MicroFab | 通过乳液的喷墨打印原位合成聚合物微胶囊

华中科技大学邓仁华老师在杜伦大学Colin Bain教授课题组进行了关于通过乳液的喷墨打印原位合成聚合物微胶囊的研究。该研究通过将喷墨打印和乳液-溶剂蒸发相结合的方法在目标位置原位形成均匀的聚合物微胶囊，避免了运输和储存过程中材料的损失。

介绍

杜伦大学Colin Bain教授课题组在“In-Situ Fabrication of Polymeric Microcapsules by Ink-Jet Printing of Emulsions”的研究中，通过将喷墨打印技术和乳液-溶剂蒸发相结合的方法实现在一个表面原位形成聚合物微胶囊。在喷墨打印技术中，材料颗粒大于μm级的悬浊液非常容易产生喷头堵塞的问题，华中科技大学的邓仁华老师通过制备聚合物微胶囊的方式，解决了这一问题，实现了将大颗粒的材料顺利打印的工作。

目前，制作聚合物微胶囊的方法包括：凝聚的聚合物或聚合乳液液滴的界面、吸收聚合物或表面聚合固体模板（粒子）、双乳状液的蒸发和内心在乳液液滴相分离等，每种方法都有其局限性，而通过与喷墨打印结合，可以实现均匀的双乳状溶液，将材料预先溶解在易挥发的溶剂中，通过改变微滴初始尺寸和聚合物浓度等方法可以控制包封效率、微胶囊的尺寸和壳层厚度，并且在定向位置原位形成微胶囊，由此避免了运输和储存期间材料的损失。

乳液溶剂蒸发驱动相分离可用于制备聚合物微胶囊。油墨是一种水包油乳液，其分散相中含有形成壳的聚合物、形成核的流体，这是一种对聚合物来说较差的溶剂，也是一种低沸点的好溶剂。乳液打印到基材上后，好的溶剂通过水相扩散蒸发，聚合物与差的溶剂相分离形成微胶囊。连续的水相含有聚乙烯醇，它作为乳化剂和胶囊与基质的粘合剂。均匀的微胶囊是通过打印含有单分散油滴的乳剂在微流控装置中产生的。本文讨论了在喷墨打印中成功制备微胶囊需要控制的物理参数。这种快速原位包封的方法可用于控制释放的应用，如农用化学品喷雾剂、芳香剂、功能涂层和外用药物。

聚合物微胶囊作为一种容器/载体可用于自愈合涂层，传感器，相变材料，药物和农药的控释，压力敏感开关，显示器或智能窗口，光学材料，酶固定化，和芳香剂。微胶囊可以保护活性物质免受环境危害（如潮湿、氧化），从而延长保质期。微胶囊允许药物以可控的方式释放，这可以提高它们的疗效，降低成本和副作用。此外，封装可以安全处理有毒化学物质(如杀虫剂)，并允许液滴作为固体处理或嵌入固体基质中。目前，制作聚合物微胶囊的方法包括凝聚的聚合物或聚合乳液液滴的界面、吸收聚合物或表面聚合固体模板（粒子）、双乳状液的蒸发和内心在乳液液滴相分离。每种方法都有其局限性，不同的方法针对不同的应用进行优化。

该研究通过将喷墨打印（MicroFab微液滴发生系统，MJ-ABP-01，喷头口径：50μm）和乳液-溶剂蒸发相结合的方法在目标位置原位形成聚合微胶囊，避免了运输和储存过程中货物的损失，其机理如下图所示。其中，能够产生微胶囊而不是固体颗粒关键在于喷墨时短时间尺度内水滴的蒸发。 
 

▲ 简单的实验过程：首先使用含有聚合物和DCM溶液作为油相，0.3wt% 的PVA水溶液作为水相，通过微控流法形成均匀的乳液。然后将乳液转移到MJ-ABP-01喷墨打印喷头，施加30~40V的电压在22*22mm的玻璃盖片上快速封装，形成聚合物微胶囊。

▲ 上图为与戊康唑质量比为1:1的PMMA或PLLA颗粒。在交叉极化下没有观察到戊康唑晶体，这表明活性成分仍然溶解在聚合物基质中。说明利用喷墨打印形成的微胶囊封装效率很高。 

资料来源：

[1] Suntivich Rattanon, Drachuk Irina, Calabrese Rossella, et al. Inkjet Printing of Silk Nest Arrays for Cell Hosting[J]. Biomacromolecules. 2014,15,(4):1428-1435.