CN104523431B

CN104523431B - 具有横笛状多孔喷头的高压静电喷雾装置及应用

Info

Publication number: CN104523431B
Application number: CN201510029319.1A
Authority: CN
Inventors: 张明暐; 张春晨; 赵鼎; 李劲松; 金李婕; 伍舒婷; 汪梅笛
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2015-01-21
Filing date: 2015-01-21
Publication date: 2017-10-31
Anticipated expiration: 2035-01-21
Also published as: CN104523431A

Abstract

本发明涉及一种具有横笛状多孔喷头的高压静电喷雾装置及应用。高压静电喷雾装置包括注射泵、给液器、导液管、横笛状多孔喷头、高压电源以及接收板，注射泵将给液器中的溶液经导液管推压进入横笛状多孔喷头中，横笛状多孔喷头固定在接收板上方，高压电源与接收板共同接地，高压电源正极与横笛状多孔喷头相连；横笛状多孔喷头的出液孔的孔径为大小一致的圆孔，或为不同大小圆孔排列设置。本发明采用横笛状多孔喷头，有效提升了单位时间内微纳米载药颗粒的产量，利用不同大小孔交叉组合的方式，为同时生产多种大小的微纳米载药颗粒提供了解决方案；多个联合组装使用，能够有效提升载药颗粒的生产速度，有望实现微纳米载药颗粒的大规模工业化生产。

Description

具有横笛状多孔喷头的高压静电喷雾装置及应用

技术领域

本发明涉及高压静电喷雾制备药物载体的装置，特别是一种具有多段式横笛状多孔喷头的高压静电喷雾装置及利用其制备微纳米载药颗粒的方法。

背景技术

传统上的间歇性给药方式中，药物在人体内的浓度只能维持较短的时间，药物浓度在血液中或是体内组织中的波动较大，时常超过药物最高耐受剂量或是低于有效剂量。这样不但起不到应有的药效，而且还可能产生副作用。频繁的小剂量给药可以调节血药浓度，但这使患者难以接受，实施起来有很多困难。因此，制备能够缓慢释放药物成分的缓释性长效药品是非常需要的，这其中的关键是制备能使被承载的药物缓慢释放的药物载体。

微纳米载药颗粒，是七十年代末发展起来的具有缓释和靶向性的载药系统，它可以根据粒子的特异性将包裹的药物输送到病变部位，改善药物的溶解性能和透膜性能，提高病灶的药物浓度，延长药物的作用时间，进而明显提高药物的治疗效果，以减少其毒副作用，从而达到在体内将药物靶向到病变部位和缓慢释放的目的。

目前，常用的制备载药微/纳米粒子的技术包括熔融法、溶剂法、溶剂-熔融法、研磨法、溶剂喷雾干燥法、冷冻干燥法等等。但这些技术普遍存在一个或几个下述问题：（1）常需要粉碎、过筛等步骤，制备工艺复杂；（2）耗时较多；（3）工业化困难；（4）需设计多种设备或设施；（5）常常必须依靠温度的变化、或者高剪切力去实现制备，加工过程影响药物稳定性，所制载药微纳米粒稳定性不好，药物团聚现象严重；（6）制备过程影响因素多，调控载药颗粒的粒径较为困难，所得载药微纳米粒粒径分布较广。（7）有机溶剂残留较高，难以有效的移除。这些问题限制了微纳米载药颗粒的进一步广泛应用。

高压静电喷雾技术，是一种通过外加电场力克服喷头尖端液滴的表面张力和粘弹力而形成射流。在静电斥力、库仑力和表面张力的共同作用下，液滴被雾化粉碎，根据溶剂挥发或熔体冷却情况，在接收端得到微纳米粒子的方法。该技术工艺过程简单、操控方便、选择材料范围广泛、可控制性强，并且可以通过喷头设计制备具有微观结构特征的微纳米粒子。

高压静电喷雾的主要设备包括注射泵，给液器，高压直流电源，收集器这四部分。其原理是：利用高压发生器在喷射液与接收装置之间建立一个静电场，在静电力作用下，半球形液滴在喷射口逐渐被拉长形成锥形，当静电场强超过临界值后，聚合物溶液或熔体在电场力作用下克服自身的表面张力从锥体中拉伸形成带电的喷射流并雾化。由于静电排斥作用，带电雾滴发生高速地弯曲或鞭动，随着溶剂挥发或熔体冷却，得到直径在几十纳米到几十微米之间的颗粒最终落在收集装置上。

