微膠囊的制備方法及應(yīng)用進展

徐朝陽，余紅偉，陸 剛，王 軒

(海軍工程大學(xué) 化學(xué)與材料系，湖北 武漢 430033)

微膠囊是指由天然或人工合成高分子材料作為外壁材料制成的微型容器(直徑一般在2～1 000 μm)，如圖1所示。微膠囊技術(shù)是指將成膜材料作為殼物質(zhì)，把固體、液體或氣體包覆成微小顆粒的技術(shù)，形成的核殼結(jié)構(gòu)使微膠囊具有保護性、阻隔性，殼內(nèi)的芯材物質(zhì)既不會受到外界環(huán)境侵入的影響，同時又不會向外界逸出[1]。早在20世紀50年代，美國NCR公司就將微膠囊技術(shù)應(yīng)用于第一代無碳復(fù)寫紙，從而克服了復(fù)寫紙的缺點[2]。到目前為止，微膠囊技術(shù)得到了突飛猛進的發(fā)展，并在各個行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。

圖1 微膠囊結(jié)構(gòu)示意圖

1 微膠囊的制備

微膠囊的有效設(shè)計不僅涉及到壁材與芯材的選擇，其制備方法的選擇也至關(guān)重要。

1.1 壁材的選擇

壁材作為包裹微膠囊的外殼，對微膠囊的整體效果起著至關(guān)重要的作用，不同的壁材對微膠囊的流動性、溶解性、緩釋性、滲透性的影響也不同。在選取壁材時應(yīng)注意如下幾個方面：(1)壁材應(yīng)具有良好的成膜性能和滲透性，以滿足使用要求；(2)壁材要有一定強度的可塑性，耐擠壓；(3)壁材不能與芯材反應(yīng)，其溶解度與芯材不同；(4)壁材需無毒，無刺激性，廉價易制備。

通常，微膠囊的壁材分為三大類：合成高分子材料、半合成高分子材料、天然高分子材料[3]，具體如表1所示。

表1 微膠囊壁材常用材料及性質(zhì)

因此，設(shè)計微膠囊時應(yīng)充分考慮微膠囊應(yīng)用環(huán)境及所需效果，選擇特定的壁材進行合成。

1.2 芯材的選取

包裹在微膠囊壁材內(nèi)部的物質(zhì)通常稱為芯材，芯材可以是液體或固體。為了在規(guī)則的球形顆粒上獲得均勻的涂層，需要考慮聚合物類型、核心材料的形狀和尺寸，因此芯材的形狀應(yīng)是均勻且規(guī)則的[4]。大多數(shù)情況下，微膠囊芯材須從囊壁內(nèi)釋放出來才能發(fā)揮其功效。

芯材的釋放分為瞬時釋放和緩慢釋放。瞬時釋放是指壁材在摩擦、變形、機械破碎等外力作用下發(fā)生破裂，或受熱后熔化。緩慢釋放是指芯材通過壁材的溶解、降解或囊壁的擴散而釋放。芯材從微膠囊中釋放的規(guī)律一般遵循零級或一級反應(yīng)速率方程[5]，而且芯材的釋放速率還受到壁材厚度、壁材孔洞、結(jié)晶度、交聯(lián)度及形變方式等因素影響[6]。

1.3 微膠囊的制備方法

微膠囊的制備涉及到高分子化學(xué)、材料化學(xué)、膠體化學(xué)、分散干燥技術(shù)等多個學(xué)科領(lǐng)域，具體的制備方法還需結(jié)合所從事的專業(yè)領(lǐng)域知識。據(jù)統(tǒng)計，目前有200多種微膠囊化方法。根據(jù)微膠囊的性質(zhì)和形成機理，可分為物理法、化學(xué)法和物理化學(xué)法。

1.3.1 物理法

將芯材和壁材混合均勻后，通過改變溫度、pH值等外界條件或機械攪拌等方法，使溶解狀態(tài)的成膜材料從溶液中析出并將芯材包覆從而形成微膠囊。物理法主要包括噴霧干燥法、空氣懸浮法和真空蒸發(fā)法。

1.3.1.1 噴霧干燥法

芯材溶解在壁材的稀溶液中形成懸浮液，通過噴霧干燥的方法，使分散液霧化成小液滴，從而將體系中的溶劑迅速蒸發(fā)使壁材析出形成微膠囊。噴霧干燥法制備的微膠囊多用于食品行業(yè)，通過微膠囊化的方法可以防止食品中營養(yǎng)成分被破壞。顏征等[7]通過噴霧干燥法將蓮藕中多酚類物質(zhì)制成微膠囊，防止多酚被氧化破壞，增加了多酚的利用率。

