基于微流控技術(shù)制備微泡的研究進展

杜宇翎，陳思瑤，周 野，李發(fā)琪，王振宇

（1.重慶醫(yī)科大學(xué) 超聲醫(yī)學(xué)工程國家重點實驗室/生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，重慶 400016；2.重慶市生物醫(yī)學(xué)工程重點實驗室，重慶 400016）

微泡由充滿氣體的內(nèi)核和脂質(zhì)、聚合物或者蛋白質(zhì)外殼組成，其最初是作為造影劑用于增強超聲成像的。近年來，有許多關(guān)于超聲觸發(fā)微泡用于藥物輸送的研究，并且采用微泡載藥的結(jié)構(gòu)可以有效控制藥物的釋放與沉積，增強治療效果。所以無論從微泡作為藥物載體還是與超聲響應(yīng)的角度來講，粒徑的穩(wěn)定均一性不僅能夠有效保證載藥量以及將藥物輸送至靶區(qū)，還可以提高與超聲的響應(yīng)效率。一方面增強超聲作用微泡對組織的理化效應(yīng)的影響，另一方面提高藥物在靶區(qū)的有效釋放率。所以為了實現(xiàn)最大化的治療功效，必須嚴(yán)格控制微泡尺寸和表面特性以及保證微泡的穩(wěn)定性，且在尺寸和聲學(xué)行為方面具有單分散性。

為了產(chǎn)生單分散微泡，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量的研究。臨床上最常用的微泡產(chǎn)生方法是超聲法和機械攪拌法，雖操作簡單、價格低廉，但微氣泡尺寸分布范圍較廣。對于目前市售的微泡，95%至98%＜5μm（平均尺寸為1.1-2.4μm），標(biāo)準(zhǔn)差為0.35-0.47μm，濃度大約為108-1010MBs/mL。離心操作超聲法制備的多分散懸浮液后粒徑分布變窄；然而，這種方法需要額外的實驗操作，并且很難擴展。此外，它還會導(dǎo)致材料浪費，從而降低氣泡的產(chǎn)率。其他制備微泡的方法，如同軸電液霧化法（CEHDA）、噴墨打印和膜乳化。CEHDA 涉及通過電場同軸流動兩種不混溶的流體（兩種液體或氣體和液體），其中各個氣泡或液滴脫落。盡管通過超聲處理產(chǎn)生的寬氣泡尺寸分布得到改善，但CEHDA 不能有效保證產(chǎn)生比商用造影劑更均勻的氣泡。噴墨打印依賴于通過壓電驅(qū)動噴嘴推動聚合物溶液，雖然可以控制尺寸，但是，產(chǎn)生的剛性聚合物涂覆顆粒的機械性質(zhì)可能不適用于診斷和治療超聲。膜乳化法可以增加氣泡單分散性，在該技術(shù)中，迫使氣體通過多孔膜進入表面活性劑溶液，然而，單分散性仍然不理想，必須仔細(xì)選擇表面活性劑以防止與膜之間的相互作用而導(dǎo)致的氣泡聚結(jié)。

綜上提出的各種技術(shù)中，基于微流控的方法已經(jīng)成為生產(chǎn)平均氣泡直徑＜10μm 的單分散氣泡懸浮液的最有效方法之一。通過控制通過微米尺寸通道的流體流動，可以精確地產(chǎn)生穩(wěn)定單分散的氣泡群。

1 微流控制備微泡的研究進展

微流控學(xué)是基于微尺度上對流體的操作，通常是在＜1000μm 的通道內(nèi)，它使多個過程的小型化和集成化成為可能。因此，微流體裝置通常需要非常小的流體體積，從而減少了實驗和試劑的總成本和分析時間。微流控設(shè)備除了具有體積小的優(yōu)點外，還具有優(yōu)越的流體力學(xué)特性，狹窄的通道可以防止湍流，從而使材料通過層流設(shè)備平穩(wěn)、可預(yù)測的傳輸。這些優(yōu)勢使得微流控應(yīng)用廣泛，如檢測、分離和制備微泡等。為了產(chǎn)生微氣泡，含有氣體（氣相）的微流控通道與含有液體（連續(xù)相）的微流控通道相遇，可以設(shè)計使這些通道互相垂直流動，或者一起通過一個小孔而形成氣泡。改變連續(xù)相或氣相的組成，或改變微流體裝置的設(shè)計，可以設(shè)計出適合特定應(yīng)用的氣泡。

