[0001] 本发明涉及一种制备不溶于极性溶剂中、具有渗透性和响应性的聚合物壳的方法，这种聚合物壳，以及包括这种聚合物壳在药物递送、分离技术和尤其是填充材料领域内的各种应用。

[0002] 众多生物聚合物对于许多工业应用例如在造纸和纺织工业中以及在药物科学中和各种类型的分离过程中均显示出吸引人的特性。纤维素和半纤维素是非常具有特征性的具有重要意义的生物聚合物，不仅作为造纸和纺织品制造的基础，而且日益作为药物递送载体用于生物医学和生物技术目的，以及作为固相组分用于各种色谱分离技术。直链亲水性纤维素具有若干对于药物应用而言有益的性质，例如在人体内无免疫刺激性和不易于被酶催化分解。此外，其高机械刚性已使纤维素用作若干分离应用的固定相。

[0003] 伴随着生物技术研发药物如蛋白质、肽、siRNAs、miRNAs和反义寡核苷酸的出现以治疗各种疾病，人们对高效传递载体的需要比以往任何时候都大。此外，为能增大剂量、减小副作用和改进药代动力学性质，改进常规药物的传递在许多情况下是关键性的。将目标药物包封在聚合物壳中是改进其药代动力学及此外可能改进其药效性质的一种方法，提供例如较长时间段内的持续释放、用于局部给药的制剂、或经口给药后保护药物免受严苛的胃肠环境的影响或免于被酶催化分解。

[0004] 高效的分离过程在许多行业中是至关重要的，用于分析和制备目的。化学行业、纸浆和造纸行业、石油化学行业以及医学和药物行业等非常依赖于用于各种目的的众多分离过程方法。分离通常基于色谱原理，即让含分析物的样品通过固定的固相以分离样品的组分。固定相常由具有某些形成分离的基础的性质如疏水性、尺寸或离子电荷的聚合物材料构成。此外，固体固定相进一步需要在例如机械强度、化学惰性和均匀尺寸方面具有优异的特性，以使分离可靠并可重复。由于聚合物壳具有上述特性中的许多特性以及非常需要的能用作具有选择渗透性的膜以释放和吸收各种分子的性质，所以聚合物壳正越来越多地用作固相材料。

[0005] 长久以来，用于各种目的的聚合物纤维已使用众多技术生产，但壳(基本上为球形的中空颗粒)的制备仍是复杂的程序。例如，粘胶形式的纤维素纤维的纺丝已有差不多十年，但以快速、可靠的方式类似地制备壳自然地具有远更错综的问题。纤维纺丝通常基于在溶解的聚合物材料上施加压力并随后将其从喷嘴挤出到浴中，在该处由于各种化学相互作用而形成纤维。因为这种方法需要将纤维腔进行系统划分，所以其到目前为止尚不能用于聚合物壳的制备。目前，基于纤维素的聚合物壳通常使用依赖于溶剂扩散和蒸发的方法在乳液中制备，这种方法效率低下并在一定程度上耗时，还需要存在另外的辅助赋形剂如聚乙二醇、邻苯二甲酸二丁酯和聚己内酯。由改性纤维素构成的中空珠粒也基于向含金属离子的沉淀浴中逐滴加入从而导致聚合物的金属盐的随后沉淀而制备。但这种方法需要在含另外的金属离子的凝固浴中凝固珠粒。从药物递送角度来说，金属离子可觉察的存在可能是限制性的方面，其很可能导致过敏反应和不希望的体内相互作用。此外，在色谱目的中利用这种壳可能使适用性仅限于某些类型的分离，例如基于离子电荷性质的分离。

[0006] 现有技术中描述的基于纤维素的聚合物壳涉及的是的非响应性壳，其表现出基本与周围条件无关的相同特性。为制备高效的药物递送载体或色谱系统的固定相组分，需要利用具有动态响应性质的壳。能够调节例如聚合物壳的渗透性、直径和体积可提供另外的好处，例如在暴露于某些外部条件下时增加药物组合物的释放，或根据样品的特性调节色谱柱的性质。迄今为止，现有技术中缺乏具有这种特性的聚合物壳。

[0007] 因此，本领域中需要不使用过量的苛性化学品来制备用于例如药物递送或色谱目的的具有响应可变性质的聚合物壳的快速、简单、通用且稳健的制造方法。此外，现有技术中缺乏基本上仅包含所涉及的碳水化合物以使免疫刺激性最小化并增大在色谱中的通用性的碳水化合物聚合物壳。

[0008] 现有技术SE 358 908教导了通过粘胶纺丝制备中空纤维素纤维。该发明公开了含高浓度镁离子的纺丝浴，当粘胶纤维通过喷嘴进入所述纺丝浴中时对聚合物的溶胀性施加降低效应。

[0009] US 2,773,027公开了一种制备由羧甲基纤维素的金属盐组成的中空珠粒以用作透析介质的方法。将羧甲基纤维素的水溶液逐滴转移至由金属盐的水溶液组成的沉淀浴中，在其中沉淀出金属盐-羧甲基纤维素珠粒。

[0010] Soppimath及其 同事(Soppimath等 人，2006，Journal of Applied Polymer Science，100，486-494)描述了一种使用改性纤维素基于溶剂蒸发技术制备漂浮型中空微球的方法。采用了赋形剂如聚乙二醇、邻苯二甲酸二丁酯和聚己内酯来形成微球，同时使用乙酸乙酯作为分散溶剂。

