王常傲，刘昆，朱则霖，毛维昆，付文波，王士芳

(合肥工业大学化学与化工学院，合肥 230009)

静电喷雾是一种经典的高分子微球/微胶囊的制备方法，是在高压直流电源作用下，在注射器针头与收集板间形成静电场，高分子溶液在该电场的作用下，克服表面张力形成带电液滴，又因电场的牵引作用向收集板方向移动，移动过程中溶剂会逐渐挥发，从而在收集板上得到干燥高分子颗粒的过程[1]。

不同的静电喷雾装置组成不相同，但一般均需要高压直流电源、恒流注射泵、注射器、针头、收集板等[2]。与喷雾干燥、乳化、溶剂蒸发等其它高分子微球/微胶囊制备技术相比，静电喷雾技术制得的高分子颗粒具有粒径小、粒径分布窄、产物形貌较易控制等优点[3]，该技术在多学科领域具有广泛的应用[4]，如食品加工[5–9]、农业生产[10]、药物包裹[11]、高分子形貌调控[12]、天然高分子加工等[13]。

聚己内酯(PCL)作为一种常见的高疏水性高分子材料，从结构上看由己酸酯重复单元构成，在自然环境中能够通过微生物的作用缓慢降解[14]。由于PCL 具有优越的生物相容性以及降解性，常作为高分子形貌调控的原料，在诸如药物传输、纳米颗粒制备、医疗设备、组织工程等高端领域都有着广泛的应用[15]。

在此前的研究中[16]，曾经探讨过在某一固定比例的溶剂体系下，通过静电喷雾技术制得PCL 颗粒的形貌特点。在此基础上，笔者尝试在溶剂体系中加入致孔剂正庚烷作为非溶剂，通过改变溶剂-非溶剂的组成，以期得到形貌多样的PCL 颗粒，扩展PCL 颗粒在药物载体、催化剂载体和离子吸附等方面的应用[17]。由于PCL 可以顺利溶解在二氯甲烷（DCM）中，而不溶于乙醇和正庚烷，对PCL 而言，DCM 即为溶剂，乙醇和正庚烷可视为非溶剂。笔者采用PCL/DCM/乙醇、PCL/DCM/正庚烷、PCL/DCM/乙醇/正庚烷作为母液，分别考察二元/三元溶剂-非溶剂体系下，不同溶剂组成对静电喷雾得到PCL 颗粒形貌的影响。采用扫描电子显微镜(SEM)表征产品颗粒的形貌。

1 实验部分

1．1 主要原料

DCM：分析纯(≥99.5%)，国药集团化学试剂有限公司；

正庚烷：分析纯(≥98.5%)，国药集团化学试剂有限公司；

无水乙醇：分析纯(≥99.0%)，国药集团化学试剂有限公司；

PCL：重均分子量为65 000， 分子量分布指数(PDI)为1.8，深圳光华伟业有限公司。

1．2 主要仪器及设备

静电喷雾装置：其结构如图1 所示，自制；

图1 静电喷雾装置简图

高分辨场发射SEM：Regulus 8230 型，日本Hitachi 公司。

1．3 实验过程

(1)母液配制。

配制质量分数为3%的PCL 溶液，有机溶剂选用不同质量配比的DCM/乙醇/正庚烷溶剂-非溶剂混合体系。

(2)颗粒制备。

实验装置工艺参数设定：针板间距D=20 cm，母液流速μ=1 mL/h，电源电压U=25 kV。用一次性注射器吸取定量的母液，连接聚四氟乙烯延长管和针头，置于恒流注射泵，在收集板上套上锡纸以收集颗粒。静电喷雾过程中，溶剂和非溶剂在针板间挥发，得到干燥的PCL 颗粒，置于真空干燥箱中干燥24 h 备用。

1．4 产品表征

使用高分辨场发射SEM 观察产品颗粒形貌并拍照。

2 结果与讨论

2．1 颗粒形貌

(1) PCL/DCM/乙醇体系。

乙醇质量分数为0%，即PCL/DCM 体系制得的PCL 的SEM 照片如图2 所示，添加不同含量乙醇后静电喷雾得到PCL 的SEM 照片如图3 所示。

图2 PCL/DCM 体系制得PCL 的SEM 照片

图3 PCL/DCM/乙醇体系制得PCL 的SEM 照片

由图3 可以看出，向PCL/DCM 体系中加入乙醇，颗粒粒径略微下降，约为3 μm，颗粒间的粘连程度逐渐加重，在乙醇质量分数不大(5%～15%)时，所得颗粒球状较为稳定和完整(图3a，图3b，图3c)，但随着乙醇含量的增加，颗粒间出现丝状物质，且出现许多粒径更小的颗粒，使得颗粒均一程度下降(图3d，图3e)，当乙醇质量分数增加到40%时，颗粒产生形变，以椭球状为主，丝状物质依旧存在，球状颗粒较少(图3f)。

