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單分散高分子微粒生產
前言-傳統生產微粒方法存在許多限制
聚合物微粒在診斷上有許多應用，例如：藥物分析和輸送或 DNA純化。對於此類應用，通常需要精確控制粒徑分佈以提高重複性，因為大小會影響藥物或化學物質的輸送、釋放速度及劑量。
微粒生產的傳統方法包括溶劑蒸發、乳化聚合、分散聚合和噴霧乾燥[1]，這些通常會導致微粒粒徑分佈較廣(較大的多分散性)、較差的再現性、有限的功能和較不可調的形態[2]，因此液滴微流體技術已被使用來克服這些限制。微流體技術在微觀尺度上能更好控制多液流，它允許生成微粒粒徑更一致(具有更高單分散性，~ 5% CV) 和複雜形狀及結構。許多乳化液滴可以在紫外線照射下聚合（通常是固化），這個最後一步固化可以在微流體系統中完成，一般在下游通道中用紫外線照射液滴。
在此短篇的應用實例中，我們介紹了一種用於聚合物微粒合成的 Fluigent 微流體解決方案，允許線上生產具有高單分散性(2% CV)的微粒，並可通過紫外光聚合。
材料
微流體系統：
- Raydrop微流體液滴生產晶片
- Spacing device 液滴間隔裝置
- LineUpTM Flow EZ 2 bar 氣壓驅動液流控制器
- Flow Unit M (x2) and L (x1) 流量計
- UV light 紫外光源
試劑：
- 連續相及間隔液：
- 含有1% Tween 20的蒸餾水
- 分散相：
- 固化樹脂Radcure Generic 7 (一種非商業取得的樹脂。然而任何種類的生物相容紫外線固化聚合物皆可使用相同的方法)
- Ethyl acetate 50%
- Photoinitiator TPO 1% (peak absorbance at 395 nm)
軟體：
- All-in-one Fluigent software
聚合物微粒生成
單分散聚合物微粒生成主要有三步驟：
- 單分散液滴的產生
- 液滴間隔
- 紫外照射使液滴固化
圖1：聚合物微粒生成裝置圖解
圖2：聚合物微粒生成裝置照片
1. 單分散液滴的產生
兩個氣壓驅動的液流控制器 （Flow EZ 2 bar）連接到兩個分別含有聚合物 (分散相）和1% Tween 20蒸餾水（連續相）的 P-CAP樣品容器，從樣品容器通過管道連接到 Raydrop晶片的入口，中間經過的流量計M可進行流量測量和控制。分散相經由Raydrop的內部毛細管以 5 µL/min 的流速注入，然後連續相以25 µL/min的流速輸送到 Raydrop晶片腔體。在Raydrop晶片內的兩個毛細管之間的交叉點會產生液滴（圖 3）。使用上述流速，液滴可以1 Hz的頻率、直徑約 100 µm的尺寸生產出來。
圖3：聚合物微粒生成過程照片
2. 液滴間隔
液滴一旦產生，將以降低的流速離開 Raydrop 裝置 （這是由於Raydrop下游通道與出口管道的內徑差）。為了避免在聚合過程中被紫外線堵塞，強烈建議增加液滴之間的間距。液滴之間的間距可以通過注射液體以共流方式進入外管，因此添加了間隔裝置（T 型接頭）到出口管中（圖 1）。含 1% Tween 20 的蒸餾水（連續相）以 250 µL/min 的流速注入間隔裝置。
3. 紫外照射使液滴固化
在液滴間距拉大之後，使用95-100 mW /cm² 的紫外線照射，以使聚合物液滴產生固化。
結果-微流體技術可獲得單分散微粒
聚合物微粒合成後，將微粒回收到培養皿中並在顯微鏡下進行分析。圖 4 顯示了固化後的聚合微粒，我們可以觀察到平均直徑83 µm的微粒和一致的尺寸分佈 (窄的多分散性，±1 µm)，另外也注意到由於聚合過程中收縮所導致的微粒尺寸小於液滴。這次我們生成了 83 µm 的顆粒直徑，但通過改變連續相和分散相的流速，可以獲得不同的粒徑。
圖4：聚合物微粒在顯微鏡放大觀察下的結果 (左：5X；右：10X)
結論-解決了傳統方法中普遍遇到的微粒生產限制
聚合物微粒在生物醫學領域有許多應用，在此短篇的應用實例中，我們提出了一種可重現的聚合物微粒生產解決方案，包括線上液滴生成、間隔和聚合。該系統允許生產窄分佈的微粒，解決了傳統方法中普遍遇到的微粒生產限制。
