CN103203992A - 一种同轴喷射装置及采用该装置制备多层微胶囊的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种同轴喷射装置及采用该装置制备多层微胶囊的方法，同轴喷射装置包括同轴喷嘴、储液本体结构、扰动装置、压力和流量控制装置，所述的同轴喷嘴包括至少两层喷嘴，相邻两层喷嘴间设有间隙，所述的同轴喷嘴与储液本体结构连接，所述的储液本体结构包括至少两个液室和至少一个隔板，所述液室的数量与所述同轴喷嘴的层数及所述扰动装置的数量相对应，各液室的入口各自通过压力和流量控制装置连接不同的液体储存器，所述的隔板设置在相邻两个液室之间，所述的扰动装置分别与对应的液室连接。与现有技术相比，本发明具有成本低、定位精度高、原料节省等优点。

Description

一种同轴喷射装置及采用该装置制备多层微胶囊的方法

技术领域

本发明涉及一种制备微胶囊的装置，尤其是涉及一种同轴喷射装置及采用该装置制备多层微胶囊的方法。

背景技术

微胶囊通常由一个包有外壳的核心结合物构成的双层微胶囊(或者复合液滴)，一般直径在1～2000um之间。由于微胶囊具有改善和提高物质外观及其性质的能力，控制芯体的释放，保护囊心物免受环境影响，降低对健康的危害、屏蔽味道和气味等作用，在诸多行业和领域有着广泛的应用，如生物医药、食品行业、纺织行业、涂料等领域。

微胶囊技术的研究开始于二十世纪30年代，60年代美国的NCR公司首次向市场投放了利用微胶囊制造的第一代无碳复印纸，开创了微胶囊新技术应用时代。之后，由于利用相分离技术将物质包囊于高分子材料中，制成了能定时释放药物的微胶囊，推动了微胶囊技术的发展。到70年代微胶囊技术的工艺日益成熟，应用范围也逐渐扩大，出现了混合胶的微囊、双层微囊、三层微囊等的研究报道；80年代以来，开发出了粒径在纳米范围的胶囊，Devissaguet等人获得了制备纳米胶囊的专利。据统计微胶囊制备技术约有200多种，目前研究界将微胶囊制备方法分为物理法、物理化学法、化学法等3大类。但用上述物理化学、化学方法制备微胶囊通常需要在高温条件下或使用反应剧烈的破坏性有机溶剂，制备的微胶囊粒径分布宽，壁厚不均匀，很难满足医药工业和生物技术领域中保持生物物质活性的要求，需要筛分过滤。近几年，随着微系统领域的关键技术的快速发展，微胶囊化技术也经历了传统技术向现代技术的转变，建立在微孔/微流道微胶囊制备的新工艺取得了一定的成就，微胶囊品质也不断地提高。其中包括MC乳化法滴液，微流控多相流，微液滴碰撞，单喷嘴(阵列)喷射滴液。如，日本国家食品研究所的Nakagawa等制作了孔宽16um的MC板，用明胶/阿拉伯树胶作壁材，制备出了单分散的豆油微胶囊。利用微流控多相流方法，日本冈山大学的Kubota和Hirabayash等研制了一种在Y型微管道反应器中使用尿素/甲醛的相分离体系制各单分散微胶囊的方法。

20世纪80年代开始，随着喷墨打印机的商品化，液滴喷射技术日渐成熟。它具有结构简单、成本低、定位精度高、原料节省等优势，因此越来越受到研究者的关注。日本国家食品研究所的Sugiursa等制作出了硅基的微喷嘴阵列，所制备微胶囊的平均粒径为162um。2007年他们制作了一种MAN(micro-airflow-nozzle)型喷嘴束制备单分散的100-300um的海藻酸钠基微腔囊。酸喷嘴由内径60um的中心喷嘴和两边的气流微通道构成。从中心喷嘴喷出的海藻酸钠溶液在两边气流的剪切作用下离散成微液滴，在海藻酸钠溶液中成形。