(2) PCL/DCM/正庚烷体系。

添加不同含量正庚烷后静电喷雾制得PCL 颗粒的SEM 照片如图4 所示。由图4 可以看出，加入正庚烷后，颗粒表面的粗糙程度、颗粒粒径大小和颗粒间的粘连程度无明显变化。在正庚烷添加量不大(5%～15%)时，均出现大量表面有孔隙和凹陷的球状颗粒，且该孔隙随着加入正庚烷质量分数的增加而逐渐增大(图4a,图4b，图4c)，当加入正庚烷质量分数为溶剂体系的15%时，孔隙直径增大至极限，约为4.5 μm，多数颗粒呈现碗状(图4c)。继续增加体系内正庚烷的质量分数，原有的凹陷和孔隙逐渐消失，颗粒呈现扁平状，且与之前相比，颗粒明显变大(图4d，图4e)。当正庚烷质量分数为溶剂体系的40%时，颗粒由之前的扁平状继续变大至不规则多边形，且颗粒表面出现许多极小凹陷，整体倾向于疏松颗粒(图4f)。

图4 PCL/DCM/正庚烷体系制得PCL 的SEM 照片

(3) PCL/DCM/乙醇/正庚烷体系。

添加不同含量乙醇、正庚烷后静电喷雾得到PCL 颗粒的SEM 照片如图5 所示。

三元溶剂-非溶剂体系不同组别溶剂配比的设置主要原因是，在以前的DCM/乙醇二元体系的实验中发现，当乙醇质量分数为15%以内时，对提升球状PCL 颗粒的完整程度有一定的积极作用，而当乙醇质量分数超过15%时，颗粒形貌逐渐不受控制，单张SEM 照片中的PCL 颗粒形貌难以达到统一。故在三元溶剂-非溶剂体系实验中，将乙醇的质量分数控制在15%以内。又因为在DCM/正庚烷二元体系的实验中，正庚烷质量分数由5%增至40%的全过程，PCL 颗粒形貌均有所改变且整体变化较统一，故将三元溶剂-非溶剂体系中的正庚烷的质量分数设置为5%～40%。

横向对比各组实验结果(即在三元体系内，正庚烷质量分数为一定值，改变DCM 和乙醇的质量分数)。由图5a1～图5e1 可见，正庚烷质量分数为5%，随乙醇质量分数的增加，带孔PCL 颗粒表面的孔隙逐渐变小，乙醇质量分数达到10%后，孔隙变为轻微的凹陷，整体形貌仍为球状。由图5a2～图5e2 可见，正庚烷质量分数为10%，随乙醇质量分数的增加，PCL 颗粒由单侧深度凹陷的碗状颗粒逐渐变为多侧凹陷的颗粒，而当乙醇质量分数在7.5%及以上时，凹陷难以观察到，PCL 颗粒变为扁平状。由图5a3～图5e3 可见，正庚烷质量分数为15%，当乙醇质量分数为2.5%时，PCL 颗粒整体已经呈现碗状、扁平状共存的情况，将乙醇质量分数增至5%，碗状PCL 颗粒进一步减少，以扁平状为主，继续增加乙醇，形貌变化不大。由图5a4～图5e4 可见，正庚烷质量分数为20%，能够明显看出，乙醇质量分数从2.5%增至12.5%的全过程，PCL 颗粒形貌始终为扁平的层状。而在图5a5～图5e5 和图5a6～图5e6中发现，正庚烷质量分数为30%和40%时，乙醇质量分数的增加对PCL 颗粒形貌带来的变化规律是相似的，都出现了多孔颗粒，且孔的大小都随着乙醇质量分数的增加先变均匀而后逐渐消失，其中在正庚烷质量分数为30%、乙醇质量分数为10%时，即由图5e5 可见，所得到的多孔PCL 颗粒效果最佳。

图5 PCL/DCM/乙醇/正庚烷体系制得PCL 的SEM 照片

2．2 机理分析

(1)孔隙颗粒形貌演变。

首先对溶剂-非溶剂体系内加入非溶剂正庚烷后形成表面带孔隙的PCL 颗粒的机理进行分析，不同质量分数的正庚烷对孔隙颗粒形貌的影响及演变过程如图6 所示，孔隙的形成可以用类似“锁钥理论”进行解释。以二元溶剂-非溶剂体系为例，高分子PCL 和非溶剂正庚烷均能够顺利溶于溶剂DCM中，当正庚烷质量分数较小时，PCL 颗粒和正庚烷发生小部分的类似于“锁钥”结构的重叠，静电喷雾开始后，溶剂DCM 率先被蒸发，正庚烷依旧留在颗粒表面，随着静电喷雾的进行，正庚烷逐渐蒸发，在PCL 颗粒表面留下了一个孔隙。随着正庚烷质量分数的增加，该孔隙逐渐变大，形成碗状颗粒。当正庚烷液滴尺寸略微大于PCL 颗粒时，孔隙扩大至颗粒呈扁平状。如果继续增大正庚烷质量分数，正庚烷液滴将会包裹PCL 颗粒，蒸发时，正庚烷由整个PCL 颗粒表面向外扩散，故在整个PCL 颗粒表面均留下了轻微的凹陷，颗粒倾向于疏松状。

