專利名稱：一種同軸噴射裝置及采用該裝置制備多層微膠囊的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備微膠囊的裝置，尤其是涉及一種同軸噴射裝置及采用該裝置制備多層微膠囊的方法。
背景技術(shù)：
微膠囊通常由一個包有外殼的核心結(jié)合物構(gòu)成的雙層微膠囊(或者復合液滴)，一般直徑在I 2000um之間。由于微膠囊具有改善和提高物質(zhì)外觀及其性質(zhì)的能力，控制芯體的釋放，保護囊心物免受環(huán)境影響，降低對健康的危害、屏蔽味道和氣味等作用，在諸多行業(yè)和領(lǐng)域有著廣泛的應用，如生物醫(yī)藥、食品行業(yè)、紡織行業(yè)、涂料等領(lǐng)域。微膠囊技術(shù)的研究開始于二十世紀30年代，60年代美國的NCR公司首次向市場投放了利用微膠囊制造的第一代無碳復印紙，開創(chuàng)了微膠囊新技術(shù)應用時代。之后，由于利用相分離技術(shù)將物質(zhì)包囊于高分子材料中，制成了能定時釋放藥物的微膠囊，推動了微膠囊技術(shù)的發(fā)展。到70年代微膠囊技術(shù)的工藝日益成熟，應用范圍也逐漸擴大，出現(xiàn)了混合膠的微囊、雙層微囊、三層微囊等的研究報道；80年代以來，開發(fā)出了粒徑在納米范圍的膠囊，Devissaguet等人獲得了制備納米膠囊的專利。據(jù)統(tǒng)計微膠囊制備技術(shù)約有200多種，目前研究界將微膠囊制備方法分為物理法、物理化學法、化學法等3大類。但用上述物理化學、化學方法制備微膠囊通常需要在高溫條件下或使用反應劇烈的破壞性有機溶劑，制備的微膠囊粒徑分布寬，壁厚不均勻，很難滿足醫(yī)藥工業(yè)和生物技術(shù)領(lǐng)域中保持生物物質(zhì)活性的要求，需要篩分過濾。近幾年，隨著微系統(tǒng)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)的快速發(fā)展，微膠囊化技術(shù)也經(jīng)歷了傳統(tǒng)技術(shù)向現(xiàn)代技術(shù)的轉(zhuǎn)變，建立在微孔/微流道微膠囊制備的新工藝取得了一定的成就，微膠囊品質(zhì)也不斷地提高。其中包括MC乳化法滴液，微流控多相流，微液滴碰撞，單噴嘴(陣列)噴射滴液。如，日本國家食品研究所的Nakagawa等制作了孔寬16um的MC板，用明膠/阿拉伯樹膠作壁材，制備出了單分散的豆油微膠囊。利用微流控多相流方法，日本R山大學的Kubota和Hirabayash等研制了一種在Y型微管道反應器中使用尿素/甲醛的相分離體系制各單分散微膠囊的方法。20世紀80年代開始，隨著噴墨打印機的商品化，液滴噴射技術(shù)日漸成熟。它具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、定位精度高、原料節(jié)省等優(yōu)勢，因此越來越受到研究者的關(guān)注。日本國家食品研究所的Sugiursa等制作出了硅基的微噴嘴陣列，所制備微膠囊的平均粒徑為162um。2007年他們制作了一種MAN(micro_airflow-nozzle)型噴嘴束制備單分散的100-300um的海藻酸鈉基微腔囊。酸噴嘴由內(nèi)徑60um的中心噴嘴和兩邊的氣流微通道構(gòu)成。從中心噴嘴噴出的海藻酸鈉溶液在兩邊氣流的剪切作用下離散成微液滴，在海藻酸鈉溶液中成形。