一步法高通量可控制备生物相容水/水微囊及其响应释放

doi:10.7503/cjcu20220460

高等学校化学学报 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (12): 20220460.doi: 10.7503/cjcu20220460

一步法高通量可控制备生物相容水/水微囊及其响应释放

翟小威¹^,², 潘湄蝶³, 石盼², 赵鹏³, 陈东¹^,²^,³()

^1.浙江省智能生物材料重点实验室, 浙江大学化学工程与生物工程学院, 杭州 310027
^2.浙江大学能源工程学院, 能源清洁利用国家重点实验室, 杭州 310003
^3.浙江大学医学院附属第一医院肿瘤内科, 杭州 310003

收稿日期:2022-07-06 出版日期:2022-12-10 发布日期:2022-08-15
通讯作者: 陈东 E-mail:chen_dong@zju.edu.cn
基金资助:
国家重点研发计划项目(YS2021YFC30000089);浙江省自然科学基金(Y20B060027);国家自然科学基金(21878258)

One-step High-throughput Controlled Preparation of Biocompatible Water/Water Microcapsules with Triggered Release

ZHAI Xiaowei¹^,², PAN Meidie³, SHI Pan², ZHAO Peng³, CHEN Dong¹^,²^,³()

^1.Zhejiang Key Laboratory of Smart Biomaterials，College of Chemical and Biological Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China
^2.College of Energy Engineering，State Key Laboratory of Clean Energy Utilization，Zhejiang University，Hangzhou 310003，China
^3.Department of Medical Oncology，the First Affiliated Hospital，School of Medicine，Zhejiang University，Hangzhou 310003，China

Received:2022-07-06 Online:2022-12-10 Published:2022-08-15
Contact: CHEN Dong E-mail:chen_dong@zju.edu.cn
Supported by:
the National Key Research and Development Program of China(YS2021YFC3000089);the Zhejiang Provincial Natural Science Foundation, China(Y20B060027);the National Natural Science Foundation of China(21878258)

摘要/Abstract

摘要：

生物相容水/水微囊在药物递送、医学治疗等领域具有重要应用. 本文通过设计同轴微流控器件, 结合数值模拟优化和流动阻力分析, 实现一步法高通量可控制备大小均匀、尺寸可控、壁厚可调、生物相容的水/水微囊. 采用实验研究和数值模拟相结合的方式, 研究了微流控器件结构、内相流速、外相流速、外相/空气界面张力、内相/外相界面张力、内相黏度和外相黏度等参数对水/水微囊直径和壁厚的调控规律. 通过微通道流动阻力分析, 设计多通道平行放大微流控器件, 实现尺寸均匀可控水/水微囊的高通量制备. 验证了生物相容水/水微囊作为活性物质的理想载体, 可以通过改变pH或溶解囊壁释放载体, 进而实现活性物质的pH响应释放, 为其实际应用奠定了基础.

关键词: 微流控, 微通道, 微囊, 可控释放, 平行放大

Abstract:

Biocompatible water/water microcapsules are of great significance for drug delivery and medical therapy. In this paper， co-axial microfluidic devices were designed via the optimization by numerical simulations and the analysis of flow resistance to realize one-step high-throughput controlled preparation of water/water microcapsules with good uniformity， tunable size and shell thickness， and excellent biocompatibility. Specifically， the influences of device design， inner phase flow rate， outer phase flow rate， outer phase/air interfacial tension， inner phase/outer phase interfacial tension， inner phase viscosity and outer phase viscosity on the diameter and shell thickness of water/water microcapsules were systematically investigated by means of experiments and simulations. By carefully analyzing the flow resistance of microchannels， microfluidic devices were parallelly amplified to achieve high-throughput preparation of water/water microcapsules with controlled size. Biocompatible water/water microcapsules are ideal delivery vehicles for various actives， showing controlled pH-triggered release of encapsulated cargos， which pave the way for their practical applications.

Key words: Microfluidics, Microchannel, Microcapsule, Controlled release, Parallel amplification

中图分类号:

O647

TrendMD:

翟小威, 潘湄蝶, 石盼, 赵鹏, 陈东. 一步法高通量可控制备生物相容水/水微囊及其响应释放. 高等学校化学学报, 2022, 43(12): 20220460.

ZHAI Xiaowei, PAN Meidie, SHI Pan, ZHAO Peng, CHEN Dong. One-step High-throughput Controlled Preparation of Biocompatible Water/Water Microcapsules with Triggered Release. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(12): 20220460.

图/表 6

Fig.1 Design and preparation of water/water microcapsules（A） Schematics showing the preparation process of water/water microcapsules；（B） schematics showing the cross-linking of alginate hydrogel by Ca2+；（C） optical image of a water/water microcapsule；（D） size distribution of water/water microcapsules；（E） optical image of water/water microcapsules. To better observe the characteristics of water/water microcapsules， yellow dye is used to dye the inner phase.

Fig.2 Tuning of water/water microcapsules by coaxial microfluidic devices（A） Phase diagrams of water/water microcapsules prepared by coaxial microfluidic devices with a retracted inner orifice；（B） parallel inner and outer orifices；（C） a protruded inner orifice；（D） a retracted inner orifice and an unstretched outer orifice. Insets of （A）―（D） are the graphs of microfluidic devices.

Fig.3 Effect of inner phase flow rate on the diameter and wall thickness of water/water microcapsules(the outer phase flow rate: 20 mL/h)(A), effect of outer phase flow rate on the diameter and wall thickness of water/water microcapsules(the inner phase flow rate: 15 mL/h)(B)Insets are the optical graphs of microcapsules.

Fig.4 Numerical simulations showing the formation of water/water microcapsules（A） Numerical simulations showing the formation process of water/water microcapsules. The inner phase flow rate is 5 mL/h， the outer phase flow rate is 8 mL/h， and the outer phase/air interfacial tension is 35 mN/m；（B） influence of inner phase flow rate（outer phase flow rate is 20 mL/h）；（C） influence of outer phase flow rate（inner phase flow rate is 15 mL/h）；（D） influence of outer phase/air interfacial tension；（E） influence of inner phase/outer phase interfacial tension；（F） influence of xanthan concentration in the inner phase；（G） influence of alginate concentration in the outer phase on the diameter and wall thickness of water/water microcapsules. If not specified， the inner phase flow rate is 20 mL/h， the outer phase flow rate is 15 mL/h， the outer phase/air interfacial tension is 30 mN/m， the inner phase/outer phase interfacial tension is 0.5 mN/m， the xanthan concentration in the inner phase is 0.2%（mass fraction）， alginate concentration in the outer phase is 1.0%（mass fraction）， and scale bar is 1 mm. Insets of （B）—（G） are the simulation graphs of microcapsules.

Fig.5 pH response and controlled release of water/water microcapsules（A） Characteristics and underlying mechanism of the pH response of water/water microcapsules；（B） sodium citrate-triggered release of water/water microcapsules with golden mica powders in the core， which serve as a model active for better observation；（C） dissolution times of water/water microcapsules in solutions of different pH；（D） snapshots showing the dissolution process of capsule wall and the release of cargo.

Fig.6 High⁃throughput preparation of water/water microcapsules by parallel amplification of microfluidic devices（A） Model of flow resistance in microfluidic channels；（B） design of the high-throughput microfluidic devices；（C） 3D printed microfluidic device；（D） size distribution of water/water microcapsules generated by each channel； insets are the images of a microcapsule and its broken shell；（E） size distribution of water/water microcapsules generated by all channels；（F） optical image of water/water microcapsules with yellow pigments（light yellow） in the core prepared by high-throughput microfluidic devices.

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