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應用實例-雙重乳化液滴 (Double Emulsion)

2021/06/18

前言

雙重乳化液滴(Double Emulsion) 定義為包裹在較大的不同液滴中的不混溶液滴。製備雙重乳化液滴對許多研究者來說是大有可為的方法[1] [2],它可應用在許多產業領域,例如化妝品[3] [4] [5]、食品應用、食品添加劑封裝[6] [7]、從事藥物輸送和其他藥物的研究[8] [9]。儘管對於許多應用來說這是⼀種很有前途的方法,但是傳統技術製作雙重乳化液滴,例如分批法,有各種侷限性[6] [8]。
微流體技術是製造雙重乳化液滴可靠的技術,因為它可以使雙重乳化液滴可以被更好地控制尺寸和混合物、更好的尺寸分佈,提供了自動化的可能性。
從歷史上看,晶片材料的物理性質對雙重乳化液滴⼀直是個限制,因為需要在⼀個或多個晶片上進行化學塗層,這可能導致成本增加,並縮短了晶片的使用壽命。在本應用實例中,我們向您介紹⼀種方法,該方法可以輕鬆地產生無需任何化學表面處理、任何類型溶液的雙重乳化液滴。此篇顯示了Raydrop 晶片的多功能性和用途:雙重乳化液滴(水包油包水(w / o / w) 和油包水包油(o / w /o)液滴)的不同範例。

材料

1. 試劑

  (1) 分散相:蒸餾水及Fluorescein (Sigma aldrich)
  (2) 連續相:依照乳化液滴種類,實驗中使用兩種不同的連續相
  A. HFE-7500 (Fluorochem)
  B. Mineral oil (Sigma Aldrich)
  C. dSURF (Fluigent)
  D. Tween 20 (Sigma aldrich)
  E. Span 80 (Sigma aldrich)

2. 儀器設備

  (1) 壓力控制器:Flow EZ 是氣動式設計的壓力控制器,有旋鈕按鍵及面板可單機操作,毋須電腦,但也可連接電腦以進行全自動化程序控制。它可以與流量計Flow Unit 結合使用控制壓力或流量回饋控制。這裡將會使用兩個最大壓力為2000 mbar 的Flow EZ。
  (2) 流量計:Flow Unit 是⼀種流量感測器,可以實時測量流量。通過結合⼀個Flow EZ,可以切換從壓力控制到流量控制,用於⻑時間產生高度單分散的液滴。這裡將會使用兩個Flow Unit M 監控分散相和連續相的流量。
  (3) 切換閥:易於使用的3 孔雙向切換閥2-Switch 可用來切換水及海藻酸聚醣(Alginate)溶液。使用切換閥也允許加入清洗步驟,增加自動化生產力。
  (4) 液滴生產晶片:RayDrop 液滴和乳化晶片用於控制生成海藻酸液滴。這是將兩個毛細管浸入包含連續相的加壓室中,分散相經過3D 列印的毛細管噴嘴,到達用於收集液滴的萃取毛細管。這種非嵌入式軸對稱流聚焦稱為共流聚焦。這個先進的設計消除了所有其他晶片中可能出現的的潤濕性問題。它允許用包括海藻酸聚醣在內的任何種類液體產生高度單分散的乳化液滴。

方法

圖1.生產雙重乳化液滴的實驗設置

如圖1 顯示,Flow EZ 壓力控制器給裝有不同液體的樣品管壓力,連續相的液體流量由Flow Unit L監控,外殼相與核心相的液體流量則由Flow Unit M 監控,流量計可由秤重法校正。為了協助自動化雙重乳化液滴生成,2-Switch 切換閥安裝在外殼相與核心相的通道上。為了避免晶片雙噴嘴的任何阻塞,孔隙2μm 的IDEX 線上過濾器A-430 安裝於每⼀液相的通道上。使用IDT Y3-pro 高速相機觀察所生產出來的雙重乳化液滴。
進行任何實驗前,所有液體均經過0.22 過濾膜過濾。
依照所使用的液體組合,每⼀個通道的液壓阻力必須被調整,以達到對連續相比對另外兩相有更大的壓降,並且對外殼相的壓降高於核心相。

