聚二烯丙基二甲基氯化铵-羧甲基壳聚糖-四氧化三铁复合自组装膜的制备和表征

聚二烯丙基二甲基氯化铵_羧甲基壳聚糖_四氧化三铁复合自组装膜的制备和表征（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑完整版实用资料，欢迎下载）

近年来,利用层层自组装技术制备均匀、超薄膜的方法已引起人们极大的关注,目前已经成功将半导体纳米粒子[1,2]、金属粒子等[3,4]组装到多层膜中,所组装的有导电膜[3]、磁性膜[6]、催化膜[7]等功能性薄膜,同时用该方法不仅可以得到均匀稳定的多层膜,而且可以精确调控多层膜的组分和厚度,所以在制造新型功能材料和分子器件等方面具有广阔的应用前景。聚二烯丙基二甲基氯化铵_羧甲基壳聚糖_四氧化三铁复合自组装膜的制备和表征（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑完整版实用资料，欢迎下载）Fe3O4纳米粒子具有良好的催化活性,可以用本文利用LBL技术制备了{PDDA/CMCTS-Fe3O4}n复合膜。用红外光谱分析了(FTIR和X-射线光电子能谱(XPS分析和测定了纳米复合薄膜的组分。1实验部分1.1试剂与仪器聚二烯丙基二甲基氯化铵[Poly(dimethylamn-moniumchloride,PDDA,20%w/v,MW=400000-500000]购自AldrichChemicalCompany,Inc.,为无色粘稠水溶液;羧甲基壳聚糖(CMCTS购自上海蓝季科技发展有限公司;硫酸亚铁铵[Fe(NH42·(SO42·6H2O]、三氯化铁(FeCl3、油酸钠、异丙醇([(CH32CHOH]试剂购自上海国药集团化学试剂;以上试剂均为分析纯。实验用水为21QX-PL515B型纯水机(北京群先科技发展中心研制制得的超纯水(pH=6.1,电阻率为18MΩ·cm;单晶硅(111抛光基片(上海冶炼厂硅分厂,厚度0.097cm。膜的组装在特制的防尘罩内、室温(20±1oC下进行,1.2基片的清洗和处理基片表面的清洁、平整及物理化学性质对自组装膜的结构和性质有很大的影响,所以基片需要经过表面清洁,表面离子化处理后才可用于自组装膜的沉积。硅基片和载玻片处理[3]:先用蘸有乙醇和氯仿的棉球依次擦洗,以除去表面的有机物,然后在piranha溶液(98%的浓硫酸与30%的H2O2的混合液,二者体积比为7:3中加热至80oC恒温1小时,超纯水冲洗,超声15分钟,再用体积比为1:1:5的浓氨水/H2O2/H2O的混合溶液加热至70oC恒温40分钟,用超纯水淋洗数次,氮气吹干备用。处理过的基片在两小时内用于膜的组装,使用前用氮气吹干。将多层膜分别沉积到不同的基片上,载玻片用于膜的XRD的测定,硅基片用于X射线光电子能谱(XPS表征以及红外测定。聚二烯丙基二甲基氯化铵/羧甲基壳聚糖-四氧化三铁复合自组装膜的制备和表征李卫东1,张莉2(1.宿州学院继续教育学院;2.宿州学院自旋电子与纳米材料安徽省重点实验室培育基地,安徽宿州234000[摘要]利用层层静电自组装技术构筑聚二烯丙基二甲基氯化铵/羧甲基壳聚糖-四氧化三铁(PDDA/CMCTS-Fe3O4复合自组装膜。通过红外-可见分光光度计(FTIR,X射线光电子能谱(XPS和X射线衍射仪(XRD等手段对复合膜的成分、微结构和性能进行了表征。XPS结果证实了PDDA,CMCTS和Fe3O4存在于复合膜上。[关键词]纳米复合膜;层层自组装;纳米四氧化三铁[中图分类号]O614.81+1;O636.1[文献标识码]A[文章编号]1009-9530(202105-0009-04[收稿日期]2021-06-12[基金项目]国家自然科学基金项目(No.20871089;安徽省教育厅自然科学研究重大项目(KJ2021ZD09重点项目(KJ2007A076[作者简介]李卫东(1968-,男,安徽宿州人,宿州学院继续教育学院助理实验师,研究方向:生物材料。淮南师范学院学报JOURNALOFHUAINANNORMALUNIVERSITY2021年第5期第12卷(总第63期No.5,2021GeneralNo.63,Vol.12淮南师范学院学报第12卷1.3溶液的配置本文采用超声共沉淀法制备磁性四氧化三铁。称取一定量的FeCl3和Fe(NH42·(SO42·6H2O(Fe2+和Fe3+物质的量之比为2:1依次溶解于100mL超纯水中。在氮气保护下,控制温度为30oC,在超声场中边搅拌边滴加0.5mol/L的NaOH溶液,至溶液pH=11时,溶液中生成大量黑色颗粒。停止超声,边搅拌边滴加12g/L的油酸钠溶液10mL,重新开启超声波,15分钟后在50oC晶化1h。生成物经减压过滤,用蒸馏水和无水乙醇多次洗涤除去多余的油酸钠,真空干燥得到黑色粉末,氮气保护待用。将制备的Fe3O4纳米粒子(0.5g超声分散在50mL的蒸馏水中,注入带有搅拌器与氮气出入口的三口烧瓶中,将1.0g羧甲基壳聚糖在氮气保护下溶解于50mL二次蒸馏水中,然后加入三口烧瓶中。将反应混合物超声分散10min后,通入氮气,在65oC搅拌2h。反应后将溶液冷却定容,过滤得溶液。1.4组装复合膜将处理好的基片浸入0.01mol/L的PDDA溶液中10min,取出后用超纯水冲洗,用缓慢的氮气流吹干,在基片的表面便形成了带有正电荷的PD-DA层,再将基片浸入到CMCTS-Fe3O4溶液中20min,取出,用超纯水冲洗,用氮气流吹干,如此交替吸附PDDA和CMCTS-Fe3O4,直至在基片上组装所需要的膜层数,制得多层{PDDA/CMCTS-Fe3O4}n纳米复合膜。多层膜制备示意图见图1。图1PDDA/CMCTS-Fe3O4纳米复合膜的层层静电自组装Fig.1Fabricationof{PDDA/CMCTS-Fe3O4}nnanocompositefilmviathelayer-by-layerself-assembly1.5复合膜的表征用Nexus870傅立叶变换红外光谱仪(美国Nicolet公司,扫描范围4000-400cm-1,扫500次,分辨率4cm-1测定薄膜的红外光谱;使用ESCAL-AB250光电子能谱仪(美国Thermo公司,激发源为AlKα(hν=1486.6eV,功率150W(10KV×15mA,真空室压力为1×10-6Pa,以电子结合能为284.6eV的C1S进行校准测定薄膜表面的组分。使用MAP18XAHF型X射线衍射仪(日本MACScience公司,X射线波长λCuKα=0.154056nm,测试电压为40V,电流为100mA,扫描速度为4o/min对薄膜组分进行物相分析。2结果与讨论生成羧甲基壳聚糖-Fe3O4(CMCTS-Fe3O4溶液时,一方面羧甲基壳聚糖分子可以防止Fe3O4颗粒间聚集,另一方面这些羧甲基壳聚糖分子上的羧基使Fe3O4颗粒表面带负电荷,可以和正电荷的PD-DA通过静电作用交替吸附制备多层膜。