磁性殼聚糖微球的制備及其性能

王 紅 英， 常 凱， 錢 斯 日 古 楞， 孫 井 輝

( 大連工業(yè)大學(xué) 生物工程學(xué)院， 遼寧 大連 116034 )

0 引 言

天然高分子磁性微球的研究是現(xiàn)在較新穎的課題，由于微球表面天然高分子的分子結(jié)構(gòu)具有可設(shè)計(jì)性，磁性微球又具有靶向性，引起了世界科學(xué)工作者的極大興趣，已成為21世紀(jì)生命科學(xué)和材料學(xué)等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。近年來(lái)，國(guó)外學(xué)者發(fā)表了許多有關(guān)天然高分子磁性微球的制備和應(yīng)用方面的研究論文，并申請(qǐng)了不少專利，已有相關(guān)技術(shù)在醫(yī)學(xué)、生物、環(huán)保等領(lǐng)域中得到了應(yīng)用[1-3]。我國(guó)也有不少的科研人員開(kāi)始了對(duì)天然高分子磁性微球這一領(lǐng)域的研究，并取得了一定的成果，但相比較而言，國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究水平與國(guó)外仍有差距。

天然高分子磁性微球的制備常以Fe3O4為內(nèi)核，外面包裹一層天然高分子材料。目前常用的天然高分子材料為淀粉、海藻酸鈉、葡聚糖等，用殼聚糖制備天然高分子磁性微球比較少見(jiàn)。但是由于殼聚糖是一種生物可降解的天然高分子材料，其分子結(jié)構(gòu)擁有的—OH和—NH2兩種活性官能團(tuán)，它們可以與很多種有機(jī)物的分子相結(jié)合[4-5]。由于殼聚糖具有這些優(yōu)良的特性，它是制備載體微球的首選材料。目前，磁性高分子微球的研究已經(jīng)從最簡(jiǎn)單的高分子包裹磁性材料發(fā)展到多類型的組合方式，其結(jié)構(gòu)一般為4種類型，即核-殼型、殼-核型、殼-核-殼型和鑲嵌型[6-9]。磁性微球的核殼兩部分構(gòu)成，核心部位的納米級(jí)磁流體使微球具有靶向性，外殼的天然高分子官能基團(tuán)使微球具有的載體性[10]。其中研究較多且具有廣泛應(yīng)用前景的主要是核-殼型磁性高分子微球，但是用殼聚糖包裹的磁性微球比較少見(jiàn)，因此本文設(shè)計(jì)了以Fe3O4為內(nèi)核外面包裹了殼聚糖的核-殼型磁性高分子微球。在制備微球的時(shí)，首先用油酸對(duì)Fe3O4磁性納米粒子改性。然后以Span-80和吐溫80為乳化劑，采用戊二醛交聯(lián)法制備[11]納米級(jí)殼聚糖磁性微球。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，殼聚糖磁性微球具備分散性良好、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

殼聚糖，脫乙酰度為90%以上，上海緣聚生物科技有限公司；乙酸、乙二胺、戊二醛、氯化亞鐵、三氯化鐵均為國(guó)產(chǎn)分析純；Span-80、吐溫80、油酸為國(guó)產(chǎn)化學(xué)純。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 改性磁流體的制備

用共沉淀法制備[12]納米級(jí)磁流體。秤取5 g FeCl2·4H2O，3.4 g FeCl3·6H2O3，分別溶解40 mL蒸餾水中，配制成Fe2+濃度為0.2 mol/L，F(xiàn)e3+濃度為0.125 mol/L的溶液。將溶液混合置入三口瓶中，加入150 mL去離子水，在10 000 r/min條件下高速攪拌。在攪拌的同時(shí)，緩慢滴加3 mol/L的NaOH，直至溶液變得黑亮，此時(shí)停止加入NaOH，繼續(xù)攪拌30 min。然后加入0.5 mL油酸，在10 000 r/min條件下高速攪拌1 h。油酸被高速分散后吸附在納米級(jí)磁流體表面，不僅提高表面張力，使納米級(jí)磁流體更圓潤(rùn)，還能夠防止磁流體氧化，提高其穩(wěn)定性。同時(shí)，大量的酸根粒子包圍，相互排斥，使其更具有分散性。然后用無(wú)水乙醇和超純水反復(fù)清洗干凈，去除磁粒表面吸附的油酸。最后加以磁場(chǎng)分離得到改性磁流體，冷凍干燥后，密封低溫保藏備用。

