CN114534590B - 一种可控制备单分散双重乳液的旋转式套管微流控装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可控制备单分散双重乳液的旋转式套管微流控装置，包括旋转平台、嵌套注射管、收集容器和注射泵；旋转平台包括电机和水平设置的转盘，电机驱动转盘绕转盘的圆心匀速旋转；收集容器水平固定在所述转盘上，收集容器的圆心与转盘的圆心重合；嵌套注射管包括内管和外管，内管同轴嵌套于外管中，内管与外管的进口分别与两台注射泵连通，嵌套注射管的出口位于收集容器的圆心外且嵌套注射管的出口位于收集容器所盛装流体的液面以下。本发明还以该装置为基础提供了单分散双重乳液可控制备方法。本发明可使制备单分散双重乳液的微流控装置及其构建更加简易、单分散双重乳液的制备更加便捷和高效。

Description

一种可控制备单分散双重乳液的旋转式套管微流控装置及 方法

技术领域

本发明属于乳液制备领域，涉及制备单分散双重乳液的微流控装置及方法。

背景技术

双重乳液具有大液滴包裹小液滴的独特双重液滴嵌套结构，在活性物质封装、微胶囊制备、微型生化反应、药物控制释放等诸多领域具有广泛应用。通常来说，双重乳液可通过两步机械搅拌过程或者两步膜乳化过程来制备，然而这些方法难以有效实现小液滴在双重乳液内部的包封，且难以有效控制双重乳液外部大液滴和内部小液滴的尺寸、以及内部小液滴的封装数目。

近年来兴起的微流控技术可在微通道中精确操控多相流体的流动和分散，因而在双重乳液可控制备方面展现出了独特的优势。微流控制乳技术通常依赖于具有同轴共流动型、流动聚焦型以及交叉流动型等复杂几何结构微通道的微流控装置。通过在微流控装置中次序构建两级如上所述的微通道结构，再将用于产生内部小液滴的内相流体、用于产生外部大液滴的中间相流体、以及用作连续相的外相流体分别注入相应的微通道结构内，则可经两步乳化过程制得双重乳液。然而，这些微流控装置中复杂微通道结构的构建往往需要精密复杂的微制造工艺以及表面改性技术，同时，双重乳液的制备涉及到三相流体在不同微通道中的流动操控，以及其两两流体间在微通道交汇处的两步剪切过程，这通常需要专业技术人员进行精确熟练的流体操控，以防止出现分散相贴壁、连续相倒流等现象阻碍双重乳液液滴的有效形成，因而对液相流动操控具有很高要求。因而，开发更加简便而有效的微流控装置和方法以用于可控制备双重乳液具有非常重要科学意义和应用前景。

发明内容

针对现有微流控制备双重乳液技术中装置结构复杂及构建过程繁琐、以及流体操控要求高等问题，本发明提出了一种可控制备单分散双重乳液的旋转式套管微流控装置，并以该装置为基础提出了单分散双重乳液的可控制备方法，以使得制备单分散双重乳液的微流控装置及其构建更加简易、单分散双重乳液的制备更加便捷和高效。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种可控制备单分散双重乳液的旋转式套管微流控装置，包括旋转平台、嵌套注射管、收集容器和注射泵；

旋转平台包括电机和水平设置的转盘，电机驱动转盘绕转盘的圆心匀速旋转；收集容器水平固定在所述转盘上，收集容器的圆心与转盘的圆心重合；嵌套注射管包括内管和外管，内管同轴嵌套于外管中，内管与外管的进口分别与两台注射泵连通，嵌套注射管的出口位于收集容器的圆心外且嵌套注射管的出口位于收集容器所盛装流体的液面以下。

上述可控制备单分散双重乳液的旋转式套管微流控装置的技术方案中，嵌套注射管的内管和外管可为金属、聚合物、或者玻璃等材质，内管出口处的内径小于外管出口处的内径。内管出口处的内径优选为10～500μm，外管出口处的内径优选为60～1000μm。