2.1Fe3O4纳米粒子的X-射线衍射图谱分析图2Fe3O4纳米颗粒的XRD图Fig.2TheXRDpatternofFe3O4nanoparticles图2为Fe3O4纳米颗粒的XRD图,各衍射峰位置与Fe3O4的标准粉末衍射数据卡(ASTM19-629完全吻合,2θ=30.34°、35.68°、43.32°、53.8°、57.18、62.86°出现的衍射峰,分别对应于Fe3O4的(220、(311、(400、(422、(511和(440晶面,无其他杂峰,表明产物为立方单相Fe3O4,具有反尖晶石型晶体结构。2.2Fe3O4纳米粒子的红外光谱分析图3Fe3O4纳米颗粒的红外光谱图Fig.3FTIRspectraofFe3O4nanoparticles图3是Fe3O4颗粒的红外光谱图,在580.5cm-110第5期处的强吸收峰为Fe3O4的特征吸收峰,应归属为位于氧密堆构成的八面体间隙Fe-O伸缩振动峰,而其他地方并未出现强烈的吸收峰,说明实验制备的Fe3O4是纯相Fe3O4。2.3{PDDA/CMCTS-Fe3O}n膜的红外光谱分析图4{PDDA/CMCTS-Fe3O}n膜(a:10层,b:5层的红外光谱图Fig.4FTIRspectraofthe{PDDA/CMCTS-Fe3O}n(a:10,b:5nanocompositefilm分别对5层和10层的PDDA/CMCTS-Fe3O4膜进行红外光谱分析,在600,898,1080,1400,1600,2870,2928和3400cm-1处出现的吸收峰,其中3400cm-1处为PD-DA和CMCTS羟基、氨基的伸缩振动峰;2928cm-1和2870cm-1处为C-H伸缩振动峰;1600cm-1归属为N-H变形振动;1400cm-1附近处出现C-H弯曲振动和C-N的伸缩振动叠加吸收;1080m-1处为C-N吸收带;898cm-1是伯胺的吸收带;600cm-1归属于Fe3O4分子中Fe-O的伸缩振动。说明PDDA和CMCTS-Fe3O4被组装到多层膜中。和Fe3O4粉末的FTIR图对比,Fe-O的特征峰由580.5cm-1位移到600cm-1,可能与Fe3O4被CMCTS包裹有关。2.4{PDDA/CMCTS-Fe3O}n膜的XPS能谱分析图55层{PDDA/CMCTS-Fe3O4}膜的X-射线光电子能谱(a全谱,(bC1s,(cN1s,(dFe2p,(eO1sFig.5XPScorespectrarecordedfroma{PDDA/CMCTS-Fe3O4}5ultilayerfilm(asurvey,(bC1s,(cN1s,(dFe2p,(eO1sXPS技术被广泛用来研究透明和着色膜中物质的价态结构的变化,揭示价态和内层能级XPS光谱的变化。图5a为沉积在硅基片上的5层{PDDA/CMCTS-Fe3O4}膜成分的XPS全谱图,在多层膜上检测到C1s(BE=284.8、N1s(BE=398.97和O1s(BE=532.52的信号,可见膜上存在C、N、O元素。其中元素N是由PDDA引入,元素Fe、O则是由CMCTS-Fe3O4引入,而元素C则是二者共同引入。图5b中C1s的结合能峰经Gaussian分峰拟合,发现是由3个峰迭加而成,284.8eV对应PDDA和CMCTS结构中C-C键中的C原子,286.05eV对应PDDA和CMCTS结构中C-N键中的C原子[10],287.56eV对应CMCTS羧基上C-OOH中的C原子。在N1s的XPS图谱上(图5c,可以观察到398.97eV和402.13eV两个峰,398.97eV来源于PDDA结构中N的结合能,402.13eV对应CMCTS结构中质子化的氨基的结合能。图5d中Fe2p的信号很微弱,这是因为一方面Fe3O4表面被CMCTS包覆,另一方面XPS能谱中X射线的样品表面穿透深度仅为5-10nm,所以测的Fe元素的信号较弱。图5e为O1s的XPS谱图,532.52eV归因于水或CMCTS中羧基-COOH的氧原子,530.74eV归因于CMCTS中的C-O键中的氧原子。XPS结果再次证明了PDDA、CMCTS和Fe3O4纳米粒子存在于多层膜中。3结论本论文利用层层静电自组装技术,将聚二烯丙基二甲基氯化铵与羧甲基壳聚糖包裹的四氧化三铁通过静电作用交替吸附,制备了含粒径较小的四氧化三铁纳米粒子的{PDDA/CMCTS-Fe3O4}n复合膜,其方法的优点是可以通过控制溶液的浓度自如地调控薄膜的层数及其厚度,制备方法简单、成膜速度快、组分均匀。这种均匀组装的多层薄膜性质较为良好,可用于超分子材料。参考文献[1]LeeD,OmoladeD,CohenRE,etal.pH-李卫东,张莉:聚二烯丙基二甲基氯化铵/羧甲基壳聚糖-四氧化三铁复合自组装膜的制备和表征11淮南师范学院学报第12卷(上接第6页3结论以硝酸锌和氢氧化钠为原料,采用水热合成法制备了针状呈球形排列的纳米氧化锌晶粒。通过XRD、SEM等表征手段的分析测试,对所得纳米氧化锌粉体的制备条件及其对粉体粒度和形貌的影响进行了分析研究。本论文中所采取的水热法与以往的实验不同之处是,在将原料加入高压反应釜前,首先对水热反应的沉淀前躯体进行了预处理,测试结果表明,经过预处理步骤之后,大大提高了纳米氧化锌的纯度,并且有效防止了纳米粉体的严重团聚,进而对最终产品的形貌起到了很好的改善作用,所用方法简单易行。参考文献[1]Lyudmiland,Lyudmilal,TatianaU,etal.ZnOultra-finepowdersandfilms:hydrothermalsynthesis,luminescenceandUVlasingatroomtemperature[J].MaterSci,2021,(43:2143-2148[2]夏昌奎,黄剑锋,曹丽云等.微波水热法制备ZnO纳米晶[J].人工晶体学报,2021,37(4:833-838[3]宋旭春,徐铸德,陈卫祥等.氧化锌纳米棒的制备和生长机理研究[J].无机化学学报,2004,20(2:186-190[4]刘春光,罗青松.纳米氧化锌的制备技术与应用前景[J].纳米科技,2005,2(1:13-16[5]ShuYL,TaoC,JingWetal.Theeffectofpre-annealingofsputteredZnOseedlayersongrowthofZnOnanorodsthroughahydrothermalmethod[J].ApplPhysA,2021,(94:775-780[6]ShrNB,TseungYTetal.ThestructuralandopticalpropertiesofZnOnanowirearrayspreparedbyhydrothermalsynthesismethod[J].MaterSciandMaterElectron,2021,(20:604-608[7]李海燕,邵忠宝,陈雪冰等.