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

doi:10.7503/cjcu20220460

Abstract

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

CLC Number:

O647

TrendMD:

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

Figures/Tables 6

References 47

1	Sun Z.， Yang C.， Eggersdorfer M.， Cui J.， Li Y.， Hai M.， Chen D.， Weitz D. A.， Chin. Chem. Lett.， 2020， 31（1）， 249―252
2	Bae Y.， Kang S.， Kim B. H.， Lim K.， Jeon S.， Shim S.， Lee W. C.， Park J.， Engineering， 2021， 7（5）， 630―635
3	Wang B. B.， Chen H.， Liu T.， Shi S. W.， Russell T. P.， Engineering， 2021， 7（5）， 603―614
4	Tian T.， Ruan J.， Zhang J.， Zhao C. X.， Chen D.， Shan J. Z.， J. Biomed. Nanotechnol.， 2022， 18， doi： 10.1166/jbn.2022.3297
5	Lavanya M.， Kathiravan T.， Moses J.， Anandharamakrishnan C.， Drying Technol.， 2020， 38（3）， 279―292
6	Wu B. H.， Yang C. J.， Li B.， Feng L.， Hai M. T.， Zhao C. X.， Chen D.， Liu K.， Weitz D. A.， Small， 2020， 16（30）， 2002716
7	Mahdavi S. A.， Jafari S. M.， Ghorbani M.， Assadpoor E.， Drying Technol.， 2014， 32（5）， 509―518
8	Wu L. L.， Zhang M.， Liu Y. P.， Sun Q.， Drying Technol.， 2019， 37（11）， 1340―1351
9	Sun Z.， Wu B. H.， Ren Y. X.， Wang Z. Z.， Zhao C. X.， Hai M. T.， Weitz D. A.， Chen D.， ChemPlusChem， 2021， 86（1）， 49―58
10	Gao H. W.， Yan C. L.， Wu W.， Li J.， Sensors， 2020， 20（6）， 1792
11	Zhang Z. R.， Zhang L.， Zhang Z. L.， Chem. J. Chinese Universities， 2020， 41（6）， 1243―1251
	张作然，张利，张志凌. 高等学校化学学报， 2020， 41（6）， 1243―1251
12	Cui P.， Wang S. C.， J. Pharm. Anal.， 2019， 9（4）， 238―247
13	Kong L. L.， Amstad E.， Hai M. T.， Ke X. Y.， Chen D.， Zhao C. X.， Weitz D. A.， Chin. Chem. Lett.， 2017， 28（9）， 1897―1900
14	Liu W.， He H. Z.， Zheng S. Y.， Trends Biotechnol.， 2020， 38（12）， 1360―1372
15	Peng H.， Gao Z. H.， Liao C. Y.， Wang X. D.， Zhou H. B.， Zhao J. L.， Chem. J. Chinese Universities， 2020， 41（8）， 1760―1767
	彭伙，高则航，廖承悦，王晓冬，周洪波，赵建龙. 高等学校化学学报， 2020， 41（8）， 1760―1767
16	Park D.， Kim H.， Kim J. W.， Biomicrofluidics， 2021， 15（5）， 051302
17	Wu S. T.， Xin Z.， Zhao S. C.， Sun S. T.， Nano Res.， 2019， 12（11）， 2736―2742
18	Sun J.， Chen J. S.， Liu K.， Zeng H. B.， Engineering， 2021， 7（5）， 615―623
19	Zhang Y.， Wang B. C.， Wang P.， Ju X. J.， Zhang M. J.， Xie R.， Liu Z.， Wang W.， Chu L. Y.， React. Chem. Eng.， 2022， 7（2）， 275―283
20	Chen L.， Yang C. J.， Xiao Y.， Yan X. X.， Hu L.， Eggersdorfer M.， Chen D.， Weitz D.， Ye F.， Mater. Today Nano， 2021， 16， 100136
21	Abang S.， Chan E. S.， Poncelet D.， J. Microencapsulation， 2012， 29（5）， 417―428
22	Bremond N.， Santanach⁃Carreras E.， Chu L. Y.， Bibette J.， Soft Matter， 2010， 6（11）， 2484―2488
23	Samakradhamrongthai R. S.， Angeli P. T.， Kopermsub P.， Utama⁃Ang N.， Carbohydr. Polym.， 2019， 226， 115262
