王常傲，劉昆，朱則霖，毛維昆，付文波，王士芳

(合肥工業(yè)大學化學與化工學院，合肥 230009)

靜電噴霧是一種經典的高分子微球/微膠囊的制備方法，是在高壓直流電源作用下，在注射器針頭與收集板間形成靜電場，高分子溶液在該電場的作用下，克服表面張力形成帶電液滴，又因電場的牽引作用向收集板方向移動，移動過程中溶劑會逐漸揮發(fā)，從而在收集板上得到干燥高分子顆粒的過程[1]。

不同的靜電噴霧裝置組成不相同，但一般均需要高壓直流電源、恒流注射泵、注射器、針頭、收集板等[2]。與噴霧干燥、乳化、溶劑蒸發(fā)等其它高分子微球/微膠囊制備技術相比，靜電噴霧技術制得的高分子顆粒具有粒徑小、粒徑分布窄、產物形貌較易控制等優(yōu)點[3]，該技術在多學科領域具有廣泛的應用[4]，如食品加工[5–9]、農業(yè)生產[10]、藥物包裹[11]、高分子形貌調控[12]、天然高分子加工等[13]。

聚己內酯(PCL)作為一種常見的高疏水性高分子材料，從結構上看由己酸酯重復單元構成，在自然環(huán)境中能夠通過微生物的作用緩慢降解[14]。由于PCL 具有優(yōu)越的生物相容性以及降解性，常作為高分子形貌調控的原料，在諸如藥物傳輸、納米顆粒制備、醫(yī)療設備、組織工程等高端領域都有著廣泛的應用[15]。

在此前的研究中[16]，曾經探討過在某一固定比例的溶劑體系下，通過靜電噴霧技術制得PCL 顆粒的形貌特點。在此基礎上，筆者嘗試在溶劑體系中加入致孔劑正庚烷作為非溶劑，通過改變溶劑-非溶劑的組成，以期得到形貌多樣的PCL 顆粒，擴展PCL 顆粒在藥物載體、催化劑載體和離子吸附等方面的應用[17]。由于PCL 可以順利溶解在二氯甲烷（DCM）中，而不溶于乙醇和正庚烷，對PCL 而言，DCM 即為溶劑，乙醇和正庚烷可視為非溶劑。筆者采用PCL/DCM/乙醇、PCL/DCM/正庚烷、PCL/DCM/乙醇/正庚烷作為母液，分別考察二元/三元溶劑-非溶劑體系下，不同溶劑組成對靜電噴霧得到PCL 顆粒形貌的影響。采用掃描電子顯微鏡(SEM)表征產品顆粒的形貌。

1 實驗部分

1．1 主要原料

DCM：分析純(≥99.5%)，國藥集團化學試劑有限公司；

正庚烷：分析純(≥98.5%)，國藥集團化學試劑有限公司；

無水乙醇：分析純(≥99.0%)，國藥集團化學試劑有限公司；

PCL：重均分子量為65 000， 分子量分布指數(PDI)為1.8，深圳光華偉業(yè)有限公司。

1．2 主要儀器及設備

靜電噴霧裝置：其結構如圖1 所示，自制；

圖1 靜電噴霧裝置簡圖

高分辨場發(fā)射SEM：Regulus 8230 型，日本Hitachi 公司。

1．3 實驗過程

(1)母液配制。

配制質量分數為3%的PCL 溶液，有機溶劑選用不同質量配比的DCM/乙醇/正庚烷溶劑-非溶劑混合體系。

(2)顆粒制備。

實驗裝置工藝參數設定：針板間距D=20 cm，母液流速μ=1 mL/h，電源電壓U=25 kV。用一次性注射器吸取定量的母液，連接聚四氟乙烯延長管和針頭，置于恒流注射泵，在收集板上套上錫紙以收集顆粒。靜電噴霧過程中，溶劑和非溶劑在針板間揮發(fā)，得到干燥的PCL 顆粒，置于真空干燥箱中干燥24 h 備用。

1．4 產品表征

使用高分辨場發(fā)射SEM 觀察產品顆粒形貌并拍照。

2 結果與討論

2．1 顆粒形貌

(1) PCL/DCM/乙醇體系。

乙醇質量分數為0%，即PCL/DCM 體系制得的PCL 的SEM 照片如圖2 所示，添加不同含量乙醇后靜電噴霧得到PCL 的SEM 照片如圖3 所示。

圖2 PCL/DCM 體系制得PCL 的SEM 照片

圖3 PCL/DCM/乙醇體系制得PCL 的SEM 照片

由圖3 可以看出，向PCL/DCM 體系中加入乙醇，顆粒粒徑略微下降，約為3 μm，顆粒間的粘連程度逐漸加重，在乙醇質量分數不大(5%～15%)時，所得顆粒球狀較為穩(wěn)定和完整(圖3a，圖3b，圖3c)，但隨著乙醇含量的增加，顆粒間出現絲狀物質，且出現許多粒徑更小的顆粒，使得顆粒均一程度下降(圖3d，圖3e)，當乙醇質量分數增加到40%時，顆粒產生形變，以橢球狀為主，絲狀物質依舊存在，球狀顆粒較少(圖3f)。

