微胶囊技术的研究进展

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1、微胶囊技术的研究进展微胶囊技术的研究进展1 1曲健健1,但卫华1,林海1,陈驰1,米贞健2,舒展2 1.四川大学 皮革与工程教育部重点实验室,四川 成都 610065； 2.成都佰乐金生物科技有限公司,四川 成都 610041 E-mail: dajian_ 摘 要:摘 要: 本文介绍了微胶囊的结构及其制备方法， 综述了微胶囊性能的评价方法和微胶囊技术的新进展，其中，纳米技术、膜乳化技术的运用及环境感应型微胶囊的提出使微胶囊的应用更加广泛。此外，还指出了现阶段微胶囊技术存在的问题及发展趋势。 关键词: 关键词: 微胶囊；制备方法；性能评价；新进展 1引引 言言 微胶囊技术是一种用成膜材料把某种

2、物质包覆并使之形成微小粒子的技术，得到的微小粒子叫微胶囊（microcapsule）。微胶囊技术的研究大约开始于20世纪30年代，在50年代取得重大成果，在70年代中期得到迅猛发展。微胶囊具有改善和提高物质表观及其性质的能力，能够储存微细物质，延缓和控制释放，并具有保护芯材料免受环境影响、降低毒性、屏蔽气味等作用。由于物质微胶囊化后具有许多独特的性能，在许多领域都有广泛的应用，因而引起了人们极大的兴趣。如今，微胶囊技术已从最初的压敏复写纸扩展到医药、食品、农药、饲料、涂料、化妆品、添加剂、纺织、阻燃剂、生物固定化等多个领域，发展前景十分乐观。 2微胶囊的结构微胶囊的结构 微胶囊由内外两部分构成

3、，内部的物质称为芯材，外部的包覆膜称为壁材。其中芯材可以由一种或多种物质组成，可以是固体、液体或气体，壁材也可分为单层和多层。形成微胶囊时，芯材被包覆而与外界环境隔离，在适当条件下，随着壁材的破坏而释放出来。如果选用的壁材具有半透性，则芯材可以通过溶解、渗透、扩散的过程，透过膜壁而释放出来1。 微胶囊常用壁材主要有天然、半合成及合成的高分子材料。天然高分子材料如明胶、阿拉伯胶、海藻酸盐、壳聚糖等，它们具有无毒、免疫原性低、成膜成球性好等特点，常用于医药、食品等领域。半合成高分子材料主要是纤维素衍生物，如羧甲基纤维素、甲基纤维素、乙基纤维素等，其特点是毒性小、粘度大、成盐后溶解度增大。合成高分子

4、材料分为可生物降解和不可生物降解两类，其中，对可降解类材料研究的较为广泛，其特性是无毒、成膜性好、化学稳定性高，如聚乳酸、聚丙烯酸树脂等。 1本课题得到教育部博士学科点专项科研基金（项目编号：20020610032）资助 http:/ 13微胶囊化方法微胶囊化方法 微胶囊有多种分类方法。如可以根据壁材结构分为单层膜和多层膜微胶囊；根据芯材的性质分为亲水性芯材和疏水性芯材微胶囊；根据微胶囊透过性分为不透和半透性微胶囊；还可以根据微胶囊的用途分为缓释型、压敏型、热敏型、光敏型等微胶囊。最常见的分类方法是根据微胶囊的制备方法将其分为化学法、物理化学法和物理机械法三类。 3.1 化学法化学法 3.1.

5、1 界面聚合法（界面聚合法（interfacial polymerization method） 该法通过向连续相中加入单体，使之与处于分散相的单体在乳化体系的相界面处发生聚合反应，于是在芯材表面上生成一层聚合物膜，经沉淀、过滤和干燥后，便可得到微胶囊。在界面聚合法中，最常使用的聚合反应是缩聚反应。如El-Gibaly等人2采用一系列水溶性的多元胺与油溶性单体2,4-二苯乙烯二异氰酸酯（TDI）发生界面缩聚反应，制备了以聚乙烯亚胺和聚脲为壁材的人造红血球（ARBCs）微胶囊，他们研究发现，对ARBCs进行磺化处理，可使其具有良好的氧亲和力，最佳的粒径和分布，并具有与兔的血红细胞相同的流动特性，