上述可控制备单分散双重乳液的旋转式套管微流控装置的技术方案中，嵌套注射管的出口与收集容器的圆心之间的距离至少为1cm。

上述可控制备单分散双重乳液的旋转式套管微流控装置的技术方案中，收集容器的横截面呈圆形。

本发明还提供了一种基于上述旋转式套管微流控装置的单分散双重乳液可控制备方法，包括以下步骤：

将外相流体盛装于收集容器中，通过电机驱动转盘带动收集容器以及其中的外相流体绕收集容器的圆心匀速旋转；通过注射泵将内相流体和中间相流体分别经由嵌套注射管的内管和外管注入收集容器内的外相流体中，即可经液相剪切制备得到单分散双重乳液液滴；

在制备过程中，控制内相流体的流量小于中间相流体的流量，并控制电机的转速使外相流体能通过旋转剪切将内相流体及中间相流体从嵌套注射管出口处剪切脱离以形成双重乳液液滴。

上述单分散双重乳液可控制备方法的技术方案中，内相流体、中间相流体以及外相流体中的相邻两相流体为互不相溶或相互微溶的两相流体。

进一步地，以水相溶液作为内相流体、油相溶液作为中间相流体、水相溶液作为外相流体；或者，以油相溶液作为内相流体、水相溶液作为中间相流体、油相溶液作为外相流体；或者，以水相溶液作为内相流体、以互不相溶或相互微溶的两种油相溶液分别作为中间相流体和外相流体；或者，以油相溶液作为内相流体、以互不相溶或相互微溶的两种水相溶液分别作为中间相流体和外相流体；或者，以互不相溶或相互微溶的两种水相溶液分别作为内相流体和中间相流体、以油相溶液作为外相流体；或者，以互不相溶或相互微溶的两种油相溶液分别作为内相流体和中间相流体、以水相溶液作为外相流体。

更进一步地，中间相或/和外相流体中含有稳定界面的试剂，稳定界面的试剂包括表面活性剂或用于稳定界面的纳米颗粒，表面活性剂溶解于中间相或/和外相流体中，用于稳定界面的纳米颗粒均匀分散于中间相或/和外相流体中。

更进一步地，水相溶液或/和油相溶液中含有能在水相溶液或油相溶液溶解的功能聚合物、单体、增稠剂、盐、以及功能纳米颗粒中的至少一种。当在内相流体或/和中间相流体中加入前述物质时，经过上述方法制备的单分散双重乳液液滴固化后，可得到功能化的单分散聚合物微球或微囊。

在实际应用中，根据具体的应用需求确定内相流体、中间相流体及外相流体的配方，内相流体、中间相流体及外相流体的配方可参照现有技术进行确定。

在实际应用中，在旋转式套管微流控装置的结构，内相流体、中间相流体和外相流体的配方确定的情况下，可通过实验确定合适的电机的转速、内相流体和中间相流体的流量，以确保外相流体能通过旋转剪切将内相流体及中间相流体从嵌套注射管出口处剪切脱离以形成双重乳液液滴。

上述单分散双重乳液可控制备方法制备的单分散双重乳液包括单分散油包水包油双重乳液、单分散水包油包水双重乳液。

上述单分散双重乳液可控制备方法的技术方案中，通过调整收集容器绕收集容器的圆心匀速旋转的转速、嵌套注射管的出口与收集容器的圆心之间的距离、内相流体和中间相流体的流量、嵌套注射管的内管和外管的尺寸等，可以灵活控制所制备得到的单分散双重乳液的外部液滴和内部液滴的尺寸、以及内部小液滴的封装数目。通常，上述方法制备的单分散双重乳液液滴的直径在60～1000μm之间的任意值。

与现有技术相比，本发明的技术方案产生了以下有益的技术效果：

1.本发明提供了可控制备单分散双重乳液的旋转式套管微流控装置，该装置包括旋转平台、收集容器、注射泵和嵌套注射管四个简单结构。相对于现有技术而言，本发明提供的装置结构简单，其构建不需要复杂的微制造工艺和表面改性技术；同时，该方法可通过简单的流体流速调控实现双重乳液的可控制备，使得双重乳液的可控制备过程更加便捷和有效。

