[发明专利]一种中空多孔微胶囊及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及高分子微球与微囊材料的成型加工及作为复合材料的应用。

技术背景

微囊是生命现象中普遍存在的物质聚集形态，合成微囊也是一种成功的商品形式，具有广泛的应用。一种壳层材料包裹另一种功能材料，是胶囊的主要构造方式，而微囊通常是指从亚微米到毫米尺度的小型胶囊。无论以何种形态存在，功能材料与壳层材料是构成微囊的两类基本元素；前者决定了微囊的功用，后者主要用于辅助前者功能的实现。微囊的制备，指的是通过一定的方法将功能材料包裹或分散在支持材料中，从而制备颗粒状复合材料的过程。通过对物质进行微囊化包埋可以达到许多目的，如可以改善囊芯材料的化学或物理稳定性，屏蔽囊芯的气味、颜色和毒性，还可以实现囊芯物质的控制释放或靶向释放。微囊化是构建复合材料的重要方法，也是提高囊芯材料操控性能的重要手段；随着材料技术的不断进步，越来越多的功能材料实现了微囊包埋，使功能材料的应用得到不断拓展。

本发明致力于开发新型胶囊体系，实现对新兴纳米尺度功能材料的微囊化。在诸多新型功能材料中，纳米功能材料是近来最引人关注的一类。这类材料在应用中具有优异的表现；如纳米催化剂，同传统的大尺寸催化剂相比单位质量具有更大的接触表面，更有利于催化反应进行。但是小尺度也造成了单元操作的困难，无论是高速离心还是超滤都会耗费大量的能量与工时；此外纳米粉体扩散到环境中，会长期残存，对人体健康造成危害。实现纳米颗粒的微囊化，一方面可以提高功能单元的尺寸以便于单元操作，另一方面能有效防止纳米粉体流失进入环境。对纳米材料进行微包埋已经见诸报道，但包埋后的纳米颗粒往往会损失原有的分散性与运动性，纳米材料的优势会有很大损失。为了既实现纳米材料的微包埋，又要保留纳米材料的优势，本发明发明了一种新型结构的微囊。其特征为：胶囊具备数十微米的空腔，纳米颗粒在限定的空间中能够保持原有的分散性和自由运动的特点；其次微囊具备多孔的壳层，壳层孔道为纳米孔，能够阻止纳米材料向外扩散，又能够实现微囊内腔同外界分子的传递。这种特殊形态的微囊对制备方法提出了很高的要求；另外，具有该形态特征的胶囊还将用于具有生物活性的纳米催化剂的包埋，制备过程必须要保证囊芯材料的生物活性，这也对该特殊形态的微囊制备提出了更高的要求。

本发明提出了全新的微囊制备方法，该方法建立在复乳液(水包油包水型，W/0/W)包埋和悬浮聚合的基础上。其中复乳液滴的内水相通过配方和工艺的控制，可以制造出直径数十微米的单一的内腔；而悬浮聚合通过复合致孔剂的使用，能生成具备纳米贯穿孔道的坚固壳层；两种技术遵循截然不同的调控机理，可以满足两个不同尺度的形态要求。由于制备过程中微囊的内腔由水相组成，可以用于包埋亲水性的纳米材料，并且适合于包埋具有生物活性的纳米材料，保护生物活性不受破坏。复乳法制备的微囊通常为多腔结构，本发明首次提出了一种单腔复乳微囊的制备方法，同传统的多腔结构相比，单腔具有明显优势：首先是能够提供宽敞的内空腔，有利于提高装载量，还有利于纳米颗粒的自由分散；此外单腔胶囊只有一层壳层，有利于物质传递，纳米催化剂装入胶囊后，底物能够迅速扩散进入，产物也能够迅速移除。本发明在开发过程中考虑了放大的需要，乳化和悬浮聚合都是常规的生产方式，适合大规模生产；并考虑了所开发产品的通用性，使新型微囊适用于广泛的囊芯材料，通过对不同材料的包埋，可以制备出多种不同功用的微囊产品。

发明内容

本发明提供了一种新型的聚合物胶囊及其制备方法，该类胶囊具有中空内腔和多孔的壳层，制备过程结合了复乳化和悬浮聚合的优势。该胶囊生物兼容性好，内腔容积大，机械强度高，而且制备规模容易放大。本发明首次提出了一种控制复乳液滴演变的方法，来获得单一内水腔的复乳液滴，从而制备出单一内腔的固体胶囊。制备胶囊的粒径控制在10-100μm；内腔直径控制在数微米到数十微米范围内；壳层有效孔径范围为2-200nm。本发明验证了该胶囊体系的应用，其中包括：装载固定化酶颗粒，装载活细胞体，装载磁性纳米材料和纳米光催化剂。本发明还进一步验证了多种颗粒组合包埋的可能性，证明该胶囊体系适用于复杂反应过程的集成。

胶囊制备方法如下：

1.配置油相(O)，其中包含乙烯基单体、二乙烯基交联剂、自由基引发剂、油相乳化剂和制孔剂；其中还可以包含三乙烯基交联剂、比重调解剂、粘度调解剂和疏水调解剂。