第三卷 第六期 - 2008年三月七日
利用微流道操控技術生成褐藻酸鈣微粒子作為奈米金載體之研究
黃耿祥、賴宗亨、林裕城*

國立成功大學工程科學系
* Email: yuclin@mail.ncku.edu.tw

Paper published in Lab on a Chip, 6, pp. 954–957, 2006

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藻酸鈣(Ca-alginate)微乳化球(emulsion)是一種被廣泛地運用於酵素載體和蛋白質固定的代表性材料,同時在控制藥物的釋放上也有相當多的應用。而褐藻酸鈣在做為載體材料的應用上有以下幾點優勢:(i) 可以溶解溶解率低的的藥品,藉此增進藥物應用時的生物相容性,(ii) 在人體的血液中可以停留足夠長的時間,並且可控制在特定區域逐漸聚集,(iii) 尺寸足夠小而得以利用血管系統的間隙擴散到身體各部位,(iv) 可以藉由特定的配體(ligand)做為表面修飾,以達成特定應用目標的要求,(v) 具有低毒性和高藥劑承載量的特性,並且能使藥性衰退與損失減到最小,(vi) 很容易大量制備而且再現性極佳。而應用上關鍵技術在於控制褐藻酸鈣粒子尺寸和顆粒大小分佈的能力,如此才能成功地應用在如活體內目標藥物傳遞和DNA轉殖等目標。然而顆粒尺寸也影響了身體的代謝率和最終的藥劑定量,因此發展出一種產生集中均勻分佈尺寸褐藻酸鈣粒子,並且高再現性的新方法是一個重要的目標。
圖 1 (a) 褐藻酸鈉乳化球體產生在十字形微流道交叉口的的示意圖。基於剪應力集中的影響,可形成均勻微小尺寸的顆粒並可自成一球狀結構,即為褐藻酸鈉乳化球。(b) 褐藻酸鈉乳化球的化學結構。(c)混合物在與百分之20的氯化鈣(CaCl2)的接觸後形成永久性乳化褐藻酸鈣球體,並且褐藻酸鈉分子在進入含CaCl2溶液的儲存區後轉換成褐藻酸鈣微粒子並收集在儲存區中。(d)褐藻酸鈉的聚合機制︰在儲存區裡的化學反應是褐藻酸的鈉離子被鈣離子取代後,顯示褐藻酸鈣粒子的形成。

我們選擇運用微流道技術,憑藉微流技術在相關的領域表現出的潛在優勢以達成空至乳化球穩定生成的目標。在此,我們提出使用微流體技術來控制乳化球的自發形成,使油水乳化球(w/o emulsion, water in oil emulsion)從褐藻酸鈉溶液中自然地誘發出來(圖 1a)。接著,再將油水混合物往下滴入含有鈣離子的溶液中,致使褐藻酸鈣乳化球即時形成(圖 1b)。我們策略的基礎在於利用剪應力集中的現象,來形成均勻微小尺寸的球狀結構顆粒,即所謂的褐藻酸鈉乳化球;而後褐藻酸鈉乳化球在經過通入還有鈣離子的溶液後,經由化學聚合作用即可形成褐藻酸鈣微粒子(圖 1c)。此一先進的技術平台可以被快速製造、簡易組裝並應用在生產大規模的褐藻酸鈣微粒子;更進一步的,我們將利用這個平台在褐藻酸鈣乳化球包埋金奈米粒子的應用上。
圖 2 微流道晶片示意圖。(a)利用雷射雕刻機製作流道簡圖。(b)晶片展開圖。(c)流道晶片實體圖:1.油相流體注入孔,2.水相流體注入孔,3.十字形流道,4.油水乳化球觀察區,5.油水乳化球收集區。

