专利名称：一种基于微流控技术制备快速响应温敏多孔微球的方法
技术领域：
本发明涉及水凝胶微球的制备方法，具体涉及一种基于微流控技术的温敏性多孔微球的制备方法。
背景技术：
温敏性水凝胶是溶胀比在某一温度会发生突变(相变)的一类凝胶，其溶胀比发生突变时的温度被称为相变温度。目前用于合成水凝胶微球的技术主要有选择溶剂挥发法、萃取法、微乳液聚合法、辐射沉淀聚合法、高分子稀溶液辐照法等。这些技术方法可简单合成具有相变温度的水凝 胶微球，但是形成的微球粒径不均匀。微流控技术由于具有易操控，且能形成稳定均一的液滴，因此成为形成单分散均一液滴/微球的首选技术。由于该微球具有温度相变特性，且相变点接近人体温度，以及收缩比和温度响应时间可控调节等优点，在药物可控释放、细胞三维培养、细胞组织工程以及干燥剂等领域具有巨大的应用潜力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于微流控技术制备快速响应温敏多孔微球的方法。该制备方法通过液滴操控技术首先在微流控芯片中形成油包水微液滴(w/o)，微液滴在移动或者收集过程中聚合形成微球；在水相中添加成孔剂控制形成微球的多孔特性；该微球在不同温度下具有快速响应的温度响应性，当温度高于33度时，微球收缩体积变小，反之，当温度低于33度，微球膨胀体积变大；该制备技术具有芯片结构制作简单，可控性强，易操作的特点，同时利用该技术制备的微球具有粒径均匀可控，微球表面微孔大小可控，快速响应的温敏特性，潜在应用广泛等优点。本发明具体提供了一种基于微流控技术制备快速响应温敏多孔微球的方法，其特征在于通过微液滴技术在微流控芯片中首先形成油包水微液滴，微液滴在引发剂或者紫外光照引发作用下聚合形成微球；所用油相为氟碳化合物(FC油)或者烃类混合物，水相为溶有异丙基丙烯酰胺单体的水溶液；在水相中加入成孔剂；
该过程均在微流控芯片上完成，所述微流控芯片由上下两层组成，上层为微流体控制芯片，材料为透明质聚合物，下层为用于封接的封接芯片，材料为透明质材料，上下两层通过不可逆封接形成微流控芯片，其中微流体控制芯片由外层油相进样池、单体进样池、引发剂进样池、微液滴形成及聚合通道和收集池组成，单体进样池和引发剂进样池通过微流控通道连接在一起，并与微液滴形成及聚合通道连通，与单体进样池和引发剂进样池位于同一端的外层油相进样池通过微流控通道与微液滴形成及聚合通道连通，最后微液滴形成及聚合通道与位于微流体控制芯片另一端的收集池相连。首先采用软光刻技术制备上层微流体控制芯片，将上层PDMS微流体控制芯片与下层基片利用氧等离子不可逆封接在一起。然后对通道表面进行疏水化修饰以能够形成稳定的微液滴。制备快速响应温敏多孔微球时，使用外置蠕动泵进行样品溶液的外力驱动，水相溶液和引发剂溶液分别从单体进样池和引发剂进样池中进入微流控通道，调节其流速，油相从外层油相进样池中进入微流控通道，调节其流速，形成的微液滴在微液滴形成及聚合通道中开始聚合成微球，形成的微球从收集池中收集。或者，在制备过程中使用光引发齐U，并在液滴形成及聚合通道位置应用紫外光照的方式，使形成的微液滴聚合成为微球。本发明提供的基于微流控技术制备快速响应温敏多孔微球的方法，其特征在于所述成孔剂为聚乙二醇、CaCO3、壳聚糖、Na2CO3或者硅颗粒中的一种。在水相溶液中加入成孔剂，形成的微球经过水洗过程形成表面多孔结构，表面孔径的大小通过不同分子量或者不同浓度的成孔剂进行可控调节。同浓度大分子量成孔剂形成的微孔较大，同分子量高浓度形成的微孔较小但更为密集。本发明提供的基于微流控技术制备快速响应温敏多孔微球的方法，其特征在 于水相和油相的驱动力为外置的蠕动泵或者注射泵，在微流控芯片上的液体流速为水相
