CN103721655A - 一种尺寸均一且大小可控的壳聚糖微胶囊的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于气液剪切原理的微流控装置制备一种尺寸均一且大小可控的壳聚糖微胶囊的制备方法。具体为：首先组装微流控装置，然后将壳聚糖或壳聚糖季铵盐溶液作为内相、气体作为外相通入到微流控装置中，在气体的强剪切作用下，内相溶液在微流控装置出口形成微液滴，并滴入到阴离子表面活性剂或聚阴离子电解质的接受液中，壳聚糖或壳聚糖季铵盐析出并凝聚，在微液滴外层形成一层聚合物膜壳，并最终得到壳聚糖微胶囊。本发明制备的壳聚糖微胶囊形状规则、尺寸分布均匀，并可以通过改变流速条件有效地控制微胶囊尺寸，制备工艺方便简单，可操作性强。得到的微胶囊可用于活性物质的微包裹和药物控制释放领域。
Description
技术领域
本发明涉及微流控技术领域，特别涉及一种尺寸均一且大小可控的壳聚糖微胶囊的制备方法。
背景技术
壳聚糖可由甲壳素通过脱乙酰化反应得到，是自然界中唯一存在的聚阳离子型碱性多糖，具备良好的无毒性、生物活性、生物相容性、体内可降解性以及成膜性能，由它所形成的壳聚糖微胶囊已经广泛应用于药物的控制释放、化妆品工业、食品工业等。传统的制备壳聚糖微胶囊方法有乳化-交联法、乳化-溶剂蒸发法、单凝聚法、复凝聚法、喷雾干燥法等，这些方法大多存在着微胶囊尺寸不均一、不可控、制备效率不高、重复性较差的缺点，而壳聚糖微胶囊的大小和单分散性对于它的很多应用是至关重要的，例如在药物的控释中，微胶囊在体内释放药物的位置依赖于微胶囊的大小，微胶囊的大小不均一会使药物的药效降低并产生副作用。因而制备尺寸均一、大小可控的壳聚糖微胶囊是十分有意义的，一些新方法已经用于壳聚糖微胶囊的制备，Kristopher等使用膜乳化的方法得到尺寸均一的壳聚糖微球，他们将壳聚糖溶液在一定的压力下通过孔径分布均一的多孔玻璃膜，得到的壳聚糖液滴滴入到液体石蜡和石油醚的混合溶液中，形成单分散的油包水乳液，而后将戊二醛饱和的甲苯溶液缓慢滴入到乳液中使乳液滴交联得到壳聚糖微球[Journal of Controlled Release,2005,106,62-75].Chih-Hui Yang等通过十字形的微流控芯片制备得到内部为壳聚糖微液滴的油包水乳液，然后将乳液转移到三聚磷酸盐的溶液当中，通过离子交联作用得到了相对单分散的壳聚糖微球[Sensors and Actuators,2007,124,510–516]。上述的方法有效的改善了微胶囊的多分散性，特别是液液剪切的微流控方法，还可以通过调节液体流速方便的控制微胶囊的大小。然而上述方法在制备工艺上还是略显复杂、后处理麻烦。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种简单快速的尺寸均一且大小可控的壳聚糖微胶囊的制备方法。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：
一种尺寸均一且大小可控的壳聚糖微胶囊的制备方法，其特征在于，它包括以下步骤：
1）提供微流控装置，所述微流控装置包括圆形毛细管及方形毛细管，所述圆形毛细管套于所述方形毛细管内，所述圆形毛细管的一端为锥形端，所述锥形端从所述方形毛细管的一端伸出，所述圆形毛细管的另一端用于与注射器连接，所述方形毛细管的另一端用于与储气罐连接；所述微流控装置的所有连接处均密封；
