温控相变微胶囊

转自 ACS Applied Materials & Interfaces ACS应用材料和界面

论文信息：Chen Li, Jijie Fu, Fangsheng Huang, Zhiqiang Zhu, and Ting Si. Controlled latent heat phase-change microcapsules for temperature regulation[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2023, 15(25): 30383-30393.

论文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.3c06063

研究背景

将小分子、核酸、蛋白质和药物引入细胞是监测和理解细胞行为及生物功能的基本方法。然而，细胞膜作为生物屏障阻止外源分子的进入。因此，在保持细胞活力的同时，高效地将外源分子递送到细胞中在细胞生物学中极为重要。目前的细胞内递送可以通过载体介导或膜破坏介导的技术来实现。由于能够精确操控微尺度下的细胞，微流体细胞内递送成为最有前景的解决方案之一，使大分子货物和外源化合物的细胞内递送更加可行。例如，微流体装置可以通过改变微通道尺寸和液体流动精确控制剪切应力，并利用剪切应力诱导的细胞膜渗透性递送大分子。声孔法和电穿孔法等场辅助方法也已被用来与微流体技术集成。

研究内容

图1展示了使用微流控探针将货物递送到单个细胞的过程。递送溶液中含有地高辛，通过氢键与质膜中的胆固醇结合，导致膜的穿孔。这个穿孔使货物能够通过形成的孔进入细胞。

图1 主动流动聚焦技术的示意图和参数控制

图2显示了数值模拟的结果，图2a为流动流线场，红线表示注入的流动，黑线表示环境中的介质。图2b为基底表面的浓度分布，注入的溶液被完全吸入，溶质被限制在一个液滴形的微区内，没有扩散。图2c显示了溶质浓度在垂直剖面中的分布情况，浓度分布均匀。图2d展示了在微流控探针形成的微区中基底表面的剪切应力分布。图2e展示了由微流控探针形成的微区的荧光图像。

图2 主动流动聚焦过程中的锥体、液滴和微胶囊

图3主要对相变微胶囊（PCMCs）的热性能进行了分析，图3a展示了不同质量比的n-十六烷和n-十六烷聚脲微胶囊的DSC曲线。结果表明，纯n-十六烷的熔点（Tm）为23.7°C，结晶温度（Tc）为9.1°C。图3b展示了相同样品的结晶热谱图。结果显示，n-十六烷含量越高，壳层越薄，热性能越高。不同粒径微胶囊的加热曲线（图3c），在固定质量比的条件下，不同粒径微胶囊的加热曲线表明，粒径越小，比表面积越大，温度响应越快。随着粒径增大，微胶囊的焓值增加，储热性能增强。不同加热速率下的加热和冷却曲线（图3d和3e），加热速率为2, 5, 和10 K/min时，微胶囊的Tm分别为19.6°C, 22.4°C和26.3°C，Tc分别为14.2°C, 12°C和18°C。随着加热速率的增加，熔化峰起始温度变化不大，但峰顶和峰结束温度升高，峰形变宽。结晶峰起始温度变化不大，但峰顶和峰结束温度降低，峰形变宽。纯n-十六烷和微胶囊的加热曲线对比（图3f），不同加热速率下，微胶囊和n-十六烷的峰温相对不同。加热速率为2 K/min时，微胶囊和n-十六烷的峰温分别为19.6°C和20.8°C；加热速率为5 K/min时，分别为22.4°C和22.5°C；加热速率为10 K/min时，分别为26.3°C和23.7°C。此差异归因于微胶囊高比表面积、壳材料导热率低以及微胶囊间空隙的综合影响。图3g展示了n-十六烷、壳层和PCMCs的TGA曲线，图3h展示了相应的DTG曲线。结果表明，纯n-十六烷在82-215°C范围内主要分解，DTG曲线在204°C达到峰值；聚脲壳材料在216°C开始表现出明显的质量损失，DTG曲线在351°C达到峰值。

图3 PCMCs热分析

图4a为PI递送，随着递送时间的增加，进入细胞的PI量增加。在不同时间递送的PI量存在统计学显著差异，p值小于0.05、0.01、0.001和0.0001，表示显著性逐渐增加。图4b为FITC-Dextran递送FITC-Dextran的递送效率随分子量变化。进入细胞的FITC-Dextran量也随着递送时间的增加而增加。较高分子量的葡聚糖显示出比较低分子量葡聚糖更低的递送效率。注意到统计学显著差异，表明分子量对递送效率的影响。图4c和d在加热和冷却过程中，六十碳烷、相变微胶囊、聚氨酯壳和空白对照的红外摄像机图像。

图4 PCMC温度调节

总结与展望

本文利用主动流动聚焦（AFF）技术制造的高度单分散相变微胶囊（PCMCs）具有良好的热性能，可用于温度调节。作为示例，使用十六烷作为常见材料，通过界面聚合制备具有不同粒径、壳厚和热性能的PCMCs。该方法可以生产具有广泛焓值的胶囊，且过程高度准确和可控。在胶囊形成过程中，涉及界面相互作用，在施加初始扰动后，其发展导致喷射的可控破裂。在压电执行器的激励下，液体喷射以与外部扰动相同的频率规则地破裂。通过流速和激励频率可以精确控制微胶囊的尺寸，壳厚可以通过单体比率进行调节。制造的PCMCs具有均匀的粒径，变异系数（CV）小于2%，表面光滑，结构紧凑。同时，它们具有良好的相变性能和强大的热存储能力，聚脲壳具有良好的热稳定性和对十六烷芯材的良好保护效果。微胶囊的焓值与微胶囊的尺寸和壳厚有关。单体比率越低，壳越薄，微胶囊的焓值越高。随着微胶囊尺寸的增加，微胶囊的焓值增加，热存储性能增强。这证明了精确控制微胶囊尺寸和性能的可行性。