本發(fā)明屬于微納加工技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種制備微粒的方法及裝置。

背景技術(shù)：

微?；苽浼夹g(shù)除了在粉末燃燒、噴射干燥、氣體霧化、噴射沉積、噴墨打印和快速成形生產(chǎn)等生產(chǎn)領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用，在基礎(chǔ)科學(xué)研究中有極其重要的意義，如流體力學(xué)、紊流機(jī)制，同時(shí)該技術(shù)在航空、冶金、電子封裝、化工、醫(yī)藥等行業(yè)也有著廣泛應(yīng)用，特別是生物細(xì)胞培養(yǎng)領(lǐng)域，因?yàn)閯?dòng)物細(xì)胞貼壁生長的特性需要載體有表面光滑、尺寸均勻的特性。

聚二甲基硅氧烷具有良好的易加工性、生物兼容性、透光性、透氣性、熱穩(wěn)定性和無毒等特性，不但用于加工常規(guī)的微流控芯片，也逐漸用作空間細(xì)胞培養(yǎng)芯片的結(jié)構(gòu)材料。然而液態(tài)的聚二甲基硅氧烷低表面能材料很難在一般條件下自然聚集形成微粒，故對制備尺寸均勻、表面光滑的低表面能微粒提出需求。

均勻球形微粒制備方法主要包括切絲重熔法、膜乳化法和噴射法等。

切絲重熔法的原理如圖1所示首先將金屬錠進(jìn)行拉絲、剪切等機(jī)械加工方式產(chǎn)生均勻的微質(zhì)量元，然后把加工好的微質(zhì)量元放入具有一定溫度梯度的成形設(shè)備，經(jīng)過重熔和凝固過程，使微質(zhì)量元形成標(biāo)準(zhǔn)球體。采用該方法制備微粒工藝可控性好，成本低設(shè)備簡單。但是有明顯的缺陷，工序繁多，生產(chǎn)效率低，精確度不高，而且，該方法只是針對金屬材料，不適用于聚二甲基硅氧烷這一類高分子材料。

膜乳化過程基本原理如圖2所示，多孔膜的兩側(cè)分別是分散相和連續(xù)相,以一定的壓力將分散相通過多孔膜壓入到連續(xù)相中形成液滴，液滴在多孔膜上成長至一定尺寸后脫離，如果多孔膜的孔間距過小，則會(huì)發(fā)生液滴之間合并的現(xiàn)象。所以，液滴的粒徑和粒徑分布不僅僅是由孔徑和孔徑分布所決定的,它還與液滴在膜上和溶液中的合并程度有關(guān)。分散相一般含有單體、疏水性物質(zhì)、疏水性引發(fā)劑等,其擠出壓力一般是由氮?dú)饣虮脕懋a(chǎn)生的。連續(xù)相一般含有穩(wěn)定劑、乳化劑、阻聚劑等。分散相保存在儲(chǔ)蓄罐中,在適當(dāng)?shù)膲毫ο?分散相會(huì)充滿管狀膜的外圍空間,待壓力到臨界值以后,分散相通過多孔膜進(jìn)入管內(nèi)的連續(xù)相中形成液滴。膜乳化法制備微粒所使用的整套設(shè)備較復(fù)雜，而且由于多孔膜的間距一般較小，液態(tài)的聚二甲基硅氧烷單體在擠出形成液滴的過程中容易匯聚在一起，較難得到尺寸小的微粒；在形成乳化液體的過程中，微粒未固化之前，兩兩液滴會(huì)互相聚集形成較大的液滴，這就造成難以控制微粒尺寸的問題；與固化劑混合均勻的液態(tài)聚二甲基硅氧烷在連續(xù)相中可以自然聚集成液滴，然而由于溫度場梯度變化的原因，液滴在連續(xù)相中進(jìn)行固化的過程中會(huì)造成微粒尺寸不均勻的問題。

乳液溶劑揮發(fā)法，在溶劑蒸發(fā)過程中，聚合物被溶解在一個(gè)合適的有機(jī)溶劑中，然后藥物被分散或溶解于該聚合物溶液中，所得到的溶液或分散液乳化在水性的連續(xù)相中以形成離散的液滴。微球的形成中，有機(jī)溶劑必須先擴(kuò)散到水相中，然后在水/空氣界面蒸發(fā)。隨著溶劑的蒸發(fā)，適當(dāng)?shù)倪^濾和干燥后，可以得到微球硬化和自由流動(dòng)的微球。溶劑蒸發(fā)法已被廣泛用于制備許多不同的藥物的PLA和PLGA微球。大連大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院的李娟娟、梁春英等以SDBS和油酸鈉改性的Fe₃O₄為載體材料，利用乳液溶劑揮發(fā)法制備了聚乳酸磁性微球，其掃描電鏡照片如圖3所示。乳液溶劑揮發(fā)法制備微粒主要是針對磁性微粒，況且聚二甲基硅氧烷最佳的固化溫度為120℃，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水的最高溫度只有100℃。在揮發(fā)的過程中，尚未固化的聚二甲基硅氧烷液滴互相之間會(huì)相互碰撞或者融合，不利于控制微粒的形態(tài)以及表面形貌，再者，溶劑揮發(fā)過后沉積下來的微粒會(huì)一層層往上疊加，非?；靵y不利于后期分離與挑選。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提供一種制備微粒的方法及裝置，該方法制備的微粒表面光滑且尺寸均勻。

