許瑞呈,葉思遠(yuǎn),尤蓉蓉,呂松偉,招秀伯

(常州大學(xué) 制藥與生命科學(xué)學(xué)院 護(hù)理學(xué)院,江蘇 常州 213000)

0 引 言

近年來,納米材料在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用引起廣泛關(guān)注[1],納米結(jié)構(gòu)因其尺寸小、孔隙大、機(jī)械強(qiáng)度高以及良好的生物相容性等諸多優(yōu)點,可以提高生物利用度、控制藥物釋放、減少藥物使用劑量以及降低副作用[2]。在藥物遞送系統(tǒng)中顯示出巨大的使用前景。傳統(tǒng)的制備納米材料的技術(shù)所制備納米材料可能會氧化結(jié)塊,而且在合成規(guī)模擴(kuò)大的過程中,工藝本身就可能會受到混合、成核和生長等限制。因此,有必要采用替代的合成方法,來獲得尺寸和形態(tài)可控的、穩(wěn)定的、可重復(fù)的單分散粒子。近幾十年來,許多研究小組利用微流控這一技術(shù),以及從無機(jī)到聚合物等各種材料,制備了尺度從納米到微米的顆粒。該技術(shù)因其能夠精確控制流體流動和反應(yīng)條件而備受關(guān)注,即使在放大的過程中也能實現(xiàn)精確的生長控制,同時還能最大限度地減少副產(chǎn)品的產(chǎn)生。

微流體學(xué)起源于20世紀(jì)90年代,最初是一門應(yīng)用于分析化學(xué)領(lǐng)域的學(xué)科[3]。但隨著微流體技術(shù)的不斷發(fā)展以及相關(guān)設(shè)備的創(chuàng)新,現(xiàn)如今微流控學(xué)在材料學(xué)、生物學(xué)以及化學(xué)工業(yè)等諸多領(lǐng)域都有應(yīng)用,例如,制造新型功能材料(如納米纖維、脂質(zhì)體)[4],細(xì)胞分離和分類[5]以及高通量篩選等。微流體法制備的納米顆粒具有粒徑尺寸可控、分散性好等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于納米材料的合成,如納米金屬材料、氧化物顆粒和金屬有機(jī)骨架。

本文將從微流控芯片、微通道系統(tǒng)、藥物輸送納米材料的制備等方面進(jìn)行簡要介紹。

1 微流控技術(shù)的概述

1.1 微流控芯片

微流控芯片,又稱為芯片實驗室(lab on a chip)[6],是微流體研究的重要載體和技術(shù)平臺。生化分析技術(shù)中的樣品合成、分離檢測和細(xì)胞培養(yǎng)、篩選等基本操作都可以在微流控芯片上實現(xiàn)。與傳統(tǒng)技術(shù)平臺相比,微流控芯片面積小,只有幾平方厘米(cm2)或更小,因此實驗所需試劑大大減少,反應(yīng)分析時間相應(yīng)縮短[7]。微流控技術(shù)涉及科學(xué)領(lǐng)域廣,是生物學(xué)、微機(jī)電學(xué)和化學(xué)等領(lǐng)域的近幾年的研究重點。

1.2 微流控芯片制備材料

迄今為止,通常有以下五種材料用來制作微流控芯片：晶硅、聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane)[8]、玻璃[9]、石英和塑料。其中,以晶硅體、聚二甲基硅氧烷和玻璃最為常用,以下對這三種材料進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

晶體硅：材料的機(jī)械強(qiáng)度大、純度高、耐腐蝕且有著良好的散熱性。生產(chǎn)工藝和微細(xì)加工技術(shù)相對而言較為成熟等優(yōu)點,但是其絕緣性和透光性能差,進(jìn)行深度刻蝕比較困難,而且表面化學(xué)行為復(fù)雜,硅基片的粘合率低,上述缺陷極大地限制了其在微流控芯片中的廣泛應(yīng)用。

聚二甲基硅氧烷：制備方便快捷,材料成本低,化學(xué)惰性好,同時聚二甲基硅氧烷具有良好的透光性和生物相容性,能在室溫下直接與多種材料接合。另外聚二甲基硅氧烷的結(jié)構(gòu)彈性高,這些特點使其成為一種廣泛應(yīng)用于芯片制作的聚合材料,但是它的軟化溫度點低,鍵合力弱,會導(dǎo)致其通道耐壓相對而言較弱一些[10]。

