一种中空多孔微胶囊及其制备方法

摘要

本发明提供了一种聚合物微囊，同时具备中空内腔与多孔壳层。本发明提供了乳房该聚合物微囊的制备方法：复乳化装载、乳液滴形态控制和高分子悬浮聚合，容易规模放大。该胶囊适合装载广泛的囊芯材料，其中包括生物活性材料和具有催化功能的材料；利用本发明提供的微囊化方法，可解决纳米尺度催化剂回收的困难，避免纳米粉体对环境的污染，并能够实现多种催化剂的搭配装载，构建复合催化剂。

权利要求

1.一种聚合物微胶囊，其特征为：同时具备单一中空内腔与多孔的壳层，胶囊为刚性树脂材质，壳层孔道为内外贯穿孔；胶囊直径在1-1000μm范围内，内腔直径在0.1-999μm范围内，壳层孔径在2-200nm范围内；其制备过程包括6个步骤：

1)使用乙烯基单体、乙烯基交联剂、引发剂、稀释剂、油溶性表面活性剂、比重调解剂和粘度调解剂配制油相；

2)分别使用高分子稳定剂、水溶性表面活性剂和无机盐配置内水相和外水相，将被装载组分同内水相相混合，外水相中稳定剂浓度高于内水相，内水相中无机盐浓度高于外水相；

3)通过复乳化方法将内水相组分装载在水包油包水型复乳液滴中；

4)调控复乳液滴形态，控制内水相液滴在复乳油滴内部相融合，制备具有单一内水腔的复乳液滴；

5)通过悬浮聚合实现油相固化，并形成多孔的聚合物壳层；

6)去除油相稀释剂、表面活性剂和稳定剂，获得贯穿的壳层孔道。

2.如权利要求1所述的聚合物微胶囊，其特征为壳层具有透光性。

3.如权利要求1所述的聚合物微胶囊，其特征为：制备步骤5)使用紫外照射引发悬浮聚合，包埋生物活性材料。

4.如权利要求1所述的聚合物微胶囊，用于装载尺寸在10nm-100μm的颗粒状材料，颗粒在囊腔中保持自由分散状态。

说明书

一种中空多孔微胶囊及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及高分子微球与微囊材料的成型加工及作为复合材料的应用。

[0002] 技术背景

[0003] 微囊是生命现象中普遍存在的物质聚集形态，合成微囊也是一种成功的商品形式，具有广泛的应用。一种壳层材料包裹另一种功能材料，是胶囊的主要构造方式，而微囊通常是指从亚微米到毫米尺度的小型胶囊。无论以何种形态存在，功能材料与壳层材料是构成微囊的两类基本元素；前者决定了微囊的功用，后者主要用于辅助前者功能的实现。微囊的制备，指的是通过一定的方法将功能材料包裹或分散在支持材料中，从而制备颗粒状复合材料的过程。通过对物质进行微囊化包埋可以达到许多目的，如可以改善囊芯材料的化学或物理稳定性，屏蔽囊芯的气味、颜色和毒性，还可以实现囊芯物质的控制释放或靶向释放。微囊化是构建复合材料的重要方法，也是提高囊芯材料操控性能的重要手段；随着材料技术的不断进步，越来越多的功能材料实现了微囊包埋，使功能材料的应用得到不断拓展。

[0004] 本发明致力于开发新型胶囊体系，实现对新兴纳米尺度功能材料的微囊化。在诸多新型功能材料中，纳米功能材料是近来最引人关注的一类。这类材料在应用中具有优异的表现；如纳米催化剂，同传统的大尺寸催化剂相比单位质量具有更大的接触表面，更有利于催化反应进行。但是小尺度也造成了单元操作的困难，无论是高速离心还是超滤都会耗费大量的能量与工时；此外纳米粉体扩散到环境中，会长期残存，对人体健康造成危害。实现纳米颗粒的微囊化，一方面可以提高功能单元的尺寸以便于单元操作，另一方面能有效防止纳米粉体流失进入环境。对纳米材料进行微包埋已经见诸报道，但包埋后的纳米颗粒往往会损失原有的分散性与运动性，纳米材料的优势会有很大损失。为了既实现纳米材料的微包埋，又要保留纳米材料的优势，本发明发明了一种新型结构的微囊。其特征为：胶囊具备数十微米的空腔，纳米颗粒在限定的空间中能够保持原有的分散性和自由运动的特点；其次微囊具备多孔的壳层，壳层孔道为纳米孔，能够阻止纳米材料向外扩散，又能够实现微囊内腔同外界分子的传递。这种特殊形态的微囊对制备方法提出了很高的要求；另外，具有该形态特征的胶囊还将用于具有生物活性的纳米催化剂的包埋，制备过程必须要保证囊芯材料的生物活性，这也对该特殊形态的微囊制备提出了更高的要求。

