共挤出流体法制备功能化胶囊膜的研究进展(2)

1.1.3 共轴界面剪切制备胶囊膜 共轴界面剪切法制备胶囊膜，主要是基于交叉界面乳化机理[31?34]，将内外相流体分别通入由共轴毛细管组装的共挤出装置的内外管中，通过振动穿过空气?液体界面的共轴毛细管而构建胶囊膜。调控振动频率和流体流率可以调控囊的尺寸，能够制备尺寸均一的胶囊，其过程可控，配置简单，在生物医学等领域具有广泛的应用[35?38]。当振动的毛细管垂直穿过空气?液体界面时，所产生的液滴垂直排列并最终沉积在收集容器的底部，若要实现胶囊的按需排列，该方式需要辅助额外的手段，例如介电泳法[39]、数字微流控技术[40]以及通过设计流体流动通道结构调控流场及液滴之间的相互作用[41?43]。为了简化液滴的产生和定位过程，Huang 等[44]基于上述手段开发了一种共轴斜界面剪切（COIS）技术，如图3(a)所示，利用一个同轴针来提供内外流体在气液界面上倾斜振动，从而产生复合液滴颈的夹点，液滴在接收相中以可调谐的横向位移移动，使得沿特定方向排列的胶囊可用于热和化学环境下的空间梯度释放[图3(b)]。研究发现，通过调节毛细管的振动频率和内外相流体的流率可以调控胶囊的形貌和尺寸，振动频率增大，产生的液滴尺寸随之增大，而当增大内相或外相流体的流率时，液滴的尺寸随之减小。并且，基于Stokes 漂移模型研究产生液滴的横向位移与过程参数之间的关系表明，随着振动频率的增大或者内相或外相流体流率的减小，液滴的最终横向位移均呈现增大的趋势。COIS 结合了共轴界面剪切与液滴侧向定位的优点，通过倾斜穿过空气?液体界面的周期性振动共轴毛细管装置实现了一步法产生胶囊及其空间梯度分布同步排序，并且基于Stokes 漂移模型可以准确预测胶囊的横向位移，利用该方法产生的具有不同形貌和尺寸的带有二维条纹结构的复合囊可以为构建具有热和化学物质刺激响应空间梯度控释的功能材料提供一种简易的方法。

1.2 多腔室胶囊膜的制备方法

图3 利用共轴斜界面剪切（COIS）技术制备复乳及其热响应空间梯度释药[44]：利用COIS技术产生复乳并收集在带有三个矩形槽的石英池中(a);具有热响应性凝胶膜和油核的微囊膜的释放过程(比例尺:500 μm)(b)Fig.3 The coaxial oblique interface shearing(COIS)technique to generate the double emulsions and verification of thermal?responsive spatial gradient drug release[44]：schematic of the COIS technique for generation of double emulsions and colleting by a quartz pool with three rectangular grooves(a);schematic of the releasing process for microcapsules with a thermal?responsive hydrogel shell and an oil core(scale bar:500 μm)(b)

相比于具有单个腔室的胶囊，多腔室结构的胶囊具有更多功能，可实现在单个胶囊中同时包载互不相容的活性物质，并防止其发生交叉污染[45?47]。并且，在胶囊的囊膜中引入功能性组分，可实现对不同的包封组分在需要的情况下协同释放[48?49]，也可实现将不同的反应物分别包载在不同的腔室中，一经触发便可发生反应等[50?51]。因此，多腔室结构胶囊具有更加广阔的应用前景。目前，制备多腔室结构的胶囊膜的方法主要是基于模板法来构建胶囊的内部腔室，包括固体模板法[52?53]、液滴模板法[54?55]以及微流控乳液模板法[56?59]等，利用这些方法制备的多腔室胶囊的研究虽然可实现上述效果，但这些胶囊中多个腔室外的囊壁是相同组分的，因此每个腔室外囊壁的渗透性能以及每个腔室内部包封物的释放行为不能够独立控制，这将会限制这些多腔室胶囊在控制释放及微反应等领域的应用。因此，He 等[60]通过将多套共挤出毛细管装置进行组装，开发了一种可升级式毛细管共挤出技术。利用探针巧妙地触发液滴在下落过程中的融合，能够可控制备用于物质协同释放的具有多组分液核及囊壁结构的Ca?Alg 胶囊。该技术的具体操作是将如图4(a)所示的两套共挤出装置按照图4(b)进行组装，两套装置接近垂直放置，通过控制内外相流体的流率，用羧甲基纤维素钠溶液作为内相流体1（IF1）和2（IF2）构建水包水（W/W）液滴的内核，海藻酸钠溶液作为外相流体1（OF1）和2（OF2）构建W/W 液滴的外层。在装置出口端同时产生两个不同的W/W 复合液滴在重力的作用下同时滴落，在下落过程中由一根水平放置的探针引发其融合，形成Janus 的θ 型液滴。θ型液滴落入硝酸钙[Ca(NO3)2]溶液中，使得Ca2+与θ 型液滴外层中的海藻酸发生交联，从而形成具有双腔室结构的Ca?Alg胶囊[图4(c)]。研究发现，利用组装后的共挤出装置成功制得的双腔室Ca?Alg胶囊具有良好的形貌及高度的均一性，具有Janus型囊壁的双腔室Ca?Alg 胶囊的示意图及光学照片如图4(d)、(e)所示。其中，胶囊内每个液核可作为独立的腔室用以同时包封不同的组分使其隔开而不发生混合，通过改变制备时的流速可实现对双腔室胶囊腔室液核体积及相应的壳层厚度进行灵活调控。并且，通过向双腔室胶囊Janus 型囊壁中添加不同功能性组分，可灵活控制每个腔室外囊壁的渗透性能，从而可实现各个腔室的包封物具有不同的控制释放行为，将两种控制释放模式在同一个胶囊中实现。另外，通过组装更多数量的毛细管共挤出装置，可实现对装置的进一步升级，制备具有更多不同组分液核腔室及囊壁的Ca?Alg 胶囊[如图4(f)所示的利用三套共挤出装置组装所制备的具有三腔室的Ca?Alg 胶囊]，实现对物质的多样化包封及协同释放。因此，这种液核腔室及各腔室外的囊壁均为多组分的胶囊，在生物医学等领域具有更加广阔的应用前景。

文章来源：《功能材料与器件学报》 网址: http://www.gnclyqjxb.cn/qikandaodu/2021/0316/530.html