CN109806918A

CN109806918A - 基于微流控技术的明胶甲基丙烯酰胺核壳微球的制备方法

Info

Publication number: CN109806918A
Application number: CN201711155312.XA
Authority: CN
Inventors: 秦建华; 王慧; 魏文博
Original assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Current assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date: 2017-11-20
Filing date: 2017-11-20
Publication date: 2019-05-28
Anticipated expiration: 2037-11-20
Also published as: CN109806918B

Abstract

本发明公开了一种基于微流控技术的明胶甲基丙烯酰胺核壳微球的制备方法。一种微流控芯片主要由连续相入口、壳流体入口、核流体入口、微球出口、连续相通道、壳流体通道、核流体通道、层流通道及主通道组成；核壳微球制备方法采用上述芯片主要包括以下步骤：明胶甲基丙烯酰胺材料的合成、明胶甲基丙烯酰胺核壳微球的制备。本发明利用两相水溶液的层流性质及油水界面张力，在微流控芯片上一步形成核壳液滴，再经过光化学交联形成固化的明胶甲基丙烯酰胺壳，其核为水溶液。该技术可用于体内微组织模型构建、血管形成、组织块移植等生物学应用中。

Description

基于微流控技术的明胶甲基丙烯酰胺核壳微球的制备方法

技术领域

本发明涉及材料化学与微流控技术领域，具体涉及一种基于微流控技术的明胶甲基丙烯酰胺核壳微球的制备方法。

背景技术

微流控技术又称芯片实验室，是一种在微米尺度空间对流体进行操控为主要特征的科学技术。微流控液滴技术是其一个重要分支，它是利用流体不相容原理来形成液滴，并对其进行后续分选、分裂、捕获、融合等操控的技术。微流控液滴技术因具有大小均一、通量高；体积小，传热、传质快；单分散、无交叉污染；时空分辨、利于多步、多试剂合成；规模集成、使用灵活等优点，该技术已经在微颗粒合成、药物筛分、药物缓释、组织工程等领域得到了广泛的应用。

形成的液滴可通过化学交联(如：离子交联、迈克尔加成)、物理性交联(如：改变温度、PH)等方式形成固化的微球。在微球制备方面，相比于现有的悬滴技术、搅拌技术、微孔膜技术而言，微流控技术制备的微球具有较高的均一性、可控性、高通量的特点。而目前，结合微流控体系制备实心结构的微球已经相当成熟，其形式较为单一，而核壳结构的构建能将微小的液滴可控区域化，实现空间的分区利用。目前，核壳结构的构建大多采用套管装置，利用多步骤制备，即在上游形成的小液滴在下游被大液滴吞并，形成核壳结构后将壳固化从而形成核壳微球，此方法较为繁琐。本发明采用明胶材料，由于其含有很多氨基、羧基、羟基，故可用于修饰嫁接官能团，如用甲基丙烯酸酐修饰明胶后在引发剂存在的条件下，紫外照射发生自由基聚合反应，从而将其固化，即形成明胶甲基丙烯酰胺水凝胶材料。

发明内容

本发明的目的在提供一种基于微流控技术的明胶甲基丙烯酰胺核壳微球的制备方法。本发明利用芯片技术，采用明胶甲基丙烯酰胺水凝胶材料一步制备核壳微球，成功实现了一步、均一、可控、区域化微球的制备，解决区域化问题，且体系稳定、操作简单。

本发明一种微流控芯片，主要由连续相入口、壳流体入口、核流体入口、微球出口、连续相通道、壳流体通道、核流体通道、层流通道及主通道组成；连续相入口通过连续相通道与主通道连接，壳流体入口、核流体入口分别通过壳流体通道、核流体通道均与层流通道及主通道连接。

所述的微流控芯片，连续相通道、壳流体通道、核流体通道、层流通道、主通道宽度范围均为100-500μm，芯片各部分通道高度范围为50-400μm，主通道长1-2cm，层流通道长范围为0.5-1.5mm。

一种微流控芯片的制备方法，该微流控芯片由上下两层不可逆封接而成，上层材料为可透光透气的PDMS聚合物，下层材料为洁净的玻璃片。PDMS层和玻璃片分别用等离子体处理10-25s进行封接，通道用1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯硅烷疏水处理。所述1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯硅烷浓度为0.5％-5％。