水热法制备纳米棒状氧化锌及其性能表征[J].化学与生物工程,2006,23(2:39-41Preparationandcharacterizationofpoly(diallydimethylammoniumchloride/carboxymethylchitosan-Fe3O4nanocompositefilmbyLayer-by-layerassemblytechniqueLIWei-Dong,ZHANGLiAbstract:Poly(diallyldimethylammoniumchloride/carboxymethylchitosan-Fe3O4(PDDA/CMCTS-Fe3O4nanocompositefilmwerefabricatedbyalayer-by-layerself-assemblytechnique.Thecompositionandmicro-structurewerecharacterizedbyX-rayphotoelectronspectroscopy(XPS,infrared-visiblespectrophotometer(FTIR,andX-raydiffraction(XRD.XPSresultconfirmstheformationofPDDA,CMCTS,andFe3O4inthefilms.Keywords:nanocompositethinfilm;layer-by-layerself-assembly;Fe3O4nanoparticlesDependentStructureandPropertiesofTiO2/SiO2NanoparticleMultilayerThinFilms[J].Chem.Mater.,2007,19(6:1427-1433[2]HaoEC,YangB,ZhangJH,etal.AssemblyofalternatingTiO2/CdSnanoparticlecompositefilms[J].J.Mater.Chem.,1998,8(6:1327-1328[3]ShangL,JinLH,GuoSJ,etal.AFacileandControllableStrategytoSynthesizeAu-AgAlloyNanoparticleswithinPolyelectrolyteMultilayerNanoreactorsuponThermalReduction[J].Langmuir2021,26(9:6713-6719[4]ChiaK.-K,CohenRE,RubnerMF.Amine-RichPolyelectrolyteMultilayerNanoreactorsforinSituGoldNanoparticleSynthesis[J].Chem.Mater.,2021,20(2:6756-6763[5]SakaiN,PrasadGK,EbinaY,etal.Layer-by-LayerAssembledTiO2Nanoparticle/PEDOT-PSSCompositeFilmsforSwitchingofElectricConductivityinResponsetoUltravioletandVisibleLight[J].Chem.Mater.,2006,18(1:3596-3598[6]LeeD,CohenRE,RubnerMF.HeterostructuredMagneticNanotubes[J].Langmuir,2007,23(1:123-129[7]DotzauerDM,DaiJ,SunL,etal.CatalyticMembranesPreparedUsingLayer-by-LayerAdsorptionofPolyelectrolyte/MetalNanoparticleFilmsinPorousSupports[J].NanoLett.,2006,6(10:2268-2272[8]HongX,LiJ,WangMJ,etal.FabricationofMagneticLuminescentNanocompositesbyaLayer-by-LayerSelf-assemblyApproach[J].Chem.Mater.,2004,16(21:4022-4027[9]MamedovAA,KotovNA.Free-StandingLayer-by-LayerAssembledFilmsofMagnetiteNanoparticles[J].Langmuir,2000,16(13:5530-5533[10]MoulderJF,StickleWF,SobolPE,BombenKD.HandbookofX-rayPhotoelectronSpectroscopy,editedbyChastainJ,EdenPrairie,Minnesota,Perkin-ElmerCorporationPhysicalElectronicsDivision,2ndedition,199212复合材料学报第26卷第2期4月2021年ActaMateriaeCompositaeSinicaVol26No2April2021文章编号:10003851(202102014306收稿日期:20210421;收修改稿日期:20210710基金项目:国家科技支撑计划(2006BAI16B02;中国博士后科学基金(20070420330微囊化壳聚糖/纳米羟基磷灰石/胶原/聚乳酸复合材料牛旭锋,冯庆玲*,王明波,谭荣伟(清华大学材料科学与工程系,先进材料教育部重点实验室,北京100084摘要:以多聚磷酸钠(TPP为交联剂,采用乳化交联法制备了牛血清白蛋白(BSA壳聚糖控释微球(CMs。将微球与纳米羟基磷灰石/胶原(nHAC、聚乳酸(PLA按不同比例混合,采用热致分相法制备了CMs/nHAC/PLA复合支架材料。利用扫描电镜、激光粒度分析仪、压汞仪和力学性能测试仪考察了微球与复合支架的性能。结果表明:所制备的壳聚糖微球形态良好,呈规则球形,粒径主要分布在20~50m;随BSA初始用量的增加,微球的载药量从0.78%增大到2.74%,但包封率从86.9%下降到78.4%;控制CMs用量不超过PLA质量的30%,则可保证微球在CMs/nHAC/PLA中的均匀分布,此时复合材料的孔径主要分布在100~200m,孔隙率不低于83.1%,压缩强度在1~2MPa。这种复合支架材料可望作为人体非承重部位的植入骨修复体和组织工程支架使用。