一步法制備生物相容油核微膠囊及其可控釋放

石盼，顏肖瀟，王行政，馮樂耘，陳東，2

（1 浙江大學能源工程學院，浙江杭州310027； 2 浙江大學流體動力與機電系統國家重點實驗室，浙江杭州310027）

引 言

具有核殼結構的微膠囊可以裝載各種活性物質，將活性物質包裹在一個小型密封的微膠囊殼層內，從而保護活性物質不受外界環境的影響，并且控制活性物質的釋放[1-2]。當對微膠囊施加振動、改變溫度或者改變pH 等刺激時，可以破壞微膠囊的殼層結構，從而控制囊內活性物質的釋放[3-6]。微膠囊技術適用于各種場景下活性物質的傳遞，有助于提高活性物質的存儲時間，并且在適當場合下釋放活性物質，在食品、生物、醫藥等領域具有重要的應用價值[7-11]。

微膠囊的制備方法通常分為自下而上和自上而下兩種方法[12]。傳統制備微膠囊通常采用自下而上的方法，通過兩次剪切制備得到雙乳模板。以油核微膠囊為例，首先將油相在水相中剪切乳化形成油相液滴，然后將包含油相液滴的水相在另一種油相中剪切乳化，從而得到包裹油核的微膠囊[13]。自下而上方法制備微膠囊較容易實現規模化生產，但由于在自下而上方法制備微膠囊的過程中，無法準確控制剪切作用，因此無法準確控制每個微膠囊的制備過程，得到的微膠囊尺寸不均、壁厚難以控制、包裹效率低，并且導致微膠囊后續無法很好地提高活性物質的存儲時間和控制活性物質的釋放，極大地限制了微膠囊的應用[14-18]。

隨著微流控技術的發展，自上而下制備微膠囊的技術開始應用于實際生產中[19]，這一方法通過對流體進行精確的控制，從而精確地控制剪切過程，能夠一步法生成雙乳，然后以雙乳為模板，已成功實現一步法制備各種殼層材料的微膠囊，如脂質體、水凝膠、聚合物微膠囊等[20-23]。在制備過程中，微流控技術可以有效地控制微膠囊的結構[24-28]，制備得到的微膠囊具有尺寸均一、壁厚可控、包裹效率高、裝載率高等諸多優勢[29-31]，這使得微流控技術制備微膠囊開始廣泛應用于食品、生物、醫藥等領域[32-36]。隨著社會的發展，人們對微膠囊的要求越來越高，尤其是無任何有機溶劑、完全由生物相容材料組成的微膠囊具有廣闊的應用前景。

本文通過設計玻璃毛細管微流控器件，將微流控和重力相結合，成功實現自上而下一步法制備生物相容油核微膠囊，有效簡化了微膠囊的制備過程和后期處理，所得到的微膠囊尺寸均一、壁厚可控、具有較高的包裹效率和裝載效率。通過改變微流控器件結構、內相流速和外相流速，系統研究了這些參數對油核數量、微膠囊直徑、壁厚等性質的影響規律。同時，生物相容油核微膠囊作為活性物質的理想載體，實現了pH 改變觸發的快速釋放和壁厚調節的緩慢釋放，為其實際應用奠定了基礎。

1 實驗材料和方法

1.1 材料

實驗采用的材料包括：異壬酸異壬酯(山東優索化工科技有限公司，分析純)、雙氨端硅油、氯化氫溶液、海藻酸鈉、氯化鈣、磷酸氫二鈉、檸檬酸鈉和正己烷(阿拉丁試劑有限公司，分析純)；實驗采用的設備主要包括：拉伸儀(P-1000，Sutter Instrument Company)、注射泵(保定蘭格恒流泵有限公司)、玻璃毛細管(北京中成石英玻璃有限責任公司)、磁力攪拌熱臺(IKA)、ME 電子天平(梅特勒-托利多儀器有限公司)、光學顯微鏡(舜宇光學科技有限公司)和高速攝像機(PCO.dimax，德國PCO公司)。