1.2.2 納米磁性殼聚糖微球的制備

首先，用體積分?jǐn)?shù)為2%的乙酸溶液溶解殼聚糖，隔夜放置，使其充分溶解。取1 g經(jīng)過(guò)改性的磁流體干粉置入到燒杯中，加入40 mL配置好的殼聚糖溶液，在功率1 000 W、間隙時(shí)間1 s、超聲時(shí)間1 s條件下，超聲波冰浴分散10 min。將分散好的溶液置入250 mL三口燒瓶?jī)?nèi)，加入100 mL去離子水，37 ℃恒溫水浴加熱并1 000 r/min攪拌。緩慢滴加100 μL 戊二醛(體積分?jǐn)?shù)為50%)，攪拌1 h，加入適量Span-80和吐溫80。繼續(xù)以1 000 r/min速度攪拌30 min，開(kāi)始滴加1 mol/L的NaOH。在pH達(dá)到7之前，NaOH滴加速度每4 s一滴。然后再以每8 s一滴速度滴加到pH為9，停止滴加。緩慢加入100 μL乙二胺，800 r/min攪拌3 h。停止攪拌，用無(wú)水乙醇和超純水反復(fù)清洗干凈，在4 ℃的冰箱中保藏備用。

1.3 測(cè)定方法

1.3.1 掃描電鏡分析(SEM)

磁性殼聚糖微球在載玻片固定烘干后，用XL30 掃描電鏡(philips)掃描觀察其形貌。

1.3.2 平均粒徑

取少量的磁性殼聚糖微球，溶于重蒸餾水中，超聲分散。然后使用美國(guó)布魯克海文儀器公司的Zetasizer激光分析儀測(cè)定納米級(jí)磁性殼聚糖微球的粒徑分布。

1.3.3 紅外光譜分析(FTIR)

取少量的2 mg磁性殼聚糖微球干粉與干燥KBr粉末充分混合，用球磨機(jī)研磨2 min，轉(zhuǎn)入模具中，使其分布均勻，壓成透明的薄片。然后用美國(guó)Nicolet Impact 410型紅外光譜分析儀對(duì)磁性殼聚糖微球進(jìn)行分析，測(cè)量的范圍為4 000～400 cm-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 磁性殼聚糖微球制備的影響因素

2.1.1 殼聚糖的質(zhì)量濃度

如表1所示，隨著殼聚糖質(zhì)量濃度的增加，磁性殼聚糖微球的粒徑隨之增大。但是，當(dāng)殼聚糖質(zhì)量濃度過(guò)大時(shí)，反應(yīng)液的黏度也越大，攪拌就越困難，容易產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象。而殼聚糖的質(zhì)量濃度過(guò)低，磁流體則會(huì)交聯(lián)很少的殼聚糖，不利于固定化活性物質(zhì)。所以殼聚糖的質(zhì)量濃度為20 g/L時(shí)條件最佳。

2.1.2 氫氧化鈉的滴加量

在磁性殼聚糖微球的制備過(guò)程中，氫氧化鈉的滴加過(guò)量，會(huì)使微球粘連太多的殼聚糖，造成微球之間的團(tuán)聚現(xiàn)象；滴加不足則會(huì)導(dǎo)致磁流體表面很少或者沒(méi)有殼聚糖。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，滴加8.5 mL濃度為3 mol/L的NaOH時(shí)成球性最好，見(jiàn)圖1。

表1 不同殼聚糖質(zhì)量濃度對(duì)微球制備的影響

圖1 不同NaOH滴加量的殼聚糖磁性微球的SEM照片

2.1.3 攪拌速度

如表2所示，在制備微球的過(guò)程中，攪拌速度越大，磁性殼聚糖微球粒徑越小。當(dāng)轉(zhuǎn)數(shù)超過(guò)1 000 r/min之后，即使攪拌速度增加，微球粒徑的變化也比較平緩。所以，最佳攪拌轉(zhuǎn)數(shù)為 1 000 r/min。