关键词:骨修复材料;纳米羟基磷灰石/胶原复合材料;聚乳酸;壳聚糖;控释微球中图分类号:TB332;R318.08文献标志码:AChitosanmicrospheres/nanohydroxyapatite/collagen/polylactidecompositeNIUXufeng,FENGQingling*,WANGMingbo,TANRongwei(LaboratoryofAdvancedMaterials,DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,ChinaAbstract:Chitosanmicrospheres(CMsloadedwithbovineserumalbumin(BSAwerepreparedbyanemulsionioniccrosslinkingmethodinthepresenceoftripolyphosphate(TPP.PorousCMs/nanohydroxyapatite/collagen/polylactide(CMs/nHAC/PLAcompositewasdevelopedbythermallyinducedphaseseparation.ThepropertiesoftheCMsandcompositewereinvestigatedbySEM,laserparticlesizeanalyzer,mercuryporosimeteranduniversaltestingmachine.TheresultsindicatethattheCMsaresphericalinshape,witharegularsurface.ThediametersoftheCMsareintherangeof20~50m.WiththeincreaseofinitialBSAdosage,theloadingcapacityisalsoincreasedfrom0.78%to2.74%,whereastheencapsulationefficiencyisdecreasedfrom86.9%to78.4%.ControllingtheCMsdosagetobenothigherthan30%onaPLAweightbasis,theCMscandistributeperfectlyinthewholeCMs/nHAC/PLAcomposite.Thetotalporosityoftheporouscompositeisover83.1%.Theporediameterisabout100~200m,andthecompressivestrengthisabout1~2MPa.Thisporouscompositeisapromisingmaterialfornonloadedboneimplantsandtissueengineeringscaffolds.Keywords:bonerepairmaterial;nHAC;polylactide;chitosan;microspheres人体组织的损伤修复与重建一直是现代医学力求解决的难题[12]。骨组织作为人体最大、最容易引起缺损的组织器官,每年有数以百万计的骨组织损坏患者需要接受手术治疗[34]。然而迄今为止,临床上骨缺损修复与重建所采取的治疗手段都有不同程度的缺陷。修复效果最好的自体骨移植,由于受自身供体有限性和供骨区各种并发症的限制,会给患者增加额外的痛苦和负担;而异种骨移植存在抗原性的问题,常因剧烈的免疫排斥反应导致植入失败;目前临床上广泛使用的人工骨替代材料,大多以金属、陶瓷或高分子材料制成[56],这些材料在生物相容性、生物活性、生物可降解性等方面都有各自的缺陷,长期效果不理想[79]。纳米羟基磷灰石/胶原(Nanohydroxyapatite/collagen,nHAC复合材料是本课题组按照仿生矿化的原理,采用纳米自组装化学途径研制出的一种纳米晶磷酸钙胶原基材料[1012]。该材料很好地模拟了天然骨组织的矿化沉积过程,实现了与骨组织不仅组成、而且形成过程的类似,呈现出较好的生物活性和生物降解性。但是,要将nHAC成功用于骨修复,首先需要使nHAC成型并具有一定的力学性能[13];而且由于羟基磷灰石缺乏骨诱导性,如何提高材料在体内的诱导成骨能力也是材料设计过程中需要考虑的问题。事实上,以聚乳酸、聚羟基乙酸为代表的合成生物降解性聚合物材料和以壳聚糖、透明质酸为代表的细胞外基质多糖,由于其优越的生物学性能,受到各国学者的重视,尤其是对聚合物多糖复合材料的研究,正日益引起人们的广泛关注[1415]。如果将这两类材料与nHAC复合,前者由于具有良好的力学性能和可控的降解速率而使nHAC易于成型,后者则可以作为蛋白类药物的控释载体而赋予材料骨诱导性。在前期研究的基础上,本研究拟以nHAC、聚乳酸(Polylactide,PLA和壳聚糖(Chitosan,CS为原料,采用聚合物与多糖微球复合的方法研制一种具有生长因子控释功能的可降解吸收骨修复材料。首先以壳聚糖为载体材料,牛血清白蛋白(Bovineserumalbumin,BSA为模型药物,采用乳化交联法制备壳聚糖控释微球(Chitosanmicrospheres,CMs;然后将微球与nHAC、PLA按不同比例混合,采用热致分相法制备CMs/nHAC/PLA支架材料。最后,采用扫描电镜、激光粒度分析仪、压汞仪以及电子万能试验机对制备的微球和支架材料进行了一系列分析表征。1实验部分1.1主要原料nHAC复合材料,清华大学先进材料教育部重点实验室制备;聚(L乳酸购自山东省医疗器械研究所,Mw=3.0105,使用前采用氯仿甲醇共沉淀体系纯化;壳聚糖购自北京化学试剂公司,Mw=2.5105,脱乙酰度为90%,使用前精制2次:溶于稀醋酸,然后在稀氨水中沉淀;BSA和BCA(Bicinchoninicacid蛋白检测试剂盒分别购自美国Sigma和Pierce公司;多聚磷酸钠(Tripolyphosphate,TPP、乳化剂Span80以及本研究所用的其它试剂均为分析纯,购买后直接使用。1.2壳聚糖微球的制备采用乳化交联法制备BSA壳聚糖微球,参照Kim等[1617]的方法并加以改进。称取250mg壳聚糖溶于2%(体积分数的稀醋酸溶液10mL中,待其完全溶解后,加入5.0mgBSA,机械搅拌使二者混合均匀。混合溶液缓慢加入含2%(质量分数乳化剂Span80的液体石蜡溶液100mL中,室温下机械搅拌2h。然后向其中滴加25mL5%(质量分数的TPP水溶液,使壳聚糖发生交联。滴加完毕,继续搅拌2h。沉淀,用石油醚、异丙醇反复漂洗,最后将沉淀物冷冻干燥至恒重,得BSA壳聚糖微球。1.3CMs/nHAC/PLA支架材料的制备称取1.5g分子量为3.0105的PLA,溶于30mL1,4二氧六环中,配成质量浓度为50g/L的溶液。待其完全溶解后,加入一定量的nHAC干粉(PLAnHAC=11,质量比,超声波分散30min。