自組裝法制備CMCS／PEG納米粒子及其pH值響應性研究

陳懷俊，賀繼東，董慧慧

（青島科技大學 橡塑材料與工程教育部重點實驗室山東省橡塑材料與工程重點實驗室，山東 青島 266042）

自組裝法制備CMCS／PEG納米粒子及其pH值響應性研究

陳懷俊，賀繼東，董慧慧

（青島科技大學 橡塑材料與工程教育部重點實驗室山東省橡塑材料與工程重點實驗室，山東 青島 266042）

以殼聚糖（CS）為原料與氯乙酸反應制備羧甲基殼聚糖（CMCS），再將聚乙二醇（PEG）和CMCS以不同的質量比溶解在不同pH值的溶液中，通過氫鍵相互作用自組裝形成CMCS／PEG納米粒子，并研究其粒徑大小與二者配比和溶液pH值之間的關系。結果表明，不同配比下的粒子粒徑均隨pH值的增大先增大后減小；當pH＜5時，在相同pH值溶液中，隨著PEG比例的增加，粒子的粒徑先減小后增大，在pH＝1.22、PEG∶CMCS＝4∶1時粒徑最小，約為160 nm；當pH≥5時，在相同pH值溶液中，粒徑隨PEG用量的增加而增大；通過自組裝法制備的CMCS／PEG納米粒子粒徑大小具有pH值響應性。

殼聚糖；羧甲基殼聚糖；聚乙二醇；自組裝；pH值響應；CMCS／PEG納米粒子

殼聚糖（chitosan，CS）化學名稱為（1，4）－2－氨基－2－脫氧－β－D－葡萄糖，屬氨基多糖類，由甲殼素部分脫乙酰制得，具有良好的生物組織相容性和生物可降解性，被廣泛應用于生物醫藥［1－3］、食品保健［4－5］、環境保護［6］等領域，但殼聚糖溶解性較差限制了其應用范圍，尤其是在生物醫學領域。為了改善殼聚糖的溶解性，進一步拓寬應用范圍，將殼聚糖羧甲基化，制成羧甲基殼聚糖（CMCS），既保留了殼聚糖優良的物理化學性能，還具有很好的溶解性，是良好的生物醫學材料［7－10］。吳友吉等［11］以DMSO－H2O為溶劑，在堿性條件下由殼聚糖與氯乙酸反應制備了CMCS，取代度為1.93，并探索出較適宜的制備條件為：殼聚糖1g，氯乙酸與殼聚糖質量比為5∶1，氫氧化鈉質量分數35%，十六烷基三甲基溴化銨質量分數5%（均以殼聚糖質量計），在50℃下反應6h。

聚乙二醇（PEG）是一種無毒的具兩親性的低聚物，在生物醫學領域得到了廣泛的應用。經PEG修飾后蛋白質類藥可降低免疫原性、延長半衰期［12］。CSPEG在生物醫學和制藥學上有潛在的意義，Fangkangwanwong等［13］將殼聚糖和羥基苯并三唑（HOBt）混合后溶解在水中，用碳二亞胺作為偶聯劑在溫和條件下使PEG接枝到殼聚糖上；楊心督等［14］用甲醛作為連接橋將聚乙二醇單甲醚連接在殼聚糖上，制得的mPEG－g－CS能夠自組裝成納米微球，而且合成過程中的有機溶劑易于除去，反應周期相對較短。

作者參照文獻［11］制備了CMCS并與PEG以不同的質量比混合后溶解在特定pH值的溶液中，通過氫鍵相互作用自組裝形成CMCS／PEG納米粒子，采用粒徑分析儀研究其粒徑大小與二者配比和溶液pH值之間的關系。

1 實驗

1.1 試劑與儀器

殼聚糖（脫乙酰度91%，Mn＝20 000），青島海匯生物工程有限公司；聚乙二醇（Mn＝4 000），國藥集團化學試劑有限公司；鹽酸（質量分數36%）、二甲基亞砜（DMSO）、十六烷基三甲基溴化銨、氯乙酸等均為分析純。

C－MAG HS7型集熱式磁力攪拌器；pHS－3C型pH計，上海雷磁；TENSOR－27型傅立葉紅外光譜儀（KBr壓片）；XRD－7000S／L型X－射線衍射儀；Malvern（Nano－ZS90）型粒徑分析儀，英國馬爾文儀器有限公司。