[0011] 作为溶剂蒸发技术的高效改进的实例，Utada及其同事(Utada等人，2005，Science，308，537-541)公开了一种用于产生以核-壳几何结构含单个内部小滴的单分散双重乳液并具有高度控制性和灵活性的微毛细管装置。所述微毛细管系统还使用包含二嵌段共聚物聚(丙烯酸丁酯)-聚(丙烯酸)嵌段共聚物(PBA-PAA)的水包油包水乳液用于产生聚合物囊泡。

[0033] 本发明涉及一种制备不溶于极性溶剂中、基本上仅包含优选纤维素/半纤维素、表现出响应可变性质的聚合物壳的方法，这种壳，以及这种聚合物壳用于药物递送目的以及一系列分析和制备分离技术的各种应用。

[0034] 由所述的描述和实施例明显可见，术语“壳”指尺寸为0.1μm～10mm、基本上包封任何空间、含气态、液态和/或固态材料、并包含至少一种聚合物材料的任何结构，所述聚合物材料包括例如多糖重复单元的碳水化合物材料，例如纤维素或半纤维素或可预期与纤维素和半纤维素具有相似性质的任何其它多糖、或壳聚糖、半乳葡甘露聚糖和/或其任何衍生物。术语“空间”指当由所述壳包封时产生的任何规则或不规则几何形状所限定的任何体积，所述体积包含气体和/或液体和/或固体。

[0035] 当本发明的特征、实施方案或方面用马库什群组描述时，本领域技术人员应认识，本发明还因此就马库什群组的任何单个成员或成员亚组进行描述。本领域技术人员还应认识，本发明还因此就马库什群组的单个成员或成员亚组的任何组合进行描述。

[0036] 本发明的方法的一个方面包括以下步骤：提供适合的聚合物组分并将其溶于第一溶剂中，所述第一溶剂优选为非极性溶剂，任选地在包含所述聚合物组分的溶液中混入成核物质，例如通过使气体溶于所述第一溶液中或通过对所述第一溶液加压，以使所述成核物质形成核，其中所述聚合物组分基本上不混溶。随后，通过使所述第一溶液与第二溶剂接触使所述聚合物组分沉淀，由此获得任选在所述核的周围形成的聚合物壳，所述第二溶剂具有其中所述聚合物组分基本上不溶的极性特性。

[0037] 所述聚合物组分可以是任何聚合物，或天然的或合成的，基本上惰性的或生物活性的，例如多糖如纤维素或半纤维素或可预期与纤维素和半纤维素具有相似性质的任何其它多糖、或壳聚糖、半乳葡甘露聚糖、葡糖胺聚糖、硫酸肝素、透明质酸、硫酸软骨素、或蛋白多糖、聚酯、聚醚、聚乙烯等或其任何衍生物。

[0038] 所述第一溶剂可以是其中溶解所述聚合物的任何溶剂，例如有机溶剂如二甲基乙酰胺(DMAc)或N-甲基氧化吗啉(NMMO)。

[0039] 所述第二溶剂优选具有极性特性使得所述聚合物不溶于其中，例如水、甲醇、乙醇、异丙醇、1，2-二氯乙烷和/或甲苯等。使用水(极性指数9)、乙醇(极性指数5.2)、1，2-二氯乙烷(极性指数3.5)或甲苯(极性指数2.4)或这些溶剂的任意组合导致纤维素壳几乎立即沉淀和形成，而使用环己烷(极性指数0.2)看起来导致壳形成较慢，意味着至少在使用纤维素时，聚合物壳的快速沉淀在区间0.2～2.4中的某处停止。

[0040] “混入成核物质”指例如通过向溶液中供给气体或通过对溶液加压并由此使气体溶于溶液中，以例如气泡的形式向聚合物溶液中引入能够形成核的物质或元素如二氧化碳、空气、氩气、氮气、氢气和/或液化石油气(LPG；40％丁烷和60％丙烷)等。本发明的精神内的其它成核物质可例如包括能够形成核的液体和/或固体和/或乳液。此外，成核物质还可包括各种活性物质。

[0041] 本发明的方法的一个实施方案包括以下步骤：提供适合的多糖材料，例如纤维素或半纤维素或可预期与纤维素和半纤维素具有相似性质的任何其它多糖、或壳聚糖、半乳葡甘露聚糖或其任何衍生物，任选地在水、甲醇和二甲基乙酰胺(DMAc)或任何其它有机溶剂中反复洗涤所述聚合物组分，然后将其溶于包含至少一种有机溶剂(优选DMAc)和至少一种类型的金属离子(优选碱金属离子)的第一溶液中。本发明的范围内的另一有机溶剂为N-甲基氧化吗啉(NMMO)，但这种溶剂的使用需要绝对不存在金属离子。溶于溶液中的聚合物的量通常为约0～25％w/w，但优选为0～5％w/w，这取决于所选聚合物的特性，尤其是分子量、取代度和取代基的性质。在有机溶剂(例如DMAc)中，金属离子干扰聚合物间的分子内和分子间氢键，从而增大其溶解度。优选锂离子，但也可采用其它碱金属和金属离子，例如Mg、Na、Fe、Al和Cu。浓度范围优选为0.1～25％w/w，甚至更优选5～10％w/w。任选地，例如通过加入液体和/或固体和/或气体向溶液中混入成核物质以有助于核的形成由此改善聚合物壳的生成，例如通过向第一溶液中供给适合的气体或使用适合的气体如二氧化碳、空气、氩气、氮气、氢气和/或LPG对第一溶液加压以进一步促进核的形成，最后将聚合物溶液转移到包含所述聚合物组分不溶于其中的具有极性特性的溶剂的第二溶液中，随后在该处沉淀并形成不溶于所述第二溶剂中的聚合物壳。

