CN114349976B - 一种静电辅助微流控制备纳米级高分子囊泡的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于高分子囊泡制备领域，公开了一种静电辅助微流控制备纳米级高分子囊泡的方法。所述方法为包括以下步骤：将带电相、第二油相和连续相注入带有静电发生装置的微流控装置；控制三种溶液的流速，将带电相分散于第二油相中形成油包水型乳液，然后再将油包水型乳液分散于连续相中制备水包油包水型双乳液模板，待溶剂挥发后制备得到纳米级高分子囊泡。本发明将静电喷射技术与微流控乳液模板法结合，解决已公开技术中乳液模板法无法一步可控制备纳米级高分子囊泡的难题，该方法可以连续化、规模化生产，操作简便。

Description

一种静电辅助微流控制备纳米级高分子囊泡的方法

技术领域

本发明属于高分子囊泡制备领域，特别涉及一种静电辅助微流控制备纳米级高分子囊泡的方法。

技术背景

高分子囊泡(Polymer Vesicles或Polymersomes)是由双分子膜组装成的中空球体，它的膜壳通常是具有两亲性的嵌段共聚物自组装而成，呈现“三明治”结构。膜层中间是是由憎水链段紧密堆积形成的疏水层，膜的两侧分布呈现舒展的分子刷状的亲水链段。传统的溶剂交换法(Solvent Exchange)和膜再水合法(Film Rehydration)获得的高分子囊泡尺寸分布可从纳米级到微米级，且不同批次质量不可重复，造成载药效果和效率不可控。而在生物医药领域，一些小尺寸(50～250nm)的纳米级高分子囊泡可以被细胞胞吞并将内含物(药物或基因)释放到细胞内部进行给药和基因治疗。因此可控制备纳米级高分子囊泡具有重要应用价值。近年来，采用微流控技术可在微米级孔道内创造稳定的流体的环境，减少不可控因素的干扰，为批量制备尺寸均一的高分子囊泡提供技术支持，如乳液相转移法，乳液模板法、纳米沉积法等。

微流控技术是利用瑞利-普拉陶不稳定性，即液柱在界面张力的作用下破碎小液滴的自然现象。乳液模板法即利用瑞利-普拉陶不稳定性(Rayleigh-PlateauInstability)原理在微流控装置中流体在受到粘弹力、表面张力以及剪切力作用下，制得水包油包水型(w/o/w)双乳液模板以制备高分子囊泡的方法。在双乳液模板中第二油相包含有嵌段共聚物的良溶剂和不良溶剂，良溶剂易溶解在水中，导致第二油相中不良溶剂的所占比例上升，改变了双乳液中水油界面的界面能，使得双乳液从完全湿润的状态转变为部分湿润状态(Dewetting)，最终不良溶剂会带着多余的嵌段共聚物脱离双乳液形成高分子囊泡。采用双乳液模板法制备得到的高分子囊泡尺寸均一，但此方法受到孔道直径的限制，制备获得的双乳液模板法尺寸在获得的5～300μm，限制了该方法获得的高分子囊泡的尺寸局限在5～300μm，以及在医药领域的应用。

对于探索克服乳液模板法的局限性制解决办法，如乳液模板法结合挤出法，将乳液模板法获得的微米级高分子囊泡逐级从纳米滤孔中挤出来获得纳米级高分子囊泡。然而，挤出过程中无法证实高分子囊泡是否破碎，所负载的药物是否泄露。

需要采用一种方法可以将乳液模板法中的双乳液模板尺寸降低至纳米尺寸，来可控制备纳米级高分子囊泡。

本发明创新地采用静电辅助微流控技术，利用静电力协助破碎液滴达到缩小双乳液模板来制备纳米级高分子囊泡的目的。当施加电场时，在尖端的水油界面被充电，随着界面上的电荷增加，水油界面会由于电场力、粘弹力、水油界面的剪切力以及表面张力的共同作用下发生形变形成泰勒锥，而继续增加电场力后，泰勒锥锥尖会被加速形成射流；并进一步由于瑞利不稳定性(Rayleigh Instabilit y)，射流发生破碎行为而分裂成为更小的液滴，因而可通过更小的液滴来实现制备纳米级的双乳液模板和进一步制备纳米级高分子囊泡的目的。

