γ-PGA對介孔分子篩MCM-41包覆效果影響研究

焦丕玉，游 立，李玉龍，許順磊，常意川

-PGA對介孔分子篩MCM-41包覆效果影響研究

焦丕玉，游 立，李玉龍，許順磊，常意川

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

高平均分子量聚-γ-谷氨酸（γ-PGA）粘度大、分散性差，不利作于包覆材料，為了獲得包覆效果較好的γ-PGA，從溫度、pH值和降解時間三個方面對γ-PGA的降解條件進行探究和優化。分析結果表明：1）10 mg/mL γ-PGA（M.W.=1170 KDa）在pH為1.0，80 ℃，降解8 h后得到低平均分子量的γ-PGA（M.W.≈9180 Da），適合于介孔分子篩MCM-41的包覆。2）PEI在介孔分子篩MCM-41包覆過程中起靜電橋聯作用。在0.5 mg/mL的PEI（M.W.≈800 Da）水溶液和0.5 mg/mLγ-PGA（M.W.≈9180 Da）水溶液，包封時間30min獲得的包覆效果較好，制得殼層厚度均一，分散性較好的MCM-41@γ-PGA復合材料。

聚--谷氨酸 MCM-41 包覆 復合材料

0 引言

介孔分子篩MCM-41納米粒子用作載體材料，需要考慮的關鍵問題是介孔硅納米材料的功能化技術。同時，引入的功能化基團種類也需要慎重考慮，避免官能基團產生生理毒性，影響釋放效果[1,3]。一個有效的策略是采用高分子物質，通過氫鍵作用、分子間作用力及靜電作用力等對介孔硅進行包裹、嫁接，獲得介孔硅與有機高分子復合物。利用高分子的包覆效果與介孔硅性質的協調效應，調控藥物分子的釋放過程[2,5]。高分子材料包覆于介孔硅材料外表面，能有效地解決靶標分子提前釋放和持效期短的問題[4]。

高平均分子量-PGA粘度大、分散性差；低平均分子量-PGA粘度小，分散性較好，利于作為包覆介孔硅的材料，但較難獲取，成本較高，少見用于包覆介孔分子篩的報道[6,7]。本研究探討-PGA的降解條件，從溫度、pH值和降解時間三個方面進行條件優化，以期獲得包覆效果較好的-PGA。用陽離子型聚乙烯亞胺為橋連劑，將-PGA包覆于MCM-41表面，探討-PGA包覆的影響因素，為拓寬PGA應用領域打下基礎。

1 實驗過程

1.1 實驗步驟

1.1.1低平均分子量PGA的制備

將100 mL 10 mg/mL-PGA水溶液（pH=6.50，M.W.=1170 KDa）。用2.0 mol/L HCl調節pH值為1.0，80℃，550 r/min條件下進行降解。每間隔2 h取樣0.5 mL，樣品轉移入10 mL離心管，用9.5 mL蒸餾水稀釋，配成0.5 mg/mL溶液。

1.1.2凝膠滲透色譜(GPC)測定γ-PGA平均分子量

1.2 聚乙烯亞胺水溶液的制備

稱取400 mg PEI（M.W.≈800 Da），加入50 mL帶小磁子的離心管中，再加入40 mL蒸餾水和200 μL的冰醋酸，30℃，550 r/min條件下攪拌1 h，獲得10 mg/mL PEI水溶液（pH=8.02）。移取2.5 mL上述溶液于50 mL棕色容量瓶中，蒸餾水定容，搖勻，得0.5 mg/mL，pH=7.5的PEI水溶液，備用。

1.3 γ-PGA包覆MCM-41

為探討包覆條件及其效果，用未吸附靶標分子的3 nm的MCM-41進行包覆實驗。

室溫條件下，取0.2 g MCM-41于300 mL蒸餾水，超聲5 min。以1.0 mL/min的滴速度滴加10.0 mL 0.5 mg/mL PEI水溶液，500 r/min下繼續攪拌反應1 h，制得PEI包覆MCM-41的懸浮液。在攪拌下以1.0 mL/min的滴速向懸浮液中滴加10.0 mL 0.5 mg/mLPGA水溶液，滴加完畢繼續攪拌0.5 h。制得PGA包覆MCM-41，記作MCM-41@γ-PGA。包覆體系原理圖如圖1所示。