0.05 5 u L/min,油相流速为 0. 05 5 u L/min。本发明提供的基于微流控技术制备快速响应温敏多孔微球的方法，其特征在于在微流控芯片上的液体流速比为水相油相=1:广10。本发明提供的基于微流控技术制备快速响应温敏多孔微球的方法，其特征在于用于制备快速响应温敏多孔微球的微流控芯片，其上层材料为透明质聚合物材料，优选PDMS、PMMA、PC中的一种，下层材料为透明质材料，优选玻璃、PDMS、PMMA、PC中的一种。上层微流体控制芯片与下层用于封接的封接芯片之间采用的不可逆封接方式为等离子封接或者胶涂覆封接。本发明提供的基于微流控技术制备快速响应温敏多孔微球的方法，其特征在于所述的微液滴形成及聚合通道为一根或者平行多根，收集池为一个或者多个。本发明提供的基于微流控技术制备快速响应温敏多孔微球的方法，其特征在于所述微流体控制芯片中，单体进样池2和引发剂进样池3通过微流控通道连接在一起，并与微液滴形成及聚合通道4连通，外层油相进样池I通过一个环形微流控通道与微液滴形成及聚合通道4连通，最后微液滴形成及聚合通道4与位于微流体控制芯片另一端的收集池5相连。本发明提供的基于微流控技术制备快速响应温敏多孔微球的方法，其特征在于各个部分由不同尺寸的微流控通道相连在一起，其中单体进样池和引发剂进样池相连通道的宽度为5(T250微米，外层油相进样池与微液滴形成及聚合通道相连的微通道宽度为100微米 300微米，液滴形成及聚合通道宽度为50微米毫米，其中所有通道高度均为30^200微米高。本发明提供的基于微流控技术制备快速响应温敏多孔微球的方法，其特征在于水相中溶有的异丙基丙烯酰胺单体为聚N-异丙基丙烯酰胺或其共聚物。本发明的优点在于微球的粒径均匀、大小可控；微球表面具有多孔状结构，且孔径大小可控；制得的多孔微球具有温度响应快且温度响应时间可调节，其高于相变温度的收缩体积比可控；不同特性的温敏性微球可应用于不同的领域。采用的芯片制作简单，容易操作。
图I用于制备快速响应温敏多孔微球的微流控芯片以及多孔微球示意图，其中1为外层油相进样池、2为单体进样池、3为引发剂进样池、4为微液滴形成以及聚合通道、5为收集池、6为多孔微球。图2基于微流控技术制备的空白温敏多孔微球实物 图3基于微流控技术制备方法，利用不同分子量聚乙二醇分子形成的多孔微球在不同时间下(0秒 300秒)实时收缩图片，其中，空白表示单体溶液中未加入任何聚乙二醇分子；不同分子量的聚乙二醇分子与单体中N-异丙基丙烯酰胺的质量比均为2:1 ;
图4基于微流控技术制备方法，利用不同分子量聚乙二醇分子形成的多孔微球在不同时间下的收缩曲线；
图5基于微流控技术制备方法，利用不同分子量聚乙二醇分子形成的多孔微球表面的扫描电镜图片；
图6基于微流控技术制备方法，利用不同浓度聚乙二醇10，000分子形成的多孔微球在不同时间下(0秒 300秒)实时收缩图片，其中，空白表示单体溶液中未加入任何聚乙二醇分子；聚乙二醇10，000分子与单体中N-异丙基丙烯酰胺的质量比分别为0. 5:1、1: 1、2:1 ;
图7基于微流控技术制备方法，利用不同浓度聚乙二醇10，000分子形成的多孔微球在不同时间下的收缩曲线；
图8基于微流控技术制备方法，利用不同浓度聚乙二醇10，000分子形成的多孔微球表面的扫描电镜图片；
图9基于微流控技术制备方法，利用不同浓度聚乙二醇1，000分子形成的多孔微球在不同时间下(0秒 300秒)实时收缩图片，其中，空白表示单体溶液中未加入任何聚乙二醇分子；聚乙二醇1，000分子与单体中N-异丙基丙烯酰胺的质量比分别为0. 5:1、1: 1、2:1 ;
