液滴微流控技术制备功能型微球的研究进展

微流控芯片

摘要：近年来，微流控技术（microfluidics）发展迅猛，在微通道条件下能够对微米级流体实现融合和剪切等精确控制，且与药学、生命科学等学科相互交叉，在微球制备过程中通过改造微球结构和添加功能性材料，使得制备的聚合物颗粒在化学分析、重金属吸附和检测等领域有着相当广泛的应用。相对于传统的微球制备方法，液滴微流控技术不仅可以构建多种形态的微球，还能提供优秀的模板，丰富和扩展了微球的应用领域。文章系统介绍了利用液滴微流控技术制备颗粒的装置和基本原理，讨论了制备核壳型、多孔型、各向异性功能型微球的方法和成果以及传统微球制备方法的弊端。

前言

微球通常是指粒径范围在1~300 μm的球状实体，也有小于1 μm纳米粒子和直径达1 000 μm的更大的颗粒。为了满足微球在材料合成、药物筛选、环境监测等多个领域的应用需求，通常在以高分子材料为骨架的基础上，进行各种改性。制备微球的方法有多种，例如交联固化法、溶剂挥发法、液滴微流控技术等。较于前两者，液滴微流控技术可以制备多种性能优良的聚合物粒子。例如在化学分析领域，可用于高效液相色谱填料；在制药方面，将药物镶嵌在微球内部，控制微球大小，可以改善药物在体内的吸收与分布；在吸附表征方面，通过改造微球内部结构，可以增大微球比表面积，进而增加吸附量。综上所述，针对不同的需求，可以衍生出多种架构不同、功能不同的微球。

液滴微流控技术(microfluidics)是指基于微观尺度下，在几十至几百微米的通道内对流体进行操控的一种技术。该技术起源于20世纪50年代，Skegges提出一种间隔式连续流动技术，在流体管道中进行分析化学实验，颠覆了传统实验方法。发展至今，在装置搭建方面经历了3次重大突破：首先是1998年，Xia等提出了关于聚二甲基硅氧烷(PDMS)软刻蚀的方法，PDMS材料的出现是微流控技术的重要突破，为微流控技术的蓬勃发展奠定了坚实的基础；其次是在2001年Thorsen等突破了连续流的限制，实现了液滴的剪切，开启了液滴微流控的历史；最后是2005年，哈佛大学的Utada等采用玻璃毛细管制备了微流控装置，这一举措丰富了微流控技术方法的种类，目前大多数微流控制备微球的实验都是基于毛细管进行的。

不管微流控技术如何变化，顾名思义，始终是“微流”与“控”的组合。“微流”属于流道设计，“控”属于仪器，两者组合完成对单相或者多相流体的精确控制与操作。微流控技术利用互不相溶的液体，在流体剪切力、压力以及表面张力的共同作用下，可形成单分散、粒径可控和分布均匀的微球。针对不同的需求，以微球为载体加入具有不同功能的材料，可以合成高分子微球或者聚合物粒子。微流控技术包含3个重要分支：液滴微流控、数字微流控和连续微流控。其中液滴微流控技术作为微流控芯片研究的重要分支，利用互不相溶的多相液体通过缩颈、拉伸、成球步骤后产生分散微液滴的非连续微流控技术。

