CN101837255A

CN101837255A - 一种制备微气泡的方法和装置

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Publication number: CN101837255A
Application number: CN200910047704A
Authority: CN
Inventors: 张洪波
Original assignee: East China University of Science and Technology
Current assignee: East China University of Science and Technology
Priority date: 2009-03-17
Filing date: 2009-03-17
Publication date: 2010-09-22

Abstract

本发明一种制备微气泡的方法和装置，采用同轴静电雾化技术可制备高分子材料或其他表面活性剂作为外层材料包裹气体的微气泡；微气泡结构在食品、材料工程、生物医药等方面应用广泛，本发明用两根同轴的金属毛细管与高压电源连接，作为高压电极，金属毛细管下方放置金属环，与高压电源的负极连接，作为接收电极，内外毛细管内分别注入气体和包膜溶液，当电压达到一定值时，金属毛细管出口处的液滴由球状变成锥状，在锥的顶部有极小的射流出现，射流由于不稳定进一步分散，形成微气泡；本发明制备的微气泡尺寸分布均匀，不出现团聚现象，而且通过调整双针头金属毛细管内流体的流速、流体的物性及加载的电压，可改变微气泡的尺寸。

Description

一种制备微气泡的方法和装置

【技术领域】

本发明主要涉及化学工程和生物医学工程技术领域，具体涉及的是一种采用同轴静电雾化法制备微气泡的方法和装置。

【背景技术】

微气泡，是一种由表面活性剂或高分子材料包裹气体所形成的直径非常小的气泡，通常将直径小于10微米(μm)的小气泡称为微气泡，将直径为数10纳米(nm)之间的微小气泡称为纳米微气泡。微气泡的应用领域涵盖材料科学、海洋工程、生物医学工程、化学工程、食品生产及微电子学等方面，并可用于实验切割、微搅拌器、微反应堆、微形总量分析系统等。微气泡的大小尺寸及分布性能将直接影响食品、化工产品及药物的质量。

以生物医学工程为例：微气泡可用于超声波显影剂(或称为微气泡造影剂)、微解剖、药物和基因的载体，以及对恶性肿瘤的靶向治疗等方面。微气泡造影剂是一种在超声图像中增强血流和微循环显像的工具，其原理是应用气泡中气体的可压缩性。微气泡内充满了气体，承受压力时会发生振动，这些气泡在最大压力和最小压力的情况下会分别发生压缩和膨胀。气泡放射性的振动会产生很强的超声信号，其强度超过了因声阻抗率不同而发生反射和背向散射的传统超声信号。将微气泡作为超声造影剂，大大提高了超声影像的可视性和清晰度，目前被认为是最好的人体微管内的造影材料。微气泡超声造影剂除了用于超声诊断药剂之外，还具有提供微血管生理学信息、进行超声分子成像、促进血栓溶解、通过其生物效应提高药物疗效、通过微气泡载体传送药物及基因定点释放等作用。目前，微气泡研究已成为医学上的一个热点。

微气泡的制备方法主要有声空化、冷冻干燥、热气流干燥等方法。例如：美国Alliance制药公司生产的微气泡超声造影剂AF0150是采用干燥方法制成的粉体，粉体中含有表面活性剂、盐、缓冲物质，粉体以全氟化碳气体饱和并储存在密闭小瓶中，使用时注入无菌水就会形成微泡。

此外，美国Sonus Pharmaceutical公司生产的造影剂

是通过全氟化碳在体内的挥发产生微气泡。德国先灵(Schering)公司生产的造影剂

和它的后续产品利声显

是通过注射半乳糖微晶体溶液在血液中溶解，在晶体表面产生微气泡，为了增强微气泡的稳定性，对微气泡表面进行了棕榈酸包膜。

上述方法制备的微气泡存在的不足主要是：

(1)尺寸分配不集中，而且必须去除直径较大的微气泡以防血管堵塞，然而剩下的微气泡仍然分配不集中，以至于会导致很宽的回声频率。

(2)微气泡包膜的厚度非常不均匀，这对微气泡的回声反应有很大的影响，要想预测并控制微气泡的反应，特别是包膜破裂，是非常困难的。

(3)以全氟化碳等高分子量气体作为填充气体的第三代造影剂虽然基本上解决了微气泡的体外稳定性问题，但是其体内的稳定性仍然欠佳，在血管内的存留时间短。

解决的办法是采用合适的包膜材料，降低微气泡的直径，制备纳米微气泡超声造影剂；因此，研究制备微气泡的新的方法和装置也是非常重要的。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种新的制备微气泡的方法，其制备的微气泡尺寸均匀，并可实现微气泡制备的可控性；本发明的第二个目的是，根据所述的方法，提供一种制备微气泡的装置。

