摘要

生物相容水/水微囊在藥物遞送、醫(yī)學(xué)治療等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。本文通過設(shè)計同軸微流控器件，結(jié)合數(shù)值模擬優(yōu)化和流動阻力分析，實現(xiàn)一步法高通量可控制備大小均勻、尺寸可控、壁厚可調(diào)、生物相容的水/水微囊。采用實驗研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，研究了微流控器件結(jié)構(gòu)、內(nèi)相流速、外相流速、外相/空氣界面張力、內(nèi)相/外相界面張力、內(nèi)相黏度和外相黏度等參數(shù)對水/水微囊直徑和壁厚的調(diào)控規(guī)律。通過微通道流動阻力分析，設(shè)計多通道平行放大微流控器件，實現(xiàn)尺寸均勻可控水/水微囊的高通量制備。驗證了生物相容水/水微囊作為活性物質(zhì)的理想載體，可以通過改變pH或溶解囊壁釋放載體，進而實現(xiàn)活性物質(zhì)的pH響應(yīng)釋放，為其實際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

具有核殼結(jié)構(gòu)的微囊可以裝載各種活性物質(zhì)，通過將活性物質(zhì)包裹在一個殼層內(nèi)，從而保護活性物質(zhì)不受外界環(huán)境的影響，并且可實現(xiàn)活性物質(zhì)的可控釋放。因此，微囊是良好的載體，適用于各種場景下活性物質(zhì)的遞送，在生物、醫(yī)藥等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。傳統(tǒng)微囊制備通常采用自下而上的方法，即通過兩次剪切首先得到水包油或油包水雙重乳液，并以此為模板制備得到微囊。由于自下而上方法無法準(zhǔn)確控制每個雙重乳液的剪切過程，最終得到的微囊一般尺寸不均、壁厚難以控制、包裹率低、裝載率低，極大地限制了微囊的廣泛應(yīng)用。

隨著微流控技術(shù)的發(fā)展，自上而下制備微囊的技術(shù)開始得到開發(fā)。微流控技術(shù)是一種在微米尺度對微量流體進行精確操控的技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于生物檢測、藥物分析、細(xì)胞測序、材料制備、載體設(shè)計等領(lǐng)域。微流控具有微型化、集成化等特征，可以對流體進行精準(zhǔn)控制，從而精確控制剪切過程，能夠一步法生成雙重乳液，然后以此為模板，制備具有核殼結(jié)構(gòu)的微囊。微流控技術(shù)已成功實現(xiàn)一步法制備各種水包油或油包水微囊，且具有尺寸均一、結(jié)構(gòu)可控、壁厚可調(diào)、包裹率高、裝載率大等諸多優(yōu)勢。目前，微流控技術(shù)制備的微囊主要是基于水油體系，即水包油（油/水）或油包水（水/油）微囊。但隨著應(yīng)用需求的不斷增加如污水凈化、液滴制備、細(xì)胞提取與分離、三維（3D）生物打印、生物相容材料制備等諸多領(lǐng)域，水包水（水/水）微囊開始得到越來越多的關(guān)注。但是水/水微囊與水/油微囊或油/水微囊不同，水/水微囊內(nèi)外相均為水相，內(nèi)外相的密度差較小，界面張力較低，較難控制形成微囊，通常需要外加電場或聲場輔助乳化。此外，藥物遞送、醫(yī)學(xué)治療等領(lǐng)域的應(yīng)用，在生物相容性、微囊后處理、可控制備、響應(yīng)釋放、大通量生產(chǎn)等方面對水/水微囊提出了更高的要求。因此，設(shè)計微流控器件一步法高通量可控制備生物相容水/水微囊，實現(xiàn)載體的可控釋放，具有重要意義。

本文采用同軸微流控器件一步法制備大小均勻、尺寸可控、壁厚可調(diào)、生物相容的水/水微囊；系統(tǒng)研究了微流控器件結(jié)構(gòu)對水/水微囊形成過程的影響規(guī)律，并進一步結(jié)合數(shù)值模擬，揭示內(nèi)相和外相流速、外相/空氣和內(nèi)相/外相界面張力、內(nèi)相和外相黏度對水/水微囊尺寸和壁厚的調(diào)控規(guī)律；通過pH刺激響應(yīng)，展示了水/水微囊囊壁溶解和微囊釋放過程及其內(nèi)在機理；最后利用微通道流動阻力分析，設(shè)計多通道平行放大微流控器件，實現(xiàn)了尺寸均勻可控水/水微囊的高通量制備。本文制備的水/水微囊具有器件結(jié)構(gòu)簡單、操作便捷、一步法成型、通量高、微囊結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、尺寸均一可控、無需后處理等優(yōu)點。

1實驗部分

1.1試劑與儀器

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