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微胶囊技术简介与实例
目录
微胶囊技术简介与实例................................................................................................ 1
微胶囊技术概述..................................................................................................... 1 微胶囊及微胶囊技术概述..................................................................................... 1 常规微胶囊的制备方法......................................................................................... 2 三类特殊结构微胶囊简介..................................................................................... 4 人工器官微胶囊..................................................................................................... 5 微胶囊在纺织品和医药中的应用......................................................................... 7
微胶囊技术概述
本章旨在对微胶囊的基本概念进行介绍。对其微胶囊的各种制备原理及做一个涵盖面较全、概括性强的简介。最后，对三种结构特殊的微胶囊（人工器官微胶囊、脂质体胶囊、纳米粒）进行简介。
微胶囊及微胶囊技术概述
微胶囊是利用天然或合成的高分子材料对固体、液体或气体进行包封的、粒径为5~1000um的中空微囊（特别的，纳米微胶囊的平均粒径为200~300nm）。微胶囊一般由一层薄膜和囊芯物质组成。组成薄膜的材料称为囊材，组成囊芯的材料称为芯材。囊材可以是天然物（如蜂蜡、氢化植物油衍生物、壳聚糖、乳清蛋白、纤维素等），也可以是合成物（如聚酯、聚氨酯、聚赖氨酸、聚乙二醇等）。芯材的种类更加多样，按物质的状态分类，可以是液体、固体、气体，甚至可以是固、液混合物。理论上可以将需要被包覆和保护的各种微小物质封存在囊壳内部（如精油、芳香剂、抗菌药物、金属粒子、酶、活细胞等等）。
将芯材包封在囊材的过程，即制备微胶囊的过程称为微囊化。微囊化技术的主要特点是：改变活性物质的理化性质（相态、溶解度等）；保护物质免受环境条件的影响；屏蔽味道、颜色和气味；降低物质的毒性；控制释放活性物质等。经微胶囊化的芯材局域靶向性和控释性，可以根据需要在恰当的时间和恰当的位置以一定的速率对芯材进行释放。如：经过微胶囊化的抗凝血药物，可生物降解的载药纳米粒借助导管给药系统，可将其输送到局部血管，并缓慢释放所携带的药物，可望有效防治血管再狭窄。
由于微胶囊技术的特点，带来了许多好处。比如说，可以极大程度地保留了具有生物活性功能的物质；使液体转变为固体，便于加工；提高药物的生物利用率，减少药物用量，降低毒副作用等等。
常规微胶囊的制备方法
现有的微胶囊制备方式分为三大类，即物理法、化学法、物理化学法。本段将用简单的文字将各种制备方法的原理及特点进行概述。 1.1 物理法
主要借助流化技术，使芯材与囊材的混合液同时分散成雾滴并迅速蒸发或者冻结成微囊，或将芯材单独分散、悬浮，用囊材包被而成。物理法制备的微胶囊有缺陷，表面存在少量芯材。具体可分为：
(1) 喷雾干燥法
将芯材物（一般为油脂类）在囊材（一般是亲水性）溶液中乳化，在惰性热气流中喷雾，溶剂迅速蒸发，囊材收缩成膜并包裹芯材物。所得微囊直径为10~300um，近似球形，芯材有效载量为20%~40%。成品质地疏松，为自由流动的干燥粉末。
(2) 喷雾冷却（冷凝）法
