磁性殼聚糖微球的制備及其性能

1、第30卷第2期2011年3月大連工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)JournalofDalianPolytechnicUniversityVol.30No.2Mar.2011文章編號(hào):1674-1404(2011)02-0105-04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)摘要:用共沉淀法制備納米級(jí)Fe3O4磁流體,并對(duì)其用油酸進(jìn)行表面改性。采用化學(xué)交聯(lián)法,在分散有磁流體的殼聚糖溶液中,加入適量的戊二醛交聯(lián)劑,制得內(nèi)核為磁性Fe3O4,外層包有殼聚糖的納米級(jí)的磁性殼聚糖復(fù)合微球。考察了殼聚糖質(zhì)量濃度、NaOH滴加量及攪拌速度等因素對(duì)磁性

2、殼聚糖微球粒徑、粒徑分布以及形貌等對(duì)復(fù)合過(guò)程的影響,確定了制備磁性殼聚糖微球的最佳條件,并用電鏡、紅外光譜圖、粒徑分析儀等方法對(duì)磁性殼聚糖微球的形態(tài)和組成特性進(jìn)行分析。最后得出平均粒徑為348.5nm,表面富含羥基、氨基和醇羥基等官能團(tuán),磁性明顯、分散性良好的磁性殼聚糖微球。關(guān)鍵詞:殼聚糖;磁性微球;油酸中圖分類號(hào):TQ464.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼:APreparationandcharacteristicsofmagneticchitosanmicrospheresWANG Hong-ying CHANG Kai, QIAN S-iriguleng, SUN Jing-hui(SchoolofBio

3、engineering,DalianPolytechnicUniversity,Dalian116034,China)Abstract:TheFe3O4nanoparticleswerepreparedbyco-precipitationandmodifiedbyoleicacidandthecompositechitosanmagneticmicrospherescontainingFe3O4nanoparticleswerepreparedusingtheemulsificationcross-linkingtechniquebyaddingproperamountofglutaralde

4、hydeintochitosansolution.Theresultsdemonstratedthatthechitosanconcentration,NaOHamountandstirringspeedofthesuspensionmediumwerethemosteffectiveparametersforthesize,sizedistribution,morphologyandmagnetismofmagneticchitosanmicrospheres.TheSEM,IRandDLSindicatedthatthediameterofthemicrosphereswasabout34

5、8.5nmandthemicrosphereswereuniformlydisperse.Themagnetictestshowedthatthemicrosphereshadgoodmagneticresponsivenessandthefunctionalgroupsonthesurface.Keywords:chitosan;magneticmicrospheres;oleicacid0 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

6、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。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。我國(guó)也

7、有不少的科研人員開始了對(duì)天然高分子磁收稿日期:2010-01-24.基金項(xiàng)目:遼寧省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(2008063).:(,.106大 連 工 業(yè) 大 學(xué) 學(xué) 報(bào)第30卷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,因此本文設(shè)計(jì)了以Fe3O4為內(nèi)

8、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)。的磁流體干粉置入到燒杯中,加入40mL配置好的殼聚糖溶液,在功率1000W、間隙時(shí)間1s、超聲時(shí)間1s條件下,超聲波冰浴分散10min。將分散好的溶液置入250mL三口燒瓶?jī)?nèi),加入100mL去離子水,37 恒溫水浴加熱并1000r/min攪拌。緩慢滴加100 L戊二醛(體積分?jǐn)?shù)為50%),攪拌1h,加入適量Span-80和吐溫80。繼續(xù)以1000r/m

9、in速度攪拌30min,開始滴加1mol/L的NaOH。在pH達(dá)到7之前,NaOH滴加速度每4s一滴。然后再以每8s一滴速度滴加到pH為9,停止滴加。緩慢加入100 L乙二胺,800r/min攪拌3h。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(FT

10、IR)取少量的2mg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2min,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)NicoletImpact410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4000400cm-1。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5g2+FeCl2 4H2O,3.4gFeCl3 6H2O3,分別溶解40mL蒸餾水

11、中,配制成Fe濃度為0.2mol/L,Fe3+濃度為0.125mol/L的溶液。將溶液混合置入三口瓶中,加入150mL去離子水,在10000r/min條件下高速攪拌。在攪拌的同時(shí),緩慢滴加3mol/L的NaOH,直至溶液變得黑亮,此時(shí)停止加入NaOH,繼續(xù)攪拌30min。然后加入0.5mL油酸,在10000r/min條件下高速攪拌1h。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,

