层层自组装纤维素硫酸钠-壳聚糖复合膜的研究_图文

1、 层层自组装纤维素硫酸钠-壳聚糖复合膜的研究谢瑜亮 王明君 姚善泾*浙江大学化学工程与生物工程学系,杭州 310027摘要:采用层层自组装技术,以具有良好生物相容性的多糖类物质-壳聚糖(Chitosan和纤维素硫酸钠(NaCS为原料,制备了NaCS-Chitosan复合膜。使用扫描电子显微镜观察复合膜形貌特征以表征自组装复合膜的形成,使用红外光谱分析了复合膜形成机理,使用紫外-可见光吸收研究了复合膜形成的动力学特征。同时还考察了各实验因素对NaCS-Chitosan复合膜形成过程的影响。结果表明,制备条件对复合膜形成过程有明显的影响,在现有的制备条件下,层层自组装复合膜的形成是一个一级反应过程

2、。关键词:层层自组装技术壳聚糖纤维素硫酸钠复合膜Layer-by-Layer Self-assembly Complex Membrane with Sodium Cellulose Sulfate (NaCS-ChitosanYu-liang XIE Ming-jun WANG Shan-jing YAO(Department of Chemical Engineering and Bioengineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027Abstract: Using Layer-by-Layer Self-assembly technique,

3、the complex membrane with sodium cellulosesulfate (NaCS and chitosan, two kinds of polysaccharides with excellent biocompatibility, was prepared and the process of membrane formation were studied, including the morphology of complex membrane by using the scanning electron microscope (SEM, the membra

4、ne formation mechanism by using the infrared spectroscopy, the dynamic features of the complex membrane formation by used ultraviolet-visible light absorption. Also, the effects of some relevant factors on NaCS-Chitosan complex membrane formation were determined. The results showed that the preparat

5、ion conditions would affect significantly the formation of complex membrane and the Layer-by-Layer Self-assembly formation is the one-order reaction process at the current preparation conditions.Key Words: Layer-by-Layer Self-assembly Technique; chitosan; cellulose sodium; complex membrane*联系人:姚善泾。第

6、一作者:谢瑜亮,男,硕士研究生。基金项目:国家自然科学基金项目(20576118。 引言层层自组装技术(Layer-by-Layer Self-assembly Technique通常是利用特定高分子化合物对的某种亲和特性使其自发的逐层沉积的一种膜制备技术。目前,功能生物大分子自组装膜在分子器件、分子调控、生物芯片、生物传感器等方面有重要的应用价值1,对其制备和性能的研究也成为化学、生命科学、材料学、物理学等学科的研究热点之一2。可以作为自主装推动力的作用很多,如利用分子中羧基(-COOH 和氨基(-NH2之间的化学反应生成酰氨键(-CONH-的酰胺反应法3、利用生物大分子的特异识别自组装4、

7、利用分子间形成共价键为推动的自组装5、利用分子间氢键结合自组装6、以静电作用为推动力的分子沉积自主装7,等等。其中,分子沉积自组装以其可利用化合物多样,沉积条件简便,沉积过程可控而应用最为广泛。但是,目前研究的化合物对多集中于强电解质化合物,这类物质形成的自组装膜机械性能较好,但高分子强电解质在人体内的生物相容性较差,在药用领域的研究大大受限。而某些天然多糖类物质,在体内有很好的生物相容性,可以期望利用这种化合物对制备的自组装膜在药学领域有应用的潜力。本文将使用具有良好生物相容性的聚阳离子化合物壳聚糖(Chitosan和聚阴离子化合物纤维素硫酸钠(NaCS作为新的复合膜原料,采用层层自组装技术

