客体分子连同葫芦脲一起适合于形成三元客体-主体络合物； (2)包含共价连接于多个第一葫芦脲客体分子和多个第二葫芦脲客体分子的第一结构单元，其中第一和第二客体分子连同葫芦脲一起适合于形成三元客体-主体络合物，并且可选地所述组合物进一步包含共价连接于一个或多个第三葫芦脲客体分子、一个或多个第四葫芦脲客体分子或两者的第二结构单元，其中第三和第四分子连同葫芦脲一起适合于形成三元客体-主体络合物，和/或所述第一和第四分子连同葫芦脲一起适合于形成三元客体-主体络合物，和/或所述第二和第三个分子连同葫芦脲一起适合于形成三元客体-主体络合物；以及 (3)包含共价连接于多个第一葫芦脲客体分子的第一结构单元，其中所述第一客体分子连同所述葫芦脲一起适合于形成二元客体-主体络合物。可选地，所述组合物进一步包含共价连接于一个或多个第二葫芦脲客体分子的第二结构单元，其中所述第二客体分子连同所述葫芦脲一起适合于形成二元客体-主体络合物。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述第二相包含葫芦脲和(I)或(2)。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述第二相包含葫芦脲和(I)。
24.根据权利要求20至23中任一项所述的方法，其中，所述葫芦脲选自CB[8]及其变体和衍生物。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述葫芦脲是CB[8]。
26.根据权利要求24或25所述的方法，其中，所述葫芦脲与第一客体分子和第二客体分子形成三元络合物，并且所述第一和第二客体分子选自以下的对: 紫精和萘酚； 紫精和~ 羟基苯； 紫精和四硫富瓦烯； 紫精和Π引噪； 甲基紫精和萘酚； 甲基紫精和 羟基苯； 甲基紫精和四硫富瓦烯； 甲基紫精和H引噪； N，N’ -二甲基二吡啶鎗基乙烯和萘酚； N，N’ - 二甲基二吡啶鎗基乙烯和二羟基苯； N, N’ - 二甲基二吡淀鐵基乙稀和四硫富瓦稀； N, N’ - 二甲基二吡淀鐵基乙稀和吲噪； 2，7- 二甲基二氮杂芘鎗和萘酚； 2，7- 二甲基二氮杂芘鎗和二羟基苯； 2，7-二甲基二氮杂芘鎗和四硫富瓦烯；以及 2，7- 二甲基二氮杂芘鎗和吲哚。
27.根据权利要求20至26中任一项所述的方法，其中，所述第一结构单元是聚合物分子。
28.根据权利要求7所述的方法，其中，所述聚合物分子是或包含聚(甲基)丙烯酸酯聚合物、聚苯乙烯聚合物和/或聚(甲基)丙烯酰胺聚合物。
29.根据权利要求27或权利要求28所述的方法，其中，所述聚合物分子包含可检测标记。
30.根据权利要求20至29中任一项所述的方法，其中，所述第二结构单元如果存在的话是颗粒。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，所述颗粒是或包含金或银或它们的混合物。
32.根据权利要求20至31中任一项所述的方法，其中，所述第二相是水相而所述第一相是水不混溶相。
33.根据权利要求20至32中任一项所述的方法，其中，所述第二相进一步包含用于封装的组分，且步骤(i)提供具有封装所述组分的外壳的胶囊。
34.根据权利要求20至33中任一项所述的方法，其中，所述方法进一步包括步骤(ii):收集来自所述通道的流出物，从而获得小滴，所述小滴包含胶囊。
35.根据权利要求34所述的方法，进一步包括以下步骤:干燥在步骤(ii)中获得的胶囊。
36.一种用于将组分递送到位置的方法，所述方法包括以下步骤: (i)提供如在权利要求18或权利要求19中所限定的具有封装组分的外壳的胶囊； (ii)将所述胶囊递送到目标位置； (iii)从所述外壳释放所述组分。
【文档编号】C08G85/00GK103827178SQ201280047030
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2012年7月25日 优先权日:2011年7月26日
【发明者】奥伦·亚历山大·谢尔曼, 罗杰·库尔斯顿, 克里斯托弗·埃布尔, 张婧 申请人:剑桥实业有限公司