24	Seiffert S.， ChemPhysChem， 2013， 14（2）， 295―304
25	Lensen D.， Van Breukelen K.， Vriezema D. M.， Van Hest J. C.， Macromol. Biosci.， 2010， 10（5）， 475―480
26	Liu C. G.， Zheng W. C.， Xie R. X.， Liu Y. P.， Liang Z.， Luo G. A.， Ding M. Y.， Liang Q. L.， Chin. Chem. Lett.， 2019， 30（2）， 457―460
27	Zhao Y. C.， Chen G. W.， Yuan Q.， AlChE J.， 2006， 52（12）， 4052―4060
28	Arriaga L.， Amstad E.， Weitz D.， Lab on a Chip， 2015， 15（16）， 3335―3340
29	Fang Z.， Cao X. R.， Yu Y. L.， Li M.， Colloids Surf. A， 2019， 570， 282―292
30	Shi P.， Yan X. X.， Wang X. Z.， Feng L. Y.， Chen D.， CIESC J.， 2020， 72， 619―627
	石盼，颜肖潇，王行政，冯乐耘，陈东. 化工学报， 2021， 72（1）， 619―627
31	Liu W. Y.， Ju X. J.， Pu X. Q.， Cai Q. W.， Liu Y. Q.， Liu Z.， Wang W.， Xie R.， Chu L. Y.， Engineering， 2021， 7（5）， 636―646
32	Mastiani M.， Seo S.， Mosavati B.， Kim M.， ACS Omega， 2018， 3（8）， 9296―9302
33	Sakuta H.， Fujimoto T.， Yamana Y.， Hoda Y.， Tsumoto K.， Yoshikawa K.， Front. Chem.， 2019， 7， 44
34	Luo G. Y.， Yu Y. F.， Yuan Y. X.， Chen X.， Liu Z.， Kong T. T.， Adv. Mater.， 2019， 31（49）， 1904631
35	Liu X. Z.， Toprakcioglu Z.， Dear A. J.， Levin A.， Ruggeri F. S.， Taylor C. G.， Hu M.， Kumita J. R.， Andreasen M.， Dobson C. M.， Macromol. Rapid Commun.， 2019， 40（8）， 1800898
36	Sun Z.， Yang C. J.， Wang F.， Wu B. H.， Shao B. Q.， Li Z. C.， Chen D.， Yang Z. Z.， Liu K.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2020， 132（24）， 9451―9455
37	Perro A.， Coudon N.， Chapel J. P.， Martin N.， Béven L.， Douliez J. P.， J. Colloid Interface Sci.， 2022， 613， 681―696
38	Zhou S. H.， Huang L.， Zhang H. B.， Food Sci. Technol.， 2008，（7）， 156―160
	周盛华，黄龙，张洪斌. 食品科技， 2008，（7）， 156―160
39	Kulicke W. M.， Meyer F.， Bingöl A. Ö.， Lohmann D.， AIP Conf. Proc.， 2008， 1027（1）， 585―587
40	Leathers D. T.， Appl. Microbiol. Biotechnol.， 2003， 62（5）， 468―473
41	Kwon S. B.， Lee G. T.， Choi S. J.， Lee N. K.， Park H. W.， Lee K. S.， Lee K. K.， Ahn K. J.， An I. S.， Kor. J. Aesthet. Cosmetol.， 2013， 11（4）， 761―768
42	Yuan X. L.， Li B. X.， Huang Y. Y.， Yang Y. C.， Ye J.， Zhang N.， Zhang X. Q.， Zheng B. D.， Xiao M. T.， Chem. Ind. Eng. Prog.， 2022， 41（6）， 3103―3112
	袁晓露，李宝霞，黄雅燕，杨宇成，叶静，张娜，张学勤，郑秉得，肖美添. 化工进展， 2022， 41（6）， 3103―3112
43	Utada A. S.， Fernandez⁃Nieves A.， Stone H. A.， Weitz D. A.， Phys. Rev. Lett.， 2007， 99（9）， 094502
44	Geng Y. H.， Ling S. D.， Huang J. P.， Xu J. H.， Small， 2020， 16（6）， 1906357
45	Romanowsky M. B.， Abate A. R.， Rotem A.， Holtze C.， Weitz D. A.， Lab on a Chip， 2012， 12（4）， 802―807
46	Muluneh M.， Issadore D.， Lab on a Chip， 2013， 13（24）， 4750―4754
47	Jeong H. H.， Yelleswarapu V. R.， Yadavali S.， Issadore D.， Lee D.， Lab on a Chip， 2015， 15（23）， 4387―4392

