CN112044371B - 一种制备单分散性海藻酸钙微球的装置、方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制备单分散性海藻酸钙微球的装置、方法及应用，包括同轴设置的内相玻璃管、中相玻璃管和外相玻璃管，内相玻璃管穿过第二点胶针头插入中相玻璃管中，中相玻璃管穿过第三点胶针头插入外相玻璃管中，外相玻璃管伸入收集培养皿中，内相玻璃管与第一点胶针头的内部腔体连通，中相玻璃管与第二点胶针头的内部空间连通，外相玻璃管与第三点胶针头内部空间连通，第一点胶针头、第二点胶针头及第三点胶针头与底板固定连接，本发明的装置和方法能够制备球形度较好的海藻酸钙微球。

Description

一种制备单分散性海藻酸钙微球的装置、方法及应用

技术领域

本发明涉及海藻酸钙微球制备技术领域，具体涉及一种制备单分散性海藻酸钙微球的装置、方法及应用。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

海藻酸钙凝胶微球具有良好的生物相容性和生物降解性，广泛应用于包封细胞、药物载体等，其较好的球形形貌对性能的发挥至关重要。微流控技术可以制备单分散性和球形度较好的微球，目前常见的制备海藻酸钙凝胶颗粒的方法如利用油水两相产生单分散的海藻酸钠液滴，并收集于含有交联剂的溶液中，发明人发现，该方法中液滴在穿越收集液界面时，由于重力作用和界面作用，容易形成非球形颗粒(L.Capretto,et al.Lab on AChip,2008,8(4):617-621.)。另外，还有将碳酸钙纳米颗粒分散在海藻酸钠溶液中作为内水相，利用含有有机酸的油作为外相，利用外相剪切作用先形成含有碳酸钙的海藻酸钠液滴，然后连续相的酸性条件使碳酸钙释放出钙离子并与海藻酸钠交联形成海藻酸钙微球(W.H.Tan et al.Advanced Materials,2007,19,2696-2701)。该方法虽形成球形颗粒，但存在收集凝胶微球时需对有机相进行去除和清洗等问题。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供一种制备单分散性海藻酸钙微球的装置、方法及应用，该方法简单易操作，通过微流控芯片产生双层液滴，该双层液滴能够将海藻酸钠液滴包覆于油膜中，收集后通过Ca²⁺扩散发生交联反应，用去离子水清洗、干燥即可获得球形度高、尺寸均一的海藻酸钙凝胶微球，能够避免现有制备方法中形成非球形颗粒和有机相清洗等问题。

本发明的第一目的，提供一种制备单分散性海藻酸钙微球的装置。

本发明的第二目的，提供一种制备单分散性海藻酸钙微球的方法。

本发明的第三目的，提供一种制备单分散性海藻酸钙微球的方法的应用。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

首先，本发明公开了一种制备单分散性海藻酸钙微球的装置，包括同轴设置的内相玻璃管、中相玻璃管和外相玻璃管，内相玻璃管穿过第二点胶针头插入中相玻璃管中，中相玻璃管穿过第三点胶针头插入外相玻璃管中，外相玻璃管伸入收集培养皿中，内相玻璃管与第一点胶针头的内部腔体连通，中相玻璃管与第二点胶针头的内部空间连通，外相玻璃管与第三点胶针头内部空间连通，第一点胶针头、第二点胶针头及第三点胶针头与底板固定连接。

其次，本发明公开了一种分散性海藻酸钙微球的制备方法，包括以下步骤：

将配制好的外水相通入外相玻璃管中，待外水相流体流出外相玻璃管出口时，将中间油相通入中相玻璃管，待中间油相流出中相玻璃管出口时，将内水相通入内相玻璃管；

由于流体剪切力的作用，内水相在内相玻璃管的出口处形成由中间油相包覆的单层液滴，含有单层液滴的中间油相在中相玻璃管的出口处形成外水相包覆的双层液滴，双层液滴随外水相流入收集培养皿中配置好的收集水相中；

静置后，双层液滴发生交联反应，用水清洗干燥得到海藻酸钙微球。

进一步的，所述内水相为加入十二烷基硫酸钠表面活性剂的海藻酸纳溶液，藻酸根离子的浓度为1wt％-3wt％，优选为2wt％，十二烷基硫酸钠的浓度为1wt％-3wt％，优选为2wt％。

