Advanced Materials: 基于固-液界面现象的高分子微球合成法

高分子微球材料的研究和应用近年来发展非常迅速,由于其特殊的尺寸和形貌,高分子微球具备其他材料所不具备的特殊功能。高分子微球的应用渗透到我们生活中的每个角落,包括生物领域、医学和医药领域、分析领域、功能材料领域、纳米技术领域等。从涂料、纸张表面涂层、化妆品(增白剂等)等大宗产品到用于药物缓控释的微囊、蛋白质分离用层析介质的高附加值产品,都要用到微球和微囊化技术。

传统的聚合物微球合成方法主要可以概括为自下而上和自上而下的策略。自下而上的方法,如乳液聚合法,悬浮聚合法,通常涉及到化学反应或自组装,由于质量传输和粒子生长动力学,难以控制粒径分布。自上而下的方法,如微流控乳液技术,通常能够产生单分散粒子,但是这种逐粒制造技术(particle-by-particle),在实现高生产率和小尺寸微球制造面临挑战。经典的普拉托-瑞利不稳定性(Plateau-Rayleigh Instability)描述了液柱破碎成液滴的现象,其具有潜在的制备球形颗粒的价值与意义,从而引起了广大科研工作者的广泛兴趣。真正将这一现象应用于微纳米材料制备的是Kaufman等人提出的经典策略–“In Fiber”,可以用来实现尺寸可调和可扩展性的多功能微球制造,与传统的微球制造技术相比具有竞争力。然而,由于纤维包层内流体的不稳定性必须通过热退火来诱导,并且所产生的微粒只有在溶解纤维包层后才能被收集起来,因此对于不耐高温或易降解的材料来说,获得无污染微粒仍然具有挑战性。

电子科技大学邓旭课题组基于普拉托-瑞利不稳定性的物理学机制和流体力学分析,从理论设计出发,利用超双疏表面的超低表面能来最大化聚合物液柱的表面张力(驱动力),从而成功地在室温下驱动了高粘度聚合物液柱破碎并形成球形液滴。首次报道了一种快速,自发的,无约束流体不稳定性制备球形聚合物微粒的方法。该方法不依赖于任何额外的乳化剂、溶剂或加工液体,无需后处理步骤。这种策略使我们能够从多种材料中获得具有窄尺寸分布的球形聚合物微粒,包括聚氧乙烯(PEO),聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),聚苯乙烯(PS),海藻酸钠,透明质酸等。应用定制的微流控自旋设备,还能够实现聚合物微球的大规模可控制造。此外,通过改变溶液的加料配比和进料结构,也可以得到功能性,结构型的多形貌聚合物微材料,这表明其对制备多种复合型微材料具有普遍的适用性。

研究者相信,本研究提出的基于固-液界面现象来诱导无约束流体不稳定性的策略为制备聚合物微粒提供了一条新的途径,特别是该方法在无表面活性剂、水溶性聚合物微粒的合成中具有很大的优势。同时研究中还引入了复杂流体在超双疏表面上的流体动力学的有趣现象,有助于加深对固液界面机理的理解。在设计其他合成材料时,也为科研人员提供了更多的思路和选择,这可能会引起人们的更多关注。

电子科技大学博士研究生宋佳宁为论文的第一作者,邓旭教授为论文的通讯作者。

论文信息:

Polymeric Microparticles Generated via Confinement-free Fluid Instability

Jianing Song, Wenluan Zhang, Dehui Wang, Yue Fan, Chenglin Zhang, Dapeng Wang, Longquan Chen, Bing Miao, Jiaxi Cui, Xu Deng*

Advanced Materials

DOI: 10.1002/adma.202007154