用得最多的材料是玻璃,其價格便宜,有著良好的電滲性和透光性,且表面反應(yīng)性佳,易浸潤,玻璃可以通過光刻技術(shù)和蝕刻技術(shù)將微通道網(wǎng)絡(luò)復(fù)制在表面。與晶體硅一樣,深度蝕刻困難,而且鍵合溫度較高會導(dǎo)致鍵合率降低。

2 基于微流控技術(shù)的微通道系統(tǒng)

微流控技術(shù)可以實現(xiàn)微尺度流體的精確控制,是從最初的微量分析化學(xué)平臺向高通道藥物篩選、微混合、微反應(yīng)以及微分離的領(lǐng)域發(fā)展,作為一種嶄新材料的制備技術(shù)平臺,如今已經(jīng)在功能性材料的制備上展現(xiàn)出比傳統(tǒng)技術(shù)更加突出的優(yōu)勢。

微流控制備材料通常是基于其微通道實現(xiàn)的。最近幾年,研究微流控學(xué)的國內(nèi)外研究人員,為方便各種功能材料的制備,設(shè)計制作了具有多種結(jié)構(gòu)功能的微通道系統(tǒng)。這些不同結(jié)構(gòu)的微通道的問世,使微流控技術(shù)的前景在不同的科學(xué)領(lǐng)域得到更為廣泛的發(fā)展。

目前,用于藥物載體制備的微通道系統(tǒng)主要有以三種方式,如圖1所示。第一種,共軸流法；第二種,T型通道(正交結(jié)構(gòu))方式；第三種,流動匯聚型。

圖1 三種微通道結(jié)構(gòu)示意

2.1 共軸流法

共軸流(Co-flow)法形成液滴的機(jī)理,是將圓形毛細(xì)管的一端用拉針儀拉成錐形并置于另一根圓形的毛細(xì)管之中,里面圓形毛細(xì)管的內(nèi)徑與外面圓形毛細(xì)管的外徑是相等的。向圓形毛細(xì)管方形毛細(xì)管分別通入平行流動的分散相及連續(xù)相,并在某一相中加入表面活性劑,在尖端剪切力的作用下從而形成液滴。通過共軸流法所生成的微液滴半徑的計算公式為2R=(6v·Tn/n)。式中R為微液滴半徑,v為分散相的流速,Tn為液滴產(chǎn)生的周期。

這類通道是最基本、最簡單的通道。因此,許多學(xué)者根據(jù)自己的需要,在其基礎(chǔ)上自行設(shè)計制造了各種結(jié)構(gòu),用于制備各種不同形式的產(chǎn)品,如在毛細(xì)管內(nèi)再加兩根尖端相對的細(xì)毛細(xì)管,分別向毛細(xì)管內(nèi)外通入不同的表面活性劑溶液,受剪切力的作用形成實驗所需要的液滴層數(shù)。

2.2 T型通道

傳統(tǒng)乳化和微型化是T型通道(T-junction)法生產(chǎn)液滴的方法,以剪切力與液滴前后壓力差導(dǎo)致液滴生成。在T型微通道中,分散相通入垂直的入口,另一個入口通入連續(xù)相。于兩相界面處,界面張力無法維持連續(xù)相對分散相施加的剪切力,在連續(xù)相剪切力的作用下,使部分分散相脫離,形成小液滴。當(dāng)兩相流速一定時,液滴的生成將逐漸趨于穩(wěn)定。由于其便于制作和操縱,廣泛應(yīng)用于對微液滴均勻性要求不高的場合,而且該法產(chǎn)生的液滴可控范圍相對較小。其中Y型通道是T型通道的一種變異形式,與T型通道相比,其剪切作用力較弱,若要獲得相同尺寸的液滴,需要更大的連續(xù)相流速和流量,因此,T型通道使用的場景范圍要遠(yuǎn)大于Y型通道。

2.3 流動聚焦法

不同于共軸流法,流動聚焦(flow focusing)法主要是將不同通道內(nèi)的連續(xù)相和分散相流體聚焦于一個通道內(nèi),外圍流路流入連續(xù)相,兩個連續(xù)相的中間流進(jìn)分散相,對稱的連續(xù)相剪切力將分散相夾斷形成液滴。與 T型通道相比,流動聚焦法更容易控制液滴,形成的液滴也更加穩(wěn)定,生成的液滴具有更大的體積范圍,因此其適用范圍比 T型通道更廣,與T 通道相結(jié)合可以制備更復(fù)雜的粒子。