1.2 CMCS的制備

稱取5g CS于500mL三口燒瓶中，加入40mL去離子水，置于30℃恒溫水浴中溶脹30min。稱取1.7665g NaOH于燒杯中，加入60mL去離子水配成NaOH溶液，將NaOH溶液用滴管滴加到燒瓶中堿化2h，調節水浴溫度至60℃。將2.8625g氯乙酸溶解在25mL DMSO中，用注射器勻速將溶液滴入三口燒瓶中，重復此操作4次，加入相轉移催化劑十六烷基三甲基溴化銨0.2533g，反應5h。待反應結束后用NaOH溶液調節pH值至中性，離心取上清液（下層為未反應的CS），加入無水乙醇，有凝膠狀產物析出。

將析出的產物再溶解在水中，離心分離，取上清液，用旋轉蒸發儀濃縮后倒入燒杯中加無水乙醇沉淀，得到凝膠狀產物。將產物倒入離心管中，離心，棄掉液體，將固體產物收集到培養皿中，晾干后放入真空烘箱干燥，即得高取代度的CMCS。

1.3 自組裝法制備CMCS／PEG納米粒子

取0.2mL鹽酸滴入100mL H2O中形成原始溶液，將其稀釋配制成一系列不同pH值的溶液。將一定量的CMCS與PEG混合后溶解在10mL特定pH值的溶液中，用磁力攪拌器攪拌至充分溶解，使其通過氫鍵相互作用發生自組裝，形成CMCS／PEG納米粒子。PEG與CMCS的質量比及用量見表1。

2 結果與討論

2.1 CS和CMCS的紅外光譜（圖1）

圖1 CS和CMCS的紅外光譜Fig.1 FTIR Spectra of CS and CMCS

由圖1可看出，CS發生羧甲基化后在1 745cm－1附近出現新的吸收峰，這是脂肪酸羰基（C＝O）的特征峰，在1 628cm－1和1 414cm－1處出現了羧甲基鈉鹽的特征吸收峰，說明CS發生了羧甲基化反應。CMCS在1 597cm－1處出現－NH2的N－H變形振動峰，羧甲基化后的N－H變形振動峰和羰基的不對稱伸縮振動吸收峰疊加變為單峰（1 628cm－1），強度增加，但位移很小，且1 560cm－1附近沒有出現吸收峰，無酰胺基團中N－H的彎曲振動峰，可以認為CMCS中的－NH2幾乎沒有參與羧甲基化反應。且仲羥基的碳氧鍵的伸縮振動峰在1 100cm－1左右，反應前后變化不大，伯羥基的碳氧鍵的伸縮振動峰在1 070cm－1左右，羧甲基取代后此峰減弱，說明羧甲基取代主要發生在伯羥基上。

表1 PEG與CMCS的質量比及用量Tab.1 Mass ratio and dosage of PEG and CMCS

2.2 CS和CMCS的X－射線衍射分析（圖2）

由文獻可知，CS在2θ＝10°和2θ＝20°處有兩個特征衍射峰。由圖2可看出，當CS羧甲基化后，位于10°的衍射峰幾乎都消失了，而20°的衍射峰的強度減弱。這是因為，在CS分子中的N、O位引入取代基后，削弱了CS分子內和分子間形成氫鍵的能力，破壞了CS分子鏈原有的規整性，導致其結晶性明顯減弱。這也是CMCS能溶于水的主要原因［11］。

圖2 CS和CMCS的XRD圖譜Fig.2 XRD Patterns of CS and CMCS

2.3 CMCS／PEG納米粒子的粒徑分布及pH值響應性分析（圖3、圖4）

圖3 不同條件下制備的CMCS／PEG納米粒子的粒徑分布Fig.3 Particle size distribution of CMCS／PEG nanoparticles prepared under different conditions

圖4 CMCS／PEG納米粒子在不同pH值下的粒徑分布Fig.4 Particle size distribution of CMCS／PEG nanoparticles in different pH values