(2) PCL/DCM/正庚烷體系。

添加不同含量正庚烷后靜電噴霧制得PCL 顆粒的SEM 照片如圖4 所示。由圖4 可以看出，加入正庚烷后，顆粒表面的粗糙程度、顆粒粒徑大小和顆粒間的粘連程度無明顯變化。在正庚烷添加量不大(5%～15%)時，均出現大量表面有孔隙和凹陷的球狀顆粒，且該孔隙隨著加入正庚烷質量分數的增加而逐漸增大(圖4a,圖4b，圖4c)，當加入正庚烷質量分數為溶劑體系的15%時，孔隙直徑增大至極限，約為4.5 μm，多數顆粒呈現碗狀(圖4c)。繼續(xù)增加體系內正庚烷的質量分數，原有的凹陷和孔隙逐漸消失，顆粒呈現扁平狀，且與之前相比，顆粒明顯變大(圖4d，圖4e)。當正庚烷質量分數為溶劑體系的40%時，顆粒由之前的扁平狀繼續(xù)變大至不規(guī)則多邊形，且顆粒表面出現許多極小凹陷，整體傾向于疏松顆粒(圖4f)。

圖4 PCL/DCM/正庚烷體系制得PCL 的SEM 照片

(3) PCL/DCM/乙醇/正庚烷體系。

添加不同含量乙醇、正庚烷后靜電噴霧得到PCL 顆粒的SEM 照片如圖5 所示。

三元溶劑-非溶劑體系不同組別溶劑配比的設置主要原因是，在以前的DCM/乙醇二元體系的實驗中發(fā)現，當乙醇質量分數為15%以內時，對提升球狀PCL 顆粒的完整程度有一定的積極作用，而當乙醇質量分數超過15%時，顆粒形貌逐漸不受控制，單張SEM 照片中的PCL 顆粒形貌難以達到統(tǒng)一。故在三元溶劑-非溶劑體系實驗中，將乙醇的質量分數控制在15%以內。又因為在DCM/正庚烷二元體系的實驗中，正庚烷質量分數由5%增至40%的全過程，PCL 顆粒形貌均有所改變且整體變化較統(tǒng)一，故將三元溶劑-非溶劑體系中的正庚烷的質量分數設置為5%～40%。

橫向對比各組實驗結果(即在三元體系內，正庚烷質量分數為一定值，改變DCM 和乙醇的質量分數)。由圖5a1～圖5e1 可見，正庚烷質量分數為5%，隨乙醇質量分數的增加，帶孔PCL 顆粒表面的孔隙逐漸變小，乙醇質量分數達到10%后，孔隙變?yōu)檩p微的凹陷，整體形貌仍為球狀。由圖5a2～圖5e2 可見，正庚烷質量分數為10%，隨乙醇質量分數的增加，PCL 顆粒由單側深度凹陷的碗狀顆粒逐漸變?yōu)槎鄠劝枷莸念w粒，而當乙醇質量分數在7.5%及以上時，凹陷難以觀察到，PCL 顆粒變?yōu)楸馄綘?。由圖5a3～圖5e3 可見，正庚烷質量分數為15%，當乙醇質量分數為2.5%時，PCL 顆粒整體已經呈現碗狀、扁平狀共存的情況，將乙醇質量分數增至5%，碗狀PCL 顆粒進一步減少，以扁平狀為主，繼續(xù)增加乙醇，形貌變化不大。由圖5a4～圖5e4 可見，正庚烷質量分數為20%，能夠明顯看出，乙醇質量分數從2.5%增至12.5%的全過程，PCL 顆粒形貌始終為扁平的層狀。而在圖5a5～圖5e5 和圖5a6～圖5e6中發(fā)現，正庚烷質量分數為30%和40%時，乙醇質量分數的增加對PCL 顆粒形貌帶來的變化規(guī)律是相似的，都出現了多孔顆粒，且孔的大小都隨著乙醇質量分數的增加先變均勻而后逐漸消失，其中在正庚烷質量分數為30%、乙醇質量分數為10%時，即由圖5e5 可見，所得到的多孔PCL 顆粒效果最佳。

圖5 PCL/DCM/乙醇/正庚烷體系制得PCL 的SEM 照片

2．2 機理分析

(1)孔隙顆粒形貌演變。

首先對溶劑-非溶劑體系內加入非溶劑正庚烷后形成表面帶孔隙的PCL 顆粒的機理進行分析，不同質量分數的正庚烷對孔隙顆粒形貌的影響及演變過程如圖6 所示，孔隙的形成可以用類似“鎖鑰理論”進行解釋。以二元溶劑-非溶劑體系為例，高分子PCL 和非溶劑正庚烷均能夠順利溶于溶劑DCM中，當正庚烷質量分數較小時，PCL 顆粒和正庚烷發(fā)生小部分的類似于“鎖鑰”結構的重疊，靜電噴霧開始后，溶劑DCM 率先被蒸發(fā)，正庚烷依舊留在顆粒表面，隨著靜電噴霧的進行，正庚烷逐漸蒸發(fā)，在PCL 顆粒表面留下了一個孔隙。隨著正庚烷質量分數的增加，該孔隙逐漸變大，形成碗狀顆粒。當正庚烷液滴尺寸略微大于PCL 顆粒時，孔隙擴大至顆粒呈扁平狀。如果繼續(xù)增大正庚烷質量分數，正庚烷液滴將會包裹PCL 顆粒，蒸發(fā)時，正庚烷由整個PCL 顆粒表面向外擴散，故在整個PCL 顆粒表面均留下了輕微的凹陷，顆粒傾向于疏松狀。