本文综述了近年来采用液滴微流控装置制备核壳型、多孔型以及各向异性颗粒等不同形态功能型微球的研究进展，同时也指出了传统方法制备的弊端，从中得到启发。

微球的传统制备方法

在微流控方法还没有得到普及之前，制备各种微球的传统方法包括喷雾干燥法、悬浮聚合法、离子交联法和乳液蒸发法等。上述方法都存在外力不稳定，不同相混合时剪切力不均匀等弊端。导至得到的微球粒径分布不均匀且粒径难以控制；粒径差异明显，小至十几微米，大至几百微米；甚至可能会使内部活性物流失，改变微球形貌。例如，在吸附领域，某些特定的装置如旋流器对粒径有严格的要求，由于粒径的差异导至微球的体积、密度不均匀，进而造成错误的数据结果。悬浮聚合法虽然是目前最为常见的制造多孔微球手段，但是需要通过机械搅拌或者振荡等人工条件或分散剂的作用，将液相分散成液滴，期间需要添加引发剂和致孔剂，成球后还要去除残留的致孔剂，需要多次清洗，工序非常繁琐；再加上搅拌过程中力的不稳定性，造成微球粒径不均匀，而且内容物质容易从孔道中流出与接收相反应导至双向污染。马欢采用悬浮聚合法制备Li2O微球，需要将Li2O3浆料注入液氮，在低温真空环境下进行煅烧，成本非常昂贵。

液滴微流控技术相对操作简单，制备的微球大小均匀、体系封闭、单分散性好，粒径偏差可以稳定控制在5%以下，特定条件下甚至可以达到1%；而且，试剂消耗量低、实验安全系数高、可以控制内部组成含量、实现更加有序的内部结构；另外，均匀的球形形貌在回收再利用方面的优势也非常突出，因此成为当前微球制备的主要实验手段。

3 液滴微流控研究

液滴微流控技术是Thorsen等首次提出，随后Nie等先后报道了液滴微流控技术的研究成果：生物相容性极佳的微球，可以运用在医学诊断中；含有单个或多个液芯的聚合物胶囊，用于药物口服。Wang等在2017年将微流控装置分为聚二甲基硅氧烷软刻法(PDMS)装置和毛细管装置。在PDMS装置中，分散相与连续相在同一微通道中进行剪切，制备过程简单，装置气密性好；在毛细管装置中分散相需单独一支通道接入连续流动的管道，在流体界面处剪切成球，效率高且成本低。但是，两种装置依然各有不足：PDMS装置由于其材料本身的性质，在流体通过通道内壁时对疏水性分子进行吸收，进而影响实验的定量分析，即使采用改性表面技术，也很难达到理想效果；毛细管组装的微流控系统，无需对壁面进行修饰，但是对装置的尺寸精度和清洁程度要求极高，实验操作过程中极易造成玻璃通道的堵塞。毛细管装置衍生出了3种结构（如图 1所示）：共轴型(co-flow) 、聚集型(flow-focusing) 及T型(T-injunction) 微流控装置。

通过图 1的基本装置或加以改进，可以完成对液滴的分裂、融合、分选、捕获以及定位，制备的液滴单分散性很好，有助于定量研究；同时反应速度较快，试剂消耗量少，能节省大量试剂，操作也较为安全。经过对试剂的选择，可以设计出水包油(O/W)、水包气(G/W)等乳液，通过增加毛细管装置的级数或在PDMS上开更多通道完成更为复杂的油包水包气(G/W/O)、水包油包水(W1/O/W2)液滴和复合乳液。产生的这些液滴通过UV照射、加热、化学反应或溶剂蒸发等多种手段，固化得到单分散的颗粒或者胶囊。通过进一步的后续处理，可以得到诸如各向同性均匀微球、核-壳型微球、Janus等复杂的颗粒，这些粒子可以运用在生物探针、表面增强拉曼光谱技术(SERS)检测、重金属吸附、药物控释、环境检测多个研究领域，也可以在物理学中光、热、磁等各种相应特性中发挥作用。

近年来，利用液滴微流控技术已经成功制备出核壳型微球、多孔型微球、各向异性微球、中空微球等多种特殊结构的微球。鉴于在吸附、环境监测、药物传递、颗粒示踪等领域的应用需求，研究工作以核壳型、多孔型和各向异性微球的制备居多。

