专利名称：一种粒径均一的凝胶微球的制备装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种包埋细胞、微生物和酶以及用于药物缓释包裹药物的装置和方
法，具体涉及一种粒径均一的凝胶微球的制备装置和方法。
背景技术：
已有包埋酶、细胞和微生物等对象的粒径均一的微球，在微球的信号检测、追踪、 模拟具有优势，而且相似大小的微球能为包埋物提供相似的微环境，对外界产生相似的反 应，便于研究包埋所产生的作用。由于均一粒径的微球其自身所具有的这些特点使其在生 物、医药和化工等诸多领域都有广泛的应用。对于不同的材料和不同的应用，所涉及的制备 方法也不同。微球用于包埋时，相较于其他类型的载体具有以下的特点1、形成的物理屏障 对包埋物起到保护作用，如抵抗机械力对细胞损伤、增强细胞对外界不良环境肋迫的抵抗、 防止酶变性等；2、所采用的材料生物相容性好，可以使细胞在包埋基质中自由生长，并且增 强细胞代谢活性；3、包埋于微球中的微生物可更容易的被分离、分析和观察，如可以利用流 式细胞仪对被包埋的微生物进行分选等；4、微球可以装载大分子物质并改善包埋于其中的 物质的性质，如延长其保存期、调控释放速率、屏蔽气味挥发作用等。另外还可以利用微球 材料本身所具有的多种功能基团，如-OH， -COOH， -NHy连接具有生物活性的配基如抗体,酶 等，而广泛用于生物化学分析等。 现有用于包埋的微球制备方法通常可以采用乳化法、挤压法、共轴气流法、膜乳化 法等。以乳化法和共轴气流法制备的微球，粒径均一性差，很难满足实际的需要；挤压法又 难以制备粒径小的微球；微流体法虽能制备均一的微球，但由于其采用的比微球直径还要 细的微米级管道，使制备过程容易堵塞；膜乳化法则存在对设备要求较高，制备工艺成本较 高等问题；另外用上述方法和装置在包埋酶、细胞和微生物等对象时，所涉及的制备方法除 了满足实际对粒径的要求外，还必须考虑微球的制备条件对包埋对象活性的影响。如喷雾 干燥、化学交联等微球方法均不适于此类应用，而一些乳化的方法中所使用的一些剧烈的 剪切力均能对包埋对象的活性产生不利影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种粒径均一的凝胶微球的制备装置和方法，以克服在以生 物活性物质即酶、细胞和微生物等为对象的包埋中所存在的问题。 本发明是采用不共溶的两相即分散相和油相，通过不锈钢针头将分散相通入毛细 玻璃管中同向流动的油相中，分散相被拉成细流进而末端断裂形成均一的液滴的。具体过 程是将作为分散相的高分子生物材料溶液通过不锈钢针头通入同向流动的处于层流状态 的油相中，由于分散相本身具有一定的粘度，可以在油相的作用力下拉成一条粗细可控的 细线，当油相对分散相的粘滞拽力超过作为分散相的高分子生物材料自身的粘弹性应力 时，液流末端断裂，在两相界面张力的作用下分离的液滴形成均一的球体。在液滴的形成 过程中，层流状态的油相液流为在其中流动的分散相液流的断裂提供一个稳定的连续作用力，因而不需再施加任何周期性的外力作用。 因此，本发明提供了一种新型微球制备装置，并提出了相应的微球制备方法。利用 高分子生物材料制备粒径均一的凝胶微球，高分子生物材料有海藻酸钠、琼脂糖、结冷胶、 壳聚糖、卡拉胶、明胶或聚乙烯醇。 本发明的技术方案包括微量注射泵，恒流泵及其分别相连的软管，不锈钢针头，支 架管，毛细玻璃管以及玻璃容器，上述微量注射泵和恒流泵的出口端分别经由软管接入不 锈钢针头和支架管上，支架管中的支架将不锈钢针头插入并固定于毛细玻璃管的中轴位置 上，并使支架管与毛细玻璃管连通，毛细玻璃管下方有一玻璃容器收集毛细玻璃管末端流 出的含有粒径均一分散相液滴的油相。 本发明利用上述发明装置制备微球的方法如下 将盛有油相的容器接入恒流泵的进口端，设定恒流泵的流速，将油相通过软管通 入支架管并流入毛细玻璃管；将作为分散相的装入微量注射泵的针管内，设定微量注射泵 的流速，将分散相经由软管通入不锈钢针头并流入毛细玻璃管；两相液流在毛细玻璃管相 遇后，流出的分散相在油相的粘滞拽力和自身的粘弹性应力作用下被拉成一条细流，细流 末端产生周期性断裂形成粒径均一的分散相微滴；并以玻璃容器收集含有分散相液滴的油 相，固化分散相微滴，洗涤去除油相得到粒径均一的凝胶微球。 