我國在微液滴噴射技術(shù)方面也取得了長足發(fā)展，南京理工大學微系統(tǒng)研究室提出“數(shù)字化微膠囊制造系統(tǒng)”，它是利用驅(qū)動器，依靠慣性力使流體瞬間的固壁切向慣性力，并以交替方式大于或小于管道固壁對流體的粘性力，使流體產(chǎn)生脈沖微液滴，整個系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)字化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種有成本低、定位精度高、原料節(jié)省的同軸噴射裝置及采用該裝置制備多層微膠囊的方法。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):一種同軸噴射裝置，該裝置包括同軸噴嘴、儲液本體結(jié)構(gòu)、擾動裝置以及壓力和流量控制裝置，所述的同軸噴嘴包括至少兩層噴嘴，相鄰兩層噴嘴間設有間隙，所述的同軸噴嘴與儲液本體結(jié)構(gòu)連接，所述的儲液本體結(jié)構(gòu)包括至少兩個液室和至少一個隔板，所述液室的數(shù)量與所述同軸噴嘴的層數(shù)及所述擾動裝置的數(shù)量相對應，各液室的入口各自通過壓力和流量控制裝置連接不同的液體儲存器，所述的隔板設置在相鄰兩個液室之間，所述的擾動裝置分別與對應的液室連接。所述的同軸噴嘴包括內(nèi)層噴嘴和內(nèi)層噴嘴外套設的至少一層外層噴嘴，所述的內(nèi)層噴嘴為中空管，其一端呈錐形，另一端呈柱形并連接儲液本體結(jié)構(gòu)中注有芯液的液室，所述的外層噴嘴形狀與內(nèi)層噴嘴相同，并與內(nèi)層噴嘴之間設有間隙，外層噴嘴一端連接儲液本體結(jié)構(gòu)中注有殼液的液室。所述的外層噴嘴設有多層，各層外層噴嘴層層套設，相鄰層外層噴嘴間設有間隙，且相鄰層外層噴嘴連通的液室內(nèi)注有互不相溶的液體。所述的儲液本體結(jié)構(gòu)由液室外殼，以及將液室外殼分隔呈多個液室的隔板組成，各液室上設有液體入口，底部分別連通同軸噴嘴中的不同層的噴嘴。 所述的擾動裝置為熱激勵、壓電結(jié)構(gòu)、電磁或靜電方式的振動裝置，所述的擾動裝置中還包括具有振動放大功能的變幅桿。一種采用上述同軸噴射裝置制備多層微膠囊的方法，該方法首先啟動壓力和流量控制裝置向液室注入溶液，并啟動擾動裝置，同軸噴嘴噴射多層液柱，擾動裝置產(chǎn)生的周期性擾動作用于液室外殼，使液室外殼壁面產(chǎn)生振動，并通過流固耦合的方式傳遞給液室中的溶液及多層液柱，然后通過調(diào)整壓力和流量控制裝置及擾動裝置的參數(shù)使多層液柱形成擾動液柱，進而形成多層結(jié)構(gòu)的液滴，最后通過固化裝置將液滴外層固化成固體或膠狀的外殼，從而得到外殼包裹核芯結(jié)構(gòu)的多層微膠囊。所述的多層微膠囊包括雙層微膠囊、兩層以上微膠囊或單殼多芯微膠囊；所述的雙層微膠囊為球狀雙層結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部為核芯，外層為固體或膠狀的外殼；所述的兩層以上微膠囊的最里一層為核芯，其它層均為外殼。所述的擾動液柱是多層液柱下落過程中受到擾動裝置的擾動作用，而產(chǎn)生的一種呈波紋狀結(jié)構(gòu)的液柱，擾動液柱在加速下落過程中其波動逐步增大而產(chǎn)生不穩(wěn)定，最終在波紋的波谷處斷裂，分裂后依靠液體的表面張力，形成球狀液滴。所述的擾動液柱的波紋形狀可通過調(diào)整擾動裝置的幅值、頻率、相位以及內(nèi)外液柱的噴射速度加以控制，且可通過配合調(diào)整同軸噴嘴的尺寸參數(shù)、液體的噴射速度控制多層微膠囊核芯的體積以及外殼的厚度。