[0042] 在另一实施方案中，制备聚合物壳的方法包括：将聚合物组分溶于第一溶剂中并随后向所述含聚合物的溶液中混入成核物质。所述成核物质可选自至少一种气体、至少一种液体和/或至少一种固体，尤其是CO2、空气、氩气、氮气、氢气、LPG、水、己烷和/或任何其它烃、和/或PDMS和/或任何其它聚硅氧烷。最后，聚合物壳如下形成：通过使所述第一溶液与第二溶剂接触以使所述聚合物组分沉淀，由此获得任选在所述核的周围形成的聚合物壳，所述第二溶剂具有极性特性，并且在第二溶剂中所述聚合物组分基本上不溶。

[0043] 本发明的又一实施方案公开了一种制备透明的、硬的、弹性的聚合物壳的方法，包括：沉淀后微波干燥聚合物壳的附加步骤，由此获得透明、弹性的壳，所述壳优选包含纤维素和/或半纤维素或具有相似性质的其它聚合物。微波干燥可在家用微波炉中于例如50～1500W、优选在约800W下进行。所述干燥可进行10秒钟到数小时的任何时长，这取决于干燥条件和壳本身。得自上述方法的聚合物壳具有非常有益的物理性质，例如弹性(即在释放施加的物理压力后，壳回到其初始形状)、刚性和透明性。

[0044] 本发明的另一实施方案公开了一种方法，所述方法包括以下步骤：提供适合的多糖材料，例如纤维素或半纤维素或可预期与纤维素和半纤维素具有相似性质的任何其它多糖、或壳聚糖、半乳葡甘露聚糖或其任何衍生物，在水、甲醇和二甲基乙酰胺(DMAc)或任何其它有机溶剂中反复洗涤所述聚合物组分，然后将其溶于包含至少一种有机溶剂(优选DMAc)和至少一种类型的金属离子(优选碱金属离子)的第一溶液中。溶于溶液中的聚合物的量通常为约0～25％w/w，但优选0～5％w/w，这取决于所选聚合物的特性，尤其是分子量、取代度和取代基的性质。在有机溶剂(例如DMAc)中，金属离子干扰聚合物间的分子内和分子间氢键，增大其溶解度。优选锂离子，但也可采用其它碱金属和金属离子，例如Mg、Na、Fe、Al和Cu。浓度范围优选0.1～25％w/w，甚至更优选5～10％w/w。任选地，例如通过加入液体和/或固体和/或气体向溶液中混合进成核物质，以有助于核的形成，由此改善聚合物壳的生成，例如通过向第一溶液中供给适合的气体或用适合的气体如二氧化碳、空气、氩气、氮气、氢气和/或LPG对第一溶液加压以进一步促进核的形成。随后加热第一溶液以蒸发溶液中存在的任何水，然后通过增大压力或通过向溶液中供给气体并由此溶解气体而暴露于气体，从而形成包含气体和/或液体和/或固体的核。暴露于增大的压力通过用适合的气体对溶液加压从而使气体溶于聚合物溶液中或通过强制所述溶液通过至少一个毛细管或毛细管系统和/或微流体装置实现。最后将聚合物溶液转移到包含所述聚合物组分不溶于其中的具有极性特性的溶剂的第二溶液中，随后在该处沉淀并形成不溶于所述第二溶剂中的聚合物壳，所述聚合物壳任选地形成在所述核的周围。适合本发明的聚合物材料可包括例如纤维素或半纤维素或可预期与纤维素和半纤维素具有相似性质的任何其它多糖、或壳聚糖、半乳葡甘露聚糖和/或其任何衍生物。所述聚合物材料优选包含一种或更多种糖的重复单元，但其它碳水化合物和非碳水化合物聚合物材料也在本发明的范围内。所述聚合物材料优选呈无序、非晶形式，但也可以结晶形式或两者的混合物存在。在本发明的一个实施方案中，聚合物材料可以0～25％w/w的浓度、优选0～5％w/w的浓度溶于金属离子/有机溶剂溶液中。根据本发明，可以以未改性的形式使用若干类型的木浆，提供优于大多数现有技术的独特优势。壳的聚合物含量表现出不影响其外径，但增大溶剂中聚合物的浓度将导致壁厚和密度的增大，但不是线性方式。不希望受任何特定理论的束缚，但推测，溶液中聚合物浓度的增大提供更大量容易获得的构建材料，从而使壳具有更厚的壁和更高的密度。或者，溶液中更高的聚合物含量可增大粘度并由此延长气体溶解时间。当向纤维素溶液中进料二氧化碳持续30分钟时(图10)，壁密度和聚合物壳内的中空空间之间的关系表明，在1％到2％的纤维素区间上，壁厚稍有增大。但当向溶液中进料二氧化碳仅持续5分钟时(图11)，在0.5％到2％的纤维素区间上，壁厚显著增大。总起来看，不同的壁厚和壳密度可影响壳特性如力学性质和扩散速率。因此，本发明可赋予聚合物壳响应性物理性质，这是许多应用领域中高度寻求的特征。

