一種製備微粒的方法及裝置與流程
2023-07-07 19:17:16
本發明屬於微納加工技術領域，尤其涉及一種製備微粒的方法及裝置。
背景技術：
微粒化製備技術除了在粉末燃燒、噴射乾燥、氣體霧化、噴射沉積、噴墨列印和快速成形生產等生產領域中有廣泛的應用，在基礎科學研究中有極其重要的意義，如流體力學、紊流機制，同時該技術在航空、冶金、電子封裝、化工、醫藥等行業也有著廣泛應用，特別是生物細胞培養領域，因為動物細胞貼壁生長的特性需要載體有表面光滑、尺寸均勻的特性。
聚二甲基矽氧烷具有良好的易加工性、生物兼容性、透光性、透氣性、熱穩定性和無毒等特性，不但用於加工常規的微流控晶片，也逐漸用作空間細胞培養晶片的結構材料。然而液態的聚二甲基矽氧烷低表面能材料很難在一般條件下自然聚集形成微粒，故對製備尺寸均勻、表面光滑的低表面能微粒提出需求。
均勻球形微粒製備方法主要包括切絲重熔法、膜乳化法和噴射法等。
切絲重熔法的原理如圖1所示首先將金屬錠進行拉絲、剪切等機械加工方式產生均勻的微質量元，然後把加工好的微質量元放入具有一定溫度梯度的成形設備，經過重熔和凝固過程，使微質量元形成標準球體。採用該方法製備微粒工藝可控性好，成本低設備簡單。但是有明顯的缺陷，工序繁多，生產效率低，精確度不高，而且，該方法只是針對金屬材料，不適用於聚二甲基矽氧烷這一類高分子材料。
膜乳化過程基本原理如圖2所示，多孔膜的兩側分別是分散相和連續相,以一定的壓力將分散相通過多孔膜壓入到連續相中形成液滴，液滴在多孔膜上成長至一定尺寸後脫離，如果多孔膜的孔間距過小，則會發生液滴之間合併的現象。所以，液滴的粒徑和粒徑分布不僅僅是由孔徑和孔徑分布所決定的,它還與液滴在膜上和溶液中的合併程度有關。分散相一般含有單體、疏水性物質、疏水性引發劑等,其擠出壓力一般是由氮氣或泵來產生的。連續相一般含有穩定劑、乳化劑、阻聚劑等。分散相保存在儲蓄罐中,在適當的壓力下,分散相會充滿管狀膜的外圍空間,待壓力到臨界值以後,分散相通過多孔膜進入管內的連續相中形成液滴。膜乳化法製備微粒所使用的整套設備較複雜，而且由於多孔膜的間距一般較小，液態的聚二甲基矽氧烷單體在擠出形成液滴的過程中容易匯聚在一起，較難得到尺寸小的微粒；在形成乳化液體的過程中，微粒未固化之前，兩兩液滴會互相聚集形成較大的液滴，這就造成難以控制微粒尺寸的問題；與固化劑混合均勻的液態聚二甲基矽氧烷在連續相中可以自然聚集成液滴，然而由於溫度場梯度變化的原因，液滴在連續相中進行固化的過程中會造成微粒尺寸不均勻的問題。
乳液溶劑揮發法，在溶劑蒸發過程中，聚合物被溶解在一個合適的有機溶劑中，然後藥物被分散或溶解於該聚合物溶液中，所得到的溶液或分散液乳化在水性的連續相中以形成離散的液滴。微球的形成中，有機溶劑必須先擴散到水相中，然後在水/空氣界面蒸發。隨著溶劑的蒸發，適當的過濾和乾燥後，可以得到微球硬化和自由流動的微球。溶劑蒸發法已被廣泛用於製備許多不同的藥物的PLA和PLGA微球。大連大學環境與化學工程學院的李娟娟、梁春英等以SDBS和油酸鈉改性的Fe3O4為載體材料，利用乳液溶劑揮發法製備了聚乳酸磁性微球，其掃描電鏡照片如圖3所示。乳液溶劑揮發法製備微粒主要是針對磁性微粒，況且聚二甲基矽氧烷最佳的固化溫度為120℃，一個標準大氣壓下水的最高溫度只有100℃。在揮發的過程中，尚未固化的聚二甲基矽氧烷液滴互相之間會相互碰撞或者融合，不利於控制微粒的形態以及表面形貌，再者，溶劑揮發過後沉積下來的微粒會一層層往上疊加，非常混亂不利於後期分離與挑選。