我国在微液滴喷射技术方面也取得了长足发展，南京理工大学微系统研究室提出“数字化微胶囊制造系统”，它是利用驱动器，依靠惯性力使流体瞬间的固壁切向惯性力，并以交替方式大于或小于管道固壁对流体的粘性力，使流体产生脉冲微液滴，整个系统实现了数字化。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种有成本低、定位精度高、原料节省的同轴喷射装置及采用该装置制备多层微胶囊的方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种同轴喷射装置，该装置包括同轴喷嘴、储液本体结构、扰动装置以及压力和流量控制装置，所述的同轴喷嘴包括至少两层喷嘴，相邻两层喷嘴间设有间隙，所述的同轴喷嘴与储液本体结构连接，所述的储液本体结构包括至少两个液室和至少一个隔板，所述液室的数量与所述同轴喷嘴的层数及所述扰动装置的数量相对应，各液室的入口各自通过压力和流量控制装置连接不同的液体储存器，所述的隔板设置在相邻两个液室之间，所述的扰动装置分别与对应的液室连接。

所述的同轴喷嘴包括内层喷嘴和内层喷嘴外套设的至少一层外层喷嘴，所述的内层喷嘴为中空管，其一端呈锥形，另一端呈柱形并连接储液本体结构中注有芯液的液室，所述的外层喷嘴形状与内层喷嘴相同，并与内层喷嘴之间设有间隙，外层喷嘴一端连接储液本体结构中注有壳液的液室。

所述的外层喷嘴设有多层，各层外层喷嘴层层套设，相邻层外层喷嘴间设有间隙，且相邻层外层喷嘴连通的液室内注有互不相溶的液体。

所述的储液本体结构由液室外壳，以及将液室外壳分隔呈多个液室的隔板组成，各液室上设有液体入口，底部分别连通同轴喷嘴中的不同层的喷嘴。

所述的扰动装置为热激励、压电结构、电磁或静电方式的振动装置，所述的扰动装置中还包括具有振动放大功能的变幅杆。

一种采用上述同轴喷射装置制备多层微胶囊的方法，该方法首先启动压力和流量控制装置向液室注入溶液，并启动扰动装置，同轴喷嘴喷射多层液柱，扰动装置产生的周期性扰动作用于液室外壳，使液室外壳壁面产生振动，并通过流固耦合的方式传递给液室中的溶液及多层液柱，然后通过调整压力和流量控制装置及扰动装置的参数使多层液柱形成扰动液柱，进而形成多层结构的液滴，最后通过固化装置将液滴外层固化成固体或胶状的外壳，从而得到外壳包裹核芯结构的多层微胶囊。

所述的多层微胶囊包括双层微胶囊、两层以上微胶囊或单壳多芯微胶囊；所述的双层微胶囊为球状双层结构，其内部为核芯，外层为固体或胶状的外壳；所述的两层以上微胶囊的最里一层为核芯，其它层均为外壳。

所述的扰动液柱是多层液柱下落过程中受到扰动装置的扰动作用，而产生的一种呈波纹状结构的液柱，扰动液柱在加速下落过程中其波动逐步增大而产生不稳定，最终在波纹的波谷处断裂，分裂后依靠液体的表面张力，形成球状液滴。

所述的扰动液柱的波纹形状可通过调整扰动装置的幅值、频率、相位以及内外液柱的喷射速度加以控制，且可通过配合调整同轴喷嘴的尺寸参数、液体的喷射速度控制多层微胶囊核芯的体积以及外壳的厚度。

当制备单壳多芯微胶囊时，所述液室的数量、同轴喷嘴的层数及所述扰动装置的数量均为两个，所述两个液室中分别储存壳液和芯液，将与芯液对应的扰动装置的扰动频率调整为与壳液对应的扰动装置的扰动频率的整数倍，设置两扰动装置振动相位相同，且通过扰动量级的控制，使芯液先于壳液分裂，即可得到单壳多芯微胶囊；当制备双层微胶囊时，调整扰动装置的幅值、频率、相位以及内外液柱的喷射速度，并使内外液柱界面波纹达到协调，即内外液柱波动的相位相同、界面处的幅值相同且内外液柱界面附近的流速相同。