[0045] 在本发明的一个实施方案中，所述第一溶剂中金属或碱金属离子的浓度为0.1～25％w/w，优选为5～10％w/w。所述碱金属离子或金属离子优选为锂，但也可采用本领域技术人员熟知的其它离子如Mg、Na、Fe、Cu、Al、Ni、Zn、K、Be。

[0046] 在本发明的另一实施方案中，对所述第一溶液加压的气体为二氧化碳，但也可使用本领域技术人员熟知的其它适合的气体如空气、氩气、氮气、氢气和/或LPG来促进聚合物壳的形成。根据本发明，当进入第二沉淀溶液中时，被加压的包含所述聚合物材料的金属离子/有机溶剂溶液有助于壳的形成。当被加压的第一聚合物溶液被加到非溶剂即包含极性溶剂的极性特性的溶剂中时，聚合物一与极性溶剂接触即开始沉淀且气泡在聚合物小滴内成核。第一聚合物溶液内成核的气泡内较高的压力导致与第二溶液接触时聚合物材料的向外膨胀，从而形成聚合物壳。与其它气体相比，LPG的使用将显著增加聚合物壳内的空间。还是不希望受任何理论的束缚，但一种可能的解释是因为LPG在聚合物溶液中增加的溶解度，这意味着若干变量的改变可赋予聚合物壳有益的响应性性质。

[0047] 为增加壳的球形形状，可降低其中发生沉淀的非溶剂的表面张力，例如在一个实施方案中使用表面活性剂如两性表面活性剂、非离子表面活性剂和/或阴离子表面活性剂。还是不希望受任何特定理论的束缚，但推测，当向沉淀浴中加入表面活性剂时，将因非溶剂的表面张力减小而导致聚合物壳的改善球形形状，从而促进表面渗透并减小冲击，这意味着球形小滴样形状在沉淀过程中得到保持。

[0048] 在本发明的另一实施方案中，第一溶液因为物理现象如溶解聚合物的容器与沉淀浴之间的压差或二氧化碳的成核而被转移到第二溶剂。该实施方案中采用的设备包括：含溶于包含金属离子/有机溶剂的加压的第一溶液中的聚合物的容器、用于转移溶液的部件、以及含包含具有极性特性的溶剂的溶液的接收沉淀容器，不溶于所述极性溶剂中的聚合物壳将在所述接收沉淀容器中沉淀。在本发明的另一实施方案中，采用喷雾装置将第一聚合物溶液转移至第二溶剂用于沉淀。喷雾装置与聚合物溶液相连，所述溶液随后被喷射到具有极性特性的溶剂上，在该处形成不溶于所述极性溶剂中的聚合物壳。在本发明的又一实施方案中，第一溶液使用例如移液管或任何其它类型的用于转移液体的实验室仪器手动转移至包含第二溶剂的沉淀浴。

[0049] 在又一实施方案中，上述方法在微流体装置中和/或毛细管系统中进行。本发明的一个优选实施方案(见例如图9)包括：两个基本上柱形的依次排列的微流体容器、一个含内部第一溶液的注射管和一个含具有极性特性的外部第二溶液的收集管，所述收集管被部分包封在包含所述外部第二流体和中间流体的外部容器中。所述中间流体对离开注射管的内部聚合物溶液施加引导力，使内部聚合物流体转移进收集管中聚合物组分和因此聚合物壳不溶的第二沉淀流体中，在该处聚合物壳沉淀并形成。本发明的另一实施方案涉及一种至少两个经由转移部件相连的依次组装容器的系统，在该处压力从一个容器到下一个相继降低，导致聚合物溶液从一个容器转移至下一个，不溶于极性溶剂中的聚合物壳在沉淀容器中沉淀。

[0050] 再一实施方案教导了一种制备聚合物壳的方法，包括以下步骤：将聚合物组分溶于第一溶剂中，随后将所得溶液与成核物质混合，其中所述成核物质为油包水乳液。最后，通过使所述第一溶液与第二溶剂接触以使聚合物组分沉淀，其中所述第二溶剂为例如水，所述水任选得自所述乳液体系，从而获得聚合物壳。

[0051] 在本发明的一个实施方案中，用于溶解聚合物的溶剂在聚合物壳沉淀后被回收和再循环。在本发明的该特定实施方案中，溶剂为NMMO，NMMO仅在浓缩时是一种高效的纤维素溶剂。这意味着，随着壳沉淀，NMMO与水混合而与纤维素壳分离，并可因此通过分离掉水而再次用作溶剂。在这种情况下，不存在金属或碱金属离子对于避免爆炸至关重要。在使用DMAC/LiCl-混合物作为聚合物溶剂时，两种化学品均可在分离掉水后再次使用。这种溶剂混合物的使用在碱金属离子的存在下没有爆炸的风险。

[0052] 根据本发明的一个实施方案，聚合物壳在CaCO3的存在下形成，产生包含所述化合物的壳并因此表现出基本上可逆地密封的内部空间。暴露于低pH时，CaCO3的溶解度增大，导致在聚合物壳中随后形成孔隙，从而在至少数小时内促进所需的被引入的物剂的扩散和持续释放。

[0053] 在本发明的又一实施方案中，用于沉淀聚合物壳的流体包含可溶于沉淀流体中的聚合物或化合物以涂覆壳的表面从而获得所需的效果，例如涉及壳的密封或表面的官能化。这种化合物可包括但不限于壳聚糖、半乳葡甘露聚糖、木葡聚糖和/或CaCO3。