12、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,12 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20g/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,造成微第2期王紅英等:磁性殼聚糖微球的制備

13、及其性能2.2 磁性殼聚糖微球的結(jié)構(gòu)與形貌觀察107面很少或者沒有殼聚糖。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明,滴加8.5mL濃度為3mol/L的NaOH時(shí)成球性最好,見圖1。表1 不同殼聚糖質(zhì)量濃度對(duì)微球制備的影響Tab.1 EffectofmagneticmicrospherespreparationwithdifferentchitosanConcentration(殼聚糖)/(g L-1)10微球粒徑/nm團(tuán)聚現(xiàn)象微球球形263無(wú)差15272無(wú)較差20348無(wú)佳25424部分較差30 完全差采用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,其粒徑達(dá)到300nm左右,成球性較好,尺寸均勻

14、,分散性好,沒有團(tuán)聚現(xiàn)象。圖2 磁性殼聚糖微球的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEMofmagneticmicrospheres2.3 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,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332.7nm左右,平均粒徑大約為348.5nm,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1 不同NaOH滴加量的殼聚糖磁性微球的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEMimagesofmagneticmicrosphereswithdifferentNaOHamount圖3 磁性殼聚糖微球的粒徑分布F

15、ig.3 Diameterdistributingofmagneticmicrospheres2.1.3 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)1000r/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1000r/min。表2 不同攪拌速度對(duì)磁性殼聚糖微球粒徑的影響Tab.2 Effectofchitosanmicrosphereswithdifferentstirringrate攪拌速度/(r min-12.4 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

16、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。1068cm是C O C伸縮振動(dòng)峰,1635cm-1是 NH2彎曲振動(dòng)吸收峰,3434cm-1的寬吸收峰是羥基 OH振動(dòng)吸收峰,2925cm-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-1)80010001200108大 連 工 業(yè) 大 學(xué) 學(xué) 報(bào)第30卷特征峰的波谷較深,表明磁性殼聚糖微球表面的活性基團(tuán)豐富。水性。最佳藥品加量為100 L戊二醛(體積分?jǐn)?shù)為50%),Span-80和吐溫80各300 L,100 L乙二胺,滴加3mol/L的NaOH為8.5m

17、L;最佳溫度為37 ;最佳攪拌速度為1000r/min。參考文獻(xiàn):1AL-DURIB,ROBINSONE,MCNERLANS,etal.Hydrolysisofedibleoilsbylipaseimmobilizedonhy-drophobicsupport:EffectofinternalstructureJ.JournaloftheAmericanOilChemistsSociety,1995,圖4 磁性殼聚糖微球的紅外圖譜Fig.4 IRspectrumofmagneticmicrospheres72:1351-1359.2CAOShugui,YANGHua,MALin.Enhanci

18、ngen-zymaticpropertiesbytheimmobilizationmethodJ.AppliedBiochemistryandBiotechnology,1996,59:7-14.3謝鋼,張秋禹.磁性高分子微球J.高分子通報(bào),2001(12):38-45.4AGNIHOTRISA,MALLIKARJUNANN,AM-INABHAVITM.Recentadvancesonchitosan-basedmicroandnanoparticlesindrugdeliveryJ.JournalofControlledRelease,2004,100:5-28.5袁履冰,高占先,陳宏博,等

19、.有機(jī)化學(xué)M.北京:高等教育出版社,1999:459.6王麗娟,劉崢.磁性高分子微球的制備及在分析化學(xué)t/s20742.5 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74s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Tab.3 Theresponsivenesstimeofdifferentparticlesizechitosanmagneticmicrospheresm(微球)/g大粒徑磁性微球小粒徑磁性微球11V(水)/mL5050中的應(yīng)用進(jìn)展J.材料導(dǎo)報(bào),2006,20(6):36-40.7馬秀玲,黃麗酶,鄭思寧,等.磁性微球的制備及研究進(jìn)展J.廣州化學(xué),2003,28(3):58-64.8魏衍超,楊連生.磁性生物高分子微球的制備方法和研究進(jìn)展J.功能材料,2000,31(5):464-465