CN109569344B - 一种利用微流控装置制备悬浮微液滴的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用微流控装置制备悬浮微液滴的方法，该方法选用任意一种油性物质作为内相，一种含有表面活性剂且具有剪切变稀性质的溶液作为外相。在微流控装置的内相通道出口处，内相溶液在两相溶液的表面张力和粘滞力的共同作用下形成微液滴。然后，在微流控装置的外相通道出口处，通入使外相凝胶化的溶液。凝胶化后的外相溶液具有剪切变稀性质。在没有剪切力的情况下，内相液滴可以长时间保持在外相三维空间中的固定位置，从而得到粒径可控、大小均一、分散均匀的悬浮微液滴。该技术通过连续注射泵实现持续生产，通过微流控装置平行放大实现批量生产，从而实现在工业上的量产化。该技术制备工艺简单，在食品、化妆品、药品领域中具有广泛的应用价值。

Description

一种利用微流控装置制备悬浮微液滴的方法

技术领域

本发明涉及液滴领域，具体涉及一种用微流控装置制备悬浮液滴的方法。

背景技术

悬浮微液滴广泛地应用于各个领域。传统乳化技术制备悬浮微液滴一般采用高速剪切的方法，将油、水、表面活性剂和增稠剂共同放置在一个容器中，使用高剪切乳化机进行乳化。其中表面活性剂用于稳定乳液，增稠剂用于使溶液具有剪切变稀性质。在没有剪切力的情况下，微液滴可以长期悬浮在溶液的三维空间中的固定位置。由乳化机的转子高速旋转所产生的高速剪切，使油相在水相中快速乳化。但高速剪切乳化的方法，无法对乳化过程进行准确控制，易形成相分离，油相比例较难提高，微液滴粒径大小不均。

与传统的剪切乳化技术相比，微流控制备液滴技术具有显著的优势。其制备的液滴大小均一可控，并且可以通过微流控装置平行放大实现批量化生产。然而，简单的通过凝胶化的外相剪切内相，制备的微液滴悬浮液不稳定。这是因为凝胶化的外相，在微管中剪切内相时，将受到很强的高速剪切，破坏其剪切变稀的性质，导致液滴悬浮液不稳定，容易产生相分离。本发明设计微流控装置，通过两步法，首先通过未凝胶化的外相将内相乳化，然后将外相凝胶化，可实现液滴悬浮液的长期稳定。本发明还可以实现油水比例的精确控制,制备的悬浮微液滴大小均一可控，并可以通过微流控装置的平行放大实现量产。该技术可以提高产品的整体美观，实现功能可视化效果，在化妆品，医药和食品等各个领域具有重要的应用价值。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于玻璃毛细管微流控装置制备稳定悬浮液滴的方法。该方法简便易行并可获得大小均一、分布均匀的稳定液滴悬浮液，可广泛应用于化妆品，医药和食品等各个领域。

为实现上述目的，本发明提供如下解决方案：

本发明提供一种基于玻璃毛细管微流控装置制备微液滴的方法包括以下步骤：

一种以利用玻璃毛细管微流控装置制备微液滴方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)选用任意一种油性物质或者多种油性物质的混合溶液作为内相，

(2)将表面活性剂和增稠剂溶解在溶剂中得到一种剪切变稀的溶液作为外相。

(3)将(1)中配制的内相和(2)配置的外相通过注射器分别注射到微流控装置的内相入口和外相入口；在微流控装置的内相通道出口处，内相溶液在两相溶液的表面张力和粘滞力的共同作用下形成微液滴，然后在微流控装置的外相通道出口处通入使外相凝胶化的溶液，凝胶化后的外相溶液具有剪切变稀性质，在没有剪切力的情况下，内相液滴可以长时间保持在外相三维空间中的固定位置，得到分散在外相中的悬浮微液滴。