當制備單殼多芯微膠囊時，所述液室的數(shù)量、同軸噴嘴的層數(shù)及所述擾動裝置的數(shù)量均為兩個，所述兩個液室中分別儲存殼液和芯液，將與芯液對應的擾動裝置的擾動頻率調(diào)整為與殼液對應的擾動裝置的擾動頻率的整數(shù)倍，設置兩擾動裝置振動相位相同，且通過擾動量級的控制，使芯液先于殼液分裂，即可得到單殼多芯微膠囊；當制備雙層微膠囊時,調(diào)整擾動裝置的幅值、頻率、相位以及內(nèi)外液柱的噴射速度,并使內(nèi)外液柱界面波紋達到協(xié)調(diào)，即內(nèi)外液柱波動的相位相同、界面處的幅值相同且內(nèi)外液柱界面附近的流速相同。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明基于同軸噴射法制備多層微膠囊技術(shù)，因其高效和其對核-殼復合結(jié)構(gòu)的精確控制，將使高質(zhì)量可控的多層微膠囊的制備成為可能，且具有成本低、定位精度高、原料節(jié)省等優(yōu)勢，必將在如生物醫(yī)藥、食品、紡織等領(lǐng)域發(fā)揮更重要的作用。


圖1為本發(fā)明制備雙層微膠囊的同軸噴射裝置的剖視圖；圖2為本發(fā)明制備雙層微膠囊的同軸噴射裝置的三維立體剖視圖；圖3為本發(fā)明三層噴嘴局部剖視圖；圖4為本發(fā)明一種雙層微膠囊剖視圖；圖5為本發(fā)明一種基本球狀的雙層微膠囊剖視圖；圖6為本發(fā)明一種基本球狀表面基本連續(xù)的雙層微膠囊剖視圖；圖7為本發(fā)明一種單殼多芯微膠囊剖視圖；圖8為本發(fā)明一種多層微膠囊剖視圖；圖9為本發(fā)明同軸噴射裝置陣列剖視圖；圖10為采用本發(fā)明同軸噴射裝置制備多層微膠囊方法的流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。實施例1如圖1-2所示，一種制備雙層微膠囊的同軸噴射裝置，該裝置包括同軸噴嘴、儲液本體結(jié)構(gòu)、擾動裝置以及壓力和流量控制裝置。儲液本體結(jié)構(gòu)由液室a外殼116、液室b外殼117以及隔板118組成，液室a外殼116與隔板118圍成液室all4，液室all4中注有芯液104且其上設有芯液入口 119，液室b外殼117以及隔板118圍成液室bll5，液室bll5中注有與芯液互不相溶的殼液105且其上設有殼液入口 120 ;同軸噴嘴101包括內(nèi)層噴嘴102和內(nèi)層噴嘴外套設的外層噴嘴103，內(nèi)層噴嘴102為中空管，其一端呈錐形，另一端呈柱形并連接注有芯液的液室all4的底部，外層噴嘴103形狀與內(nèi)層噴嘴102相同，并與內(nèi)層噴嘴102之間設有一定的間隙,外層噴嘴103 —端連接注有殼液的液室bll4的底部,殼液由間隙中通過；芯液入口 119和殼液入口 120通過壓力和流量控制裝置連接不同的液體儲存器。壓力和流量控制裝置可通過調(diào)整參數(shù)控制液室中液體的速度及流量。本實施例中所述的芯液104和殼液105可以為任意的不相溶的液體或溶液包括生物活性流體等。溶液可以為有機的溶液、無機的溶液，溶液中可以包含懸浮的顆粒、納米顆粒和聚合物等。生物活性流體可以包含藥劑、蛋白質(zhì)、單體細胞、核糖核酸以及農(nóng)藥等。動裝置包括設置在液室all4上端面的擾動裝置al07和設置在液室bll5下端面的擾動裝置bl08。擾動裝置al07和擾動裝置b 108為熱激勵、壓電結(jié)構(gòu)、電磁或靜電方式的振動裝置，擾動裝置中還包括具有振動放大功能的變幅桿109。每個擾動裝置可以控制各自的振幅、頻率和相位參數(shù)。