1.2 玻璃毛細管微流控器件和油核微膠囊的制備

選取兩根圓柱形玻璃毛細管，其中一根小尺寸玻璃毛細管內徑為0.55 mm、外徑為0.96 mm，另一根大尺寸玻璃毛細管內徑為1 mm、外徑為1.4 mm。用拉伸儀將玻璃毛細管的一端拉伸成錐狀，并將小尺寸玻璃毛細管管口直徑打磨為200 μm，大尺寸玻璃毛細管管口直徑打磨為600 μm。管口尺寸通過體顯微鏡進行精確測量。然后將小尺寸玻璃毛細管錐狀端插入大尺寸玻璃毛細管，使得小尺寸玻璃毛細管管口伸出大尺寸玻璃毛細管管口，伸出距離為300 μm。內管和外管是通過AB膠環氧樹脂固定在載玻片上，固定過程中縮進、伸出距離通過體顯微鏡進行調整，最終得到玻璃毛細管微流控器件。

內相油性物質采用異壬酸異壬酯，其中添加1%(質量)雙氨端硅油作為表面活性劑，并通過注射泵將內相油相注入內管；外相采用1%(質量)海藻酸鈉溶液，并通過注射泵將外相水凝膠相注入外管，內外相流體主要物性參數如表1所示。內相油相在外相水凝膠相的剪切下形成液滴，同時外相水凝膠相在重力的作用下，脫離管口形成包裹油相液滴的微膠囊。當微膠囊落入接收池，接收池中氯化鈣[5%(質量)]的鈣離子與海藻酸鈉分子交聯，形成穩定的水凝膠殼層。最后在光學顯微鏡下觀察微膠囊的形態。

表1 內外相流體物性參數Table 1 Physical properties of inner or outer fluids

初始內相流速為0.5 ml/h，初始外相流速為0.5 ml/h。在保持內相流速不變的情況下，外相流速逐次增加0.5 ml/h 或1 ml/h 直至12 ml/h；然后內相流速增加0.5 ml/h 并保持不變,外相流速從0.5 ml/h 逐次增加0.5 ml/h 或1 ml/h 直至12 ml/h；如此重復，直至內相流速為5 ml/h，外相流速為12 ml/h。最終確定制備油核微膠囊的相圖。

1.3 玻璃毛細管微流控器件結構對油核微膠囊相圖的影響

參照1.2 節制備玻璃毛細管微流控器件的方法，制備內管管口與外管管口平齊的微流控器件和內管管口縮進外管管口，縮進距離為300 μm的微流控器件。參照1.2 節確定制備油核微膠囊相圖的方法，分別確定上述兩種微流控器件制備油核微膠囊的相圖。

1.4 流速對油核微膠囊的影響

參照1.2 節制備油核微膠囊的方法，保持外相流速為10 ml/h，調節內相流速從0.5 ml/h 逐次增加0.5 ml/h 直至不能形成微膠囊，并在顯微鏡下觀察分析微膠囊的直徑和壁厚與內相流速的關系；保持內相流速為0.5 ml/h，調節外相流速從1.5 ml/h逐次增加0.5 ml/h 或1 ml/h 直至12 ml/h，并在顯微鏡下觀察分析微膠囊的直徑和壁厚與外相流速的關系。

1.5 油核微膠囊的智能響應

參照1.2 節制備油核微膠囊的方法，制備得到包裹單個油相液滴的微膠囊。利用HCl溶液調節溶液pH 為1.0，在光學顯微鏡下觀察油核微膠囊在酸性溶液中隨時間的變化。利用Na2HPO4調節溶液pH 為9.3，在光學顯微鏡下觀察油核微膠囊在堿性溶液中隨時間的變化。

參照1.2 節制備油核微膠囊的方法，制備得到包裹單個油相液滴的微膠囊。配制5%(質量)檸檬酸鈉溶液，在光學顯微鏡下觀察油核微膠囊在檸檬酸鈉溶液中隨時間的變化。

1.6 油核微膠囊的釋放

參照1.2 節制備油核微膠囊的方法，采用正己烷和蠶絲油[49.5%(質量)正己烷和49.5%(質量)蠶絲油]作為內相溶液，其中添加1%(質量)雙氨端硅油作為表面活性劑，采用1%(質量)的海藻酸鈉溶液作為外相溶液。設置內相流速為1 ml/h，外相流速為4 ml/h，制備得到第一組油核微膠囊樣品；設置內相流速為1 ml/h，外相流速為6 ml/h，制備得到第二組油核微膠囊樣品；設置內相流速為1 ml/h，外相流速為8 ml/h，制備得到第三組油核微膠囊樣品。測試前將相同質量的油核微膠囊放置于干燥箱內保持相同時間，在去除水分后，分別放置于電子天平上觀察油核微膠囊質量隨時間的變化。

