磁性壳聚糖微球的制备及其性能

1、第30卷第2期20 1 1年3月Vol. 30 No. 2Mar. 2 0 11大连工业大学学报Journal of Dalian Polytechnic University文章编号：1674 1404(2011)02 0105 04磁性壳聚糖微球的制备及其性能王红英，常 凯，钱斯日古楞，孙井辉(大连工业大学 生物工程学院，辽宁 大连 116034)摘要：用共沉淀法制备纳米级 Fe3O4磁流体，并对其用油酸进行表面改性。采用 化学交联法,在分散有磁流体的壳聚糖溶液中，加入适量的戊二醛交联剂，制得内核为磁性FQO4,外层包有壳聚糖的纳米级的磁性壳聚糖复合微球。考察了壳聚糖质量浓度、NaOH滴加

2、量及搅拌速度等因素对磁性壳聚糖微球粒径、粒径分布以及形貌等对复 合过程的影响，确定了制备磁性壳聚糖微球的最佳条 件，并用电镜、红 外光谱图、粒径分析仪等 方法对磁性壳聚糖微球的形态和组成特性进行分析。最后得岀平均粒径为 348.5 nm,表面富含羟基、氨基和醇羟基等官能团，磁性明显、分散性良好的磁性壳聚糖微球。关键词:壳聚糖；磁性微球；油酸中图分类号：TQ464. 9文献标志码：APreparation and characteristics of magnetic chitosan microspheresWANG HongyingCHANG Kai, QIAN Si riguleng,SU

3、N Jinghui(School of Bioengineering, Dalian Polytechnic University, Dali an 116034, China)Abstract: T he Fe3°4 nan oparticles were prepared by co precipitatio n and modified by oleic acid and the composite chitosa n magn etic m icrospheres containing Fe3O4 nan oparticles were prepared using the

4、emulsification cross linkingtechniqueby adding proper amountof glutaraldehy deinto chitosansolution. T he results dem onstrated thatthe chitosan concentratio n,NaOH amount andstirring speedof the suspension mediumwere themost effective parameter sfor the size, sizedistribution,morpholog y and magnet

5、ismof magneticchitosan micro spheres. TheSEM, IR and DLSindicated thatthe diam eter of the m icrospheres was about 348. 5 nm and the micr ospheres were unifo rmly disperse. The magnetic test showed that the micro spheres had good magnetic responsiveness and the functional groups on the surface.Key w

6、ords: chitosan; magnetic micr ospheres; oleic acid第30卷第2期20 1 1年3月Vol. 30 No. 2Mar. 2 0 11第30卷第2期20 1 1年3月Vol. 30 No. 2Mar. 2 0 11收稿日期:201001-24.基金项目：辽宁省教育厅科学研究计划资助项目(2008063).作者简介:王红英(1969)，女，副教授.Publishing House. All rights reserved, hiLki.n0引言天然高分子磁性微球的研究是现在较新颖的 课题,由于微球表面天然高分子的分子结构具有 可设计性，磁性微球又具有

7、靶向性，引起了世界科 学工作者的极大兴趣，已成为21世纪生命科学和 材料学等领域的研究热点。近年来，国外学者发 表了许多有关天然高分子磁性微球的制备和应用 方面的研究论文，并申请了不少专利，已有相关技 术在医学、生物、环保等 领域中得到了 应用13。 我国也有不少的科研人员开始了对天然高分子磁 性微球这一领域的研究，并取得了一定的成果，但 相比较而言，国内在该领域的基础研究和应用研 究水平与国外仍有差距。天然高分子 磁性微球的 制备常以Fe3O4为 内核,外面包裹一层天然高分子材料。目前常用 的天然高分子材料为淀粉、海藻酸钠、葡聚糖等， 用壳聚糖制备天然高分子磁性微球比较少见。但 是由于壳聚糖