2.本发明提供的基于旋转式套管微流控装置的单分散双重乳液可控制备方法，巧妙利用了内相流体和中间相流体在开放式收集容器中经外相流体的剪切过程，可便捷可控制得双重乳液，所需配套设备简单，且有效避免了内相和中间相流体贴壁、以及中间相和外相流体倒流等问题，大大降低了对操作人员专业技术的要求，使得流体的操控更加便捷和灵活，因而在可控制备单分散双重乳液方面应用前景广阔。

附图说明

图1是可控制备单分散双重乳液的旋转式套管微流控装置的结构示意图，图中，1—旋转平台、2—嵌套注射管、3—收集容器、4—注射泵。

图2的a)～c)图分别实施例2制得的W/O/W双重乳液的光学显微镜图片以及双重乳液中内、外液滴的直径分布图。

图3的a)～b)图分别是实施例3制备的双重乳液以及以该双重乳液为模板制得的微胶囊颗粒的光学图片。

具体实施方式

以下通过实施例并结合附图对本发明所述可控制备单分散双重乳液的旋转式套管微流控装置，以及基于旋转式套管微流控装置的单分散双重乳液可控制备方法作进一步说明。有必要指出，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员根据上述发明内容，对本发明做出一些非本质的改进和调整进行具体实施，仍属于本发明的保护范围。

下述各实施例中采用的水溶性表面活性剂为Pluronic F-127，F-127为嵌段式聚醚F127，是聚丙二醇与环氧乙烷的加聚物，Pluronic F-127为其商品名；油溶性表面活性剂为聚蓖麻酸甘油醇酯PGPR。

实施例1

本实施例中，提供可控制备单分散双重乳液的旋转式套管微流控装置，其结构示意图如图1所示，包括旋转平台1、嵌套注射管2、收集容器3和注射泵4。

所述嵌套注射管2由内管和外管组成，内管嵌套于外管中，内管与外管同轴设置。内管由内径500μm、外径960μm的圆柱形玻璃毛细管制作，该玻璃毛细管的尾部经拉针仪拉制加工为圆锥平口，锥口内径约50μm、外径约为90μm；外管由方形玻璃管制作，该方形玻璃管的中心部位具有正方形通孔，正方形通孔横截面的尺寸为1.0×1.0mm，方形玻璃管尾部经拉针仪拉制加工为圆锥平口，锥口内径为150μm、外径为200μm；内管的锥口与外管的锥口之间的距离为360μm。

旋转平台1包括电机和水平设置的转盘，转盘呈圆形，通过电机驱动转盘绕转盘的圆心匀速旋转；收集容器3的横截面呈圆形，具体为直径20cm的玻璃培养皿，收集容器水平固定在转盘上，即培养皿的圆形底面水平固定在转盘上，培养皿的圆心与转盘的圆心重合；电机驱动转盘匀速旋转，进而带动转盘上的收集容器及收集容器中的外相流体绕收集容器的圆心匀速旋转。嵌套注射管2的内管和外管的进口分别与通过管件与两台注射泵4连通，嵌套注射管2的出口位于收集容器所盛装流体的液面以下，并且嵌套注射管2的出口与收集容器3的圆心之间的距离至少为1cm，例如可为1～9cm。

实施例2

本实施例中，以单分散水包油包(W/O/W)双重乳液的制备过程为例，说明本发明提供的单分散双重乳液可控制备方法，步骤如下：

(1)配制内相、中间相和外相流体

将Pluronic F-127与羧甲基纤维素钠溶解于去离子水中，得到内相流体，内相流体中去离子水、Pluronic F-127与羧甲基纤维素钠的质量比为1:0.01:0.003。

将乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(ETPTA)、苯甲酸苄酯(BB)、聚蓖麻酸甘油醇酯(PGPR)、2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮(HMPP)混合均匀，得到中间相流体；中间相流体中，ETPTA与BB的体积比为6:4，每1mL ETPTA与BB的混合物中含有0.2g PGPR和0.01mLHMPP。

