磁性壳聚糖微球的制备及其性能

1、第30卷第2期2011年3月大连工业大学学报JournalofDalianPolytechnicUniversityVol.30No.2Mar.2011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Fe3O4,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滴加量及搅拌速度等因素对磁性

2、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。最后得出平均粒径为348.5nm,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: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

6、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1-3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 NH2两种活性官能团,它们可以与很多种有机物的分子相结合4-5。由于壳聚糖具有这些优良的特性,它是制。我国也

7、有不少的科研人员开始了对天然高分子磁收稿日期:2010-01-24.基金项目:辽宁省教育厅科学研究计划资助项目(2008063).:(,.106大 连 工 业 大 学 学 报第30卷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6-9。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见,因此本文设计了以Fe3O4为内

8、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Span-80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。的磁流体干粉置入到烧杯中,加入40mL配置好的壳聚糖溶液,在功率1000W、间隙时间1s、超声时间1s条件下,超声波冰浴分散10min。将分散好的溶液置入250mL三口烧瓶内,加入100mL去离子水,37 恒温水浴加热并1000r/min搅拌。缓慢滴加100 L戊二醛(体积分数为50%),搅拌1h,加入适量Span-80和吐温80。继续以1000r/m

9、in速度搅拌30min,开始滴加1mol/L的NaOH。在pH达到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为9,停止滴加。缓慢加入100 L乙二胺,800r/min搅拌3h。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

10、IR)取少量的2mg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2min,转入模具中,使其分布均匀,压成透明的薄片。然后用美国NicoletImpact410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4000400cm-1。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;Span-80、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5g2+FeCl2 4H2O,3.4gFeCl3 6H2O3,分别溶解40mL蒸馏水

11、中,配制成Fe浓度为0.2mol/L,Fe3+浓度为0.125mol/L的溶液。将溶液混合置入三口瓶中,加入150mL去离子水,在10000r/min条件下高速搅拌。在搅拌的同时,缓慢滴加3mol/L的NaOH,直至溶液变得黑亮,此时停止加入NaOH,继续搅拌30min。然后加入0.5mL油酸,在10000r/min条件下高速搅拌1h。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,

12、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,12 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。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20g/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,造成微第2期王红英等:磁性壳聚糖微球的制备

13、及其性能2.2 磁性壳聚糖微球的结构与形貌观察107面很少或者没有壳聚糖。经实验证明,滴加8.5mL浓度为3mol/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 EffectofmagneticmicrospherespreparationwithdifferentchitosanConcentration(壳聚糖)/(g L-1)10微球粒径/nm团聚现象微球球形263无差15272无较差20348无佳25424部分较差30 完全差采用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300nm左右,成球性较好,尺寸均匀

14、,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 SEMofmagneticmicrospheres2.3 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332.7nm左右,平均粒径大约为348.5nm,分散系数为0.283,这与扫描电镜分析所得出的结果一致。图1 不同NaOH滴加量的壳聚糖磁性微球的SEM照片Fig.1 SEMimagesofmagneticmicrosphereswithdifferentNaOHamount图3 磁性壳聚糖微球的粒径分布F

15、ig.3 Diameterdistributingofmagneticmicrospheres2.1.3 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1000r/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1000r/min。表2 不同搅拌速度对磁性壳聚糖微球粒径的影响Tab.2 Effectofchitosanmicrosphereswithdifferentstirringrate搅拌速度/(r min-12.4 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

16、cm-1的宽吸收峰是Fe O的特征峰,表明磁性微球中含有磁流体。1068cm是C O C伸缩振动峰,1635cm-1是 NH2弯曲振动吸收峰,3434cm-1的宽吸收峰是羟基 OH振动吸收峰,2925cm-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)80010001200108大 连 工 业 大 学 学 报第30卷特征峰的波谷较深,表明磁性壳聚糖微球表面的活性基团丰富。水性。最佳药品加量为100 L戊二醛(体积分数为50%),Span-80和吐温80各300 L,100 L乙二胺,滴加3mol/L的NaOH为8.5m

17、L;最佳温度为37 ;最佳搅拌速度为1000r/min。参考文献:1AL-DURIB,ROBINSONE,MCNERLANS,etal.Hydrolysisofedibleoilsbylipaseimmobilizedonhy-drophobicsupport:EffectofinternalstructureJ.JournaloftheAmericanOilChemistsSociety,1995,图4 磁性壳聚糖微球的红外图谱Fig.4 IRspectrumofmagneticmicrospheres72:1351-1359.2CAOShugui,YANGHua,MALin.Enhanci

18、ngen-zymaticpropertiesbytheimmobilizationmethodJ.AppliedBiochemistryandBiotechnology,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):38-45.4AGNIHOTRISA,MALLIKARJUNANN,AM-INABHAVITM.Recentadvancesonchitosan-basedmicroandnanoparticlesindrugdeliveryJ.JournalofControlledRelease,2004,100:5-28.5袁履冰,高占先,陈宏博,等

19、.有机化学M.北京:高等教育出版社,1999:459.6王丽娟,刘峥.磁性高分子微球的制备及在分析化学t/s20742.5 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74s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 不同粒径磁性壳聚糖微球磁响应时间Tab.3 Theresponsivenesstimeofdifferentparticlesizechitosanmagneticmicrospheresm(微球)/g大粒径磁性微球小粒径磁性微球11V(水)/mL5050中的应用进展J.材料导报,2006,20(6):36-40.7马秀玲,黄丽酶,郑思宁,等.磁性微球的制备及研究进展J.广州化学,2003,28(3):58-64.8魏衍超,杨连生.磁性生物高分子微球的制备方法和研究进展J.功能材料,2000,31(5):464-465