收稿日期:2000-04-12。
作者简介:余若冰,湖北工学院化工系高分子材料专业研究生。
现从事微胶囊的研究工作。
微胶囊与微胶囊技术余若冰 彭少贤 郦华兴(湖北工学院化工系,武汉,430068)杨敬宇 汪秉坤 (武汉塑料十一厂,430010) (武汉马应龙药业公司,430064) 摘要:介绍了微胶囊、微胶囊的包囊材料的种类及选用原则、微胶囊囊芯物的种类。
重点介绍微胶囊化技术,主要的制备方法有水相分离法、有机相分离法、复相乳液聚合法、乳液聚合法、界面聚合法、界面沉积法,后面三种方法主要用来制备纳米微胶囊。
对微胶囊建立特性参数进行表征,并对微胶囊的大小、膜厚、微胶囊膜的孔径对微胶囊的扩散性能的影响进行探讨。
预测了微胶囊技术的发展前景。
关键词: 微胶囊 微胶化 技术 微胶囊是由天然或合成高分子制成的微型容器,直径一般为1～1000μm 。
含固体微胶囊的形状与囊内固体相同,含液体或固体的微胶囊形状是球形的。
微胶囊技术包括微胶囊的制备技术和应用技术。
即采用特定的方法和特定的设备,使高分子材料包封住药品、涂料及反应试剂等,制成微胶囊,然后将制备的微胶囊通过一些其他的工艺,再制成具有优良特性的产品。
广义地说,微胶囊具有改善和提高物质表观及其性质的能力。
更确切的说,微胶囊能够储存微细状态的物质,并在需要时释放该物质。
微胶囊亦可转变物质的颜色、形状、重量、体积、溶解性、反应性、耐久性、压敏性、光敏性等特点。
正因为以上特点,所以微胶囊已被广泛地用于医药、农药、涂料、生物固定化技术等行业。
1 微胶囊包囊材料1.1 微胶囊包囊材料的选择原则 包囊材料应是可以掩盖或改变囊芯物不良性质的载体。
选择微胶囊包囊材料应根据被包囊物质的性质、微胶囊产品的应用性能要求;包囊材料应具有足够的渗透性、稳定性、溶解性、粘度、介电性能、吸湿性;囊材对囊芯物有足够的包裹率,易于成囊。
此外,包囊材料的价格也是选择包囊材料所需考虑的因素。
1.2 微胶囊包囊材料 包囊材料可分为天然高分子材料、半合成高分子材料、合成高分子材料三大类。
天然高分子材料为可胶凝的胶体材料,如明胶、阿拉伯胶及淀粉等[1～3],这类材料无毒,成膜性好,但是机械强度差,原料质量不稳定。
以天然高分子为包囊材料的微胶囊制备方法有许多,主要采用复凝聚法及其改进方法。
半合成高分子材料以纤维素衍生物为主,如羧甲基纤维素钠(CMC -Na )、邻苯二甲酸醋酸纤维素(CAP )、乙基纤维素(EC ),纤维素衍生物的优点是毒性小、粘度大、成盐后溶解度增加,缺点是易水解,不耐高温,耐酸性差。
在半合成高分子材料中,乙基纤维素(EC )适用于非水体系絮凝工艺制备微胶囊;醋酸纤维素酯适用于非水体系絮凝工艺和水体系中单凝聚的工艺制备微胶囊[4]。
合成高分子材料(聚丁二烯、聚乙烯、聚乙烯醇缩醛、聚醚、聚乙二醇、聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯、环氧树脂、合成橡胶等)的特点是成膜性好,化学性能好,稳定性好[5]。
随着药物控释技术的发展,合成生物降解型高分子材料将成为该领域的热点。
由于此种材料可生物降解,也不会在体内滞留,所以得到人们的关注,如聚乙烯吡咯烷酮(PVP )[6]、现 代 塑 料 加 工 应 用第12卷第6期 Modern P lastics Processing and A pplicatio ns 2000年12月聚乙烯醇(PVA)、聚乳酸(PLA)、聚膦腈[7]、多聚原酸酯、多聚磷酸酯和假性多聚氨基酸等[8]。