本发明一种基于微流控技术的明胶甲基丙烯酰胺核壳微球的制备方法，采用上述微流控芯片，具体包括下列步骤：

(1)明胶甲基丙烯酰胺材料的合成：明胶溶于DPBS溶液，然后加入甲基丙烯酸酐溶液，之后加入DPBS溶液来终止反应。随后用去离子水透析，接着将以上透析液过滤，最后将滤液冻干数天从而得到多孔的明胶甲基丙烯酰胺水凝胶材料。

所述明胶浓度为0.01-0.2g/mL，甲基丙烯酸酐溶液浓度5％-10％，明胶与甲基丙烯酸酐的质量比为5:4，甲基丙烯酸酐与首次加入的DPBS体积比为2:25，先后两次加入的DPBS体积比为1:4，甲基丙烯酸酐加入速率为0.5mL/min。透析时间为1-10天，过滤器孔径为0.22-8μm，冻干天数为1-10天。

(2)明胶甲基丙烯酰胺核壳微球的制备：将甲基纤维素溶于DPBS中制得甲基纤维素溶液备用，将步骤(1)中制备的多孔明胶甲基丙烯酰胺水凝胶材料和光引发剂(2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮)溶于DPBS中制得明胶甲基丙烯酰胺溶液备用；所述甲基纤维素溶液浓度为0.5％-5％，2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮浓度为0.5％-5％，明胶甲基丙烯酰胺溶液浓度为4％-30％，

甲基纤维素溶液作为核流，含光引发剂(2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮)的明胶甲基丙烯酰胺溶液作为壳流，含span80矿物油作为连续相；通过调整流速控制两种水溶液形成稳定的层流，接着被油相截断形成液滴，随后明胶甲基丙烯酰胺混合液在出口处进行紫外光固化，故形成固化的壳。

所述span80浓度为0.1％-10％，紫外固化时间为10-25s；

通过改变核流速、壳流速、连续相流速来改变核壳微球的尺寸大小，如：核尺寸、壳厚度、微球大小；核流速范围：0.01-20μL/min，壳流速范围：0.01-60 μL/min，连续相流速范围：1-80μL/min。

所述DPBS配制成分为：NaCl 8g，KCl 0.2g，Na₂HPO₄ 1.15g，KH₂PO₄ 0.2g 于1L蒸馏水中。

本发明基于微流控技术的明胶甲基丙烯酰胺核壳微球的制备方法，形成的核壳尺寸均一、可控。核直径可调节范围50-500μm，壳厚度可调节范围10-150 μm，微球直径可调节范围150-600μm。该技术可用于细胞分区化培养、体内微组织模型构建、血管形成、组织块移植等生物学应用。

本发明利用两相水溶液的层流性质及油水界面张力，在微流控芯片上一步形成核壳液滴，再经过光化学交联形成固化的明胶甲基丙烯酰胺壳，其核为水溶液。本发明采用一步法，在小体系下制备的明胶甲基丙烯酰胺核壳微球具有尺寸可控性好，体系均一稳定，微球区域化等优点，该技术可用于体内微组织模型构建、血管形成、组织块移植等生物学应用中发挥作用。

附图说明

图1是明胶甲基丙烯酰胺核壳微球芯片示意图。

其中，1代表连续相入口；2代表壳流体入口；3代表核流体入口；4代表微球出口；5代表连续相通道；6代表壳流体通道；7代表核流体通道；8代表层流通道；9代表主通道。

图2是实施例1的明胶甲基丙烯酰胺核壳微球实物图、微球直径分布统计图、微球壳厚度分布统计图，其中a核壳微球实物图(标尺：200μm)；b微球核直径分布统计图；c微球壳厚度分布统计图直径统计图。

图3是实施例2的明胶甲基丙烯酰胺核壳微球实物图、微球核直径分布统计图、微球壳厚度分布统计图，其中a核壳微球实物图(标尺：200μm)；b球核直径分布统计图；c微球壳厚度分布统计图直径统计图。

