杜宇翎，陳思瑤，周 野，李發(fā)琪，王振宇

（1.重慶醫(yī)科大學 超聲醫(yī)學工程國家重點實驗室/生物醫(yī)學工程學院，重慶 400016；2.重慶市生物醫(yī)學工程重點實驗室，重慶 400016）

微泡由充滿氣體的內(nèi)核和脂質(zhì)、聚合物或者蛋白質(zhì)外殼組成，其最初是作為造影劑用于增強超聲成像的。近年來，有許多關于超聲觸發(fā)微泡用于藥物輸送的研究，并且采用微泡載藥的結構可以有效控制藥物的釋放與沉積，增強治療效果。所以無論從微泡作為藥物載體還是與超聲響應的角度來講，粒徑的穩(wěn)定均一性不僅能夠有效保證載藥量以及將藥物輸送至靶區(qū)，還可以提高與超聲的響應效率。一方面增強超聲作用微泡對組織的理化效應的影響，另一方面提高藥物在靶區(qū)的有效釋放率。所以為了實現(xiàn)最大化的治療功效，必須嚴格控制微泡尺寸和表面特性以及保證微泡的穩(wěn)定性，且在尺寸和聲學行為方面具有單分散性。

為了產(chǎn)生單分散微泡，國內(nèi)外學者進行了大量的研究。臨床上最常用的微泡產(chǎn)生方法是超聲法和機械攪拌法，雖操作簡單、價格低廉，但微氣泡尺寸分布范圍較廣。對于目前市售的微泡，95%至98%＜5μm（平均尺寸為1.1-2.4μm），標準差為0.35-0.47μm，濃度大約為108-1010MBs/mL。離心操作超聲法制備的多分散懸浮液后粒徑分布變窄；然而，這種方法需要額外的實驗操作，并且很難擴展。此外，它還會導致材料浪費，從而降低氣泡的產(chǎn)率。其他制備微泡的方法，如同軸電液霧化法（CEHDA）、噴墨打印和膜乳化。CEHDA 涉及通過電場同軸流動兩種不混溶的流體（兩種液體或氣體和液體），其中各個氣泡或液滴脫落。盡管通過超聲處理產(chǎn)生的寬氣泡尺寸分布得到改善，但CEHDA 不能有效保證產(chǎn)生比商用造影劑更均勻的氣泡。噴墨打印依賴于通過壓電驅(qū)動噴嘴推動聚合物溶液，雖然可以控制尺寸，但是，產(chǎn)生的剛性聚合物涂覆顆粒的機械性質(zhì)可能不適用于診斷和治療超聲。膜乳化法可以增加氣泡單分散性，在該技術中，迫使氣體通過多孔膜進入表面活性劑溶液，然而，單分散性仍然不理想，必須仔細選擇表面活性劑以防止與膜之間的相互作用而導致的氣泡聚結。

綜上提出的各種技術中，基于微流控的方法已經(jīng)成為生產(chǎn)平均氣泡直徑＜10μm 的單分散氣泡懸浮液的最有效方法之一。通過控制通過微米尺寸通道的流體流動，可以精確地產(chǎn)生穩(wěn)定單分散的氣泡群。

1 微流控制備微泡的研究進展

微流控學是基于微尺度上對流體的操作，通常是在＜1000μm 的通道內(nèi)，它使多個過程的小型化和集成化成為可能。因此，微流體裝置通常需要非常小的流體體積，從而減少了實驗和試劑的總成本和分析時間。微流控設備除了具有體積小的優(yōu)點外，還具有優(yōu)越的流體力學特性，狹窄的通道可以防止湍流，從而使材料通過層流設備平穩(wěn)、可預測的傳輸。這些優(yōu)勢使得微流控應用廣泛，如檢測、分離和制備微泡等。為了產(chǎn)生微氣泡，含有氣體（氣相）的微流控通道與含有液體（連續(xù)相）的微流控通道相遇，可以設計使這些通道互相垂直流動，或者一起通過一個小孔而形成氣泡。改變連續(xù)相或氣相的組成，或改變微流體裝置的設計，可以設計出適合特定應用的氣泡。