2）将壳聚糖的醋酸溶液或壳聚糖季铵盐的水溶液作为内相通入所述圆形毛细管中，将气体作为外相通入所述方形毛细管中，在气体的强剪切作用下，内相溶液在微流控装置出口形成微液滴，并滴入到阴离子表面活性剂或聚阴离子电解质的接受液中，即通过凝聚法在液滴外层形成一层膜壳，再经过熟化，即得到稳定的单分散的壳聚糖微胶囊，将壳聚糖微胶囊取出水洗后放入水中保存。
上述方案中，所述圆形毛细管的内径为400～600μm、外径为800～1000μm，长度在3～5cm，所述圆形毛细管的锥形端的出口直径为100～300μm，所述方形毛细管的内径和圆形毛细管的外径相同。
上述方案中，所述步骤1）中的锥形端从所述方形毛细管的一端伸出0.1mm-1mm。
上述方案中，所述内相溶液的浓度为1-2wt%，注入流速为1～3mL/h。
上述方案中，所述气体为空气、氮气或惰性气体，所述气体的流速在30～60L/h。
上述方案中，所述接受液的浓度为1～4wt%。
上述方案中，所述壳聚糖微胶囊呈球形，大小为300～800μm，粒径分布系数在6%以下。
一种尺寸均一且大小可控的壳聚糖微胶囊的制备方法，其特征在于，它包括以下步骤：
1）提供微流控装置，所述微流控装置包括圆形毛细管及方形毛细管，所述圆形毛细管套于所述方形毛细管内，所述圆形毛细管的一端为锥形端，所述锥形端从所述方形毛细管的一端伸出，所述圆形毛细管的另一端用于与注射器连接，所述方形毛细管的另一端用于与储气罐连接；所述微流控装置的所有连接处均密封；
2）将壳聚糖的醋酸溶液或壳聚糖季铵盐的水溶液及被包埋物质（如荧光染料、纳米粒子、药物等）混合后得到的混合液作为内相通入所述圆形毛细管中，将气体作为外相通入所述方形毛细管中，在气体的强剪切作用下，内相溶液在微流控装置出口形成微液滴，并滴入到阴离子表面活性剂或聚阴离子电解质的接受液中，即通过凝聚法在液滴外层形成一层膜壳，再经过熟化，即得到稳定的单分散的包埋有被包埋物质的壳聚糖微胶囊，将壳聚糖微胶囊取出水洗后放入水中保存。
上述方案中，所述圆形毛细管的内径为400～600μm、外径为800～1000μm，所述圆形毛细管的锥形端的出口直径为100～300μm，所述方形毛细管的内径和圆形毛细管的外径相同。
本发明的原理为：通过凝聚法，采用基于气液剪切原理的微流控装置制备尺寸均一、大小可控的壳聚糖微胶囊的制备方法。具体为：首先将圆形毛细管、方形毛细管、塑料管组装成所用的微流控装置；然后将壳聚糖的醋酸溶液或壳聚糖季铵盐的水溶液作为内相、气体作为外相通入到微流控装置中，在气体的强剪切作用下，内相溶液在微流控装置出口形成微液滴，并滴入到阴离子表面活性剂或聚阴离子电解质的接受液中，由于正负电荷的中和作用，微液滴外层的壳聚糖或壳聚糖季铵盐失去电荷而析出，迅速形成一层聚合物膜壳，并最终得到壳聚糖微胶囊。通过改变气体流速可方便、高效的得到不同大小的微胶囊。
（1）自制微流控装置
首先将长度在3～5cm的一端拉成锥形的圆形毛细管插入到较之短1cm左右的方形毛细管中，圆形毛细管的锥形端从方形毛细管的一端伸出约1mm；圆形毛细管的未拉锥形端通过塑料管与注射器连接，方形毛细管的另一端也通过塑料管与储气罐相连；所有的连接处通过环氧树脂胶粘连、密封，固化24小时后自制微流控装置可以使用。
（2）制备壳聚糖微胶囊
将壳聚糖溶于醋酸或壳聚糖季铵盐溶于水中，配制成1-2wt%的内相溶液，吸入到一次性注射器中，通过注射泵控制，以一定的流速注入到垂直固定的微流控装置的圆形毛细管中；气体通过转子流量计控制以一定速度通入到微流控装置的方形毛细管中。在气体剪切作用下，内相溶液在微流控装置出口形成微液滴，并滴入到放置在微流控装置正下方的接受液中；正负电荷中和作用使壳聚糖或壳聚糖季铵盐迅速析出并凝聚，在液滴外层形成一层膜壳，再经过大约半个小时的熟化，得到稳定的单分散的壳聚糖微胶囊，将微胶囊取出水洗后放入水中保存。