继续按PLA质量的10%、30%和50%加入自制BSA壳聚糖微球,室温下充分搅拌混合均匀,然后转移到聚四氟乙烯模具中降温、成型,冷冻干燥除去1,4二氧六环,即得CMs/nHAC/PLA支架材料。1.4产物表征1.4.1微球和支架材料形貌观察制备的BSA壳聚糖控释微球和CMs/nHAC/PLA支架材料的微观形貌采用德国LEO公司生产的Gemini1530型扫描电子显微镜(SEM来观察。实验中将待观察的微球冷冻干燥,样品台粘贴双面导电胶,将微球直接分散在导电胶上,喷铂金,观察微球的表面形貌。将支架材料在液氮环境下掰开,喷金后观察内部形貌。1.4.2微球载药量和包封率的测定BSA壳聚糖微球载药量和包封率的测定使用BCA蛋白检测试剂盒。具体方法如下:称取一定量微球溶解于5mL2%的稀醋酸溶液中,磁力搅拌至完全溶解;吸取适当体积的上述溶液到96孔板的样品孔中,补加PBS至20L;加入200LBCA工作液,37!放置30min;冷却到室温,用酶标仪测定A562,根据标准曲线计算出待测液的BSA浓度。标准曲线由系列浓度的BSA溶液与BCA工作液混合得到。1.4.3微球粒度分析将冷冻干燥后的微球于去离子水中分散,使用∀144∀复合材料学报英国Malvern公司生产的Mastersizer2000型激光粒度分析仪进行粒度分析。粒径测定范围为0.~2000m,激光折光度在10%~20%之间。为尽可能减少颗粒团聚现象的发生,在测量之前使用超声分散,超声强度为17.5m,超声时间为1min。1.4.4支架材料孔隙率测定CMs/nHAC/PLA支架材料的孔隙率通过美国Quantachrome公司生产的AutoScan33型压汞仪进行研究。其中水银的接触角为130#,表面张力为0.485N/m。因为支架材料在汞中不溶解或不发生反应,且汞容易渗透入支架而不引起膨胀或收缩,所以使用汞作为置换液体。孔隙率的结果直接给出。1.4.5支架材料力学性能测定支架材料的压缩强度使用德国Zwick公司生产的ZwickZ005型电子万能试验机测试,10kN载荷。依据ASTMD5024-95a,样品高15mm,直径8.5~9.0mm,高径比约为1.5,下压速度为05mm/min,压30%的高度值即停止。切除样品的顶部和底部以确保端面平整和合适的高径比。压缩模量由应力应变曲线的线性部分计算得到。图1壳聚糖微球的SEM图片Fig.1SEMmicrographsofchitosanmicrospheres2结果与讨论2.1微球的制备与表征壳聚糖是高分子量的线性阳离子聚合物,可通过控制它与带有阴离子的三聚磷酸钠作用形成聚电解质复合物。三聚磷酸钠阴离子与壳聚糖带正电荷的氨基之间发生分子内和分子间交联是凝胶化过程的关键[18]。当壳聚糖浓度低于20g/L时,制备的微球形态较差,表面存在许多缺陷或裂纹;而当壳聚糖浓度高于20g/L时,即可得到形态良好的微球,球体表面光滑无褶皱。制备过程中,不加乳化剂或Span80用量低于1%,微球的成球性差,难分散且有大量壳聚糖粘连、贴壁;当Span80超过2%时,微球在干态与溶液中分散性均好,且无粘连。实验证明,TPP分子在微球中的扩散具有时间依赖性,并且对保持微球的形态至关重要。因此,如交联时间少于2h,由于交联不完全,微球表面的形态不规则,并且相互之间的粘连非常严重;而当交联时间保持在2h以上,则成球良好。采用SEM观察用优化后的工艺条件制备的微球表面形貌,结果表明,所制备的微球形态良好,呈规则球形,表面没有任何缺陷(图1。另外,在制备过程∀145∀牛旭锋,等:微囊化壳聚糖/纳米羟基磷灰石/胶原/聚乳酸复合材料中,搅拌速度对微球的粒径和粒径分布有较大影响。调整搅拌速度,所得微球的粒径随搅拌速度的增加而减小。图2所示为壳聚糖微球的粒径分布图,所得微球的粒径分布较窄(20~50m,呈正态或高斯分布。其中,壳聚糖空白微球的平均粒径是23.6m,而BSA壳聚糖微球的平均粒径是33.9m。图2壳聚糖微球的粒径分布图Fig.2Sizedistributionofchitosanmicrospheres2.2微球的载药量和包封率载药量和包封率是考察微球载药性能的最主要因素。表1所示为采用BCA蛋白检测试剂盒对BSA壳聚糖微球载药性能的测定结果。结果表明,所制备的微球具有良好的载药性能,并且其载药量和包封率受初始BSA浓度的影响。BSA初始浓度越高,载药量就越高,最高达86.9%。这主要是由于随着投料中BSA用量的增加,增大了其与壳聚糖结合的几率,从而使载药量增加。但是,药物包封率却随BSA初始用量的增加而下降。表1BSA壳聚糖微球的载药量和包封率Table1BSAloadingcapacityandencapsulationefficiencyofchitosanmicrospheresChitosandosage/mgBSAdosage/mgLoadingcapacity*/%Encapsulationefficiency*/%3003.00.78∃0.0686.9∃1.43004.01.02∃0.1185.2∃1.93006.01.49∃0.1383.7∃2.830012.02.74∃0.3178.4∃3.5*Presenteddataaremean∃standarddeviation(n=32.3支架材料的制备与形貌观察采用热致分相法制备支架材料是通过热动力学的原理,将均质的高分子材料有机溶液分成溶质相(富含聚合物和溶剂相(无聚合物,通常是加入不能混溶的溶剂或者降低溶液温度,使溶质析出[1920]。本实验中采用的溶剂为1,4二氧六环,其冰点为11.8!。当溶液灌入模具中,温度控制在冰点以下时,溶剂凝固,PLA从均质的溶液中析出。然后在负压条件下使凝固的1,4二氧六环升华并去除,原凝固晶体占位空间即形成孔隙,PLA的1,4二氧六环溶液遂制成多孔的三维支架。图3所示为不加BSA壳聚糖微球以及微球含量分别为PLA质量的10%、30%和50%时的支架材料内部形貌图,箭头所示为通过能谱分析确定的支架内表面分布的壳聚糖微球。对照组不加CMs时(图3(a,支架材料的孔径主要分布在50~300m,并且孔的走向不是沿一个方向,而是纵向和横向都有,从而使孔与孔之间相互贯通。从图3(b、3(c可以看出,随着CMs的加入,支架材料的孔径分布变得更加均匀,主要集中在100~200m之间。这可能是因为壳聚糖在支架材料中起到了桥连的作用,从而使复合支架材料具有结构均一性。从图中还可以发现,CMs基本均匀分布在PLA基体之中,没有发现明显的聚集现象。但是,当CMs用量增加到50%时(图3(d,发现微球在支架材料中的分布不再均匀,而是出现了一定程度的聚集,并且支架材料的孔径明显变小,孔的通透性也变差。这一点从后续支架材料孔隙率的测定结果中也可以得到验证,这说明CMs的用量不能太高。