8、是一种生物可降解的天然高分子材 料,其分子结构拥有的OH和 NH 2两种活性官能团，它们可以与很多种有机物 的分子相结 合。由于壳聚糖具有这些优良的特性，它是制第2期王红英等：磁性壳聚糖微球的制备及其性能107备载体微球的首选材料。目前，磁性高分子微球 的研究已经从最简单的高分子包裹磁性材料发展 到多类型的组合方式，其结构一般为4种类型，即 核壳型、壳核型、壳核壳型和镶嵌型69。磁性 微球的核壳两部分构成，核心部位的纳米级磁流 体使微球具有靶向性，外壳的天然高分子官能基 团使微球具有的载体性10。其中研究较多且具 有广泛应用前景的主要是核-壳型磁性高分子微 球,但是用壳聚糖包裹的磁性微球比较少

9、见，因此本文设计了以Fe3O4为内核外面包 裹了壳聚糖 的核壳型磁性高分子微球。在制备微球的时，首先用油酸对Fe3O4磁性纳米粒子 改性。然后以 Span80和吐温80为乳化剂，采用戊二醛交联法 制备11纳米级壳聚糖磁性微球。经过实验测定，壳聚糖磁性微球具备分散性良好、稳定性高等优 点。1 材料与方法1.1材料与仪器壳聚糖，脱乙酰度为 90%以上，上海缘聚生 物科技有限公司；乙酸、乙二胺、戊二醛、氯化亚 铁、三氯化铁均为国产分析纯；Span80、吐温80、油酸为国产化学纯。1.2实验方法1.2.1改性磁流体的制备用共沉淀法制备12纳米级磁流体。秤取 5 g FeCI2 4H2O, 3. 4 g

10、 FeCl36H2O3,分别 溶解40 mL蒸馏水中,配制成FcT浓度为0. 2 mol/ L, Fc3+浓度为0.125 mol/L的溶液。将溶液混合置入 三口瓶中，加入150 mL去离子水,在10 000 r/min 条件下高速搅拌。在 搅拌的同时，缓慢滴加 3 mol/ L的NaOH ,直至溶液变得黑亮，此时停止 加入NaOH,继续搅拌30 min。然后加入 0.5 mL 油酸,在10 000 r/min条件下高速搅拌1 h。油酸 被高速分散后吸附在纳米级磁流体表面，不仅提高表面张力，使纳米级磁流体更圆润，还能够防止 磁流体氧化，提高其稳定性。同时，大量的酸根粒 子包围，相互排斥，使其更

11、具有分散性。然后用无 水乙醇和超纯水反复清洗干净，去除磁粒表面吸 附的油酸。最后加以磁场分离得到改性磁流体,冷冻干燥后，密封低温保藏备用。1.2. 2纳米磁性壳聚糖微球的制备首先,用体积分数为 2%的乙酸溶液溶解壳 聚糖，隔夜放置，使其充分溶解。取1 g经过改性 的磁流体干粉置入到烧杯中，加入40 mL配置好 的壳聚糖溶液，在功率1 000 W、间隙时间1 s、超 声时间1 s条件下，超声波冰浴分散 10 min。将 分散好 的溶液置入250 mL三口烧瓶内，加入 100 mL去离子水，37 恒温水浴加热并1 000 r/ min搅拌。缓慢滴加100 L戊二醛(体积分数为50%),搅拌1 h,

12、加入适量Span80和 吐温80。继续以1 000 r/ min速度搅拌 30 min, 开始滴加1 mol/L的NaOH。在pH达到7之 前，NaOH滴加速度每4 s 滴。然后再以每 8 s 一滴速度滴加到 pH为9,停止滴加。缓慢加入 100 L乙二胺,800 r/ min搅拌3 h。停止搅拌， 用无水乙醇和超纯水反复清洗干净，在 4的冰箱中保藏备用。1.3测定方法1.3. 1扫描电镜分析(SEM)磁性壳 聚糖微球在载玻片固定烘干后，用XL30扫描电镜(philips)扫描观察其形貌。1.3. 2平均粒径取少量的磁性壳聚糖微球，溶于重蒸馏水中， 超声分散。然后使用美国布鲁克海文仪器公司的