进一步的，所述中间油相是含有道康宁749的硅油，所述道康宁749的浓度为1vt％-3vt％，优选为2vt％。

进一步的，所述外水相为聚乙烯醇溶液，聚乙烯醇的浓度为4wt％-6wt％，优选为5wt％。

进一步的，所述收集水相为氯化钙溶液、聚乙烯醇溶液及乙醇的混合溶液，所述氯化钙溶液中的钙离子浓度为1wt％-20wt％，聚乙烯醇溶液的聚乙烯醇浓度为4wt％-6wt％，优选为5wt％，氯化钙溶液与聚乙烯醇溶液按照体积比0.2-5混合后，得到氯化钙、聚乙烯醇混合溶液，将乙醇加入氯化钙、聚乙烯醇混合溶液中得到收集水相，其中乙醇与氯化钙、聚乙烯醇混合溶液的体积比为0.1-2。

本发明的有益效果：

1.本发明的制备方法，中间油相采用硅油，无毒性，且具有一定的渗透性，收集水相中允许钙离子通过油膜扩散进内水相，与海藻酸钠液滴发生交联反应，且加入表面活性剂后可稳定液滴表面，使得反应充分，且反应条件简单温和，避免了现有方法需通过超声制备钙盐颗粒，形成非球形颗粒等问题。

2.本发明的制备方法，收集水相中加入有乙醇，用于调节收集水相的密度，能够使得双层液滴悬浮在收集水相中，使其在交联反应过程中不会因为接触容器底部或者液面而发生变形，从而保证了凝胶微球极好的球形度。

3.本发明的制备方法，海藻酸钙凝胶微球由于重力作用最终会沉在收集水相底部，油膜由于密度低悬浮或漂浮在收集水相中，交联完成后用水清洗然后干燥即可得到海藻酸钙凝胶微球，避免了现有方法中需要对有机相进行充分清洗的问题。

4.本发明的制备装置，结构简单，操作方便，成本低廉，可重复使用，通过改变内水相、中间油相、外水相的流速改变液滴尺寸，进而对海藻酸钙凝胶微球尺寸进行调控。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本发明实施例1整体结构示意图；

图2为本发明实施例4制备方法流程示意图；

图3为本发明实施例4不同中间油相流速下形成的双层液滴光学显微镜图；

图4为本发明实施例4不同中间油相流速下硅油油膜厚度与流速变化关系示意图；

图5为本发明实施例4步骤4中双层液滴在收集水相中的悬浮状态图；

图6为本发明实施例4不同中间油相流速下得到的海藻酸钙微球反应完全后的光学显微镜图；

图7为本发明实施例4步骤4海藻酸钙微球形成过程图；

图8为本发明实施例5双层液滴未交联反应之前的光学显微镜图；

图9为本发明实施例5收集水相中不同钙离子浓度下制备的海藻酸钙微球反应完全后的光学显微镜图；

图10为本发明对比例1双层液滴漂浮在收集水相状态图；

图11为本发明对比例2双层液滴贴于收集水相底部的光学显微镜图；

其中，1.底板，2.第一点胶针头，3.第二点胶针头，4.第三点胶针头，5.内相玻璃管，6.中相玻璃管，7.外相玻璃管。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有的海藻酸钙微球制备方法容易形成非球形颗粒，针对上述问题，本申请提出了一种制备分散性海藻酸钙微球的装置及方法。

在一些典型实施方式中，所述单分散性海藻酸钙微球的制备方法包括以下步骤：

步骤1：将配制好的外水相通入外相玻璃管中，待外水相流体流出外相玻璃管出口时，将中间油相通入中相玻璃管，待中间油相流出中相玻璃管出口时，将内水相通入内相玻璃管；

步骤2：由于流体剪切力的作用，内水相在内相玻璃管的出口处形成由中间油相包覆的单层液滴，含有单层液滴的中间油相在中相玻璃管的出口处形成外水相包覆的双层液滴，双层液滴随外水相流入收集培养皿中配置好的收集水相中；