与传统的微纳米载药颗粒制备技术相比，高压静电喷雾方法能够制备出直径更小的颗粒。而且颗粒的尺寸可控性好、直径大小分布很窄，在电喷的过程中因携带电荷相互排斥而具有很好的自分散性。在电场力的作用下，不仅可以直接将电流体转化为微纳米颗粒，而且由于干燥速度极快，微纳米颗粒能够最大限度维持药物在载体物质中的高度分散状态。

虽然高压静电喷雾法有诸多优越性，但是目前的高压静电喷雾装置很难在较短时间内生产大量的微纳米颗粒，因此，如何提升微纳米颗粒的生产效率一直备受相关领域研究者们的关注。

为提升微纳米颗粒的生产效率，C.N.Ryan等人以及Joon Sang Kang等人的文章中提出，可在喷射口边缘处制作多个细微尖端或微小的引流槽，以引导在喷射口边缘尖端或引流槽处同时产生多个带电喷射流，以提升静电喷雾法粒子单位时间的产量。但是，这种方法很难控制每个喷射口维持统一稳定的流量，而且总流速一旦超过某个特定数值，就无法再生成稳定的Taylor锥。

Marion Sausse Lhernould等在文章中提出了一种二叉树结构的多通道多针电喷方法，即，使高分子溶液先从一个通道进入，然后每个通道都分成2个，3次分叉之后形成8个出液通道，以此来提升颗粒的生产效率。但是，这个方法由于液体通路较长，很容易产生管道堵塞现象。而且整个喷头为全体连通的管道，一旦堵塞，很难疏通，难以持续利用；另外，多个金属通道导致相邻通道喷出的液体之间的静电排斥较强，很难形成竖直稳定的泰勒锥，因此难以形成颗粒大小稳定可控的微纳米颗粒。另一方面，制备所需的细微尖端或微小多通道的引流槽需要的设备与成本极高，因此限制了提高产率的普及实施。

另一方面，目前电喷法制备不同粒径的调控方式主要藉由改变控制参数，包含：施加电场、电喷距离、高分子浓度、注射流量与控制电流等方式获得粒子直径的调控。在粒子制备操作中欲达到有效改变粒子直径，或是获得不同药物载体直径分布的应用，必须经由上述参数（电压、电喷距离、高分子浓度、注射流量与控制电流）固定后，改变其中的一项参数获得不同纺丝直径，因此无法有效获得同步（同时）具备不同直径的粒子。碍于目前制备不同直径分布的粒子需要搭配调控参数改变，以及无法同时制备不同直径的粒子，形成同时电喷不同直径粒子，对于电喷制备微纳米粒子工业化的应用也形成的一定的阻碍。

发明内容

为了解决上述所存在的技术问题，本发明提供一种具有横笛状多孔喷头的高压静电喷雾装置及应用。

利用本发明的装置，可以在单位时间内高效制备大量与可控尺寸的微纳米载药颗粒。本发明装置中的喷头造价低，容易制造、组装和拆卸清洗，可根据实际需要的尺寸设计改装，有广阔的工业应用前景。

本发明的技术方案：

一种具有横笛状多孔喷头的高压静电喷雾装置，包括注射泵、给液器、导液管、横笛状多孔喷头、高压电源以及接收板，注射泵将给液器中的溶液经导液管推压进入横笛状多孔喷头中，横笛状多孔喷头固定在接收板上方，高压电源与接收板共同接地，高压电源正极与横笛状多孔喷头相连；所述的横笛状多孔喷头的出液孔的孔径为大小一致的圆孔，或为不同大小圆孔排列设置。

