一种基于双水相体系的聚电解质微囊一步制备法
阅读说明：本技术 一种基于双水相体系的聚电解质微囊一步制备法 (Polyelectrolyte microcapsule one-step preparation method based on aqueous two-phase system ) 是由 秦建华 刘海涛 王慧 于 2019-11-28 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种基于双水相体系的聚电解质微囊一步制备法。该方法包括微流控芯片的制备、双水相溶液的准备、微流体的操控、聚电解质微囊的形成和鉴定等。本发明以集成了常开气动泵阀的微流控芯片为技术平台,以水包水液滴为成型模板,通过一步法将分子表面具有相反电荷的两种聚电解质分子精准可控地制备为微囊。该微囊可用于生物活性物质的负载与运输,如蛋白类药物、核酸和细胞等,在合成生物学、生物工程和再生医学等领域发挥巨大作用。(The invention provides a one-step preparation method of polyelectrolyte microcapsules based on a two-aqueous-phase system. The method comprises the steps of preparing a microfluidic chip, preparing a two-aqueous-phase solution, controlling microfluid, forming and identifying polyelectrolyte microcapsules and the like. The invention takes a micro-fluidic chip integrated with a normally open pneumatic pump valve as a technical platform, takes water-in-water droplets as a forming template, and prepares two polyelectrolyte molecules with opposite charges on the molecular surfaces into a microcapsule in a precise and controllable manner by a one-step method. The microcapsule can be used for loading and transporting bioactive substances, such as protein drugs, nucleic acids, cells and the like, and plays a great role in the fields of synthetic biology, bioengineering, regenerative medicine and the like.)
技术领域
本发明属于微流控技术、材料化学等领域，具体涉及一种基于双水相体系的聚电解质微囊一步制备法。
背景技术
聚电解质微囊为一种含有水相内腔和由带相反电荷的聚合物之间通过静电吸引而固化形成的外壳的球状颗粒，其直径范围在微米到毫米尺度。由于其良好的生物相容性、较为温和的成胶条件和适当的空间核壳结构，聚电解质微囊已被广泛应用于生物、医学、药学、食品等领域。然而，制造聚电解质微囊的传统方法往往涉及多步操作，首先需制备实心的微球颗粒作为模板微囊生成的模板，然后再采用逐层组装的方法，交替地将带相反电荷的聚电解质沉积在微球颗粒的表面，然后将模板材料分解成可以通过的单个分子，从而得到最终的空心微囊。这样的制备过程负杂、耗时，且对被负载物的损伤大、负载效率低，不利于聚电解质微囊的推广和应用。
近年来，液滴微流控技术得到了长足的发展，可以精确制备出多种不同材质、不同形貌的功能化微球和微囊，这些微米级的产物在材料学、生物学和药学等领域做出了很大的贡献。将由两种高分子溶液或者一种高分子溶液和一种盐溶液所组成的双水相乳化体系引入液滴微流控领域，使得生产微球和微囊的过程更加温和，也为在微流控通道中原位组装合成聚电解质微囊提供了可能。并且得益于微流控技术精确可控和高通量等优势，这些制备的聚电解质微囊产业化的可能性也将大大增加。本发明利用集成了常开气动泵阀的微流控芯片和双水相乳化体系，在微流控芯片内通过一步法制得了形貌可控、产量较高的不同材质的聚电解质微囊。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于双水相体系的聚电解质微囊一步制备法，致力于为药学、再生医学和食品工业等的发展提供前期技术支持。