与现有技术相比，本发明基于同轴喷射法制备多层微胶囊技术，因其高效和其对核-壳复合结构的精确控制，将使高质量可控的多层微胶囊的制备成为可能，且具有成本低、定位精度高、原料节省等优势，必将在如生物医药、食品、纺织等领域发挥更重要的作用。

附图说明

图1为本发明制备双层微胶囊的同轴喷射装置的剖视图；

图2为本发明制备双层微胶囊的同轴喷射装置的三维立体剖视图；

图3为本发明三层喷嘴局部剖视图；

图4为本发明一种双层微胶囊剖视图；

图5为本发明一种基本球状的双层微胶囊剖视图；

图6为本发明一种基本球状表面基本连续的双层微胶囊剖视图；

图7为本发明一种单壳多芯微胶囊剖视图；

图8为本发明一种多层微胶囊剖视图；

图9为本发明同轴喷射装置阵列剖视图；

图10为采用本发明同轴喷射装置制备多层微胶囊方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

如图1-2所示，一种制备双层微胶囊的同轴喷射装置，该装置包括同轴喷嘴、储液本体结构、扰动装置以及压力和流量控制装置。储液本体结构由液室a外壳116、液室b外壳117以及隔板118组成，液室a外壳116与隔板118围成液室a114，液室a114中注有芯液104且其上设有芯液入口119，液室b外壳117以及隔板118围成液室b115，液室b115中注有与芯液互不相溶的壳液105且其上设有壳液入口120；同轴喷嘴101包括内层喷嘴102和内层喷嘴外套设的外层喷嘴103，内层喷嘴102为中空管，其一端呈锥形，另一端呈柱形并连接注有芯液的液室a114的底部，外层喷嘴103形状与内层喷嘴102相同，并与内层喷嘴102之间设有一定的间隙，外层喷嘴103一端连接注有壳液的液室b114的底部，壳液由间隙中通过；芯液入口119和壳液入口120通过压力和流量控制装置连接不同的液体储存器。压力和流量控制装置可通过调整参数控制液室中液体的速度及流量。

本实施例中所述的芯液104和壳液105可以为任意的不相溶的液体或溶液包括生物活性流体等。溶液可以为有机的溶液、无机的溶液，溶液中可以包含悬浮的颗粒、纳米颗粒和聚合物等。生物活性流体可以包含药剂、蛋白质、单体细胞、核糖核酸以及农药等。

动装置包括设置在液室a114上端面的扰动装置a107和设置在液室b115下端面的扰动装置b108。扰动装置a107和扰动装置b108为热激励、压电结构、电磁或静电方式的振动装置，扰动装置中还包括具有振动放大功能的变幅杆109。每个扰动装置可以控制各自的振幅、频率和相位参数。

如图10所示，采用上述同轴喷射装置制备双层微胶囊的方法具体为：首先启动压力和流量控制装置向液室注入溶液，并启动扰动装置，同轴喷嘴101将液室a114中的芯液104和液室b115中的壳液105以相同的速度同时射出，形成双层液柱106；所述双层液柱106为壳液105以同轴的方式包裹在芯液104的外层的液柱。同轴喷射装置中扰动装置a107、扰动装置b108产生的周期性扰动，作用于液室a外壳116和液室b外壳117的上下端面，使壁面产生振动，并通过流固耦合的方式传递给液体，在液体内部将以压力波的形式传递，从而在双层液柱106的表面形成扰动波纹，此液段也称为扰动液柱110。

扰动液柱110的波纹形状可通过调整扰动装置的幅值、频率、相位以及内外液柱的喷射速度加以控制，并使其内和外液柱界面波纹达到协调，即内外液柱波动的相位相同、界面处的幅值相同且内外液柱界面附近的流速相同。