步骤3：静置后，双层液滴发生交联反应，用水清洗后干燥得到海藻酸钙微球。

在一些典型实施方式中，所述内水相为海藻酸钠溶液与十二烷基硫酸钠的混合溶液，所述内水相中藻酸根离子的浓度为1wt％-3wt％，优选为2wt％，所述十二烷基硫酸钠的浓度为1wt％-3wt％，优选为2wt％。

所述内水相的制备方法为：将海藻酸钠与水混合后以75-90℃加热搅拌1.5-3h，然后加入十二烷基硫酸钠作为表面活性剂，完成内水相的制备。

在一些典型实施方式中，所述中间油相是含有道康宁749的硅油，所述道康宁749的浓度为1vt％-3vt％，优选为2vt％。

发明人发现，硅油有一定的渗透性，在后续的收集水相中允许钙离子通过硅油油膜扩散进内水相，与海藻酸钠液滴发生交联反应，且加入道康宁749可稳定液滴表面，使得反应充分。

在一些典型的实施方式中，所述外水相为聚乙烯醇溶液(PVA溶液)，聚乙烯醇的浓度为4wt％-6wt％，优选为5wt％。

具体的，所述外水相的制备方法为：聚乙烯醇粉末和水混合后以75-90℃搅拌溶解1.5-3h，得到外水相。

在一些典型实施方式中，所述收集水相所述收集水相为氯化钙溶液、聚乙烯醇溶液及乙醇的混合溶液，所述氯化钙溶液中的钙离子浓度为1wt％-20wt％，聚乙烯醇溶液的聚乙烯醇浓度为4wt％-6wt％，优选为5wt％，氯化钙溶液与聚乙烯醇溶液按照体积比0.2-5混合后，得到氯化钙、聚乙烯醇混合溶液，将乙醇加入氯化钙、聚乙烯醇混合溶液中得到收集水相，其中乙醇与氯化钙、聚乙烯醇混合溶液的体积比为0.1-2。

优选的，氯化钙溶液中钙离子浓度为4wt％-6wt％，所得海藻酸钙微球的球形度最好，可得到适合医用的海藻酸钙微球的最佳配方。

发明人发现，以往的研究中，都是将氯化钙直接作为收集水相。但因本实施例方法中硅油密度为0.963g/ml，氯化钙溶液和海藻酸钠溶液密度相当，因此在收集水相中双层液滴漂浮在收集水相表面，由于界面不稳定，液滴坍塌，油膜破裂，形成“雨滴”形海藻酸钙；乙醇密度为0.816g/cm³，与硅油不相溶但能与水溶液相溶，因此加入了乙醇来调整收集水相的密度。在稳定产生双层液滴后，通过调整乙醇在收集水相中的比例，可使液滴悬浮在收集水相中，从而能够使钙离子从四周均匀扩散至微球内部，发生交联反应，形成球形度高的海藻酸钙微球。

在一些典型的实施方式中，所述步骤2中，内水相的流速为0.1-0.3mL/h，优选为0.2mL/h，外水相流速为6-8mL/h,优选为7mL/h，中间油相的流速为0.2-0.6mL/h，中间油相流速的不同会导致油膜厚度及陈化后微球粒径大小与变异系数的不同，因此本实施例通过控制中间油相流体的流速能够得到不同尺寸的高球形度微球。

在一些典型的实施方式中，所述步骤3中，静置时间不小于1h，以使得内水相的液滴与收集水相充分反映。

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步进行说明。

实施例1：

一种制备单分散型海藻酸钙微球的装置，如图1所示，包括同轴设置的内相玻璃管5、中相玻璃管6和外相玻璃管7，所述内相玻璃管穿过第二点胶针头并插入中相玻璃管中，中相玻璃管穿过第三点胶针头插入外相玻璃管中，外相玻璃管伸入收集培养皿中，所述内相玻璃管与第一点胶针头2的内部腔体连通，中相玻璃管与第二点胶针头3的内部空间连通，外相玻璃管与第三点胶针头4内部空间连通，第一点胶针头、第二点胶针头及第三点胶针头与底板固定连接。

实施例2：

一种制备单分散型海藻酸钙微球的装置，同实施例1，区别在于，第一点胶针头、第二点胶针头及第三点胶针头分别连接有一个注射器，并且注射器与流量泵连接，利用流量泵驱动各自的注射器，以便于将内水相、中间油相及外水相分别注射至第一点胶针头、第二点胶针头及第三点胶针头中。