[0054] 本发明的另一方面涉及基本上包含碳水化合物聚合物的聚合物壳，其中所述壳的内径与外径的比率可随暴露于不同的盐浓度和/或不同的pH而改变。根据本发明，当被留在pH 1～13范围内的溶液中2～3小时的时间段或直至达到平衡时，不溶于极性溶剂中的聚合物壳的外径和壁厚均减小。

[0055] 根据本发明，壳的向内径向溶胀因不同的pH和盐浓度而发生，聚合物壳内空间的体积随pH降低而增大，并且体积随盐浓度增大而减小。根据本发明，当增大pH时壳内空间体积的减小主要是壳的壁厚随pH增大而增大的结果，盐浓度增大时壳内空间体积的减小也是因为当增大盐浓度时壳的壁厚增大的缘故。因此，根据本发明，暴露于不同的盐浓度和不同的pH时发生的溶胀导致向内径向膨胀，外径较为恒定，壳内空间的体积与盐浓度和pH成反比。

[0056] 根据本发明，当pH从1.5增至10时，聚合物壳的壁的初始厚度增大0.3～0.55mm，这取决于聚合物材料。在所述pH区间上，在溶液中2～3小时后，壳的壁厚以类似方式增大，但更适度地，增大0.2～0.25mm。在本发明的再一实施方案中，壳的壁厚可根据聚合物溶液中气体的溶解程度(即溶解的气体的量)加以调节。本发明教导了提供不溶于极性溶剂中、具有动态可变性质的聚合物壳的方法，这种壳以及其应用。壳的化学和物理性质可通过不复杂的因素如不同的盐浓度和不同的pH加以控制和调节的事实使得这种壳对于许多目的而言是高度需要的，例如在药物递送和色谱分离中，甚至其它用途，尤其是作为包装材料、填充材料、接缝填充材料或作为风化料，均在本发明的精神内。根据本发明的一个实施方案，降低pH导致壳内空间的体积增大，从而提供具有泵或膜的特性的壳。以类似方式，在一个实施方案中，降低盐浓度导致壳内空间的体积增大。在其它实施方案中，变化可能相反。在许多生物、化学和物理体系内可发现不同的盐浓度和pH，从而为这些不溶于极性溶剂中的聚合物壳提供了若干用途领域。根据本发明，较高的pH诱导聚合物上官能团的离子化，导致聚合物材料的溶胀，使得壳内空间的体积减小。此外，当研究不同电荷密度的聚合物时，增大pH未检测到壳内空间体积的明显减小，从而得出结论：气态二氧化碳的水溶性影响壳的性质。在水通过毛细管力进入壳中后，在较高的pH下，二氧化碳的溶解度增大，从而减小向外的气体压力，使得壳内空间的体积减小。

[0057] 根据本发明的不溶于极性溶剂中的聚合物壳的特征还在于其具有在约0.1小时到约24小时、优选1小时到12小时的时间段内持续释放化合物的能力。此外，根据本发明，这些性质可在改变盐浓度和/或pH时改变，其它聚合物的存在和/或壳中连接或引入的化合物也影响释放性质。

[0058] 所述聚合物壳的聚合物材料可包括纤维素、半纤维素、壳聚糖、半乳葡甘露聚糖或其任何衍生物。所述聚合物材料优选包含一种或更多种糖的重复单元，但其它碳水化合物和非碳水化合物聚合物材料也在本发明的精神内。例如，本发明的聚合物材料可包括一种或更多种基本上具有碳水化合物和/或尤其是纤维素或半纤维素特性的聚合物。此外，所述聚合物材料可由已通过取代或加成而改性的纤维素或半纤维素构成。在本发明的范围内，天然和合成聚合物均可使用。所述聚合物材料可以是结晶，或呈无序、非晶形式，或两者的混合物。

[0059] 在本发明的一个实施方案中，聚合物壳的内径与外径的比率可因不同的盐浓度或不同的pH或随时间而在40～90％、优选50～70％范围内变化。

[0060] 根据本发明的壳显示出的外径为0.1μm～10mm，但0.1μm～10μm、10μm～50μm、50μm～100μm、100μm～500μm、500μm～1mm、1mm～10mm的直径均在本发明的范围内，这取决于聚合物壳的目的和应用领域。在本发明的又一实施方案中，壳的内径为
0.5mm～6mm，但内径也可为0.1μm～10μm、10μm～50μm、50μm～100μm、100μm～
500μm、500μm～1mm、和1mm～10mm，这同样取决于目的和应用领域。

[0061] 由图13和16可见，包含1％纤维素的聚合物壳可表现出的壳壁厚度为约100μm～300μm。纤维素含量为1.5％的壳可显示出略厚的壳壁，为约200μm～300μm，这可由图14、15和17看出。纤维素含量为2％的壳可具有甚至更厚的壳壁，图18示出了壳壁厚度为约350μm的纤维素聚合物壳。某些纤维素壳，例如形成后暴露于微波干燥的壳，表现出显著较薄的壳壁，如由图19可见，厚度为约2μm～30μm。因此，壳壁厚度为约
100nm～2mm的聚合物壳均在本发明的范围内。壳壁厚度可优选在0.5μm～500μm的区间内，但特定的应用可能需要其它区间。