表2 不同攪拌速度對(duì)磁性殼聚糖微球粒徑的影響

2.2 磁性殼聚糖微球的結(jié)構(gòu)與形貌觀察

采用SEM對(duì)實(shí)驗(yàn)部分得到的殼聚糖磁性復(fù)合微球結(jié)構(gòu)與形貌進(jìn)行觀察。由圖2可見(jiàn)，其粒徑達(dá)到300 nm左右，成球性較好，尺寸均勻，分散性好，沒(méi)有團(tuán)聚現(xiàn)象。

圖2 磁性殼聚糖微球的SEM照片

2.3 磁性殼聚糖微球粒徑的分布

粒徑分布是評(píng)價(jià)磁性殼聚糖微球的分散性和均一行的重要指標(biāo)，由圖3可見(jiàn)，納米級(jí)磁性殼聚糖微球的粒徑分布比較窄，95.4%的磁性殼聚糖微球集中在332.7 nm左右，平均粒徑大約為348.5 nm，分散系數(shù)為0.283，這與掃描電鏡分析所得出的結(jié)果一致。

圖3 磁性殼聚糖微球的粒徑分布

2.4 磁性殼聚糖微球的紅外分析

圖4是紅外光譜分析儀得出的磁性殼聚糖微球紅外光譜。對(duì)紅外光譜圖進(jìn)行解析，584 cm-1的寬吸收峰是Fe—O的特征峰，表明磁性微球中含有磁流體。1 068 cm-1是C—O—C伸縮振動(dòng)峰，1 635 cm-1是—NH2彎曲振動(dòng)吸收峰，3 434 cm-1的寬吸收峰是羥基—OH振動(dòng)吸收峰，2 925 cm-1寬吸收峰是—NH的伸縮振動(dòng)吸收峰，這些官能基團(tuán)均是表明磁性微球中含有殼聚糖。由紅外光譜解析得出，已成功制備出以磁流體為核心外殼包裹著殼聚糖的納米級(jí)微球。這些特征峰的波谷較深，表明磁性殼聚糖微球表面的活性基團(tuán)豐富。

圖4 磁性殼聚糖微球的紅外圖譜

2.5 磁性殼聚糖微球的磁響應(yīng)性

由表3中數(shù)據(jù)可以看出，磁性殼聚糖微球粒徑不同，磁響應(yīng)也不同，磁性殼聚糖微球粒徑越大，磁響應(yīng)就越強(qiáng)。但是在加以相同磁場(chǎng)下，磁性殼聚糖微球都能在74 s吸附完畢，以達(dá)到快速分離。由此可以看出磁性殼聚糖微球的磁響應(yīng)顯著，具有磁分離的功能。

表3 不同粒徑磁性殼聚糖微球磁響應(yīng)時(shí)間

2.6 殼聚糖磁性微球的耐酸堿性實(shí)驗(yàn)

磁性殼聚糖微球可以在pH 9的溶液中冷凍儲(chǔ)存一個(gè)月，但是當(dāng)pH>9.4，會(huì)發(fā)生交聯(lián)團(tuán)聚。而且時(shí)間越長(zhǎng)，交聯(lián)得越嚴(yán)重。磁性殼聚糖微球在pH<5.5溶液放置3 d，會(huì)有部分納米級(jí)磁性離子的溶出。這是因?yàn)榇判詺ぞ厶俏⑶虮砻娴臍ぞ厶菚?huì)逐步溶于酸性溶液中。實(shí)驗(yàn)表明磁性殼聚糖微球在5.5

3 結(jié) 論

通過(guò)油酸改性Fe3O4，采用分散聚合法制備的微球的球形圓潤(rùn)多孔，表面活性基團(tuán)豐富，分散性良好。油酸的改性增加了磁性殼聚糖微球的疏水性。最佳藥品加量為100 μL戊二醛(體積分?jǐn)?shù)為50%)，Span-80和吐溫80各300 μL，100 μL乙二胺，滴加3 mol/L的NaOH為8.5 mL；最佳溫度為37 ℃；最佳攪拌速度為1 000 r/min。

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