CN113499697B - 一种水包水包水单分散双重乳液及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水包水包水(W/W/W)单分散双重乳液及其制备方法，属于全水相单分散双重乳液制备技术领域，该制备方法通过外水相溶液、中间水相溶液和内水相溶液在微管型三重同轴环绕毛细管装置的锥尖出口处，一步生成水包水包水(W/W/W)单分散双重乳液；其中，中间水相溶液和内水相溶液的输出方式为同步间断式输出。本发明提供的水包水包水(W/W/W)单分散双重乳液的制备方法具有简便快捷，乳液均一稳定，乳液大小和内水相液滴直径可分别于250～500μm和110～300μm区间范围实现灵活精准可控的特点，可有效解决现有制备技术中存在的双水相间界面张力极低、制备难度大、不适合高通量批量生产的问题。

Description

一种水包水包水单分散双重乳液及其制备方法

技术领域

本发明涉及全水相单分散双重乳液制备技术领域，具体涉及到一种水包水包水（W/W/W）单分散双重乳液及其制备方法。

背景技术

液滴微流控技术的最新进展已实现了液滴的连续生成，并可以精确控制液滴的大小和组成。微流控液滴以其比表面积大，结构，大小，组成及凝胶化过程均可控，试剂消耗量少等诸多优势已被广泛应用于组织工程，3D细胞培养，药物输送等生物医学领域。近年来，随着微流控技术的快速发展，研究者们已经可以通过微流控装置或PDMS芯片技术制备出大小均一且结构更为复杂的乳液。

近些年，液滴微流控技术快速发展，但大部分人都集中在双重油水乳液或双水相乳液的制备，却未见可精确调控且生物相容的水包水包水（W/W/W）双重乳液的研究报道，其原因在于双水相间界面张力极低，制备难度大。2019年，有研究者通过电磁阀产生的振荡作用克服双水相间极低的界面张力以诱导w/w/w射流破裂，从而在玻璃管中段获得水包水包水双重乳液，但是震荡作用不能使乳液在锥口处直接生成，且依靠外力作用影响管内流体，无法达到精确控制乳液模板尺寸的效果。同年，其他研究者通过微流体电喷雾技术制备了利用双组分蛋白质稳定的水包水（W/W）单乳液，但是同轴电喷雾技术缺乏有效的颗粒收集方法和喷嘴设计，阻碍了多层微球的批量生产。2020年，有研究者使用PDMS芯片制备了含有多个水核心的油包水包水(W/W/O)双重乳液，但涉及使用油相提高剪切力以形成乳液，在进行体外3D细胞培养时仍需要清洗过程，不利于细胞生长，影响了微胶囊的生物相容性，并且PDMS装置昂贵复杂，在大规模高通量生产时并不经济实用。

发明内容

针对上述不足，本发明的目的是提供一种水包水包水(W/W/W)单分散双重乳液及其制备方法，可有效解决现有水包水包水(W/W/W)单分散双重乳液制备技术中存在的双水相间界面张力极低、制备难度大、不适合高通量批量生产的问题，同时本发明提供的水包水包水(W/W/W)单分散双重乳液的制备方法具有简便快捷，乳液均一稳定，乳液大小和内水相液滴直径可分别于250~500 μm和110~300 μm区间范围实现灵活精准可控的特点。

为达上述目的，本发明采取如下的技术方案：

本发明提供一种水包水包水(W/W/W)单分散双重乳液的制备方法，通过外水相溶液、中间水相溶液和内水相溶液在微管型三重同轴环绕毛细管装置的锥尖出口处，一步生成水包水包水(W/W/W)单分散双重乳液；其中，中间水相溶液和内水相溶液的输出方式为同步间断式输出。

本发明上述的中间水相溶液和内水相溶液的输出方式为同步间断式输出意为采用如空气泵等装置对中间水相溶液和内水相溶液同时进行外部控制，使两者在制备水包水包水(W/W/W)单分散双重乳液过程中进行同步地间断式输出；同时，应当注意的是，本发明中所述的“间断式输出”与“间歇式输出”“脉冲式输出”等类似表达相同，均属于本发明保护的范围。