[0005] 本发明提出了全新的微囊制备方法，该方法建立在复乳液(水包油包水型，W/0/W)包埋和悬浮聚合的基础上。其中复乳液滴的内水相通过配方和工艺的控制，可以制造出直径数十微米的单一的内腔；而悬浮聚合通过复合致孔剂的使用，能生成具备纳米贯穿孔道的坚固壳层；两种技术遵循截然不同的调控机理，可以满足两个不同尺度的形态要求。由于制备过程中微囊的内腔由水相组成，可以用于包埋亲水性的纳米材料，并且适合于包埋具有生物活性的纳米材料，保护生物活性不受破坏。复乳法制备的微囊通常为多腔结构，本发明首次提出了一种单腔复乳微囊的制备方法，同传统的多腔结构相比，单腔具有明显优势：首先是能够提供宽敞的内空腔，有利于提高装载量，还有利于纳米颗粒的自由分散；此外单腔胶囊只有一层壳层，有利于物质传递，纳米催化剂装入胶囊后，底物能够迅速扩散进入，产物也能够迅速移除。本发明在开发过程中考虑了放大的需要，乳化和悬浮聚合都是常规的生产方式，适合大规模生产；并考虑了所开发产品的通用性，使新型微囊适用于广泛的囊芯材料，通过对不同材料的包埋，可以制备出多种不同功用的微囊产品。

发明内容

[0006] 本发明提供了一种新型的聚合物胶囊及其制备方法，该类胶囊具有中空内腔和多孔的壳层，制备过程结合了复乳化和悬浮聚合的优势。该胶囊生物兼容性好，内腔容积大，机械强度高，而且制备规模容易放大。本发明首次提出了一种控制复乳液滴演变的方法，来获得单一内水腔的复乳液滴，从而制备出单一内腔的固体胶囊。制备胶囊的粒径控制在10-100μm；内腔直径控制在数微米到数十微米范围内；壳层有效孔径范围为2-200nm。本发明验证了该胶囊体系的应用，其中包括：装载固定化酶颗粒，装载活细胞体，装载磁性纳米材料和纳米光催化剂。本发明还进一步验证了多种颗粒组合包埋的可能性，证明该胶囊体系适用于复杂反应过程的集成。

[0007] 胶囊制备方法如下：

[0008] 1.配置油相(O)，其中包含乙烯基单体、二乙烯基交联剂、自由基引发剂、油相乳化剂和制孔剂；其中还可以包含三乙烯基交联剂、比重调解剂、粘度调解剂和疏水调解剂。

[0009] 2.配置内水相溶液(W1)和外水相溶液(W2)，分别包含高分子稳定剂、水溶性表面活性剂、无机盐和自由基聚合阻聚剂；W1中使用非离子型表面活性剂，W2中使用离子型表面活性剂；乳化前W1和W2通氮气1小时，排除水中溶解的氧；被装载颗粒分散在W1溶液中；

[0010] 3.通过复乳化将被包埋水相组分W1包埋在复乳液滴中，如图1所示；首先将W1通过超声破碎分散到O中，形成初乳液(W1/O)，W1与O体积比为1:10；再将初乳液分散到W2中，形成W1/O/W2复乳液，初乳液与W2体积比为1:20；

[0011] 4.调控复乳液滴形态演变，制备单腔复乳液滴；将制备的复乳液封装在密闭容器中，充氮气保护，轻微搅拌或振荡；W2中稳定剂浓度要高于W1，而盐浓度低于W1，内水相液滴会在油滴内部逐渐融合为单一内水腔；可以通过在W2中添加高浓度的分散剂溶液，进一步提高W2分散剂浓度，同时降低盐浓度；经过一段时间的演变，绝大多数复乳液滴将只含有一个内水腔，演变过程如图2所示；

[0012] 5.悬浮聚合，使油相固化；可选择热引发聚合，也可以选择紫外引发聚合，分别选择相应的引发剂；当内水相包埋生物活性组分时，应选择波长为360-380nm的紫外引发聚合；

[0013] 6.去除辅助成型试剂，主要是去除油相制孔剂、油相表面活性剂和水相分散剂；可以分别使用醇溶液和去离子水洗涤固化胶囊；当包埋生物活性组分后，应使用非离子型表面活性剂溶液与缓冲盐溶液洗涤胶囊体系。