2.4支架材料的孔隙率与力学性能表2列出了不同BSA壳聚糖微球用量时CMs/nHAC/PLA支架材料的孔隙率和力学性能变化。结果表明,随着CMs用量的增加,支架材料的孔隙率呈下降趋势,从初始不加CMs时的885%下降到CMs用量为50%时的76.8%。但是,如果控制CMs的用量不高于30%,则孔隙率表2微球用量对CMs/nHAC/PLA支架材料孔隙率和力学性能的影响Table2PorosityandmechanicalpropertyofCMs/nHAC/PLAscaffoldswithdifferentCMsmassfractionsCMsmassfraction/%Porosity/%Compressivestrength/MPaCompressivemodulus/MPa088.51.42∃0.0115.4∃1.571087.11.50∃0.0321.3∃1.763083.11.54∃0.0222.8∃3.805076.81.63∃0.1525.5∃2.31∀146∀复合材料学报图3微球含量对CMs/nHAC/PLA支架材料微观形貌的影响Fig.3SEMmicrographsofCMs/nHAC/PLAscaffoldswithdifferentCMsmassfractions下降的幅度不大。与此相反,支架材料的力学性能随CMs用量的增加而略微提高,其压缩强度和压缩模量分别由初始的1.42MPa和15.4MPa升高到CMs用量为50%时的1.63MPa和25.5MPa。对于骨组织工程支架材料而言,孔隙率是一个非常重要的参数。通常来说,孔隙率应当不小于80%,这样才有可能形成相互贯通的多孔结构[21]。在本研究中,尽管所制备的BSA壳聚糖微球粒径较小,对支架材料的孔隙率影响不大,但是当CMs用量较高时(>30%,由于体系黏度的不断增加,使得微球在支架材料中很难分散均匀,出现了不同程度的聚集(图3(d,从而使支架材料的孔隙率明显下降,孔与孔之间的通透性变差。并且,孔隙率的变化还与力学性能的结果相对应,因为支架材料的力学性能除受材料自身特征的影响外,还与支架材料的孔径和孔厚度显著相关。研究表明,孔径的降低和孔厚度的增加会提高支架材料的压缩强度和压缩模量[22]。这就是本实验中支架材料的力学性能会出现表2所示变化规律的原因所在。3结论(1使用TPP作交联剂,采用过程温和的乳化交联法成功制备了BSA壳聚糖控释微球。影响微球性能的因素主要有壳聚糖浓度、乳化剂用量、交联时间以及搅拌速度等。采用优化后的工艺条件制备得到的微球形态良好,呈规则球形,粒径主要分布在20~50m。(2微球载药量和包封率主要受初始BSA浓度的影响。BSA初始浓度越高,载药量就越高,但包封率逐渐下降。在本研究考察的浓度范围内,BSA包封率最高为869%,载药量最高为274%。(3将微球与nHAC、PLA按比例混合,采用热致分相法成功制备了CMs/nHAC/PLA复合支架材料。从SEM图可以看出,复合支架材料的孔径主要分布在50~300m,孔与孔之间相互贯通。并且,CMs的用量不能太高,最好不超过PLA用量的30%,这样可保证微球在复合材料中的均匀分布。(4CMs用量对复合支架材料的孔隙率和力学性能略微有些影响,但不是很显著。当CMs用量为30%时,复合材料的孔隙率仍高达83.1%,压缩强度为1~2MPa,达到了天然松质骨的最低强度。这种复合材料在人体非承重骨组织的修复或者组织工程支架材料方面具有潜在的应用前景。∀147∀牛旭锋,等:微囊化壳聚糖/纳米羟基磷灰石/胶原/聚乳酸复合材料∀148∀复合材料学报JournaloftheAmericanCeramicSociety,2003,86:10521054.[13]LiaoSS,CuiFZ.Invitroandinvivodegradationofmineralizedcollagenbasedcompositescaffold:Nanohydroxyapatite/collagen/poly(L2004,10:7380.[14]NiuXF,LuoYF,LiYG,etal.Designofbioinspiredpolymericmaterialsbasedonpoly(D,Llacticacidmodificationstowardsimprovingitscytocompatibility[J].JournalofBiomedicalMaterialsResearchPartA,2021,84A:908916.[15]FengH,DongCM.Preparation,characterization,andselfassembledpropertiesofbiodegradablechitosanpoly(Llactidehybridamphiphiles[J].Biomacromolecules,2006,7:30693075.[16]KimSE,ParkJH,ChoYW,etal.Porouschitosanscaffoldcontainingmicrospheresloadedwithtransforminggrowthfactorbeta1:Implicationsforcartilagetissueengineering[J].JournalofControlledRelease,2003,91:365374.[17]LeeJE,KimKE,KwonIC,etal.EffectsofthecontrolledreleasedTGFbeta1fromchitosanmicrospheresonchondrocytesculturedinacollagen/chitosan/glycosaminoglycanscaffold[J].Biomaterials,2004,25:41634173.[18]CalvoP,RemunanLopezC,VilaJatoJL,etal.Novelhydrophilicchitosan1997,63:125132.[19]HuangYX,RenJ,ChenC,etal.Preparationandpropertiesofpoly(lactidecoglycolide(PLGA/nanohydroxyapatite(NHAscaffoldsbythermallyinducedphaseseparationandrabbitMSCscultureonscaffolds[J].JournalofBiomaterialsApplications,2021,22:409432.[20]KimHD,BaeEH,KwonIC,etal.EffectofPEGPLLAdiblockcopolymeronmacroporousPLLAscaffoldsbypolyethyleneoxidenanoparticlesaslactide[J].TissueEngineering,参考文献:[1]GriffithLG,NaughtonG.Tissueengineering%%%Currentchallengesandexpandingopportunities[J].Science,2002,295:10091014.