如圖10所示，采用上述同軸噴射裝置制備雙層微膠囊的方法具體為:首先啟動壓力和流量控制裝置向液室注入溶液，并啟動擾動裝置，同軸噴嘴101將液室all4中的芯液104和液室bll5中的殼液105以相同的速度同時射出，形成雙層液柱106 ;所述雙層液柱106為殼液105以同軸的方式包裹在芯液104的外層的液柱。同軸噴射裝置中擾動裝置al07、擾動裝置bl08產(chǎn)生的周期性擾動，作用于液室a外殼116和液室b外殼117的上下端面，使壁面產(chǎn)生振動，并通過流固耦合的方式傳遞給液體，在液體內(nèi)部將以壓力波的形式傳遞，從而在雙層液柱106的表面形成擾動波紋，此液段也稱為擾動液柱110。擾動液柱110的波紋形狀可通過調(diào)整擾動裝置的幅值、頻率、相位以及內(nèi)外液柱的噴射速度加以控制，并使其內(nèi)和外液柱界面波紋達到協(xié)調(diào)，即內(nèi)外液柱波動的相位相同、界面處的幅值相同且內(nèi)外液柱界面附近的流速相同。擾動液柱110在加速下落過程中其波動逐步增大而產(chǎn)生不穩(wěn)定，最終在波紋的波谷處斷裂，所述波谷指一個波動周期內(nèi)雙層液柱直徑最小位置；所述擾動液柱110在波谷處斷裂，分裂后依靠液體的表面張力，形成外殼基本均勻的球狀(如圖4所示)或基本為球狀(如圖5、6所示)的雙層結(jié)構(gòu)液滴111 ;所述雙層結(jié)構(gòu)液滴111內(nèi)部為具有一定體積的核液稱為核芯112，外層為具有一定厚度的殼液105。最后通過適當?shù)墓袒胧?，使殼液固化為固體或膠狀的外殼113，最終形成高質(zhì)量的膠囊。如圖4-6所示，雙層微膠囊的外殼基本均勻是指包裹在外層的殼液及固化后的固體或膠體的外殼基本保持連續(xù)，殼的厚度基本一致；雙層微膠囊基本為球狀是指包裹在外層的殼液或固化后的固體/膠體外殼及核心基本保持球狀、橢球狀或外層表面為基本保持光滑連續(xù)。形成高質(zhì)量的膠囊出現(xiàn)在擾動裝置激振頻率較高且很窄的一個窗口內(nèi)，其頻率窗口與液體的性質(zhì)、同軸噴嘴的參數(shù)、液柱的噴射速度等因素有關(guān)。擾動裝置激振頻率范圍一般為IHZ IMHZ。通過同軸噴嘴的尺寸參數(shù)、液體的噴射速度、擾動裝置的幅值、頻率、相位可以控制雙層結(jié)構(gòu)液滴111中核芯112的體積和外殼113的厚度。本發(fā)明的同軸噴嘴間隙較小，勢必產(chǎn)生毛細管現(xiàn)象，除了依靠液室入口壓力和液體重力使液體射出噴嘴外，也可以增加靜電場高壓裝置等，通過電解水動力(EHD)加速液體的移動性。如圖9所示，可將多個同軸噴射裝置串聯(lián)形成陣列結(jié)構(gòu)批量生產(chǎn)雙層微膠囊。實施例2一種制備三層微膠囊的同軸噴射裝置，該裝置包括同軸噴嘴、儲液本體結(jié)構(gòu)、擾動裝置以及壓力和流量控制裝置。如圖3所示，同軸噴嘴包括內(nèi)層噴嘴304、外層噴嘴a305和外層噴嘴b306，各層嘴層層套設，相鄰層噴嘴間設有間隙，且相鄰層噴嘴連通的液室內(nèi)注有互不相溶的液體；儲液本體結(jié)構(gòu)與同軸噴嘴對應地設置三個液室和分隔液室的兩個隔板，內(nèi)層噴嘴304與注有芯液的液室連接，兩個外層噴嘴分別與注有不同殼液的液室連接，各液室的液體入口通過壓力和流量控制裝置連接不同的液體儲存器；擾動裝置設有三個，分別連接三個液室。采用上述同軸噴射裝置制備的三層微膠囊如圖8所示，包括核芯801、外殼a802和外殼b803。其余同實施例1。實施例3