本发明通过选取针头的孔径、调节油相和分散相的流速，或者改变油相中表面活 性剂的浓度、以及材料的粘度，可以改变微球的粒径。降低分散相流速或增大油相流速能减 小微球的粒径，增加分散相流速或降低油相流速可以增大微球的粒径，针头孔径越细制得 微球粒径越小，提高材料粘度和乳化剂浓度也能减小微球的粒径。制备出的微球粒径范围 为10-500微米。 本发明制备条件温和、工艺简单，其制备的凝胶微球能广泛的用于包埋酶，细胞或 微生物等，并将对细胞或微生物的活性影响降到最低，而且微球粒径均一性好，粒径分布的 变异系数小于15%，制备工艺稳定，是适合活体包埋的有效方法。另外，本发明制备微球所 用的材料是具有良好通透性、胶凝性和生物相容性的高分子生物材料，将材料对包埋的细 胞或微生物等的毒性降到最低。其装置又在液滴的形成过程中，不需施加任何周期性的外 力作用，大大减少了微球制备过程中对施加外力装备的要求，简化了实验装置。
图1、本发明的两相共流法制备微球的装置示意图。
图2、本发明用两相共流法制备的海藻酸钙微球图。 其中，l-毛细玻璃管；2-不锈钢针头；3-支架管；4_微量注射泵；5_恒流泵；6-软 管；7-玻璃容器。
具体实施例方式
如图l，本发明装置包括微量注射泵4，恒流泵5及其分别相连的软管6，不锈钢针 头2，支架管3，毛细玻璃管1以及玻璃容器7，微量注射泵4和恒流泵5的出口端分别经由 软管接入不锈钢针头2和支架管3上，支架管3中的支架将不锈钢针头2插入并固定于毛 细玻璃管1的中轴位置上，并使支架管3与毛细玻璃管1连通，毛细玻璃管1末端流出的含有粒径均一分散相液滴的油相用玻璃容器7收集。上述的微量注射泵4和恒流泵5均采用 市售的流速稳定、流速可控的型号。 上述的毛细玻璃管宜选择长度为15-40厘米，内径500微米-1500微米的玻璃管；
不锈钢针头宜选用长度为5-20厘米，内径100微米-500微米的不锈钢管道。 微球的具体制备方法包括以下步骤将盛有油相的容器接入恒流泵5的进口端并
设定恒流泵的流速，油相通过软管6通入支架管3并流入毛细玻璃管1中；又将分散相装入
微量注射泵4的注射器内并设定微量注射泵4的流速，分散相经由软管6通入不锈钢针头
2流入毛细玻璃管1中；两相液流在毛细玻璃管相遇后分散相被油相拉成细流，细流末端周
期性断裂即形成粒径均一的微滴，并在毛细玻璃管1的末端用玻璃容器7收集含有分散相
液滴的油相，固化分散相微滴，洗涤去除油相得到粒径均一的凝胶微球。 本发明中所采用的油相是常温下成液态，并与水不相容的油类，如液体石蜡，鲸蜡
烷或者各类植物油。 为了获得更好的微球制备效果，在上述的油相中可加入0_5%的乳化剂，如多元醇 脂肪酸酯及其环氧乙烷加成物。在油相中加入乳化剂能帮助改善油相的性质和油水界面之 间的作用力，在其他条件相同的情况下，有助于获得更稳定的油相液流和更细的分散相液 流，得到粒径更小更均一的凝胶微球。 本方法所采用的分散相即无毒或毒性低的高分子生物材料如海藻酸钠、琼脂糖、 结冷胶、壳聚糖、卡拉胶、明胶、聚乙烯醇等配制而成。选用不同的材料能制备不同材料的微 球。 通过改变高分子生物材料的浓度、针头的孔径、调节油相和分散相的流速，或者改 变油相中表面活性剂的浓度，可以改变微球的粒径。降低分散相流速或增大油相流速能减 小微球的粒径，增加分散相流速或降低油相流速可以增大微球的粒径，针头孔径越细制得 微球粒径越小，提高高分子生物材料的浓度和表面活性剂浓度也能减小微球的粒径。与微 球的粒径成正相关的因素有分散相流速，针头孔径；与微球粒径成负相关的因素有油相 流速、表面活性剂含量、材料浓度。制备出的微球粒径范围为10-500微米，并具有较窄的粒 径分布，变异系数小于15%。