8、制备成新型的NaCS-Chitosan自组装膜,并利用扫描电子显微镜、红外分析、紫外分光光度计表征复合膜的形貌特征和沉积行为,为进一步的深入研究和应用打下基础。1材料和方法1.1 主要试剂纤维素硫酸钠,实验室自制8,9,根据实验要求,共制备了磺化时间4h,8h,16h三种磺化度的NaCS。壳聚糖,购于济南海得贝生物工程有限公司,粘均分子量50cps,100cps, 200cps;荧光素异硫氰酸酯(FITC。1.2试验仪器扫描电子显微镜(SEM为S-4800型,由日本HITACHI公司生产,傅立叶红外光谱分析仪为美国热电公司生产的Nicolet5700型,紫外-可见光分光光度计为A. Pharm

9、acia公司生产的Ultrospec 3300。1.3 实验方法1.3.1荧光标记壳聚糖的制备壳聚糖和纤维素硫酸钠在紫外-可见光区内都没有明显吸收峰,为表征Chitosan-NaCS 自组装膜的形成过程,需要对壳聚糖进行标记,使之在紫外-可见光波长范围内有光吸收。实验中选择荧光染料荧光素异硫氰酸酯(FITC为标记试剂,在碱性环境中,FITC以异硫氰酸基团与壳聚糖分子中氨基连接,标记后的壳聚糖在480nm波长下有明显吸收峰,可以作为自组装的指示剂。取一定体积的浓度为5g/L 壳聚糖溶液(含1%醋酸,加入6M NaOH 调至pH 9.0,按体积比10:1加入10mg/mL FITC 二甲基亚砜溶液

10、,混匀后避光反应3小时。反应结束后以pH=7.4的PBS 缓冲液反复洗涤,除去游离的FITC 。离心收集标记的壳聚糖絮状沉淀,重新溶于1%的醋酸溶液中,使壳聚糖最终浓度达到0.5g/L 。1.3.2 NaCS-Chitosan 层层自组装复合膜的制备取玻璃片在浓硫酸中浸泡以清洁表面。配制一定浓度的纤维素硫酸钠和FITC-壳聚糖溶液,使玻璃片在两种溶液中交替沉积一定时间,每次沉积过程结束后用去离子水洗去游离的溶液。反复沉积多次后,形成NaCS-Chitosan 层层自组装复合膜。1.4 检测方法1.4.1 扫描电子显微镜检测NaCS-壳聚糖自组装复合膜的形貌特征由扫描电子显微镜检测(SEM 检测

11、。待测样品膜干燥后喷金送检。1.4.2 傅立叶红外光谱仪检测采用Nicolet5700型红外光谱仪进行复合膜的红外分析,验证NaCS-Chitosan 复合物的形成。1.4.3 紫外-可见光分光光度计检测壳聚糖结合FITC 后在480nm 有明显吸收峰,可以用光吸收的强度表征壳聚糖的沉积行为。使用Ultrospec 3300紫外/可见光分光光度计,对不同实验条件下NaCS-Chitisan 复合膜的沉积过程进行表征。2 结果与讨论2.1 NaCS-壳聚糖自组装复合膜的形貌观察纤维素硫酸钠(NaCS和壳聚糖(Chitosan的结构式如图1所示。两种化合物分别带有相反电荷的基团,NaCS 上的磺酸

12、基和壳聚糖分子中的氨基会发生反应,产生不溶于水的聚电解质复合物。利用静电力作为形成复合膜的推动力,使NaCS 和壳聚糖交替沉积,形成性质可控的聚电介质膜。以NaCS 浓度1g/L ,壳聚糖浓度0.5g/L ,沉积时间10min ,NaCS/Chitosan 交替沉积8次形成的聚电解质膜做扫描电镜分析,结果如图2和图3所示。 +Na + 图1 NaCS 与壳聚糖形成聚电介质结构图 Fig. 1 Polyelectrolytes complex reaction between NaCS and chitosan从图2所示的复合膜的表面形貌扫描电子显微镜(3500倍可以看出NaCS-Chitosa