本发明提供了一种基于双水相体系的聚电解质微囊的制备方法，该方法基于双水相体系，以集成了常开气动泵阀的微流控芯片为技术平台，以水包水液滴为成型模板，通过一步法将分子表面具有相反电荷的两种聚电解质分子精准可控地制备为聚电解质微囊。
所述微流控芯片具体如下：
利用常规软光刻的方法，制备集成了常开气动泵阀的聚二甲基硅氧烷(PDMS)芯片；该芯片用于生成双水相液滴模板和制备聚电解质微囊，其结构包含上下两层：上层为液路部分，由含聚电解质1的反应相入口1，反应相通道2，连续相入口3，连续相通道4，上层压缩空气入口5，含聚电解质2的分散相入口6，分散相通道7，气动阀作用区8，液滴运输通道9，微囊形成通道10，微囊出口11，交叉口A12，交叉口B13组成；下层为气路部分，由下层压缩空气入口14，气体通道15，常开气动泵阀16组成。
双水相体系具体制备如下：
将聚电解质Ⅰ溶于聚乙二醇(PEG)水溶液，该混合溶液作为反应相，以单纯的PEG水溶液为连续相，将聚电解质Ⅱ溶于葡聚糖水溶液，该混合溶液作为分散相；其中，聚电解质Ⅰ和聚电解质Ⅱ为带有相反电荷的高分子。
带有正电荷的聚电解质为壳聚糖、聚赖氨酸、聚二烯二甲基氯化铵、聚烯丙基胺、聚乙烯亚胺中的一种，可以作为聚电解质I或II使用。
带有负电荷的聚电解质为海藻酸钠、果胶、透明质酸、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、羧甲基纤维素、明胶、聚乙醇酸、聚苯乙烯磺酸钠、聚乙烯基磺酸钠中的一种，可以作为聚电解质I或II使用。
所述微流控芯片的具体调控如下：
含聚电解质Ⅰ的反应相通过反应相入口1进入微流控芯片中，然后沿着反应相通道2到达交叉口B13；连续相通过连续相入口3进入微流控芯片，先后经过连续相通道4、交叉口A12和液滴运输通道9到达交叉口B13；含聚电解质Ⅱ的分散相通过分散相入口6进入微流控芯片，先后经过分散相通道7、气动泵阀作用区8、交叉口A12和液滴运输通道9到达交叉口B13；压缩空气通过上层压缩空气入口5进入微流控芯片，先后经过下层压缩空气入口14和气体通道15到达常开气动泵阀16处，周期性地驱动气动泵阀膨胀，从而挤压气动泵阀作用区，促进含聚电解质Ⅱ的分散相液滴的形成。含聚电解质Ⅰ的反应相流速范围：1-8ul/min；连续相流速范围：1-6ul/min；压缩空气气压范围：10-60kPa；含聚电解质Ⅱ的分散相流速范围：0.05-0.6ul/min；气动泵阀运行周期范围：0.1-1s。
所述聚电解质微囊的形成和鉴定具体如下：
所述含聚电解质Ⅱ的分散相液滴与含有聚电解质Ⅰ的反应相在交叉口B13处相遇，处于液滴表面的聚电解质Ⅱ与反应相中的聚电解质Ⅰ由于自由扩散运动，穿过中间的连续相而互相接触，并瞬间发生正负电荷间的络合反应，形成以分散相水包水液滴为模板的聚电解质微囊。
上层芯片反应相通道2和微囊形成通道10宽度为100-400μm，微囊形成通道10长为1-4cm；连续相通道4、分散相通道7和液滴运输通道9宽度为50-250μm，所有上层芯片通道高度均为100-300μm；下层芯片通道高度和宽度均为：
50-300μm。
所述PEG分子量为4000-20000Da、浓度范围为5-50％(w/v)；葡聚糖分子量为70k-500kDa、浓度范围为5-30％(w/v)；所述聚电解质Ⅰ和聚电解质Ⅱ的分子量均为40k-1000kDa、浓度为0.25-4％(w/v)。
本发明的有益效果：
该方法可大大缩减聚电解质微囊制备的程序，提高生产效率；整个制备过程简单、温和、可控，可有效避免对微囊中负载物的损伤；所制备微囊十分适用于生物活性物质的负载与运输，如蛋白类药物、核酸和细胞等，在合成生物学、生物工程和再生医学等领域将发挥巨大作用
附图说明
图1是微流控芯片示意图；
其中：a上层液路芯片；b下层气路芯片；c两层芯片结合总图；
含聚电解质I的反应相入口1，反应相通道2，连续相入口3，连续相通道4，上层压缩空气入口5，含聚电解质II的分散相入口6，分散相通道7，气动阀作用区8，液滴运输通道9，微囊形成通道10，微囊出口11，交叉口A12，交叉口B13，下层压缩空气入口14，气体通道15，常开气动泵阀16。