具体实施方式

下面的实施例将对本发明予以进一步的说明，但并不因此而限制本发明。

实施例1

本发明一种其微流控芯片，如图1所示，主要由连续相入口1、壳流体入口 2、核流体入口3、微球出口4、连续相通道5、壳流体通道6、核流体通道7、层流通道8及主通道9组成；

连续相入口1通过连续相通道5与主通道8连接，壳流体入口2、核流体入口 3分别通过壳流体通道6、核流体通道7均与层流通道8及主通道9连接；

所述的微流控芯片，连续相通道5高度和宽度分别为310μm、270μm，壳流体通道6高度和宽度分别为150μm、150μm，核流体通道7高度和宽度分别为150μm、130μm，层流通道8高度和宽度分别为150μm、150μm，主通道9 高度和宽度分别为310μm、350μm，主通道9长1cm，层流通道8长为1mm。

芯片的制备及修饰：所述的微流控芯片由上下两层不可逆封接而成，上层材料为可透光透气的PDMS聚合物，下层材料为洁净的玻璃片。PDMS层和玻璃片分别用等离子体处理15s进行封接，通道用2％的1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯硅烷疏水处理。

(1)明胶甲基丙烯酰胺材料的合成：明胶溶于DPBS溶液，然后加入甲基丙烯酸酐溶液，之后加入DPBS溶液来终止反应。随后用去离子水透析，接着将以上透析液过滤，最后将滤液冻干数天从而得到多孔的明胶甲基丙烯酰胺水凝胶材料。所述明胶浓度为0.2g/mL，甲基丙烯酸酐溶液浓度5％，明胶与甲基丙烯酸酐的质量比为5:4，甲基丙烯酸酐与首次加入的DPBS体积比为2:25，先后两次加入的DPBS体积比为1:4，甲基丙烯酸酐加入速率为0.5mL/min。透析时间为7天，过滤器孔径为0.45μm，冻干天数为3天。

(2)明胶甲基丙烯酰胺核壳微球的制备：将甲基纤维素溶于DPBS中制得甲基纤维素溶液备用，将步骤(1)中制备的多孔明胶甲基丙烯酰胺水凝胶材料和光引发剂(2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮)溶于DPBS中制得明胶甲基丙烯酰胺溶液备用；所述甲基纤维素溶液浓度为1％，2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2- 甲基苯丙酮浓度为0.5％，明胶甲基丙烯酰胺溶液浓度为8％，

所述span80浓度为2％，紫外固化时间为20s；

通过改变核流速、壳流速、连续相流速来改变核壳微球的尺寸大小，如：核尺寸、壳厚度、微球大小；核流速：2μL/min，壳流速：2μL/min，连续相流速：35μL/min。

对形成的核壳微球进行统计，包括微球核直径分布以及微球壳厚度的分布情况，其结果为：微球核直径为195.5.±9.5μm，微球壳厚度为29.7±5.1μm，结果如图2所示。

实施例2

本发明一种基于微流控技术的明胶甲基丙烯酰胺核壳微球的制备方法，其微流控芯片主要由连续相入口1、壳流体入口2、核流体入口3、微球出口4、连续相通道5、壳流体通道6、核流体通道7、层流通道8及主通道9组成；

连续相入口1通过连续相通道5与主通道8连接，壳流体入口2、核流体入口3 分别通过壳流体通道6、核流体通道7均与层流通道8及主通道9连接；

所述span80浓度为2％，紫外固化时间为20s；

通过改变核流速、壳流速、连续相流速来改变核壳微球的尺寸大小，如：核尺寸、壳厚度、微球大小；核流速：6μL/min，壳流速：2μL/min，连续相流速：20μL/min。

对形成的核壳微球进行统计，包括微球核直径分布以及微球壳厚度的分布情况，其结果为：微球核直径为312.±12.2μm，微球壳厚度为19.2±4.5μm，结果如图3所示。

Claims

1.一种微流控芯片，其特征在于：该微流控芯片主要由连续相入口(1)、壳流体入口(2)、核流体入口(3)、微球出口(4)、连续相通道(5)、壳流体通道(6)、核流体通道(7)、层流通道(8)及主通道(9)组成；

连续相入口(1)通过连续相通道(5)与主通道(9)连接，壳流体入口(2)、核流体入口(3)分别通过壳流体通道(6)、核流体通道(7)均与层流通道(8)及主通道(9)连接。