同實施例1的一種同軸噴射裝置用于制備單殼多芯微膠囊的方法具體為:首先啟動壓力和流量控制裝置向液室注入溶液，并啟動擾動裝置，同軸噴嘴101將液室all4中的芯液104和液室bl 15中的殼液105以相同的速度同時射出，形成雙層液柱106 ;將與芯液對應的擾動裝置all7的擾動頻率調(diào)整為與殼液對應的擾動裝置bll8的擾動頻率的整數(shù)倍，設置兩擾動裝置振動相位相同，且通過擾動量級的控制，使芯液先于殼液分裂，即可得到單殼多芯微膠囊如圖7所示，包括多個核芯701和一個外殼702。本說明書實施例所述的內(nèi)容僅僅是對發(fā)明構(gòu)思的實現(xiàn)形式的列舉，本發(fā)明的保護范圍不應當被視為僅限于實施例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護范圍也及于本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。
權(quán)利要求
1.一種同軸噴射裝置，其特征在于，該裝置包括同軸噴嘴、儲液本體結(jié)構(gòu)、擾動裝置以及壓力和流量控制裝置，所述的同軸噴嘴包括至少兩層噴嘴，相鄰兩層噴嘴間設有間隙，所述的同軸噴嘴與儲液本體結(jié)構(gòu)連接，所述的儲液本體結(jié)構(gòu)包括至少兩個液室和至少一個隔板，所述液室的數(shù)量與所述同軸噴嘴的層數(shù)及所述擾動裝置的數(shù)量相對應，各液室的入口各自通過壓力和流量控制裝置連接不同的液體儲存器，所述的隔板設置在相鄰兩個液室之間，所述的擾動裝置分別與對應的液室連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種同軸噴射裝置，其特征在于，所述的同軸噴嘴包括內(nèi)層噴嘴和內(nèi)層噴嘴外套設的至少一層外層噴嘴，所述的內(nèi)層噴嘴為中空管，其一端呈錐形，另一端呈柱形并連接儲液本體結(jié)構(gòu)中注有芯液的液室，所述的外層噴嘴形狀與內(nèi)層噴嘴相同，并與內(nèi)層噴嘴之間設有間隙，外層噴嘴一端連接儲液本體結(jié)構(gòu)中注有殼液的液室。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種同軸噴射裝置，其特征在于，所述的外層噴嘴設有多層，各層外層噴嘴層層套設，相鄰層外層噴嘴間設有間隙，且相鄰層外層噴嘴連通的液室內(nèi)注有互不相溶的液體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種同軸噴射裝置，其特征在于，所述的儲液本體結(jié)構(gòu)由液室外殼，以及將液室外殼分隔呈多個液室的隔板組成，各液室上設有液體入口，底部分別連通同軸噴嘴中的不同層 的噴嘴。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種同軸噴射裝置，其特征在于，所述的擾動裝置為熱激勵、壓電結(jié)構(gòu)、電磁或靜電方式的振動裝置，所述的擾動裝置中還包括具有振動放大功能的變幅桿。
6.一種采用如權(quán)利要求1所述的同軸噴射裝置制備多層微膠囊的方法，其特征在于，該方法首先啟動壓力和流量控制裝置向液室注入溶液，并啟動擾動裝置，同軸噴嘴噴射多層液柱，擾動裝置產(chǎn)生的周期性擾動作用于液室外殼，使液室外殼壁面產(chǎn)生振動，并通過流固耦合的方式傳遞給液室中的溶液及多層液柱，然后通過調(diào)整壓力和流量控制裝置及擾動裝置的參數(shù)使多層液柱形成擾動液柱，進而形成多層結(jié)構(gòu)的液滴，最后通過固化裝置將液滴外層固化成固體或膠狀的外殼，從而得到外殼包裹核芯結(jié)構(gòu)的多層微膠囊。