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微球世界

瀏覽次數: 日期:2018-10-10 15:08:23

 


什么是微球?

 

       微球是直徑在納米和微米尺度范圍的球型粒子。球形物體是自然界存在最穩定的物質形態,它是三維幾何空間理想的對稱體,也是單位體積中所有立體形態中面積最小的。自然界大到星球如地球,小到籃球,乒乓球,玻璃珠等都是球體。 地球直徑是1.28萬千米,而籃球直徑是0.25米,1納米等于十億分之一米,相當于一根頭發絲橫切面的六萬分之一,如果拿納米的微球與籃球相比,就相當于籃球與地球之比例。 如此之小的納米微球材料卻是現代產業發展的重要基礎。

 

微球的重要性

 

       前段時間科技日報總編劉亞東列出包括芯片,飛機發動機等在內的35項中國給人卡脖子的技術,其中微球材料也是其中之一。大多數人可能很容易理解芯片和飛機發動機的技術難度及其重要性,但很少人可以理解微球為什么也這么重要這么難做。我們所熟知的宏觀球體如籃球,乒乓球,玻璃珠是如此之普通,而微球只不過是把這些球體做到足夠“小”而已,為什么中國這么一個大的一個國家卻做不了。其實很多技術的難度都是因為“小”造成的。芯片之所以難做就是因為里面的結構要精準控制到納米尺寸。乒乓球可以很容易通過模具做出來,而要把乒乓球做到納米和微米范圍的尺度其實難度是很大的。在微觀尺度下,大家習以為常的宏觀工具和制作技術已完全不適用,需要全新的技術手段,使得宏觀很容易的事情在微觀變成高不可攀的技術難題。當然也正是因為小,讓微球材料性能得到大幅度的提升,比如說微球表面效應和體積效應,一個乒乓球直徑40毫米,重量2-3克。如果把乒乓球做到直徑40納米微球,由于1毫米是106納米,因此一個普通乒乓球就可以做出1018個直徑40納米微球。其表面積有5000多平米,相當與5個足球場大小,同樣重量的40納米微球與40毫米乒乓球相比表面積增加了1012倍,因此納米微球表面吸附能力也增加了1012倍。當尺寸變小,表面吸附能力大幅度增加還是一個物理量變的過程,而某些物質小到一定程度時,其性能還會出現質的變化。比如說量子點就是有一類物質當尺寸小到納米尺度時,這些物質就會發生質的變化,由原本不發光的物質變成會發光的物質,而且發光的顏色或波長與尺寸還有關系。因此只要控制這些物質的尺寸就可以控制這類物質的發光波長。材質不變,只依靠尺寸的變化就可以改變其性能的巨大變化就是納米技術領域興起的重要原因之一。另外一個案例也可以說明這個問題。一個普通塑料(聚苯乙烯)組成的微球,當其尺寸與光的波長相當時,且這些微球粒徑分布足夠均勻時,這些微球就容易堆積成有序結構的材料,使得本身無色的聚苯乙烯塑料微球變成五顏六色的材料。這種現象在自然界中其實早就存在,如五顏六色的蝴蝶翅膀就是由納米粒子組成的有序結構。因此人類技術的進步往往是由于科學家對微觀世界有更深人的理解和掌控。
       微球材料屬于納米技術領域,雖然不是目前科研院所的研究熱點,但卻是生物制藥,電子信息,醫療器械,國防軍工等現代產業發展基礎。可以這么說,沒有微球材料技術就無法生產出用于治療癌癥的生物藥,沒有微球也無法生產手機電腦用液晶顯示屏。納米微球所具有的小尺寸效應、表面效應、極其優異的光、電、磁、力學、機械等性能而被廣泛地用于現代工業生產中, 也是當今和未來高技術和新興產業發展的重要基礎。

 

微球的國內外發展狀況

 

