CN106947019A - 一种水凝胶微球的制备方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于水凝胶聚合物微球制备技术领域，特别涉及一种基于微流控芯片技术的水凝胶微球制备方法及用于实施该制备方法的装置。该种方法以水溶性单体、交联剂、引发剂和制孔剂制得的水性混合物为分散相，以水不溶性液体和亲油亲水两性分子制得的油性混合物为连续相，在微流控芯片装置内生成微米级油包水液滴，收集液滴后进行固化、破乳，回收得到单分散微米级水凝胶微球。采用本发明的方法制备得到的单分散微米级水凝胶微球粒径可控、均一，具有高度可复性等优势，适于广泛应用于基因的固定与筛选、蛋白及细胞的包覆、药物缓控释体系等技术领域。

Description

一种水凝胶微球的制备方法及装置
技术领域
本发明涉及液滴生成与水凝胶聚合物微球制备技术领域，特别涉及一种基于微流控芯片技术的水凝胶微球的制备方法及装置。
背景技术
水凝胶是一种分子内部交联的高分子聚合物，具有三维网络结构，在水中能够溶胀并保持大量水分而又不能溶解，分子能够在水凝胶中扩散。高分子水凝胶微球在医药工程和生化工程领域的研究近年来尤为热门。水凝胶微球以其亲水性、多孔性、高比表面积以及优良的生物相容性等特点可作为微结构单元、微分离器、微反应器、微存储器等应用于DNA、细胞以及蛋白质的包埋，生物活性药物的包覆，酶的固定化，生物活性物质的分离和提纯等。制备水凝胶微球通常采用反相悬浮聚合、反相乳液聚合、反相微乳液聚合、种子聚合、分散聚合等，但是这些方法制备的微球粒径在纳米和亚微米范围。其中应用最广泛、技术最成熟的为采用反相悬浮工艺制备微米级水凝胶微球，但是反相悬浮聚合法产生微球的粒径分布范围大，重复性差，因此，如何制备单分散微米级水凝胶微球应用于高度精确的生物分析领域是目前亟待解决的关键问题。
微流控是一种精确控制和操控微尺度流体，尤其特指微米亚微米结构的技术。21世纪以来得到了飞速发展，其中的微流控芯片技术作为当前分析科学的重要发展前沿，在生物、化学、医药等领域都发挥着巨大的作用。微流控芯片技术是指采用微细加工技术，在一块几平方厘米的芯片上制作出微通道网络结构，以期在一张芯片上完成不同的实验过程。由于其试剂损耗少，通量高，而且设备易于微型化、集成化，方便自动化地对液体进行微细精确操控，因此近年来得到了飞速发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于微流控芯片技术的单分散微米级水凝胶微球的制备方法。
本发明的另一目的在于提供用于实施上述制备方法的微流控芯片装置。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种水凝胶微球的制备方法，该方法包含下述步骤：(1)制备水性混合物：所述水性混合物包含水溶性单体、交联剂、引发剂和制孔剂；(2)制备油性混合物：所述油性混合物包含水不溶性液体和亲油亲水两性分子；(3)生成油包水液滴：以所述水性混合物为分散相，以所述油性混合物为连续相，在微流控芯片装置内生成微米级油包水液滴；(4)得到水凝胶微球：收集所述微米级油包水液滴并进行固化、破乳，回收得到单分散微米级水凝胶微球。
本发明的实施方式所提供的水凝胶微球的制备方法，基于微流控芯片技术，使一种或多种水溶性单体在液滴内发生均聚或共聚。该制备方法的显著特点是由微流控芯片产生微米级的球形油包水液滴作为高分子聚合的反应腔体，利用微流控芯片产生的微液滴实现液滴内聚合制备水凝胶微球，液滴制备过程完全隔绝空气，保证了各微液滴反应腔条件一致，所获得的水凝胶微球具有粒径可控、均一，具有高度可复性等优势，因而适于广泛应用于基因的固定与筛选、蛋白及细胞的包覆、药物缓控释体系等。