本发明提供的基于气液剪切的微流控方法制备壳聚糖微胶囊的技术（简称该技术）与现有技术相比，具有以下有益效果：
其一，该技术制备的壳聚糖微胶囊形状规则、单分散性好。
其二，该技术可以通过控制气体相的流速方便的控制壳聚糖微胶囊的尺寸。
其三，该技术所使用的装置简单、制备速度快、制备过程易于控制。
其四，该技术制备的壳聚糖微胶囊可用于活性物质的微包裹和药物的控制释放领域。
综上所述，本发明将采用气液剪切的微流控技术，通过凝聚法制备壳聚糖微胶囊，最终得到尺寸均一、大小可控的壳聚糖微胶囊。该方法制备壳聚糖微胶囊，装置简单，制备速率快，过程易于控制，可以通过改变气体流速方便的改变微胶囊的大小。
附图说明
图1是本发明的微流控装置的结构示意图。
图2是在通过基于气液剪切的微流控装置所制备的壳聚糖微胶囊的光学显微镜图。接受液为4wt%十二烷基硫酸钠溶液，壳聚糖溶液的推进速度为3mL/h，气体的流速为30L/h。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述，当然下述实施例不应理解为对本发明的限制。
本发明首先将圆形毛细管、方形毛细管、塑料管组装成实验所用的微流控装置；然后将壳聚糖的醋酸溶液或壳聚糖季铵盐的水溶液作为内相、气体作为外相通入到微流控装置中，在气体的强剪切作用下，内相溶液在微流控装置出口形成微液滴，并滴入到阴离子表面活性剂或聚阴离子电解质的接受液中，由于正负电荷中和作用，微液滴外层失去电荷而析出，迅速形成一层聚合物膜壳，最终得到壳聚糖微胶囊。通过改变气体流速可方便、高效得到不同大小的壳聚糖微胶囊。
下面结合具体实施例及附图对本发明做进一步的阐述，但不限定本发明。
实施例1：
（1）自制微流控装置
首先将长度为4cm的圆形毛细管3（内径600μm，外径1000μm，一端拉制成出口直径为200～300μm的锥形端5）插入3cm左右的方形毛细管4（内径为1000μm）中，圆形毛细管3的锥形端5从方形毛细管4的一端伸出约1mm，圆形毛细管3未拉锥形端伸出方形毛细管4并接上PTFE管（图未示），方形毛细管4的另一端接上PVC管（图未示）；最后所有的连接处通过环氧树脂胶粘连、密封，固化24小时后微流控装置（如图1）可以使用。
（2）制备壳聚糖微胶囊
将2g壳聚糖加入到10mL的0.2mol/L的醋酸溶液中，在室温下磁子搅拌2h，以充分溶解壳聚糖，搅拌后静置一个小时以消除溶液中的气泡，而后将该溶液吸入到一次性注射器中，通过微量注射泵控制，以3mL/h注入到垂直固定的微流控装置，同时气体作为外相2也通过转子流量计控制以30L/h通入到微流控装置，在气体剪切作用下，内相溶液1在微流控装置出口形成微液滴，并滴入到放置在微流控装置正下方的4wt%十二烷基硫酸钠接受液溶液6中；通过正负电荷的中和作用，微胶囊逐渐形成，再经过大约半个小时的熟化，将微胶囊取出，水洗后放入水中保存，最终得到单分散的壳聚糖微胶囊（如图2），微胶囊的平均粒径为708μm，CV值为2.98%。
实施例2：
使用实施例1的步骤（1）中自制微流控装置。将实施例1的步骤（2）的壳聚糖溶液通过微量注射泵控制，以3mL/h注入到垂直固定的微流控装置，同时气体也通过转子流量计控制以45L/h通入到微流控装置，在气体剪切作用下，内相溶液在微流控装置出口形成微液滴，并滴入到放置在微流控装置正下方的4wt%十二烷基硫酸钠接受液溶液中；通过正负电荷的中和作用，微胶囊逐渐形成，再经过大约半个小时的熟化，将微胶囊取出，水洗后放入水中保存，最终得到单分散的壳聚糖微胶囊，微胶囊的平均粒径为541μm，CV值为5.83%。
