揭秘聚合物微胶囊从核壳到摇铃状结构的转变机理-北京永康乐业科技发展有限公司

包含小颗粒的多层微胶囊因其在药物输送、活性成分储存和化学反应等不同领域的潜在应用而备受关注。这些复杂的胶囊是使用界面聚合或种子乳液聚合制成的。然而，这些方法通常需要复杂而漫长的聚合过程，限制了它们的实用性，尤其是在生物聚合物体系中。

近期，日本冈山大学的研究团队开发了一种基于微流控技术的新型方法，通过在油滴内进行顺序相分离制备摇铃状（rattle-shaped）醋酸纤维素（CA）微胶囊。系统研究了共溶剂浓度、初始液滴尺寸和流速等参数对微胶囊形态的影响，揭示了其形成机制，为药物递送、活性成分存储等领域提供了高效可控的微胶囊制备途径。相关研究以“Microfluidic fabrication of rattle shaped biopolymer microcapsules via sequential phase separation in oil droplets”为题目，发表在期刊《Scientific Reports》上。

本文要点：

1、本研究提出一种简单高效的方法，通过液滴内顺序相分离制备摇铃状醋酸纤维素（CA）微胶囊。

2、研究表明，分散相中加入乙酸乙酯（EA）显著影响微胶囊形态，EA浓度的增加会使结构从核壳型向摇铃状转变。

3、同时，初始液滴大小和流速也会影响多层结构的形成，较大的液滴和较低的连续相流速有利于复杂结构的生成。

4、这一过程的构筑机制是通过径向溶剂浓度梯度及其引发的相分离实现的，受动力学而非热力学因素驱动。

5、此方法不仅简化了生产流程，还可通过调控参数设计适用于药物递送、活性物质储存及化学反应等领域的多层结构微胶囊，展现了广泛的工业和生物医学应用潜力。

实验方法与结果

本研究采用同轴玻璃毛细管微流控装置制备摇铃状醋酸纤维素（CA）微胶囊。首先，将乙酸甲酯（MA）与乙酸乙酯（EA）按质量比100/0至60/40混合作为分散相的溶剂体系，并加入1 wt%的CA和2 wt%的十六烷（HD），通过磁力搅拌形成均一油相。连续相为1 wt%的聚乙烯醇（PVA）水溶液，用于稳定乳液液滴。微流控装置的核心部分由拉制的锥形玻璃毛细管（尖端直径0.12–0.29 mm）与方形收集毛细管同轴对齐构成，通过环氧树脂固定于载玻片，并连接PTFE管路与注射泵（分散相流速固定为20 μL/min，连续相流速范围为200–3,000 μL/min）。

液滴生成过程中，分散相与连续相在毛细管喷嘴尖端形成单分散水包油（O/W）乳液液滴，初始直径通过调整毛细管几何结构（如尖端直径和收集毛细管的内径）和流速比进行控制。随后，液滴经PTFE管导入含50 mL纯水的收集瓶，MA（水溶性25 wt%）和EA（水溶性9 wt%）因高扩散性迅速向水相迁移，触发液滴内CA的相分离。无EA时，MA快速扩散导致CA在液滴表面析出，形成核壳结构（壳厚约2000 nm）；加入EA（≥10 wt%）后，其较低的扩散系数（1.05×10^-9 m²/s）延缓溶剂流失速率，形成径向浓度梯度，引发多次相分离：CA首先在液滴表面形成薄壳（约700 nm），剩余CA在内部二次析出，最终生成中空壳包裹单个颗粒的摇铃结构。

为调控结构，实验系统考察了液滴尺寸与流速的影响。增大初始液滴直径（>250 μm）可延长溶剂扩散时间，促进三层结构（壳-中间层-核心）的形成；而降低连续相流速（如200 μL/min）可延长液滴在通道内的停留时间，进一步支持多层相分离。制备完成后，微胶囊经三次水洗去除残留PVA，冷冻干燥（-40°C，30 mmHg，12小时）后通过光学显微镜、扫描电镜（SEM）及共聚焦显微镜（CLSM）进行形貌与结构表征，验证了动力学主导的相分离机制及结构可调性。

结论

本研究开发了一种利用微流控技术制备摇铃状CA微胶囊的简便方法。通过调节EA的浓度、初始液滴直径和连续相流速，成功实现了从核壳结构到摇铃状结构的转变，为多层微胶囊的构建提供了新的路径。研究结果表明，微胶囊结构具有高度可调性，且其形成过程主要由动力学因素驱动，涉及径向浓度梯度的形成以及随后的相分离现象。这一成果为药物递送、活性成分存储等领域的实际应用奠定了坚实基础。尽管该方法在制备醋酸纤维素微胶囊方面表现出色，但其在其他生物聚合物体系中的适用性仍需进一步探索。

图1.生成具有核壳和摇铃状结构的醋酸纤维素微胶囊的微流控工艺示意图。

图2.（a）分散相中不含和（b）含有10wt%EA制备的微胶囊的光学显微镜图像。这些图像是在微胶囊重新分散在纯水中后拍摄的。

图3.分散相溶剂质量对微胶囊结构的影响。不同MA与EA比率下截面概览、壳层结构的SEM图像和CLSM图像，聚合物基质为红色。分散相和连续相的流速分别固定在20µL/min和1,000µL/min。

图4.初始液滴直径和连续流速（Qc）对摇铃状微胶囊结构的影响。不同初始液滴直径下微胶囊的横截面SEM和CLSM图像。分散相中EA的量固定在10wt%。通过调节微流体装置的尖端直径和收集毛细管直径来改变初始液滴直径，从而在保持恒定流速条件的同时制备不同的初始液滴尺寸。连续相的流速固定在（a）500和（b）200µL/min，而分散相的流速（Qd）保持在20µL/min。