2.按照权利要求1所述的一种微流控芯片，其特征在于：连续相通道(5)、壳流体通道(6)、核流体通道(7)、层流通道(8)、主通道(9)宽度范围均为100-500μm，芯片各部分通道高度范围为50-400μm，主通道(9)长1-2cm，层流通道(8)长范围为0.5-1.5mm。

3.按照权利要求1所述的一种微流控芯片的制备方法，其特征在于：所述的微流控芯片由上下两层不可逆封接而成，上层材料为可透光透气的PDMS聚合物，下层材料为洁净的玻璃片；PDMS层和玻璃片分别用等离子体处理10-25s进行封接，通道用1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯硅烷疏水处理；所述1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯硅烷浓度为0.5％-5％。

4.一种基于微流控技术的明胶甲基丙烯酰胺核壳微球的制备方法，其特征在于采用上述微流控芯片，按照以下步骤进行：

(1)明胶甲基丙烯酰胺材料的合成：将明胶溶于DPBS溶液，然后加入甲基丙烯酸酐溶液，之后加入DPBS溶液来终止反应；随后用去离子水透析，接着将以上透析液过滤，最后将滤液冻干数天从而得到多孔的明胶甲基丙烯酰胺材料；

(2)明胶甲基丙烯酰胺核壳微球的制备：将甲基纤维素溶于DPBS中制得甲基纤维素溶液备用，将步骤(1)中制备的多孔明胶甲基丙烯酰胺水凝胶材料和光引发剂2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮溶于DPBS中制得明胶甲基丙烯酰胺溶液备用；

甲基纤维素溶液作为核流，从核流体入口(3)通入；核流速为0.01-20μL/min，含光引发剂2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮的明胶甲基丙烯酰胺溶液作为壳流，从壳流体入口(2)通入，壳流速范围：0.01-60μL/min，含span80矿物油作为连续相；从连续相入口(1)通入；连续相流速范围：1-80μL/min；通过调整流速控制两种水溶液形成稳定的层流，接着被油相截断形成液滴，随后明胶甲基丙烯酰胺溶液在出口处进行紫外光固化，故形成固化的壳。

5.按照权利要求4所述的基于微流控技术的明胶甲基丙烯酰胺核壳微球的制备方法，其特征在于步骤(1)中所述DPBS配制成分为：NaCl 8g，KCl 0.2g，Na₂HPO₄ 1.15g，KH₂PO₄0.2g溶于1L蒸馏水中。

6.按照权利要求4所述的基于微流控技术的明胶甲基丙烯酰胺核壳微球的制备方法，其特征在于步骤(1)中所述明胶浓度为0.01～0.2g/mL，甲基丙烯酸酐溶液浓度5％-10％；所述明胶与甲基丙烯酸酐的质量比为5:4，甲基丙烯酸酐与首次加入的DPBS体积比为2:25，先后两次加入的DPBS体积比为1:4，甲基丙烯酸酐加入速率为0.5mL/min。

7.按照权利要求4所述的基于微流控技术的明胶甲基丙烯酰胺核壳微球的制备方法，其特征在于步骤(1)中所述透析时间为1-10天，过滤器孔径为0.22-8μm，冻干天数为1-10天。

8.按照权利要求4所述的基于微流控技术的明胶甲基丙烯酰胺核壳微球的制备方法，其特征在于步骤(2)中所述甲基纤维素溶液浓度为0.5％-5％，2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮浓度为0.5％-5％，明胶甲基丙烯酰胺溶液浓度为4％-30％，span80浓度为0.1％-10％，紫外固化时间为10-25s。

9.按照权利要求4所述的一种基于微流控技术的明胶甲基丙烯酰胺核壳微球的制备方法，其特征在于：形成的明胶甲基丙烯酰胺核壳微球核壳尺寸均一、可控；核直径可调节范围50-500μm，壳厚度可调节范围10-150μm，微球直径可调节范围150-600μm。

10.一种基于微流控技术的明胶甲基丙烯酰胺核壳微球的应用，其特征在于该明胶甲基丙烯酰胺核壳微球可用于细胞分区化培养、体内微组织模型构建、血管形成、组织块移植及其他生物学应用。