实施例3：

一种制备单分散型海藻酸钙微球的装置，同实施例2，区别在于，所述底板为7101型号的载玻片，所述内相玻璃管5，中相玻璃管6，外相玻璃管7，均为长度50mm毛细玻璃管，且所述内相玻璃管5的内径为0.3mm，所述中相玻璃管6的内径为0.5mm，所述外相玻璃管7的内径为0.9mm。所述内相玻璃管5，中相玻璃管6，外相玻璃管7通过胶粘的方式与所述载玻片固定在一起。

实施例4：

一种制备单分散型海藻酸钙微球的方法，如图2所示，包括以下步骤：

步骤1：内水相、中间油相、外水相机收集水相的配置：

内水相的配制：称取2g海藻酸钠和98g去离子水，混合后在磁力加热搅拌器中以85℃加热搅拌1.5h，得到藻酸根离子浓度为2wt％的海藻酸钠溶液，加入2g十二烷基硫酸钠(SDS)作为表面活性剂；

中间油相的配制：以硅油为原料，加入道康宁749作为表面活性剂，道康宁749浓度为2vt％。

外水相的配制：称取5g聚乙烯醇粉末和95g去离子水，在85℃的水浴磁力搅拌器中溶解1.5h，聚乙烯醇溶液浓度为5.0wt％；

收集水相的配制：将无水氯化钙粉末加入去离子水中，形成钙离子浓度为5wt％的氯化钙溶液，将氯化钙溶液与5wt％聚乙烯醇溶液按体积比为1：1混合，将乙醇加入混合溶液中，乙醇与混合溶液体积比为1：0.6，得到收集水相。

步骤2：将配制好的外水相通入外相玻璃管中，待外相流体流出其出口时，将中间油相通入中相玻璃管，待中间油相流出其出口时，将内水相通入内相玻璃管，内水相流速固定为0.2ml/h，外水相流速固定为7ml/h，中间油相流体流速(Qc)分别为0.2、0.4、0.6ml/L，共进行三组中相流体流速下的试验。

步骤3：由于流体剪切力的作用，内向流体在内相玻璃管的出口处形成由中相流体包覆的单层液滴，含有单层液滴的中相流体在中相玻璃管的出口处形成外相流体包覆的双层液滴，随外相流体流入收集水相中；

步骤4：如图5所示，双层液滴在收集水相中处于悬浮状态，对含有双层液滴的收集水相进行静置2h，钙离子通过硅油油膜与海藻酸钠液滴发生交联反应，即双层液滴与收集水相发生交联反应，用去离子水清洗后，干燥得到海藻酸钙微球。

如图7所示，液滴进入收集水相后，如图7(a)所示，开始为双层液滴，如图7(b)所示，30min后，随着钙离子通过油膜扩散至内水相，海藻酸钙微球体积开始减小，液滴变为三层，60min后，海藻酸钙微球尺寸基本不再变化，如图7(c)所示，70min后，海藻酸钙微球开始穿过油膜，如图7(d)所示，80min时掉落在收集水相底部。

通过图3-图4可以看出，改变中间油相流速，可以调节油膜的厚度和双层液滴的大小，如图6所示，进而调节海藻酸钙微球的尺寸。

实施例5：

如图8-9所示，一种制备单分散型海藻酸钙微球的方法，同实施例4，区别在于固定中间油相流速为0.5ml/h，收集水相中钙离子浓度分别为1，5，10，20wt％。双层液滴未发生交联反应前如图7所示，1，5，10，20wt％钙离子浓度下，双层液滴发生交联反应后制备的海藻酸钙微球分别如图9(a)、图9(b)、图9(c)、图9(d)所示，经过优选，确定收集水相钙离子浓度为5wt％作为球形度最佳的配方。

对比例1：

如图10所示，将双层液滴通入无乙醇的收集水相，液滴漂浮在收集水相表面，由于界面不稳定，液滴坍塌，油膜破裂，形成非球形海藻酸钙，且无论怎样调节海藻酸钠的浓度与钙离子的浓度，得到的微球都无法获得良好的球形度。