[0014] 乳液的稳定性是复乳液制备的难题，传统复乳装载过程一般采用多腔室的复乳形态，以利于内水相稳定。多腔室结构不利于提高内腔的容积，也不利于物质的跨膜传递。本发明根据复乳液滴形态演变的规律，首次提出了一种控制复乳液滴内部形态的方法，制备具有单一内水腔的复乳液滴。控制复乳液滴内部形态，首先要保证内水相稳定，尽可能避免内水相溶液与外水相融合，之后要促进复乳内部水滴间的融合。这就要求外水相与油相界面(O与W2界面)稳定性高，而同时希望内水相与油相界面稳定性较差。本发明还提出通过水相盐浓度来控制内水相融合的方法。当内水相(W1)盐浓度超过外水相(W2)，外水相中水分子会透过油层进入内水相，使内水相不断膨胀，加速了内水液滴间的融合。通过调节内外水相无机盐浓度，可以有效控制内水相融合速度；内水相盐浓度越高，吸水膨胀就越明显，融合速度也就越快。

[0015] 稳定的初乳液是实现复乳均匀装载的前提，在初乳化阶段，要尽可能提高乳化强度，以减小内水相液滴的直径，并尽可能减小内水相与油相间的比重差异。内水相液滴越小，分散越均匀，就越有利于复乳装载。复乳液滴刚形成时包含很多细小水滴，随着内水相(W1)间的融合，内水液滴的数目会逐渐减少。当达到融合要求时，引发油相单体聚合，壳层固化后内腔形态就永久保留下来。

[0016] 本发明的方法适用于装载固态颗粒组分。装载前可以将固态颗粒悬浮在内水相中，聚合后颗粒便被截留在胶囊空腔内部。被装载颗粒在胶囊空腔内没有严格的空间限制，可以自由运动；纳米尺度的固态颗粒在胶囊内部的水环境中保持了布朗运动的特点。对于某些纳米尺度的催化剂或催化剂载体而言，纳米尺度是催化活性的前提，通过本发明的装载方法，可以将成百上千的纳米载体包装在胶囊中，而在限定空间内的分散性不被破坏，其催化特点能很好的保持。

[0017] 本发明的方法不仅可以装载无机的材料，还可以装载生物活性材料和细胞体。装载生物活性组分时，要选择适当的初乳化强度，既要满足乳化要求，又不能破坏被装载组分的生物活性；同时要紫外引发或其他物理射线引发的聚合方式。本方法可以实现纳米载酶颗粒的装载，纳米载酶颗粒在空腔内自由运动，保持了较高的酶活；胶囊壳层的孔隙能够允许小分子底物和产物自由进出，同时确保纳米颗粒不丢失。本方法可以实现活体细胞的装载。细胞被包埋后还有一定的生长空间，可以进一步生产充满胶囊内腔。细胞可以在胶囊中实现周期性生长：生长周期结束时，部分细胞转入休眠，或生成繁殖体；待新的营养成分重新补充后，休眠细胞重新进入生长期，繁殖体开始发育成细胞。

[0018] 本发明提供的方法可装载不同种类的功能分子或功能颗粒，可以将不同的分子或颗粒相互组合包装在一批胶囊中，实现多种功能的集成化与并行化。

[0019] 本发明的胶囊为刚性树脂结构，可以填充在固定床层中，能够承受1.5Mpa压力冲击；也适用于悬浮搅拌的反应器，能够抵抗常规的机械剪切。附图说明：

[0020] 图1复乳操作流程图示意图；

[0021] 图2不同演变时间的复乳形态照片，A：1min，B：15min，C：30min，D：90min；

[0022] 图3实施例1所述的中空胶囊显微镜照片；

[0023] 图4实施例1所述的胶囊电子显微镜照片；

[0024] 图5实施例2所述的光催化降解亚甲基蓝实验结果，照射40分钟；

[0025] 图6实施例3所述胶囊装载超顺磁性颗粒的显微镜照片；

[0026] 图7实施例4所述胶囊装载固定化酶纳米颗粒的激光共聚焦照片；

[0027] 图8实施例4所述的纳米载酶颗粒的重复使用性能与胶囊装载纳米载酶颗粒的重复使用性能；

[0028] 图9实施例5所述胶囊装载两种荧光纳米球的激光共聚焦照片；

[0029] 图10实施例6所述胶囊装载酵母细胞的显微镜照片。

[0030] 具体实施实例

[0031] 实施例1：单腔胶囊制备

[0032] 表1制备中空复乳胶囊的配方

[0033]