为实现上述第一个目的，本发明采取的技术方案是：

一种制备微气泡的方法，其特征是，采用由内管和外管同轴套接的方式形成金属毛细管组，将金属毛细管组与高压电源的正极连接，作为高压电极；在金属毛细管组出口的下方设置金属环，将金属环与高压电源的负极连接，作为接收电极，使金属毛细管内的液体带电；在金属毛细管的内管和外管内分别注入气体和包膜溶液，当电压达到3～8kV时，金属毛细管出口处液体包裹气体的复合液滴由球状变成锥状，在锥状顶部有极小的复合微射流出现，由于微射流的不稳定，使之进一步分散，形成微气泡结构，从而制得微气泡。

本发明的原理是：利用了同轴静电雾化的技术，当流体在毛细管内低速运动时加载静电场，当电压达到一定值时，流体在管口处由球形液滴变为圆锥状，并在锥顶出现微射流，由于微射流的不稳定进一步变成微小粒子。

为实现上述第二个目的，本发明采取的技术方案是：

一种制备微气泡的装置，其特征是，含有双针头装置、高压电源、注射器和金属环；由内针头与外针头套接形成的双针头金属毛细管，由双针头金属毛细管与绝缘外壳嵌接形成双针头装置，双针头装置的上部和侧面设有连接管，侧面的另一边设有与金属毛细管相连的电源线；双针头装置的注入口通过第一注射管与第一注射泵连接，双针头装置侧面的连接管通过第二注射管与第二注射泵连接，与金属毛细管连接的电源线的另一端与高压电源的正极相连；在双针头装置针头的下方设有金属环，金属环与高压电源的负极相连，高压电源能在0～30kV内调节。

所述的内针头和外针头采用不锈钢针管，针管的直径为200μm～1000μm，内针头的针管比外针头的针管细且长，外针头的针座处设有连接管。

所述的内针头与外针头套接形成双针头金属毛细管后，在双针头金属毛细管的端口处，内针头的开口短于外针头的开口。

所述内针头与外针头的套接为通过螺丝将内针头与外针头同轴度连接起来。

所述的绝缘外壳由两瓣绝缘结构构成，双针头金属毛细管、连接管和电源线嵌接在绝缘外壳内。

在双针头装置针头的下方设有光源、摄像机和放大镜，以观察双针头装置针头出口处的稳定的锥-射流的出现。

本发明的积极效果是：

(1)提供了一种新的制备微气泡的方法和装置；

(2)本发明的装置使本发明的方法能具体实施，而且具有制作容易、操作方便、经济性好的特点，容易推广实施；

(3)本发明制备的微气泡，尺寸分布单一性好，不出现团聚现象，而且通过调整双针头金属毛细管内流体的流速、流体的物性及加载的电压，可以改变微气泡的尺寸。

【附图说明】

附图1为金属毛细管结构示意图，

图中(A)为内针头与外针头的结构示意图，

(B)为内针头与外针头套接形成的双针头金属毛细管；

附图2为双针头装置结构示意图；

附图3为本发明一种制备微气泡的装置的结构示意图；

附图4为微气泡的显微镜图片；

附图5为制备的微气泡的实物图。

图中的标号分别为：

1、内针头， 2、外针头， 3、连接管，

4、注入口， 5、绝缘外壳， 6、电源线，

7、螺栓， 8、双针头装置， 9、高压电源，

10、第一注射泵，11、第一注射管，12、第二注射泵，

13、第二注射管，14、光源， 15、金属环，

16、容器， 17、控制器， 18、摄像机，

19、放大镜， 20、双针头金属毛细管。

【具体实施方式】

以下通过附图对本发明的装置进行具体地描述，其目的在于更好地理解本发明的内容，但本发明的保护范围不限于以下的实施例。

参见附图1。

一种制备微气泡的装置，由内针头1与外针头2通过螺丝套接形成同轴度的双针头金属毛细管20，内针头1和外针头2采用直径为200μm～1000μm的不锈钢针管，内针头1的针管比外针头2的针管细且长，外针头2的针座处设有连接管3；将内针头1套接在外针头2的针管内，内针头1的针座孔成为注入口4，外针头2由连接管3导入液体；套接后，在双针头金属毛细管20的端口处，内针头1的开口短于外针头2的开口。