进一步地，上述水包水包水(W/W/W)单分散双重乳液的制备方法，具体包括以下过程：

将外水相溶液、中间水相溶液和内水相溶液分别通过管路与微管型三重同轴环绕毛细管装置的进料口连接，同时通过空气泵设置内水相溶液和中间水相溶液的气压以及注射泵设置外水相溶液的流速，于微管型三重同轴环绕毛细管装置的锥尖出口处，即可。

进一步地，内水相溶液的气压为35~55 kPa，优选为35 kPa；中间水相溶液的气压75~115 kPa，优选为75 kPa；外水相溶液的流速为50~90 μL/min，优选为70 μL/min。

进一步地，外水相溶液、中间水相溶液、内水相溶液三者均为可通过自发分相形成双水相体系（ATPs）的水相溶液；其中，双水相体系（ATPs）为聚乙二醇（PEG）/葡聚糖（Dex）体系。

进一步地，内水相溶液为聚乙二醇（PEG）水溶液，中间水相溶液为葡聚糖（Dex）水溶液。

进一步地，外水相溶液为聚乙二醇水溶液。

进一步地，聚乙二醇水溶液中溶质的质量分数为8~12 wt%，葡聚糖水溶液中溶质的质量分数为8~12 wt%。

进一步地，聚乙二醇分子量8~10 kDa，优选为8 kDa；葡聚糖分子量为500~600kDa，优选为500 kDa。

本发明还提供上述制备方法制得的水包水包水(W/W/W)单分散双重乳液。

综上所述，本发明具有以下优点：

1、本发明提供一种水包水包水(W/W/W)单分散双重乳液的微流控制备方法，该制备方法充分利用聚乙二醇（PEG）水溶液作为内水相溶液和外水相溶液，葡聚糖（Dex）水溶液作为中间水相溶液，通过聚乙二醇（PEG）/葡聚糖（Dex）两者的不同化学属性，在一定温度、浓度等合适的物理条件下，聚乙二醇（PEG）/葡聚糖（Dex）水溶液可自发分相从而形成双水相体系（ATPs），同时结合如空气泵等外部装置控制内水相溶液和中间水相溶液进行同步间断式输出，为内水相溶液和中间水相溶液提供双相气剪作用，在三重同轴毛细管装置的锥口处（由于三相出口均在同一位置，故乳液一步产生），利用空气泵双间断相的气剪作用和外水相的剪切作用，中间水相会包裹着内水相被气体推出然后被外水相的剪切作用切断形成双重乳化液滴，一次性生成水包水包水（W/W/W）乳液（本发明将上述采用如空气泵同时控制内水相溶液和中间水相溶液同步间断式输出的策略称之为双间断相微流控策略），从而有效克服了水-水界面超低的界面张力的问题。

2、与其他制备双重乳液的方法相比，本发明提供的制备方法具有一步法制备，简便快捷，乳液均一稳定，双重乳液壳层与核心直径可控的优势，其范围分别在250~500 μm和110~300 μm区间。

3、本发明所述方法制备的水包水包水（W/W/W）双重乳液，具有优异的生物相容性全水相体系和界面，且在形成乳液之前三个水相液体不会发生接触（与渗透驱动相分离技术形成的多层乳液相比具有显著优势）；在组织工程，3D细胞培养，药物输送等领域会有广泛应用。

4、本发明所述的双间断相微流控策略可有效克服水-水界面张力极低的技术难点同时保证胶囊的生物相容性，其操作控制精准，易于工业化批量生产。

附图说明

图1 是本发明中制备方法的微流控原理示意图。

图2 是本发明中制备方法的装置组装实例图。

图3 是实施例1中双间断相微流控策略和图2所示微流控装置所制备的水包水包水（W/W/W）双重乳液显微镜图片。

图4为定义水包水包水双重乳液单分散性的数据（D1：双重乳液壳层长轴直径；D2：双重乳液壳层短轴直径；D3：双重乳液核心长轴直径；D4：双重乳液核心短轴直径）。

图5为典型的水包水包水双重乳液的光学显微镜照片。

图6为说明双重乳液壳层长轴直径具有单分散性的直方图。

图7为说明双重乳液壳层短轴直径具有单分散性的直方图。

图8为说明双重乳液核心长轴直径具有单分散性的直方图。

图9为说明双重乳液核心短轴直径具有单分散性的直方图。

图10是本发明所述方法在微流控装置锥口处一步法生成双重乳液示意图。

图11是实施例3中控制中间相水溶液气压为75kPa，外相水溶液流速为70μL/min，在35~55 kPa范围内调整内相水溶液气压的测试结果图。

图12是实施例3中控制内相水溶液气压为35kPa，外相水溶液流速为70μL/min，在75~115 kPa范围内调整中间相水溶液气压的测试结果图。

图13是实施例3中控制内相水溶液气压为35kPa，中间相水溶液气压为75kPa，在50~90μL/min范围内调整外相水溶液流速的测试结果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