优选的，所述的油性物质可以为迷迭香、香水、薰衣草精油或维生素E中的一种或多种。

优选的，在步骤(2)中，所述外相中表面活性剂为聚乙烯醇或十二烷基硫酸钠等。

优选的，在步骤(2)中，所述的溶剂为水。

优选的，在步骤(2)中，所述的外相中增稠剂可以为卡波姆或黄原胶。

优选的，在步骤(2)中，所述外相中表面活性剂为聚乙烯醇时在水相中的质量百分比为1％-10％，表面活性剂为十二烷基硫酸钠时在水相中的质量百分比为0.5％-1％。

优选的，在步骤(3)中，所述的使外相凝胶化的溶液为氢氧化钠水溶液,氢氧化钠水溶液的质量百分比溶度为0.01％到50％。

优选的，所述玻璃毛细管微流控装置制备过程如下：

(1)准备玻璃管：准备一根圆形玻璃毛细管，一根方形玻璃毛细管,超声清洗上述玻璃毛细管并干燥；

(2)拉伸玻璃管：使用拉伸仪将圆形玻璃毛细管一端处理成尖锥状；

(3)处理毛细管：通过砂纸摩擦圆形玻璃毛细管尖锥一端，使端口平整；

(4)制备器件：将处理过的圆形玻璃毛细管的尖锥一端置入方形玻璃毛细管中，然后用胶水将上述所有玻璃毛细管固定在玻璃片上。

本发明的有益效果如下：

1)传统乳化技术得到悬浮微液滴一般采用高速剪切的方法，该方法得到的乳液中微液滴粒径很难精确控制，且大小不均。本发明提出了一种利用玻璃毛细管微流控装置制备悬浮微液滴方法，该方法制备的液滴粒径可控，大小均一，解决了传统乳化方法制备存在粒径难以控制和大小不均问题。

2)传统剪切乳化的方法，无法对分散过程进行准确控制，易形成相分离，导致油相比例较难提高，本发明中采用玻璃毛细管微流控装置可以精确控制乳化过程，实现油水比例的可控调节。

3)简单的通过凝胶化的外相剪切内相，制备的微液滴悬浮液不稳定。这是因为凝胶化的外相，在微管中剪切内相时，将受到很强的高速剪切，破坏其剪切变稀的性质，导致液滴悬浮液不稳定，容易产生相分离。本发明设计微流控装置，通过两步法，首先通过未凝胶化的外相将内相乳化，然后将外相凝胶化，可实现液滴悬浮液的长期稳定。

4)本发明中利用玻璃毛细管微流控装置制备的悬浮微液滴粒径均一，相比传统乳化制备的产品，可提高产品的整体美观，并且实现功能可视化效果，提升产品的吸引力。

5)本发明中采用单乳为模板制备悬浮微液滴，通过连续注射泵实现持续生产，通过微流控装置的平行放大实现批量生产，从而实现在工业上的量产化，在化妆品，医药和食品等领域中具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为玻璃毛细管微流控装置中乳化形成微液滴的示意图；

图2为本发明实施例1中制备得到的大小均一的悬浮微液滴实物图；

图3为本发明实施例2中通过流速控制制备得到不同粒径的液滴实物图；

图4为本发明实施例3中制备得到不同油水比的实物图；

图5为不同浓度的卡波姆水溶液的弹性模量、耗散模量和粘度随频率变化的曲线图；

图6为本发明实施例5中不同浓度的卡波姆水溶液对油滴的悬浮效果随时间变化实物图；

图7为本发明实施例6中装置示意图(1：第一组微流控装置、2：第二组微流控装置、3：第三组微流控装置、4：第四组微流控装置、5：NaOH水溶液、6：水槽、7：油槽、8：单项阀、9：连续注射泵、10：导管、11：三通管、12：四通管、13：玻璃毛细管微流控装置)；

图8为本发明实施例6中得到的十二个微流控装置的液滴结果，1-3为第一组液滴结果，4-6为第二组液滴结果，7-9为第三组液滴结果，10-12为第四组液滴结果；

图9为图8得到液滴的粒径统计图；

图10实施例7中两种制备悬浮液滴结果比较图。

具体实施方式

下面举实施例说明本发明，但本发明并不限于下述的实施例。

实施例1：制备粒径均一的悬浮微液滴。

参照附图1，采用本发明的方法制备悬浮微液滴，具体步骤如下：

(1)微流控装置的制作：将毛细玻璃管清洗干净然后干燥；接着用拉伸仪将玻璃毛细管一端拉出尖锥状；使用砂纸将毛细玻璃管磨到合适的直径；再用胶水将玻璃毛细管和玻璃方管固定在载玻片上；最后将针头用胶水密封固定在玻璃管的入口处。玻璃毛细管微流控器件如附图1所示，有一个内相管和通外相的玻璃方管。