13、n分子链相互缠绕,形成聚电解质复合物,且膜表面不均一。进一步放大到两万倍(图3,可以看到聚电解质的交联和堆积情况,链间的缺陷和不平整现象更为清晰,甚至可以通过膜表面缺陷看见下一层的堆积状况。这是由高分子长链的缠绕特性,在组装的过程中不可避免地产生堆砌缺陷而形成的。这种现象其他学者也曾考察,如高芒来等10在制备PSS/PDDA复合膜时曾观察到类似现象。 图2 NaCS-Chitosan复合膜扫描电镜图 (3500倍Fig.2 Morphology of NaCS-chitosan films (x3500图3 NaCS-Chitosan复合膜扫描电镜图 (20000倍Fig.3 Morpholo

14、gy of NaCS-chitosan films (x200002.2 NaCS-壳聚糖自组装复合膜的红外分析 (FT-IR为研究NaCS-Chitosan复合膜的形成机理,我们使用红外光谱对其进行研究。图4是NaCS、NaCS-Chitosan复合膜、Chitosan的红外光谱图。在Chitosan的红外光谱图中,2871cm-1处为壳聚糖中C-H键伸缩振动峰,1645cm-1处为羰基(C=O酰胺(第一谱带的伸缩振动峰, 1570cm-1处为壳聚糖中未酰化的2-氨基葡萄糖胺中N-H伸缩振动峰,1557cm-1为N-H的弯曲振动吸收峰(第二谱带,位于1411cm-1和1321cm-1的吸收峰

15、分别属于酰胺中的N-H伸缩振动和N-H伸缩振动(第三谱带。桥氧结构(C-O-C,环醚的伸缩振动在1151cm-1,1062cm-1, 1023cm-1,893cm-1。在NaCS的红外光谱中,呈现出下列明显的吸收峰:作为硫酸酯,S=O 在1218cm-1处有明显吸收,C-O-S键在807cm-1有吸收峰。对NaCS,NaCS/Chitosan复合物和Chitosan的红外光谱的对比可以看出,2-氨基葡萄糖胺中未酰化的N-H键弯曲振动(位于1570 cm-1处和N-H键弯曲振动(第二谱带,位于1557 cm-1处吸收峰减弱,代表壳聚糖中的部分-NH3+与NaCS中的-SO4-2发生了反应,生成聚

16、电解质。2.3 影响NaCS-Chitosan复合膜形成过程的因素2.3.1 沉积层数把表面平整的玻片在0.5g/L的壳聚糖溶液和1g/L的NaCS溶液中交替沉积多次,形成(NaCS/Chitosan2,(NaCS/Chitosan4直至(NaCS/Chitosan20结构的聚电介质复合膜,每完成一 个NaCS/Chitosan周期后在480nm处检测吸光度,通过吸光度的变化,获得聚电解质沉积的动力学信息。图5是该条件下吸光度变化图。由图可知,在沉积开始的前三个周期中,吸光度增长较缓慢,这是因为玻璃表面不够平整,最初的几层膜不能完全覆盖整个平面,使沉积不均匀;完成初始周期后,从(NaCS-Ch

17、itosan8开始,吸光度随沉积层数线性增加,这说明在数个周期后,玻片表面已经沉积了较为均匀的一层聚电解质膜,这时沉积速度只与环境中电解质浓度有关,且为一级反应。 图4 NaCS、NaCS-Chitosan复合物、壳聚糖红外光谱Fig.4 FT-IR spectra of (i NaCS; (ii NaCS-chitosan complex sample; (iii chitosan2.3.2沉积时间选择实验条件为0.5g/L的壳聚糖溶液和1g/L的NaCS溶液,在每种电解质溶液中沉积 时间分别为 10min 和 15min，每完成一次 NaCS-Chitosan 周期后在 480nm 处检测

18、吸光度，沉 积时间为 10min 和 15min 的吸光度比较见图 6。由该图可以看出，在经过数个初始周期使沉 积过程平稳进行后，沉积时间为 15min 的复合膜吸光度均较沉积时间为 10min 的高。说明 在 10min 至 15min 这个沉积时间段内，聚电解质的沉积未达到饱和，可以通过对沉积时间 的控制来调整沉积量。 0.16 0.16 0.14 10 min LbL Membrane 15 min LbL Membrane 0.14 0.12 0.12 0.10 UV-absorption 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 uv-absorption 0 2 4 6 8