[0062] 根据本发明，经洗涤的不溶于极性溶剂中的聚合物壳与未经洗涤的壳具有不同的特性。外部因素对壳的影响受与未经洗涤的壳缔合的金属离子盐或碱金属离子盐例如LiCl的影响。此外，根据本发明，构成经洗涤的壳的聚合物的取代度影响壁厚和壳的溶胀，较高的取代度导致较厚的壁和较小的外径，这表明聚合物的溶胀增加。其原因在于，聚合物的电荷增加导致化学势的较大差异，这通过材料的稀释(溶胀)得以补偿。因此，根据本发明的一个实施方案，构成不溶于极性溶剂中的经洗涤的聚合物壳的具有最高取代度的聚合物材料在盐浓度增大或pH增大时表现出更高程度的溶胀。但在另一实施方案中，降低的盐浓度导致更高程度的溶胀。

[0063] 在本发明的另一实施方案中，聚合物壳的表面经改性以获得某些所需的性质。改性壳的表面可包括共价地或通过静电或疏水力或通过本领域技术人员熟知的任何其它连接措施来连接官能团和/或活性基团。改性物可包括原子、分子、大分子、聚合物、集合体、颗粒、纤维、原纤维和技术人员熟知的其它组分。在又一实施方案中，具有适于药物递送或色谱应用的性质的其它聚合物被连接到聚合物壳。这种聚合物可例如包括非碳水化合物和碳水化合物聚合物如壳聚糖，但也可将蛋白质、多肽和寡核苷酸连接到聚合物壳。所述连接可依靠共价键或非共价键，此外可包括超过一种其它聚合物或寡聚物。

[0064] 在一个优选的实施方案中，用于改性聚合物壳的表面的其它聚合物为水溶性碳水化合物。所述水溶性碳水化合物可在改性聚合物壳的表面之前或之后被改性。被改性的水溶性碳水化合物可为木葡聚糖。木葡聚糖的改性可按Brumer和其同事的发明EP1448840B1进行，其中采用化学-酶法用酶-木葡聚糖内切转糖苷酶进行纤维素的改性。改性木葡聚糖的另一方法见 和其同事的公开(美国临时申请61/150021)，其中通过还原胺化程序胺化了木葡聚糖。经胺化的木葡聚糖分子可用于连接抗体、蛋白质或肽(如WO2008/104528中所公开)或者加成赋予密封性或其它相容性的化合物。

[0065] 在该实施方案中，经改性的木葡聚糖与聚合物壳连接以赋予适于药物递送或色谱应用的性质或任何其它所需性质，例如壳的可逆密封。根据本发明，其它实施方案可包括使用适合的聚合物(如壳聚糖)或化合物(包括例如CaCO3)可逆地密封壳，从而在暴露于不同的环境条件如pH和盐浓度时具有不同的性质。可逆密封可例如通过将聚合物壳浸没在赋予密封性的适宜聚合物或化合物的溶液中获得。明胶广泛用在药物递送应用中，这是因为明胶被肠胃系统中的酶消化，从而使药物释放。可逆密封性质可例如用于药物递送应用中以控制聚合物壳的内容物的释放。密封性质的移除可通过暴露于改变的pH、盐浓度或温度达到。用CaCO3产生的聚合物壳显示出其壳内包封的化合物的显著较慢的释放，意味着壳中引入的孔数减少或孔尺寸减小。据推测，未溶解的CaCO3覆盖所述孔，由此降低聚合物壳的扩散性和渗透性。

[0066] 本发明的一个实施方案涉及通过本发明的方法产生的基本上包含碳水化合物聚合物的聚合物壳。

[0067] 在本发明的另一个实施方案中，描述了包含聚合物壳的药物递送装置。所述药物递送装置可包含用于例如小分子、大分子和/或生物药物的经口(p.o.)、静脉内(i.v.)、腹膜内(i.p.)、侧脑室(i.c.v.)、肌内(i.m.)、鼻内和/或鞘内传递的载体或用于疫苗和/或非特异性免疫应答增强剂或本领域技术人员熟知的其它药学上感兴趣的化合物的载体。此外，所述药物递送装置可用于药学上感兴趣的化合物的局部传递或用于在较长时间段上的持续传递。在另一实施方案中，待引入进载体中的药物或药物组合物用作成核物质，辅助聚合物壳的形成并因此引入药物递送载体中。或者，可将药物溶于第二极性溶液中，以在聚合物壳沉淀时引入载体中，例如通过与聚合物一起优先共沉淀或通过一些其它形式的非特异性或特异性化学相互作用。在本发明的再一实施方案中，聚合物壳在其形成后载带有目标药物，例如通过利用聚合物壳的响应性性质。

[0068] 在本发明的另一实施方案中，聚合物壳用作色谱分离的装置，其中所述壳充当固相组分，例如充当液相色谱(LC)包括例如高效液相色谱(HPLC)、体积排阻色谱(SEC)、离子交换色谱、亲和色谱、固定金属亲和色谱(IMAC)或疏水色谱、反相色谱(RPC)、薄层色谱(TLC)和/或气相色谱的柱的固定相，还包括本领域技术人员熟知的技术，用于制备和分析的目的。

[0069] 此外，所述聚合物壳填料可用作各种目的的填充材料，尤其是绝缘材料、包装材料、接缝填充材料和/或风化料。

[0070] 实施例

[0071] 材料和方法

[0072] a.纤维素聚合物

[0073] 本发明人在本实验中研究了三种类型的纤维素。采用了两种具有不同取代度(D.S.)(0.0065和0.015)的溶解浆以及称为Grycksbo的漂白化学硫酸盐长纤维浆。