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種采用同軸噴射裝置制備多層微膠囊的方法，其特征在于，所述的多層微膠囊包括雙層微膠囊、兩層以上微膠囊或單殼多芯微膠囊；所述的雙層微膠囊為球狀雙層結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部為核芯，外層為固體或膠狀的外殼；所述的兩層以上微膠囊的最里一層為核芯，其它層均為外殼。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種采用同軸噴射裝置制備多層微膠囊的方法，其特征在于，所述的擾動液柱是多層液柱下落過程中受到擾動裝置的擾動作用，而產(chǎn)生的一種呈波紋狀結(jié)構(gòu)的液柱，擾動液柱在加速下落過程中其波動逐步增大而產(chǎn)生不穩(wěn)定，最終在波紋的波谷處斷裂，分裂后依靠液體的表面張力，形成球狀液滴。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種采用同軸噴射裝置制備多層微膠囊的方法，其特征在于，所述的擾動液柱的波紋形狀可通過調(diào)整擾動裝置的幅值、頻率、相位以及內(nèi)外液柱的噴射速度加以控制，且可通過配合調(diào)整同軸噴嘴的尺寸參數(shù)、液體的噴射速度控制多層微膠囊核芯的體積以及外殼的厚度。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種采用同軸噴射裝置制備多層微膠囊的方法，其特征在于，當制備單殼多芯微膠囊時，所述液室的數(shù)量、同軸噴嘴的層數(shù)及所述擾動裝置的數(shù)量均為兩個，所述兩個液室中分別儲存殼液和芯液，將與芯液對應的擾動裝置的擾動頻率調(diào)整為與殼液對應的擾動裝置的擾動頻率的整數(shù)倍，設置兩擾動裝置振動相位相同，且通過擾動量級的控制，使芯液先于殼液分裂，即可得到單殼多芯微膠囊；當制備雙層微膠囊時，調(diào)整擾動裝置的幅值、頻率、相位以及內(nèi)外液柱的噴射速度，并使內(nèi)外液柱界面波紋達到協(xié)調(diào)，即內(nèi)外液柱波動的 相位相同、界面處的幅值相同且內(nèi)外液柱界面附近的流速相同。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種同軸噴射裝置及采用該裝置制備多層微膠囊的方法，同軸噴射裝置包括同軸噴嘴、儲液本體結(jié)構(gòu)、擾動裝置、壓力和流量控制裝置，所述的同軸噴嘴包括至少兩層噴嘴，相鄰兩層噴嘴間設有間隙，所述的同軸噴嘴與儲液本體結(jié)構(gòu)連接，所述的儲液本體結(jié)構(gòu)包括至少兩個液室和至少一個隔板，所述液室的數(shù)量與所述同軸噴嘴的層數(shù)及所述擾動裝置的數(shù)量相對應，各液室的入口各自通過壓力和流量控制裝置連接不同的液體儲存器，所述的隔板設置在相鄰兩個液室之間，所述的擾動裝置分別與對應的液室連接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有成本低、定位精度高、原料節(jié)省等優(yōu)點。
文檔編號B41M5/165GK103203992SQ201210014369
公開日2013年7月17日 申請日期2012年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月17日
發(fā)明者沈潤杰, 何斌, 李洪艷 申請人:同濟大學