1.3.1.2 空氣懸浮法

在含有囊壁成膜液的流化床中，懸浮的芯材固體經(jīng)過流態(tài)化操作在表面形成膠囊。用這種方法制備微膠囊需要中等均勻的壁材，適用于固體芯材的制備。曹健等[8]采用空氣懸浮法制備了一種以過硫酸銨為芯材的壓裂液微膠囊破膠劑，其具有良好的物理形態(tài)和較高的包覆率。

1.3.1.3 溶劑蒸發(fā)法

將同時含有壁材和芯材的混合液以微小液滴的狀態(tài)分散到乳液體系中，去除揮發(fā)性溶劑后制備出微小顆粒。溶劑蒸發(fā)法常用于食品和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域微膠囊的制備。與其他方法相比，采用本方法制備的農(nóng)藥微膠囊其主要優(yōu)點是不需要調(diào)節(jié)酸堿度、不需添加特殊試劑、不需要加熱和劇烈攪拌[9]。Elham Asghari Varzaneh等[10]等通過溶劑蒸發(fā)法將鐵鹽(FeSO4·7H2O)微膠囊化于黃芪凝膠中，制備成食品微膠囊，增加了人體對鐵元素的吸收。

1.3.2 化學(xué)法

將芯材溶解于分散相溶劑中形成乳化液，然后向乳化體系中加入兩種不溶性液體，形成水包油或油包水乳液。單體在乳化體系中發(fā)生聚合反應(yīng)，產(chǎn)物包覆在芯材表面形成微膠囊。化學(xué)法主要包括界面聚合法、原位聚合法、銳孔-凝固浴法等。

1.3.2.1 界面聚合法

將兩種不相溶的液體混合后加入乳化劑形成穩(wěn)定乳液體系，在乳液體系中進行界面聚合。在體系中，液滴首先由芯材和油溶性反應(yīng)單體乳化形成有機相。在水相中添加水溶性反應(yīng)單體A，在油相中添加油溶性反應(yīng)單體B，單體A和B相互反應(yīng)，在膠束界面形成一個殼層[11]，從而將芯材包覆在壁材內(nèi)部。界面聚合法是一種常見的油包水乳液微膠囊化技術(shù)。尚建麗等[12]通過界面聚合法，以相變石蠟為芯材，廉價的聚脲和聚氨酯為壁材，制備了一種雙層壁微膠囊。這種微膠囊具有較高的相變潛熱，適用于建筑相變材料。

1.3.2.2 原位聚合法

與界面聚合法不同，原位聚合法反應(yīng)單體全部位于油包水乳液的水相或油相?？扇苄詥误w在一定條件下聚合形成既不溶于油相也不容于水相的高聚物，聚合物沉積在芯材表面，從而完成對芯材的包裹。用原位聚合法制備的微膠囊大都形貌良好，呈規(guī)則球形，芯壁比及壁材厚度可調(diào)控性強，且微膠囊產(chǎn)率較高[13]。Yin等[14]以三聚氯胺甲醛樹脂為壁材，正十六醇為芯材，采用原位聚合法在苯乙烯-馬來酸酐乳化體系中合成了儲能密度高的微膠囊。此方法開辟了以脂肪醇為核心材料制備各種微膠囊的途徑。

1.3.2.3 銳孔-凝固浴法

以可溶性聚合物為壁材,在凝固浴中固化，將芯材封裝成微膠囊，這種方法稱為銳孔-凝固浴法。由于聚合物的固化是瞬間完成的，因此有必要通過注射器等微孔裝置將含有芯材的聚合物溶液加入到固化劑中預(yù)先成型。張生生等[15]采用銳孔-凝固浴法制備了一種表面活性肽微膠囊，此方法操作簡單且包埋效果良好，提高了微膠囊在環(huán)境中的穩(wěn)定性，并獲得緩釋能力。

1.3.3 物理化學(xué)法

將芯材溶解于含有壁材的溶液中形成穩(wěn)定的乳化液，通過改變溫度、加入無機鹽或成膜材料混凝劑等方法使壁材溶液發(fā)生相分離，該方法適用于制備疏水性芯材微膠囊。物理化學(xué)法主要包括水相分離法、油相分離法等。

1.3.3.1 水相分離法

在分散有微膠囊芯材的連續(xù)相中，通過改變外界條件，使壁材溶液產(chǎn)生相分離形成兩個新相，原來的兩相體系轉(zhuǎn)變成新的三相體系，包括高壁材濃度的凝聚膠體相和低壁材濃度的稀釋膠體相。霍麒文[16]通過水相分離法制備出一種以植物乳桿菌為芯材的微膠囊，這種微膠囊大大提高了益生菌在不良環(huán)境中的存活率。