具体地，在本发明的实施方式所提供的水凝胶微球的制备方法中，水溶性单体为丙烯酸、甲基丙烯酸、羟甲基丙烯酰胺、羟乙基丙烯酰胺、丙烯酰胺和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸中的一种或几种；所述交联剂为双烯类化合物，例如可以为甲叉双丙烯酰胺、乙二醇二甲基丙烯酸酯或二烯丙基二甲基氯化铵；所述引发剂为偶氮引发剂VA-086、过硫酸铵、过硫酸钾、偶氮二异丁脒盐酸盐和过氧化氢中的一种或几种；所述制孔剂为水、聚乙二醇、甲醇或乙醇。
此外，以含量配比看，所制备的水性混合物中，以质量百分含量计：所述水溶性单体量占水性混合物总质量的5～30％，所述交联剂量占所述水溶性单体质量的0.01～10％，所述引发剂量占水性混合物总质量的0.1～3％。进一步地，当制孔剂为水时，制孔剂的添加量占水性混合物总质量的37～94.9％；当制孔剂为聚乙二醇、甲醇或乙醇时，制孔剂的添加量占水性混合物总质量的0～30％。
另外，在本发明的实施方式所提供的水凝胶微球的制备方法中，作为连续相物质组成的可选方案，所述的油性混合物由水不溶性液体及亲水亲油两性分子组成；所述的水不溶性液体可以为矿物油、碳酸二乙基己酯、液体石蜡、聚二甲基硅氧烷和氟化液中的一种或多种；亲油亲水两性分子可以为：Span-80、ABIL EM90，ABIL WE09，FC4430，ABIL EM180，Triton X-100和Tween-20中的一种或几种。以质量百分含量计：所制备的油性混合物中，水不溶性液体占所述油性混合物总质量的96～98％，所述亲水亲油两性分子占所述油性混合物总质量的2～4％。亲水亲油两性分子分布在油相和水相的界面，能有效降低界面张力，使形成的油包水液滴更加稳定。
此外，在本发明的实施方式所提供的水凝胶微球的制备方法中，在微流控芯片装置内生成油包水液滴的步骤中，分散相压力为13～21KPa，优选15.17KPa；连续相压力为19～27KPa，优选24.82KPa。微米级油包水液滴进行固化的温度为40～105℃，优选95℃，固化时间为6～20小时，优选10小时。固化后，采用十二烷基硫酸钠溶液、醇、盐溶液或超声等方法对所述微米级油包水液滴进行破乳回收。通过精确调节连续相与分散相压力以及控制固化温度及时间，可以更精确地获得目标微米级油包水液滴。
进一步地，在本发明的实施方式所提供的水凝胶微球的制备方法中，对制得的水性混合物先进行氮置换除氧和低比重水不溶性液体覆盖隔离的步骤，然后再用于生成油包水液滴。上述处理的作用是：为了彻底除去水性混合物中的氧气并确保其在反应过程中能够一直处于无氧状态，从而排除氧气在聚合反应中的阻聚作用。
本发明的实施方式还提供了用于实施上述水凝胶微球的制备方法的微流控芯片装置，该装置包含进样控制单元、液滴生成芯片和液滴收集单元：所述液滴生成芯片包含T型或十字型微通道，所述微通道包含：用于所述分散相进样的分散相入口、用于所述连续相进样的连续相入口和用于收集所述液滴的液滴出口。
优选地，在本发明的实施方式所提供的微流控芯片装置中，分散相入口为1个或多个，连续相入口为1个。
附图说明
图1是实施例1制得的水凝胶微球的SEM电镜图；
图2是实施例1制得的水凝胶微球的粒度分布图；
图3是实施例5中的微流控芯片装置结构示意图。
具体实施方式
实施例1
本实施例使用丙烯酰胺单体为水溶性单体，甲叉双丙烯酰胺为交联剂，VA-086为引发剂，水为制孔剂，制备溶胀度6倍的水凝胶微球。
具体制备步骤如下：
(1)制备水性混合物：称取丙烯酰胺单体(0.6g)和甲叉双丙烯酰胺(0.036g)以及VA-086(0.012g)置于5mL离心管中，用枪头量取2.5mL 2mM EDTA水溶液溶解以上混合物，通过涡旋混合器振荡混合，及超声溶解后，定容到4mL获得水性混合物。