19、 10 12 14 16 18 20 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 0.00 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Layers Layers 图 5 NaCS-Chitosan 多层复合膜的紫外吸光度 Fig 5 UV-Vis Absorption of NaCS-Chitosan multilayer membrane 图 6 不同沉积时间的 NaCS-Chitosan 复合膜紫外吸 光度 Fig 6 UV absorption of NaCS-Chitosan membrane with different absorb times 2.3.3 复合

20、膜最外层材料 采用实验条件为 0.5g/L 的壳聚糖溶液和 1g/L 的 NaCS 溶液，在每种电解质溶液中沉积 时间 10min，在每一次 NaCS 和壳聚糖中完成沉积过程后，分别检测其吸光度，结果如图 7 所示。奇数层时复合膜最外层为 NaCS，偶数层时复合膜最外层为壳聚糖。由该图可以看出， 当复合膜浸入 NaCS 溶液中后，吸光度略有下降，说明在复合膜表面有少量的荧光标记壳聚 糖在 NaCS 中被洗脱掉，这是因为壳聚糖和 NaCS 是弱电解质，两者之间的静电相互作用较 弱，当复合物浸入 NaCS 溶液后表面的少量壳聚糖与溶液中 NaCS 结合脱离复合膜表面。当 复合膜浸入壳聚糖溶液后，吸

21、光度又有明显增加，证明有壳聚糖沉积在复合膜表面，完成一 次新的自组装周期。 2.3.4 壳聚糖浓度 采用 0.5g/L、1g/L 的壳聚糖溶液和 1g/L 的 NaCS 溶液，不同浓度的壳聚糖溶液中，荧 光标记的比例相同，在每种电解质溶液中沉积时间为 15min，每完成一个周期后，分别测定 480nm 吸光度，结果如图 8 所示。在完成初始沉积过程后，浓度为 1g/L 的壳聚糖中复合膜 吸光度高于 0.5g/L 壳聚糖溶液，且相同层数时，前者吸光度约为后者的两倍。这也证明了 沉积速度与电解质溶液浓度成正比，聚电解质复合膜的沉积过程是一个一级反应。 6 0.12 1g/L Chitosan 0.

22、5g/L Chitosan 0.25 0.10 0.08 0.20 uv-absorption uv-absorption 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0.06 0.15 0.04 0.10 0.02 0.05 0.00 0.00 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Layers Layers 图 7 最外层材料对吸光度的影响 Fig 7 Outer material effect to UV-absorption of membrane 图 8 壳聚糖浓度对复合膜吸光度影响 Fig 8 Chitosan concentration effect to

23、 membrane UV-absorption 2.3.5 NaCl 浓度 采用实验条件为 0.5g/L 的壳聚糖溶液和 1g/L 的 NaCS 溶液，在每种电解质溶液中沉积 时间 15min，且在壳聚糖和 NaCS 溶液中加入不同量的 NaCl，最终形成 0M、0.5M、1M 三 个不同的 NaCl 浓度。在每一次 NaCS 和壳聚糖中完成沉积过程后，分别检测其吸光度，结 果如图 9 所示。由不同浓度中复合膜吸光度结果可以看出，环境中高浓度 NaCl 使复合膜吸 光度增大。 根据溶液中高分子链形态的观点， 随着 NaCl 浓度的增加， 亲水性高分子链 NaCS 和壳聚糖会从伸展的链逐步转变为

24、收缩的卷曲线团，使沉积膜变得致密，紫外吸光度增加。 事实上，实验中发现在较高 NaCl 浓度下，复合膜表面粗糙程度增加，这也证明了高分子链 在高 NaCl 浓度时的链卷缩现象。相似的现象在其他高分子材料复合膜的研究中也有发现， 如 McAlnoye 等11在研究 PDDA/PSS 多层膜时得到相似的实验结果，Bushcer 等12考察 PAH/PSS 多层膜性能时也发现类似的现象。 2.3.6 壳聚糖粘度 壳聚糖的粘度反映了其分子量的大小。 为考察不同分子量壳聚糖对层层自组装复合膜形 成过程的影响，分别采用粘度为 50cps，100cps， 200cps 的壳聚糖溶液，浓度 0.5g/L， 1