1.3.3.2 油相分離法

在以高分子聚合物為壁材的有機溶劑中加入固體芯材顆?；蚝行静牡乃芤?，然后改變外界條件引發(fā)相分離?；旌象w系中能否形成可自由流動的聚合物凝聚相，使其能穩(wěn)定地環(huán)繞在囊芯微粒的周圍是油相分離法制備微膠囊的關(guān)鍵。目前油相分離技術(shù)在使用上受到一定的限制，因為在實際操作中，微膠囊中不可避免地混有溶劑或非溶劑且難以去除，并且存在環(huán)境污染、易燃易爆、毒性等問題，此外溶劑價格高，使得產(chǎn)品成本偏高。

2 微膠囊技術(shù)的應(yīng)用

微膠囊技術(shù)的發(fā)展非常迅速，到目前為止，國內(nèi)已有100多個研究機構(gòu)在開發(fā)新的微膠囊化技術(shù)。微膠囊技術(shù)的應(yīng)用已擴展到醫(yī)藥、食品、化工、液晶等領(lǐng)域，其科學(xué)研究和應(yīng)用價值不言而喻。

2.1 醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用

經(jīng)微膠囊化的藥物苦澀感大大降低，且相比于普通藥物，微膠囊化藥物可降低自身的毒副作用，提高穩(wěn)定性，減少藥劑使用量。其中微膠囊的緩釋功能是決定微膠囊藥物能否發(fā)揮作用的關(guān)鍵。Hyeran Lee等[17]對微膠囊藥物的釋放速率進行了探究，采用溶劑蒸發(fā)法制備了以硝苯吡啶(NF)為芯材、ε-己內(nèi)酯(PCL)和乙烯基吡咯烷酮(PVP)的共聚物為壁材的微膠囊。研究發(fā)現(xiàn)，PCL和PVP的質(zhì)量比從10/0變?yōu)?/4時，膠囊尺寸從(154±25)μm逐漸增大到(236±32)μm；藥物釋放速率從起始的0～4 h顯著增加，在20 h達到峰值；隨著PVP濃度的增加，藥物釋放量不斷增大，說明膠囊尺寸越大，藥物含量越高；同時發(fā)現(xiàn)藥物釋放行為幾乎保持不變，無論NF負荷如何，PCL膠囊未顯示任何導(dǎo)致細胞溶解素毒性的證據(jù)，這表明了微膠囊在臨床上適合用作藥物釋放系統(tǒng)。方芳等[18]對如何延長藥物釋藥時間和藥效持續(xù)時間進行了研究，通過改變芯材壁材的比例、酸堿度、轉(zhuǎn)速等條件，制備了一種以卡培他濱為芯材的微膠囊，并將一般藥物與微膠囊藥物進行對比，分析其毒性對細胞活力的影響。結(jié)果表明，在相同濃度下，經(jīng)微膠囊化后的藥物對細胞毒性明顯降低，可知微膠囊化對藥物具有緩釋作用，能夠提高藥物的藥效。

2.2 食品領(lǐng)域的應(yīng)用

很多食品添加劑和營養(yǎng)素類物質(zhì)易被氧化發(fā)生變質(zhì)，通過微膠囊技術(shù)可以將這些敏感成分作為芯材保護在壁材內(nèi)，便于運輸和儲存。因此，微膠囊技術(shù)在食品領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。兒茶素是多種植物中包含的黃酮類化合物，這種物質(zhì)能改善人體健康，抵御疾病發(fā)生，然而，兒茶素生物利用度低，在人體消化過程中，滲透性和降解性降低，導(dǎo)致人體獲得最大健康利益受限制。Mudasir Ahmada等[19]將兒茶素包裹在淀粉中制成納米級的微膠囊，保證了兒茶素在模擬胃腸液中的釋放，與游離兒茶素相比，微膠囊化兒茶素的生物活性水平顯著提高。益生菌可預(yù)防腸胃疾病，但必須在胃酸中存活才能到達小腸。Amal Bakr Shori[20]以海藻酸鈉模擬益生菌，用殼聚糖包裹海藻酸鈉制成微膠囊，顯著提高了海藻酸鈉在低酸性條件下的穩(wěn)定性。微膠囊化技術(shù)是食品行業(yè)中引入的一項新技術(shù)，它的引入對食品工業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了極大的推動作用。目前，影響食品行業(yè)微膠囊化技術(shù)推廣的主要障礙是成本較高，但隨著人們對微膠囊認識的逐漸深入和技術(shù)的日趨成熟，相信微膠囊技術(shù)在食品工業(yè)中會有更廣泛的應(yīng)用[21]。