将水性混合物转移至西林瓶中，西林瓶的硅胶瓶塞已插有氮气置换的针头。缓慢通入氮气除氧气20min。氮气置换结束后，加入300μL矿物油。
(2)制备油性混合物：取矿物油9700μL和Abil EM90 300μL，混合制备得到10mL油性混合物。
(3)生成油包水液滴：微流控芯片装置制备油包水微反应腔：向液滴生成芯片的连续相入口中加入油性混合物，向分散相入口中加入氮气置换且加入矿物后的水性混合物，并加入50μL矿物油对水溶液液面油封。通过进样控制系统控制连续相压力为24.82KPa，分散相压力为15.17KPa，依次打开分散相和连续相压力阀门，进行油包水液滴制备。
(4)得到水凝胶微球：由微流控芯片装置的液滴出口收集所生成的油包水液滴，将收集到的微液滴于86℃下固化10h。自然冷却后将混合物转移至5ml离心管中，4000rpm离心10min，除上层油，并加入0.5％SDS水溶液超声3min，洗涤三次；后用去离子水洗涤三次，获得溶解于水中的水凝胶微球。经马尔文仪器分析，水凝胶微球直径为35μm，CV值为2.8％。
为了表征本实施例中微流控芯片制备的聚丙烯酰胺微球的分散性，分别用激光粒度仪和SEM表征了水凝胶微球在吸水溶胀和干燥状态下的分散性。本实施例所制得的水凝胶微球的SEM电镜图如附图1所示，粒度分布如附图2所示。从图1可以看到，干燥的微球仍能保持良好的球形，而且微球的粒径比较均一。从图2可以看到，微球粒径分布图中只有一个峰，表明微球在溶胀状态下的粒径是单分散的。
实施例2
本实施例使用羧基丙烯酰胺单体为水溶性单体制备水凝胶微球。其原料组成如下表1所示，制备步骤与实施例1相同，因而不再次赘述。
表1实施例2原料及用量表
组份 用量
水溶性单体：丙烯酸 0.84mL
水溶性单体：丙烯酰胺 0.36g
中和剂：20％氢氧化钠溶液 1.75mL
交联剂：甲叉双丙烯酰胺 0.012g
引发剂：过硫酸钾 0.02g
矿物油 同实施例1
表面活性剂：Abil EM90 同实施例1
制孔剂：水 定容到4mL
实施例3
本实施例使用羟甲基丙烯酰胺单体为水溶性单体制备水凝胶微球。其原料组成如下表1所示，将收集到的微液滴于70℃下固化12h，其他制备步骤与实施例1相同，因而不再赘述。
表2实施例3原料及用量表
实施例4
本实施例使用丙烯酰胺单体为水溶性单体制备水凝胶微球。其原料组成如下表1所示，制备步骤与实施例1相同，因而不再赘述。
表3实施例4原料及用量表
组份 用量
水溶性单体：丙烯酰胺 1.20g
交联剂：乙二醇二甲基丙烯酸酯 0.006g
引发剂：偶氮二异丁脒盐酸盐 0.019g
矿物油 同实施例1
表面活性剂 ABIL EM180
制孔剂：水、甲醇 5mL(其中水4.38ml、甲醇0.62ml)
实施例5
本实施例涉及一种用于实施1中的水凝胶微球制备方法的微流控芯片装置，包含进样控制单元1、液滴生成芯片2和液滴收集单元3。该装置的结构示意图如附图3所示。
进样控制单元1与液滴生成芯片2的分散相入口、连续相入口相连通，且通过进样控制系统1控制液滴生成芯片内分散相压力和连续相压力。液滴生成芯片2为包含T型微通道的微流控芯片，且该微通道包含：一个用于分散相进样的分散相入口、一个用于连续相进样的连续相入口和一个用于收集液滴的液滴出口。在液滴生成芯片中生成的液滴经由液滴出口进入液滴收集单元3，在液滴收集单元3内完成固化、破乳。
实施例6
本实施例也涉及一种用于实施1中的水凝胶微球制备方法的微流控芯片装置，其结构与实施例5中的装置基本相同，也包含进样控制单元、液滴生成芯片和液滴收集单元。
与实施例5的不同之处在于，本实施例装置中的液滴生成芯片2为包含十字型微通道的微流控芯片，且该微通道包含：多个用于分散相进样的分散相入口、1个用于连续相进样的连续相入口和多个用于收集液滴的液滴出口。