本發(fā)明提供了一種制備微粒的裝置，包括：

高能脈沖激光器；

與所述高能脈沖激光器相對的約束層；

所述約束層不與高能脈沖激光器相對的一面依次設(shè)置有犧牲層與液態(tài)靶材層；

開口容器；所述開口容器中設(shè)置有與靶材不相溶的液體，且所述約束層、犧牲層與液態(tài)靶材層位于液體中。

優(yōu)選的，所述高能脈沖激光器與約束層之間還設(shè)置有聚焦鏡。

優(yōu)選的，所述犧牲層為對高能脈沖激光吸收超過10％的物質(zhì)層。

優(yōu)選的，所述犧牲層的厚度為20～140nm。

優(yōu)選的，所述液態(tài)靶材層的厚度為10μm～2mm。

優(yōu)選的，還包括位于液體中的接收層；所述接收層位于液態(tài)靶材層的下方，且不與液態(tài)靶材層接觸。

優(yōu)選的，還包括墊塊層；所述墊塊層設(shè)置于所述接收層與開口容器底層之間。

優(yōu)選的，所述開口容器置于三維移動(dòng)平臺(tái)上。

本發(fā)明還提供了一種制備微粒的方法，包括：

采用上述的裝置，使高能脈沖激光作用與犧牲層，得到微粒。

優(yōu)選的，所述高能脈沖激光的能量為5～50mJ；頻率為單脈沖或1～10Hz。

本發(fā)明提供了一種制備微粒的裝置，包括：高能脈沖激光器；與所述高能脈沖激光器相對的約束層；所述約束層不與高能脈沖激光器相對的一面依次設(shè)置有犧牲層與液態(tài)靶材層；所述約束層、犧牲層與液態(tài)靶材層位于開口容器中；所述開口容器中設(shè)置有與靶材不相溶的液體，且所述約束層、犧牲層與液態(tài)靶材層位于液體中。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明利用高能脈沖激光作為加工能量源和液態(tài)靶材在不相溶液體中能有大接觸角的特點(diǎn)，在液體中制備其微粒，高能脈沖激光聚焦在犧牲層上，使得犧牲層瞬間變成等離子體推動(dòng)液態(tài)靶材生成氣泡，控制好激光的能量讓氣泡恰好不破裂，氣泡的能量耗散后，外加水壓的作用，靶材往回收縮，當(dāng)碰上約束層后，由于反彈作用，靶材會(huì)往水中析出靶材液滴，其在水中自然狀態(tài)下為規(guī)則均勻的圓球形，利用激光誘導(dǎo)的手段產(chǎn)生定向的能量波推動(dòng)靶材，形成均勻光滑的微粒。

附圖說明

圖1為切絲重熔法的原理示意圖；

圖2為膜乳化過程基本原理示意圖；

圖3為聚乳酸磁性微球的掃描電鏡照片；

圖4為本發(fā)明提供的制備微粒的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例1中制備的聚二甲基硅氧烷微粒的照片。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

參見圖4，圖4為本發(fā)明提供的制備微粒的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，其中1為高能脈沖激光器，2為聚焦鏡，3為開口容器，4為約束層，5為犧牲層，6為液態(tài)靶材層，7為接收層，8為墊塊層，9為三維移動(dòng)平臺(tái)，10為氣泡，11為與靶材不相溶的液體。

本發(fā)明提供了一種制備微粒的裝置，包括：

高能脈沖激光器(1)；

與所述高能脈沖激光器相對的約束層(4)；

所述約束層不與高能脈沖激光器相對的一面依次設(shè)置有犧牲層(5)與液態(tài)靶材層(6)；

開口容器；所述開口容器中設(shè)置有與靶材不相溶的液體(11)，且所述約束層(4)、犧牲層(5)與液態(tài)靶材層(6)位于液體中。

按照本發(fā)明，所述高能脈沖激光器所提供的高能脈沖激光的能量和頻率可調(diào)；所述高能脈沖激光的能量優(yōu)選為5～50mJ；所述高能脈沖激光的頻率優(yōu)選為單脈沖或1～10Hz。