图10基于微流控技术制备方法，利用不同浓度聚乙二醇1，000分子形成的多孔微球在不同时间下的收缩曲线；
图11基于微流控技术制备方法，利用不同浓度聚乙二醇1，000分子形成的多孔微球表面的扫描电镜图片。
具体实施例方式下面的实施例将对本发明予以进一步的说明，但并不因此而限制本发明。实施例I
空白温敏微球的制备制备所使用的微流控芯片，其结构如图I所示，单体进样池2和引发剂进样池3通过微流控通道连接在一起，并与微液滴形成及聚合通道4连通，外层油相进样池I通过一个环形微流控通道与微液滴形成及聚合通道4连通，最后微液滴形成及聚合通道4与位于微流体控制芯片另一端的收集池5相连。首先采用软光刻技术制备上层微流控芯片，将上层PDMS微流控芯片与下层基片利用氧等离子不可逆封接在一起。然后对通道表面进行疏水化修饰以能够形成稳定的微液滴。使用外置蠕动泵进行样品溶液的外力驱动，单体溶液(不含有任何聚乙二醇分子)和引发剂溶液分别从单体进样池2和引发剂进样池3中进入微通道，其流速均调节为0. L/min，油相(FC-40)从外层油相进样池I中进入微通道，其流速调节为I U L/min，形成的微液滴在微液滴形成以及聚合通道4中开始聚合成微球，形成的多孔微球6从收集池5中收集至玻璃瓶中储存；然后取出个别微球至加热平台中，研究其在不同温度下的响应特性，其结果如图3和图4所示；取出个别微球，在冷冻干燥机中进行冻干处理，样品微球冻干后，在表面镀金处理后进行电镜扫描表征其表面形貌，其结果如图2和图5所示。实施例2
制备由聚乙二醇1,000分子，浓度为1:1(聚乙二醇1,000 :N-异丙基丙烯酰胺)形成的多孔温敏微球的制备，在实施例I制作的微流控芯片的基础上进行单体溶液中加入聚乙二醇1，000分子，其质量为N-异丙基丙烯酰胺的2倍，例如，配置ImL的溶液，其中N-异丙基丙烯酰胺的质量为0. 2g,向其中加入0. 4g的聚乙二醇1，000，溶解后作为单体溶液。其中，单体和引发剂流速均调节为0. L/min，油相(FC-40)流速调节为I. 2 y L/min，从收集池5中取出合成的微球，然后置于去离子水中浸泡3天，并每隔一段时间进行换水，以除去从微球中溶解而出的聚乙二醇分子，制得的多孔性温敏微球采取上述同样的方法进行温敏 特性的考察(如图9和图10所示)和电镜扫描表征(如图11)。实施例3
以相同分子量，不同浓度聚乙二醇制备不同的快速响应温敏多孔微球在实施例2的基础上，单体溶液中加入3种不同浓度的聚乙二醇10，000分子，其与N-异丙基丙烯酰胺的质量比分别为0. 5:1，1: 1，2:1，即配置ImL的溶液时，其中分别溶解有0. 2g N-异丙基丙烯酰胺，0. lg、0. 2g、0.4g聚乙二醇10，000分子。合成微球时，将单体和引发剂浓度调节为
0.5u L/min,油相(FC-40)流速调节为I y L/min,从收集池4中取出合成的微球后，均置于去离子水中浸泡3天，并进行阶段换水以除去不同浓度的聚乙二醇分子，对制得的多孔微球进行温敏性质的考察(如图6和图7所示)和表面形貌的电镜扫描(如图8)。
权利要求
1.一种基于微流控技术制备快速响应温敏多孔微球的方法，其特征在于通过微液滴技术在微流控芯片中首先形成油包水微液滴，微液滴在引发剂或者紫外光照引发作用下聚合形成微球；所用油相为氟碳化合物或者烃类混合物，水相为溶有异丙基丙烯酰胺单体的水溶液；在水相中加入成孔剂； 该过程均在微流控芯片上完成，所述微流控芯片由上下两层组成，上层为微流体控制芯片，材料为透明质聚合物，下层为用于封接的封接芯片，材料为透明质材料，上下两层通过不可逆封接形成微流控芯片，其中微流体控制芯片由外层油相进样池、单体进样池、引发剂进样池、微液滴形成及聚合通道和收集池组成，单体进样池和引发剂进样池通过微流控通道连接在一起，并与微液滴形成及聚合通道连通，与单体进样池和引发剂进样池位于同一端的外层油相进样池通过微流控通道与微液滴形成及聚合通道连通，最后微液滴形成及聚合通道与位于微流体控制芯片另一端的收集池相连； 