2.3 涂料領(lǐng)域的應(yīng)用

利用微膠囊的核殼結(jié)構(gòu)可以改變涂料的結(jié)構(gòu)組成，從而提高涂料的應(yīng)用性能。Fariba Safaei等[22]制備了一種以聚脲醛(PUF)為壁材，環(huán)氧樹脂(EPL 1012R)為芯材的微膠囊。首先通過熱分析的方法對微膠囊的結(jié)構(gòu)進行了探究，結(jié)果表明，該環(huán)氧樹脂成功地包封在PUF殼中。然后通過鹽霧腐蝕實驗觀察到該微膠囊在劃痕涂層中表現(xiàn)出良好的抗腐蝕性能。Vikas V Gite等[23]將緩蝕劑喹啉封裝到微儲層中，以克服其直接添加到涂料中所帶來的缺點。實驗采用了界面聚合法，在室溫下合成了含不同核心溶劑的喹啉微膠囊，將制備的喹啉微膠囊加入聚氨酯涂層中，研究其對基體腐蝕的影響，結(jié)果表明，將喹啉制成微膠囊添加到涂料后防腐性能更好。

2.4 液晶領(lǐng)域的應(yīng)用

液晶微膠囊化是一種通過微膠囊將液晶固定在成膜材料中以拓寬液晶應(yīng)用范圍的技術(shù)，其具有生產(chǎn)成本低、工藝簡單、易于大批量制備的優(yōu)點，在動態(tài)濾波器、信息存儲、光通訊、安全防偽領(lǐng)域中有廣闊的應(yīng)用前景[24]。聚合物分散液晶(PDLC)的制備工藝簡單，且不需要偏光片和背光源，被廣泛應(yīng)用于大尺寸顯示器，與使用光致變色或熱致變色材料的其他設(shè)備相比，使用PDLC的智能窗口操作簡單，對比度高。然而，在傳統(tǒng)的染料摻雜PDLC方法中，染料會導(dǎo)致污染問題，并且電子智能窗的商業(yè)化程度有限。Mingyun Kim等[25]將染料封裝在單分散膠囊中，通過封裝，制備的摻雜染料的PDLC在600 nm下的對比度大于120。這種將染料封裝在摻雜染料的PDLC器件的核殼結(jié)構(gòu)微膠囊中的制造方法為基于摻雜染料的PDLC智能窗口提供了一個實用的平臺。

3 微膠囊自修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用

微膠囊自修復(fù)方法是目前自修復(fù)涂層領(lǐng)域應(yīng)用最多的方法，將含有修復(fù)劑的微膠囊預(yù)先埋植于聚合物基體或涂層中，當基體或涂層材料受到損傷時，膠囊破裂并釋放修復(fù)劑，當修復(fù)劑遇到基體或涂層中的催化劑時發(fā)生交聯(lián)固化反應(yīng)，修復(fù)裂紋面，實現(xiàn)損傷部位的自我修復(fù)。何亮等[26]將微膠囊自修復(fù)技術(shù)應(yīng)用于道路瀝青的研究中，將一種封裝再生劑的微膠囊摻入到瀝青混合料中，在瀝青路面產(chǎn)生裂縫的初期，微裂縫逐漸擴展漫延至微膠囊處，微裂縫尖端處應(yīng)力集中刺破微膠囊，微膠囊內(nèi)的再生劑得以釋放，再生劑沿微裂紋流動，在毛細作用的推動下向微裂紋兩側(cè)滲透擴散。再生劑使縫壁瀝青開始軟化與活化，微裂縫逐漸消失，最終實現(xiàn)自修復(fù)。Ryan C R Gergely等[27]將微膠囊自修復(fù)技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療，制備了一種混合微膠囊-微血管系統(tǒng)，通過微血管網(wǎng)絡(luò)將兩級愈合劑輸送到損傷部位，刺穿樣本，恢復(fù)受影響的孔和周圍受損體積，可以修復(fù)血管化聚合物板沖擊穿孔造成的多尺度損傷。

4 結(jié)束語

目前微膠囊技術(shù)在各個領(lǐng)域都有巨大的進展，但仍存在著許多問題，如環(huán)境污染、芯材釋放時效等。微膠囊技術(shù)可從以下幾個方面進行進一步研究：(1)芯材智能型釋放問題，功能性組分做到有效跟蹤；(2)壁材梯度設(shè)計，做到環(huán)境壓力有效感應(yīng)；(3)微膠囊尺寸微小化設(shè)計，提高膠囊與載體涂層間的相容性與各相關(guān)性能。