6、有望成为血液替代品。除缩聚反应外，加聚反应因具有不需催化剂，不产生副产物的优点，也为人们所重视。Naohiro等人3通过改变水相与油相的量和加入不同HLB值的表面活性剂，制备了油包水（w/o）和水包油（o/w）两种不同的乳化体系，利用油溶性的乙烯基乙二醇二缩水甘油醚（EGDGE）与水溶性的环己二胺（HMDA）发生界面加聚反应，制备了两种聚环氧化物/胺微胶囊。研究发现：通过w/o乳化制备的微胶囊更加稳定，囊膜更坚固，可以通过调节PH值控制微胶囊的大小，并可应用于制备含有磁铁矿和维生素B6的微胶囊， 而用o/w乳化制备的微胶囊由于壁膜较脆且不稳定，故无法应用于实际生产。 为了更加清晰的了解各种因素

7、（如单体浓度、扩散和界面反应等）对微胶囊形成过程的影响，从而更加有效的实现对芯材的控制释放，人们建立并不断完善了微胶囊化过程的数学模型。Jiang Ji等人4在研究了界面聚合成膜的基础上，建立了非稳态条件下扩散反应联合控制的微胶囊化数学模型，该模型可以为有效控制微胶囊壁材的厚度和孔隙率提供理论指导。 3.1.2 原位聚合法（原位聚合法（in situ polymerization method） 该法与界面聚合法类似，不同之处在于发生原位聚合反应的原料或者溶解在处于分散相的芯材中，或者位于连续相介质中，而不是在两相中都有。该法所使用的原料包括气态、液态的单体或者预聚体等，如Sawada等人5先

8、将芯材物质溶于二异丙基萘，然后将其分散到含有分散剂的水中，形成o/w型乳液，再加入配制好的蜜胺甲醛预聚体溶液，通过提高温度使之发生缩聚反应，从而制备了光敏型显色微胶囊。冯薇等人6则用尿素甲醛作预聚体，在酸的催化下通过调节PH值制备了酞菁绿G颜料微胶囊，并且讨论了反应介质的PH值、催化剂、酸化时间和反应温度对微胶囊粒度及结构的影响，得到了优化的缩聚反应条件。 http:/ 2http:/ 原位聚合法制备微胶囊的一个关键是控制生成的聚合物沉积在芯材的表面，针对这个问题，王允韬等人7先将脲甲醛预聚体在一定条件下制得水溶性低分子量的脲甲醛缩聚物，然后将其加入到乳化体系中进行聚合，由于脲甲醛缩聚物更容易

9、吸附在分散相液滴表面，解决了用原位聚合法制备脲甲醛微胶囊所常有的结块、粘连、表面粗糙、产率低的问题。 3.1.3 锐孔凝固浴法（锐孔凝固浴法（piercing-solidifying method） 该法先将芯材溶于聚合物中，形成液滴，再通过一种锐孔装置将其加入到凝固浴中，聚合物迅速沉淀析出形成囊壁。凝固浴中应含有可使聚合物发生交联固化的成分，如将一滴浓度为1.5的褐藻酸钠水溶液加到浓度为10氯化钙水溶液中后，会立即生成沉淀析出，并可形成包覆膜。由于海藻酸钠形成的包覆膜无毒、具有一定的韧性和半透性，因而常用于食品、医药等领域。庞杰等人8就以海藻酸钠和魔芋胶为壁材，制备了魔芋生物碱微胶囊。通过考

10、察影响微胶囊形成的各种工艺参数，他们指出，为避免生物碱成分流失，所制成的微胶囊在氯化钙溶液中停留时间不宜超过3min，待成型后应立即过滤取出；为防止包埋率低及“漏油”现象产生，应选择合适的乳化剂；此外，由于微胶囊的成型大小与锐孔有关，为使聚合物全液滴通过，锐孔孔径一般在0.5mm以上。 3.2 物理化学法物理化学法 3.2.1 凝聚相分离法（凝聚相分离法（coacervation method） 根据分散介质的不同，凝聚相分离技术可分为水相分离法和油相分离法。水相分离法根据成膜材料的不同而分为复合凝聚法和单凝聚法。 复合凝聚法是在溶有两种带相反电荷的水溶性高分子包覆材料的水溶液中加入油溶性芯材

11、，通过改变条件（改变pH值、温度、加入无机盐电解质等），使得两种高分子发生凝聚，并分离成凝聚胶体相和稀释胶体相，凝聚胶体相包覆在芯材周围即可形成微胶囊。该法最早是由NCR公司的Green在20世纪50年代发明的，目前，他所使用的以明胶-阿拉伯树胶为壁材制备含油微胶囊的方法已成功应用于无碳复写纸、食品、医药等多个行业。最近，Xing Fubao等人9用该方法制备了以辣椒素为芯材的微胶囊。Yu Rong等人10则用水解的苯乙烯马来酸酐（SMA）代替了常用的阿拉伯树胶，使之与明胶凝聚，制备了表面光滑、囊膜致密、稳定的含油微胶囊。单凝聚法是指只用一种高分子作为包覆材料进行相分离的过程。 最近， Laz