因此，以下对提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本例提供一种水包水包水(W/W/W)单分散双重乳液的微流控制备方法，其原理示意图如图1所示（其中，CMC和Ala代表两种水凝胶前体，CaCl₂的作用为提供一种二价阳离子扩散进入w/w/w乳液模板，与CMC和Ala发生阳离子交换反应进而在w/w/w乳液模板内形成水凝胶，以达到长期稳定乳液模板的作用。）本例利用聚乙二醇（PEG）/葡聚糖（Dex）两者的不同化学属性，在一定温度、浓度等合适的物理条件下，聚乙二醇（PEG）/葡聚糖（Dex）水溶液可自发分相从而形成双水相体系（ATPs），结合空气泵为内水相溶液和中间水相溶液提供的双相气剪作用，以PEG水溶液分别作为外水相和内水相，Dex水溶液作为中间水相，在三重同轴毛细管装置的锥口处（由于三相出口均在同一位置，故乳液一步产生），利用空气泵双间断相的气剪作用和外水相的剪切作用，中间水相会包裹着内水相被气体推出然后被外水相的剪切作用切断形成双重乳化液滴，一次性生成水包水包水（W/W/W）乳液；并且通过注射泵控制外相流速，通过空气泵控制中间相和内相气压来调控乳液大小和内水相液滴直径，直接生成直径为250~500 μm的水包水包水(W/W/W)乳液，内水相液滴直径可控制在110~300 μm之间，且乳液提供了一个全水相系统。

本例水包水包水(W/W/W)单分散双重乳液的微流控制备方法，具体包括以下步骤：

S1溶液的配置：分别配制质量分数为8 wt%的聚乙二醇水溶液和8 wt%的葡聚糖水溶液（Dex溶液）；在磁力搅拌器上充分混合后，静止12小时分相；上相为聚乙二醇水溶液，下相为葡聚糖水溶液；分别抽取上相聚乙二醇水溶液和下相葡聚糖水溶液于两个螺口瓶内分别作为内水相和中间水相备用；抽取上相相聚乙二醇水溶液于10 ml注射器内作为外水相备用；

S2水包水包水（W/W/W）乳液的制备：取甲，乙两个螺口瓶和1个10 mL注射器丙，甲中抽取5 mL上述S1中PEG溶液，乙中抽取5mL上述S1中Dex溶液，分别固定于空气泵装置中，丙吸取上述S1中PEG溶液置于注射泵内；设置甲的气压为35 kPa，乙的气压为75 kPa，丙的流速为70 μl/min，通过图2所示的装置即可在外水相进料管内形成水包水包水(W/W/W)单分散双重乳液；其中，在微流控装置锥口处一步法生成水包水包水(W/W/W)单分散双重乳液示意图如图10所示。

本实施例制备的水包水包水（W/W/W）双重乳液显微镜图片，如图3所示，从图3中可以看出，在连续的PEG水相中分散有尺寸均一的分散相液滴，并且壳层的Dex液滴内封装有尺寸均一的PEG核心液滴。其中，壳层长轴直径主要分布在270 μm，壳层短轴直径主要分布在250 μm，核心长轴直径主要分布在150 μm，核心短轴直径主要分布在120 μm。

