CN117339498A - 一种基于开放式微针微流控的高固含量微胶囊制备装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于开放式微针微流控的高固含量微胶囊制备装置，其锥形瓶固连在位移装置上并跟随位移装置运动，进气腔同轴布置在锥形瓶的外周；锥形瓶的顶端开孔，与压力控制器连通，压力控制器用于向锥形瓶中注入高固含量流体；进气腔的外壁开孔，并与气泵连通；微针为圆柱形微针，一侧做超疏水处理，另一侧做亲水处理；锥形瓶内壁固连有固定架，微针的非尖端固连在固定架上，尖端位于锥形瓶底端锥形开口的偏心位置，且微针的超疏水侧与锥形瓶的内壁相接触；微针的正下方布置盛液皿，盛液皿中盛装水凝胶溶液。本发明生成液滴的过程不易堵塞，可长时间运行，且效率高，液滴尺寸可控。
Description
技术领域
本发明涉及微流控领域，尤其涉及一种基于开放式微针微流控的高固含量微胶囊制备装置。
背景技术
含有固体颗粒的流体在医药工业、食品工程等领域具有重要作用，如难溶粉末药物控释、杀菌抗炎等。在这些应用中，常常需要将含固两相流体制备成微米级微囊。目前，含固流体的胶囊制备主要包含高剪切法和微流控法两种。其中，高剪切法如均质机、高剪切离心泵等方法，制备的胶囊尺寸不均匀，对内部固体有效成分的含量控制不精确。相比之下，微流控法制备得到的含固流体胶囊的尺寸高度可控，内部固体含量易于控制。然而，粉末含量的增大会导致含固溶液粘度急剧上升，从而限制高含固流体的流动，尤其在微流控装置中极易堵塞。因此，高固含量流体微胶囊的高精度制备方法仍待开发。
另一方面，开放式微流控法是一种在开放空间中操作微流体的新方法，可以有效防止固体颗粒导致的通道堵塞等问题。然而，目前的开放式微流控法效率较低，一般只用于操控液滴，无法用于生成高固含量的液滴，更无法生成核壳结构的微胶囊。
因此，一种高效的、无堵塞的高固含量的微囊制备装置仍待开发。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种基于开放式微针微流控的高固含量微胶囊制备装置。
具体技术方案如下：
一种基于开放式微针微流控的高固含量微胶囊制备装置，包括：压力控制器、气泵、位移装置、盛液皿、液滴生成单元；所述液滴生成单元包括：锥形瓶、进气腔、微针、固定架；
所述锥形瓶固连在位移装置上并跟随位移装置运动，所述进气腔同轴布置在锥形瓶的外周，所述锥形瓶和进气腔均只有底端开设锥形口，且所述进气腔底端位于锥形瓶底端的上方；所述锥形瓶的顶端开孔，并与压力控制器通过管道连通，所述压力控制器用于向锥形瓶中注入高固含量流体；所述进气腔的外壁面开孔，并与气泵通过管道连通；
所述微针为圆柱形微针，沿针长方向，其中一侧做超疏水处理，另一侧做亲水处理；所述锥形瓶内壁固连有固定架，所述微针的非尖端固连在固定架上，尖端位于锥形瓶底端锥形开口的偏心位置，且微针进行超疏水处理的一侧与锥形瓶的内壁相接触；所述微针的正下方布置盛液皿，所述盛液皿中盛装水凝胶溶液。
进一步地，所述压力控制器和锥形瓶之间设置高固含量容器，所述高固含量容器内部盛装高固含量流体，其密封盖上插有两根管道，与锥形瓶连通的管道较长，伸入高固含量流体中，与压力控制器连通的管道较短，不与高固含量流体接触；所述压力控制器中盛装低黏度流体，推动高固含量流体注入锥形瓶中。
进一步地，所述低黏度流体选自硅油、植物油、空气中的任意一种。
进一步地，所述水凝胶溶液为海藻酸钠溶液。
进一步地，多个所述液滴生成单元通过固定装置并排连接固定，所述压力控制器通过进液管分别与每个液滴生成单元的锥形管连通，输入高固含量流体；所述气泵通过进气管分别与每个液滴生成单元的进气腔连通；所述高固含量流体中添加壳聚糖和氯化钙；所述水凝胶溶液为海藻酸钠溶液。
本发明的有益效果是：
本发明关键在于，开发了新型的基于微针的开放微流控装置用于制备高固含量液滴。(1)与封闭式微流控方法相比，本发明所述方法避免了堵塞问题，可长时间运行；(2)与不含微针的传统同轴结构相比，本发明所述方法制备得到的液滴尺寸小且均匀，液滴下落轨迹稳定，利于水凝胶封装过程的进行，得到的微胶囊的形貌稳定。
附图说明
图1是本发明基于开放式微针微流控的高固含量微胶囊制备装置的整体示意图。