25、g/L 与 的 NaCS 作为复合膜沉积环境，每种电解质溶液中沉积时间 15min，自组装过程进行 20 周 期，没完成一次沉积周期后于 480nm 处检测吸光度，结果如图 10 所示。在完成初始的几个 沉积周期后，随着壳聚糖分子量的增加，复合膜的吸光度有所增加。壳聚糖分子量的增加对 沉积过程的影响可分为两个方面，一方面随着壳聚糖分子量增加，分子长链所带电荷增加， 有利于静电相互作用；另一方面，由于壳聚糖分子变大，使空间位阻增加，不利于带有相反 电荷的电解质结合。在壳聚糖的浓度较低或分子体积不太大时，促进作用占据主导。因此， 随着壳聚糖分子量的增加，组装量有所增加。 7 0.5 Without

26、 NaCl 0.5M NaCl 1M NaCl 0.24 0.22 Chitosan 50cps Chitosan 100cps Chitosan 200cps 0.4 0.20 0.18 uv-absorption UV-absorption 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0.3 0.16 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.2 0.1 0.0 0.02 Layer 0.00 0 5 10 15 20 Layers 图 9 NaCl 浓度对复合膜吸光度影响 Fig 9 NaCl concentration effect to membra

27、ne UV-absorption 图 10 壳聚糖分子量对复合膜吸光度影响 Fig 10 Effect of molecular weight of Chitosan to UV-absorption of membrane 3 结语 使用扫描电子显微镜考察了 NaCS-Chitosan 复合膜的形貌特征， 发现了膜表面存在若干 不均一现象。红外光谱分析表明了复合膜的形成机理，壳聚糖中 N-H 键吸收峰减弱，壳聚 糖中的部分-NH3+与 NaCS 中的-SO4-2 发生了反应生成聚电解质是复合膜形成的推动力。 通过 沉积层数、沉积时间、复合膜最外层材料、壳聚糖浓度、NaCl 浓度、壳聚糖分子量

28、等因素 对复合膜形成过程的影响研究表明， 层层自组装复合膜的形成是一个一级反应， 在未达到平 衡沉积时间之前，沉积时间的增加使沉积量增加，壳聚糖浓度增加与沉积速度成线性关系， 体系中 NaCl 浓度的增加使沉积量增加，壳聚糖粘均分子量的增加也有利于复合膜的形成。 References 1 Xu W P (徐伟平, Li G X (李光宪, Progress of molecular self assemblyJ . Bulletin of Chemistry (化学通 报, 1999 , (2 : 21 - 25. 2 Liu GM, Zhao JP, Sun QY, and Zhang GZ

29、. Role of Chain Interpenetration in Layer-by-Layer Deposition of Polyelectrolytes J.Phys. Chem. B, 2008.112,(11, 3333 -3338. 3 Yoon H C, Kim H S. Multilayered assembly of dendrimers with enzymes on gold-thickness-controlled biosensing interface J. Anal Chem , 2000, 72 (5: 922-926 4 Rao S V, Anderson

30、 K W, Bachas L G. Controlled layer-by-layer immobilization of horseradish peroxidase J. Biotechnol & Bioengng, 1999, 65 (4 : 389 - 396. 5 Tian Y, He Q, Tao C, Li JB. Fabrication of Fluorescent Nanotubes Based on Layer-by-Layer Assembly via Covalent Bond Langmuir, 2006, 22 (1, 360-362. 8 6 Hao EC, Lian TQ. Layer-by-Layer Assembly of CdSe Nanoparticles Based on Hydrogen Bonding Langmuir, 2000,16 (21, 7879 -7881. 7 Vladimir A, Izumrudov, Eugenia Kharlampieva, Svetlana A, Sukhishvili. Multilayer