对比例2：

二氯甲烷密度为1.33，将二氯甲烷和硅油以不同体积比混合作为中间油相，由于不同配比的油相密度不同，形成的双层液滴密度也不同，因此在收集水相中的状态(沉底、漂浮、悬浮)也不同。形成的双层液滴通入不含乙醇的氯化钙收集液中，调整中间油相配比，如图11所示，当液滴下沉到收集培养皿底部时，液滴贴在底部并变形；当液滴悬浮在收集液中时，随着二氯甲烷的蒸发，液滴逐渐上浮，最终漂浮在收集液表面，后续现象与对比例1相同。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种分散性海藻酸钙微球的制备方法，其特征在于，采用制备单分散性海藻酸钙微球的装置进行制备，所述制备单分散性海藻酸钙微球的装置包括同轴设置的内相玻璃管、中相玻璃管和外相玻璃管，内相玻璃管穿过第二点胶针头插入中相玻璃管中，中相玻璃管穿过第三点胶针头插入外相玻璃管中，外相玻璃管伸入收集培养皿中，内相玻璃管与第一点胶针头的内部腔体连通，中相玻璃管与第二点胶针头的内部空间连通，外相玻璃管与第三点胶针头内部空间连通，第一点胶针头、第二点胶针头及第三点胶针头与底板固定连接；

还包括分别用于注射内水相、中间油相和外水相的注射器，所述第一点胶针头，第二点胶针头及第三点胶针头分别连接有注射器，注射器与流量泵连接；

所述内水相为加入十二烷基硫酸钠表面活性剂的海藻酸纳溶液，所述外水相为聚乙烯醇溶液；

所述中间油相采用硅油；

制备方法包括以下步骤：将配制好的外水相通入外相玻璃管中，待外水相流体流出外相玻璃管出口时，将中间油相通入中相玻璃管，待中间油相流出中相玻璃管出口时，将内水相通入内相玻璃管；

由于流体剪切力的作用，内水相在内相玻璃管的出口处形成由中间油相包覆的单层液滴，含有单层液滴的中间油相在中相玻璃管的出口处形成外水相包覆的双层液滴，双层液滴随外水相流入收集培养皿中配置好的收集水相中；

静置后，双层液滴发生交联反应，用水清洗后干燥得到海藻酸钙微球；

所述收集水相为氯化钙溶液、聚乙烯醇溶液及乙醇的混合溶液，乙醇与氯化钙、聚乙烯醇混合溶液的体积比为0.1-2，所述乙醇用于调节收集水相的密度，使得双层液滴悬浮在收集水相中，使其在交联反应过程中不会因为接触容器底部或者液面而发生变形；

所述氯化钙溶液中的钙离子浓度为1wt％-20wt％，聚乙烯醇溶液的聚乙烯醇浓度为4wt％-6wt％，氯化钙溶液与聚乙烯醇溶液按照体积比1:1混合后，将乙醇加入氯化钙、聚乙烯醇混合溶液中得到收集水相。

2.如权利要求1所述的一种分散性海藻酸钙微球的制备方法，其特征在于，所述底板为载玻片，所述内相玻璃管、中相玻璃管、外相玻璃管均为毛细玻璃管，所述内相玻璃管、中相玻璃管，外相玻璃管与所述载玻片固定连接。

3.如权利要求1所述的一种分散性海藻酸钙微球的制备方法，其特征在于，藻酸根离子的浓度为1wt％-3wt％，十二烷基硫酸钠的浓度为1wt％-3wt％。

4.如权利要求1所述的一种分散性海藻酸钙微球的制备方法，其特征在于，所述中间油相是含有道康宁749的硅油，所述道康宁749的浓度为1vt％-3vt％。

5.如权利要求1所述的一种分散性海藻酸钙微球的制备方法，其特征在于，聚乙烯醇的浓度为4wt％-6wt％。

6.如权利要求1所述的一种分散性海藻酸钙微球的制备方法，其特征在于，双层液滴在收集水相中的静置时间不小于1h，使用水清洗，过滤后得到海藻酸钙微球。

7.如权利要求1-6任一项所述的方法制备的海藻酸钙微球在食品、制药和医学检测领域中的应用。

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