一种微流控芯片及其在单分散纳米颗粒制备中的应用

摘要

本发明公开了一种微流控芯片及其在单分散纳米颗粒制备中的应用。所述芯片包括内管、外管和外管进样头；所述内管与外管共中心轴套接；所述内管一端为尖端出样口，深入外管内部，内管另一端为进样口，伸出外管外部；所述外管进样头嵌合在外管管壁上。本发明提供的微流控芯片结构简单，使用寿命较长，具备各向均一性，制备的纳米颗粒单分散性好，粒径一致。

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料领域，更具体地，涉及一种微流控芯片及其在单分散纳米颗粒制备中的应用。

背景技术

生物可降解聚合物纳米颗粒由于其良好的生物相容性和生物可降解性作为药物载体在药物传输与释放等领域具有重要的应用前景，近年来受到人们广泛的关注。研究结果表明，纳米颗粒的尺寸及其尺寸分布对颗粒的生物降解/药物释放速度，体内的分布及清除，细胞毒性及疗效等都有重要的影响，因而在其最终的应用上起着至关重要的作用。与尺寸分布较宽的聚合物纳米粒相比，单分散纳米粒子能获得更好的细胞相容性，更高的药物包覆效率及更易控制的药物释放速度。结果表明，单分散纳米粒子可通过调控粒径来控制药物释放速度，同时通过调控载药量使药物释放效率提高、有效作用时间增长，从而减少给药频率。因而，通过对聚合物纳米粒子的尺寸、载药量等进行设计从而可达到被动靶向、缓释等目的。因此，如何简单有效地制备出尺寸可调的单分散生物可降解聚合物纳米颗粒成为当前该领域人们关注的焦点之一。

Lippard等人2008年在Proceedings of the National Academy of Sciences中报道了运用纳米闪沉法包覆经己酸酐改性的顺铂药物的方法。纳米闪沉法是制备聚合物纳米颗粒的最简单、有效的方法之一。这种方法是将聚合物溶解在能与水共混的有机溶剂中，再往其中加入大量的水，使聚合物沉淀出来，即可形成纳米颗粒。该方法简单快捷、产率高，且产物不需要后处理。微流控技术是指在微观尺寸下通过微流控芯片控制、操作和检测复杂流体的技术。在该芯片上可以完成一系列实验，因为功能强大， 具有高效、低样品和溶剂消耗量、可控性高等优点，微流控芯片又被称为“芯片实验室”。例如，利用微流控技术，控制流体的流速即可操控两相甚至多相流体的混合过程，是一种非常实用的技术。Anderson等人2009年在Small杂志上报道了运用微流控乳液液滴技术制备包覆药物的微米尺寸的聚合物微粒。微流控液滴技术是制备单分散聚合物微球的一种有效方法。制备过程中一般将聚合物溶于与水不相溶的溶剂(如氯仿、二氯甲烷等)，之后使之与水混合后通过微流控芯片，从而得到尺寸均匀的乳液液滴；挥发液滴中的溶剂后得到尺寸为微米级的聚合物微球。

纳米闪沉法由于有机相和水相混合速度快，且难以实现两种流体的均匀混合，因而难以制备出单分散的纳米颗粒，这大大限制了该技术在生物医药等领域中的实际应用。虽然微流控液滴法通过控制流体的流速，可以制备出单分散、尺寸可调的乳液液滴，然而这种乳液液滴技术由于技术原因目前局限于制备微米尺度的颗粒，尚不能满足纳米药物载体的尺寸要求。同时，乳液液滴制备过程中通常需要加入表面活性剂以防止液滴的融合，从而稳定液滴，而这些表面活性剂在后处理纯化过程中往往难以完全除去。研究结果表明，残余的少量表面活性剂会直接影响聚合物粒子的细胞摄入及药物释放，并具有一定的细胞毒性，从而影响其作为药物载体的传输及治疗效果，这样就限制了该方法在生物医学等领域中的应用。该技术一般采用反向流的方法制备聚合物颗粒，目前还难以直接与纳米闪沉技术相结合来制备单分散的聚合物纳米粒子。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种微流控芯片及其在单分散纳米颗粒制备中的应用，其目的在于通过嵌套的管道设计，使得有机相其可各向均匀的形成尺度规则的纳米颗粒，从而制备高质量的单分散纳米颗粒，由此解决了目前难以制备单分散的聚合物纳米粒子的技 术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种微流控芯片，包括内管、外管和外管进样头；所述内管与外管共中心轴套接；所述内管一端为尖端出样口，深入外管内部，内管另一端为进样口，伸出外管外部；所述外管进样头嵌合在外管管壁上。