Ganan-Calvo 等人首次使用流動共聚焦的方法描述了通過毛細管和孔口形成單分散氣泡的過程。Garstecki等人描述了一種可以直接集成到微流控芯片中的流動聚焦裝置，并且能夠以超過每秒105 個氣泡的頻率生成單分散氣泡，在該流動聚焦裝置中，氣泡的尺寸隨著液體流量的變化而變化，并且氣泡的尺寸與氣體流量和液體流量的比值成正比。Yasuno 等人嘗試了3D 通道形成單分散微泡的方法。J. H 等人利用T 型剪切微流控裝置成功地制備了多分散指數(shù)為1%～2%的單分散微泡。另外對氣泡尺寸尺度的研究表明，T 型裝置氣泡形成機理不同于流動共聚焦，也不同于3D 通道形成法，其可獨立控制分散氣泡的大小和體積分數(shù)。Kanaka 等人對流動共聚焦裝置進行了改進，基于聚二甲基硅氧烷（PDMS），擴大噴嘴的幾何形狀和孔口寬度，最終成功制備了多分散度指數(shù)為2%的微泡，并且足夠堅固保證持續(xù)數(shù)小時產(chǎn)生。Abraham 等人研究了利用數(shù)字（液滴）微流控技術生產(chǎn)脂質(zhì)微球，研究證明微泡的大小和產(chǎn)量很容易受到通道內(nèi)壓力條件的影響。因此，通道幾何形狀以及液體和氣體流量是穩(wěn)定生產(chǎn)和精確控制脂球大小的重要參數(shù)，該研究同時驗證了將兩個流動聚焦結構組合成單一區(qū)域比在兩個流動聚焦幾何圖形中兩個流動聚焦區(qū)域相隔任意距離時對氣體壓力的敏感性要低，更有利于微泡的穩(wěn)定形成，最終制備得到穩(wěn)定分散的脂質(zhì)微球。Kanaka 等人基于微流控流動聚焦的方法控制微泡內(nèi)部氣體成分以及外殼成分和外殼厚度。顆粒殼層厚度可以通過調(diào)節(jié)流體流速來調(diào)節(jié)，還可以通過調(diào)整PDMS 交聯(lián)密度或流體屬性來調(diào)整變形性，熱固化后，它們具有高度的尺寸穩(wěn)定性和低的多分散度（p＜10%）。Kaya 等人的研究通過改變氣體入口壓力和流體流量，可以產(chǎn)生半徑為1.8～4.8μm 的幾乎單分散的微氣泡。從聲學響應氣泡動力學的角度出發(fā)，單分散氣泡產(chǎn)生的共振強度要高于多分散氣泡。Miguel 等人進一步研究證明了單分散微泡具有更窄的衰減光譜，其在對應于平均單泡共振頻率的頻率值處出現(xiàn)最大峰值。Wang等人的工作主要研究T 型通道制備微泡的分散性，詳細論述了微通道結構、工作條件和物理性質(zhì)對分散指數(shù)的影響，研究發(fā)現(xiàn)，擴張毛細管對分散規(guī)律有較大影響，有利于減小分散粒徑。分散相流速和兩相粘度比對分散粒徑的影響也很重要，由于分散相的彈性變形，分散相與連續(xù)相的粘度比越低，分散尺寸越大。此外，還發(fā)現(xiàn)剪切力的方向也會對微泡的分散性產(chǎn)生影響。Tim等人基于流動聚焦裝置控制微泡的尺寸，在其下游增加蛇形通道，保證氣泡形成后的穩(wěn)定性，避免微泡的融合破裂，最終保證制備得到低分散指數(shù)的脂質(zhì)微泡。

2 結束語

微泡動力學研究認為高度均勻的氣泡會導致均勻的聲學行為，從而提高治療的有效性。用微流體裝置代替超聲波或化學方法生產(chǎn)微氣泡的顯著優(yōu)勢是可以產(chǎn)生高度均勻的微泡，其缺點是生產(chǎn)率較低。盡管有研究表明如通過使用硬質(zhì)材料——玻璃和塑料（聚甲基丙烯酸甲酯，聚碳酸酯）而不是PDMS 來實現(xiàn)?；蛘咂渌椒ㄔ黾託馀莸漠a(chǎn)生，但繼續(xù)提高微泡產(chǎn)量對微流體產(chǎn)生的微氣泡的臨床應用將是至關重要的，同時，能夠預測和模擬這些微泡的行為變得越來越重要。特別是對超聲下微泡的能量耗散機制的詳細了解，將有助于推動微流控技術制備微泡的研究發(fā)展。