圖1 MCM-41@γ-PGA的原理圖

2 結果與討論

2.1 γ-PGA降解過程的影響因素

將較高平均分子量的-PGA降解到適合于包覆載藥體系平均分子量的-PGA，溫度、pH值和降解時間三個因素對過程控制有重要的影響。

2.1.1 溫度和時間對γ-PGA降解的影響

圖2為10 mg/mLPGA（M.W.=1170 KDa）水溶液在pH=3.0，溫度分別為20、50和80℃條件下降解，得到-PGA的出峰時間隨降解時間變化的降解曲線圖。pH=3.0，80℃時，可知此條件下的PGA水解較為迅速，經過2 h水解，樣品的出峰時間為18.79 min，水解4 h，出峰時間為19.20 min，水解8 h，出峰時間為19.58 min，8 h之后水解趨于平緩。降低溫度為50℃時，-PGA水解緩慢，水解10 h，樣品的出峰時間僅為18.27 min。進一步降低反應溫度為20℃，PGA的出峰時間無明顯變化，說明-PGA水溶液在pH=3.0，20℃條件下比較穩定。綜上可知升高溫度和延長降解時間均有利于-PGA的水解，80℃可作為優選的水解溫度。

圖2 在pH值為3時溫度和時間對γ-PGA降解的影響

2.1.2 體系pH和時間對γ-PGA降解的影響

圖3為10 mg/mL-PGA（M.W.=1170 KDa）水溶液在80℃，pH分別為1.0、3.0、6.5、11.0和13.0條件下降解，得到-PGA的出峰時間隨降解時間變化的降解曲線圖。在80℃，pH=6.50、11.0、13.0條件下，PGA的出峰時間變化不明顯，即PGA的水解效果不明顯。在80℃，pH=1.0時，PGA的水解很明顯，經過2 h水解，樣品的出峰時間已達到19.67 min，水解8 h，出峰時間為20.07 min，水解10 h，出峰時間為20.07 min，8 h之后水解趨于平緩。雖pH=3.0時，-PGA的水解趨勢較明顯，但在相同降解時間下，其出峰時間與pH=1.0相比有較大差值，綜上可知80℃，pH=1.0，降解時間為8 h，可作為優選的-PGA水解條件。依據1.2.2中低平均分子量-PGA的GPC測定條件，測得此優選水解條件下-PGA的M.W.≈9180 Da。

圖3 80℃時pH和時間對γ-PGA降解的影響

2.2 MCM-41@γ-PGA復合體系的影響因素

在-PGA對MCM-41包覆過程中，PGA平均分子量、溶液濃度、PEI溶液濃度及包封時間等因素都對包封率、包封后顆粒的分散度和均勻度等質量指標有重要影響。

2.2.1 Zeta電位分析

表1為-PGA包覆前后MCM-41材料外表面帶電荷的變化情況，由Zeta電位數據可知，MCM-41表面帶負電荷，聚乙烯亞胺在pH≈7.0帶正電荷，通過靜電作用力吸附在硅球外表面，使得MCM-41@PEI帶正電荷。PGA在PH≈7.0帶負電荷，-PGA會通過靜電作用力與MCM-41@PEI復合，制得MCM-41@PGA。雖然Zeta電位沒有變為負值，但其外表面電荷大大降低，說明PGA成功包封在硅球外表面。

表1 不同樣品的Zeta電位數據（pH≈7.0）

2.2.2 γ-PGA平均分子量的影響

圖4為80℃，pH=1.0，不同降解時間的PGA對MCM-41進行包覆，制得MCM-41@-PGA的透射電鏡圖。由圖a)可知，用未降解的-PGA（M.W.=1170 KDa）制備的MCM-41@-PGA粘度大，聚塊明顯，不利于后續釋放實驗探究。由圖b)可知，-PGA水解2 h制得的產品團聚效應仍然明顯。由圖c)可知，-PGA水解4 h制得的產品聚塊現象有所改善。由圖d)可知，降解時間8 h時，制備得到的MCM-41@-PGA的分散性、殼層厚度均一性更好。由上可知，-PGA平均分子量越小，其粘度越小，且分散性越好。