发明内容

一种静电辅助微流控制备纳米级高分子囊泡的方法，包括以下步骤：

将带电相(第一水相)、第二油相和连续相(第三水相)注入带有静电发生装置的微流控装置；控制三种溶液的流速，将带电相分散于第二油相中形成油包水型(o/w)乳液，然后再将油包水型乳液分散于连续相中制备水包油包水型(w/o/w)双乳液模板，待溶剂挥发后制备得到纳米级高分子囊泡。

本方法中，带电相、连续相和第二油相互不相溶或溶解性低，带电相在静电力的诱导下分散于第二油相中形成油包水型(o/w)乳液，油/水乳液分散于连续相中制备水包油包水型(w/o/w)双乳液模板，溶剂挥发后制备得到粒径均一的纳米级高分子囊泡。

所述带电相含有表面活性剂、药物分子或荧光染料等；优选的，所述表面活性剂为聚乙烯醇溶液，所述药物分子包含但不限于生物分子、纳米粒子或者水溶性药物。更优选的，所述水溶性药物包括但不限于阿霉素和/或紫杉醇；所述生物分子包括但不限于蛋白、基因片段、多肽和生长因子中的至少一种，所述荧光染料为罗丹明和/或尼罗红。

所述连续相中含有表面活性剂，在水油界面处防止乳液融合或者聚集，可为阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、两性离子表面活性剂或非离子型表面活性剂等。优选的，所述表面活性剂为聚乙烯醇溶液。

所述第二油相中含有嵌段共聚物和疏水性药物分子，例如嵌段共聚物或者嵌段共聚物及疏水均聚物脂溶性药物分子等，构建纳米级高分子囊泡的双分子膜。优选的，所述嵌段共聚物为mPEG-PLA，mPEG-PCL，PS-PEG，PS-PAA，PLA-mPEG-PLA，PCL-mPEG-PCL中的至少一种；所述第二油相中的溶剂为三氯甲烷、二氯甲烷、甲苯、二恶烷、正己烷、四氢呋喃、乙酸乙酯和正丁醇中的至少一种。

所述微流控装置可以为流体聚焦型，同轴共流体型，错流剪切型等，连接有静电发生装置。

优选的，所述微流控装置为流体聚焦型，包括金属毛细管组成的进液管，玻璃毛细管组成的玻璃出液管和玻璃流动腔，并连接有静电发生装置。

所述金属喷嘴位于进液管，所述玻璃流动腔、金属喷嘴和玻璃出液管的中轴线处于同一直线；所述静电发生装置一端连接金属喷嘴，另一端连接流动腔上的聚焦环，玻璃出液管连接液体收集装置。

所述进液管负载带电相，所述流动腔一侧通入第二油相，另一侧通入连续相；三相汇聚于玻璃出液管中，经剪切力与静电力相互作用下形成纳米级双乳液模板；

所述带电相与第二油相注入速率比在1.5：1～20：1之间，第二油相与连续相注入速率比在1：3～15：1之间。

所述静电发生装置为高压电源或变压器等，产生的静电压范围为1～50kv，优选为3～40kv；更优选为10～30kv。

本发明所得纳米级高分子囊泡可用于多种应用，例如药物递送(例如纳米粒子、生物分子等)、纳米反应器、材料制备、生物细胞建模等。

本发明优点：

本发明创新性地将静电喷射技术与微流控乳液模板法结合，解决已公开技术中乳液模板法无法一步可控制备纳米级高分子囊泡的难题，该方法可以连续化、规模化生产，操作简便。

附图说明

图1为本发明实施例中所使用微流控的装置示意图。

图2为实施例1制备的纳米级高分子囊泡透射电镜图。

图3为实施例1制备的纳米级乳液模板透射电镜图。

图4为对比例1制备的微胶囊透射电镜图。

图5为实施例2制备的纳米级高分子囊泡透射电镜图。

具体实施方式

实施例1

1)同轴流体共聚焦型微流控装置，包括底座、金属进液管、金属喷嘴、玻璃出液管和玻璃流动腔以及若干转接头、垫片；金属进液管内径为100μm，玻璃出液管内径为300μm，玻璃流动腔内径为500μm；玻璃流动腔、金属喷嘴和玻璃出液管的中轴线处于同一直线，金属喷嘴，出液管以及流动腔通过转接头、垫片零件连接；金属喷嘴连接静电发生装置，玻璃出液管连接液体收集装置。所述微流控装置荷电方式为接触荷电。