将芯材物（多为固体粉末、细小且形状规则近球形）分散于熔融的囊材（一般为不溶于水的油脂类）中，然后将此混合物在冷气流中喷雾凝固而成微囊。凡在室温下为固体，高温下熔融的囊材，均可采用本方法。
(3) 空气悬浮法
芯材（固体）物料在向上的热风作用下保持悬浮，热风的压力形成了气垫，使得芯材物料始终在气垫上沸腾翻滚，与热风进行充分接触。在包囊室内，囊材溶液被喷洒在循环流动的芯材微粒上，芯材颗粒变重下降，当下降到接近筛板的出风口时，由于下层热风的温度比上层高，因而颗粒水分蒸发加快，颗粒干燥变轻，所以在风力作用下又重新上升。与囊材雾滴接触，然后又变重、下降、干燥，这样循环往复，直至芯材颗粒表面完全被囊材包裹，形成一层完整的“壳”，达到包埋的效果。一般产品的粒径在40um左右。
由于可变因素更多，空气悬浮法的操作也比喷雾干燥法复杂得多。特别是传统的空气悬浮法。操作时要根据芯材的相对密度、颗粒大小及强度选择风压，还要根据囊材料液的喷雾速率、料液浓度等因素选择风压。以保证物料悬浮并能在干燥过程中上下浮动。囊材溶液的浓度不能过大，但要能保证形成一定厚度的膜；选择喷雾速率时，既要控制粒子不至于因为囊材溶液一次涂布太多而下沉，以致沾在筛板上，又要控制颗粒之间不能粘连。 1.2 化学法
化学反应法制备微胶囊的工艺，主要是利用单体发生聚合反应，形成高分子壁材将芯材包裹。根据原料和聚合方式的不同，可以把化学法分为界面聚合法、界面配位法、原位聚合法和锐孔—凝固浴法。
(1) 界面聚合法
界面聚合法，系在分散相（水相）与连续相（有机相）的界面上发生单体的缩聚反应。在界面聚合法制备微胶囊的工艺中，参加聚合反应的单体有两种，一种是水溶性的，另一种是油溶性的。溶解性能不同的两种单体分别位于芯材液滴的内部和外部，并在芯材液滴的表面上反应形成聚合物薄膜。对反应单体的纯度要求不高，但单体必须具有较高的活性，能够进行缩聚反应。界面聚合根据反映原理又可以分为界面加成聚合和界面缩合聚合。有实例记载天门酰胺酶微胶囊的制备，所得的微胶囊的平均粒径为20um。
(2) 原位聚合法
原位聚合法是一种和界面聚合法密切相关的微胶囊化技术。在原位聚合法制备微胶囊的过程中，并不是把聚合反应单体分别加到芯材液滴和悬浮介质中，而是把反应性单体(或其可溶性预聚体)与催化剂全部加入分散介质(或连续相)中，芯材物质为分散相。实现原位聚合法的必要条件是：单体是可溶的，而聚合物是不可溶的，所以聚合反应在分散相芯材上发生。
反应开始，单体先发生预聚，然后预聚体聚合，当预聚体聚合尺寸逐步增大后，沉积在芯材物质的表面。由于交联及聚合的不断进行，最终形成芯材物质的微胶囊外壳。与界面聚合法相比，可用于该法的单体范围很广。均聚物、共聚物、接枝共聚物和嵌段共聚物均可用来组成囊壁。
(3) 锐孔—凝固浴法
锐孔—凝固浴法是将化学法和物理机械法相结合的一种微胶囊方法。以可溶性聚合物为壁材，将聚合物配成溶液，以此溶液包裹芯材并呈球状液滴进入凝固浴中，使聚合物沉淀或交联固化成为壁膜制得微胶囊。锐孔—凝固浴法主要应用于非水溶性的固体粉末以及疏水性液体的微胶囊化，如药物、维生素等。 1.3 物理化学法
本法在液相中成囊，即在芯材（如细胞）和囊材（如海藻酸钠）的混合物中，加入另一种物质或采用其他适当的方法使囊材溶解度降低而凝聚在芯材物质的周围，形成一个新相。根据形成新相的方法不同。可分为相分离法、粉末床法及干燥浴法（复乳包裹法）。
(1) 相分离法（凝聚法）
相分离法是在芯材与囊材的混合溶液中，加入非溶剂或不良溶剂、凝聚剂、凝聚诱导剂，或通过改变温度或pH使聚合物的溶解度降低，从溶液中凝聚出来，沉积在被包裹的芯材表面形成微胶囊的方法。根据分散介质以及芯材在水中溶解性的不同，可以将相分离法分为水相分离法和油相分离法。对水不溶性（或水溶性较差）固体或液体进行微胶囊化的相分离方法称为水相分离法。对水溶性固体或液体进行微胶囊化的相分离方法称为油相分离法。
(2) 干燥浴法（复乳包裹法）
干燥浴法是通过将芯材分散到壁材的溶液中，再除去连续相的溶剂而实现微胶囊的。一般来说，制备水溶性芯材的微胶囊是比较困难的。界面聚合反应能用于水溶性芯材的微胶囊化，但是必须对单体先进行改性才能进行微胶囊化。通过油相相分离方法可制备油包水型乳状液的水溶性芯材的微胶囊，工艺上尚存在许多问题，难以获得干燥的粉末产品。采取千燥浴法制备微胶囊则具有上述方法所没有的优点。此方法可以制备得到粒径大小为75~180um的成品。