实施例1 本发明中微球制备装置选用长度30cm的毛细玻璃管(内径940微米，外径1250 微米)和8cm的针头(内径270微米，外径600微米)。 微量注射泵4和恒流泵5的出口端分别经由软管接入不锈钢针头2和支架管3上， 支架管3中的支架将不锈钢针头2插入并固定于毛细玻璃管1的中轴位置上，并使支架管3 与毛细玻璃管1连通，毛细玻璃管1末端流出的含有粒径均一分散相液滴的油相用玻璃容 器7收集。
实施例2 以天然多聚糖海藻酸钠作为分散相的材料，以石蜡油作为油相，利用实施例1中 制备的装置来对微球的制备过程做具体说明。 取用粘度为125cps的海藻酸钠，配制浓度为4%的海藻酸钠水溶液作为分散相； 以石蜡油作为油相，石蜡油中加入浓度为1%的司盘80作为乳化剂。 将盛有含1%的司盘80石蜡油的容器接入恒流泵5的进口端，设定恒流泵的流速为70rpm，将油相通过软管6通入支架管3并流入毛细玻璃管1 ;把作为分散相的海藻酸钠
溶液装入微量注射泵4的注射器内，设定微量注射泵4的流速为0. 3ml/h，将分散相经由软
管6通入不锈钢针头2并流入毛细玻璃管1 ;两相液流在毛细玻璃管相遇后，流出的海藻酸
钠液流在油相的粘滞拽力和自身的粘弹性应力作用下被拉成一条细流，细流末端产生周期
性断裂形成粒径均一的海藻酸钠微滴；并在毛细玻璃管1的末端用玻璃容器7收集含有海
藻酸钠液滴的油相，用2X的氯化钙固化2h，用盐水离心洗涤微球直至油相全部除去，得到
平均粒径为61微米的海藻酸*丐微球，其粒径分布的变异系数小于8%。 这种方法制备的海藻酸钙微球具有良好的生物相容性和机械性能，适于包埋具有
活性的细胞、微生物等。 实施例3 以天然高分子多糖结冷胶作为分散相材料，花生油作为油相，利用实施例1中的 装置来对本发明中微球的制备过程做具体说明。 用结冷胶配制浓度为2%的结冷胶水溶液作为分散相(保持4(TC温浴)，以花生油 作为油相，加入浓度为1.5%的司盘40作为乳化剂。 将盛有含1. 5%司盘40花生油的容器接入恒流泵5的进口端，设定恒流泵的流速 为60rpm，将油相通过软管6通入支架管3并流入毛细玻璃管1 ;将作为分散相的结冷胶溶 液(4(TC温浴)装入微量注射泵4的注射器内，设定微量注射泵4的流速为0. 2ml/h，将分散 相经由软管6通入不锈钢针头2并流入毛细玻璃管1 ;两相液流在毛细玻璃管相遇后，流出 的结冷胶液流在油相的粘滞拽力和自身的粘弹性应力作用下被拉成一条细流，细流末端产 生周期性断裂形成粒径均一的结冷胶微滴；并在毛细玻璃管1的末端用玻璃容器7收集含 有结冷胶液滴的油相，4t:冰浴并用1%的氯化钙固化IO分钟，用盐水离心洗涤微球直至油 相全部除去，得到平均粒径为120微米的结冷胶微球，其粒径分布的变异系数小于10%。。
用结冷胶制备的微球具有良好的机械性能、生物相容性和透明性，适于包埋具有 活性的细胞、微生物等。
实施例4 以天然高分子明胶作为分散相材料，玉米油作为油相，利用实施例1中的装置来 对本发明中微球的制备过程做具体说明。 用明胶配制浓度为7%的水溶液作为分散相(保持4(TC温浴)，以玉米油作为油 相，加入浓度为2%的司盘80作为乳化剂。 将盛有含油相的容器接入恒流泵5的进口端，设定恒流泵的流速为75rpm，将油相 通过软管6通入支架管3并流入毛细玻璃管1 ;将作为分散相的明胶溶液装入微量注射泵4 的注射器内(4(TC温浴)，设定微量注射泵4的流速为0. 3ml/h，将分散相经由软管6通入不 锈钢针头2并流入毛细玻璃管1 ;两相液流在毛细玻璃管相遇后，流出的明胶液流在油相的 粘滞拽力和自身的粘弹性应力作用下被拉成一条细流，细流末端产生周期性断裂形成粒径 均一的微滴；并在毛细玻璃管1的末端用玻璃容器7收集含有明胶液滴的油相，4t:冰浴固 化30分钟，用盐水离心洗涤微球直至油相全部除去，得到平均粒径为50微米的明胶微球， 其粒径分布的变异系数小于5%。