[0074] b.光学显微镜技术

[0075] 本发明人采用光学显微镜技术评价不溶于所述极性溶剂中的聚合物壳的尺寸。使用Carl Zeiss Stemi SV8，可确定盐浓度和pH对聚合物壳的外径和内径的影响，还可检测壳内空间的存在。

[0076] c.共聚焦显微镜技术

[0077] 本发明人意图使用共聚焦显微镜技术，但由于壳的壁厚使得光段不能穿透壳至足够的程度，从而难以进行任何测量。

[0078] d.分光光度测定法

[0079] 为模拟药物从聚合物壳的释放，通过对含所述壳的水溶液反复取样，用分光光度测定法测定了引入壳中的常用染料的释放。

[0080] 实施例1：通过可变的pH随时间调节的效果

[0081] 由表1到表3和图1中可见，壳的初始外径在较高的pH下略微增大。比较图1中的外径与图2中的外径以及初始值和2～3小时后的值，很明显，所有三种聚合物类型的尺寸均减小且在两种溶解浆之间存在高相似度。一种可能的解释是，当水扩散进壳中后壳内气压降低，使向外的径向压力减小，并由此使壳的尺寸减小。

[0082] 表1

[0083]

[0084] 表2：

[0085]

[0086] 表3：

[0087]

[0088] 从图3中所示壳壁的初始厚度明显可见，厚度随pH增大而增大。在1.5～13的pH范围上的增大为0.6～11mm，这取决于所用的纤维素浆。壳内的空间受pH影响，在低pH下检测到最大体积，这是因为溶胀随pH增大而增大。当纤维素上带电荷的基团(主要是羧基)在较高pH下离子化时，带电荷的纤维素与水溶液间的化学势差导致水流入纤维素中，致使溶胀增大。图4中可以看到类似的趋势，其中溶液放置了数小时。然而，此处在1.5～13的pH范围上，壳的壁厚差异为0.4～0.5mm。

[0089] 升高pH时观察到壳的径向向内膨胀，这导致壁厚增大和因此壳内空间体积的减小。这种行为的一种可能解释是，当碱性水进入壳中时，气体二氧化碳变得越来越可溶，导致溶解的CO2从壳中扩散出。气压因此减小，使得壁可以向内膨胀和壳内空间的体积减小。这种解释后面的基本原理源自尽管其电荷不同但在两种溶解浆间实际上未检测到差异的事实以及在改变pH时未检测到外径有大的改变的事实。如果溶胀主要是纤维素上带电荷的基团的结果，则在两种溶解浆之间应检测到更显著的差异。值得一提的是，这些试验不是在经洗涤的壳上进行的，这意味着存在一定量的LiCl离子，其将影响溶胀性质并部分解释为何两种溶解浆之间的差异相当低的原因。

[0090] 实施例2：通过可变的盐浓度随时间调节的效果

[0091] 在0～0.1M的浓度范围内改变盐浓度。使用光学显微镜于初始时间点测定初始值并再于2～3小时后测定。

[0092] 所得结果表明，对于两种溶解浆，当改变盐浓度时，外径不发生显著改变，但由硫酸盐浆构成的壳尺寸增大。对此的解释涉及通常基本上球形的壳的高度变形，导致利用二维测定的直径的增大。因此，对于Grycksbo浆，误差太大，但可以推断，两种溶解浆表现出高度相似的特性(图5)。

[0093] 在一系列不同盐浓度的溶液中2～3小时后，出于上面的原因，具有最低取代度的溶解浆的外径比具有较高取代度的溶解浆的外径略大，而硫酸盐浆的直径最大(图6)。比较图5和图6，在溶液中数小时后，外径和壁厚总体上减小。此外，对于两种溶解浆，增大盐浓度时，壁厚以及外径均增大，导致较小的壳内空间体积(图7和表5到表7)。

[0094] 表4：

[0095]

[0096] 表5：

[0097]

[0098] 表6：

[0099]

[0100] 实施例3：洗涤对纤维素壳的性质的影响

[0101] 表7到表9示出了洗涤后壳的尺寸的改变。根据前面的结果，当既不改变pH也不改变盐浓度时，壳的外径不发生显著改变。但壳的壁厚增大，表明当向溶液中加入离子时发-3生了向内的径向溶胀，意味着当升高pH至10或增大盐浓度至10 M时限制溶胀的力减小。

[0102] 表7：

[0103]

[0104] 表8：

[0105]

[0106] 表9：

[0107]

[0108] 比较两种溶解浆，可以看到，具有最高取代度(D.S.)的浆具有最大壁厚以及较小外径。因此，具有最高取代度的溶解浆的溶胀大于具有较低取代度的溶解浆的溶胀，意味着具有最高电荷的纤维素诱导较大的化学势差异、所述差异通过溶胀(稀释)加以补偿的事实。

[0109] 实施例4：染料释放实验

[0110] 为模拟物质从所述聚合物壳的释放，将着色化合物(甲基橙)吸附到壳。首先将1.5％w/w的溶解浆溶于LiCl/DMAC中(存在或不存在CaCO3)，纤维素壳如前所述沉淀。随后使甲基橙吸附到壳，然后将壳转移到水浴中。从水浴中取样并用分光光度测定法测定470nm下的吸光度。