本發(fā)明提供的裝置包括與所述高能脈沖激光器相對的約束層；所述約束層為本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的約束層即可，并無特殊的顯著，本發(fā)明中優(yōu)選為透明層，更優(yōu)選為玻璃層或高分子聚合物層；所述約束層的厚度優(yōu)選為0.5～2mm。

為了更好地集中能量，本發(fā)明在所述高能脈沖激光器與約束層之間優(yōu)選設(shè)置有聚焦鏡。

所述約束層不與高能脈沖激光器相對的一面依次設(shè)置有犧牲層與液態(tài)靶材層；所述犧牲層為本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的犧牲層即可，并無特殊的限制，本發(fā)明中優(yōu)選為高能脈沖激光吸收超過10％的物質(zhì)層，所述物質(zhì)層可為金屬層、金屬氧化物層或有機(jī)物層；所述犧牲層的厚度優(yōu)選為20～140nm；所述液態(tài)靶材層為本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的液態(tài)靶材層即可，并無特殊的限制，本發(fā)明中優(yōu)選為在空氣中表面能過低無法形成均勻球形微粒的靶材，更優(yōu)選為液態(tài)聚二甲基硅氧烷層；所述液態(tài)靶材層的厚度優(yōu)選為10μm～2mm；所述液態(tài)靶材優(yōu)選經(jīng)抽真空去氣泡處理后再旋涂在犧牲層上形成液態(tài)靶材層。

在本發(fā)明中，所述約束層、犧牲層與液態(tài)靶材層均位于開口容器中；所述開口容器中設(shè)置有與靶材不相溶的液體，且所述約束層、犧牲層與液態(tài)靶材層位于液體中；所述液體為本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的液體即可，并無特殊的限制，本發(fā)明中優(yōu)選為水。

本發(fā)明提供的制備微粒的裝置優(yōu)選還包括位于液體中墊塊層；所述墊塊層位于接收層的下方。所述墊塊層優(yōu)選包括多塊墊塊；所述墊塊的厚度優(yōu)選為1mm。通過增加或減少墊塊層的厚度可以控制約束層與接收層的間距，從而改變沉積后的壓力，能夠獲得不同圓度的微粒。

本發(fā)明提供的裝置優(yōu)選還包括三維移動(dòng)平臺(tái)；所述開口容器置于三維移動(dòng)平臺(tái)上。三維移動(dòng)平臺(tái)上下移動(dòng)能夠快速找準(zhǔn)交點(diǎn)，左右移動(dòng)能夠控制微粒的沉積位置，避免出現(xiàn)尚未固化的微粒在沉積的過程中出現(xiàn)再次聚集、重疊的情況，為后期的微粒篩選節(jié)省時(shí)間。

以液態(tài)靶材為液態(tài)聚二甲基硅氧烷為例說明本發(fā)明提供的微粒制備裝置的原理：由于液態(tài)聚二甲基硅氧烷低表面能的特性，致使其在氣相或真空中接觸角非常小，即無法形成液滴。然而在水中液態(tài)聚二甲基硅氧烷的接觸角超過150°，能夠輕易形成液滴，并通過調(diào)節(jié)激光脈沖能量、接收距離、液態(tài)聚二甲基硅氧烷厚度等參數(shù)可以達(dá)到控制液滴尺寸的目的和快速地移動(dòng)三維控制平臺(tái)增大制備微粒的工作效率和控制生成微粒的微粒，避免出現(xiàn)微粒重疊的情況。

本發(fā)明利用高能脈沖激光作為加工能量源和液態(tài)靶材在不相溶液體中能有大接觸角的特點(diǎn)，在液體中制備其微粒，高能脈沖激光聚焦在犧牲層上，使得犧牲層瞬間變成等離子體推動(dòng)液態(tài)靶材生成氣泡，控制好激光的能量讓氣泡恰好不破裂，氣泡的能量耗散后，外加水壓的作用，靶材往回收縮，當(dāng)碰上約束層后，由于反彈作用，靶材會(huì)往水中析出靶材液滴，其在水中自然狀態(tài)下為規(guī)則均勻的圓球形，利用激光誘導(dǎo)的手段產(chǎn)生定向的能量波推動(dòng)靶材，形成均勻光滑的微粒。

本發(fā)明還提供了一種制備微粒的方法，包括：采用上述的制備微粒的裝置，得到微粒。本發(fā)明使高能脈沖激光作用與犧牲層，使得犧牲層瞬間變?yōu)榈入x子體推動(dòng)液態(tài)靶材生成氣泡，氣泡的能量耗散后，在外加液體與約束層的作用下，得到微粒。