实施例2

本例在实施例1的制备方法基础上，考察本发明中乳液单分散性和尺寸分布的正态分布关系。具体过程为：分别配制质量分数为8 wt%的聚乙二醇水溶液和8 wt%的葡聚糖水溶液（Dex溶液）；在磁力搅拌器上充分混合后，静止12小时分相；上相为聚乙二醇水溶液，下相为葡聚糖水溶液；分别抽取上相聚乙二醇水溶液和下相葡聚糖水溶液于两个螺口瓶内分别作为内水相和中间水相备用；抽取上相聚乙二醇水溶液于10 ml注射器内作为外水相备用；将外水相溶液、中间水相溶液和内水相溶液分别通过管路与微管型三重同轴环绕毛细管装置（图2所示）的进料口连接，同时通过空气泵设置内水相溶液和中间水相溶液的气压以及注射泵设置外水相溶液的流速；设置内水相的气压为35 kPa，中间水相的气压为75kPa，外水相的流速为70 μl/min，获得60个w/w/w双重乳液；分别测量60个w/w/w双重乳液的壳层长轴直径、壳层短轴直径、核心长轴直径、核心短轴直径，并进行数据整理。

测试结果如图4-9所示，由图4-9可知（其中，D1：双重乳液壳层长轴直径；D2：双重乳液壳层短轴直径；D3：双重乳液核心长轴直径；D4：双重乳液核心短轴直径）：当设置内水相的气压为35 kPa，中间水相的气压为75 kPa，外水相的流速为70 μl/min时，本发明制得的w/w/w双重乳液的壳层长轴直径主要分布在270 μm，壳层短轴直径主要分布在250 μm，核心长轴直径主要分布在150 μm，核心短轴直径主要分布在120 μm。

实施例3

本例在实施例2的制备方法基础上，考察本发明中乳液壳层与核心尺寸可通过调整气压和流速参数而在250~500 μm和110~300 μm区间范围实现灵活精准可控。首先，控制中间相水溶液气压为75 kPa，外相水溶液流速为70 μL/min，在35~55 kPa范围内调整内相水溶液气压，以精确调控乳液壳层与核心尺寸。其次，控制内相水溶液气压为35 kPa，外相水溶液流速为70 μL/min，在75~115 kPa范围内调整中间相水溶液气压，以精确调控乳液壳层与核心尺寸。最后，控制内相水溶液气压为35 kPa，中间相水溶液气压为75 kPa，在50~90μL/min范围内调整外相水溶液流速，以精确调控乳液壳层与核心尺寸。

测试结果如图11-13所示，由图11-13可知，在气压和流速参数的调整范围内，乳液壳层与核心尺寸可分别在250~500 μm和110~300 μm区间范围实现灵活精准可控。

通过上述实验结果表明：本发明提供的水包水包水(W/W/W)单分散双重乳液的制备方法具有简便快捷，乳液均一稳定，乳液大小和内水相液滴直径可分别于250~500 μm和110~300 μm区间范围实现灵活精准可控。

以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本领域的技术人员不经创造性劳动即对所描述的具体实施例做的修改或补充或采用类似的方式替代仍属本专利的保护范围。

Claims (2)

1.一种水包水包水单分散双重乳液的制备方法，其特征在于，通过外水相溶液、中间水相溶液和内水相溶液在微管型三重同轴环绕毛细管装置的锥尖出口处，一步生成水包水包水单分散双重乳液；其中，中间水相溶液和内水相溶液的输出方式为同步间断式输出；

具体包括以下过程：

将外水相溶液、中间水相溶液和内水相溶液分别通过管路与微管型三重同轴环绕毛细管装置的进料口连接，同时通过空气泵设置内水相溶液和中间水相溶液的气压以及注射泵设置外水相溶液的流速，于微管型三重同轴环绕毛细管装置的锥尖出口处，即可；

所述外水相溶液、所述中间水相溶液、所述内水相溶液三者均为通过自发分相形成双水相体系的水相溶液，所述双水相体系为聚乙二醇/葡聚糖双水相体系，所述内水相溶液为聚乙二醇/CMC混合水溶液，所述内水相溶液中的溶质的质量分数为8~12 wt%；所述中间水相溶液为葡聚糖/Ala混合水溶液，所述中间水相溶液中溶质的质量分数为8~12 wt%；所述外水相溶液为聚乙二醇水溶液；所述内水相溶液的气压为35~55 kPa，所述中间水相溶液的气压75~115 kPa，所述外水相溶液的流速为50~90 μL/min。

2.采用权利要求1所述的水包水包水单分散双重乳液的制备方法制得的水包水包水单分散双重乳液。

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