2)带电相与连续相为5wt％聚乙烯醇溶液，第二油相为甲苯、氯仿体积比2：1的10mg/mL PEG₅₀₀₀-PDLLA₅₀₀₀溶液。

3)带电相流速范围0.5mL/h，第二油相流速为0.3mL/h，连续相的流速为2.5mL/h。

4)所述静电发生装置电压在20kv。

获得纳米级双乳液的模板，待溶剂挥发，去湿润获得纳米级高分子囊泡。所述纳米级高分子囊泡平均粒径为250nm。

实施例2

与实施例1装置参数相同情况下：

1)带电相与连续相为5wt％聚乙烯醇溶液。

2)将20mg PEG₅₀₀₀-PDLLA₁₂₀₀₀和100μg尼罗红加入2mL的甲苯、氯仿混合溶剂中(体积比2：1)，机械搅拌120min，得到第二油相。

3)带电相流速范围0.5mL/h，第二油相流速为0.15mL/h，连续相的流速为2.5mL/h。

4)所述静电发生装置电压在30kv。

该条件下获得纳米级双乳液的模板，溶剂挥发后，获得高分子囊泡，平均粒径为42nm。

对比例1

与实施例1装置参数相同情况下：

1)带电相与连续相为5wt％聚乙烯醇溶液，第二油相为甲苯、氯仿体积比2：1的10mg/mL PEG₅₀₀₀-PDLLA₁₂₀₀₀溶液。

2)带电相流速范围5.5mL/h，第二油相流速为1mL/h，连续相的流速为4.4mL/h，不加电压。

由于没有额外的静电力的协助破碎，流体仅在表面张力、粘弹力和表面张力的作用下产生了微米级双乳液模板，最后形成核壳结构的130～220μm直径的微胶囊。

综上，本发明专利提供的一种静电辅助微流控，一步法制备纳米级高分子囊泡的方法，创造性的运用了静电力协助制备了纳米级乳液模板，解决已公开技术中乳液模板法无法一步可控制备纳米级高分子囊泡的难题，该方法操作简单，可控连续化生产纳米级高分子囊泡，具有极大的商业价值。

上述实例为本发明专利较佳的实施方式，但本发明专利的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的未背离本发明专利的精神与原理所作的改变、修饰、替代、组合、简化、均应为等效的置换方式，都包含在本发明专利的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种静电辅助微流控制备纳米级高分子囊泡的方法，其特征在于包括以下步骤：

将带电相、第二油相和连续相注入带有静电发生装置的微流控装置；控制三相溶液的流速，将带电相分散于第二油相中形成油包水型乳液，然后再将油包水型乳液分散于连续相中制备水包油包水型双乳液模板，待溶剂挥发后制备得到纳米级高分子囊泡；所述带电相含有表面活性剂、药物分子或荧光染料；所述连续相中含有表面活性剂，所述第二油相中含有嵌段共聚物和疏水性药物分子；所述嵌段共聚物为mPEG-PLA，mPEG-PCL，PS-PEG，PS-PAA，PLA-mPEG-PLA和PCL-mPEG-PCL中的至少一种。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述微流控装置为流体聚焦型、同轴共流体型或错流剪切型，并连接有静电发生装置。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述微流控装置为流体聚焦型，包括金属毛细管组成的进液管，玻璃毛细管组成的玻璃出液管和玻璃流动腔，并连接有静电发生装置。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：金属喷嘴位于进液管，所述玻璃流动腔、金属喷嘴和玻璃出液管的中轴线处于同一直线；所述静电发生装置一端连接金属喷嘴，另一端连接玻璃流动腔上的聚焦环，玻璃出液管连接液体收集装置。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述进液管负载带电相，所述玻璃流动腔一侧通入第二油相，另一侧通入连续相；三相汇聚于玻璃出液管中，经剪切力与静电力相互作用下形成纳米级双乳液模板。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述带电相与第二油相注入速率比为1.5：1～20：1，第二油相与连续相注入速率比为1：3～15：1。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述静电发生装置为高压电源或变压器，产生的静电压范围为1~50kv。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述药物包含生物分子、纳米粒子或者水溶性药物；带电相和连续相中所述表面活性剂为阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、两性离子表面活性剂或非离子型表面活性剂。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述水溶性药物包括阿霉素和/或紫杉醇；所述生物分子包括蛋白、基因片段、多肽和生长因子中的至少一种；第二油相溶剂包括三氯甲烷、二氯甲烷、甲苯、二恶烷、正己烷、四氢呋喃、乙酸乙酯和正丁醇中的一种或者两种以上；带电相和连续相中所述的表面活性剂为聚乙烯醇溶液。