何曉恒¹，褚良銀²

（¹三峽大學(xué)醫(yī)學(xué)院，湖北 宜昌 443002；²四川大學(xué)化工學(xué)院，四川 成都 610065）

引用本文：何曉恒, 褚良銀. 微流控模板法制備功能化非球形微顆粒研究新進(jìn)展[J]. 化工進(jìn)展, 2019, 38(9): 4109-4118.

摘 要

功能化非球形微顆粒在生物醫(yī)藥、吸附、傳感與檢測(cè)等方面具有非常廣泛的應(yīng)用。相對(duì)于其他非球形微顆粒制備方法，近年來(lái)興起的微流控技術(shù)，由于對(duì)微尺度流體具有超靈敏的操控特性，在制備和精確調(diào)控微米級(jí)功能材料方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。通過精確控制流體在微尺度通道內(nèi)的流動(dòng)和剪切，微流控技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多種形態(tài)和結(jié)構(gòu)的微尺度流體、乳液和纖維的可控構(gòu)建，為非球形微顆粒的可控制造提供了優(yōu)良的模板。同時(shí)，通過在制備過程中引入功能性材料，這些非球形微顆粒將具備更多的功能，從而極大地拓展和豐富了其應(yīng)用范圍。本文綜述了近年來(lái)采用微流控技術(shù)制備功能化非球形微顆粒的研究新進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了以微流控技術(shù)構(gòu)建得到的微流體、多相乳液及微纖維為模板可控制備功能化非球形微顆粒的研究現(xiàn)狀。

具有不同形狀和結(jié)構(gòu)的微顆粒在組織工程、藥物送達(dá)、吸附、傳感與檢測(cè)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。并且在許多的應(yīng)用場(chǎng)合，非球形微顆粒相較于常規(guī)的球形微顆粒具有更大的優(yōu)勢(shì)。例如在藥物代謝方面，以線狀顆粒形式存在的藥物比以球形顆粒形式存在的同種藥物在血液中循環(huán)的時(shí)間更長(zhǎng)；在靶向治療方面，具有螺旋形結(jié)構(gòu)的磁性微顆粒能夠在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行螺旋行進(jìn)運(yùn)動(dòng)，從而可以實(shí)現(xiàn)在常規(guī)磁驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器難以運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜流體環(huán)境如血液、胃腸道及腦脊液中的驅(qū)動(dòng)前進(jìn)和靶向運(yùn)送；在光學(xué)材料方面，啞鈴形的膠體顆粒在外場(chǎng)如電場(chǎng)的作用下可定向排列組裝成光子晶體，呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)色及雙折射現(xiàn)象，當(dāng)外場(chǎng)關(guān)閉時(shí)，膠體顆粒取向消失，結(jié)構(gòu)色及雙折射現(xiàn)象隨之消失，實(shí)現(xiàn)特殊的光學(xué)開關(guān)性能；在組織工程領(lǐng)域，十字形和圓棒形的細(xì)胞負(fù)載微凝膠顆粒基于尺寸匹配的鎖-匙原理，可精確組裝成微尺度上的細(xì)胞共培養(yǎng)砌塊，為新型組織工程細(xì)胞培養(yǎng)支架的構(gòu)建提供了可能。因此，新型功能化非球形微顆粒的研制與應(yīng)用對(duì)于促進(jìn)材料、化工、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的進(jìn)一步創(chuàng)新具有重要的意義。