Claims (14)

1.一种水凝胶微球的制备方法，其特征在于，包含下述步骤：
(1)制备水性混合物：所述水性混合物包含水溶性单体、交联剂、引发剂和制孔剂；
(2)制备油性混合物：所述油性混合物包含水不溶性液体和亲油亲水两性分子；
(3)生成油包水液滴：以所述水性混合物为分散相，以所述油性混合物为连续相，在微流控芯片装置内生成微米级油包水液滴；
(4)得到水凝胶微球：收集所述微米级油包水液滴并进行固化、破乳，回收得到单分散微米级水凝胶微球。
2.根据权利要求1所述的水凝胶微球的制备方法，其特征在于，所述水溶性单体为丙烯酸、甲基丙烯酸、羟甲基丙烯酰胺、羟乙基丙烯酰胺、丙烯酰胺和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸中的一种或几种；所述交联剂为甲叉双丙烯酰胺、乙二醇二甲基丙烯酸酯或二烯丙基二甲基氯化铵；所述引发剂为偶氮引发剂VA-086、过硫酸铵、过硫酸钾、偶氮二异丁脒盐酸盐和过氧化氢中的一种或几种；所述制孔剂为水、聚乙二醇、甲醇或乙醇。
3.根据权利要求1所述的水凝胶微球的制备方法，其特征在于，以质量百分含量计：所述水溶性单体占所述水性混合物总质量的5～30％，所述交联剂占所述水溶性单体质量的0.01～10％，所述引发剂占所述水性混合物总质量的0.1～3％。
4.根据权利要求3所述的水凝胶微球的制备方法，其特征在于，当制孔剂为水时，制孔剂的添加量占水性混合物总质量的37～94.9％；当制孔剂为聚乙二醇、甲醇或乙醇时，制孔剂的添加量占水性混合物总质量的0～30％。
5.根据权利要求1所述的水凝胶微球的制备方法，其特征在于，所述的水不溶性液体为矿物油、碳酸二乙基己酯、液体石蜡、聚二甲基硅氧烷和氟化液中的一种或几种；所述亲油亲水两性分子为Span-80、ABIL EM90、ABIL WE09、FC4430、ABIL EM180、Triton X-100和Tween-20中的一种或几种。
6.根据权利要求5所述的水凝胶微球的制备方法，其特征在于，以质量百分含量计：所述水不溶性液体占所述油性混合物总质量的96～98％，所述亲油亲水两性分子占所述油性混合物总质量的2～4％。
7.根据权利要求1所述的水凝胶微球的制备方法，其特征在于，所述在微流控芯片装置内生成油包水液滴的步骤中，控制分散相压力为13～21KPa，控制连续相压力为19～27KPa。
8.根据权利要求7所述的水凝胶微球的制备方法，其特征在于，控制分散相压力为15.17KPa，控制连续相压力为24.82KPa。
9.根据权利要求1所述的水凝胶微球的制备方法，其特征在于，所述微米级油包水液滴进行固化的温度为40～105℃，固化时间为6～20小时。
10.根据权利要求9所述的水凝胶微球的制备方法，其特征在于，所述微米级油包水液滴进行固化的温度为95℃，固化时间为10小时。
11.根据权利要求1所述的水凝胶微球的制备方法，其特征在于，采用十二烷基硫酸钠溶液、醇、盐溶液或超声法对所述微米级油包水液滴进行破乳回收。
12.根据权利要求1所述的水凝胶微球的制备方法，其特征在于，对制得的水性混合物先进行氮置换除氧和低比重水不溶性液体覆盖隔离的步骤，然后再用于生成油包水液滴。
13.用于实施权利要求1所述水凝胶微球的制备方法的微流控芯片装置，其特征在于，包含进样控制单元、液滴生成芯片和液滴收集单元：
所述液滴生成芯片包含T型或十字型微通道，所述微通道包含：用于所述分散相进样的分散相入口、用于所述连续相进样的连续相入口和用于收集所述液滴的液滴出口。
14.根据权利要求13所述的微流控芯片装置，其特征在于，所述分散相入口为1个或多个，所述连续相入口为1个。
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