2 實驗結果與討論

2.1 油核微膠囊液滴制備及相圖

小尺寸玻璃毛細管管口伸出大尺寸玻璃毛細管管口的微流控器件實物圖如圖1(a)。控制乳化過程制備油核微膠囊。液滴生成過程如圖1(b)所示，通過注射泵，將內相異壬酸異壬酯油相由內管注入微流控器件，外相海藻酸鈉水凝膠由外管注入微流控器件，如圖1(b)所示。內相油相在外相水凝膠相的剪切作用下，在微流控器件下端出口乳化形成液滴。同時油相液滴和外相水凝膠在重力的作用下，脫離管口形成尺寸和壁厚均一的包裹油相液滴的微膠囊。當微膠囊落入接收池，接收池中的鈣離子與海藻酸鈉分子交聯，形成穩定的水凝膠殼層，如圖1(c)所示。由該微流控器件控制乳化生成的微膠囊通常只含有一個油核液滴，并且是精準的一對一包裹，包裹效率可達100%。在微膠囊制備過程中，內相油相和外相水凝膠相的流速均會影響微膠囊的穩定生成；通過系統改變內相流速和外相流速確定了制備微膠囊的相圖，如圖1(d)所示。總體來說，當內相流速較小外相流速較大時，均可以得到尺寸和壁厚均一的包裹一個油相液滴的微膠囊。

2.2 流速對油核微膠囊直徑和壁厚的影響

微流控技術的優點在于其對乳化過程的精準控制，通過調節內相和外相的流速，可以對油核微膠囊的直徑和壁厚進行精準的調控，如圖2 所示。當內相流速為0.5 ml/h，外相流速為10 ml/h 時，微膠囊的直徑約為2.7 mm，壁厚約為0.73 mm。當固定外相流速為10 ml/h，內相流速從0.5 ml/h 逐漸增大到3 ml/h 時，微膠囊直徑保持在2.7 mm 左右，壁厚從0.73 mm 逐漸減小到0.42 mm，如圖2(a)、(b)所示。當固定內相流速為0.5 ml/h，外相流速從1.5 ml/h 逐漸增大到12 ml/h，直徑保持在2.7 mm 左右，壁厚從0.35 mm 逐漸增大到0.79 mm，如圖2(c)、(d)所示。通過調節內相和外相流速，油核微膠囊的裝載率(裝載率=油核體積/微膠囊體積)可以高達57%。微流控器件制備得到的微膠囊均具有較好的均一性，尺寸偏差小于5%。

圖1 玻璃毛細管微流控器件及其制備油核微膠囊:內管管口伸出外管管口的玻璃毛細管微流控器件(a)；微膠囊生成過程(b)；油核微膠囊(c)；制備微膠囊的相圖(紅色圈表示可以形成單核微膠囊，黑色叉表示無法形成微膠囊)(d)Fig.1 Preparation of oil-core microcapsules by glass-capillary microfluidic device.Glass capillary microfluidic device with inner nozzle extending from outer nozzle(a).Microcapsule formation process(b).Oil core microcapsules(c).Phase diagram of the prepared microcapsules,the red circle indicates that mononuclear microcapsules can be formed,and the black cross indicates that microcapsules cannot be formed(d)

在微流控器件中，微膠囊的形成受到內相和外相流速、黏度、界面張力等因素的影響[37-38]。為了更深入地了解微膠囊的形成過程，高速攝像機拍攝了微膠囊的形成過程，如圖2(e)所示。首先，微膠囊從微流控器件管口脫落的過程，主要與重力和界面張力有關，重力使微膠囊脫離管口，界面張力使微膠囊懸掛在管口。重力和界面張力的共同作用決定了微膠囊的生成過程。當重力大于界面張力時，內相油相和外相水凝膠相在重力的作用下脫離管口形成微膠囊。因此，微膠囊的形成過程可以通過邦德數Bo來描述。邦德數是重力與界面張力的比值，如式(1)所示：

式中，ρ1表示流體密度；ρ2表示空氣密度；Δρ 表示ρ1與ρ2的差值；g 表示重力加速度；d 表示流體特征長度；γ 表示流體界面張力。由邦德數可以看出，邦德數不依賴于內相流速和外相流速。因此，當調節內相流速或外相流速時，微膠囊的尺寸基本不變，與實驗結果吻合，如圖2(a)、(c)所示。