优选地，所述微流控芯片，其所述内管为圆形毛细管，其尖端出样口呈锥形，口径在20μm至200μm之间。

优选地，所述微流控芯片，其所述外管为方形毛细管，外管内径和内管外径之比在50:1至5:1之间。

优选地，所述微流控芯片，其所述外管内径和内管外径之比在100:2至100:7之间。

按照本发明的另一方面，提供了一种微流控芯片应用于制备单分散聚合物纳米颗粒。

优选地，所述微流控芯片应用于制备单分散聚合物纳米颗粒，其所述内管加载含有聚合物的有机相，内管与外管之间通过外管进样头加载水相，所述有机相与水相互溶。

优选地，所述微流控芯片应用于制备单分散聚合物纳米颗粒，其所述有机相与水相的流速比在1:10到2:5之间。

优选地，所述微流控芯片应用于制备单分散聚合物纳米颗粒，其所述有机相聚合物浓度在0.05mg/ml至1.00mg/ml之间。

优选地，所述微流控芯片应用于制备单分散聚合物纳米颗粒，其所述微流控芯片内管口径在20μm至200μm之间。

优选地，所述微流控芯片应用于制备单分散聚合物纳米颗粒，其所述微流控芯片内管口径在30μm至200μm之间。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的微流控芯片，与现有技术相比，简化一个进样头，削减生产成本约1/3，同时压缩了芯片加工时间。

(2)由于简化了一个进样头，在进样头与基板的封装出泄露的风险大大降低，大幅延长了芯片使用寿命。

(3)本发明提供的微流控芯片，应用于制备单分散纳米颗粒，可各向均匀的形成纳米颗粒，保证纳米颗粒的尺度均匀性，从而制备高质量的单分散纳米颗粒；后处理简单，几乎无需另外纯化。

(4)所述微流控芯片能应用于连续化的单分散纳米颗粒制备，适用于绝大多数的聚合物材料，包括生物可降解的聚合物，如消旋聚乳酸PDLLA、聚乳酸-羟基乙酸PLGA、聚乳酸-聚氧化乙烯PLA-PEO等。

(5)所述微流控芯片，应用于制备单分散纳米颗粒时，可通过控制有机相和水相的流速比，方便的调节纳米颗粒的粒径。

附图说明

图1是本发明提供的微流控芯片结构示意图；

图2是微流控芯片制备尺寸均一、单分散生物可降解聚合物纳米颗粒过程示意图；

图3是微流控芯片中内部毛细管尖端有机相/水相交界处混合现象的光学显微镜照片；

图4a：0.1mg/mL PDLLA的THF溶液，以有机相流速为200μL/h，水相流速为2000μL/h的条件下制备出的聚合物纳米纳米颗粒(粒径为175±9nm)的扫描电镜(SEM)图片；

图4b：0.1mg/mL PDLLA的THF溶液，以有机相流速为200μL/h，水相流速为500μL/h的条件下制备出纳米颗粒(粒径为294±15nm)的扫描电镜(SEM)图片；

图4c：0.1mg/mL PDLLA的THF溶液，以有机相流速为400μL/h，水相流速为1000μL/h的条件下制备出纳米颗粒(粒径为308±17nm)的扫 描电镜(SEM)图片；

图4d：0.5mg/mL PLA-PEG的THF溶液，以有机相流速为200μL/h，水相流速为1000μL/h的条件下制备出聚合物纳米颗粒(粒径为395±52nm)的扫描电镜(SEM)图片；

图4e：1.0mg/mL PLA-PEG的DMF溶液，以有机相流速为400μL/h，水相流速为1000μL/h的条件下制备出纳米颗粒(粒径为450±83nm)的扫描电镜(SEM)图片；

图5a：0.05mg/mL PLGA和0.05mg/mL抗肿瘤药物Pt(IV)的混合THF溶液，以有机相流速为400μL/h，水相流速为1000μL/h的条件下制备出PLGA包覆Pt(IV)的纳米颗粒(粒径为169±25nm)的扫描电镜(SEM)图片；

图5b：0.1mg/mL PLA-PEG和0.1mg/mL Pt(IV)的混合THF溶液，以有机相流速为400μL/h，水相流速为1000μL/h的条件下制备出PLA-PEG包覆Pt(IV)的纳米颗粒(粒径为135±19nm)的扫描电镜(SEM)图片；