[2][3]LangerR,TirrellDA.Designingmaterialsforbiologyandmedicine[J].Nature,2004,428:487492.HuiskesR.Ifboneistheanswer,thenwhatisthequestion?[J].JournalofAnatomy,2000,197:145156.[4]LiXM,FengQL,LiuXH,etal.Collagenbasedimplantsreinforcedbychitinfibresinagoatshankbonedefectmodel[J].Biomaterials,2006,27:19171923.[5]沈烈,乔飞,张宇强,张稚艳,彭懋,朱飞燕.炭纤维增强羟基磷灰石/聚乳酸复合生物材料的力学性能和体外降解性能[J].复合材料学报,2007,24(5:6165.ShenLie,QiaoFei,ZhangYuqiang,ZhangZhiyan,PengMao,ZhuFeiyan.Mechanicalpropertiesanddegradationpropertiesinvitroofcarbonfiberreinforcedhydroxyapatite/polylactidecomposite[J].ActaMateriaeCompositaeSinica,2007,24(5:6165.[6]吕彩霞,姚子华.纳米羟基磷灰石/壳聚糖硫酸软骨素复合材料的制备及其性能研究[J].复合材料学报,2007,24(1:110115.LCaixia,YaoZihua.Preparationandcharacterizationofchondroitinsulfatecompositenanohydroxyapatite/chitosan(1:110115.[7]materials[J].ActaMateriaeCompositaeSinica,2007,24GuarinoV,CausaF,AmbrosioL.Bioactivescaffoldsforboneandligamenttissue[J].ExpertReviewofMedicalDevices,2007,4:405418.[8]KretlowJD,MikosAG.Review:Mineralizationofsyntheticpolymerscaffoldsforbonetissueengineering[J].TissueEngineering,2007,13:927938.[9]WeiGB,JinQM,GiannobileWV,etal.TheenhancementofosteogenesisbynanofibrousscaffoldsincorporatingrhBMP7nanospheres[J].Biomaterials,2007,28:20872096.[10]CuiFZ,LiY,GeJ.Selfassemblyofmineralizedcollagencomposites[J].MaterialsScience&EngineeringR:Reports,2007,57:127.[11]ZhangW,LiaoSS,CuiFZ.Hierarchicalselfassemblyofnanofibrilsinmineralizedcollagen[J].ChemistryofMaterials,2003,15:32213226.[12]ZhangW,HuangZL,LiaoSS,etal.Nucleationsitesofcalciumphosphatecrystalsduringcollagenmineralization[J].proteincarriers[J].JournalofAppliedPolymerScience,thermallyinducedphaseseparation[J].Biomaterials,2004,25:23192329.[21]AttawiaMProliferation,A,HerbertKM,andUhrichKproteincoE,etal.bymorphology,expressionosteoblastsculturedonpoly(anhydrideimides[J].JournalofBiomedicalMaterialsResearch,1999,48:322327.[22]KimHJ,KimHS,MatsumotoA,etal.Processingwindowsforformingsilkfibroinbiomaterialsintoa3Dporousmatrix[J].AustralianJournalofChemistry,2005,58:716720.责任编辑:李玉彬1壳聚糖复合膜涂膜保鲜猕猴桃的研究祝美云,党建磊(河南农业大学食品科学技术学院,河南郑州450002摘要:采用壳聚糖、海藻酸钠和卡拉胶制作成不同配比的可食性复合膜,利用L9(33正交试验对猕猴桃进行涂膜保鲜,在4℃下观察猕猴桃在贮藏期间的品质变化,通过对猕猴桃失重率、果实硬度、可滴定酸(TA、呼吸强度、Vc含量的测定,分析了可食性复合膜的保鲜效果。结果表明:壳聚糖的保鲜效果达到极显著水平,卡拉胶的保鲜效果达到显著水平,而海藻酸钠保鲜效果不明显。综合方差分析得出可食性复合膜的最佳配比为壳聚糖1%、海藻酸钠0.3%、卡拉胶0.3%。在此条件下,新鲜的猕猴桃保鲜40d左右,可有效的保持其营养成分的减少。