所述的横笛状多孔喷头为化学惰性材料制成；该横笛状多孔喷头为圆柱中空管并具有两个以上的圆形喷孔，两个相邻圆形喷孔的间距为两倍孔径及以上。

所述的横笛状多孔喷头为多个相同或不同规格的横笛状多孔喷头连接而成。

所述的横笛状多孔喷头每个单元的两端刻有螺纹，所述的多个横笛状多孔喷头连接是为螺纹连接，可拆卸。

一种根据所述的装置制备微纳米粒子的方法，步骤如下：

1）以高分子溶液作为电喷原液，经注射泵注入横笛状多孔喷头中；

2）在横笛状多孔喷头与收集器间施加高电压，使圆孔出口处同时形成多个泰勒锥，并制得高分子微纳米粒子；

3）以接收收集器来收集步骤2）制得的微纳米粒子。

所述的电喷原液选自以下材料：有机物，无机物，或有机/无机复合物；所述的有机物包括：聚醚、聚苯醚、聚酸酐、聚噻吩、聚苯胺、聚酰胺、聚酰亚胺、聚酯、聚氨酯、环氧树脂、聚烯烃、聚卤代烯烃、聚苯乙烯、聚对苯乙烯、聚氧乙烯、聚乙烯亚胺、聚苯乙烯磺酸钠、聚环氧乙烷、聚甲基乙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸对苯二胺、聚醋酸乙烯、聚乙炔、聚羟基乙酸、聚丙烯酸、聚乳酸、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚甲基倍半硅氧烷，聚ε-己内酯、聚丁内酯、聚戊内酯、聚吡咯、聚-α-氨基酸、甲基纤维素、乙基纤维素、羧甲基纤维素钠、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、对苯二甲酸羟丙基甲基纤维素、对苯二甲酸纤维素、淀粉及其衍生物、纤维蛋白、丝蛋白、甲壳素、壳聚糖、硫酸软骨素、胶原、明胶、水凝胶、透明质酸以及其共聚物、衍生物或混合物；无机物包括：Al2O3、CuO、NiO2、SiO2、GeO2、V2O5、Mn2O3、Mn3O4、ZrO2、ZnO、Co3O4、Nb2O5、MgTiO3、PdO、CeO2、BaTiO3、La2CuO4、SnO2、NiFe2O4、Fe3O4、NiTiO3。

进一步，所述的电喷原液添加辅料，获得微纳米粒子包覆辅料，所述辅料的比例依据需求的不同而选定。

所述的辅料为磁性粒子、量子点；所述的磁性粒子包括：Fe、Co、Ni、Mn，MeFe2O4，Me=Co、Ni、Mn ，Fe3O4纳米粒子，Fe2O3纳米粒子；所述的量子点包括：碳量子点、CdS、CdSe、CdTe、ZnSe、InP、InAs。

所述的辅料为染剂、药物；所述的染料选自以下材料：分散染料、荧光染料、冰染染料、阳离子染料、硫化染料、酞菁染料、活性染料、直接染料、酸性染料、碱性染料、缩聚染料、还原染料、光致发光染料；所述的药物包括：治疗藥、营养补充药、抗血栓药，抗出血药、抗高血压药、润肤剂、促愈合剂、止痒剂、医用敷料、类固醇、甲状腺激素、抗甲状腺药、抗微生物剂、疫苗、化疗药、免疫调节剂、肌肉增强剂、抗炎药。

所述的辅料为高原子序数金属，高原子序数金属包括：Au、Ag、Pt、Zn、Ti。

本发明的有益技术效果：

本发明提出的横笛状多孔喷头静电喷雾装置及利用其制备微纳米载药颗粒的方法，喷头制造简单，价格低廉，易于拆卸和清洗更换，能够经济有效地提升单位时间内微纳米药物载体的产量，过程简单且容易调控，适合大规模工业化生产。

附图说明

图1是具有横笛状多孔喷头的高压静电喷雾装置的示意图；

图2A是出液孔孔径均一的2孔横笛状多孔喷头仰视图；

图2B是出液孔孔径均一的2孔横笛状多孔喷头的实施效果图；

图3A是出液孔孔径均一的3孔横笛状多孔喷头仰视图；

图3B是出液孔孔径均一的3孔横笛状多孔喷头的实施效果图；

图4A是出液孔孔径均一的4孔横笛状多孔喷头仰视图；

图4B是出液孔孔径均一的4孔横笛状多孔喷头的实施效果图；

图5A是出液孔孔径均一的5孔横笛状多孔喷头仰视图；

图5B是出液孔孔径均一的5孔横笛状多孔喷头实施效果图；

图6是大小孔间隔排列的横笛状多孔喷头仰视图；

图7是多段多孔喷头连接的示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施实例并结合附图对本发明进一步阐述，但并不限于本发明。即这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。另外，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1所示，一种具有横笛状多孔喷头的高压静电喷雾装置，由注射泵、给液器、导液管、横笛状多孔喷头、高压电源以及接收板组成。