将Pluronic F-127与羧甲基纤维素钠溶解于去离子水中，得到外相流体，外相流体中去离子水、Pluronic F-127与羧甲基纤维素钠的质量比为1:0.01:0.003。

(2)制备单分散W/O/W双重乳液

采用实施例1所述旋转式套管微流控装置制备W/O/W双重乳液，将外相流体盛装于培养皿中，控制嵌套注射管的出口位于培养皿所盛装的外相流体的液面以下，嵌套注射管的出口与培养皿的圆心之间的距离为3cm。通过电机驱动转盘带动培养皿绕培养皿的圆心以0.45r/s的转速匀速旋转，培养皿的圆心与水平设置的转盘的圆心重合，此时即带动培养皿内的外相流体绕培养皿的圆心匀速旋转，嵌套注射管出口处的外相流体的线速度为84.78mm/s；通过两台注射泵将内相流体和中间相流体分别经由嵌套注射管的内管、外管注入收集容器内的外相流体中，控制内相流体的流量为0.2mL/h，中间相流体的流量为0.7mL/h，即可在收集容器中的外相流体的旋转剪切下形成内含一个小液滴的单分散W/O/W双重乳液。

图2的a)～c)图分别本实施例制得的W/O/W双重乳液的光学显微镜图片以及双重乳液中内、外液滴的直径分布图，由图可知，本实施例制备的W/O/W双重乳液均封装有一个小液滴，且内、外液滴的尺寸均一。

实施例3

本实施例中，以内含可控数目小液滴的单分散W/O/W双重乳液的制备过程为例，说明本发明提供的单分散双重乳液可控制备方法，并以制备的W/O/W双重乳液为模板制备微胶囊，步骤如下：

(1)配制内相、中间相和外相流体

将Pluronic F-127与羧甲基纤维素钠溶解于去离子水中，得到内相流体，内相流体中去离子水、Pluronic F-127与羧甲基纤维素钠的质量比为1:0.01:0.003。

将乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(ETPTA)、苯甲酸苄酯(BB)、聚蓖麻酸甘油醇酯(PGPR)、2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮(HMPP)混合均匀，得到中间相流体；中间相流体中，ETPTA与BB的体积比为6:4，每1mL ETPTA与BB的混合物中含有0.2g PGPR和0.01mLHMPP。

将Pluronic F-127与羧甲基纤维素钠溶解于去离子水中，得到外相流体，外相流体中去离子水、Pluronic F-127与羧甲基纤维素钠的质量比为1:0.01:0.003。

(2)制备单分散W/O/W双重乳液

采用实施例1所述旋转式套管微流控装置制备W/O/W双重乳液，将外相流体盛装于培养皿中，调控嵌套注射管的出口位于培养皿所盛装的外相流体的液面以下，嵌套注射管的出口与培养皿的圆心之间的距离为3cm。通过电机驱动转盘带动培养皿绕培养皿的圆心以0.3r/s的转速匀速旋转，培养皿的圆心与水平设置的转盘的圆心重合，此时即带动培养皿内的外相流体绕培养皿的圆心匀速旋转，嵌套注射管出口处的外相流体的线速度为56.52mm/s；通过两台注射泵将内相流体和中间相流体分别经由嵌套注射管的内管、外管注入收集容器内的外相流体中，控制内相流体的流量为0.2mL/h，中间相流体的流量为0.7mL/h，即可在收集容器中的外相流体的旋转剪切下形成内含两个小液滴的单分散W/O/W双重乳液。

同样的条件下，通过调整电机驱动转盘带动培养皿绕培养皿的圆心分别以0.25r/s、0.21r/s的转速匀速旋转，此时嵌套注射管出口处的外相流体的线速度分别为47.1mm/s、39.56mm/s，即可在收集容器中的外相流体的旋转剪切下形成内含三个、四个小液滴的单分散W/O/W双重乳液。