图5c：0.1mg/mL PDLLA和抗肿瘤药物0.1mg/mL Pt(IV)的混合DMF溶液，以有机相流速为400μL/h，水相流速为1000μL/h的条件下制备出PLA包覆Pt(IV)的纳米颗粒(粒径为90±16nm)的扫描电镜(SEM)图片。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为内管，2为外管，3为外管进样头，4为内管的尖端出样口，5为内管的进样口。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供的微流控芯片，如图1所示，包括内管1、外管2和外管进样头3；所述内管1与外管2共中心轴套接；所述内管1一端为尖端出样口4，深入外管2内部，内管1另一端为进样口5，伸出外管2外部；所述外管进样头3嵌合在外管2管壁上。

所述内管1为圆形毛细管，其尖端出样口4呈锥形，口径在20μm至200μm之间，优选30μm至70μm之间。

所述外管2优选为方形毛细管，外管2内径和内管1外径之比在100:2至100:7之间。

本发明提供的微流控芯片应用于制备单分散聚合物纳米颗粒，其具体步骤如下：

在所述内管1加载含有聚合物的有机相，内管1与外管2之间通过外管进样头3加载水相，所述有机相与水相互溶。所述有机相与水相的流速比在1:10到2:5之间。

所述有机相聚合物浓度在0.05mg/ml至1.00mg/ml之间；所述微流控芯片内管1口径在20μm至200μm之间，优选在30μm至70μm之间。

微流控芯片制备单分散可降解聚合物纳米颗粒实验过程如图2所示：聚合物溶液和去离子水通过微蠕动泵恒速注入微流控芯片内部，二者在芯片中圆形毛细管尖端相遇，快速混合，如图3所示；在此过程中聚合物链段在混合液中的溶解性下降，从而快速成核、聚合，形成尺寸均一的纳米粒，将混合液收集到小实验瓶中，挥发有机溶剂后即得到纳米粒分散液。

实施例1

一种微流控芯片，包括内管1、外管2和外管进样头3；所述内管1与外管2共中心轴套接；所述内管1一端为尖端出样口4，深入外管2内部，内管1另一端为进样口5，伸出外管2外部；所述外管进样头3嵌合在外管2管壁上。

所述内管1为圆形毛细管，其尖端出样口4呈锥形，口径为30μm。

所述外管2优选为方形毛细管，外管2内径和内管1外径之比为100:3。

本发明提供的微流控芯片应用于制备单分散聚合物纳米颗粒，其具体步骤如下：

在所述内管1加载PDLLA的THF溶液，内管1与外管2之间通过外管进样头3加载去离子水，THF与去离子水是互溶的。所述有机相与水相的流速比为1:10。

THF中PDLLA浓度为0.1mg/ml；所述微流控芯片内管1口径为30μm。

最终制备的单分散可降解聚合物纳米颗粒结果如图4a所示。

实施例2

一种微流控芯片，包括内管1、外管2和外管进样头3；所述内管1与外管2共中心轴套接；所述内管1一端为尖端出样口4，深入外管2内部，内管1另一端为进样口5，伸出外管2外部；所述外管进样头3嵌合在外管2管壁上。

所述内管1为圆形毛细管，其尖端出样口4呈锥形，口径为50μm。

所述外管2优选为方形毛细管，外管2内径和内管1外径之比为100:5。

本发明提供的微流控芯片应用于制备单分散聚合物纳米颗粒，其具体步骤如下：

在所述内管1加载THF，内管1与外管2之间通过外管进样头3加载去离子水，THF与去离子水是互溶的。所述有机相与水相的流速比为2:5。

THF中PDLLA浓度为0.1mg/ml；所述微流控芯片内管1口径为50μm。

最终制备的单分散可降解聚合物纳米颗粒结果如图4b所示。上述结果表明，减小水相流速能明显增大聚合物纳米颗粒的粒径。

实施例3

一种微流控芯片，包括内管1、外管2和外管进样头3；所述内管1与外管2共中心轴套接；所述内管1一端为尖端出样口4，深入外管2内部，内管1另一端为进样口5，伸出外管2外部；所述外管进样头3嵌合在外管 2管壁上。

所述内管1为圆形毛细管，其尖端出样口4呈锥形，口径为70μm。

所述外管2优选为方形毛细管，外管2内径和内管1外径之比为100:7。

本发明提供的微流控芯片应用于制备单分散聚合物纳米颗粒，其具体步骤如下：

在所述内管1加载THF，内管1与外管2之间通过外管进样头3加载去离子水，THF与去离子水是互溶的。所述有机相与水相的流速比为2:5。

THF中PDLLA浓度为0.1mg/ml；所述微流控芯片内管1口径为70μm。

最终制备的单分散可降解聚合物纳米颗粒结果如图4c所示。上述结果表明，增大有机相流速能明显增大聚合物纳米颗粒的粒径。

实施例4

一种微流控芯片，包括内管1、外管2和外管进样头3；所述内管1与外管2共中心轴套接；所述内管1一端为尖端出样口4，深入外管2内部，内管1另一端为进样口5，伸出外管2外部；所述外管进样头3嵌合在外管2管壁上。