所述的高压电源与接收板共同接地，高压电源正极通过金属夹与横笛状多孔喷头相连。

所述的给液器在注射泵的控制下，通过导液管匀速注入横笛状多孔喷头的管腔中。溶液喷头进液端的金属头导电，在高压电场的作用下，从管底部的小孔向接收板喷雾。

所述的横笛状多孔喷头可以为相同直径或不同直径，通过导液管匀速注入横笛状多孔喷头的管腔中，在高压电场的作用下，从管底部的小孔向接收板喷雾。

所述的高压电源能提供0.1-60KV的静电高压，所述的横笛状多孔喷头的管径为7mm,多个出液孔的孔径为0.06mm-2mm。相邻出液孔的间距为0.5mm-20cm。所述的多孔喷头出液孔到接收板的距离为2cm或以上。

上述带有横笛状多孔喷头的静电喷雾法微纳米药物载体备装置，其工作路线如下：在给液器中加入溶液，然后安放到注射泵上，将横笛状多孔喷头管腔中注满溶液，用导液管连接储液体注射器和横笛状多孔喷头，将多孔喷头的出液孔向下，与接收板竖直相对。用金属夹连接多孔针头的金属管和高压电源正极，接收板和高压电源一同接地。设定合适的流速和电压，即可开始制备微纳米药物载体。

一种根据所述的装置制备微纳米粒子的方法，步骤如下：

3）以接收收集器来收集步骤2）制得的微纳米粒子。

实施例1

采用如图1所示的装置，其喷头部分使用如图2A所示的出液孔孔径均一的2孔横笛状多孔喷头，实施效果如图2B所示。

将聚ε-己内酯(PCL)颗粒溶解于二氯甲烷当中，其中加入少量药粉，得到PCL质量分数为5%的电喷溶液。常温磁力搅拌，直至PCL完全溶于二氯甲烷当中。用注射器吸取溶液后静置几分钟，排出溶液里的气泡。将注射器固定在注射泵上，将横笛状多孔喷头管腔中注满溶液，用导液管连接储液体注射器和多孔喷头，将多孔针头的出液孔向下，与接收板竖直相对。用金属夹连接多孔针头的金属管和高压电源正极，接收板和高压电源一同接地。控制流速为0.75mL/h，电压为14kV，出液孔和接收板的间距为14cm，接收板采用铝箔接收，得到平均直径约为40μm的PCL载药微粒。

实施例2

采用如图1所示的装置,其喷头部分使用如图3A所示的出液孔孔径均一的3孔横笛状多孔喷头，实施效果如图3B所示。实施条件同实施实例1。

实施例3

采用如图1所示的装置,其喷头部分使用如图4A所示的出液孔孔径均一的4孔横笛状多孔喷头，实施效果如图4B所示。实施条件同实施实例1。

实施例4

采用如图1所示的装置,其喷头部分使用如图5A所示的出液孔孔径均一的5孔横笛状多孔喷头，实施效果如图5B所示。实施条件同实施实例1。

实施例5

采用如图1所示的装置，其喷头部分使用如图6所示的不同孔径出液孔的横笛状多孔喷头。将PCL颗粒溶解于二氯甲烷当中，得到质量分数为2%的电喷溶液。常温磁力搅拌，直至PCL完全溶于二氯甲烷当中。用注射器吸取溶液后静置几分钟，排出溶液里的气泡。将注射器固定在注射泵上，将出液孔孔径不同的横笛状多孔喷头管腔中注满溶液，用导液管连接储液体注射器和多孔喷头的金属管，将多孔针头的出液孔向下，与接收板竖直相对。用金属夹连接多孔针头的金属管和高压电源正极，接收板和高压电源一同接地。控制流速为0.90mL/h，电压为14kV，出液孔和接收板的间距为4cm，接收板采用铝箔接收，得到平均直径分别约为40μm和75μm的两种PCL载药微粒混合物。