图2是本发明微针的表面进行超疏水处理的装置示意图，其中，(a)为主视图，(b)为俯视图，(c)为侧视图及完成超疏水后的微针示意图。
图3是本发明液滴生成单元生成液滴的示意图。
图4是本发明多单元高固含量微胶囊制备装置示意图。
图5是本发明在不同气泵气压下生成的高固含量微胶囊示意图，其中，(a)对应的气泵气压为0.005mpa，(b)对应的气泵气压为0.01mpa，(c)对应的气泵气压为0.02mpa。
图6是本发明实施例一中固含量为30％时，气泵气压与液滴尺寸的关系示意图。
图7是本发明实施例二中固含量为25％时，气泵气压与液滴尺寸的关系示意图。
图中，压力控制器1、气泵2、锥形瓶3、进气腔4、微针5、固定架6、固定装置7、位移装置8、托盘9、盛液皿10、进液管11、进气管12、液滴生成单元13、生产传送装置14、高固含量容器15。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种基于开放式微针微流控的高固含量微胶囊制备装置，包括：压力控制器1、气泵2、固定装置7、位移装置8、托盘9、盛液皿10、液滴生成单元13。液滴生成单元13包括：锥形瓶3、进气腔4、微针5、固定架6。
位移装置8布置在密闭箱体内，固定装置7固连在位移装置8上，在位移装置8的驱动下进行X轴和Y轴方向上的平面运动(本发明实施例中采用世界坐标系)，即做水平运动。液滴生成单元13固连在固定装置7上，其中进气腔4同轴布置在锥形瓶3的外周，锥形瓶3和进气腔4的底端均为锥形开口，进气腔4的底端位于锥形瓶3底端的上方。锥形瓶3的顶端开孔，并与压力控制器1通过管道连通，压力控制器1用于向锥形瓶3中注入高固含量流体，由于若直接使用压力控制器1容纳并注射高固含量流体会较难推进，在压力控制器1和锥形瓶3之间设置高固含量容器15，高固含量容器15内部盛装有高固含量流体，其密封盖上插有两根管道，与锥形瓶3连通的管道较长，伸入高固含量流体中，与压力控制器1连通的管道较短，不与高固含量流体接触，压力控制器1中装有低黏度流体作为推进液，推动高固含量流体注入锥形瓶3中。进气腔4的外壁面开孔，并与气泵2通过管道连通。低黏度流体选自硅油、植物油、空气中的任意一种。
微针5为圆柱形微针，沿针长方向，其中一侧做超疏水处理，另一侧做亲水处理，处理装置如图2所示，在一块板材中开设凹槽，该凹槽的尺寸和形状与微针5相适应，其深度根据需求进行调节，本实施例中深度设置为微针5的半径。将微针5放入凹槽中，使用超疏水药剂对微针5未放入凹槽的半侧做超疏水处理；同理，改变微针5的角度，对另一侧进行亲水处理。
锥形瓶3内壁固连有固定架6，在本实施例中该固定架6为十字交叉件；微针5的非尖端固连在固定架6上，尖端位于锥形瓶3底端锥形开口的偏心位置，且微针5进行超疏水处理的一侧与锥形瓶3的内壁相接触，亲水处理的一侧朝向锥形瓶3的中轴线；该微针5作为高固含量流体的流动载体。微针5的正下方布置有盛液皿10，盛液皿10中布置有水凝胶溶液；盛液皿10固连在托盘9的上表面，托盘9在位移装置8的作用下做竖直运动。水凝胶溶液选自海藻酸钠溶液。
通过压力控制器1向高固含量容器15中通入低粘度流体，用以推动高固含量流体注入锥形瓶3中，高固含量流体通过微针5均匀流出。在锥形瓶3出口处，高固含量流体失去束缚，由于微针5的亲水处理侧朝向锥形瓶3的中心，因此高固含量流体继续粘附在微针5的亲水处理侧。同时由于气泵2往进气腔4中通如稳定气流，在进气腔4底部出口端形成稳定气流，该气流在锥形瓶3和进气腔4下端出口形成的缝隙中形成气流剪切，使高固含量流体在气流和重力的双重作用下断裂形成液滴，落入下方的盛液皿10中，如图3所示。通过控制气泵2输出的气压大小，改变生成液滴的尺寸，通过改变压力控制器1的注射流速来改变液滴的生成速率；除此之外，微针5作为高固含量流体的流动载体，通过调节其粗细及其亲水部分占比，可以控制高固含量液滴的尺寸和生成频率。
高固含量液滴落入盛液皿10中，通过双向扩散法将液滴封装到水凝胶壳体中，形成高固含量微胶囊。通过位移装置8可以调整高固含量液滴下落的位置，动态调节液滴排列。