所述内管1为圆形毛细管，其尖端出样口4呈锥形，口径为20μm。

所述外管2优选为方形毛细管，外管2内径和内管1外径之比为50:1。

本发明提供的微流控芯片应用于制备单分散聚合物纳米颗粒，其具体步骤如下：

在所述内管1加载THF，内管1与外管2之间通过外管进样头3加载去离子水，THF与去离子水是互溶的。所述有机相与水相的流速比为1:5。

THF中PLA-PEG浓度为0.5mg/ml；所述微流控芯片内管1口径为20μm。

最终制备的单分散可降解聚合物纳米颗粒结果如图4d所示。

实施例5

一种微流控芯片，包括内管1、外管2和外管进样头3；所述内管1与外管2共中心轴套接；所述内管1一端为尖端出样口4，深入外管2内部， 内管1另一端为进样口5，伸出外管2外部；所述外管进样头3嵌合在外管2管壁上。

所述内管1为圆形毛细管，其尖端出样口4呈锥形，口径为200μm。

所述外管2优选为方形毛细管，外管2内径和内管1外径之比为50:1。

本发明提供的微流控芯片应用于制备单分散聚合物纳米颗粒，其具体步骤如下：

在所述内管1加载DMF，内管1与外管2之间通过外管进样头3加载去离子水，DMF与去离子水是互溶的。所述有机相与水相的流速比为2:5。

DMF中PLA-PEG浓度为1.00mg/ml；所述微流控芯片内管1口径为200μm。

最终制备的单分散可降解聚合物纳米颗粒结果如图4e所示。上述结果表明，增大有机相浓度能明显增大聚合物纳米颗粒的粒径。

实施例6

一种微流控芯片，包括内管1、外管2和外管进样头3；所述内管1与外管2共中心轴套接；所述内管1一端为尖端出样口4，深入外管2内部，内管1另一端为进样口5，伸出外管2外部；所述外管进样头3嵌合在外管2管壁上。

所述内管1为圆形毛细管，其尖端出样口4呈锥形，口径为50μm。

所述外管2优选为方形毛细管，外管2内径和内管1外径之比为20:1。

本发明提供的微流控芯片应用于制备单分散聚合物纳米颗粒，其具体步骤如下：

在所述内管1加载THF，内管1与外管2之间通过外管进样头3加载去离子水，THF与去离子水是互溶的。所述有机相与水相的流速比为2:5。

THF中PLGA和Pt(IV)浓度为0.05mg/ml；所述微流控芯片内管1口径为50μm。

最终制备的单分散包覆药物的可降解聚合物纳米颗粒结果如图5a所 示。

实施例7

一种微流控芯片，包括内管1、外管2和外管进样头3；所述内管1与外管2共中心轴套接；所述内管1一端为尖端出样口4，深入外管2内部，内管1另一端为进样口5，伸出外管2外部；所述外管进样头3嵌合在外管2管壁上。

所述内管1为圆形毛细管，其尖端出样口4呈锥形，口径为50μm。

所述外管2优选为方形毛细管，外管2内径和内管1外径之比为20:1。

本发明提供的微流控芯片应用于制备单分散聚合物纳米颗粒，其具体步骤如下：

在所述内管1加载THF，内管1与外管2之间通过外管进样头3加载去离子水，THF与去离子水是互溶的。所述有机相与水相的流速比为2:5。

THF中PLA-PEG和Pt(IV)浓度为0.1mg/ml；所述微流控芯片内管1口径为50μm。

最终制备的单分散包覆药物的可降解聚合物纳米颗粒结果如图5b所示。

实施例8

一种微流控芯片，包括内管1、外管2和外管进样头3；所述内管1与外管2共中心轴套接；所述内管1一端为尖端出样口4，深入外管2内部，内管1另一端为进样口5，伸出外管2外部；所述外管进样头3嵌合在外管2管壁上。

所述内管1为圆形毛细管，其尖端出样口4呈锥形，口径为50μm。

所述外管2优选为方形毛细管，外管2内径和内管1外径之比为20:1。

本发明提供的微流控芯片应用于制备单分散聚合物纳米颗粒，其具体步骤如下：

在所述内管1加载THF，内管1与外管2之间通过外管进样头3加载去 离子水，YHF与去离子水是互溶的。所述有机相与水相的流速比为2:5。

THF中PDLLA和Pt(IV)浓度为0.1mg/ml；所述微流控芯片内管1口径为50μm。

最终制备的单分散包覆药物的可降解聚合物纳米颗粒结果如图5c所示。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。