2 微胶囊的囊芯物 被高分子包囊材料所包裹的物质叫囊芯物。
多数的气体、液体和固体材料可以被包封在微胶囊中,被包封的材料可以是亲水的亦可以是疏水的,如成像显色微胶囊,包囊了无色染料、光氧化剂及有机化合物,曝光时,囊芯物显影成像。
而作为光记录介质和光敏记录材料的微胶囊,则包囊有卤化银、还原介质[9]、可聚合化合物、彩色成像剂和固体精细粒子[10],在热和光的作用下,显影成像。
在药物微胶囊中,除主药外,还加入附加剂,如稳定剂、稀释剂以及控制药物释放的阻滞剂等。
总之,囊芯物的品种极其繁多,如溶剂、增塑剂、色料、燃料、催化剂、香料、交联剂、化学反应剂、显色剂、药物、生物材料、食品、化学药剂、泡胀剂、防锈剂等。
3 微胶囊化技术微胶囊化的关键在于包封囊芯物成膜,有时还需使膜固化。
为了实现包囊化,包囊膜的表面张力应小于囊芯物的表面张力[11]。
微胶囊制备方法大致可分为物理化学方法、化学方法和物理机械方法,本文重点介绍以下几种。
3.1 水相分离法 凝聚现象与胶体物质由溶液中沉析或絮凝现象密切相关,凡能引起沉析的因素都能引起凝聚。
这些因素包括胶体间电荷的中和以及亲水胶粒周围水相溶剂层的消失。
对于凝聚机理通常认为有两种可能,一是被包裹的材料逐渐被新形成的凝聚核所包埋,二是先形成较大的凝聚体,然后再进行包埋。
水相分离法可分为复凝聚法和单凝聚法。
3.1.1 复凝聚法复凝聚法就是利用两种带相反电荷的高分子包囊材料的相互交联,使包囊材料的溶解度降低,而从溶液中凝聚析出微胶囊。
实现复凝聚的必要条件是有关的两种聚合物离子的电荷相反,且混合物中离子数量在电学上恰好相等。
同时,体系的pH值、温度、浓度以及盐含量都对凝聚相的构成及数量有很大的影响。
复凝聚微胶囊化技术由下列3步构成: (1)被包囊物质在聚电解质水溶液中扩散;(2)加入带相反电荷的另一种聚电解质水溶液,并在囊芯物周围形成沉析;(3)凝聚层的凝胶与固化。
而明胶-阿拉伯胶微胶囊就是最典型的复凝聚法工艺。
在复凝聚法中,微胶囊化是在水溶液中进行的,故芯材必须是非水溶性的固体粉末或液体。
它的优点是非水溶性的液体材料不仅能被微胶囊化而且具有高效率和高产率。
3.1.2 单凝聚法单凝聚法是指在溶有高分子包囊材料的水溶液中加入油溶性囊芯物,分散,再加入强亲水性非电解质(乙醇、丙酮)或亲水性电解质(硫酸钠、硫酸铵)凝聚剂,使大量的水与凝聚剂结合,由此导致高分子包囊材料溶解度降低,凝聚分离出来形成微胶囊。
如果选择适当的温度、pH值、溶剂或盐等条件,则任何聚合物的水溶液都能发生单凝聚。
由于单凝聚体系中常应用水、明胶和醇,因此,微胶囊化的芯材应该既不溶于水,也不溶于醇。
在使用单凝聚法微胶囊化时,控制微胶囊的大小较为困难,所以该法逊色于使用复凝聚法微胶囊化。
3.2 有机相分离法 有机相分离法是指在作为囊壁材料的聚合物有机溶液中,加入一种对该聚合物不溶的液体(非溶剂),引起相分离而形成微胶囊。
所分离出来的聚合物数量和状态取决于聚合物的浓度、加入非溶剂的量及温度。
本法所用囊芯物可以是水溶性,亲水性的固体或液体物质,但在包囊溶剂与非溶剂中均不溶解,也无化学反应发生。
所用包囊材料及溶剂和非溶剂如表1。
表1 包囊材料及溶剂和非溶剂的种类囊材溶剂非溶剂乙基纤维素四氯化碳(或苯)石油醚醋酸纤维素丁酯丁酮异丙醚聚氯乙烯四氢呋喃(或环己酮)水(或乙二醇)聚醋酸乙烯酯氯仿乙醇苯乙烯马来酸共聚物乙醇醋酸乙酯聚乙烯二甲苯正己烷3.3 复相乳液法 复相乳液法是制备芯材为水溶液的微胶囊的一种重要方法。