实施例3：
使用实施例1的步骤（1）中的自制微流控装置。将实施例1的步骤（2）的壳聚糖溶液通过微量注射泵控制，以3mL/h注入到垂直固定的微流控装置；同时气体也通过转子流量计控制以60L/h通入到微流控装置，在气体剪切作用下，内相溶液在微流控装置出口形成微液滴，并滴入到放置在微流控装置正下方的4wt%十二烷基硫酸钠接受液溶液中；通过正负电荷的中和作用，微胶囊逐渐形成，再经过大约半个小时的熟化，将微胶囊取出，水洗后放入水中保存，最终得到单分散的壳聚糖微胶囊，微胶囊的平均粒径为311μm，CV值为5.03%。
实施例4：
使用实施例1的步骤（1）中的自制微流控装置。将实施例1的步骤（2）的壳聚糖溶液通过微量注射泵控制，以1mL/h注入到垂直固定的微流控装置，同时气体也通过转子流量计控制以60L/h通入到微流控装置，在气体剪切作用下，内相溶液在微流控装置出口形成微液滴，并滴入到放置在微流控装置正下方的4wt%十二烷基硫酸钠接受液溶液中；通过正负电荷的中和作用，微胶囊逐渐形成，再经过大约半个小时的熟化，将微胶囊取出，水洗后放入水中保存，最终得到单分散的壳聚糖微胶囊，微胶囊的平均粒径为302μm，CV值为4.89%。
实施例5：
使用实施例1的步骤（1）中的自制微流控装置。将实施例1的步骤（2）的壳聚糖溶液通过微量注射泵控制，以3mL/h注入到垂直固定的微流控装置，同时气体也通过转子流量计控制以60L/h通入到微流控装置，在气体剪切作用下，内相溶液在微流控装置出口形成微液滴，并滴入到放置在微流控正下方的1wt%十二烷基硫酸钠接受液溶液中；通过正负电荷的中和作用，微胶囊逐渐形成，再经过大约半个小时的熟化，将微胶囊取出，水洗后放入水中保存，最终得到单分散的壳聚糖微胶囊，微胶囊的平均粒径为308μm，CV值为5.31%。
实施例6：
使用实施例1的步骤（1）中的自制微流控装置。将实施例1的步骤（2）的壳聚糖溶液通过微量注射泵控制，以3mL/h注入到垂直固定的微流控装置，同时气体也通过转子流量计控制以60L/h通入到微流控装置，在气体剪切作用下，内相溶液在微流控装置出口形成微液滴，并滴入到放置在微流控装置正下方的2wt%十二烷基苯磺酸钠接受液中；通过正负电荷的中和作用，微胶囊逐渐形成，再经过大约半个小时的熟化，将微胶囊取出水洗后放入水中保存，最终得到单分散的壳聚糖微胶囊，微胶囊的平均粒径为326μm，CV值为5.53%。
实施例7：
（1）自制微流控装置
按照实施例1的步骤（1）中的方法自制微流控装置，圆形毛细管的尺寸改变为内径400μm，外径800μm，锥形端的出口直径在100～200μm，方形毛细管的内径改变为800μm。
（2）制备壳聚糖微胶囊
将2g壳聚糖季铵盐加入到10mL去离子水中，在室温下磁子搅拌2h、静置1h后吸入到一次性注射器中，通过微量注射泵控制，以3mL/h注入到垂直固定的微流控装置，同时气体也通过转子流量计控制以30L/h通入到微流控装置，在气体剪切作用下，内相溶液在微流控装置出口形成微液滴，并滴入到放置在微流控装置正下方的2wt%十二烷基硫酸钠接受液中；通过正负电荷的中和作用，微胶囊逐渐形成，再经过大约半个小时的熟化，将微胶囊取出水洗后放入水中保存，最终得到单分散的壳聚糖微胶囊，微胶囊的平均粒径为578μm，CV值为4.48%。
实施例8：