在本發(fā)明中此方法優(yōu)選具體為：高能脈沖激光(1)聚焦在犧牲層(5)上，使得犧牲層瞬間變成等離子體推動(dòng)液態(tài)聚二甲基硅氧烷靶材(6)生成氣泡(10)；控制好激光的能量讓氣泡恰好不破裂，氣泡的能量耗散后，外加水壓的作用，靶材(6)往回收縮，當(dāng)碰上約束層后，由于反彈作用，靶材(6)會(huì)往水中析出聚二甲基硅氧烷液滴，其在水中自然狀態(tài)下為規(guī)則均勻的圓球形，當(dāng)其沉積至經(jīng)過用酒精超聲清洗后的接收層(7)后，即為微粒。

(8)為若干塊厚度均為1mm的墊塊，通過增加或者減少墊塊可以控制約束層(4)和接受層(7)的間距，從而改變沉積后的水壓，能夠獲得不同圓度的微粒。三維移動(dòng)平臺(tái)(9)上下移動(dòng)能夠快速找準(zhǔn)焦點(diǎn)，左右移動(dòng)能夠控制微粒的沉積位置，避免出現(xiàn)避免尚未固化的微粒在沉積的過程中出現(xiàn)再次聚集、重疊的情況，為后期的微粒篩選節(jié)省時(shí)間。

本發(fā)明所提供的制備微粒的方法尤其針對液態(tài)高溫高分子材料，更優(yōu)選為聚二甲基硅氧烷，利用液態(tài)聚二甲基硅氧烷在水中能有大接觸角的特點(diǎn)以激光傳送為手段逐個(gè)傳送液滴，達(dá)到液滴尺寸可控的目的，從而快速、大量地制備出聚二甲基硅氧烷微粒。

另外，本發(fā)明利用脈沖激光作為加工能量源，激光加工具有快速高效的特點(diǎn)，大大地提高了微粒的生產(chǎn)效率；利用液體作為加工環(huán)境，使所制備的微粒表面光滑、尺寸均勻；并且由于激光前向轉(zhuǎn)移技術(shù)是一種非接觸式加工手段，通過調(diào)節(jié)激光能量、傳送工作距離等參數(shù)，再利用脈沖激光配合三維移動(dòng)平臺(tái)加工微粒，對每一個(gè)微粒的尺寸都能有效地控制，從而能夠?qū)崿F(xiàn)逐個(gè)加工微粒，容易對整體的尺寸均勻性進(jìn)行控制。

為了進(jìn)一步說明本發(fā)明，以下結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明提供的一種制備微粒的方法及裝置進(jìn)行詳細(xì)描述。

以下實(shí)施例中所用的試劑均為市售。

實(shí)施例1

提供制備微粒的裝置包括：高能脈沖激光器，與所述高能脈沖激光器相對的約束層，約束層為玻璃層，厚度為1mm；所述約束層不與高能脈沖激光器相對的一面鍍有犧牲層，犧牲層為鈦金屬層，犧牲層的厚度為80nm；液態(tài)聚二甲基硅氧烷經(jīng)過抽真空去氣泡處理后再旋涂于犧牲層之下，形成液態(tài)聚二甲基硅氧烷層，厚度為1mm；盛有水的開口水槽，且所述約束層、犧牲層與液態(tài)聚二甲基硅氧烷層位于水中；在液態(tài)聚二甲基硅氧烷層下方的水中設(shè)置有經(jīng)酒精超聲清洗后的接收層，且所述接收層與聚二甲基硅氧烷層不接觸；所述接收層與開口容器的底層之間設(shè)置若干厚度均為1mm的墊塊；所述開口容器置于三維移動(dòng)平臺(tái)上。

高能脈沖激光(能量為22.83mJ；頻率為單脈沖)聚焦在犧牲層上，使得犧牲層瞬間變成等離子體推動(dòng)液態(tài)聚二甲基硅氧烷靶材生成氣泡。控制好激光的能量讓氣泡恰好不破裂，氣泡的能量耗散后，外加水壓的作用，靶材往回收縮。當(dāng)碰上約束層后，由于反彈作用，靶材會(huì)往水中析出聚二甲基硅氧烷液滴，其在水中自然狀態(tài)下為規(guī)則均勻的圓球形，當(dāng)其沉積至經(jīng)過用酒精超聲清洗后的接收層后，即為聚二甲基硅氧烷微粒。

圖5對實(shí)施例1中得到的聚二甲基硅氧烷微粒的照片。