一种制备微粒的方法及装置与流程

本发明属于微纳加工技术领域，尤其涉及一种制备微粒的方法及装置。

背景技术：

微粒化制备技术除了在粉末燃烧、喷射干燥、气体雾化、喷射沉积、喷墨打印和快速成形生产等生产领域中有广泛的应用，在基础科学研究中有极其重要的意义，如流体力学、紊流机制，同时该技术在航空、冶金、电子封装、化工、医药等行业也有着广泛应用，特别是生物细胞培养领域，因为动物细胞贴壁生长的特性需要载体有表面光滑、尺寸均匀的特性。

聚二甲基硅氧烷具有良好的易加工性、生物兼容性、透光性、透气性、热稳定性和无毒等特性，不但用于加工常规的微流控芯片，也逐渐用作空间细胞培养芯片的结构材料。然而液态的聚二甲基硅氧烷低表面能材料很难在一般条件下自然聚集形成微粒，故对制备尺寸均匀、表面光滑的低表面能微粒提出需求。

均匀球形微粒制备方法主要包括切丝重熔法、膜乳化法和喷射法等。

切丝重熔法的原理如图1所示首先将金属锭进行拉丝、剪切等机械加工方式产生均匀的微质量元，然后把加工好的微质量元放入具有一定温度梯度的成形设备，经过重熔和凝固过程，使微质量元形成标准球体。采用该方法制备微粒工艺可控性好，成本低设备简单。但是有明显的缺陷，工序繁多，生产效率低，精确度不高，而且，该方法只是针对金属材料，不适用于聚二甲基硅氧烷这一类高分子材料。

膜乳化过程基本原理如图2所示，多孔膜的两侧分别是分散相和连续相,以一定的压力将分散相通过多孔膜压入到连续相中形成液滴，液滴在多孔膜上成长至一定尺寸后脱离，如果多孔膜的孔间距过小，则会发生液滴之间合并的现象。所以，液滴的粒径和粒径分布不仅仅是由孔径和孔径分布所决定的,它还与液滴在膜上和溶液中的合并程度有关。分散相一般含有单体、疏水性物质、疏水性引发剂等,其挤出压力一般是由氮气或泵来产生的。连续相一般含有稳定剂、乳化剂、阻聚剂等。分散相保存在储蓄罐中,在适当的压力下,分散相会充满管状膜的外围空间,待压力到临界值以后,分散相通过多孔膜进入管内的连续相中形成液滴。膜乳化法制备微粒所使用的整套设备较复杂，而且由于多孔膜的间距一般较小，液态的聚二甲基硅氧烷单体在挤出形成液滴的过程中容易汇聚在一起，较难得到尺寸小的微粒；在形成乳化液体的过程中，微粒未固化之前，两两液滴会互相聚集形成较大的液滴，这就造成难以控制微粒尺寸的问题；与固化剂混合均匀的液态聚二甲基硅氧烷在连续相中可以自然聚集成液滴，然而由于温度场梯度变化的原因，液滴在连续相中进行固化的过程中会造成微粒尺寸不均匀的问题。

乳液溶剂挥发法，在溶剂蒸发过程中，聚合物被溶解在一个合适的有机溶剂中，然后药物被分散或溶解于该聚合物溶液中，所得到的溶液或分散液乳化在水性的连续相中以形成离散的液滴。微球的形成中，有机溶剂必须先扩散到水相中，然后在水/空气界面蒸发。随着溶剂的蒸发，适当的过滤和干燥后，可以得到微球硬化和自由流动的微球。溶剂蒸发法已被广泛用于制备许多不同的药物的PLA和PLGA微球。大连大学环境与化学工程学院的李娟娟、梁春英等以SDBS和油酸钠改性的Fe₃O₄为载体材料，利用乳液溶剂挥发法制备了聚乳酸磁性微球，其扫描电镜照片如图3所示。乳液溶剂挥发法制备微粒主要是针对磁性微粒，况且聚二甲基硅氧烷最佳的固化温度为120℃，一个标准大气压下水的最高温度只有100℃。在挥发的过程中，尚未固化的聚二甲基硅氧烷液滴互相之间会相互碰撞或者融合，不利于控制微粒的形态以及表面形貌，再者，溶剂挥发过后沉积下来的微粒会一层层往上叠加，非常混乱不利于后期分离与挑选。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种制备微粒的方法及装置，该方法制备的微粒表面光滑且尺寸均匀。