实施例6

采用如图1所示的装置，其喷头部分使用如图7所示的3段喷头通过螺纹组合连接的横笛状多孔喷头。装置连接方式同实施例1。将PCL颗粒溶解于二氯甲烷当中，其中加入少量药粉，得到PCL质量分数为2%的电喷溶液。常温磁力搅拌，直至PCL完全溶于二氯甲烷当中。用注射器吸取溶液后静置几分钟，排出溶液里的气泡。将注射器固定在注射泵上，将横笛状多孔喷头管腔中注满溶液，用导液管连接储液体注射器和多孔喷头的金属管，将多孔针头的出液孔向下，与接收板竖直相对。控制流速为2.3mL/h，电压为14kV，出液孔和接收板的间距为14cm，接收板采用铝箔接收，得到粒径均一的PCL载药微粒。

Claims

1.一种具有横笛状多孔喷头的高压静电喷雾装置，其特征在于：包括注射泵、给液器、导液管、横笛状多孔喷头、高压电源以及接收板，注射泵将给液器中的溶液经导液管推压进入横笛状多孔喷头中，横笛状多孔喷头固定在接收板上方，高压电源与接收板共同接地，高压电源正极与横笛状多孔喷头相连；所述的横笛状多孔喷头的出液孔的孔径为不同大小圆孔排列设置；

所述的横笛状多孔喷头为化学惰性材料制成；该横笛状多孔喷头为圆柱中空管并具有两个以上的出液孔，两个相邻出液孔的间距为两倍孔径及以上，出液孔的孔径为0.06mm-2mm，相邻出液孔的间距为0.5mm-20cm；

2.根据权利要求1所述的高压静电喷雾装置，其特征在于：横笛状多孔喷头每个单元的两端刻有螺纹，所述的多个横笛状多孔喷头连接是为螺纹连接，可拆卸。

3.一种根据权利要求1所述的装置制备微纳米粒子的方法，其特征在于，步骤如下：

3）以接收收集器来收集步骤2）制得的微纳米粒子。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的电喷原液选自以下材料：有机物，无机物，或有机/无机复合物；所述的有机物包括：聚醚、聚苯醚、聚酸酐、聚噻吩、聚苯胺、聚酰胺、聚酰亚胺、聚酯、聚氨酯、环氧树脂、聚烯烃、聚卤代烯烃、聚苯乙烯、聚对苯乙烯、聚氧乙烯、聚乙烯亚胺、聚苯乙烯磺酸钠、聚环氧乙烷、聚甲基乙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸对苯二胺、聚醋酸乙烯、聚乙炔、聚羟基乙酸、聚丙烯酸、聚乳酸、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚甲基倍半硅氧烷，聚ε-己内酯、聚丁内酯、聚戊内酯、聚吡咯、聚-α-氨基酸、甲基纤维素、乙基纤维素、羧甲基纤维素钠、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、对苯二甲酸羟丙基甲基纤维素、对苯二甲酸纤维素、淀粉及其衍生物、纤维蛋白、丝蛋白、甲壳素、壳聚糖、硫酸软骨素、胶原、明胶、水凝胶、透明质酸以及其共聚物、衍生物或混合物；无机物包括：Al₂O₃、CuO、NiO₂、SiO₂、GeO₂、V₂O₅、Mn₂O₃、Mn₃O₄、ZrO₂、ZnO、Co₃O₄、Nb₂O₅、MgTiO₃、PdO、CeO₂、BaTiO₃、La₂CuO₄、SnO₂、NiFe₂O₄、Fe₃O₄或NiTiO₃。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，进一步，所述的电喷原液添加辅料，获得微纳米粒子包覆辅料，所述辅料的比例依据需求的不同而选定。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的辅料为磁性粒子、量子点；所述的磁性粒子包括：Fe、Co、Ni、Mn、MeFe₂O₄、Fe₃O₄纳米粒子或Fe₂O₃纳米粒子，其中所述的Me=Co、Ni或Mn；所述的量子点包括：碳量子点、CdS、CdSe、CdTe、ZnSe、InP或InAs。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的辅料为染料或药物；所述的染料选自以下材料：分散染料、荧光染料、冰染染料、阳离子染料、硫化染料、酞菁染料、活性染料、直接染料、酸性染料、碱性染料、缩聚染料、还原染料或光致发光染料；所述的药物包括：营养补充药、抗血栓药，抗出血药、抗高血压药、润肤剂、促愈合剂、止痒剂、医用敷料、类固醇、甲状腺激素、抗甲状腺药、抗微生物剂、疫苗、化疗药、免疫调节剂、肌肉增强剂或抗炎药。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的辅料为高原子序数金属，高原子序数金属包括：Au、Ag、Pt、Zn或Ti。