圖4 不同降解時間條件MCM-41@γ-PGA的透射電鏡圖

2.2.3 包封時間的影響

選擇在80℃，pH=1.0，水解8 h條件下制得的低平均分子量-PGA（M.W.≈9180 Da）水溶液用于后續包覆實驗的探究。

圖5 不同包封時間條件下的MCM-41@γ-PGA的透射電鏡圖。

圖5中a)~c)和d)~f)分別為0.5 mg/mL和2.0 mg/mL-PGA水溶液，0.5 mg/mL PEI（M.W.≈800 Da）水溶液，包封時間分別為0.5、1.5和2.5 h條件下，制得MCM-41@-PGA的透射電鏡圖。由圖a)可知，0.5 mg/mL-PGA水溶液，包封時間為0.5 h時，制備的MCM-41@-PGA分散性較好，由圖b)~c)可知，隨著包覆時間延長，分散性變差，更易聚集結塊。由圖d)可知，2.0 mg/mL-PGA水溶液，包封時間為0.5 h時，制備的MCM-41@-PGA分散性較差，由圖e)~f)可知，包覆時間延長，團聚現象更為明顯。因此，選擇0.5 h為包封時間較為合適，同時可知-PGA水溶液的濃度不宜過高。

2.2.4 γ-PGA水溶液濃度的影響

圖6中a)~g)分別選擇0.2、0.5、1.0、1.5、2.0、5.0和10.0 mg/mL等7個濃度的-PGA（M.W.≈9180 Da）水溶液，0.5 mg/mL PEI（M.W.≈800 Da）水溶液，包封時間為0.5 h，制得MCM-41@γ-PGA，對其進行透射電鏡檢測，結果由圖a)可知，0.2 mg/mL-PGA，包封時間為0.5 h時，MCM-41@γ-PGA的包封率較低，包封不完全；由圖b)可知，當PGA濃度由0.2 mg/mL變成0.5 mg/mL時，材料分散性明顯變好；由圖c)可知，PGA濃度為1.0 mg/mL時，材料分散性較好，但殼層均一性較差，殼層厚度較厚；由圖d)~g)可知，繼續升高濃度，材料分散性變得更差，當濃度升至2.0 mg/mL以上時，材料幾乎團聚在一起，因而選擇濃度為0.5 mg/mL-PGA水溶液較為合適。

圖6 不同濃度γ-PGA條件下的MCM-41@γ-PGA的透射電鏡圖。

2.2.5 聚乙烯亞胺水溶液濃度的影響

圖8中a)~d)分別選擇0.2、0.5、1.0和1.5 mg/mL等4個濃度的PEI（M.W.≈800 Da）水溶液，0.5 mg/mLPGA（M.W.≈9180 Da）水溶液，包封時間為0.5 h條件下，制備MCM-41@PGA，結果由圖c)~d)可知，濃度較高（1.0，1.5 mg/mL）時，聚塊現象明顯，由圖a)、b)可知，濃度較小（0.2，0.5 mg/mL）時，分散性較好，但濃度為0.5 mg/mL時，殼層厚度更為均一，因此選擇濃度為0.5 mg/mL PEI溶液較為合適。

圖7 不同濃度PEI條件下的MCM-41@γ-PGA的透射電鏡圖。

3 結論

通過本論文研究可知，10 mg/mLPGA（M.W.=1170 KDa）在pH為1.0，80℃，降解8 h后得到低平均分子量的PGA（M.W.≈9180 Da），適合于載藥介孔硅的包覆。PEI在介孔材料包覆-PGA過程中起靜電橋聯作用。在0.5 mg/mL的PEI（M.W.≈800 Da）水溶液和0.5 mg/mL-PGA（M.W.≈9180 Da）水溶液，包封時間30min獲得的包覆效果較好，制得殼層厚度均一，分散性較好的MCM-41@PGA復合材料。

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Study on the Effect of γ-Polyglutamic Acid Coating MCM-41

Jiao Piyu, You Li, Li Yulong, Xu Shunlei, Chang Yichuan

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

O643

A

1003-4862（2019）05-0051-04

2018-11-28

游立（1991-），男，助理工程師。研究方向：電子導電漿料、功能材料化學。E-mail: 273318250@qq.com