(2)内相和外相的制备：内相选取异壬酸异壬酯；将10mg表面活性剂聚乙烯醇和0.2mg卡波姆940溶解在989.8mg水中，得到外相。

(3)微液滴的制备：将步骤(2)所得的内相通过注射泵注入到毛细玻璃管微流控装置的内相入口；将步骤(2)所得的外相通过注射泵注入到微流控装置的外相入口。在内相管出口处，内相溶液在两相的表面张力和粘滞力的共同作用下得到大小均一的微液滴，将氢氧化钠的水溶液通过注射泵注入到微流控装置的外相出口处，得到悬浮的微液滴。(如附图2所示)。

实施例2：由玻璃毛细管微流控装置制备不同尺寸的悬浮微液滴。

(1)如实施例1中提到的方法制备玻璃毛细管微流控器件，内相选取异壬酸异壬酯；将10mg表面活性剂聚乙烯醇和0.15mg卡波姆940溶解在989.85mg水中，得到外相。

(2)将上述的内相和外相分别通入玻璃毛细管微流控装置的内相管口和外相管口，当内相流速为1ml/h,外相流速为5ml/h时，得到液滴的尺寸约为675um；当外相流速为2ml/h,外相流速为5ml/h时，得到液滴的尺寸约为834um。从而可以通过不同的内相和外相流速比得到不同尺寸的液滴(如附图3所示)。

实施例3：由玻璃毛细管微流控装置制备不同油水比例的悬浮微液滴。

(1)如实施例1中提到的方法制备玻璃毛细管微流控器件，内相选取异壬酸异壬酯；将10mg表面活性剂聚乙烯醇和0.15mg卡波姆940溶解在989.85mg水中，得到外相。

(2)将上述的内相和外相分别通入玻璃毛细管微流控装置的内相管口和外相管口，当内相流速为1ml/h,外相流速为9ml/h时，得到图4(a)左边悬浮微液滴体系；当外相流速为0.5ml/h,外相流速为9.5ml/h时，得到图4(a)右边悬浮微液滴体系。

(3)将上述得到的悬浮微液滴体系放入离心机中以4000rpm的速度工作10分钟，得到图4(b)中结果，分别测得油相占比为10％和5％。

实施例4：溶解不同浓度卡波姆940测试其剪切变稀性能。

(1)将0.06g卡波姆940溶解到99.94g水中得到质量分数为0.06％的卡波姆水溶液，再加入200ul质量分数为10％的氢氧化钠水溶液调节卡波姆水溶液的pH到7左右，得到澄清的水凝胶；同理溶解不同质量分数的卡波姆940得到质量分数为0.1％、0.14％、0.2％和0.25％的澄清水凝胶。

(2)使用流变仪(DISCOVERY HR-2hybrid rheometer)分别测试上述水凝胶的弹性模量、耗散模量和粘度的变化，图5中浅色的线条是不同质量分数的卡波姆水凝胶的粘度随频率的变化。由图可知随着频率上升，粘度下降，说明该系列水凝胶具有剪切变稀性能。

实施例5：测试能长期稳定悬浮油滴的最小卡波姆940的浓度。

(1)将0.06g卡波姆940溶解到99.94g水中得到质量分数为0.06％的卡波姆水溶液，再加入200ul质量分数为10％的氢氧化钠水溶液调节卡波姆水溶液的pH到7左右，得到澄清的水凝胶；同理制备得到质量分数为0.05％的卡波姆水凝胶。

(2)将上述(1)中不同质量分数的水凝胶盛放到离心管中，然后分别在其中注射一滴溶解绿色染料的异壬酸异壬酯，如图6所示，在质量分数为0.05％的卡波姆水凝胶中，油性液滴两个小时后便开始上浮，但质量分数为0.06％的卡波姆水凝胶可以保持五个月不上浮，说明当卡波姆的质量分数为0.06％及以上时，对应的水凝胶具有良好的悬浮稳定效果。

实施例6：大批量制备悬浮液滴。

(1)如实施例1中所述制备十二个相同玻璃毛细管微流控装置，内相出管口内径约为200um。十二个微流控装置分为四组，每组包含三个微流控装置，一台注射泵上面可以同时推进四个注射器，一个注射器可以通过一个四通接口，将流体平均分到另外三个出口处，三个出口分别接到一组微流控装置上，达到一台注射泵可以同时控制十二个微流控装置的等量液体注射，该实验室需要三台注射泵，分别控制油相的注射、水相的注射和氢氧化钠水溶液的注射(如图7所示)。油相的流速为12ml/h、水相的流速为80ml/h、氢氧化钠水溶液的流速为8ml/h。