13、Zetasizer激光分析仪测定纳米级磁性壳聚糖微 球的粒径分布。1.3. 3红外光谱分析(FT IR)取少量的2 mg磁性壳聚糖微球干粉与干燥 KBr粉末充分混合，用球磨机研磨2 min,转入模 具中,使其分布均匀，压成透明的薄片。然后用美 国Nicolet Im pact 410型红外光谱分析仪对磁性 壳聚糖微球进行分析,测量的范围为4 000 -1400 cm 。2 结果与讨论2.1磁性壳聚糖微球制备的影响因素2.1. 1壳聚糖的质量浓度如表1所示,随着壳聚糖质量浓度的增加，磁 性壳聚糖微球的粒径随之增大。但是，当壳聚糖质量浓度过大时，反应液的黏度也越大，搅拌就越 困难,容易产生团聚现象

14、。而壳聚糖的质量浓度 过低,磁流体则会交联很少的壳聚糖，不利于固定化活性物质。所以壳聚糖的质量浓度为20 g/L时条件最佳。2. 1. 2氢氧化钠的滴加量在磁性壳聚糖微球的制备过程中 ，氢氧化钠 的滴加过量，会使微球粘连太多的壳聚糖，造成微 球之间的团聚现象；滴加不足则会导致磁流体表八：面很少或者没有壳聚糖。经实验证明，滴加8. 5 mL浓度为3 mol/ L的NaOH时成球性最好 见图1。表1不同壳聚糖质量浓度对微球制备的影响Tab. 1 Effect of magnetic micro spheres preparationwith different chitosan Concentra

15、tion（壳聚糖）/（gL- 1)1015202530微球粒径/ nm263272348424团聚现象无无无部分完全微球球形差较差佳较差差(a)滴加 3 mol/L NaOH 趙过 8 5 mL2. 2磁性壳聚糖微球的结构与形貌观察采用SEM对实验部分得到的壳聚糖磁性复 合微球结构与形貌进行观察。由图2可见,其粒径达到300 nm左右，成球性较好，尺寸均匀，分 散性好，没有团聚现象。图2磁性壳聚糖微球的 SEM照片Fig. 2 SEM of magnetic microspheres2. 3磁性壳聚糖微球粒径的分布粒径分布是评价磁性壳聚糖微球的分散性和 均一行的重要指标，由图3可见,纳米级磁性

16、壳聚 糖微球的粒径分布比较窄，95. 4%的磁性壳聚糖微球集中在332. 7 nm左右，平均粒径大约为 348. 5 nm,分散系数为0. 283,这与扫描电镜分析 所得出的结果一致。第2期王红英等：磁性壳聚糖微球的制备及其性能#第2期王红英等：磁性壳聚糖微球的制备及其性能#粒径/nm图3磁性壳聚糖微球的粒径分布x 7+000 2 intb)滴加 3 mnl/L NaOH 量均 8 5 mL图1不同NaOH滴加量的壳聚糖磁性微球的SEM照片Fig. 1 SEM images of magnetic microspheres withdifferent NaOH amount第2期王红英等：磁性

17、壳聚糖微球的制备及其性能#第2期王红英等：磁性壳聚糖微球的制备及其性能1092. 1.3搅拌速度如表2所示,在制备微球的过程中，搅拌速度 越大,磁性壳聚糖微球粒径越小。当 转数超过 1 000 r/ min之后，即使搅拌速度增加，微球粒径 的变化也比较平缓。所以，最佳搅拌转数为Fig. 3 Diameter distr ibuting of magnetic microspheres2. 4磁性壳聚糖微球的红外分析 图4是红外光谱分析仪得出的磁性壳聚糖微 球红外光谱。对红外光谱图进行解析，584 cm-的宽吸收峰是Fe O的特征峰，表明磁性微球中 含有磁流体。1 068 cm- 1是C O C

