原位聚合法制备cspaac水凝胶磁微球

原位聚合法制备cspaac水凝胶磁微球

1生物基因型n近年来，高含量纳米硬水凝胶对药物靶场的控制和释放的应用研究非常活跃。高分子磁性纳米水凝胶具有顺磁性,可以在外磁场引导下将药物运输到指定的部位,达到靶向释放的目的。包覆在磁微球表面的水凝胶具有良好的生物相容性和生物安全性,适合于药物包埋和输运[1~3]。壳聚糖(chitosan)系甲壳素脱乙酰化后的衍生物,又名甲壳胺、聚氨葡糖、脱乙酰壳多糖等。由于其来源丰富,化学性质稳定,且具有多种生物活性、生物可降解性和生物相容性,已经被广泛应用于医药制剂、医用纤维和膜、人造皮肤、药物载体、抗肿瘤等方面。迄今为止,高分子水凝胶纳米磁微球的主要制备方法为乳液聚合法,本文采用原位聚合法制备了壳聚糖/聚丙烯酸水凝胶磁微球。整个制备过程完全在水溶液体系中进行,简化了壳聚糖/聚丙烯酸水凝胶磁微球富集提纯的工艺,提高了壳聚糖/聚丙烯酸水凝胶磁微球的纯度,减少了乳化剂对水凝胶磁微球的污染,增强了生物安全性。2实验材料和方法2.1实验仪器和设备CR22GⅡ型高速离心机(日本Hitachi公司),FD-1型冷冻干燥机(北京德天佑科技发展有限公司),AVATAR370型傅立叶红外光谱仪(美国Nicolet公司),STA409型热重分析仪(德国耐驰公司),SXL-120D1程控箱式电炉(上海精宏实验设备有限公司),2400Ⅱ型元素分析仪(美国Perkin-Elmer公司),S-2150扫描电子显微镜(日本Hitachi公司),155型振动样品磁强计(美国ADE公司),3000HS型激光粒度仪(英国MALVERN公司)。壳聚糖(CS)(上海春露生物化学有限公司,平均分子量990kDa,脱乙酰度85%);丙烯酸(AAc)(分析纯,上海化学试剂公司);25%戊二醛溶液(GTA)(生化试剂,上海凌峰化学试剂有限公司);过硫酸钾(上海试剂二厂);其他试剂都为分析纯,使用前均未经任何纯化处理。2.2水浴温度的确定将3.47gFeCl3溶解于150mL的水,倒入三口烧瓶中,并置于30℃水浴,在氮气保护下,高速搅拌20min,然后缓慢加入60mL8.43g⋅L-1Na2SO3。数分钟后快速加入60mL233.33g⋅L-1NaOH溶液,将水浴温度升高到55℃,搅拌15min,然后再提高到80℃,搅拌30min。磁流体自然冷却后洗至中性,定容至250mL待用。2.3去气泡制约的治疗将0.1g壳聚糖溶解于50mL1%的乙酸溶液,过滤除去不溶物,脱去气泡待用;取20mL磁流体加入到100mL3%的NaOH溶液中,高速搅拌使其充分分散,然后滴加壳聚糖溶液,壳聚糖在碱性条件下可粘附并包覆在Fe3O4表面而形成CS磁微球,洗至中性后,定容至100mL待用。2.4抗静电剂aac-paac的制备将上述CS磁微球溶液倒入三口烧瓶,并置于70℃水浴,在氮气保护下,加入4mL20%的AAc溶液,随后迅速加入4mL0.1mg⋅mL-1K2S2O8引发剂,反应30min,然后加入0.3mL25%的GTA,交联反应45min后冷却,采用高速离心机富集CS/PAAc水凝胶磁微球,经多次清水洗涤后冷冻干燥待用。2.5结构及性能表征CS/PAAc水凝胶磁微球的化学结构采用红外光谱仪(FT-IR)进行分析;高分子物质含量由热重分析仪(TGA)测定;其中C、H、N、O含量由元素分析仪进行分析;表面形态由扫描电子显微镜(SEM)观察,磁性能用振动样品磁强计(VSM)表征;粒度大小及粒度分布由激光粒度仪(LSD)测定。溶胀率采用重量法测定:称取一定量的CS/PAAc水凝胶磁微球粉末,将pH缓冲溶液慢慢滴加到CS/PAAc水凝胶磁微球粉末上,直至水分不再被吸收,用滤纸小心吸去多余水分后称重。溶胀率根据下式计算:式中:Ws-微球湿重(g)Wd-微球干重(g)3结果与讨论3.1酰胺基-fe3o4的o2-相互作用图1是对CS,Fe3O4,CS磁微球和CS/PAAc水凝胶磁微球的红外光谱的分析比较。和纯CS的1649cm-1(酰胺I),1593cm-1(酰胺II),1382cm-1(酰胺III)处的酰胺吸收峰相比,CS磁微球的酰胺吸收峰出现在1640cm-1,1564cm-1,1387cm-1,向低波方向略有偏移,而Fe2+-O2-吸收峰由562cm-1偏移至582cm-1,这有可能是CS上的酰胺基与Fe3O4的O2-相互作用所致。