12、ko等人11用单凝聚法制备了含鲸蜡烷的大豆球蛋白微胶囊，其制备过程可以分为形成o/w型乳化体系，提高PH值使蛋白质发生凝聚以及加入戊二醛使壁材在油滴周围交联、固化三个步骤。通过对乳化和凝聚条件的研究，他们指出在凝聚过程中，选择合适的乳化参数可以提高蛋白质对油滴的包覆，缓慢提高PH值可以使包覆更加一致并能防止蛋白质之间发生聚合。此外，由于凝聚会破坏乳液中的分散与结合的平衡，应尽量减少凝聚时间，否则会使微胶囊大小不一致，并使产率下降。 油相分离法与水相分离法不同之处在于该法形成了w/o型乳液，其芯材为水溶性，壁材为油溶性，通过改变温度、加入能引起壁材沉聚的非溶剂等方法来实现油相分离。该法在医药领域

13、3应用广泛12。 3.2.2 复相乳液法（复相乳液法（multiple emulsion method） 用前面的方法所形成的乳化体系一般为w/o型或o/w型的，而在该法中将形成一种多重的乳化体系，其中最常见是w/o/w型复相乳液。其制备方法是先将壁材溶解于非水溶性溶剂中，再将含有芯材的水溶液分散于壁材溶液中，得到w/o乳液；然后将该乳液分散到另一种含有保护胶体稳定剂的水溶液中，得到w/o/w复合乳液；最后通过蒸发、减压、萃取等物理方法除去壁材中的溶剂，壁材逐渐包覆形成微胶囊。在这个过程中，由于复相体系在热力学上是不稳定的，可能出现内水相间的凝结，油膜的破裂，内水相与外水相的相互渗透等现象，因

14、而保持该体系的稳定性是制备微胶囊的关键。影响体系稳定的因素有很多，包括搅拌程度、乳化剂的使用、水油相体积比、 有机溶剂的选择等。 对此， 研究人员针对具体情况进行了大量的研究。 其中， Jim Jiao等人13采用盖片压力的作用对w/o/w复相乳液进行了加速稳定性测试， 通过对其微观观察， 评价了内外水相的渗透压平衡和油膜的强度对保持体系稳定性的重要作用。Yoshinori Onuki等人14通过考察各种因素对含胰岛素的w/o/w复相乳液的影响，进行了优化设计，发现体系的稳定性与其流变性十分相关。 除去复相乳液中的溶剂常用的方法为溶剂蒸发法，该法最早用于w/o和o/w体系，为进一步提高微胶囊的

15、载药量和包封效率15，发展了复相乳液溶剂蒸发技术。Yamaguchi等人16 就用该法，以聚乳酸-聚乙醇酸共聚物（PLGA）为壁材，制备了含胰岛素的微胶囊。在用w/o/w乳液法时，某些物质在w/o界面处易发生变性，为了解决这个问题，Shigeyuki Takada等人17将作为芯材的人体生长荷尔蒙 （rhGH） 固体直接加入二氯甲烷的油相中， 然后将其加入乙烯醇水溶液中，形成s/o/w复相乳液，最后蒸发除去二氯甲烷得到微胶囊。除w/o/w型乳液法之外，在某些特定的领域中也可使用o/w/o型乳液法，其操作过程与w/o/w复相乳液法相似，只是用水溶性的成膜材料对油溶性物质进行包覆。Higuera-

16、Ciapara等人18就以该方法制备了含虾青素的微胶囊，在形成以矿物油为外油相的o/w/o乳液之后，向其中加入戊二醛，使之与水相中的壳聚糖发生交联，然后将水真空蒸发，再倒出矿物油，经洗涤、干燥即可得到微胶囊。此外，由于不同的油相可以不相混溶，因而也可以通过形成w/o/o型、o/o/w型等复相乳液来制备微胶囊。 3.3 物理机械法物理机械法 3.3.1 空气悬浮成膜法（空气悬浮成膜法（air suspension coating method） 该法最早由美国的D.E.Wurster教授发明，故又称Wurster法。该法的特点是应用流化床（fluidized bed）把芯材固体粉末悬浮在空气流中，再将壁材溶液以雾状喷洒到芯材上，使之在流化床中反复悬浮滚动，逐渐被润湿、包覆和干燥，形成有一定厚度的薄膜，从而完成微胶囊的制备。 根据喷洒壁材溶液位置的