关键词:猕猴桃;壳聚糖;复合涂膜;贮藏,品质中图分类号:文献标识码:文章编号:ResearchofChitosanCompositeCoatingonstorageQualityofKiwifruitZHUMei-yun,DANGJian-lei(CollegeofFoodScienceandTechnology,HenanAgriculturalUniversity,Henanzhengzhou,450002,ChinaAbstracts:Inthisresearch,differentconcentrationofchitosan,sodiumalginateandcarrageenanwereusedtomakedifferentformulatedediblecompositecoatingfilmandtheeffectofcompositefilmcoatingonpreservationofkiwiwereinvestigated.AtthesametimeL9(33orthogonaltestwerecarriedouttostudythestoragequalitychangesontheconditiontemperatureof4℃andthebestformulationselectedoutthroughtrackingdownthechangeofweightloss,thehardnessoffruit,thetitrationacidcontent,thestrengthbreathofcucumberandtheVccontent.Theresultsindicatedthatthemaintainfreshnessofchitosanachievetotheextremelyremarkablelevelandthefresh-keepingeffectofcarrageenanreachtheremarkablelevel,buttheeffectofsodiumalginatehavenoobvioussignificance.Optimizationofthebestcompositecoatingfilmofchitosanistheratioofchitosan1%,sodiumalginate0.3%andcarrageenan0.3%.Onthisconditionthefresh-keepingofkiwicouldpreserve40dandcouldmaintainitseffectivereductionofnutrients.Keywords:kiwifruit;chitosan;composite;coating;Storage;Quality猕猴桃(ActinidiaChinensisPlanch,是一种营养价值较高的果品,其药用价值也十分显著,北京医学院研究N-亚硝基吗啉的合成,其阻断率为96.4%[1],还有降低血糖和血压的作用,因此猕猴桃越来越受到国内外专家和消费者的重视。但猕猴桃果实采后很容易变软腐烂难以贮藏,目前我国猕猴桃常用的贮藏方法有冷藏、气调贮藏、简易气调贮藏等,也有涂膜保鲜猕猴桃的研究报道,姚晓敏等[2]研究了壳聚糖涂膜保鲜猕猴桃有较好效果。而以壳聚糖、海藻酸钠、卡拉胶为复合涂膜保鲜还未见报道,本实验对猕猴桃进行壳聚糖复合涂膜处理,力求一种高效、简单、低廉的保鲜猕猴桃方法,为猕猴桃贮藏保鲜提供一定的科学依据。1材料与方法1.1试验材料以九成熟的…金魁‟猕猴桃(ActinidiaChinensisPlanch为实验材料,采于安徽省岳西县主簿镇。1.2试验方法原料处理→配制可食性复合膜→猕猴桃浸膜→晾干→包装及贮藏壳聚糖在60℃下用2%的醋酸做溶剂搅拌至溶解,在搅拌的情况下缓慢加入海藻酸钠,继续搅拌至1收稿日期:全部溶解,然后将涂膜液冷却至40℃后,再添加卡拉胶。复合膜配方比例按照L9(34正交试验表进行,见表1。表1壳聚糖复合膜配方Tab.1Thechitosancompositemembraneformula水平Levels因素FactorA壳聚糖/%ChitosanB海藻酸钠/%SodiumalginateC卡拉胶/%Carrageenan10.50.20.121.00.30.231.50.40.3果实硬度:GY-1型果实硬度计TA含量:碱滴定法呼吸强度:碱吸收法采用数字评分法,综合评定总分为100分,包括感官指标(40分:表面光泽明亮,质地较硬,无发霉现象(30~40分;表面光泽较暗,质地稍硬,稍有发霉现象(20~30分;表面无光泽、暗淡,质地柔软,发霉现象严重(10~20分。理化指标(60分:可有效减少失重率,有效降低呼吸强度,有效抑制TA减少和Vc减少(50~60分;可适当减少失重率,降低呼吸强度,抑制TA减少和Vc减少(40~50分;不减少失重率,不能降低呼吸强度,不能抑制TA减少和Vc减少(30~40分。2结果与分析2.1壳聚糖复合膜对猕猴桃果实硬度的影响如图1所示,猕猴桃果实硬度在整个贮藏期间呈下降趋势,分析可知ck与其余9组存在极显著性差异(P<0.01,处理组的果实硬度在40d时的最低保持在1.7kg/cm2,而对照组只有1.1kg/cm2。由此可见,复合保鲜膜对保持猕猴桃果实硬度具有明显的效图14℃时壳聚糖复合膜对猕猴桃果实硬度的影响Fig.1Effectofchitosancompositemembraneonfruithardnessofkiwifruit10203040贮藏时间(dStoragetime果实硬度(kg/cm2Fruithardness123456789ck2.2壳聚糖复合膜对猕猴桃失重率的影响如图2所示,猕猴桃的失重率ck的峰值明显高于其他样品组。ck与其余各涂膜组具有显著性差异(P<0.05。可见壳聚糖复合膜猕猴桃具有良好的阻水性,抑制了果实的水分蒸发,从而降低了猕猴桃果实的失水率。图24℃时壳聚糖复合膜对猕猴桃失重率的影响Fig.2Effectofchitosancompositemembraneonweightlossofkiwifruit2.3壳聚糖复合膜对猕猴桃TA含量的影响猕猴桃中所含酸的种类和数量是衡量其产品质量的一个重要指标。如图3所示,在贮藏过程中,猕猴桃的TA含量下降,样品初始TA含量在1.62%左右,贮藏40d后,ck的TA含量为1.57%。涂膜组的TA含量均在1.59%左右,ck与其余涂膜组具有极显著性差异(P图34℃时壳聚糖复合膜对猕猴桃TA的影响Fig.3Effectofchitosancompositemembraneontitrationacidofkiwi2.4壳聚糖复合膜对猕猴桃呼吸强度的影响如图4所示,在贮藏前期涂膜样品的呼吸强度均低于ck,初次测定,各组样品的呼吸强度均在3.15mgco2·kg-1·h-1以下,在贮藏20d后,所有处理组的呼吸强度出现呼吸高峰,ck的呼吸强度达到23.88mgco2·kg-1·h-1,此时ck与其余各组具有极显著性差异(P<0.01,在20d以后,ck的呼吸强度急剧下降,这可能是因为果实的生命活动减弱的缘故。合适的壳聚糖复合膜涂膜保鲜猕猴桃可有效抑制其呼吸强长。51045013040贮藏时间(dStoragetime失重率(%Weightloss123456789ck1.57013040贮藏时间(dStoragetimeTA(%123456789ck051015202510203040呼吸强度(mgco2/kg.hRespirationrate123456789ck图44℃时壳聚糖复合膜对猕猴桃呼吸强度的影响Fig.4Effectofchitosancompositemembraneonrespirationrateofkiwifruit2.5壳聚糖复合膜对猕猴桃Vc含量的影响Vc的测定,不