[0034] 按照表1配方分别配置油相O、内水相W1和外水相W2。首先将W1同O混合，在冰水浴中超声破碎乳化20秒，超声强度200V，每超声1秒间隔5秒。超声乳化后获得油包水(W1/O)初乳液，再将初乳液同外水相混合，使用机械搅拌制备复乳液(W1/O/W2)，搅拌速度400rpm，乳化时间为2min。复乳液制备后装入反应釜，常压通氮气保护，调整搅拌转速为100rpm，室温下搅拌2hr；在此过程中，复乳液滴将逐渐演变为单腔形态。当复乳液形态达到要求后，对反应釜水浴加热，保持搅拌转速，升温至70℃，持续反应6小时。反应结束后，过滤收集制备胶囊，用乙醇和去离子水反复淋洗胶囊，除去制孔剂、表面活性剂和稳定剂。
制备胶囊绝大部分为单腔形态，光学显微镜照片如图3所示，照片中的胶囊经过筛分，粒径在50-60μm。微球表面形态如图4所示，从扫描电子显微镜照片可以看出，胶囊壳层为多孔结构。

[0035] 实施例2：胶囊装载TiO2纳米催化剂

[0036] 表2制备包埋TiO2纳米粉体胶囊的配方

[0037]

[0038] 按照表2配方分别配置油相O、内水相W1和外水相W2。以Degussa纳米TiO2粉体P250为装载目标，首先将目标粉体通过超声破碎分散到内水相溶液中，W1固体含量控制在3％。将W1同O混合，冰水浴超声乳化60秒，超声功率200V。再将初乳液同外水相混合，使用机械搅拌制备复乳液(W1/O/W2)。复乳液制备后装入反应釜，常压通氮气保护，控制搅拌转速为100rpm，室温下搅拌2hr；复乳液滴将逐渐演变为单腔形态。当复乳液形态达到要求后，保持搅拌转速，升温至70℃，持续反应6小时。反应结束后，过滤收集制备胶囊，用乙醇和去离子水反复淋洗胶囊，除去制孔剂、表面活性剂和稳定剂。制备胶囊同图3所示胶囊，壳层具有良好的透光性。以亚甲基蓝为底物，考察包埋TiO2粉体的催化能力。配置20mg/L亚甲基蓝溶液，分别同TiO2纳米粉体和胶囊装载的催化剂体系相混合，将反应体系装入石英瓶中，使用高压汞灯照射，反应体系的振荡速度为100rpm。图5显示了30分钟的催化结果：A为没有催化剂的空白体系；B为胶囊装载TiO2的体系，30分钟后反应体系变澄清；C为使用纳米TiO2体系，反应后催化剂不容易分离。胶囊装载纳米TiO2能够保持纳米粉体的催化能力，胶囊装载有利于催化剂的分离和重复利用。

[0039] 实施例3：胶囊装载超顺磁性颗粒

[0040] 表3制备包埋磁性颗粒胶囊的配方

[0041]

[0042] 以具有超顺磁性的颗粒为包埋目标，目标颗粒表面为SiO2材质，内包含超顺磁性纳米核，颗粒平均直接在1-2μm。按照表3配方分别配置油相O、内水相W1和外水相W2。将W1同O混合，在冰水浴中超声乳化60秒，超声功率200V。超声乳化后获得油包水(W1/O)初乳液，再将初乳液同外水相混合，使用机械搅拌制备复乳液(W1/O/W2)，搅拌速度400rpm，乳化时间为2min。复乳液制备后装入反应釜，常压通氮气保护，调整搅拌转速为100rpm，室温下搅拌2hr；在此过程中，复乳液滴将逐渐演变为单腔形态。当复乳液形态达到要求后，对反应釜通过水浴加热，保持搅拌转速，升温至70℃，持续反应6小时。反应结束后，过滤收集制备胶囊，用乙醇和去离子水反复淋洗胶囊，除去制孔剂、表面活性剂和稳定剂。制备胶囊绝大部分为单腔形态，光学显微镜照片如图6所示。胶囊装载的磁性颗粒呈自由分散状态，包埋过程不会造成磁性损失，不会因为颗粒团聚丧失超顺磁性。

[0043] 实施例4：胶囊装载固定化酶纳米颗粒

[0044] 表4制备包埋纳米载酶颗粒胶囊的配方

[0045]