其原理是:将壁材与芯材的混合物以·56· 现 代 塑 料 加 工 应 用 第12卷第6期微滴状态分散到介质中,随后,挥发性的分散介质急骤从液滴中蒸除,形成囊壁,再通过加热、减压、搅拌、溶液萃取、冷却或冻结的手段将囊壁中的溶剂除去而实现微胶囊化。
常根据包囊材料的性质制成W/O/W或O/W/O的乳液体系。
稳定剂对液滴的形成非常重要,通过在液滴的表面形成一层保护层,从而减少了彼此间的凝聚。
常用的乳化稳定剂有聚乙烯醇、明胶、司班、吐温等。
要根据乳化剂的HLB 值进行选择。
由于乳液液滴的大小直接决定了最终微胶囊的尺寸,所以乳化剂的选择和用量相当重要。
在复相乳液法中溶剂的提取及挥发都存在着一个溶剂从液滴向周围介质扩散的过程。
提取速度快时微胶囊表面呈现多孔性,而蒸发的方法则可形成相当光滑的表面[12]。
搅拌速度对乳液液滴的形成有很重要的影响,所以在制备纳米级微胶囊时,常在均化器中高速搅拌或者在强烈的超声波下制成乳化液,才能形成粒径更小的纳米级微胶囊。
同时,高分子溶液的粘度对微胶囊的大小也有影响,粘度大,粒径也随之增大,同时微胶囊表面也比较粗糙。
在复相乳液法制备微胶囊过程中pH值不发生变化,也不需要特殊的试剂。
通常为了提高微胶囊收率和制剂稳定性,常采用乙基纤维素为包囊材料。
3.4 乳液聚合 乳液聚合[13]是制备纳米微胶囊的重要方法。
乳液聚合法既可适用于连续的水相,也可适用连续的有机相。
典型的在连续水相中乳液聚合的方法如下:首先,单体分散于水相进入乳化剂胶束,形成有乳化剂稳定的单体液滴,然后通过引发或高能辐射在水相中聚合。
聚甲基丙烯酸甲酯、聚烷基异氰酸酯、聚丙烯酸共聚物微胶囊均可通过此法制得。
由于有机相作为连续相的乳液聚合均使用大量的有机溶剂和有毒的表面活性剂,所以在制药方面受到限制。
将超声波(20～50kHz)用于乳液聚合,可提高单体的正常转化率,提高聚合物在囊芯物上的厚度[14]。
超声波对聚合反应的影响,主要在反应的初始阶段,其原理在于超声的空穴作用。
使用低能量超声,微胶囊覆盖好,用高能量的超声,分散性好。
3.5 界面聚合 界面聚合[15]也是制备纳米微胶囊的重要方法。
其原理是将两种活性单体分别溶解在不同的溶剂中,当一种溶液被分散在另一种溶液中时,溶液界面处发生聚合反应而形成微胶囊。
界面聚合反应通常要求参加反应的两种或多种官能团之间容易反应,反应是相界面的扩散控制。
凡能进行界面缩聚反应的单体都可用来进行界面聚合法的微胶囊化,但用的较多的是聚酰胺、聚酯和聚氨酯。
一般来说,通过控制单体浓度、吸附的单体量和接触时间等,可以有效的控制囊壁的厚度。
界面聚合反应进行的速度很快。
在界面聚合制备微胶囊过程中,搅拌速度、乳化剂的浓度对第一种单体分散液滴大小有直接影响。
3.6 界面沉积法 界面沉积法是一种制备纳米微胶囊的新方法[16]。
典型的例子是将PLA溶于丙酮,药物溶于油相,将所形成的丙酮-油体系注入到含有表面活性剂的水中,由于丙酮迅速地穿透界面,显著地降低了界面张力,自发形成纳米液滴,使得逐渐不溶的高分子向界面迁移、沉积,最终形成纳米微胶囊。
不同制法制得的微胶囊性能差别很大。
界面聚合反应制得以聚氨酯、聚酯、聚脲、聚酰胺、聚苯乙烯、聚丙烯酸酯、脲醛树脂作包囊材料的微胶囊致密性好。
以流动床法、喷雾干燥法制得的微胶囊产品致密性差,且颗粒直径相对较大。
而水相分离法制得的微胶囊以明胶作包囊材料的微胶囊机械强度差,有一定的缓释性。
4 微胶囊的应用从1954年第一个微胶囊产品(无碳复写纸)被开发以来,微胶囊技术作为一种有效的商品化方法被广泛利用,尤其在医药、农药、涂料、生物固定化技术和塑料阻燃剂等领域应用广泛。