图2是芯片中交叉口处双水相液滴和聚电解质微囊形成的示意图，其中：a交叉口A处双水相液滴形成的示意图；b交叉口B处聚电解质微囊形成的示意图。
图3是实施例1中聚电解质微囊的光学显微镜表征图，其中：a聚电解质微囊的低倍表征图(标尺：100μm)；b聚电解质微囊的高倍表征图(标尺：20μm)
图4是实施例2中聚电解质微囊表征图，其中：a光学显微镜表征图(标尺：100μm)；b荧光显微镜表征图(标尺：100μm)。
图5是实施例3中聚电解质微囊的扫描电子显微镜表征图(标尺：500μm)。
具体实施方式
在利用微加工技术制得的微流控芯片中，依次通入双水相体系的几个流体，并通过对常开气动泵阀的操控实现聚电解质微囊的可控一步制备。制得的微囊可以利用光学显微镜和电子显微镜等进行表征。下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种基于双水相体系的聚电解质微囊一步制备法，包括下列步骤：
(1)微流控芯片的制备：利用常规软光刻的方法，制备集成了常开气动泵阀的PDMS芯片；该芯片用于生成双水相液滴模板和制备聚电解质微囊，如图1所示，其结构包含上下两层：上层为液路部分，由含聚赖氨酸的反应相入口1，反应相通道2，连续相入口3，连续相通道4，上层压缩空气入口5，含透明质酸的分散相入口6，分散相通道7，气动阀作用区8，液滴运输通道9，微囊形成通道10，微囊出口11，交叉口A12，交叉口B13组成；下层为气路部分，由下层压缩空气入口14，气体通道15，常开气动泵阀16组成。其中，上层反应相通道2和微囊形成通道10宽度150μm，微囊形成通道10长1.5cm；连续相通道4、分散相通道7和液滴运输通道9宽度为100μm，所有上层芯片通道高度均为150μm。下层芯片通道高度和宽度均为：100μm。
(2)双水相溶液的制备：将聚赖氨酸溶于PEG水溶液，该混合溶液作为反应相，以单纯的PEG水溶液为连续相，将透明质酸溶于葡聚糖水溶液，该混合溶液作为分散相。所使用的PEG分子量为8000Da、浓度为10％(w/v)；葡聚糖分子量为70kDa、浓度为10％(w/v)；聚赖氨酸分子量为70kDa、浓度为0.5％(w/v)；透明质酸分子量为80kDa、浓度为0.5％(w/v)。
(3)微流控芯片的操控：含聚赖氨酸的反应相通过反应相入口1进入微流控芯片中，然后沿着反应相通道2到达交叉口B13；连续相通过连续相入口3进入微流控芯片，先后经过连续相通道4、交叉口A12和液滴运输通道9到达交叉口B13；含透明质酸的分散相通过分散相入口6进入微流控芯片，先后经过分散相通道7、气动泵阀作用区8、交叉口A12和液滴运输通道9到达交叉口B13；压缩空气通过上层压缩空气入口5进入微流控芯片，先后经过下层压缩空气入口14和气体通道15到达常开气动泵阀16处，周期性地驱动气动泵阀膨胀，从而挤压气动泵阀作用区，促进含透明质酸的分散相液滴的形成。其中，含聚赖氨酸的反应相流速：2ul/min；连续相流速：2ul/min；压缩空气气压：15kPa；含透明质酸的分散相流速：0.1ul/min；气动泵阀运行周期范围：0.6s。
(4)聚电解质微囊的形成和鉴定：3中形成的含透明质酸的分散相水包水液滴与含有聚赖氨酸的反应相在交叉口B13处相遇，处于液滴表面的透明质酸与反应相中的聚赖氨酸由于自由扩散运动，穿过中间的连续相而互相接触，并瞬间发生正负电荷间的络合反应，形成以分散相液滴为模板的聚电解质微囊。该微囊藉由光学显微镜进行鉴定，以确定其形貌和尺寸，如图2和图3所示。
实施例2
一种基于双水相体系的聚电解质微囊一步制备法，包括下列步骤：
(1)微流控芯片的制备：利用常规软光刻的方法，制备集成了常开气动泵阀的PDMS芯片；该芯片用于生成双水相液滴模板和制备聚电解质微囊，其结构包含上下两层：上层为液路部分，由含壳聚糖的反应相入口1，反应相通道2，连续相入口3，连续相通道4，上层压缩空气入口5，含海藻酸钠的分散相入口6，分散相通道7，气动阀作用区8，液滴运输通道9，微囊形成通道10，微囊出口11，交叉口A12，交叉口B13组成；下层为气路部分，由下层压缩空气入口14，气体通道15，常开气动泵阀16组成。其中，上层反应相通道2和微囊形成通道10宽度250μm，微囊形成通道10长2.5cm；连续相通道4、分散相通道7和液滴运输通道9宽度为150μm，所有上层芯片通道高度均为200μm。下层芯片通道高度和宽度均为：200μm。