使用实施例7的步骤（1）中自制微流控装置。将实施例7的步骤（2）中的壳聚糖季铵盐溶液通过微量注射泵控制，以3mL/h注入到垂直固定的微流控装置，同时气体也通过转子流量计控制以60L/h通入到微流控装置，在气体剪切作用下，内相溶液在微流控装置出口形成微液滴，并滴入到放置在微流控装置正下方的2wt%十二烷基硫酸钠接受液中；通过正负电荷的中和作用，微胶囊逐渐形成，再经过大约半个小时的熟化，将微胶囊取出水洗后放入水中保存，最终得到单分散的壳聚糖微胶囊，微胶囊的平均粒径为185μm，CV值为5.62%。
实施例9：
使用实施例7的步骤（1）中的自制的微流控装置。将实施例7的步骤（2）中的壳聚糖季铵盐溶液通过微量注射泵控制，以3mL/h注入到垂直固定的微流控装置，同时气体也通过转子流量计控制以30L/h通入到微流控装置，在气体剪切作用下，内相溶液在微流控装置出口形成微液滴，并滴入到放置在微流控装置下方的1wt%海藻酸钠接受液中；通过正负电荷中和作用，微胶囊逐渐形成，再经过大约半个小时的熟化，将微胶囊取出水洗后放入水中保存，最终得单分散的壳聚糖微胶囊，微胶囊的平均粒径为585μm，CV值为4.92%。
实施例10：
使用实施例1的步骤（1）中自制微流控装置。将2g壳聚糖加入到10mL的0.2mol/L的醋酸溶液中，在室温下磁子搅拌1h，然后加入0.1g荧光素钠，继续搅拌一小时，充分溶解后静置一个小时以消除溶液中的气泡，而后将该溶液吸入到一次性注射器中，以3mL/h注入到垂直固定的微流控装置，同时气体也通过转子流量计控制以60L/h通入到微流控装置，在气体剪切作用下，内相溶液在微流控装置出口形成微液滴，并滴入到放置在微流控装置正下方的2wt%十二烷基硫酸钠接受液中；通过正负电荷的中和作用，微胶囊逐渐形成，再经过大约半个小时的熟化，将微胶囊取出水洗后放入水中保存，最终得到单分散的包埋有荧光素钠染料的壳聚糖微胶囊，微胶囊的平均粒径为318μm，CV值为5.34%，荧光显微镜观察呈现黄绿色荧光。
实施例11：
使用实施例1的步骤（1）中自制微流控装置。将2g壳聚糖加入到10mL的0.2mol/L的醋酸溶液中，在室温下磁子搅拌1h，然后与5ml的200mg/L的水杨酸钠溶液混合，继续搅拌一小时，充分溶解后静置一个小时以消除溶液中的气泡，而后将该溶液吸入到一次性注射器中，以3mL/h注入到垂直固定的微流控装置，同时气体也通过转子流量计控制以60L/h通入到微流控装置，在气体剪切作用下，内相溶液在微流控装置出口形成微液滴，并滴入到放置在微流控装置下方的2wt%十二烷基硫酸钠接受液中；通过正负电荷的中和作用，微胶囊逐渐形成，再经过大约半个小时的熟化，将微胶囊取出水洗后放入水中保存，最终得到单分散的包埋有水杨酸药物的壳聚糖微胶囊，微胶囊的平均粒径为289μm，CV值为5.85%。
实施例12：
使用实施例1的步骤（1）中自制微流控装置。将2g壳聚糖加入到10mL的0.2mol/L的醋酸溶液中，在室温下磁子搅拌1h，然后加入0.1gFe3O4粉末，继续搅拌一小时，静置一个小时以消除溶液中的气泡，而后将该溶液吸入到一次性注射器中，以3mL/h注入到垂直固定的微流控装置，同时气体也通过转子流量计控制以60L/h通入到微流控装置，在气体剪切作用下，内相溶液在微流控装置出口形成微液滴，并滴入到放置在微流控装置正下方的2wt%十二烷基硫酸钠接受液中；通过正负电荷的中和作用，微胶囊逐渐形成，再经过大约半个小时的熟化，将微胶囊取出水洗后放入水中保存，最终得到单分散的包埋有Fe3O4磁性粒子的壳聚糖微胶囊，微胶囊的平均粒径为323μm，CV值为5.67%。