本发明提供了一种制备微粒的装置，包括：

高能脉冲激光器；

与所述高能脉冲激光器相对的约束层；

所述约束层不与高能脉冲激光器相对的一面依次设置有牺牲层与液态靶材层；

开口容器；所述开口容器中设置有与靶材不相溶的液体，且所述约束层、牺牲层与液态靶材层位于液体中。

优选的，所述高能脉冲激光器与约束层之间还设置有聚焦镜。

优选的，所述牺牲层为对高能脉冲激光吸收超过10％的物质层。

优选的，所述牺牲层的厚度为20～140nm。

优选的，所述液态靶材层的厚度为10μm～2mm。

优选的，还包括位于液体中的接收层；所述接收层位于液态靶材层的下方，且不与液态靶材层接触。

优选的，还包括垫块层；所述垫块层设置于所述接收层与开口容器底层之间。

优选的，所述开口容器置于三维移动平台上。

本发明还提供了一种制备微粒的方法，包括：

采用上述的装置，使高能脉冲激光作用与牺牲层，得到微粒。

优选的，所述高能脉冲激光的能量为5～50mJ；频率为单脉冲或1～10Hz。

本发明提供了一种制备微粒的装置，包括：高能脉冲激光器；与所述高能脉冲激光器相对的约束层；所述约束层不与高能脉冲激光器相对的一面依次设置有牺牲层与液态靶材层；所述约束层、牺牲层与液态靶材层位于开口容器中；所述开口容器中设置有与靶材不相溶的液体，且所述约束层、牺牲层与液态靶材层位于液体中。与现有技术相比，本发明利用高能脉冲激光作为加工能量源和液态靶材在不相溶液体中能有大接触角的特点，在液体中制备其微粒，高能脉冲激光聚焦在牺牲层上，使得牺牲层瞬间变成等离子体推动液态靶材生成气泡，控制好激光的能量让气泡恰好不破裂，气泡的能量耗散后，外加水压的作用，靶材往回收缩，当碰上约束层后，由于反弹作用，靶材会往水中析出靶材液滴，其在水中自然状态下为规则均匀的圆球形，利用激光诱导的手段产生定向的能量波推动靶材，形成均匀光滑的微粒。

附图说明

图1为切丝重熔法的原理示意图；

图2为膜乳化过程基本原理示意图；

图3为聚乳酸磁性微球的扫描电镜照片；

图4为本发明提供的制备微粒的装置的结构示意图；

图5为本发明实施例1中制备的聚二甲基硅氧烷微粒的照片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图4，图4为本发明提供的制备微粒的装置的结构示意图，其中1为高能脉冲激光器，2为聚焦镜，3为开口容器，4为约束层，5为牺牲层，6为液态靶材层，7为接收层，8为垫块层，9为三维移动平台，10为气泡，11为与靶材不相溶的液体。

本发明提供了一种制备微粒的装置，包括：

高能脉冲激光器(1)；

与所述高能脉冲激光器相对的约束层(4)；

所述约束层不与高能脉冲激光器相对的一面依次设置有牺牲层(5)与液态靶材层(6)；

开口容器；所述开口容器中设置有与靶材不相溶的液体(11)，且所述约束层(4)、牺牲层(5)与液态靶材层(6)位于液体中。

按照本发明，所述高能脉冲激光器所提供的高能脉冲激光的能量和频率可调；所述高能脉冲激光的能量优选为5～50mJ；所述高能脉冲激光的频率优选为单脉冲或1～10Hz。

本发明提供的装置包括与所述高能脉冲激光器相对的约束层；所述约束层为本领域技术人员熟知的约束层即可，并无特殊的显著，本发明中优选为透明层，更优选为玻璃层或高分子聚合物层；所述约束层的厚度优选为0.5～2mm。

为了更好地集中能量，本发明在所述高能脉冲激光器与约束层之间优选设置有聚焦镜。

所述约束层不与高能脉冲激光器相对的一面依次设置有牺牲层与液态靶材层；所述牺牲层为本领域技术人员熟知的牺牲层即可，并无特殊的限制，本发明中优选为高能脉冲激光吸收超过10％的物质层，所述物质层可为金属层、金属氧化物层或有机物层；所述牺牲层的厚度优选为20～140nm；所述液态靶材层为本领域技术人员熟知的液态靶材层即可，并无特殊的限制，本发明中优选为在空气中表面能过低无法形成均匀球形微粒的靶材，更优选为液态聚二甲基硅氧烷层；所述液态靶材层的厚度优选为10μm～2mm；所述液态靶材优选经抽真空去气泡处理后再旋涂在牺牲层上形成液态靶材层。

在本发明中，所述约束层、牺牲层与液态靶材层均位于开口容器中；所述开口容器中设置有与靶材不相溶的液体，且所述约束层、牺牲层与液态靶材层位于液体中；所述液体为本领域技术人员熟知的液体即可，并无特殊的限制，本发明中优选为水。

本发明提供的制备微粒的装置优选还包括位于液体中垫块层；所述垫块层位于接收层的下方。所述垫块层优选包括多块垫块；所述垫块的厚度优选为1mm。通过增加或减少垫块层的厚度可以控制约束层与接收层的间距，从而改变沉积后的压力，能够获得不同圆度的微粒。

本发明提供的装置优选还包括三维移动平台；所述开口容器置于三维移动平台上。三维移动平台上下移动能够快速找准交点，左右移动能够控制微粒的沉积位置，避免出现尚未固化的微粒在沉积的过程中出现再次聚集、重叠的情况，为后期的微粒筛选节省时间。