圖 2 為十字形微流道設計的示意圖。微流道晶片由三個注入口,一條十字流道,一個觀察區和一個儲存區組成。觀察區的流道寬度從200 μm到600 μm漸增,可減低管內流速以便觀察褐藻酸鈉乳化球的形成。因此,即使在高流動比率的狀態下,仍然可以觀察到乳化球的形成。 我們利用AutoCAD®設計微流道,並且透過一台CO2鐳射雕刻機 (LaserPro Venus, GCC, Taiwan)將鐳射微型製程在PMMA基材上製作。藉由CO2鐳射雕刻機,可以輕易且成功地製作出高為1.5 mm和半徑為250 μm的微流道。 此系統平台優點在於容易被建立、安裝、整合且模組化。
圖 3 十字型流道中褐藻酸鈉乳化球之生成情形,油相流率及水相流率為0.8 mL/min及0.08 mL/min。(箭頭方向為乳化球之生成方向,scale bar 200 μm)。

如圖3所示。由圖中可發現水相流體(紅色)被剪力壓縮形成箭頭的形狀(圖 3a)之後並形成直徑大約200 μm的乳化球(圖 3b)。另外,乳化球的直徑分佈是相當一致的(200 ± 5 μm),而其間的間距也相當穩定(400 ± 10 μm)。
圖 4 固定油相流率時乳化球尺寸與水相流率之關係圖。當水相流速增加時其乳化球尺寸也隨之增加。

為了獲得更進一步的了解,我們深入研究乳化球的尺寸與流速之間的關係。在微流道中藉由流體條件的改變來得到不同的乳化球尺寸。圖 4為在固定連續相(油相)流體流速的條件下,其分離相(水相)流體平均流速與乳化球直徑尺寸之關係圖。在連續相流流率為0.8 mL/min的條件下,當分離相流的平均流速增加時,其乳化球的粒徑也跟著增加。當油相流率設定為1.0 mL/min時其粒徑會有相同的趨勢,但其粒徑會比連續相流(油相)為0.8 mL/min時要小。因此我們可以知道,當分離相流率減小會使得乳化球粒徑增加,其集中的力量在乳化球中會相對的減小並且使得乳化球的粒徑改變。另一方面,如果我們同時增加分離相和連續相的流速(比率是固定的),就要以更高的壓力加於微流道中,因此效能即成為一個值得探討的問題。另外,當水相與油相的流速比率在1:1或1:10之下時乳化球是不會產生的。其結果顯示於圖5,在微流道褐藻酸鈉乳化球呈現一狹小的均勻分佈尺寸(少於5.0µm)以及均勻的間距,證明了藉由良好及精確控制,微流體介面來操控乳化球產生的可行性。
圖 5 乳化球在不同條件下之生成情形,油相與水相的流率: (a) oil inlet 0.5 mL/min, water 0.05 mL/min; (b) oil inlet 0.9 mL/min, water inlet 0.09 mL/min. Under water inlet 0.03 mL/min, and (c) oil inlet 1.2 mL/min, (d) oil inlet 0.8 mL/min。

圖 6 紫外光-可見光吸收光譜儀量測結果圖。
圖6為金奈米粒子包覆實驗,在圖中的線段編號1是1% (v/v)金奈米粒子溶液與1.5% (v/v)的褐藻酸鈉溶液以體積比1:5混合後的溶液;線段編號2是所生成的包埋金奈米粒子的褐藻酸鈣微粒子在紫外光-可見光吸收光譜儀的測試;線段編號3是將1% (v/v)金奈米粒子溶液與去離子水以體積比1:5混合後的溶液;而線段編號4是1.5% (v/v)的褐藻酸鈉溶液於紫外光-可見光吸收光譜儀的量測結果。由此量測結果圖可以發現,包埋金奈米粒子的褐藻酸鈣微粒子在波長520 nm處存在一個峰值,由此可證明利用本研究所提出的方法,作為生成均一粒徑藥物載體的可行性。

本實驗已成功利用微流道技術製造出均一粒徑的褐藻酸鈣微粒子,此技術儼然成為制備乳化球最具高效能的方法。我們已經可以證明在微流體中藉由剪應力的操控得以形成乳化球,且精密控制褐藻酸鈣微粒子的數量而不需後續製程來修飾其粒徑。在應用方面乳化球可用來作為所需藥物的包埋及遞送,並且隨著多功能微流道系統的發展增加其應用。我們可以預見操控褐藻酸鈣微粒子將可使藥物載體的應用方面得到極大助益。
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