技術實現要素：
有鑑於此，本發明要解決的技術問題在於提供一種製備微粒的方法及裝置，該方法製備的微粒表面光滑且尺寸均勻。
本發明提供了一種製備微粒的裝置，包括：
高能脈衝雷射器；
與所述高能脈衝雷射器相對的約束層；
所述約束層不與高能脈衝雷射器相對的一面依次設置有犧牲層與液態靶材層；
開口容器；所述開口容器中設置有與靶材不相溶的液體，且所述約束層、犧牲層與液態靶材層位於液體中。
優選的，所述高能脈衝雷射器與約束層之間還設置有聚焦鏡。
優選的，所述犧牲層為對高能脈衝雷射吸收超過10％的物質層。
優選的，所述犧牲層的厚度為20～140nm。
優選的，所述液態靶材層的厚度為10μm～2mm。
優選的，還包括位於液體中的接收層；所述接收層位於液態靶材層的下方，且不與液態靶材層接觸。
優選的，還包括墊塊層；所述墊塊層設置於所述接收層與開口容器底層之間。
優選的，所述開口容器置於三維移動平臺上。
本發明還提供了一種製備微粒的方法，包括：
採用上述的裝置，使高能脈衝雷射作用與犧牲層，得到微粒。
優選的，所述高能脈衝雷射的能量為5～50mJ；頻率為單脈衝或1～10Hz。
本發明提供了一種製備微粒的裝置，包括：高能脈衝雷射器；與所述高能脈衝雷射器相對的約束層；所述約束層不與高能脈衝雷射器相對的一面依次設置有犧牲層與液態靶材層；所述約束層、犧牲層與液態靶材層位於開口容器中；所述開口容器中設置有與靶材不相溶的液體，且所述約束層、犧牲層與液態靶材層位於液體中。與現有技術相比，本發明利用高能脈衝雷射作為加工能量源和液態靶材在不相溶液體中能有大接觸角的特點，在液體中製備其微粒，高能脈衝雷射聚焦在犧牲層上，使得犧牲層瞬間變成等離子體推動液態靶材生成氣泡，控制好雷射的能量讓氣泡恰好不破裂，氣泡的能量耗散後，外加水壓的作用，靶材往回收縮，當碰上約束層後，由於反彈作用，靶材會往水中析出靶材液滴，其在水中自然狀態下為規則均勻的圓球形，利用雷射誘導的手段產生定向的能量波推動靶材，形成均勻光滑的微粒。
附圖說明
圖1為切絲重熔法的原理示意圖；
圖2為膜乳化過程基本原理示意圖；
圖3為聚乳酸磁性微球的掃描電鏡照片；
圖4為本發明提供的製備微粒的裝置的結構示意圖；
圖5為本發明實施例1中製備的聚二甲基矽氧烷微粒的照片。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
參見圖4，圖4為本發明提供的製備微粒的裝置的結構示意圖，其中1為高能脈衝雷射器，2為聚焦鏡，3為開口容器，4為約束層，5為犧牲層，6為液態靶材層，7為接收層，8為墊塊層，9為三維移動平臺，10為氣泡，11為與靶材不相溶的液體。
本發明提供了一種製備微粒的裝置，包括：
高能脈衝雷射器(1)；
與所述高能脈衝雷射器相對的約束層(4)；
