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微流控模板法制备功能化非球形微颗粒研究新进展

何晓恒1,褚良银2

1三峡大学医学院,湖北 宜昌 443002;2四川大学化工学院,四川 成都 610065)

引用本文:何晓恒, 褚良银. 微流控模板法制备功能化非球形微颗粒研究新进展[J]. 化工进展, 2019, 38(9): 4109-4118.

功能化非球形微颗粒在生物医药、吸附、传感与检测等方面具有非常广泛的应用。相对于其他非球形微颗粒制备方法,近年来兴起的微流控技术,由于对微尺度流体具有超灵敏的操控特性,在制备和精确调控微米级功能材料方面具有很大的优势。通过精确控制流体在微尺度通道内的流动和剪切,微流控技术可以实现多种形态和结构的微尺度流体、乳液和纤维的可控构建,为非球形微颗粒的可控制造提供了优良的模板。同时,通过在制备过程中引入功能性材料,这些非球形微颗粒将具备更多的功能,从而极大地拓展和丰富了其应用范围。本文综述了近年来采用微流控技术制备功能化非球形微颗粒的研究新进展,重点介绍了以微流控技术构建得到的微流体、多相乳液及微纤维为模板可控制备功能化非球形微颗粒的研究现状。

具有不同形状和结构的微颗粒在组织工程、药物送达、吸附、传感与检测等领域都有着广泛的应用。并且在许多的应用场合,非球形微颗粒相较于常规的球形微颗粒具有更大的优势。例如在药物代谢方面,以线状颗粒形式存在的药物比以球形颗粒形式存在的同种药物在血液中循环的时间更长;在靶向治疗方面,具有螺旋形结构的磁性微颗粒能够在旋转磁场的驱动下进行螺旋行进运动,从而可以实现在常规磁驱动执行器难以运动的复杂流体环境如血液、胃肠道及脑脊液中的驱动前进和靶向运送;在光学材料方面,哑铃形的胶体颗粒在外场如电场的作用下可定向排列组装成光子晶体,呈现出结构色及双折射现象,当外场关闭时,胶体颗粒取向消失,结构色及双折射现象随之消失,实现特殊的光学开关性能;在组织工程领域,十字形和圆棒形的细胞负载微凝胶颗粒基于尺寸匹配的锁-匙原理,可精确组装成微尺度上的细胞共培养砌块,为新型组织工程细胞培养支架的构建提供了可能。因此,新型功能化非球形微颗粒的研制与应用对于促进材料、化工、生物医药等领域的进一步创新具有重要的意义。

目前,制备非球形微颗粒的方法主要包括模板聚合法、机械拉伸法、激光3D直写法以及微流控法。其中,模板聚合法是以具有不同结构的微孔阵列为模具,通过固化模具中的高分子溶液,制备得到与模具结构一致的非球形微颗粒的方法。利用这种方法得到的微颗粒的形状高度依赖于所使用的微孔模板,因此在微颗粒的结构调控方面缺乏一定的灵活性机械拉伸法是通过机械拉伸包裹在球形微颗粒外部的聚合物薄膜而使球形微颗粒变形来制备非球形微颗粒的方法,因此制备得到的微颗粒的结构都比较简单,难以得到具有复杂结构的非球形微颗粒。激光3D直写法是一种基于双光子聚合原理的微立体光刻技术,能够实现具有复杂三维结构微颗粒的精确制造,但这种方法在材料的选择上比较受限,而且对仪器设备的要求也比较高。相对于上述方法,近年来兴起的微流控方法,由于其对微尺度流体超灵敏的操控特性,在制备和精确调控非球形微颗粒方面具有很大的优势。

本文综述了近年来采用微流控法制备功能化非球形微颗粒研究的新进展,重点介绍了以微流控技术构建得到的微流体、多相乳液及微纤维为模板可控制备功能化非球形微颗粒的研究现状,以期为新型功能化非球形微颗粒的研究和开发提供新的有效途径。

1 微流控模板法制备非球形微颗粒

1.1 层流模板法

水平层流模板法制备非球形微颗粒 

1 水平层流模板法制备非球形微颗粒

竖直层流模板法制备非球形微颗粒 

2 竖直层流模板法制备非球形微颗粒

1.2 惯性流模板法

惯性流模板法制备非球形微颗粒 

3 惯性流模板法制备非球形微颗粒

2 多相乳液模板法制备非球形微颗粒

2.1 球形多相乳液模板法

 复乳模板法制备孔-壳型非球形微颗粒 

4 复乳模板法制备孔-壳型非球形微颗粒

单乳模板法制备Janus型非球形微颗粒 

6 单乳模板法制备Janus型非球形微颗粒

2.2 非球形多相乳液模板法

非球形单乳模板法制备非球形微颗粒 

7 非球形单乳模板法制备非球形微颗粒

非球形复乳模板法制备非球形微颗粒 

8 非球形复乳模板法制备非球形微颗粒

Janus型复合乳液模板法制备非球形微颗粒 

9 Janus型复合乳液模板法制备非球形微颗粒

3 微纤维模板法制备非球形微颗粒

3.1 豆荚状微纤维模板法

豆荚状微纤维模板法制备非球形微颗粒 

10 豆荚状微纤维模板法制备非球形微颗粒

3.2 螺旋形微纤维模板法

螺旋形微纤维模板法制备非球形微颗粒 

11 螺旋形微纤维模板法制备非球形微颗粒

4 结  语

微流控技术作为一种新兴的流体操控技术,为尺寸均一、结构可控的功能化非球形微颗粒的制备提供了一种可靠的途径。该技术通过在微尺度通道内精确控制流体的流动和剪切,可控构建得到多种微流体、多相乳液和微纤维,并且对其结构进行精确调节。这些结构精确可调的微流体、多相乳液和微纤维为可控制备非球形微颗粒提供了优良的模板。此外,功能性材料的加入还能够赋予这些非球形微颗粒更多的功能,极大地拓展和丰富了其应用范围。但是,目前有关微流控模板法来制备新型非球形微颗粒功能材料方面的工作尚处于基础研究阶段,所构建的微尺度模板及制备的非球形微颗粒的结构还较为简单,产业化应用还比较困难。因此,今后对于此类非球形微颗粒的研究还需着重考虑和解决以下问题。①目前用于制备非球形微颗粒特别是具有复杂结构的非球形微颗粒的基材尚比较单一,大多数都要求基材具有可快速光聚交联的性质,需要开发对不同基材更具备通用性的微流控制备方法;②对于预期使用于生物体内的非球形微颗粒,如螺旋形微颗粒,应探索进一步缩小其尺寸以及增加其生物相容性的方法,以适应其在生物体内的应用;③微流控制备非球形微颗粒的效率尚比较低,应开发更易于放大和规模化的微流控制备技术,以实现基于微流控技术的非球形微颗粒的工业化生产。

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