對于微膠囊的油核液滴，其生成與外相的剪切力、內相的慣性力和內外相間的界面張力有關。外相的剪切力和內相的慣性力使內相脫離內相管口，內外相間的界面張力使內相懸掛在內相管口，在這三種力的作用下，內相脫離管口形成油核液滴。當保持外相不變，即外相剪切力不變，增加內相流速時，內相的慣性力增加，此過程可以通過韋伯數We來描述。韋伯數是慣性力與界面張力的比值，如式(2)所示：

式中，ρ 表示流體密度；d 表示流體特征長度；U表示流體特征速率；γ 表示流體界面張力。由韋伯數可以看出，當內相流速增加，內相慣性力增大，油核液滴增大，與實驗結果吻合，如圖2(a)所示。當保持內相不變，即內相慣性力不變，增加外相流速時，外相的剪切力增加，此過程可以通過毛細管數Ca來描述。毛細管數是黏滯力與界面張力的比值，如式(3)所示：

式中，μ 表示流體運動黏性系數；U 表示流體特征速度；γ 表示流體界面張力。在液滴形成過程中，黏滯力使內相脫離內相管口，界面張力使內相懸掛在內相管口，在這兩個相互競爭的作用力下，內相最終脫離管口形成油核液滴。因此，由毛細管數可以看出，當外相流速增大，外相剪切力增大，油核液滴變小，微膠囊壁厚增大，與實驗結果吻合，如圖2(c)所示。

圖2 內相流速和外相流速對油核微膠囊直徑和壁厚的影響:內相流速對微膠囊直徑和壁厚的影響，外相流速保持10 ml/h不變(a)；不同內相流速下生成的微膠囊實物圖，外相流速保持10 ml/h不變(b)；外相流速對微膠囊直徑和壁厚的影響，內相流速保持0.5 ml/h不變(c)；不同外相流速生成的微膠囊實物圖，內相流速保持0.5 ml/h不變(d)；高速相機拍攝的微膠囊形成過程(e)Fig.2 Effect of inter phase flow rate and outer phase flow rate on the diameter and wall thickness of the oil-core microcapsules.Effect of inter phase flow rate on the diameter and wall thickness of the microcapsules,external phase flow rate remains constant at 10 ml/h(a).The physical map of the microcapsules generated at different inter phase flow rates,external phase flow rate remains constant at 10 ml/h(b).Effect of external phase flow rate on the diameter and wall thickness of the microcapsules,inter phase flow rate remains constant at 0.5 ml/h(c).The physical map of the microcapsules generated at different external phase flow rates,inter phase flow rate remains constant at 0.5 ml/h(d).The formation process of microcapsules captured by a high-speed camera (e)

2.3 微流控器件結構對油核微膠囊的影響

圖3 玻璃毛細管微流控器件結構對油核微膠囊的影響:內管管口與外管管口平齊的玻璃毛細管微流控器件(a);管口平齊微流控器件制備微膠囊的相圖(b)；管口平齊微流控器件制備得到的多核微膠囊實物圖(c)；內管管口縮進外管管口的玻璃毛細管微流控器件(d)；內管縮進外管微流控器件制備微膠囊的相圖(e)Fig.3 Effect of glass capillary microfluidic devices on the oil-core microcapsules.Glass capillary microfluidic device with inner tube orifice flush with outer tube orifice(a).Phase diagram of microcapsules prepared by microfluidic devices with flush nozzles (b).Physical image of multi-core microcapsules prepared by a flush nozzle microfluidic device (c).Glass capillary microfluidic device with inner tube orifice retracted into outer tube orifice(d).Phase diagram of microcapsules prepared by microfluidic device with inner tube retracted into outer tube(e)

進一步研究了微流控器件結構對油核微膠囊的影響（圖3）。圖3(a)、(d)分別示出了內管管口與外管管口平齊和內管管口縮進外管管口的玻璃毛細管微流控器件。通過系統改變內相流速和外相流速，分別確定了管口齊平和內管縮進外管的微流控器件制備微膠囊的相圖，如圖3(b)、(e)所示。與內管伸出外管微流控器件相比，在管口齊平和內管縮進外管的微流控器件中，由于外管的聚焦作用，外相水凝膠相對內相油相的剪切作用明顯增強，生成的油核液滴較小；并且隨著內相油相流速的增加，油核由一個油相液滴逐漸增加到兩個、三個、四個、五個等多個油相液滴，如圖3(c)所示。管口齊平微流控器件與內管縮進外管的微流控器件相比，外相水凝膠相對內相油相的剪切作用更強，在較小的外相流速下就能剪切內相形成油相液滴。對應200 μm管口的內管和600 μm管口的外管，所得微膠囊的油核尺寸最小可達300 μm。