扰动液柱110在加速下落过程中其波动逐步增大而产生不稳定，最终在波纹的波谷处断裂，所述波谷指一个波动周期内双层液柱直径最小位置；所述扰动液柱110在波谷处断裂，分裂后依靠液体的表面张力，形成外壳基本均匀的球状(如图4所示)或基本为球状(如图5、6所示)的双层结构液滴111；所述双层结构液滴111内部为具有一定体积的核液称为核芯112，外层为具有一定厚度的壳液105。最后通过适当的固化措施，使壳液固化为固体或胶状的外壳113，最终形成高质量的胶囊。

如图4-6所示，双层微胶囊的外壳基本均匀是指包裹在外层的壳液及固化后的固体或胶体的外壳基本保持连续，壳的厚度基本一致；双层微胶囊基本为球状是指包裹在外层的壳液或固化后的固体/胶体外壳及核心基本保持球状、椭球状或外层表面为基本保持光滑连续。

形成高质量的胶囊出现在扰动装置激振频率较高且很窄的一个窗口内，其频率窗口与液体的性质、同轴喷嘴的参数、液柱的喷射速度等因素有关。扰动装置激振频率范围一般为1HZ～1MHZ。

通过同轴喷嘴的尺寸参数、液体的喷射速度、扰动装置的幅值、频率、相位可以控制双层结构液滴111中核芯112的体积和外壳113的厚度。

本发明的同轴喷嘴间隙较小，势必产生毛细管现象，除了依靠液室入口压力和液体重力使液体射出喷嘴外，也可以增加静电场高压装置等，通过电解水动力(EHD)加速液体的移动性。

如图9所示，可将多个同轴喷射装置串联形成阵列结构批量生产双层微胶囊。

实施例2

一种制备三层微胶囊的同轴喷射装置，该装置包括同轴喷嘴、储液本体结构、扰动装置以及压力和流量控制装置。如图3所示，同轴喷嘴包括内层喷嘴304、外层喷嘴a305和外层喷嘴b306，各层嘴层层套设，相邻层喷嘴间设有间隙，且相邻层喷嘴连通的液室内注有互不相溶的液体；储液本体结构与同轴喷嘴对应地设置三个液室和分隔液室的两个隔板，内层喷嘴304与注有芯液的液室连接，两个外层喷嘴分别与注有不同壳液的液室连接，各液室的液体入口通过压力和流量控制装置连接不同的液体储存器；扰动装置设有三个，分别连接三个液室。采用上述同轴喷射装置制备的三层微胶囊如图8所示，包括核芯801、外壳a802和外壳b803。其余同实施例1。

实施例3

同实施例1的一种同轴喷射装置用于制备单壳多芯微胶囊的方法具体为：首先启动压力和流量控制装置向液室注入溶液，并启动扰动装置，同轴喷嘴101将液室a114中的芯液104和液室b115中的壳液105以相同的速度同时射出，形成双层液柱106；将与芯液对应的扰动装置a117的扰动频率调整为与壳液对应的扰动装置b118的扰动频率的整数倍，设置两扰动装置振动相位相同，且通过扰动量级的控制，使芯液先于壳液分裂，即可得到单壳多芯微胶囊如图7所示，包括多个核芯701和一个外壳702。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (10)

1.一种同轴喷射装置，其特征在于，该装置包括同轴喷嘴、储液本体结构、扰动装置以及压力和流量控制装置，所述的同轴喷嘴包括至少两层喷嘴，相邻两层喷嘴间设有间隙，所述的同轴喷嘴与储液本体结构连接，所述的储液本体结构包括至少两个液室和至少一个隔板，所述液室的数量与所述同轴喷嘴的层数及所述扰动装置的数量相对应，各液室的入口各自通过压力和流量控制装置连接不同的液体储存器，所述的隔板设置在相邻两个液室之间，所述的扰动装置分别与对应的液室连接。