图6 非溶剂正庚烷质量分数对静电喷雾得到PCL 孔隙颗粒形貌的影响机理图

与二元体系相比，三元体系增加了乙醇的影响，减少了PCL 和正庚烷活动的范围，当乙醇质量分数增加到一定时，正庚烷更易与高分子表面形成“锁钥”结构，从而形成如图7 所示的多处凹陷的PCL 颗粒。保持此乙醇质量分数不变，继续增大正庚烷质量分数至其包裹PCL 颗粒，由于活动领域变小，正庚烷在高分子表面停留的时间更长，挤压更加严重，形成了如图7 所示的多孔颗粒。

图7 三元溶剂-非溶剂体系对静电喷雾得到PCL 孔隙颗粒形貌的影响机理图

(2)佩克莱特准数与颗粒形貌的关系。

孙智在其论文[18]中曾尝试使用改进的佩克莱特准数(简称Pe 准数)来解释二氧化碳膨胀抗溶剂中的静电喷雾得到的高分子颗粒形貌的特点。Pe准数的计算公式见式(1)。

定性分析可将Pe 准数视为高分子溶液中有机溶剂的蒸发速率与高分子链段在溶液中活动性的比值，这样就会得到两种极端情况。一是当有机溶剂的蒸发速率很快，能够迅速去除，恰好高分子链段在溶液中移动速度很慢时，会导致高分子链段的收缩速度远低于溶剂的蒸发速度，最终得到表面高度疏松的颗粒，此时Pe 准数数值较大；二是当有机溶剂蒸发很慢，恰好高分子链段能够在溶液中完全自由移动时，会导致高分子链段拥有足够的时间跟随液滴同时收缩，最终得到表面光滑且完整的球状颗粒，此时Pe 准数数值较小。当实际情况介于两者中间，即Pe 准数适中时，会得到形貌多样的高分子颗粒。

本实验中高分子溶液的溶剂去除方式为静电作用下溶剂在针板之间的空气蒸发，尽管DCM、乙醇、正庚烷三种溶剂常温下的沸点和蒸气压有一定差别，但鉴于针板间距足够大，可以认为不同溶剂的蒸发速率相差不大。

预实验中发现，将PCL 溶解在DCM/乙醇和DCM/正庚烷二元体系内，当非溶剂质量分数超过50%时，高分子溶液会变浑浊，即有高分子颗粒析出，出现相分离，证明更改溶剂-非溶剂的组成，对高分子链段在溶液中活动性影响较大。

笔者选用的溶剂为DCM，室温下在空气中蒸发速率较快，但同时，高分子PCL 极易溶于DCM，考虑到为了防止静电纺丝的出现，高分子浓度仅为3%，故在高分子溶液内，高分子链段的活动性极大，导致Pe 准数数值较小，得到了表面完整的实心颗粒。当向DCM 中加入非溶剂乙醇或正庚烷时，溶剂体系的蒸发速率降低，但同时，高分子链段的活动范围大幅减小，活动性严重降低，综合考虑Pe 准数数值仍然升高，出现了多种形貌的PCL 颗粒。以上实验现象均符合Pe 准数与颗粒形貌的关系。

3 结论

考察了不同溶剂-非溶剂组成对静电喷雾技术得到PCL 颗粒形貌的影响。DCM/乙醇二元体系内，少量乙醇对PCL 颗粒球状的完整程度有一定促进，但随着乙醇含量上升，颗粒粘连严重，产生形变。DCM/正庚烷二元体系内，颗粒表面出现孔隙，且随正庚烷含量的增加，孔隙直径逐渐增大直至颗粒呈现扁平状。在DCM/乙醇/正庚烷三元体系(乙醇质量分数2.5%或5%、正庚烷质量分数5%至40%时)，得到孔状、碗状、扁平状、多孔状等多种形貌的PCL 颗粒，并从形貌演变、Pe 准数两个方面进行机理分析。一是得到的多孔PCL 微球在药物载体和离子吸附等方面有广泛的应用，二是对Pe 准数预测高分子形貌调控结果提供了进一步的理论支持。