圖6 非溶劑正庚烷質量分數對靜電噴霧得到PCL 孔隙顆粒形貌的影響機理圖

與二元體系相比，三元體系增加了乙醇的影響，減少了PCL 和正庚烷活動的范圍，當乙醇質量分數增加到一定時，正庚烷更易與高分子表面形成“鎖鑰”結構，從而形成如圖7 所示的多處凹陷的PCL 顆粒。保持此乙醇質量分數不變，繼續(xù)增大正庚烷質量分數至其包裹PCL 顆粒，由于活動領域變小，正庚烷在高分子表面停留的時間更長，擠壓更加嚴重，形成了如圖7 所示的多孔顆粒。

圖7 三元溶劑-非溶劑體系對靜電噴霧得到PCL 孔隙顆粒形貌的影響機理圖

(2)佩克萊特準數與顆粒形貌的關系。

孫智在其論文[18]中曾嘗試使用改進的佩克萊特準數(簡稱Pe 準數)來解釋二氧化碳膨脹抗溶劑中的靜電噴霧得到的高分子顆粒形貌的特點。Pe準數的計算公式見式(1)。

定性分析可將Pe 準數視為高分子溶液中有機溶劑的蒸發(fā)速率與高分子鏈段在溶液中活動性的比值，這樣就會得到兩種極端情況。一是當有機溶劑的蒸發(fā)速率很快，能夠迅速去除，恰好高分子鏈段在溶液中移動速度很慢時，會導致高分子鏈段的收縮速度遠低于溶劑的蒸發(fā)速度，最終得到表面高度疏松的顆粒，此時Pe 準數數值較大；二是當有機溶劑蒸發(fā)很慢，恰好高分子鏈段能夠在溶液中完全自由移動時，會導致高分子鏈段擁有足夠的時間跟隨液滴同時收縮，最終得到表面光滑且完整的球狀顆粒，此時Pe 準數數值較小。當實際情況介于兩者中間，即Pe 準數適中時，會得到形貌多樣的高分子顆粒。

本實驗中高分子溶液的溶劑去除方式為靜電作用下溶劑在針板之間的空氣蒸發(fā)，盡管DCM、乙醇、正庚烷三種溶劑常溫下的沸點和蒸氣壓有一定差別，但鑒于針板間距足夠大，可以認為不同溶劑的蒸發(fā)速率相差不大。

預實驗中發(fā)現，將PCL 溶解在DCM/乙醇和DCM/正庚烷二元體系內，當非溶劑質量分數超過50%時，高分子溶液會變渾濁，即有高分子顆粒析出，出現相分離，證明更改溶劑-非溶劑的組成，對高分子鏈段在溶液中活動性影響較大。

筆者選用的溶劑為DCM，室溫下在空氣中蒸發(fā)速率較快，但同時，高分子PCL 極易溶于DCM，考慮到為了防止靜電紡絲的出現，高分子濃度僅為3%，故在高分子溶液內，高分子鏈段的活動性極大，導致Pe 準數數值較小，得到了表面完整的實心顆粒。當向DCM 中加入非溶劑乙醇或正庚烷時，溶劑體系的蒸發(fā)速率降低，但同時，高分子鏈段的活動范圍大幅減小，活動性嚴重降低，綜合考慮Pe 準數數值仍然升高，出現了多種形貌的PCL 顆粒。以上實驗現象均符合Pe 準數與顆粒形貌的關系。

3 結論

考察了不同溶劑-非溶劑組成對靜電噴霧技術得到PCL 顆粒形貌的影響。DCM/乙醇二元體系內，少量乙醇對PCL 顆粒球狀的完整程度有一定促進，但隨著乙醇含量上升，顆粒粘連嚴重，產生形變。DCM/正庚烷二元體系內，顆粒表面出現孔隙，且隨正庚烷含量的增加，孔隙直徑逐漸增大直至顆粒呈現扁平狀。在DCM/乙醇/正庚烷三元體系(乙醇質量分數2.5%或5%、正庚烷質量分數5%至40%時)，得到孔狀、碗狀、扁平狀、多孔狀等多種形貌的PCL 顆粒，并從形貌演變、Pe 準數兩個方面進行機理分析。一是得到的多孔PCL 微球在藥物載體和離子吸附等方面有廣泛的應用，二是對Pe 準數預測高分子形貌調控結果提供了進一步的理論支持。