所述約束層不與高能脈衝雷射器相對的一面依次設置有犧牲層(5)與液態靶材層(6)；
開口容器；所述開口容器中設置有與靶材不相溶的液體(11)，且所述約束層(4)、犧牲層(5)與液態靶材層(6)位於液體中。
按照本發明，所述高能脈衝雷射器所提供的高能脈衝雷射的能量和頻率可調；所述高能脈衝雷射的能量優選為5～50mJ；所述高能脈衝雷射的頻率優選為單脈衝或1～10Hz。
本發明提供的裝置包括與所述高能脈衝雷射器相對的約束層；所述約束層為本領域技術人員熟知的約束層即可，並無特殊的顯著，本發明中優選為透明層，更優選為玻璃層或高分子聚合物層；所述約束層的厚度優選為0.5～2mm。
為了更好地集中能量，本發明在所述高能脈衝雷射器與約束層之間優選設置有聚焦鏡。
所述約束層不與高能脈衝雷射器相對的一面依次設置有犧牲層與液態靶材層；所述犧牲層為本領域技術人員熟知的犧牲層即可，並無特殊的限制，本發明中優選為高能脈衝雷射吸收超過10％的物質層，所述物質層可為金屬層、金屬氧化物層或有機物層；所述犧牲層的厚度優選為20～140nm；所述液態靶材層為本領域技術人員熟知的液態靶材層即可，並無特殊的限制，本發明中優選為在空氣中表面能過低無法形成均勻球形微粒的靶材，更優選為液態聚二甲基矽氧烷層；所述液態靶材層的厚度優選為10μm～2mm；所述液態靶材優選經抽真空去氣泡處理後再旋塗在犧牲層上形成液態靶材層。
在本發明中，所述約束層、犧牲層與液態靶材層均位於開口容器中；所述開口容器中設置有與靶材不相溶的液體，且所述約束層、犧牲層與液態靶材層位於液體中；所述液體為本領域技術人員熟知的液體即可，並無特殊的限制，本發明中優選為水。
本發明提供的製備微粒的裝置優選還包括位於液體中墊塊層；所述墊塊層位於接收層的下方。所述墊塊層優選包括多塊墊塊；所述墊塊的厚度優選為1mm。通過增加或減少墊塊層的厚度可以控制約束層與接收層的間距，從而改變沉積後的壓力，能夠獲得不同圓度的微粒。
本發明提供的裝置優選還包括三維移動平臺；所述開口容器置於三維移動平臺上。三維移動平臺上下移動能夠快速找準交點，左右移動能夠控制微粒的沉積位置，避免出現尚未固化的微粒在沉積的過程中出現再次聚集、重疊的情況，為後期的微粒篩選節省時間。
以液態靶材為液態聚二甲基矽氧烷為例說明本發明提供的微粒製備裝置的原理：由於液態聚二甲基矽氧烷低表面能的特性，致使其在氣相或真空中接觸角非常小，即無法形成液滴。然而在水中液態聚二甲基矽氧烷的接觸角超過150°，能夠輕易形成液滴，並通過調節雷射脈衝能量、接收距離、液態聚二甲基矽氧烷厚度等參數可以達到控制液滴尺寸的目的和快速地移動三維控制平臺增大製備微粒的工作效率和控制生成微粒的微粒，避免出現微粒重疊的情況。
本發明利用高能脈衝雷射作為加工能量源和液態靶材在不相溶液體中能有大接觸角的特點，在液體中製備其微粒，高能脈衝雷射聚焦在犧牲層上，使得犧牲層瞬間變成等離子體推動液態靶材生成氣泡，控制好雷射的能量讓氣泡恰好不破裂，氣泡的能量耗散後，外加水壓的作用，靶材往回收縮，當碰上約束層後，由於反彈作用，靶材會往水中析出靶材液滴，其在水中自然狀態下為規則均勻的圓球形，利用雷射誘導的手段產生定向的能量波推動靶材，形成均勻光滑的微粒。