18、伸缩振动 峰，1 635 cm- 1是 NH 2弯曲振动吸收峰, 3 434 cm- 1的宽吸收峰是羟基OH振动吸收峰，2 925 cm- 1宽吸收峰是 NH的伸 缩振动吸收 峰，这些官能基团均是表明磁性微球中含有壳聚 糖。由红外光谱解析得出，已成功制备出以磁流1 000 r/ min。表2不同搅拌速度对磁性壳聚糖微球粒径的影响T ab. 2 Effect of chito san micr ospheres w ith different stirr ing rate搅拌速度/ (r min - 1)800 1 000 1 200第2期王红英等：磁性壳聚糖微球的制备及其性能#壳聚糖磁性微球粒

19、径 / nm4503483224T1- IM.Tih体为核心外壳包裹着壳聚糖的纳米级微球。这些第2期王红英等：磁性壳聚糖微球的制备及其性能#特征峰的波谷较深，表明磁性壳聚糖微球表面的活性基团丰富。图4磁性壳聚糖微球的红外图谱Fig. 4 IR spectrum of magnetic microspheres2. 5磁性壳聚糖微球的磁响应性由表3中数据可以看出，磁性壳聚糖微球粒 径不同，磁响应也不同，磁性壳聚糖微球粒径越 大,磁响应就越强。但是在加以相同磁场下，磁性壳聚糖微球都能在74 s吸附完毕，以达到快速分 离。由此可以看出磁性壳聚糖微球的磁响应显 著,具有磁分离的功能。表3不同粒径磁性壳

20、聚糖微球磁响应时间Tab. 3 The responsivenesstime of different particlesize chitosan magnetic microspheresm(微球)/gV(水)/ mLt/ s大粒径磁性微球15020小粒径磁性微球150742. 6壳聚糖磁性微球的耐酸碱性实验磁性壳聚糖微球可以在pH 9的溶液中冷冻储存一个月，但是当pH> 9. 4,会发生交联团聚。 而且时间越长,交联得越严重。磁性壳聚糖微球 在pH < 5. 5溶液放置3 d,会有部分纳米级磁性 离子的溶出。这是因为磁性壳聚糖微球表面的壳 聚糖会逐步溶于酸性溶液中。实验表明磁性

21、壳聚 糖微球在5. 5< pH < 9. 4的溶液中稳定性较高。3 结论通过油酸改性Fe3O4,采用分散聚合法制备 的微球的球形圆润多孔，表面活性基团丰富，分散 性良好。油酸的改性增加了磁性壳聚糖微球的疏水性。最佳药品加量为 100 L戊二醛（体积分数 为 50%）,Span80 和吐温 80 各 300 L, 100 L 乙二胺,滴加3 mol/ L的NaOH为8. 5 mL;最佳 温度为37;最佳搅拌速度为1 000 r/ min。参考文献1 AL- DU RI B, ROBIN SON E, M CN ERLA N S, et al. H ydro lysis of edib

22、le oils by lipase immobilized on hy drophobic support: Effect of internal structure. Journal of the Amer ican Oil Chemists Society, 1995, 72: 1351 1359.2 CAO Shugui, YANG H ua, MA Lin. Enhancing en zymatic properties by the immobilization method J. Applied Biochemistry and Biotechnology, 1996, 59: 7 14.3 谢钢，张秋禹.磁性高分子微球J.高分子通报， 2001(12) :38 45.4 AGNIH OTRI S A, MALLIK ARJUNA N N, AMIN ABH AV I T M. Recent advances on chitosan- based micro and nanoparticles in drug delivery J. Journal of Controlled Release, 2004, 100: 5 28.5 袁履冰，高占先，陈宏博，等.有机化学M.北京：高 等教育出版社,1999:459.6