实施例5 以人工合成材料聚乙烯醇作为分散相，鲸蜡烷作为油相，利用实施例1中的装置来对本发明中微球的制备过程做具体说明。 用聚乙烯醇配制浓度为10%的水溶液作为分散相，以鲸蜡烷作为油相，加入浓度 为0.5%的司盘80作为乳化剂。 将盛有油相的容器接入恒流泵5的进口端，设定恒流泵的流速为60rpm，将鲸蜡烷 通过软管6通入支架管3并流入毛细玻璃管1 ;将作为分散相的聚乙烯醇溶液装入微量注 射泵4的注射器内，设定微量注射泵4的流速为0. 5ml/h，将分散相经由软管6通入不锈钢 针头2并流入毛细玻璃管1 ;两相液流在毛细玻璃管相遇后，流出的聚乙烯醇液流在油相的 粘滞拽力和自身的粘弹性应力作用下被拉成一条细流，细流末端产生周期性断裂形成粒径 均一的微滴；并在毛细玻璃管l的末端用玻璃容器7收集含有聚乙烯醇液滴的油相，用饱和 硼酸固化10小时，用盐水离心洗涤微球直至油相全部除去，得到平均粒径为40微米的聚乙 烯醇微球，其粒径分布的变异系数小于6%。 用聚乙烯醇制备的微球具有很好的机械性能和传质性，适合于对微球强度要求高 的包埋应用。
权利要求
一种粒径均一的凝胶微球的制备装置，其特征在于包括微量注射泵(4)，恒流泵(5)及其分别相连通的软管(6)，不锈钢针头(2)，支架管(3)，毛细玻璃管(1)以及玻璃容器(7)，上述微量注射泵(4)和恒流泵(5)的出口端分别经由软管接入不锈钢针头(2)和支架管(3)上，支架管(3)中的支架将不锈钢针头(2)插入并固定于毛细玻璃管(1)的中轴位置上，并使支架管(3)与毛细玻璃管(1)连通，在毛细玻璃管(1)下方有一玻璃容器(7)收集流出的含有粒径均一分散相液滴的油相。
2. 如权利要求l所述的微球的制备装置，其特征在于上述的毛细玻璃管(1)的长度在 15-40厘米，内径在500微米-1500微米之间的玻璃管。
3. 如权利要求l所述的微球的制备装置，其特征在于上述的不锈钢针头(2)长度为 5-20厘米，内径在100微米-500微米之间的不锈钢管道。
4. 权利要求1所述的粒径均一的凝胶微球的制备方法，其特征在于将盛有油相的容器 接入恒流泵(5)的进口端并设定恒流泵的流速10rpm-78rpm，油相通过软管(6)通入支架管 (3)并流入毛细玻璃管(1)中；又将作为分散相的高分子生物材料溶液装入微量注射泵(4) 的注射器内并设定微量注射泵(4)的流速O. lml/h-50ml/h，分散相经由软管通入不锈钢针 头(2)流入毛细玻璃管(1)中；两相液流在毛细玻璃管(1)相遇后分散相被油相拉成细流， 细流末端周期性断裂即形成粒径均一的分散相微滴，并在毛细玻璃管(1)的末端用玻璃容 器(7)收集含有分散相液滴的油相，最后固化分散相微滴，并洗涤去除油相得到粒径均一 的微球。
5. 如权利要求4所述的粒径均一的凝胶微球的制备方法，其特征在于高分子生物材料 是海藻酸钠、琼脂糖、结冷胶、壳聚糖、卡拉胶、明胶或聚乙烯醇。
6. 如权利要求4所述的粒径均一的凝胶微球的制备方法，其特征在于上述油相是在常 温下成液态，并与水不相容的油类。
7. 如权利要求6所述的粒径均-石蜡，鲸蜡烷或各类植物油。
8. 如权利要求4所述的粒径均-入浓度为0-5%的乳化剂。
9. 如权利要求8所述的粒径均-元醇脂肪酸酯及其环氧乙烷加成物。-的凝胶微球的制备方法，其特征在于上述油类是液体-的凝胶微球的制备方法，其特征在于上述油相中又加-的凝胶微球的制备方法，其特征在于上述乳化剂是多
全文摘要
一种粒径均一的凝胶微球的制备装置和方法。该装置的微量注射泵和恒流泵的出口端分别经由软管接入针头和支架管，支架管中的支架将针头插入并固定于毛细玻璃管的中轴位置，并使支架管与毛细玻璃管连通。方法是将盛有油相的容器接入恒流泵的进口端，设定恒流泵的流速，将油相通过软管通入支架管并流入毛细玻璃管；将分散相装入微量注射泵的针管内，设定泵的流速，将分散相通入针头并流入毛细玻璃管；在毛细玻璃管的末端用玻璃容器收集含有分散相液滴的油相，固化分散相微滴，洗涤去除油相得到粒径均一的凝胶微球。本发明工艺简单，可制备粒径在10-500微米间的微球，其制备的凝胶微球能广泛的用于包埋酶，细胞或微生物等。
文档编号B01J13/02GK101695646SQ20091022961
公开日2010年4月21日 申请日期2009年10月28日 优先权日2009年10月28日
发明者冀世奇, 刁瑞玉, 刘晨光, 张晓华 申请人:中国海洋大学;