本發明還提供了一種製備微粒的方法，包括：採用上述的製備微粒的裝置，得到微粒。本發明使高能脈衝雷射作用與犧牲層，使得犧牲層瞬間變為等離子體推動液態靶材生成氣泡，氣泡的能量耗散後，在外加液體與約束層的作用下，得到微粒。
在本發明中此方法優選具體為：高能脈衝雷射(1)聚焦在犧牲層(5)上，使得犧牲層瞬間變成等離子體推動液態聚二甲基矽氧烷靶材(6)生成氣泡(10)；控制好雷射的能量讓氣泡恰好不破裂，氣泡的能量耗散後，外加水壓的作用，靶材(6)往回收縮，當碰上約束層後，由於反彈作用，靶材(6)會往水中析出聚二甲基矽氧烷液滴，其在水中自然狀態下為規則均勻的圓球形，當其沉積至經過用酒精超聲清洗後的接收層(7)後，即為微粒。
(8)為若干塊厚度均為1mm的墊塊，通過增加或者減少墊塊可以控制約束層(4)和接受層(7)的間距，從而改變沉積後的水壓，能夠獲得不同圓度的微粒。三維移動平臺(9)上下移動能夠快速找準焦點，左右移動能夠控制微粒的沉積位置，避免出現避免尚未固化的微粒在沉積的過程中出現再次聚集、重疊的情況，為後期的微粒篩選節省時間。
本發明所提供的製備微粒的方法尤其針對液態高溫高分子材料，更優選為聚二甲基矽氧烷，利用液態聚二甲基矽氧烷在水中能有大接觸角的特點以雷射傳送為手段逐個傳送液滴，達到液滴尺寸可控的目的，從而快速、大量地製備出聚二甲基矽氧烷微粒。
另外，本發明利用脈衝雷射作為加工能量源，雷射加工具有快速高效的特點，大大地提高了微粒的生產效率；利用液體作為加工環境，使所製備的微粒表面光滑、尺寸均勻；並且由於雷射前向轉移技術是一種非接觸式加工手段，通過調節雷射能量、傳送工作距離等參數，再利用脈衝雷射配合三維移動平臺加工微粒，對每一個微粒的尺寸都能有效地控制，從而能夠實現逐個加工微粒，容易對整體的尺寸均勻性進行控制。
為了進一步說明本發明，以下結合實施例對本發明提供的一種製備微粒的方法及裝置進行詳細描述。
以下實施例中所用的試劑均為市售。
實施例1
提供製備微粒的裝置包括：高能脈衝雷射器，與所述高能脈衝雷射器相對的約束層，約束層為玻璃層，厚度為1mm；所述約束層不與高能脈衝雷射器相對的一面鍍有犧牲層，犧牲層為鈦金屬層，犧牲層的厚度為80nm；液態聚二甲基矽氧烷經過抽真空去氣泡處理後再旋塗於犧牲層之下，形成液態聚二甲基矽氧烷層，厚度為1mm；盛有水的開口水槽，且所述約束層、犧牲層與液態聚二甲基矽氧烷層位於水中；在液態聚二甲基矽氧烷層下方的水中設置有經酒精超聲清洗後的接收層，且所述接收層與聚二甲基矽氧烷層不接觸；所述接收層與開口容器的底層之間設置若干厚度均為1mm的墊塊；所述開口容器置於三維移動平臺上。
高能脈衝雷射(能量為22.83mJ；頻率為單脈衝)聚焦在犧牲層上，使得犧牲層瞬間變成等離子體推動液態聚二甲基矽氧烷靶材生成氣泡。控制好雷射的能量讓氣泡恰好不破裂，氣泡的能量耗散後，外加水壓的作用，靶材往回收縮。當碰上約束層後，由於反彈作用，靶材會往水中析出聚二甲基矽氧烷液滴，其在水中自然狀態下為規則均勻的圓球形，當其沉積至經過用酒精超聲清洗後的接收層後，即為聚二甲基矽氧烷微粒。
圖5對實施例1中得到的聚二甲基矽氧烷微粒的照片。