3 微流控制備納米藥物載體

近年來,隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,納米材料以其獨特的尺寸、結(jié)構(gòu)和性能,在微電子、光電子、感測器件、能源、藥物輸送以及生物工程等領(lǐng)域顯示了廣闊的應(yīng)用前景。用納米材料做藥物載體,可改善許多藥物溶解度低、穩(wěn)定性差以及生物分布不均勻的問題[11]。由于納米材料藥物載體的物化性質(zhì)取決于其尺寸、形狀以及晶體結(jié)構(gòu),因此，合成的過程中需要對動力學(xué)和熱力學(xué)反應(yīng)進(jìn)行精確的控制。故而,微反應(yīng)器在納米材料合成中的作用主要體現(xiàn)在三個方面：1)尺寸、形狀和結(jié)構(gòu)合成的可控性；2)可通過連續(xù)流工藝進(jìn)行放大；3)高通量。目前以微流控技術(shù)制備的藥物載體納米材料主要有：聚合物納米材料[12]、無機(jī)納米材料[13]、脂質(zhì)體納米材料[14]、雜化納米材料[15]等。

3.1 聚合物納米材料

聚合物納米材料是一種固體膠態(tài)顆粒,由天然或合成聚合物材料制成,廣泛用于藥物輸送。根據(jù)研究需要,微流控技術(shù)可控制聚合物納米顆粒的溶劑混合時間和粒徑尺寸大小。Han X W等人[12]利用液滴微流控技術(shù)與物理交聯(lián)相結(jié)合,制備了大量均勻的、單分散的聚乙烯醇(PVA)微球,該微球尺寸可通過改變兩相流體的注入流量和微流道寬度來控制。物理交聯(lián)法制備 PVA微球,效率高,且微球具有良好的單分散性，工藝無需添加化學(xué)交聯(lián)劑,避免了對包合物材料的干擾,適用于藥物載體等領(lǐng)域。2017年,Tran T T等人[16]以姜黃素(CUR)和殼聚糖(CHI)作為藥物和多糖的模型,開發(fā)了具有高尺寸可調(diào)性的連續(xù)微流控藥物納米復(fù)合物合成平臺。

3.2 無機(jī)納米材料

通過生物功能化作用,無機(jī)納米材料具有良好的生物相容性,因此在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。無機(jī)納米材料也可與如診斷、治療、生物感應(yīng)、組織工程這些生物醫(yī)學(xué)相關(guān)的功能相結(jié)合。無機(jī)納米顆粒在合成過程中,前驅(qū)體濃度、反應(yīng)溫度以及表面活性劑的性質(zhì)和原子核停留時間都能夠決定納米粒徑[17]。微流控流動聚焦法通過精確控制混合時間、反應(yīng)溫度和停留時間,實現(xiàn)了快速成核,從而可以制備出尺寸均勻性好的無機(jī)納米粒子。

Roberts D S等人[17]借助微流控設(shè)備制備出粒徑在150～350 nm的多孔硅納米顆粒,其收率高達(dá)57 %,與傳統(tǒng)超聲波和球磨法相比,收率提高了2.4倍,均勻度提高了1.8倍,反應(yīng)時間則縮短了36倍。Sen N等人[18]報道了一種基于液—液兩相的分段微流體系統(tǒng)用于合成BaSO4納米粒子(如圖2所示),該系統(tǒng)可以連續(xù)運行且不會堵塞。通過對初始濃度、摩爾比和流速等不同操作參數(shù)的研究,發(fā)現(xiàn)上述參數(shù)對納米顆粒合成的尺寸精度和可控性有很大影響,在最佳條件下,該系統(tǒng)可連續(xù)合成粒徑65 nm、多分散指數(shù)0.10的BaSO4納米顆粒。

圖2 BaSO4納米顆粒制備實驗裝置示意

3.3 脂質(zhì)體納米材料

脂質(zhì)體是磷脂囊泡,在20世紀(jì)60年代由Bangham及其同事發(fā)現(xiàn)。脂質(zhì)體是由脂質(zhì)雙分子層組成,其納米顆粒具有中空結(jié)構(gòu),可作為藥物載體,提高藥物的療效[19]。制備脂質(zhì)納米顆粒的傳統(tǒng)方法有很多[20],例如,pH梯度法、超聲波分散法及冷凍干燥法等,這些方法繁瑣,操作困難,制得的脂質(zhì)體分散性低,穩(wěn)定性差。