2.根据权利要求1所述的一种同轴喷射装置，其特征在于，所述的同轴喷嘴包括内层喷嘴和内层喷嘴外套设的至少一层外层喷嘴，所述的内层喷嘴为中空管，其一端呈锥形，另一端呈柱形并连接储液本体结构中注有芯液的液室，所述的外层喷嘴形状与内层喷嘴相同，并与内层喷嘴之间设有间隙，外层喷嘴一端连接储液本体结构中注有壳液的液室。

3.根据权利要求2所述的一种同轴喷射装置，其特征在于，所述的外层喷嘴设有多层，各层外层喷嘴层层套设，相邻层外层喷嘴间设有间隙，且相邻层外层喷嘴连通的液室内注有互不相溶的液体。

4.根据权利要求1所述的一种同轴喷射装置，其特征在于，所述的储液本体结构由液室外壳，以及将液室外壳分隔呈多个液室的隔板组成，各液室上设有液体入口，底部分别连通同轴喷嘴中的不同层的喷嘴。

5.根据权利要求1所述的一种同轴喷射装置，其特征在于，所述的扰动装置为热激励、压电结构、电磁或静电方式的振动装置，所述的扰动装置中还包括具有振动放大功能的变幅杆。

6.一种采用如权利要求1所述的同轴喷射装置制备多层微胶囊的方法，其特征在于，该方法首先启动压力和流量控制装置向液室注入溶液，并启动扰动装置，同轴喷嘴喷射多层液柱，扰动装置产生的周期性扰动作用于液室外壳，使液室外壳壁面产生振动，并通过流固耦合的方式传递给液室中的溶液及多层液柱，然后通过调整压力和流量控制装置及扰动装置的参数使多层液柱形成扰动液柱，进而形成多层结构的液滴，最后通过固化装置将液滴外层固化成固体或胶状的外壳，从而得到外壳包裹核芯结构的多层微胶囊。

7.根据权利要求6所述的一种采用同轴喷射装置制备多层微胶囊的方法，其特征在于，所述的多层微胶囊包括双层微胶囊、两层以上微胶囊或单壳多芯微胶囊；所述的双层微胶囊为球状双层结构，其内部为核芯，外层为固体或胶状的外壳；所述的两层以上微胶囊的最里一层为核芯，其它层均为外壳。

8.根据权利要求6所述的一种采用同轴喷射装置制备多层微胶囊的方法，其特征在于，所述的扰动液柱是多层液柱下落过程中受到扰动装置的扰动作用，而产生的一种呈波纹状结构的液柱，扰动液柱在加速下落过程中其波动逐步增大而产生不稳定，最终在波纹的波谷处断裂，分裂后依靠液体的表面张力，形成球状液滴。

9.根据权利要求8所述的一种采用同轴喷射装置制备多层微胶囊的方法，其特征在于，所述的扰动液柱的波纹形状可通过调整扰动装置的幅值、频率、相位以及内外液柱的喷射速度加以控制，且可通过配合调整同轴喷嘴的尺寸参数、液体的喷射速度控制多层微胶囊核芯的体积以及外壳的厚度。

10.根据权利要求7所述的一种采用同轴喷射装置制备多层微胶囊的方法，其特征在于，当制备单壳多芯微胶囊时，所述液室的数量、同轴喷嘴的层数及所述扰动装置的数量均为两个，所述两个液室中分别储存壳液和芯液，将与芯液对应的扰动装置的扰动频率调整为与壳液对应的扰动装置的扰动频率的整数倍，设置两扰动装置振动相位相同，且通过扰动量级的控制，使芯液先于壳液分裂，即可得到单壳多芯微胶囊；当制备双层微胶囊时，调整扰动装置的幅值、频率、相位以及内外液柱的喷射速度，并使内外液柱界面波纹达到协调，即内外液柱波动的相位相同、界面处的幅值相同且内外液柱界面附近的流速相同。

Images