       納米微球的精確制備和應用是當今世界前沿、交叉的新興學科,涵蓋了材料、高分子、有機、分析、生物技術、醫藥工程、電子等眾多領域。納微米球材料的性能取決于微球基質組成,粒徑大小和分布,形態,表面功能基團等。
       隨著21世紀電子信息、生物制藥、能源、環境和國防的高速發展,對納米微球材料的性能和制備技術也提出了越來越高的要求,包括對納微米粒子大小的精確性、粒徑分布的均一性、形態、孔道結構的精確調控,以及材料的組成、表面功能化的控制等等。粒徑、形態、結構、材料組成可精確調控的高性能納微米球材料是電子信息、生物制藥、能源、國防等產業的核心材料。掌握了這些核心材料往往也就控制了戰略性新興產業的制高點。因此歐美日等發達國家都從戰略的高度投入了大量人力物力,致力于高性能納微米材料的研制,以求占有核心產業的控制權。我國在納米科技領域的研究雖然起步較早,基礎研究也取得了很好的成績,如我國在納米技術領域發表的文章數量已多年位居世界第一,但我國在納米微球的應用和產業化研究卻嚴重滯后,因此國內科研院所的研就成果往往只能停留在實驗室階段無法成功地產業化。目前幾乎所有高性能,高附加值納米微球材料都由國外壟斷,如用于液晶顯示的間隔微球,導電金球,光擴散微球基本由日本壟斷,而用于生物制藥的分離純化介質微球,用于分析檢測的色譜柱硅膠填料微球, 則由歐美壟斷。

 

納米微球的關鍵產業化技術

 

       如何精確控制和大規模化生產裸眼看不到的納米微球并賦予這些材料的功能,以滿足現代產業的需求是當今納米材料科學家最重要的研究方向。納米微球的關鍵技術問題和研究方向如下:
1) 納米微球粒徑大小徑及粒徑分布精確控制關鍵技術:
納米微球的應用非常廣泛,不同的應用需要不同性能的微球,很多高端應用都對微球的粒徑大小和均一性都有極高的要求,如液晶間隔物微球和導電金球都要求能精確控制粒徑大小(平均粒徑精度控制在50納米以下),粒徑分布滿足變異系數小于3%,. 因此不同材料組成的納米微球的精確粒徑大小和分布本領域首要解決的關鍵技術問題
2) 納米微球的孔徑大小,孔徑分布和比表面精確調控關鍵技術:
在很多應用領域,不僅要嚴格控制微球材料、粒徑大小、分布和機械強度,還要調控微球的比表面積、孔道結構等,如用于生物分離和分析的微球介質和色譜填料,微球粒徑大小、均一性、納米孔道結構都會影響生物分子分離和分析效果,因此如何調控微球孔道結構,比表面積也是關鍵技術之一。
3) 納米微米球表面改性和功能化技術:
不同的應用需要不同的表面功能基團,如用于診斷的熒光和磁性微球一般都需要有表面活性基團,使得抗體及生物分子可以鏈接到微球表面.因此微球表面功能化或改性以滿足不同應用領域的需求是一重要技術問題.
4) 納米微球規模化生產工藝技術:
       很多科研院所開發出的納米微球合成方法都只能局限于實驗室的制備,一旦放大生產就往往重復不出來,因此技術無法轉化成產品。如何解決從實驗室到大規模化生產的工程轉化也是關鍵問題之一。
       最后,微球應用開發牽涉到很多交叉領域的技術,需要不同領域的專家緊密合作才能開發不同領域應用的微球產品。

 

納米微球的應用領域

 