制备时，水相溶液和引发剂溶液分别从单体进样池和引发剂进样池中进入微流控通道，油相从外层油相进样池中进入微流控通道，形成的微液滴在微液滴形成及聚合通道中开始聚合成微球，形成的微球从收集池中收集；或者，在制备过程中使用光引发剂，并在液滴形成及聚合通道位置应用紫外光照的方式，使形成的微液滴聚合成为微球。
2.按照权利要求I所述基于微流控技术制备快速响应温敏多孔微球的方法，其特征在于所述成孔剂为聚乙二醇、CaCO3、壳聚糖、Na2CO3或者娃颗粒中的一种。
3.按照权利要求I所述基于微流控技术制备快速响应温敏多孔微球的方法，其特征在于水相和油相的驱动力为外置的蠕动泵或者注射泵，在微流控芯片上的液体流速为水相0.05 5 u L/min,油相流速为 0. 05 5 u L/min。
4.按照权利要求3所述基于微流控技术制备快速响应温敏多孔微球的方法，其特征在于在微流控芯片上的液体流速比为水相油相=1:广10。
5.按照权利要求I所述基于微流控技术制备快速响应温敏多孔微球的方法，其特征在于所述透明质聚合物为PDMS、PMMA或PC，透明质材料为玻璃、PDMS, PMMA或PC。
6.按照权利要求I所述基于微流控技术制备快速响应温敏多孔微球的方法，其特征在于所述的微液滴形成及聚合通道为一根或者平行多根，收集池为一个或者多个。
7.按照权利要求I所述基于微流控技术制备快速响应温敏多孔微球的方法，其特征在于上层微流体控制芯片与下层用于封接的封接芯片之间采用的不可逆封接方式为等离子封接或者胶涂覆封接。
8.按照权利要求I所述基于微流控技术制备快速响应温敏多孔微球的方法，其特征在于所述微流体控制芯片中，单体进样池(2 )和引发剂进样池(3 )通过微流控通道连接在一起，并与微液滴形成及聚合通道(4)连通，外层油相进样池(I)通过一个环形微流控通道与微液滴形成及聚合通道(4)连通，最后微液滴形成及聚合通道(4)与位于微流体控制芯片另一端的收集池(5)相连。
9.按照权利要求8所述基于微流控技术制备快速响应温敏多孔微球的方法，其特征在于各个部分由不同尺寸的微流控通道相连在一起，其中单体进样池(2)和引发剂进样池(3)相连通道的宽度为5(T250微米，外层油相进样池(I)与微液滴形成及聚合通道(4)相连的微通道宽度为100微米 300微米，液滴形成及聚合通道(4)宽度为50微米毫米，其中所有通道高度均为3(T200微米高。
10.按照权利要求I所述基于微流控技术制备快速响应温敏多孔微球的方法，其特征在于水相中溶有的聚合物单体为N-异丙基丙烯酰胺或其共聚物。
全文摘要
本发明提供了一种基于微流控技术制备快速响应温敏多孔微球的方法。所使用的微流控芯片主要由上层带有微通道的聚合物或者玻璃芯片与下层封接基片组成；该制备方法通过液滴操控技术首先在微流控芯片中形成油包水微液滴(w/o)，微液滴在移动或者收集过程中聚合形成微球；在水相中添加成孔剂聚乙二醇控制微球的不同多孔形貌，从而具有不同的温度响应特性。该技术制备技术具有芯片结构制作简单，可控性强，易操作，同时利用该技术制备的微球具有粒径均匀可控，微球表面微孔大小可控，快速响应的温敏特性，潜在应用广泛等优点。
文档编号C08J9/26GK102757517SQ20111010838
公开日2012年10月31日 申请日期2011年4月28日 优先权日2011年4月28日
发明者姜雷, 秦建华, 黄术强 申请人:中国科学院大连化学物理研究所