3.1 核壳型微球

核壳结构通常以内部的核和包覆在外部的壳构成，具有优异的化学和物理性能。一般通过分子间的作用力将两者结合，是一种构造新颖的复合材料。传统核壳型微球制备通常采用乳液聚合法，步骤多，操作复杂，影响因素包括乳化剂的种类、用量和亲水性等。

通过微流控装置可以对核壳结构微粒的组成成分、粒径大小进行针对性设计，还可以包埋不同组分和不同尺寸的内核，从而具备磁、光、生物反应等不同特性。这类微球在微反应器、示踪颗粒等多个不同领域有着广阔的前景，例如在药物上的靶向传递等。一般而言，内核与外壳由不同材料组成，外壳在保护内核不受外界环境影响的同时还能增加微球或颗粒的机械强度和化学性能；限制微球个体的体积变化，保证完整性；确保分散性保护核心不聚集成大颗粒；限制外部离子选择性进入核心，保护活性核。微通道内流体相的物理参数和壁面材料，是形成核壳型的关键。王號元等在水包油乳液体系基础上，考虑离散相物性、壁面效应和接触角等多个参数，对液滴的稳定性进行了模拟计算，研究了离散相在连续相剪切作用下，形成核壳型结构的机理，明确了液滴形成的稳定性与流体参数、微通道材料的相关性。

如图 2所示，是一种2级的共轴型微流控装置。由3支圆管和2支方管组成，一共有三相液体，分别是内相(IP)、中间相(MP)和外相(OP)。内相经中间相剪切形成分散的、独立的小液滴后进入2级管道，由流速较快的外相液体包裹，从而形成微球。通常MP以紫外光聚合单体为基底，如交联剂二甲基丙烯酸二醇酯(EDGMA)等，添加表面活性剂和光引发剂，这样在紫外灯照射下液滴可以得到固化，而IP和OP则根据乳液模板选择成分。

Gong等利用液滴微流控技术，以阿司匹林溶液为分散相作为内核，将Fe3O4颗粒添加到壳聚糖溶液中作为连续相，采用PDMS为板材制作聚焦型微流控装置，合成了具有核壳结构的液滴，再添加戊二醛与壳聚糖发生席夫碱反应，得到以壳聚糖为外壳，阿司匹林为内核且嵌有Fe3O4颗粒的微球。这样的微球由于外壳具有极佳的生物相容性和无毒性，能够很好地封存阿司匹林，具有缓释作用。

Yang等将FeCl2和FeCl3按比例混入壳聚糖溶液作为分散相，添加油相剪切，形成的单分散液滴进入NaOH水溶液中，干燥固化后，得到内部含有Fe3O4纳米颗粒的蝌蚪型微球。这类微球对油相展现出极好的吸附能力，在磁铁作用下还具备磁响应特性，利于回收再利用。如图 3所示磁性微球的制备过程以及微球在40 s内完成吸附同时展现出磁响应特性。

Vericella等采用聚焦型微流控装置，制备了具有高渗透性的以硅酮为外壳，内含碳酸盐液芯的核壳型微胶囊，通过这种封装的形态可以完成对CO2的捕获，与普通的液体吸附剂相比，能大幅提高对CO2吸附量。如图 4所示，CO2通过高渗透性的硅酮外壳扩散到内部，被液态的碳酸盐内芯吸收，又通过加热释放CO2，实现CO2的捕获与再生循环。

核壳型微球是将不同材料和结构结合起来，内部相互协同稳定的活性粒子。这样的形态衍生了丰富的架构和功能：对结构而言，有狭义的核壳结构、蛋黄壳结构、中空结构。区别在于内部空间的利用，核与壳之间的腔体是否存在空隙或由多相组成，以及核的数量；对功能而言，得益于核壳微球的结构能够保护并封存内部物质，具有优越的转换和储存性能。在生物医学研究领域，核壳微球能够在特定环境中打开外壳，释放内核用于靶向传递。核壳微球也可以与金属氧化物结合，在生物电池，催化剂等方面发挥作用。

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