Ganan-Calvo 等人首次使用流動共聚焦的方法描述了通過毛細(xì)管和孔口形成單分散氣泡的過程。Garstecki等人描述了一種可以直接集成到微流控芯片中的流動聚焦裝置，并且能夠以超過每秒105 個氣泡的頻率生成單分散氣泡，在該流動聚焦裝置中，氣泡的尺寸隨著液體流量的變化而變化，并且氣泡的尺寸與氣體流量和液體流量的比值成正比。Yasuno 等人嘗試了3D 通道形成單分散微泡的方法。J. H 等人利用T 型剪切微流控裝置成功地制備了多分散指數(shù)為1%～2%的單分散微泡。另外對氣泡尺寸尺度的研究表明，T 型裝置氣泡形成機理不同于流動共聚焦，也不同于3D 通道形成法，其可獨立控制分散氣泡的大小和體積分?jǐn)?shù)。Kanaka 等人對流動共聚焦裝置進行了改進，基于聚二甲基硅氧烷（PDMS），擴大噴嘴的幾何形狀和孔口寬度，最終成功制備了多分散度指數(shù)為2%的微泡，并且足夠堅固保證持續(xù)數(shù)小時產(chǎn)生。Abraham 等人研究了利用數(shù)字（液滴）微流控技術(shù)生產(chǎn)脂質(zhì)微球，研究證明微泡的大小和產(chǎn)量很容易受到通道內(nèi)壓力條件的影響。因此，通道幾何形狀以及液體和氣體流量是穩(wěn)定生產(chǎn)和精確控制脂球大小的重要參數(shù)，該研究同時驗證了將兩個流動聚焦結(jié)構(gòu)組合成單一區(qū)域比在兩個流動聚焦幾何圖形中兩個流動聚焦區(qū)域相隔任意距離時對氣體壓力的敏感性要低，更有利于微泡的穩(wěn)定形成，最終制備得到穩(wěn)定分散的脂質(zhì)微球。Kanaka 等人基于微流控流動聚焦的方法控制微泡內(nèi)部氣體成分以及外殼成分和外殼厚度。顆粒殼層厚度可以通過調(diào)節(jié)流體流速來調(diào)節(jié)，還可以通過調(diào)整PDMS 交聯(lián)密度或流體屬性來調(diào)整變形性，熱固化后，它們具有高度的尺寸穩(wěn)定性和低的多分散度（p＜10%）。Kaya 等人的研究通過改變氣體入口壓力和流體流量，可以產(chǎn)生半徑為1.8～4.8μm 的幾乎單分散的微氣泡。從聲學(xué)響應(yīng)氣泡動力學(xué)的角度出發(fā)，單分散氣泡產(chǎn)生的共振強度要高于多分散氣泡。Miguel 等人進一步研究證明了單分散微泡具有更窄的衰減光譜，其在對應(yīng)于平均單泡共振頻率的頻率值處出現(xiàn)最大峰值。Wang等人的工作主要研究T 型通道制備微泡的分散性，詳細(xì)論述了微通道結(jié)構(gòu)、工作條件和物理性質(zhì)對分散指數(shù)的影響，研究發(fā)現(xiàn)，擴張毛細(xì)管對分散規(guī)律有較大影響，有利于減小分散粒徑。分散相流速和兩相粘度比對分散粒徑的影響也很重要，由于分散相的彈性變形，分散相與連續(xù)相的粘度比越低，分散尺寸越大。此外，還發(fā)現(xiàn)剪切力的方向也會對微泡的分散性產(chǎn)生影響。Tim等人基于流動聚焦裝置控制微泡的尺寸，在其下游增加蛇形通道，保證氣泡形成后的穩(wěn)定性，避免微泡的融合破裂，最終保證制備得到低分散指數(shù)的脂質(zhì)微泡。

2 結(jié)束語

微泡動力學(xué)研究認(rèn)為高度均勻的氣泡會導(dǎo)致均勻的聲學(xué)行為，從而提高治療的有效性。用微流體裝置代替超聲波或化學(xué)方法生產(chǎn)微氣泡的顯著優(yōu)勢是可以產(chǎn)生高度均勻的微泡，其缺點是生產(chǎn)率較低。盡管有研究表明如通過使用硬質(zhì)材料——玻璃和塑料（聚甲基丙烯酸甲酯，聚碳酸酯）而不是PDMS 來實現(xiàn)。或者其他方法增加氣泡的產(chǎn)生，但繼續(xù)提高微泡產(chǎn)量對微流體產(chǎn)生的微氣泡的臨床應(yīng)用將是至關(guān)重要的，同時，能夠預(yù)測和模擬這些微泡的行為變得越來越重要。特別是對超聲下微泡的能量耗散機制的詳細(xì)了解，將有助于推動微流控技術(shù)制備微泡的研究發(fā)展。