微胶囊技术

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、P H）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（T m）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，
贮藏过程也需要在4℃冷藏保存。

(3)纳米粒
粒径小于1um的颗粒称为纳米粒。

它能提高药物的效率，增强药物的控释性、靶向性和药物的稳定性，提高药物的生物利用度。

而且可以减小药物的毒性，促进营养物的吸收。

根据制备方法不同，可以制备成两种纳米粒，一种是纳米球，另一种是纳米胶囊。

二者的根本区别在于纳米胶囊是一个囊泡体系，药物或功能性成分作为囊芯被包埋在囊壁内，囊壁的材料为生物可降解或生物不可降解的聚合物。

而纳米球则是一种混合体系，药物或营养物（也称功能性成分）分散在整个颗粒中。

纳米球的制备方法有：
a)单体聚合法制备纳米球可分为乳液聚合法和界面聚合法，其原理与方法化学
法中界面聚合法制备微胶囊相似，在此不做赘述。

制备而得的纳米球粒径大小
为(180±20)nm
b)大分子分散法制备纳米球可分为乳化法和脱溶剂法。

原理分别与物理化学法
中的相分离法和干燥浴法对应，在此不做赘述。

纳米球存在两大缺点，由于天然大分子的结构和成分不均一，使药物在体内的释放缺乏规律性；其次是性能不稳定，不能长期保存。

纳米微胶囊的制备方法有：
a)单体聚合制备
b)界面沉积法制备
其原理分别对应化学法中的界面聚合法和原位聚合法在此不做赘述。

纳米胶囊的释放动力学表明，纳米胶囊释放的时间常数优于具有相同粒径的纳米球，这与纳米胶囊的囊泡结构有关。

人工器官微胶囊
微胶囊作为细胞移植的免疫隔离工具是解决细胞移植免疫排斥问题的最理想方法。

国内也已经有一些科研单位、高校、临床医院对微胶囊细胞移植进行研发。

微胶囊化的人工器官是涉及材料化学、生物技术、临床医学等交叉学科领域的研究。

作为一种极有前途的载体，利用微胶囊包裹具有特定功能的组织或细胞，实现无需免疫抑制剂条件下进行同种异体或异种移植。

这主要是利用了通过微胶囊技术制备出选择性渗透膜，屏蔽囊内物质与外界环境的直接接触。

但外界环境的营养物质、囊内细胞代谢产物及治疗性药物可以通过膜扩散。

这样的方式可以使得细胞在体内保持活性，分泌出能够治疗疾病的活性物质，又不被自身免疫系统（抗体或免疫活性细胞）而排斥的。

从而达到对疾病治疗的目的。

这种通过将移植物与宿主免疫系统隔离，即采用一个人造半透膜屏障将移植物与宿主免疫系统隔离的方式早有应用。

主要包括中空纤维、大包囊、灌流小室的方法。

但它们均存在体积及死腔过大等问题，限制了其使用。

微胶囊作为免疫隔离装置，则不存在这样的问题，所以才采用微囊化技术对活性组织或细胞进行封装，制备出微囊化的人工器官。

目前，细胞微胶囊化技术在生物医学领域主要出现在：
(1)微囊化胰岛替代胰岛素治疗
(2)微囊化肝细胞：为急性肝衰竭，提供足够的暂时性代谢支持，以使肝脏自发性再生；作为不可逆肝损伤，移植前的过渡治疗
(3)微囊化多巴胺分泌细胞治疗帕金森病
(4)微囊化基因工程细胞系
1细胞微胶囊的特殊制备方法
细胞微胶囊制备方法概述：
1.1聚电解质络合物
带相反电荷聚合物的反应是在活细胞周围形成物理性膜屏障的最简单的方法。

由于采用水溶性荷电聚合物，因此更利于制备和发展水包囊系统，这种系统对微囊化细胞具有良好的生物相容性。

(1)基于海藻酸钠（Alg）、聚赖氨酸（PLL）和壳聚糖（chitosan）
APA或ACA微胶囊制备工艺如下：
将细胞悬浮于1%~3%海藻酸钠溶液中，通过特制注射器和液滴发生器将细胞悬浮液滴入CaCl2中，交联5min，形成固化的海藻酸钙凝胶珠。