如图4所示，将多个液滴生成单元13通过固定装置7进行并排连接固定，压力控制器1通过进液管11分别与每个液滴生成单元13的锥形管3连通，气泵2通过进气管12分别与每个液滴生成单元13的进气腔4连通，多个液滴生成单元13同时生成液滴，考虑到多单元同时工作时，体积质量比较大，因此通过生产传送装置14带动盛液皿10进行水平移动，使最终得到的高固含量微胶囊在盛液皿10中按设定需求排列。这样多个液滴生成单元13批量生成尺寸统一的液滴，能提高实际生产应用中的生产效率。
下面通过实施例具体说明本发明。
实施例1
压力控制器1内盛装50cs粘度的硅油，高固含量溶液采用3％壳聚糖与0.1moI/LCaCl2通过醋酸调节pH值至5且蒙脱土含量为30％的混合溶液，压力控制器1通过硅油推动高固含量溶液注入下端出口直径为3mm的锥形管3，经微针5均匀连续流出，在气流和重力的双重作用下断裂形成高固含量液滴，高固含量液滴落入盛有低粘度2％海藻酸钠溶液的盛液皿10内，通过双向扩散法将液滴封装到水凝胶壳体中，即微胶囊内核中的CaCl2向外扩散，与海藻酸钠溶液发生反应生成海藻酸钠外壳，而海藻酸钠溶液中碱性物质扩散进微胶囊内核中使其中的壳聚糖凝结，从而得到双层壳体的高固含量微胶囊，该方法可快速将高固含量液滴封装到水凝胶壳体中，同心度高，密封性好。
调整气泵2输出的气压大小，收集生成的高固含量微胶囊，用显微镜观察、测量其尺寸的大小，输出气压对液滴尺寸的影响如图6所示。由图可知，可以通过调节气泵2的气压大小得到不同尺寸的液滴。
实施例2
配置的高固含量溶液中蒙脱土含量为25％，其余条件与实施例1相同。调整气泵2输出的气压大小，收集生成的高固含量微胶囊，用显微镜观察、测量其尺寸的大小，输出气压对液滴尺寸的影响如图7所示。由图可知，可以通过调节气泵2的气压大小得到不同尺寸的液滴。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于开放式微针微流控的高固含量微胶囊制备装置，其特征在于，包括：压力控制器、气泵、位移装置、盛液皿、液滴生成单元；所述液滴生成单元包括：锥形瓶、进气腔、微针、固定架；
所述锥形瓶固连在位移装置上并跟随位移装置运动，所述进气腔同轴布置在锥形瓶的外周，所述锥形瓶和进气腔均只有底端开设锥形口，且所述进气腔底端位于锥形瓶底端的上方；所述锥形瓶的顶端开孔，并与压力控制器通过管道连通，所述压力控制器用于向锥形瓶中注入高固含量流体；所述进气腔的外壁面开孔，并与气泵通过管道连通；
所述微针为圆柱形微针，沿针长方向，其中一侧做超疏水处理，另一侧做亲水处理；所述锥形瓶内壁固连有固定架，所述微针的非尖端固连在固定架上，尖端位于锥形瓶底端锥形开口的偏心位置，且微针进行超疏水处理的一侧与锥形瓶的内壁相接触；所述微针的正下方布置盛液皿，所述盛液皿中盛装水凝胶溶液。
2.根据权利要求1所述的基于开放式微针微流控的高固含量微胶囊制备装置，其特征在于，所述压力控制器和锥形瓶之间设置高固含量容器，所述高固含量容器内部盛装高固含量流体，其密封盖上插有两根管道，与锥形瓶连通的管道较长，伸入高固含量流体中，与压力控制器连通的管道较短，不与高固含量流体接触；所述压力控制器中盛装低黏度流体，推动高固含量流体注入锥形瓶中。
3.根据权利要求2所述的基于开放式微针微流控的高固含量微胶囊制备装置，其特征在于，所述低黏度流体选自硅油、植物油、空气中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的基于开放式微针微流控的高固含量微胶囊制备装置，其特征在于，所述水凝胶溶液为海藻酸钠溶液。
5.根据权利要求1所述的基于开放式微针微流控的高固含量微胶囊制备装置，其特征在于，多个所述液滴生成单元通过固定装置并排连接固定，所述压力控制器通过进液管分别与每个液滴生成单元的锥形管连通，输入高固含量流体；所述气泵通过进气管分别与每个液滴生成单元的进气腔连通；所述高固含量流体中添加壳聚糖和氯化钙；所述水凝胶溶液为海藻酸钠溶液。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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