(3)制备微胶囊

将步骤(2)所制得的内含两个、三个和四个小液滴的单分散W/O/W双重乳液用紫外光照射引发其中间相流体液滴发生聚合而固化，从而分别制得具有两个、三个和四个空腔的聚ETPTA微胶囊。

图3的a)～b)图分别为本实施例制得的内含两个、三个和四个小液滴的单分散W/O/W乳液，以及以这些双重乳液为模板所制得的聚ETPTA微胶囊的光学显微镜图片，由图可知，本实施例制备的W/O/W双重乳液结构、尺寸均一，其内部封装的小液滴数目精确可控；同时，以该双重乳液为模板所制得的聚ETPTA微胶囊的结构尺寸亦均一可控。

Claims (7)

1.一种可控制备单分散双重乳液的旋转式套管微流控装置，其特征在于，包括旋转平台（1）、嵌套注射管（2）、收集容器（3）和注射泵（4）；

旋转平台（1）包括电机和水平设置的转盘，电机驱动转盘绕转盘的圆心匀速旋转；收集容器（3）水平固定在所述转盘上，收集容器（3）的圆心与转盘的圆心重合；嵌套注射管（2）包括内管和外管，内管同轴嵌套于外管中，内管与外管的进口分别与两台注射泵（4）连通，嵌套注射管（2）的出口位于收集容器（3）的圆心外且嵌套注射管（2）的出口位于收集容器所盛装流体的液面以下；

嵌套注射管的出口与收集容器的圆心之间的距离至少为1cm；内管出口处的内径小于外管出口处的内径，内管出口处的内径为10~500 μm，外管出口处的内径为60~1000 μm。

2.根据权利要求1所述可控制备单分散双重乳液的旋转式套管微流控装置，其特征在于，收集容器的横截面呈圆形。

3.一种基于旋转式套管微流控装置的单分散双重乳液可控制备方法，其特征在于，该方法采用权利要求1或2所述旋转式套管微流控装置制备单分散双重乳液，包括以下步骤：

将外相流体盛装于收集容器中，通过电机驱动转盘带动收集容器以及其中的外相流体绕收集容器的圆心匀速旋转；通过注射泵将内相流体和中间相流体分别经由嵌套注射管的内管和外管注入收集容器内的外相流体中，即可经液相剪切制备得到单分散双重乳液液滴；

在制备过程中，控制内相流体的流量小于中间相流体的流量，并控制电机的转速使外相流体能通过旋转剪切将内相流体及中间相流体从嵌套注射管出口处剪切脱离以形成双重乳液液滴。

4.根据权利要求3所述基于旋转式套管微流控装置的单分散双重乳液可控制备方法，其特征在于，内相流体、中间相流体以及外相流体中的相邻两相流体为互不相溶或相互微溶的两相流体。

5.根据权利要求4所述基于旋转式套管微流控装置的单分散双重乳液可控制备方法，其特征在于，以水相溶液作为内相流体、油相溶液作为中间相流体、水相溶液作为外相流体；或者，以油相溶液作为内相流体、水相溶液作为中间相流体、油相溶液作为外相流体；或者，以水相溶液作为内相流体、以互不相溶或相互微溶的两种油相溶液分别作为中间相流体和外相流体；或者，以油相溶液作为内相流体、以互不相溶或相互微溶的两种水相溶液分别作为中间相流体和外相流体；或者，以互不相溶或相互微溶的两种水相溶液分别作为内相流体和中间相流体、以油相溶液作为外相流体；或者，以互不相溶或相互微溶的两种油相溶液分别作为内相流体和中间相流体、以水相溶液作为外相流体。

6.根据权利要求5所述基于旋转式套管微流控装置的单分散双重乳液可控制备方法，其特征在于，中间相或/和外相流体中含有稳定界面的试剂，稳定界面的试剂包括表面活性剂或用于稳定界面的纳米颗粒。

7.根据权利要求5所述基于旋转式套管微流控装置的单分散双重乳液可控制备方法，其特征在于，水相溶液或/和油相溶液中含有能在水相溶液或油相溶液溶解的功能聚合物、单体、增稠剂、盐、以及功能纳米颗粒中的至少一种。

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