[0111] 在第一个八小时期间，每小时取一次样，但24小时后的测定表明，引入存在CaCO3时形成的壳中的染料比不存在CaCO3时形成的壳中的染料扩散得快(图8)。八小时后，存在CaCO3时形成的壳中的染料基本上完全从壳中释放，而对于未经处理的壳，平衡状态较晚达到。甲基橙从存在CaCO3时形成的壳中的较快释放(图8)可基于较低pH下CaCO3具有较高溶解度来解释。形成壳后，引入壳中的CaCO3将溶解，导致孔的形成以促进染料从碳水化合物聚合物壳的释放。归一化染料浓度对时间的曲线图(图8)表明，当在壳的配方中引入CaCO3时可获得超过两小时的持续释放，在配方中不存在CaCO3时产生具有甚至更长持续释放性质的壳。

[0112] 实施例5：微流体聚合物壳制备

[0113] 微流体聚合物壳制备(例如根据图9)的初始阶段涉及通过流动水作为内部流体、PDMS油作为外部流体在聚二甲基硅氧烷(PDMS)中产生尺寸为60μm的单分散水滴。由PDMS包围的单分散水滴通过圆形玻璃毛细管输运并在管的末端引入纤维素/LiCl/DMAc-溶液。由于流体动力学的结果，纤维素溶液包覆PDMS和水，产生双重乳液。PDMS油起到惰性保护剂的作用，延迟纤维素和水之间通常非常快的相互作用。这种独特的结构防止堵塞，堵塞是当使用微流体作为纤维素凝固介质时的一大缺点。一旦装置堵塞，其通常将导致无用而不得不建造新的。此外，通过使PDMS油包围水滴，能够引入更多剪应力以防止早期沉淀的纤维素壳粘着在玻璃毛细管上。几何形状在下面图19中示出，内尺寸从左开始；
方形管的内部宽度为1mm，圆形玻璃管的内径为50μm，同一圆形毛细管的第二开口的内径为180μm，收集管的开口为400μm。虚线彩色箭头表示流体引入微流体装置中的入口。非虚线彩色箭头表示微流体装置内流体的流动方向。使用微流体产生的中空纤维素壳的尺寸从毫米减至微米。决定通过微流体技术产生的壳的尺寸的最重要的参数是玻璃锥(参见图
5或图19)的尺寸，进水口玻璃管的出口毛细管尺寸。锥形越大，则纤维素壳越大。

[0114] 实施例6：聚合物壳的干燥

[0115] 在于环境温度下空气干燥之前用显微镜技术测定湿中空纤维素壳的尺寸。空气干燥五小时后，再次测定尺寸。纤维素壳的直径减小系数为2.6，即减小超过60％。

[0116] 将使用LPG(60％丙烷和40％丁烷)作为成核剂制得的纤维素壳在家用微波炉(800W)中干燥直至完全干燥(约1.5分钟)。和上面的实施例不同，壳的尺寸不因干燥而减小，但壳变硬。在释放所施加的物理压力后，壳实际上即刻恢复到其初始形状和结构。此外，经微波干燥后目测检查发现壳变得透明，潜在提供了一条获得透明壳用于若干应用的非常有益的途径。

[0117] 实施例7：乳化制备

[0118] 将1ml己烷溶于5ml纤维素溶液中。然后振摇混合物，产生己烷小滴在纤维素溶液中的乳液。然后将该溶液滴注到异丙醇中，由此所述小滴沉淀，产生填充有己烷的纤维素囊。

[0119] 此外，进行在沉淀纤维素之前加入第三非极性液体(PDMS)的实验。通过在异丙醇中的沉淀步骤之前加入PDMS作为混合物中的第三组分并然后再次振摇溶液，获得了微米尺寸的壳。

[0120] 此外，对2ml纤维素溶液供给LPG，然后转移到己烷溶液中。然后振摇混合物，其后通过玻璃移液管移到异丙醇中，在该处纤维素壳沉淀并形成。

[0121] 实施例8：纤维素壳的木葡聚糖-FITC改性

[0122] 将10mg分子量为4000Da并经异硫氰酸荧光素(FITC)标记的木葡聚糖(XG)加到5g DMAC-溶液中并搅拌约一小时直至全部溶解。溶液用CO2气体处理1小时。然后将溶液滴进水浴中。XG-FITC吸附至壳，分析水浴中的水以确定其是否含任何XG-FITC。通过将水滴加在TLC板上并随后暴露于360nm的UV辐射，评价纤维素壳与XG-FITC间的相互作用。
没有光从TLC板发出，确认了水溶液中不存在XG-FITC。

[0123] 讨论

[0124] 壳的外径和壁厚最初较大，但随着时间而减小，直至达到平衡。壳内空间的体积受pH的影响，在低pH下观察到最大体积。当暴露于不同的盐浓度和不同的pH时，壳发生向内径向溶胀，外径保持相对恒定，而纤维素壁向内膨胀。对于经洗涤的壳，具有最高取代度的溶解浆的壳壁厚度表现出大于具有较低取代度的溶解浆的壳壁厚度，意味着当加盐或增大pH时，具有最高电荷的浆的溶胀更大。此外，所述壳的物理性质使得模型化合物在若干小时的时间段内持续释放，所述释放还可易于调节，意味着在药物递送领域中有着重要实用性。

[0125] 能够使用微流体技术制备聚合物壳表明了本发明的高通用性和适用性，为制备形状和尺寸很不同的壳提供了多种途径。此外，不同的干燥条件施加的不同影响意味着可利用其它参数来控制聚合物壳的物理特性。另外，通过使用盐、小分子和/或各种来源的聚合物进行表面改性是定制聚合物壳性质的又一重要工具。