圖4 生物相容油核微膠囊的pH響應和快速釋放:油核微膠囊的pH響應(a)；磷酸氫二鈉激發油核微膠囊的快速釋放(b)；檸檬酸鈉激發油核微膠囊的快速釋放(c)Fig.4 pH-triggered fast release of oil cores from biocompatible microcapsules.pH response of oil core microcapsules(a).Dibasic sodium phosphate stimulates rapid release of oil core microcapsules(b).Sodium citrate stimulates rapid release of oil core microcapsules(c)

2.4 油核微膠囊的可控釋放

所制備的油核微膠囊具有良好的生物相容性，是各種活性物質的理想載體，通過調節微膠囊的壁厚和殼層的物理化學性質，能夠實現pH 響應的快速釋放、壁厚調控的緩慢釋放等多種功能，從而可以根據實際情況，實現活性物質的可控釋放。相比多核微膠囊，單核微膠囊的應用較為廣泛，針對油核微膠囊的可控釋放，均采用單核微膠囊作為載體進行測試。由于油核微膠囊的殼層是由海藻酸鈉水凝膠通過二價鈣離子交聯形成，油核微膠囊在酸性環境下能夠長時間保存，但在堿性環境下海藻酸鈉水凝膠與二價鈣離子的結合能力變弱，交聯網絡被破壞，從而快速釋放油核液滴，如圖4(a)所示。例如，在溶液中加入Na2HPO4，由于磷酸氫根對應的鹽溶液呈弱堿性，二價鈣離子傾向于與磷酸氫根結合，交聯網絡被破壞，如圖4(b)所示。同樣的檸檬酸鈉也可以破壞水凝膠的交聯網絡，實現油核液滴的快速釋放，如圖4(c)所示。因為油核密度小于水，當殼層被破壞后，油核在浮力作用下上升，離開顯微鏡焦平面，從而在顯微鏡視野中消失。

除了通過破壞油核微膠囊的殼層實現油核的快速釋放，微膠囊的殼體還可以充當活性物質緩慢釋放的有效屏障，并且因為微膠囊的尺寸均一可控，可以通過改變微膠囊的壁厚調節活性物質的釋放速率，如圖5 所示。通過在內相異壬酸異壬酯中加入易揮發的正己烷，作為易揮發活性物質的模型。然后將油相液滴包裹在微膠囊中，制備得到不同壁厚的微膠囊，如圖5(b)所示。將微膠囊從水中取出，在干燥箱中去除微膠囊殼層中的水分后，觀察得到不同壁厚微膠囊的釋放曲線，如圖5(a)所示。在未包裹條件下，正己烷快速揮發。當包裹在微膠囊中，正己烷的揮發速率顯著減小，并且隨著壁厚的增加逐漸減小。這些結果表明，除了外界條件改變觸發的快速釋放，本文制備的微膠囊還提供了一種簡單的調節活性物質緩速釋放的平臺，可以應用于香氛的可控釋放等場景。

3 結 論

圖5 油核微膠囊的緩慢釋放:不同壁厚油核微膠囊中活性物質的緩慢釋放曲線(a)；不同壁厚油核微膠囊的實物圖(b)Fig.5 Sustained release of oil-core microcapsules.Sustained release curves of active substances in oil-core microcapsules with different wall thicknesses(a).Physical image of oil core microcapsules with different wall thicknesses(b)

本文采用玻璃毛細管微流控器件一步法制備油核微膠囊，并系統研究了微流控器件結構、內相流速、外相流速等參數對油核微膠囊油核數量、微膠囊直徑、壁厚等性質的影響規律。采用內相為活性油相物質，外相為水凝膠相，成功一步法制備得到尺寸均一、直徑和壁厚可控、包裹效率和裝載率高的生物相容油核微膠囊。并利用微膠囊作為活性物質的載體，展現了微膠囊快速釋放、緩慢釋放活性物質等功能。這些結果表明了油核微膠囊作為多用途的載體，可針對實際情況需求，調節微膠囊的性質，選擇合適的釋放方式，在食品、生物、醫藥等領域具有重要應用價值。