       納米微球的應用極其廣泛,幾乎滲透到所有的產業:無論是新醫藥,平板顯示,食品安全檢測,醫療診斷,還是水處理,節能環保,石油化工,國防安全等都離不開先進納微米球材料。
       在制藥領域: 納米孔道結構的微球材料具有極高的比表面積(1克微球材料的比表面積相當于一個足球場的面積),因此具有極強的吸附性能,如果在微球表面鍵合特殊功能基團使它可以選擇性吸附某些物質,這一特性使得納米微球材料成為所有生物藥和天然藥分離純化過程中不可缺少的材料,另外氣相和液相色譜是當今醫藥分析檢測最常用的方法,而色譜核心的材料就是微球材料。在藥物制劑領域,微球也是理想的藥物緩控釋的載體,當有效組份負載在空心或多孔的納米微球載體中可以使藥物在人體里緩慢釋放,以減小藥物的毒負作用,增加藥物的有效性。由磁性材料組成的多孔微球可作為靶向釋藥系統的載體,在外加磁場的作用下,將藥物載至預定區域,可使免疫磁性微球上的抗癌藥物更易與癌細胞接觸,提高了殺傷癌細胞的效果。
      在平板顯示領域: 單分散、粒徑高度均一的微球材料可以作為間隔物用于控制液晶盒厚,起到支撐上下基板的作用;導電微球均勻分布在熱固化性樹脂中形成各向異性導電膜(ACF)則是連接芯片和面板的關鍵材料;把光擴散微球涂到光學膜的表面或均勻地分散在基板中,可以將點光源變成面光源,則是背光源膜組的重要部件。
      在食品安全檢測領域:微球由于有極高的比表面積和特殊的表面基團使得微球具有選擇性吸附功能,因此特殊功能化的多孔的微球可以把牛奶里的的三聚氰胺,蔬菜里農藥殘留,血液的有害物質象大海撈針一樣把極其微量的有害物質捕獲出來。使我們能精確檢測到這些有害物質的含量。另外微球還是高效液相色譜和氣相色譜柱的心臟, 而高效液相色譜和氣相色譜是當今檢測和分析有害物質的最重要手段之一。
      在LED 照明領域:在LED芯片或封裝材料里加入納微米球不僅可以大幅度提高LED發光效率,并增加光的柔和性保護人的眼睛。
      在化妝品領域: 在化妝品里添加微球不僅可以增加手感和抗紫外功能,還可遮蓋皮膚的缺陷,延長有效成分的穩定性,增加皮膚的美感。
      在水處理領域:功能性的微球可以除去水里有機雜質和金屬離子成分,可制備用在半導體工業,醫藥,核工業等的超純水,也可用于凈化日常飲用水。水為人類洗滌了污穢,微球卻可以鏟除水里的污穢,到達凈化水的目的。
      在血液凈化領域:微球可以替代腎臟用來去除血液有毒物質,治療和延長病人壽命。微球是制造人工腎的關鍵材料。
      在計量領域:粒徑高度均一的微球可以作為標準顆粒用于精確測量常規尺子無法計量的納米尺寸的物質,標準顆粒作為計量工具也可用于矯正精密計量儀器。
      在醫療診斷領域:功能化微球如磁性微球,多色熒光編碼微球可廣泛地應用于免疫分析,進行多樣品或多標靶的高通量檢測。由于微球的使用,使我們可以更快速,方便地進行疾病檢測和診斷。
      在生物技術領域:微球由于具有極高的表面積并且容易分散在培養液中,因此在動物細胞培養上,微球作為動物細胞載體能夠提供大量的比表面積讓細胞在其表面生產,微球作為動物細胞培養的載體,能夠在有限的空間實現細胞的高密度培養,而且控制簡單,生產重復性好。
      在酶催化領域:微球作為酶固定的載體可以保持酶的高度專一性和催化效率;提高酶的穩定性和壽命;減小酶對產品的污染;實現生產連續化和酶的循環使用。微球也可以用于催化劑的載體使得催化劑易于回收使用。
      在化工領域:微球已廣泛地添加到油漆、涂料、造紙、塑料以改善產品的抗刮性,提高產品的耐磨性,及光學性能。
      總之納米微球材料應用非常廣泛,幾乎滲透到所有的領域,納米材料科學家不斷地開發出新技術來賦予納米微球新的光,電,磁,等各種功能, 使它為人類創造無限可能,以滿足現代產業關鍵材料和技術的需求。

 

跨領域創新突破微球產業化技術壁壘

 