(3) 粉末床法
粉末床法的基本要点是，球状液滴的外层沾有被弄湿的粉末，从而使清晰且固定的相分离持久存在。在实际的微胶囊化操作中，由于液滴是从粉末层的上方落下来的，故将此法命名为“粉末床法”。采用该方法制得的微胶囊为毫米级的较大颗粒。经常使用的是粉末型无机化合物。由这种粉末床法形成的微胶囊具有凹凸不平的表面。相分离法或界面聚合法所制备的发黏或潮湿的微胶囊，经过粉末床法可改善干燥效果。
(4) 熔化分散冷凝法
该法是利用蜡作为壁材制备微胶囊。当蜡受热时，会软化并熔化变成液态，可将芯材分散在液态蜡中，形成分散体系。当体系冷却时，蜡就围绕着芯材形成固态壁膜，形成了微胶囊。该方法制备的微胶囊直径是毫米级别的，大小在3~5mm左右。
(5) 囊芯交换法
对于水溶性、高极性和低沸点的芯材来说，其微胶囊化是非常困难的。囊芯交换法就是先通过凝聚法用明胶和阿拉伯胶将易包覆的非极性溶剂进行微胶囊化，然后在囊壁尚保持高渗透性的情况下，用极性溶剂逐步地置换囊中的非极性溶剂。在交换过程中，采用了中等极性的溶剂。在交换完成之后，明胶—阿拉伯胶囊壁变成非渗透性。
综上所述，各种制备微胶囊的方法均有自己突出的优势和不足，在具体使用过程中需要根据材料的性质和实验室现有的条件进行制备方法的选择，但是，这是建立在对这种制备方法的原理、优劣性能充分了解的基础上的。
三类特殊结构微胶囊简介
对于一些具有特殊结构或特殊性能微胶囊，则需要结合其性质，采取更加特殊的制备方式，常见的有：
(1) 人工器官微胶囊
以微胶囊作为免疫隔离装置，采用微囊化技术对异体活性组织或细胞进行包封，制备微囊化人工器官。由于芯材是具有生命的活性物质，故在制备过程中从囊材原料的选择，到成型工艺的选择以及加工过程中个参数（如温度、PH）的控制，乃至最后成品的封装及运输均有相对比较严格的要求。此部分会在后续章节中单独讨论。
(2) 脂质体胶囊
双亲性脂质由于其一端亲水，一端亲油的特殊结构，分散在水中自然形成闭合多层囊泡，每层均为磷脂的双分子层，囊泡中央和隔层之间被水相隔开。利用这一性质，可以人工制备自组装胶状微粒，形成大小从20nm到几十微米的球形、椭球形的囊泡。由于其囊材的特殊性，也决定了其制备方法的不同。
脂质体的形成机理在于：将脂质分散于水溶液中，一旦其浓度达到临界胶团浓度就会发生聚集。聚集态结构随脂质分子浓度的增加而改变，从胶团到囊泡以及最后在高浓度下可以转变为反相胶团。当达到平衡态时，体系中的脂质单分子和聚集形式的脂质分子之间处于一种动态平衡。这是它们能够以物理聚集的方式而非化学相互作用自组装形成双分子层结构的基础。其常用的制备方法有：
a) 薄膜法：
即将脂质及脂溶性药物混合溶于适量的三氯甲烷或其他有机溶剂中，然后通入氮气或减压旋转去除有机溶剂，使脂质在器壁形成薄膜，加入含有水溶性药物的缓冲液，室温下放置3min使脂质水化，在高于相变温度（Tm）的条件下振摇分散脂质，类脂膜碎片吸水膨胀，弯曲封闭则可形成多层脂质体(MLV)，其粒径范围约1~5um。
b) 逆向蒸发法：
本法是基于超声处理过程中“反相胶团”的形成，使溶有芯材的小液滴分散在有机溶剂中。而磷脂单分子层定向在界面上起稳定作用。有机溶剂的慢慢去除则使得这些反相胶团转变成凝胶态。这一步骤中的关键点就是凝胶态的坍塌以及部分反相胶团的崩溃。多余的磷脂转而促进在残余的胶团周围形成双层，即形成囊泡。其大小在200~1000nm之间，平均粒径为460nm。
还有其他的制备方式如复乳法、注入法、超临界流体法，这些方法中有的不适合用于药物的载体，有的设备复杂，实验室条件无法达到。故在此不作详细介绍。
由于脂质体独特的分子结构和理化性质，使得脂质体具有以下特性：
a) 靶向性 能选择性的分布于人体内某些组织和器官 b) 药物在组织中分布的可控性
c) 与细胞的亲和性 因为其结构与细胞膜相似
d) 缓释性 药物包在脂质体内，在组织中的扩散速率降低，在血液中减慢释放 e) 长效性 避免药物氧化、降解，或不被人体内的酸或酶破坏 f) 无毒性
g) 给药途径多样性 可实现静脉给药、皮肤给药、口服给药等广泛的给药途径 由于脂质体微胶囊的特殊性质，也需要特殊的灭菌和贮存方式。最常用的是滤过杀菌，