然后将其置于PLL或chitosan反应，在胶珠表面形成Alg-PLL或Alg-chitosan复合膜。

囊膜形成后，其表面存在净正电荷，移植过程中易引起宿主免疫细胞附着，引发炎症反应。

通常将胶囊悬浮在0.16%海藻酸钠溶液中，去除表面过剩正电荷，改善胶囊寿命和生物相容性。

最后，将微胶囊置于柠檬酸钠溶液中，对囊核海藻酸钙中的Ca2+进行置换，是囊核恢复液态。

(2)基于琼脂
琼脂具有温敏溶解特性，课用来包封哺乳动物细胞。

通过挤压或简单的水包油分散工艺，可将琼脂/细胞悬浮液转变为液态微胶囊珠，再通过降低温度使之硬化。

这种工艺能制备直径6~8mm的胶珠。

其缺点是微胶囊易形成细胞突起物，但可以通过再次涂层而消除。

(3)基于合成聚电解质
将荷电聚合物溶液的细胞悬浮液挤压成液滴。

并滴入带相反电荷聚合物的水溶液中完成微囊化过程。

此方法比(1)中微胶囊强度好，并能更好的控制微胶囊特性。

但同时也存在问题：如某些聚电解质有严重的细胞毒性；制备出胶囊不是球形等问题。

1.2界面相转化
首先将细胞悬液挤压形成液核，在用聚合物包围液滴以形成液壳，抽取聚合物溶剂使液壳固化。

这种方法可生成直径900um的均一微胶囊。

但由于才用了非水溶性聚合物，在微胶囊制备中存在有机溶剂对细胞毒性的问题。

1.3共形包衣
在小的细胞群或小组织块上直接形成屏障的方法。

这种方法通过囊膜包围周围细胞群而消除了微胶囊的死腔，因而有效改善了胶囊表面和细胞群之间的质量传递，并提高了细胞的包封率（质量传递的改善不仅对细胞粗活很重要，而且对细胞产生的治疗性药物的快速投递也很重要）。

所以它不适用于单细胞，却对具有较大尺寸的细胞簇很理想。

在微囊化装置中，除膜之外，微囊内部基质对细胞的存活与功能也具有重要作用。

天然环境中的细胞处在细胞外基质（ECM）中，它是由胞外蛋白和多糖分子组成的网络。

组成
ECM的三种主要纤维蛋白是胶原蛋白、弹性蛋白、纤连蛋白。

在细胞微胶囊化技术中，微囊基质研究，优化并重建三维组织环境，支持细胞活性和功能的表达，使得细胞在基质中保持良好的分散状态，刺激细胞分泌自身ECM，影响细胞系的增殖或维持处在不同分化表型中的细胞，从而影响她们的分泌功能。

所以，细胞微胶囊是一个较为复杂的结构。

它具有其它种类微胶囊不具有的活性特质，在设计、制备及应用过程中，应当考虑清楚这些特性所带来的问题。

微胶囊在纺织品和医药中的应用
1微胶囊在纺织品中的应用
微胶囊技术在纺织工业中应用广泛，主要利用的是微胶囊产品的3个性能：
(1)缓释性能。

芯材通过囊壁逐步渗透挥发，延长了作用时问；
(2)发泡性能。

采用低沸点溶剂作为芯材并以具有一定塑性的聚合物为壁材。

所制备的微胶囊处于一定温度下的时候，芯材溶剂汽化。

壁材被膨胀完成一个气泡，便可达到发泡的目的，这种性质主要用于发泡印花上；
(3)隔离性能。

一些具有光敏、热敏或生物性的材料作为芯材包埋后。

在需要释放的时候，利用光、热、压力及化学、生物作用等手段破坏壁材即可释放出芯材。

此外。

微胶囊化技术还可以将某些芯材结合到纺织材料上。

目前。

微胶囊技术在纺织品领域的应用已经取得了很大进展。

主要包括：
(1)在印花中的应用
比如在布料的一面完成斑点印花烘干之后，还可以在布的另一面再次进行这样的印花，即可获得双面多色斑点印花产品，这样每一面上都可以看到本面印制的斑点和从另一面透过来的印花斑点组成的多色多点图案，而两面的主色调又各不相同口在某些织物样品的同一花纹中，由于纤维的不同，可以对复合型微胶囊染料中的染料进行专一性选择上色，从而构成繁花似锦的独特效果，这也是不能靠常规印花方法来达到的。

染料微胶囊的壁膜材料一般是亲水性聚合物构成的。

最适合制作染料微胶囊的芯材是不溶于水的分散染料。

一般染料微胶囊的颗粒直径在1~1000m，根据用途不同而异。

织物印花所用微胶囊的直径一般都在10~30um，不宜过大，否则滚筒印花时强大的剪切力极易使微胶囊发生早期破裂。

(2)在染色中的应用
微胶囊染色是作为非水系染色的一种改进工艺。

非水系染色不以水为介质，既可以减少染色加工中的耗水量，也可以减少染色废水处理的负担，是染色工艺的发展方向。

使用染料微胶囊的非水系染色法是在气相染色法、磁力作用染色法及静电染色法的基础上改进并发展起来的。

(3)在织物整理中的应用
如芳香整理微胶囊、阻燃整理微胶囊、消毒整理微胶囊、驱蚊整理微胶囊、防紫外整理微胶囊，等等。

均利用了微胶囊缓释的效应，包裹相应功能的囊芯，以达到织物具备对应性能的效果，但对于织物功能的长久性还需要进一步提高。

(4)在纺丝中改性纤维的应用
尽管纺丝阶段的纤维改性往往作为织物整理的一部分，但纺丝阶段的纤维改性是后整理工艺无法实现的。

具体做法就是先制备出具有一定效果的微胶囊，加入纺丝原液中进行纺丝，得到改性纤维。

2微胶囊在医药中的应用。