以液态靶材为液态聚二甲基硅氧烷为例说明本发明提供的微粒制备装置的原理：由于液态聚二甲基硅氧烷低表面能的特性，致使其在气相或真空中接触角非常小，即无法形成液滴。然而在水中液态聚二甲基硅氧烷的接触角超过150°，能够轻易形成液滴，并通过调节激光脉冲能量、接收距离、液态聚二甲基硅氧烷厚度等参数可以达到控制液滴尺寸的目的和快速地移动三维控制平台增大制备微粒的工作效率和控制生成微粒的微粒，避免出现微粒重叠的情况。

本发明利用高能脉冲激光作为加工能量源和液态靶材在不相溶液体中能有大接触角的特点，在液体中制备其微粒，高能脉冲激光聚焦在牺牲层上，使得牺牲层瞬间变成等离子体推动液态靶材生成气泡，控制好激光的能量让气泡恰好不破裂，气泡的能量耗散后，外加水压的作用，靶材往回收缩，当碰上约束层后，由于反弹作用，靶材会往水中析出靶材液滴，其在水中自然状态下为规则均匀的圆球形，利用激光诱导的手段产生定向的能量波推动靶材，形成均匀光滑的微粒。

本发明还提供了一种制备微粒的方法，包括：采用上述的制备微粒的装置，得到微粒。本发明使高能脉冲激光作用与牺牲层，使得牺牲层瞬间变为等离子体推动液态靶材生成气泡，气泡的能量耗散后，在外加液体与约束层的作用下，得到微粒。

在本发明中此方法优选具体为：高能脉冲激光(1)聚焦在牺牲层(5)上，使得牺牲层瞬间变成等离子体推动液态聚二甲基硅氧烷靶材(6)生成气泡(10)；控制好激光的能量让气泡恰好不破裂，气泡的能量耗散后，外加水压的作用，靶材(6)往回收缩，当碰上约束层后，由于反弹作用，靶材(6)会往水中析出聚二甲基硅氧烷液滴，其在水中自然状态下为规则均匀的圆球形，当其沉积至经过用酒精超声清洗后的接收层(7)后，即为微粒。

(8)为若干块厚度均为1mm的垫块，通过增加或者减少垫块可以控制约束层(4)和接受层(7)的间距，从而改变沉积后的水压，能够获得不同圆度的微粒。三维移动平台(9)上下移动能够快速找准焦点，左右移动能够控制微粒的沉积位置，避免出现避免尚未固化的微粒在沉积的过程中出现再次聚集、重叠的情况，为后期的微粒筛选节省时间。

本发明所提供的制备微粒的方法尤其针对液态高温高分子材料，更优选为聚二甲基硅氧烷，利用液态聚二甲基硅氧烷在水中能有大接触角的特点以激光传送为手段逐个传送液滴，达到液滴尺寸可控的目的，从而快速、大量地制备出聚二甲基硅氧烷微粒。

另外，本发明利用脉冲激光作为加工能量源，激光加工具有快速高效的特点，大大地提高了微粒的生产效率；利用液体作为加工环境，使所制备的微粒表面光滑、尺寸均匀；并且由于激光前向转移技术是一种非接触式加工手段，通过调节激光能量、传送工作距离等参数，再利用脉冲激光配合三维移动平台加工微粒，对每一个微粒的尺寸都能有效地控制，从而能够实现逐个加工微粒，容易对整体的尺寸均匀性进行控制。

为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种制备微粒的方法及装置进行详细描述。

以下实施例中所用的试剂均为市售。

实施例1

提供制备微粒的装置包括：高能脉冲激光器，与所述高能脉冲激光器相对的约束层，约束层为玻璃层，厚度为1mm；所述约束层不与高能脉冲激光器相对的一面镀有牺牲层，牺牲层为钛金属层，牺牲层的厚度为80nm；液态聚二甲基硅氧烷经过抽真空去气泡处理后再旋涂于牺牲层之下，形成液态聚二甲基硅氧烷层，厚度为1mm；盛有水的开口水槽，且所述约束层、牺牲层与液态聚二甲基硅氧烷层位于水中；在液态聚二甲基硅氧烷层下方的水中设置有经酒精超声清洗后的接收层，且所述接收层与聚二甲基硅氧烷层不接触；所述接收层与开口容器的底层之间设置若干厚度均为1mm的垫块；所述开口容器置于三维移动平台上。

高能脉冲激光(能量为22.83mJ；频率为单脉冲)聚焦在牺牲层上，使得牺牲层瞬间变成等离子体推动液态聚二甲基硅氧烷靶材生成气泡。控制好激光的能量让气泡恰好不破裂，气泡的能量耗散后，外加水压的作用，靶材往回收缩。当碰上约束层后，由于反弹作用，靶材会往水中析出聚二甲基硅氧烷液滴，其在水中自然状态下为规则均匀的圆球形，当其沉积至经过用酒精超声清洗后的接收层后，即为聚二甲基硅氧烷微粒。

图5对实施例1中得到的聚二甲基硅氧烷微粒的照片。