基于微流控技术制备微泡的研究进展

杜宇翎，陈思瑶，周 野，李发琪，王振宇

（1.重庆医科大学 超声医学工程国家重点实验室/生物医学工程学院，重庆 400016；2.重庆市生物医学工程重点实验室，重庆 400016）

微泡由充满气体的内核和脂质、聚合物或者蛋白质外壳组成，其最初是作为造影剂用于增强超声成像的。近年来，有许多关于超声触发微泡用于药物输送的研究，并且采用微泡载药的结构可以有效控制药物的释放与沉积，增强治疗效果。所以无论从微泡作为药物载体还是与超声响应的角度来讲，粒径的稳定均一性不仅能够有效保证载药量以及将药物输送至靶区，还可以提高与超声的响应效率。一方面增强超声作用微泡对组织的理化效应的影响，另一方面提高药物在靶区的有效释放率。所以为了实现最大化的治疗功效，必须严格控制微泡尺寸和表面特性以及保证微泡的稳定性，且在尺寸和声学行为方面具有单分散性。

为了产生单分散微泡，国内外学者进行了大量的研究。临床上最常用的微泡产生方法是超声法和机械搅拌法，虽操作简单、价格低廉，但微气泡尺寸分布范围较广。对于目前市售的微泡，95%至98%＜5μm（平均尺寸为1.1-2.4μm），标准差为0.35-0.47μm，浓度大约为108-1010MBs/mL。离心操作超声法制备的多分散悬浮液后粒径分布变窄；然而，这种方法需要额外的实验操作，并且很难扩展。此外，它还会导致材料浪费，从而降低气泡的产率。其他制备微泡的方法，如同轴电液雾化法（CEHDA）、喷墨打印和膜乳化。CEHDA 涉及通过电场同轴流动两种不混溶的流体（两种液体或气体和液体），其中各个气泡或液滴脱落。尽管通过超声处理产生的宽气泡尺寸分布得到改善，但CEHDA 不能有效保证产生比商用造影剂更均匀的气泡。喷墨打印依赖于通过压电驱动喷嘴推动聚合物溶液，虽然可以控制尺寸，但是，产生的刚性聚合物涂覆颗粒的机械性质可能不适用于诊断和治疗超声。膜乳化法可以增加气泡单分散性，在该技术中，迫使气体通过多孔膜进入表面活性剂溶液，然而，单分散性仍然不理想，必须仔细选择表面活性剂以防止与膜之间的相互作用而导致的气泡聚结。

综上提出的各种技术中，基于微流控的方法已经成为生产平均气泡直径＜10μm 的单分散气泡悬浮液的最有效方法之一。通过控制通过微米尺寸通道的流体流动，可以精确地产生稳定单分散的气泡群。

1 微流控制备微泡的研究进展

微流控学是基于微尺度上对流体的操作，通常是在＜1000μm 的通道内，它使多个过程的小型化和集成化成为可能。因此，微流体装置通常需要非常小的流体体积，从而减少了实验和试剂的总成本和分析时间。微流控设备除了具有体积小的优点外，还具有优越的流体力学特性，狭窄的通道可以防止湍流，从而使材料通过层流设备平稳、可预测的传输。这些优势使得微流控应用广泛，如检测、分离和制备微泡等。为了产生微气泡，含有气体（气相）的微流控通道与含有液体（连续相）的微流控通道相遇，可以设计使这些通道互相垂直流动，或者一起通过一个小孔而形成气泡。改变连续相或气相的组成，或改变微流体装置的设计，可以设计出适合特定应用的气泡。

Ganan-Calvo 等人首次使用流动共聚焦的方法描述了通过毛细管和孔口形成单分散气泡的过程。Garstecki等人描述了一种可以直接集成到微流控芯片中的流动聚焦装置，并且能够以超过每秒105 个气泡的频率生成单分散气泡，在该流动聚焦装置中，气泡的尺寸随着液体流量的变化而变化，并且气泡的尺寸与气体流量和液体流量的比值成正比。Yasuno 等人尝试了3D 通道形成单分散微泡的方法。J. H 等人利用T 型剪切微流控装置成功地制备了多分散指数为1%～2%的单分散微泡。另外对气泡尺寸尺度的研究表明，T 型装置气泡形成机理不同于流动共聚焦，也不同于3D 通道形成法，其可独立控制分散气泡的大小和体积分数。Kanaka 等人对流动共聚焦装置进行了改进，基于聚二甲基硅氧烷（PDMS），扩大喷嘴的几何形状和孔口宽度，最终成功制备了多分散度指数为2%的微泡，并且足够坚固保证持续数小时产生。Abraham 等人研究了利用数字（液滴）微流控技术生产脂质微球，研究证明微泡的大小和产量很容易受到通道内压力条件的影响。因此，通道几何形状以及液体和气体流量是稳定生产和精确控制脂球大小的重要参数，该研究同时验证了将两个流动聚焦结构组合成单一区域比在两个流动聚焦几何图形中两个流动聚焦区域相隔任意距离时对气体压力的敏感性要低，更有利于微泡的稳定形成，最终制备得到稳定分散的脂质微球。Kanaka 等人基于微流控流动聚焦的方法控制微泡内部气体成分以及外壳成分和外壳厚度。颗粒壳层厚度可以通过调节流体流速来调节，还可以通过调整PDMS 交联密度或流体属性来调整变形性，热固化后，它们具有高度的尺寸稳定性和低的多分散度（p＜10%）。Kaya 等人的研究通过改变气体入口压力和流体流量，可以产生半径为1.8～4.8μm 的几乎单分散的微气泡。从声学响应气泡动力学的角度出发，单分散气泡产生的共振强度要高于多分散气泡。Miguel 等人进一步研究证明了单分散微泡具有更窄的衰减光谱，其在对应于平均单泡共振频率的频率值处出现最大峰值。Wang等人的工作主要研究T 型通道制备微泡的分散性，详细论述了微通道结构、工作条件和物理性质对分散指数的影响，研究发现，扩张毛细管对分散规律有较大影响，有利于减小分散粒径。分散相流速和两相粘度比对分散粒径的影响也很重要，由于分散相的弹性变形，分散相与连续相的粘度比越低，分散尺寸越大。此外，还发现剪切力的方向也会对微泡的分散性产生影响。Tim等人基于流动聚焦装置控制微泡的尺寸，在其下游增加蛇形通道，保证气泡形成后的稳定性，避免微泡的融合破裂，最终保证制备得到低分散指数的脂质微泡。

2 结束语

微泡动力学研究认为高度均匀的气泡会导致均匀的声学行为，从而提高治疗的有效性。用微流体装置代替超声波或化学方法生产微气泡的显著优势是可以产生高度均匀的微泡，其缺点是生产率较低。尽管有研究表明如通过使用硬质材料——玻璃和塑料（聚甲基丙烯酸甲酯，聚碳酸酯）而不是PDMS 来实现。或者其他方法增加气泡的产生，但继续提高微泡产量对微流体产生的微气泡的临床应用将是至关重要的，同时，能够预测和模拟这些微泡的行为变得越来越重要。特别是对超声下微泡的能量耗散机制的详细了解，将有助于推动微流控技术制备微泡的研究发展。