(2)上述实验条件下得到的液滴如图8所示，使用ImageJ统计图片中液滴的大小和分布，结果如图9所示，可以观察出一组微流控装置和不同组微流控装置得到的液滴整体粒径在1.1mm附近，具有较好的均一性。

实施例7：一次乳化和先乳化后凝胶化对液滴悬浮稳定性的影响。

(1)如实施例1中所述制备一个单乳微流控装置和一个三相入口微流控装置，单乳微流控适用于一次乳化方法，三相入口微流控装置适用于先乳化后凝胶化方法，采用一次乳化方法过程中，首先将卡波姆的水溶液凝胶化，凝胶化后的水相作为外相，选取异壬酸异壬酯作为内相，分别通入单乳微流控装置的外相入管口和内相入管口，得到悬浮微液滴。采用先乳化后凝胶化方法过程中，是分两个步骤，在得到卡波姆的水溶液后不加入氢氧化钠水溶液，将氢氧化钠水溶液作为第三相通入到微流控装置中，如实施例1中所述方式，得到悬浮液滴。

(2)将上述得到的悬浮液滴分别静置两周，一次乳化方法得到的液滴悬浮液有明显的上浮现象，悬浮性能不稳定，但是通过先乳化后凝胶化得到的液滴悬浮液则能保持稳定，不会出现上浮现象(如图10所示)。

Claims (9)

1.一种利用微流控装置制备悬浮微液滴的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）选用任意一种油性物质或者多种油性物质的混合溶液作为内相，

（2）将表面活性剂和增稠剂溶解在溶剂中得到剪切变稀的溶液作为外相，

（3）将（1）中配制的内相和（2）配置的外相通过注射器分别注射到微流控装置的内相入口和外相入口；在微流控装置的内相通道出口处，内相溶液在两相溶液的表面张力和粘滞力的共同作用下形成微液滴，然后在微流控装置的外相通道出口处通入使外相凝胶化的溶液，凝胶化后的外相溶液具有剪切变稀性质，在没有剪切力的情况下，内相液滴可以长时间保持在外相三维空间中的固定位置，得到分散在外相中的悬浮微液滴；所述的使外相凝胶化的溶液为氢氧化钠水溶液。

2.根据权利要求1所述的制备悬浮微液滴的方法，其特征在于所述的油性物质为蚕丝油、羊绒酯、薰衣草精油或维生素E中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的制备悬浮微液滴的方法，其特征在于，在步骤（2）中，所述的溶剂为水。

4.根据权利要求1所述的制备悬浮微液滴的方法，其特征在于，在步骤（2）中，所述外相中表面活性剂为聚乙烯醇或十二烷基硫酸钠。

5.根据权利要求1所述的制备悬浮微液滴的方法，其特征在于，在步骤（2）中，所述的外相中增稠剂为卡波姆，其在外相中的质量百分比至少为0.06%。

6.根据权利要求1或4所述的制备悬浮微液滴的方法，其特征在于，在步骤（2）中，所述外相中表面活性剂为聚乙烯醇时，其在外相中的质量百分比为1%-10%，表面活性剂为十二烷基硫酸钠时，其在外相中的质量百分比为0.5%-1%。

7.根据权利要求1所述的制备悬浮微液滴的方法，其特征在于，所述微流控装置为玻璃毛细管微流控装置，制备过程如下：

（1）准备玻璃管：准备一根圆形玻璃毛细管，一根方形玻璃毛细管,超声清洗上述玻璃毛细管并干燥；

（2）拉伸玻璃管：使用拉伸仪将圆形玻璃毛细管一端处理成尖锥状；

（3）处理毛细管：通过砂纸摩擦圆形玻璃毛细管尖锥一端，使端口平整；

（4）制备器件：将处理过的圆形玻璃毛细管的尖锥一端置入方形玻璃毛细管中，然后用胶水将上述所有玻璃毛细管固定在玻璃片上。

8.根据权利要求1-7任一项所述方法制备得到的悬浮微液滴。

9.根据权利要求8所述的悬浮微液滴，其特征在于所述的悬浮微液滴大小均一可控，可长期稳定悬浮在水相之中。

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