参见附图2。

双针头装置8由双针头金属毛细管20与绝缘外壳5构成，绝缘外壳5由两瓣用聚四氟乙烯材料做成的绝缘结构构成，双针头金属毛细管20、连接管3和电源线6嵌接在两瓣绝缘结构内，用螺栓7紧固，形成双针头装置8。

绝缘外壳5中间可设置一个凹槽，将双针头金属毛细管20设置在凹槽内。

参见附图3。

一种制备微气泡的装置，含有双针头装置8、高压电源9、第一注射器10、第二注射器12和金属环15，双针头装置8的注入口4通过第一注射管11与第一注射泵10连接，双针头装置8的连接管3通过第二注射管13与第二注射泵12连接，双针头装置8的电源线6一端与金属毛细管相连，另一端与高压电源9的正极连接；在双针头装置8针头的下方10毫米(mm)处设置一个金属环15，金属环15与高压电源9的负极连接，使双针头金属毛细管20内的液体带电，高压电源9由内置的控制器17控制，能在0～30kV内调节。

上述第一注射管11和第二注射管13采用10ml医用注射，第一注射泵10和第二注射泵12采用医用微流量注射泵，注射泵的流速可以调节，流速调节的范围为10^-8～10^-10m³/s。

为方便观察，在双针头装置8针头的下方设置光源14、摄像机18和放大镜19，将光源14设置在一边作为背景光线，将摄像机18和放大镜19设置在另一边，对准双针头装置8的针头处，摄像机18采用高速相机通过放大镜19进行观察，及时观察双针头装置8的针头出口处液体的流动状况，当稳定的锥-射流出现时，将容器16放置在金属环15的下方，接收制备出的微气泡。

参见附图4。在显微镜下，可看出本发明制备的微气泡分布均匀，且无团聚现象。

附图5为本发明制备的微气泡悬浮液的实物照片图。

Claims

1.一种制备微气泡的方法，其特征在于，采用由内管和外管同轴套接的方式形成金属毛细管组，将金属毛细管组与高压电源的正极连接，作为高压电极；在金属毛细管组出口的下方设置金属环，将金属环与高压电源的负极连接，作为接收电极，使金属毛细管内的液体带电；在金属毛细管的内管和外管内分别注入气体和包膜溶液，当电压达到3～8kV时，金属毛细管出口处液体包裹气体的复合液滴由球状变成锥状，在锥状顶部有极小的复合微射流出现，由于微射流的不稳定，使之进一步分散，形成微气泡结构，从而制得微气泡。

2.一种制备微气泡的装置，其特征在于，含有双针头装置、高压电源、注射器和金属环；由内针头与外针头套接形成的双针头金属毛细管，由双针头金属毛细管与绝缘外壳嵌接形成双针头装置，双针头装置的上部和侧面设有连接管，侧面的另一边设有与金属毛细管相连的电源线；双针头装置的注入口通过第一注射管与第一注射泵连接，双针头装置侧面的连接管通过第二注射管与第二注射泵连接，与金属毛细管连接的电源线的另一端与高压电源的正极相连；在双针头装置针头的下方设有金属环，金属环与高压电源的负极相连，高压电源能在0～30kY内调节。

3.根据权利要求2所述的一种制备微气泡的装置，其特征在于，所述的内针头和外针头采用不锈钢针管，针管的直径为200μm～1000μm，内针头的针管比外针头的针管细且短，外针头的针座处设有连接管。

4.根据权利要求3所述的一种制备微气泡的装置，其特征在于，所述的内针头与外针头套接形成双针头金属毛细管后，在双针头金属毛细管的端口处，内针头的开口短于外针头的开口。

5.根据权利要求2或4所述的一种制备微气泡的装置，其特征在于，所述内针头与外针头的套接为通过螺丝将内针头与外针头同轴度连接起来。

6.根据权利要求2所述的一种制备微气泡的装置，其特征在于，所述的绝缘外壳由两瓣绝缘结构构成，双针头金属毛细管、连接管和电源线嵌接在绝缘外壳内。

7.根据权利要求2所述的一种制备微气泡的装置，其特征在于，在双针头装置针头的下方设有光源、摄像机和放大镜，以观察双针头装置针头出口处的稳定的锥-射流的出现。