由圖3可知，不同條件下制備的CMCS／PEG納米粒子具有不同的粒徑，其粒徑分布的峰形較窄，說明粒徑分布較為集中。當PEG∶CMCS＝4∶1、pH＝1.22時，所形成的粒子粒徑最小為160nm左右，而當PEG∶CMCS＝6∶1、pH＝6.05時粒子粒徑最大約為640nm。

由圖4可知，CMCS與PEG以不同比例制備的粒子粒徑均隨溶液pH值的增大先增大后減小，且有一個粒徑最大值。當pH＜5時，在同一pH值溶液中，隨著PEG比例的增加，粒子的粒徑先減小后增大；當pH≥5時，在同一pH值溶液中，隨著PEG比例的增加，粒子粒徑增大。這是因為，pH＜5時，CMCS中－COOH間的締合較為嚴重，分子鏈呈卷曲狀態，PEG以外殼的形式包覆在CMCS聚集體上，PEG向聚集體內部擴散形成緊實的粒子，此時粒子粒徑較小；pH≥5時，－COOH間的締合能力較弱，CMCS的分子鏈舒展與PEG以長鏈形式進行復合，形成的粒子粒徑增大。當PEG的比例增加時，CMCS與PEG之間由于氫鍵作用相互吸引，且PEG與PEG之間也有氫鍵作用，相互聚集或交聯形成網絡結構使體積變大，粒子粒徑也隨之增大。綜上所述，CMCS／PEG納米粒子的粒徑具有隨pH值變化的特性，且PEG與CMCS的比例對粒徑也有影響，粒子粒徑隨PEG比例的變化而變化。

2.4 CMCS／PEG納米粒子的形貌分析（圖5）

圖5 CMCS／PEG納米粒子的掃描電鏡照片Fig.5 SEM Images of CMCS／PEG nanoparticles

由圖5可知，CMCS／PEG納米粒子由于氫鍵作用相互團聚，表面呈球形，單個粒子的粒徑在20～50nm左右。

3 結論

將PEG和CMCS以不同的質量比溶解在系列pH值的溶液中，在氫鍵作用下發生自組裝形成CMCS／PEG納米粒子，方法簡單、易于操作。不同配比下的粒子粒徑均隨pH值的增大先增大后減小；當pH＜5時，在同一pH值溶液中，隨著PEG比例的增加，粒子粒徑先減小后增大；當pH≥5時，在同一pH值溶液中，粒徑隨PEG比例的增加而增大。當PEG∶CMCS＝4∶1、pH＝1.22時，所形成的粒子粒徑最小為160nm左右，而當PEG∶CMCS＝6∶1、pH＝6.05時粒子粒徑最大約為640nm。CMCS／PEG納米粒子粒徑大小具有隨溶液pH值變化的特性即具有pH值響應性。

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Preparation of CMCS／PEG Nanoparticle by Self－Assembly Method and Study on Its pH－Responsive Properties

CHEN Huai－jun，HE Ji－dong，DONG Hui－hui
（Key Laboratory of Rubber－Plastics of Ministry of Education，Shandong Provincial Key Laboratory of Rubber－Plastics，Qingdao University of Science ＆Technology，Qingdao 266042，China）

The carboxymethyl chitosan（CMCS）was prepared by chitosan（CS）and chloroacetic acid，then polyethylene glycol（PEG）and CMCS with different mass ratios were dissolved in solution of different pH values，CMCS／PEG nanoparticles were formed by self－assembly method under the hydrogen bond interactions.The relationship between particle size and mass ratio or pH value of the solution were studied.The results showed that，with the increase of pH value，particle size under different mass ratios increased first and then decreased；when pH＜5，with the content of PEG increased，the particle size decreased first and then increased in the same solution；when pH＝1.22，PEG∶CMCS＝4∶1，the minimum particle size was about 160nm；when pH≥5，with the content of PEG increased，the particle size increased in the same solution.These nanoparticles formed by self－assembly method have pH－responsive properties.

chitosan；carboxymethyl chitosan；polyethylene glycol；self－assembly；pH－responsive；CMCS／PEGnanoparticle

O 636.1

A

1672－5425（2015）01－0050－04

2014－09－26

陳懷俊（1990－），男，甘肅民樂人，碩士研究生，研究方向：功能與特種高分子材料；通訊作者：賀繼東，教授，E－mail：hejidong＠chemist.com。

10.3969／j.issn.1672－5425.2015.01.012