       納微經過十多年堅持不懈的努力,通過跨領域的創新,攻克了多項微球制備技術的世界難題,開發出顛覆性微球精準制造技術。不僅填補國內空白,也為世界先進微球材料進步做出貢獻。在多個微球應用領域做到世界第一。
       全球首個開發出單分散硅膠色譜填料微球的規模化制備技術,并建成世界唯一一條年產20噸單分散硅膠色譜填料微球生產線
       世界上提供最多品種規格的單分散聚合物色譜填料微球,無論是粒徑,孔徑,材質組成的選擇范圍都是世界之最。建成世界上首個年產百噸單分散聚合物色譜填料的生產線
       世界上首個提供單分散固相萃取填料用于食品安全檢測,全球首個生產單分散聚丙烯酸酯微球為基質的離子交換,疏水和親和層析介質用于生物制藥分離純化
       世界上唯一一家公司同時擁有單分散硅膠和聚合物色譜填料的公司,世界唯一一家具備同時生產聚合物和氧化硅Spacer微球的公司。
       在生物制藥領域:高效分離介質微球是生物制藥分離純化核心材料,長期由美國GE公司壟斷. 納微開發出硅膠和聚合物兩種性能互補的高效分離介質微球,并成功出口到歐、美、韓國等大型藥企,改變了中國單向進口色譜填料的被動局面。 納微科技不僅是全球極少數具備規模化生產單分散聚合物色譜填料的公司之一,也是目前全球唯一一家可規模化生產單分散硅膠色譜填料的公司。公司生產的“均粒高效微球分離介質”被評為國家和江蘇省高新技術產品。高效納微生產的分離介質微球不僅打破了歐美對這一關鍵產品的長期壟斷,而且大幅度地降低了中國制藥成本,提高了中國藥品的質量和純度,減小了中國藥物的毒負作用。納微的努力和成功不僅提高了中國新醫藥產業的競爭力和獨立性,而且將惠及更廣大的中國平民百姓。在新醫藥領域,納微還將開發用于藥物緩控釋的納微米球載體,使藥物更有效,更安全,同時提高藥物的口服性。
       在平板顯示領域:納微開發出LCD 間隔物微球、導電金球、光擴散微球等系列產品首次打破了日本積水對這些關鍵微球材料的長期壟斷,并成功地應用于上百家國內外LCD 制造廠。LCD 間隔物微球被評為江蘇省高新技術產品。納微是LCD關鍵材料成功產業化將極大地提高中國平板顯示及微電子行業的競爭力。
       在食品安全領域:固相萃取柱和色譜分析柱是用于食品安全檢測的樣品前處理及檢測的關鍵耗材。納微科技率先領導固相萃取技術革命,以世界領先的微球制備和表面功能化技術開發出一系列高效固相萃取填料(柱) 和色譜分析柱,是全球唯一能提供單分散性固相萃取填料的公司,也是全球唯一擁有大規模制備單分散硅球色譜填料的公司。納微是中國唯一有自主知識產權且能規模化生產色譜填料的公司。納微的產品已廣泛用于環境污染,食品農藥殘留物,醫藥,化工,商檢的樣品分析和檢測。
       在節能環保領域:納微開發的微球產品已用于LED照明,可以把LED發光效率提高40%,用于LED分裝可以增加光的柔和性,增加光的透光率。納微是全球唯一一家可以同時提供有機硅,PMMA,聚苯乙烯(PS)或 PMMA/PS 共聚物高效光擴散微球,分別打破了日本信越,日本積水對有機硅和聚合物光擴散微球的壟斷。納微的微球產品已成功地應用于節能環保的調光玻璃,重金屬的回收及污水的處理。
       在標準計量領域:納微科技已開發出上千種NIST(美國國家標準局)可溯源精確尺度計量標準微粒。納微科技將很快成為世界上能夠提供最多規格且是中國唯一能出口標準顆粒物質的企業.納微科技已與中國計量科學研究院合作,共同開發微納米測量系統,這將對我國發展納米材料科學起著重要的作用。
       在生命科學領域 : 納微已開發出粒徑范圍從納米到微米級各種規格磁性球形顆粒(磁珠)。這些磁珠可廣泛應用于生命科學領域如核酸, 抗體, 細胞的分離和檢測。磁性納米微球也被用作靶向釋藥載體,可大幅度提高藥物的療效并降低藥物的毒負作用.
       在催化領域 : 納微開發的納米磁性微球可用于酶和催化劑載體, 由于納米級磁性微球具有極高的比表面積和超順磁性能,在外界磁場作用下可以達到快速分離和回收催化劑目的,在無磁場條件下又可以達到快速分散的目的,使得催化劑可以多次重復使用,降低使用成本并提高目標產品的純度。
       在環保領域 : 納微開發出高比表面積多孔碳化微球, 與市場上使用的活性碳吸附材料相比對空氣中的有毒物質具有更高效吸附性能和更寬的使用條件,市場上的活性炭在潮濕空氣中會很快失去吸附能力,而多孔碳化微球卻能保持很好的吸附性能。
        納微科技秉持“以創新贏尊重得未來”的理念,憑借持續不斷的創新,成為全球納米微球技術的領跑者, 并將微球的應用不斷地拓展到其它領域如醫療診斷、日用化妝品、 LED 照明、水處理、藥物緩控釋、農藥緩釋、酶固定載體、電磁波屏蔽、航空航天等。 納微科技的使命就是通過創新來賦予納米微球新的光,電,磁,等各種功能, 使它為人類創造無限可能,并滿足現代產業關鍵材料和技術的需求。
納微堅信創新是社會進步的源動力,相信通過集合化學,材料,生物和電子等交叉技術于一體的跨領域的創新及廣泛地合作,可以更好地控制和應用先進微球材料以滿足現代生物制藥,信息產業,食品安全檢測,醫療診斷,節能環保等領域日益發展的需求!

 

納微系列高性能納米微球產品

 

 

不同粒徑大小的單分散高分子微球

 

 

定制的各種功能性微球

 



 

 

 

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