結果

1. 水包油包水 (Water in oil in water, W/O/W)

實驗中,可調整不同的流速讓雙重乳化液滴的外殼較大或是核心較大。外殼厚度以及可達到的生產速率強烈取決於液體配置。
雖然不用界面活性劑生成雙重乳化液滴是做得到的,但十分建議添加界面活性劑在連續相及外殼相中,這會讓液滴有很好的穩定性,至於核心相中則毋須添加界面活性劑。
第⼀系列 (dSURF 外殼) 的實驗液體配置如下:


 

核心較大雙重乳化液滴 參數


 

外殼較大雙重乳化液滴 參數


 

高速相機拍攝影像結果:


 

第二系列 (礦物油(Mineral oil)外殼) 的實驗液體配置如下:

核心較大雙重乳化液滴 參數


 

外殼較大雙重乳化液滴 參數


高速相機拍攝影像結果:

其他種類外殼相的例子:
FC40

Ethyl Acetate


 

2. 油包水包油 (Oil in Water in Oil, O/W/O)

實驗液體配置如下:

核心較大雙重乳化液滴 參數


 

外殼較大雙重乳化液滴 參數


高速相機拍攝影像結果:

3. 單分散性(Monodispersity)分析

在完成生產雙重乳化液滴後,進⼀步分析了液滴的尺寸及單分散性等性質。無論何種液體配置、不同的外殼與核心尺寸,結果顯示單分散性程度非常高,其變異係數低於2%。

結論

在此篇應用實例中,我們證明了可以用單⼀系統平台生產各種不同類型的雙重乳化液滴,藉由精確控制流速使得液滴尺寸具有非常高的單分散性(~2% 尺寸差異)。⼀般常⾒的液體如水、礦物油、氟碳油以及有機溶劑等都已證實可行,這個方法也可用於其他如多聚體 (PLGA, PLA,…)、水合膠 (Alginate,agarose,…)以及其他材料生產雙重乳化液滴。因此這個生產方法消除了目前技術的限制,可大量應用於各種產業,包含製藥、食品、化妝品等。

參考文獻

1. Manuscript, A. (2016). Lab on a Chip. https://doi.org/10.1039/C6LC00367B
2. Li, W., Zhang, L., Ge, X., Xu, B., Qu, L., Choi, C., & Xu, J. (2018). Chem Soc Rev Microfluidic fabrication of microparticles for biomedical applications. https://doi.org/10.1039/c7cs00263g
3. Asbahani, A. El, Miladi, K., Badri, W., Sala, M., Addi, E. H. A., Casabianca, H., … Lyon, C. B. (2015). Essential oils : From extraction to encapsulation. International Journal of Pharmaceutics, 483(1–2), 220–243. https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2014.12.069
4. Carvalho, I. T., Estevinho, B. N., & Santos, L. (2016). Application of microencapsulated essential oils in cosmetic and personal healthcare products – a review, 109–119. https://doi.org/10.1111/ics.12232
5. Gandini, A., Lacerda, T. M., Carvalho, A. J. F., & Trovatti, E. (2016). Progress of Polymers from Renewable Resources : Furans , Vegetable Oils , and Polysaccharides. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.5b00264
6. Balanc, B., & Trifkovic, K. (n.d.). Trends in Encapsulation Technologies for Delivery of Food Bioactive Compounds. https://doi.org/10.1007/s12393-014-9106-7
7. Katouzian, I., & Jafari, S. M. (2016). SC. Trends in Food Science & Technology. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2016.05.002
8. Iqbal, M., Zafar, N., Fessi, H., & Elaissari, A. (2015). Double emulsion solvent evaporation techniques used for drug encapsulation. International Journal of Pharmaceutics. https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2015.10.057
9. Haney, M. J., Klyachko, N. L., Zhao, Y., Gupta, R., Plotnikova, G., He, Z., … Batrakova, E. V. (2015). Eshelman School of Pharmacy , University of. Journal of Controlled Release. https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2015.03.033
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