[1]	CHEN Hongda, ZHANG Hua, WANG Zhenxin. Development of Small Animals in vivo Fluorescence-photothermal Dual Mode Imaging System [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(3): 725.
[2]	LI Shijie,YANG Yang,CUI Yingying,SU Xianbin. High Efficient and Green Approach to the Synthesis of Leuprolide in Continuous-flow Microreactor^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(7): 1559.
[3]	ZHAO Yu, CAO Wanqing, LIU Yang. Recent Advances in Polymeric Nano-sized Carrier Systems ^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(5): 909.
[4]	LI Ming,CUI Xiaoqian,WANG Xuan,LI Zaijun. Synthesis of Amphiphilic Graphene Quantum Dots and Their Sustained Release Effect on L-Menthol ^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(2): 324.
[5]	LI Lan,QIAN Yong,YANG Dongjie,QIU Xueqing. Preparation of Lignin/silica Nanoparticle Based Microcapsules and Their Application in Self-healing Coatings^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2019, 40(6): 1293.
[6]	CHEN Yuan,ZHAO Xuejing,LIANG Hongwei,WU Xiuwen,ZHANG Jinlin. Effect of Emulsification Process on the Thermal Properties of Stearic Acid Phase Change Microcapsules ^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2019, 40(10): 2149.
[7]	WANG Xuan, JIN Tao, WANG Haowei, LIAO Shengzhi, YANG Huaiyu. Preparation and Characterization of Polysulfide Sealant Microcapsules Based on in situ Polymerization of Urea and Formaldehyde^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2018, 39(2): 397.
[8]	YANG Hui, LI Tong, TONG Weijun, GAO Changyou. Fabrication of Microcapsules with Special Shapes by Layer-by-layer Assembly on CaCO₃ Microparticles^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2018, 39(1): 172.
[9]	YANG Meiyue, WANG Wei, TIAN Zhiqing, LI Yingying, YUAN Zhi. Preparation of Glycyrrhetinic Acid-modified Sodium Alginate Microgel Spheres for 3D Cell Culture^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2017, 38(2): 326.
[10]	FENG Jianguo, YANG Guantian, YUAN Xiaoyong, CHEN Qicheng, SUN Chencheng, YUAN Shuzhong. Preparation, Characterization and Release Properties of β-Cypermethrin Microcapsules^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2017, 38(11): 1974.
[11]	ZHAO Qi, HE Wanying, DUAN Lijie, ZHANG Yu, YU Shuangjiang, GAO Guanghui. Fabrication and Characterization of Injectable Polysaccharide-polypeptide Hydrogel Based on Schiff’s Base^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2016, 37(9): 1750.
[12]	YAO Jian, WANG Jianping, WEI Yao, WANG Xuechen, LI Wei, ZHANG Xingxiang. Synthesis and Characterization of Polyprrole Microcapcule Containing ZnCl₂ Solution^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2016, 37(10): 1907.
[13]	YANG Junxing, WANG Qi, WANG Yuanyuan, HAN Shu, YAO Jiawei, SHAO Siqi, WANG Jinglong, LIU Zhihui, GUO Yupeng. Preparation and in vitro Release of Multilayer Alginate Chitosan Microspheres Loading VEGF and Vancomycin^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2015, 36(5): 1025.
[14]	YANG Yongan, XU Shuping, WANG Yuyang, QI Guohua, XU Weiqing. Facile Fabrication of SERS-based Microchannel Device for Hazardous Chemical Analysis^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2015, 36(2): 254.
[15]	SONG Min, ZHANG Linping, ZHONG Yi, XU Hong, MAO Zhiping. Catalytic Properties of Manganese Complex of Cyclic Polyamine Encapsulated in Ethyl Cellulose Microcapsules^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2014, 35(9): 1941.