Hong S C等人[21]基于流體動力學(xué)聚焦原理,利用二棕櫚酰磷脂酰膽堿作為構(gòu)建基,通過微流體組裝技術(shù),成功制備出單分散的200 nm兒茶素和姜黃素雙重負(fù)載脂質(zhì)體。本方案提出了雙活性組分包封提高生物利用度的可行性。Maeki M等人[22]用即觸即用法制備脂質(zhì)納米顆粒。先用微流控設(shè)備在玻璃基底上形成脂質(zhì)雙層膜,后向微流控裝置中引入濃縮的 DNA核,并與脂質(zhì)膜表面接觸,包覆在雙層脂質(zhì)膜上形成脂質(zhì)納米顆粒。Hood R R等人[23]使用可產(chǎn)生3D流動聚焦流的玻璃多毛細(xì)管陣列微流控裝置,制備出粒徑更窄的小尺寸脂質(zhì)納米顆粒。

3.4 雜化納米復(fù)合材料

雜化納米復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上的材料或組分組成的復(fù)合材料或雜化材料,其中至少含有一種納米(nm)級別的材料或組分[24]。在藥物遞送的研究中,具有復(fù)雜多組分結(jié)構(gòu)的雜化粒子往往具有更多的功能,如靶向性、聯(lián)合遞送、降低毒性等。但是粒子結(jié)構(gòu)復(fù)雜化則其制備工藝也會變得更為復(fù)雜,可控性降低,重復(fù)性差,難以保證粒子結(jié)構(gòu)的單一性。

2015年,Bag P P等人[25]利用連續(xù)微流控設(shè)備,通過液相熱注入的方法合成了CdSe、CdS和CdSeS(合金)量子點,在CdSe或CdSeS的情況下,通過一個單一步驟的反應(yīng),ZnS或CdS外殼就能獲得高達(dá)60 %的量子產(chǎn)率。緊接著,2016年,Ortiz de Solorzano I等人[26]利用微流體平臺連續(xù)合成了可生物降解的光熱硫化銅納米顆粒。金屬—有機(jī)框架(MOF)是一種新型有機(jī)—無機(jī)雜化納米晶體材料,其具有開放性框架結(jié)構(gòu)和高孔隙率,可用于儲氫[27,28]、藥物輸送、磁共振成像造影劑[25,29]及催化[30,31]等方面。MOF的傳統(tǒng)制備方法耗時長、需要特殊的裝置。因此,Faustini M等人[15]提出了一種基于液滴的微流體合成 MOF的方案(如圖3所示),成功地合成了典型的MOF—5、IRMOF—3、UiO—66等雜化結(jié)構(gòu)。這種制備方法可以連續(xù)、快速地合成 MOF,并且可以在商業(yè)和工業(yè)上制備 MOF。

圖3 微化過程的示意

4 結(jié)束語

微流控樣品消耗低、性能高、操作簡單等優(yōu)點,微芯片反應(yīng)器在合成納米材料的應(yīng)用中日益廣泛,微流控合成納米材料解決了傳統(tǒng)間歇合成中難以獲得質(zhì)量均一,粒徑分布可控的難題,為納米材料的合成開辟了新的方向,也使納米藥物輸送系統(tǒng)具有了更為廣闊的發(fā)展前景。

對于納米材料制備和操作的微流控技術(shù)的未來發(fā)展,將有更多的研究集中在幾個問題上：

1)單、多相過程(包括微流控器件中的連續(xù)后處理)中的流動行為和質(zhì)量以及熱傳遞的基本原理尚待進(jìn)一步研究。此外,還應(yīng)建立不同操作環(huán)境下納米材料加工過程與相態(tài)關(guān)系的理論基礎(chǔ)(如轉(zhuǎn)移與分散過程的規(guī)律、分布行為等)。

2)集成微化學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行可控制備顆粒將成為該領(lǐng)域的一個重要課題。微化系統(tǒng)可定義為由一個或多個微設(shè)備控制傳輸和反應(yīng)過程的系統(tǒng),此類系統(tǒng)可包括一個微設(shè)備、多個微設(shè)備或帶有傳統(tǒng)設(shè)備的微設(shè)備,但由于該領(lǐng)域的知識有限,設(shè)計和構(gòu)建集成微化系統(tǒng)面臨一些挑戰(zhàn)。

3)盡管液滴和液塞是在傳統(tǒng)的和新型的微流控平臺上實現(xiàn)并行化的,但新材料的批量生產(chǎn)仍是一個難題。只有達(dá)到每天生產(chǎn)千克(kg)級的產(chǎn)品,微流控平臺的優(yōu)勢才有意義。規(guī)模戰(zhàn)略需要進(jìn)一步發(fā)展,才能實現(xiàn)納米顆粒的工業(yè)化應(yīng)用規(guī)模。在工業(yè)應(yīng)用中,微器件系統(tǒng)所面臨的堵漏、長周期穩(wěn)定性和維護(hù)技術(shù)等工程問題,應(yīng)該成為微流控技術(shù)下一個需要解決的主要問題。