可以理解的是，本发明所指的被包埋物质可以为生物活性物质、荧光染料、纳米粒子、药物等。
需要说明的是，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种尺寸均一且大小可控的壳聚糖微胶囊的制备方法，其特征在于，它包括以下步骤：
1）提供微流控装置，所述微流控装置包括圆形毛细管及方形毛细管，所述圆形毛细管套于所述方形毛细管内，所述圆形毛细管的一端为锥形端，所述锥形端从所述方形毛细管的一端伸出，所述圆形毛细管的另一端用于与注射器连接，所述方形毛细管的另一端用于与储气罐连接；所述微流控装置的所有连接处均密封；
2）将壳聚糖的醋酸溶液或壳聚糖季铵盐的水溶液作为内相通入所述圆形毛细管中，将气体作为外相通入所述方形毛细管中，在气体的强剪切作用下，内相溶液在微流控装置出口形成微液滴，并滴入到阴离子表面活性剂或聚阴离子电解质的接受液中，即通过凝聚法在液滴外层形成一层膜壳，再经过熟化，即得到稳定的单分散的壳聚糖微胶囊，将壳聚糖微胶囊取出水洗后放入水中保存。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述圆形毛细管的内径为400～600μm、外径为800～1000μm，所述圆形毛细管的锥形端的出口直径为100～300μm，所述方形毛细管的内径和圆形毛细管的外径相同。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中的锥形端从所述方形毛细管的一端伸出0.1mm-1mm。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述内相溶液的浓度为1-2wt%，注入流速为1～3mL/h。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述气体为空气、氮气或惰性气体，所述气体的流速在30～60L/h。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述接受液的浓度为1～4wt%。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述壳聚糖微胶囊呈球形，大小为300～800μm，粒径分布系数在6%以下。
8.一种尺寸均一且大小可控的壳聚糖微胶囊的制备方法，其特征在于，它包括以下步骤：
1）提供微流控装置，所述微流控装置包括圆形毛细管及方形毛细管，所述圆形毛细管套于所述方形毛细管内，所述圆形毛细管的一端为锥形端，所述锥形端从所述方形毛细管的一端伸出，所述圆形毛细管的另一端用于与注射器连接，所述方形毛细管的另一端用于与储气罐连接；所述微流控装置的所有连接处均密封；
2）将壳聚糖的醋酸溶液或壳聚糖季铵盐的水溶液及被包埋物质混合后得到的混合液作为内相通入所述圆形毛细管中，将气体作为外相通入所述方形毛细管中，在气体的强剪切作用下，内相溶液在微流控装置出口形成微液滴，并滴入到阴离子表面活性剂或聚阴离子电解质的接受液中，即通过凝聚法在液滴外层形成一层膜壳，再经过熟化，即得到稳定的单分散的包埋有被包埋物质的壳聚糖微胶囊，将壳聚糖微胶囊取出水洗后放入水中保存。
9.如权利要求8所述的的制备方法，其特征在于，所述圆形毛细管的内径为400～600μm、外径为800～1000μm，所述圆形毛细管的锥形端的出口直径为100～300μm，所述方形毛细管的内径和圆形毛细管的外径相同。
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