(2)双水相溶液的制备：将经过异硫氰酸荧光素标记的壳聚糖溶于PEG水溶液，该混合溶液作为反应相，以单纯的PEG水溶液为连续相，将海藻酸钠溶于葡聚糖水溶液，该混合溶液作为分散相。所使用的PEG分子量为10kDa、浓度为20％(w/v)；葡聚糖分子量为250kDa、浓度为15％(w/v)；壳聚糖分子量为200kDa、浓度为1.5％(w/v)；海藻酸钠分子量为100kDa、浓度为1％(w/v)。
(3)微流控芯片的操控：含壳聚糖的反应相通过反应相入口1进入微流控芯片中，然后沿着反应相通道2到达交叉口B13；连续相通过连续相入口3进入微流控芯片，先后经过连续相通道4、交叉口A12和液滴运输通道9到达交叉口B13；含海藻酸钠的分散相通过分散相入口6进入微流控芯片，先后经过分散相通道7、气动泵阀作用区8、交叉口A12和液滴运输通道9到达交叉口B13；压缩空气通过上层压缩空气入口5进入微流控芯片，先后经过下层压缩空气入口14和气体通道15到达常开气动泵阀16处，周期性地驱动气动泵阀膨胀，从而挤压气动泵阀作用区，促进含海藻酸钠的分散相液滴的形成。其中，含壳聚糖的反应相流速：4ul/min；连续相流速：3ul/min；压缩空气气压：30kPa；含海藻酸钠的分散相流速：0.3ul/min；气动泵阀运行周期范围：0.2s。
(4)聚电解质微囊的形成和鉴定：(3)中形成的含海藻酸钠的分散相水包水液滴与含有壳聚糖的反应相在交叉口B13处相遇，处于液滴表面的海藻酸钠与反应相中的壳聚糖由于自由扩散运动，穿过中间的连续相而互相接触，并瞬间发生正负电荷间的络合反应，形成以分散相液滴为模板的聚电解质微囊。该微囊藉由光学显微镜和荧光显微镜进行鉴定，以确定其形貌和尺寸，如图4所示。
实施例3
一种基于双水相体系的聚电解质微囊一步制备法，包括下列步骤：
(1)微流控芯片的制备：利用常规软光刻的方法，制备集成了常开气动泵阀的PDMS芯片；该芯片用于生成双水相液滴模板和制备聚电解质微囊，其结构包含上下两层：上层为液路部分，由含聚苯乙烯硫酸钠(PSS)的反应相入口1，反应相通道2，连续相入口3，连续相通道4，上层压缩空气入口5，含聚二烯二甲基氯化铵(PDDA)的分散相入口6，分散相通道7，气动阀作用区8，液滴运输通道9，微囊形成通道10，微囊出口11，交叉口A12，交叉口B13组成；下层为气路部分，由下层压缩空气入口14，气体通道15，常开气动泵阀16组成。其中，上层反应相通道2和微囊形成通道10宽度350μm，微囊形成通道10长3.5cm；连续相通道4、分散相通道7和液滴运输通道9宽度为200μm，所有上层芯片通道高度均为250μm。下层芯片通道高度和宽度均为：250μm。
(2)双水相溶液的制备：将PSS溶于PEG水溶液，该混合溶液作为反应相，以单纯的PEG水溶液为连续相，将PDDA溶于葡聚糖水溶液，该混合溶液作为分散相。所使用的PEG分子量为20kDa、浓度为40％(w/v)；葡聚糖分子量为500kDa、浓度为30％(w/v)；PSS分子量为1000kDa、浓度为4％(w/v)；PDDA分子量为500kDa、浓度为2％(w/v)。
(3)微流控芯片的操控：含PSS的反应相通过反应相入口1进入微流控芯片中，然后沿着反应相通道2到达交叉口B13；连续相通过连续相入口3进入微流控芯片，先后经过连续相通道4、交叉口A12和液滴运输通道9到达交叉口B13；含PDDA的分散相通过分散相入口6进入微流控芯片，先后经过分散相通道7、气动泵阀作用区8、交叉口A12和液滴运输通道9到达交叉口B13；压缩空气通过上层压缩空气入口5进入微流控芯片，先后经过下层压缩空气入口14和气体通道15到达常开气动泵阀16处，周期性地驱动气动泵阀膨胀，从而挤压气动泵阀作用区，促进含PDDA的分散相液滴的形成。其中，含PSS的反应相流速：8ul/min；连续相流速：4ul/min；压缩空气气压：50kPa；含PDDA的分散相流速：0.5ul/min；气动泵阀运行周期范围：0.8s。
(4)聚电解质微囊的形成和鉴定：(3)中形成的含PDDA的分散相水包水液滴与含有PSS的反应相在交叉口B13处相遇，处于液滴表面的PDDA与反应相中的PSS由于自由扩散运动，穿过中间的连续相而互相接触，并瞬间发生正负电荷间的络合反应，形成以分散相液滴为模板的聚电解质微囊。该微囊藉由扫描电子显微镜进行鉴定，以确定其形貌和尺寸，如图5所示。
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