[0046] 选择400nm的聚合物纳米球为固定化酶载体，为便于检测使用的纳米球用罗丹明B标记。将α-胰凝乳蛋白酶通过共价交联的方法固定在纳米球表面。再按照表2给出的包埋配方，将载酶纳米颗粒包埋在复乳液滴中。包埋方法同实施例1，首先将W1同O混合超声乳化，超声强度100V。超声乳化后将初乳液同外水相混合，使用机械搅拌制备复乳液(W1/O/W2)，搅拌速度400rpm，乳化2min。复乳液制备后装入石英反应瓶，乳液以上气体用氮气置换，将石英瓶置于垂直混合器上，缓慢振荡90min；在此过程中，复乳液滴将逐渐演变为单腔形态，固定化酶粉体被包埋其中。当复乳液形态达到要求后，将石英瓶置于紫外黑光灯下，照射波长为365nm，照射功率为50V/100ml。在紫外照射下，油相开始固化，聚合反应持续8小时。反应结束后，过滤收集制备胶囊，使用1％Tween20溶液洗涤制备胶囊，除去胶囊壳层制孔剂和内外水相中的分散剂；再用PH7.8的Tris-HCl缓冲盐置换胶囊的水环境，并作为最终保存缓冲体系。制备胶囊绝大部分为单腔形态，被装载的纳米载酶颗粒在胶囊空腔中保持了良好的分散状态。通过激光共聚焦显微镜观察胶囊体系，如图7所示；显微镜下能观察到胶囊中纳米球的布朗运动。纳米载酶颗粒经过包埋后，保留了绝大部分的催化活性；胶囊体系的催化活性达到2U/g胶囊。胶囊装载后重复使用性能得到显著提高，如图8所示，纳米载酶颗粒使用20次后活性降低到原始活性的一半，胶囊装载后使用100次活性仍没有下降。

[0047] 实施例5：两种纳米颗粒混合包埋

[0048] 表5制备装载两种荧光颗粒的胶囊的配方

[0049]

[0050] 包埋目标为两种不同材质的纳米球，为观测方便，两种纳米球分别用不同的荧光染料标记：罗丹明B具有红色激发荧光，酸性曙红具有黄绿色激发荧光。按照表5配方分别配置油相O、内水相W1和外水相W2。将等比例的两种纳米球分散到W1中，控制固体含量为4％。将W1同O混合，在冰水浴中超声破碎乳化60秒，超声强度200V。超声乳化后获得油包水(W1/O)初乳液，再将初乳液同外水相混合，使用机械搅拌制备复乳液(W1/O/W2)，搅拌速度400rpm，乳化时间为2min。复乳液制备后装入反应釜，常压通氮气保护，调整搅拌转速为100rpm，室温下搅拌2hr；在此过程中，复乳液滴将逐渐演变为单腔形态。当复乳液形态达到要求后，对反应釜水浴加热，保持搅拌转速，升温至70℃，持续反应6小时。反应结束后，过滤收集制备胶囊，用1％Tween20溶液洗涤制备胶囊，除去制孔剂、表面活性剂和稳定剂。通过激光共聚焦显微镜观察共包埋体系，如图9所示。两种纳米粉体经过胶囊装载后保持了良好的分散状态和均匀的混合状态。

[0051] 实施例6：胶囊装载细胞

[0052] 表6制备装载细胞的胶囊的配方

[0053]

[0054] 装载目标为酵母细胞，首先将酵母接种到液体培养基中，培养24小时积累一定的细胞量。按照表6配方分别配置油相O、内水相W1和外水相W2。首先将目标细胞体置换进W1，控制固体含量约为1％；再将W1同O混合，在冰水浴中超声破碎乳化20秒，超声强度100V，每超声1秒间隔5秒。超声乳化后获得油包水(W1/O)初乳液，再将初乳液同外水相混合，使用机械搅拌制备复乳液(W1/O/W2)，搅拌速度400rpm，乳化时间为2min。复乳液制备后装入石英反应瓶，乳液以上气体用氮气置换，将石英瓶置于垂直混合器上，缓慢振荡90min；
在此过程中，复乳液滴将逐渐演变为单腔形态，固定化酶粉体被包埋其中。当复乳液形态达到要求后，将石英瓶置于紫外黑光灯下，照射波长为365nm，照射功率为50V/100ml。在紫外照射下，油相开始固化，聚合反应持续8小时。反应结束后，过滤收集制备胶囊，用乙醇和去离子水反复淋洗胶囊，除去制孔剂、表面活性剂和稳定剂。制备胶囊绝大部分为单腔形态，光学显微镜照片如图10所示。包埋后，酵母细胞保持完整的细胞形态；使用液体培养基培养包埋细胞，经过12hr培养，发现酵母细胞开始出芽生长。