CS/PAAc水凝胶磁微球不仅在1640cm-1,1564cm-1,1387cm-1处有吸收峰,而且在1716cm-1处出现聚丙烯酸羧酸的羰基吸收峰。3.2磁微球的含量分析图2是CS/PAAc水凝胶磁微球的TGA(热重分析)曲线,图中可见,随着温度的升高,高分子物质逐渐开始分解,到600℃时高分子物质基本分解完全,累计失重约27%,从中可以估算出CS/PAAc水凝胶磁微球的磁微球含量约为73%。由表1元素分析结果可知,C、H、O、N的含量分别为24.23%、3.57%、23.84%、1.47%。其中Fe的含量通过将定量的CS/PAAc水凝胶磁微球在程控箱式电炉600℃下完全灼烧后称量计算而得,然后计算得出Fe3O4的含量为68%。两种实验方法测试结果相似。3.3微球球形和球内部集中成网技术图3是Fe3O4,CS磁微球和CS/PAAc水凝胶磁微球扫描电镜图,可以看出,三种粒子的大小分别在20nm、80nm、500nm左右,而且都呈较好的球形。CS磁微球和CS/PAAc水凝胶磁微球较Fe3O4容易分散,这是由于表层的有机高分子层不但减弱了微球的磁饱和强度(见3.5节),且对Fe3O4粒子团聚在一起具有阻碍作用。壳聚糖的球形表面相对比较粗糙,这可能是壳聚糖是在碱性条件下沉淀在Fe3O4表面上的,形成球形的约束力较小,因此有小的菱角。而在酸性的制备条件下,突出的壳聚糖更容易被溶解,且壳聚糖上的氨基和聚丙烯酸上的羧基相互作用,能够形成更好的球形,所以CS/PAAc水凝胶磁微球球形更好。但由于在丙烯酸聚合的时候,可能同时包裹多个CS磁微球,或者两个CS/PAAc水凝胶磁微球相互交联交叉,且丙烯酸的吸水能力非常强,所以CS/PAAc水凝胶磁微球要比CS磁微球大得多。3.4酸量对cs/paac水凝胶磁微球粒径的影响图4为CS磁微球在包覆AAc过程中,不改变CS量的情况下,CS/PAAc水凝胶磁微球粒径随AAc浓度的变化。可以看出,随着丙烯酸量的增加,CS/PAAc水凝胶磁微球的粒径逐渐增加,当丙烯酸超过4%(v/v)时,微球粒径增加速度变快,可能有以下两点原因:1.丙烯酸量较少时,水凝胶磁微球表层的溶胀率较小,而当丙烯酸量增加时,表层的溶胀率增大;2.由于在制备过程中壳聚糖量是固定的,当丙烯酸量过多时,羧基的量就大大多于氨基的量,导致有大量的羧基无法与氨基形成相互作用,聚丙烯酸链就无法蜷缩形成紧密的球形结构。3.5矫直剂与磁滞力图5是Fe3O4和CS/PAAc水凝胶磁微球的室温磁化曲线,磁化曲线显示二者在外磁场为零的时候,剩余磁化强度(M)都为0emu⋅g-1,矫顽力(H)也均为0Oe,说明二者均无磁滞现象,且具有良好的顺磁性质。磁饱和强度分别为63emu⋅g-1和45emu⋅g-1,CS/PAAc水凝胶磁微球的磁饱和强度约为Fe3O4的71%,与水凝胶微球中磁微球的含量(~73%)基本吻合,这是外层水凝胶及结合水作为非磁性部分对于Ms产生的贡献。此外,高分子层中极性基团与Fe3O4表面原子的相互作用会在Fe3O4表面产生无磁性表层,这也可能导致磁饱和强度下降。3.6ph对壳聚糖和聚丙烯酸的影响图6是CS/PAAc水凝胶磁微球在不同pH条件下的溶胀特性。如图所示,当pH<3时,CS/PAAc水凝胶磁微球溶胀率随pH增加而降低,在pH=3时溶胀率达到最小,约为7倍,然后溶胀率随pH的增加而增加,具有pH敏感性。当pH为1~2时,聚丙烯酸中的大部分羧基都以-COOH形式存在,-NH3+和-COO-的相互作用被酸破坏,从而导致壳聚糖和聚丙烯酸的链伸展,CS/PAAc水凝胶磁微球由于壳聚糖上铵根的水合作用而溶胀,而当pH值增加时,这种水合作用逐渐渐弱,溶胀性降低。在pH为2~5时,大部分的聚丙烯酸羧基和壳聚糖的铵根都以-NH3+和-COO-形式存在,-NH3+和-COO-的相互作用最强,所以溶胀率最低;另外,凝胶中疏水侧链的团聚以及氢键作用比较弱都可能是造成此时出现最低溶胀率的原因。然而随着pH的继续上升(pH﹥4),壳聚糖几乎停止溶胀,而聚丙烯酸的离子化程度不断增加,因此CS/PAAc水凝胶磁微球的溶胀率增加,并且由于聚丙烯酸的吸水性能比壳聚糖好,所以增加的速率要比低pH范围快。4磁微球分析结果(1)在水溶液体系中,采用原位聚合法成功制备了CS/PAAc水凝胶磁微球。元素分析得知CS/PAAc水凝胶磁微球的C、H、O、N含量分别为24.23%、3.57%、23.84%、1.47%;热重分析得出其磁微球含量约为7