目前，制備非球形微顆粒的方法主要包括模板聚合法、機(jī)械拉伸法、激光3D直寫法以及微流控法。其中，模板聚合法是以具有不同結(jié)構(gòu)的微孔陣列為模具，通過固化模具中的高分子溶液，制備得到與模具結(jié)構(gòu)一致的非球形微顆粒的方法。利用這種方法得到的微顆粒的形狀高度依賴于所使用的微孔模板，因此在微顆粒的結(jié)構(gòu)調(diào)控方面缺乏一定的靈活性機(jī)械拉伸法是通過機(jī)械拉伸包裹在球形微顆粒外部的聚合物薄膜而使球形微顆粒變形來(lái)制備非球形微顆粒的方法，因此制備得到的微顆粒的結(jié)構(gòu)都比較簡(jiǎn)單，難以得到具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的非球形微顆粒。激光3D直寫法是一種基于雙光子聚合原理的微立體光刻技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)具有復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)微顆粒的精確制造，但這種方法在材料的選擇上比較受限，而且對(duì)儀器設(shè)備的要求也比較高。相對(duì)于上述方法，近年來(lái)興起的微流控方法，由于其對(duì)微尺度流體超靈敏的操控特性，在制備和精確調(diào)控非球形微顆粒方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。

本文綜述了近年來(lái)采用微流控法制備功能化非球形微顆粒研究的新進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了以微流控技術(shù)構(gòu)建得到的微流體、多相乳液及微纖維為模板可控制備功能化非球形微顆粒的研究現(xiàn)狀，以期為新型功能化非球形微顆粒的研究和開發(fā)提供新的有效途徑。

1 微流控模板法制備非球形微顆粒

1.1 層流模板法

圖1　水平層流模板法制備非球形微顆粒

圖2　豎直層流模板法制備非球形微顆粒

1.2 慣性流模板法

圖3　慣性流模板法制備非球形微顆粒

2 多相乳液模板法制備非球形微顆粒

2.1 球形多相乳液模板法

圖4　復(fù)乳模板法制備孔-殼型非球形微顆粒

圖6　單乳模板法制備Janus型非球形微顆粒

2.2 非球形多相乳液模板法

圖7　非球形單乳模板法制備非球形微顆粒

圖8　非球形復(fù)乳模板法制備非球形微顆粒

圖9　Janus型復(fù)合乳液模板法制備非球形微顆粒

3 微纖維模板法制備非球形微顆粒

3.1 豆莢狀微纖維模板法

圖10　豆莢狀微纖維模板法制備非球形微顆粒

3.2 螺旋形微纖維模板法

圖11　螺旋形微纖維模板法制備非球形微顆粒

4 結(jié)  語(yǔ)

微流控技術(shù)作為一種新興的流體操控技術(shù)，為尺寸均一、結(jié)構(gòu)可控的功能化非球形微顆粒的制備提供了一種可靠的途徑。該技術(shù)通過在微尺度通道內(nèi)精確控制流體的流動(dòng)和剪切，可控構(gòu)建得到多種微流體、多相乳液和微纖維，并且對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確調(diào)節(jié)。這些結(jié)構(gòu)精確可調(diào)的微流體、多相乳液和微纖維為可控制備非球形微顆粒提供了優(yōu)良的模板。此外，功能性材料的加入還能夠賦予這些非球形微顆粒更多的功能，極大地拓展和豐富了其應(yīng)用范圍。但是，目前有關(guān)微流控模板法來(lái)制備新型非球形微顆粒功能材料方面的工作尚處于基礎(chǔ)研究階段，所構(gòu)建的微尺度模板及制備的非球形微顆粒的結(jié)構(gòu)還較為簡(jiǎn)單，產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還比較困難。因此，今后對(duì)于此類非球形微顆粒的研究還需著重考慮和解決以下問題。①目前用于制備非球形微顆粒特別是具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的非球形微顆粒的基材尚比較單一，大多數(shù)都要求基材具有可快速光聚交聯(lián)的性質(zhì)，需要開發(fā)對(duì)不同基材更具備通用性的微流控制備方法；②對(duì)于預(yù)期使用于生物體內(nèi)的非球形微顆粒，如螺旋形微顆粒，應(yīng)探索進(jìn)一步縮小其尺寸以及增加其生物相容性的方法，以適應(yīng)其在生物體內(nèi)的應(yīng)用；③微流控制備非球形微顆粒的效率尚比較低，應(yīng)開發(fā)更易于放大和規(guī)?；奈⒘骺刂苽浼夹g(shù)，以實(shí)現(xiàn)基于微流控技術(shù)的非球形微顆粒的工業(yè)化生產(chǎn)。

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