層層自組裝纖維素硫酸鈉-殼聚糖復(fù)合膜的研究

1、謝瑜亮 王明君 姚善涇*浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)系,杭州 310027摘要:采用層層自組裝技術(shù),以具有良好生物相容性的多糖類物質(zhì)-殼聚糖(Chitosan和纖維素硫酸鈉(NaCS為原料,制備了NaCS-Chitosan復(fù)合膜。使用掃描電子顯微鏡觀察復(fù)合膜形貌特征以表征自組裝復(fù)合膜的形成,使用紅外光譜分析了復(fù)合膜形成機(jī)理,使用紫外-可見光吸收研究了復(fù)合膜形成的動(dòng)力學(xué)特征。同時(shí)還考察了各實(shí)驗(yàn)因素對(duì)NaCS-Chitosan復(fù)合膜形成過程的影響。結(jié)果表明,制備條件對(duì)復(fù)合膜形成過程有明顯的影響,在現(xiàn)有的制備條件下,層層自組裝復(fù)合膜的形成是一個(gè)一級(jí)反應(yīng)過程。關(guān)鍵詞:層層自組裝技術(shù)殼聚糖纖維素硫酸鈉復(fù)

2、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, the complex membrane w

3、ith 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 membrane formation mechanism

4、 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 preparation conditions would a

5、ffect 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*聯(lián)系人:姚善涇。第一作者:謝瑜亮,男,碩士研究生?；痦?xiàng)目:國(guó)

6、家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(20576118。層層自組裝技術(shù)(Layer-by-Layer Self-assembly Technique通常是利用特定高分子化合物對(duì)的某種親和特性使其自發(fā)的逐層沉積的一種膜制備技術(shù)。目前,功能生物大分子自組裝膜在分子器件、分子調(diào)控、生物芯片、生物傳感器等方面有重要的應(yīng)用價(jià)值1,對(duì)其制備和性能的研究也成為化學(xué)、生命科學(xué)、材料學(xué)、物理學(xué)等學(xué)科的研究熱點(diǎn)之一2。可以作為自主裝推動(dòng)力的作用很多,如利用分子中羧基(-COOH 和氨基(-NH2之間的化學(xué)反應(yīng)生成酰氨鍵(-CONH-的酰胺反應(yīng)法3、利用生物大分子的特異識(shí)別自組裝4、利用分子間形成共價(jià)鍵為推動(dòng)的自組裝5、利用分子間氫

7、鍵結(jié)合自組裝6、以靜電作用為推動(dòng)力的分子沉積自主裝7,等等。其中,分子沉積自組裝以其可利用化合物多樣,沉積條件簡(jiǎn)便,沉積過程可控而應(yīng)用最為廣泛。但是,目前研究的化合物對(duì)多集中于強(qiáng)電解質(zhì)化合物,這類物質(zhì)形成的自組裝膜機(jī)械性能較好,但高分子強(qiáng)電解質(zhì)在人體內(nèi)的生物相容性較差,在藥用領(lǐng)域的研究大大受限。而某些天然多糖類物質(zhì),在體內(nèi)有很好的生物相容性,可以期望利用這種化合物對(duì)制備的自組裝膜在藥學(xué)領(lǐng)域有應(yīng)用的潛力。本文將使用具有良好生物相容性的聚陽離子化合物殼聚糖(Chitosan和聚陰離子化合物纖維素硫酸鈉(NaCS作為新的復(fù)合膜原料,采用層層自組裝技術(shù)制備成新型的NaCS-Chitosan自組裝膜,并

8、利用掃描電子顯微鏡、紅外分析、紫外分光光度計(jì)表征復(fù)合膜的形貌特征和沉積行為,為進(jìn)一步的深入研究和應(yīng)用打下基礎(chǔ)。1材料和方法1.1 主要試劑纖維素硫酸鈉,實(shí)驗(yàn)室自制8,9,根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求,共制備了磺化時(shí)間4h,8h,16h三種磺化度的NaCS。殼聚糖,購(gòu)于濟(jì)南海得貝生物工程有限公司,粘均分子量50cps,100cps, 200cps;熒光素異硫氰酸酯(FITC。1.2試驗(yàn)儀器掃描電子顯微鏡(SEM為S-4800型,由日本HITACHI公司生產(chǎn),傅立葉紅外光譜分析儀為美國(guó)熱電公司生產(chǎn)的Nicolet5700型,紫外-可見光分光光度計(jì)為A. Pharmacia公司生產(chǎn)的Ultrospec 3300。1

9、.3 實(shí)驗(yàn)方法殼聚糖和纖維素硫酸鈉在紫外-可見光區(qū)內(nèi)都沒有明顯吸收峰,為表征Chitosan-NaCS 自組裝膜的形成過程,需要對(duì)殼聚糖進(jìn)行標(biāo)記,使之在紫外-可見光波長(zhǎng)范圍內(nèi)有光吸收。實(shí)驗(yàn)中選擇熒光染料熒光素異硫氰酸酯(FITC為標(biāo)記試劑,在堿性環(huán)境中,FITC以異硫氰酸基團(tuán)與殼聚糖分子中氨基連接,標(biāo)記后的殼聚糖在480nm波長(zhǎng)下有明顯吸收峰,可以作為自組裝的指示劑。取一定體積的濃度為5g/L 殼聚糖溶液(含1%醋酸,加入6M NaOH 調(diào)至pH 9.0,按體積比10:1加入10mg/mL FITC 二甲基亞砜溶液,混勻后避光反應(yīng)3小時(shí)。反應(yīng)結(jié)束后以pH=7.4的PBS 緩沖液反復(fù)洗滌,除去游

10、離的FITC 。離心收集標(biāo)記的殼聚糖絮狀沉淀,重新溶于1%的醋酸溶液中,使殼聚糖最終濃度達(dá)到0.5g/L 。取玻璃片在濃硫酸中浸泡以清潔表面。配制一定濃度的纖維素硫酸鈉和FITC-殼聚糖溶液,使玻璃片在兩種溶液中交替沉積一定時(shí)間,每次沉積過程結(jié)束后用去離子水洗去游離的溶液。反復(fù)沉積多次后,形成NaCS-Chitosan 層層自組裝復(fù)合膜。1.4 檢測(cè)方法NaCS-殼聚糖自組裝復(fù)合膜的形貌特征由掃描電子顯微鏡檢測(cè)(SEM 檢測(cè)。待測(cè)樣品膜干燥后噴金送檢。采用Nicolet5700型紅外光譜儀進(jìn)行復(fù)合膜的紅外分析,驗(yàn)證NaCS-Chitosan 復(fù)合物的形成。殼聚糖結(jié)合FITC 后在480nm 有

11、明顯吸收峰,可以用光吸收的強(qiáng)度表征殼聚糖的沉積行為。使用Ultrospec 3300紫外/可見光分光光度計(jì),對(duì)不同實(shí)驗(yàn)條件下NaCS-Chitisan 復(fù)合膜的沉積過程進(jìn)行表征。2 結(jié)果與討論2.1 NaCS-殼聚糖自組裝復(fù)合膜的形貌觀察纖維素硫酸鈉(NaCS和殼聚糖(Chitosan的結(jié)構(gòu)式如圖1所示。兩種化合物分別帶有相反電荷的基團(tuán),NaCS 上的磺酸基和殼聚糖分子中的氨基會(huì)發(fā)生反應(yīng),產(chǎn)生不溶于水的聚電解質(zhì)復(fù)合物。利用靜電力作為形成復(fù)合膜的推動(dòng)力,使NaCS 和殼聚糖交替沉積,形成性質(zhì)可控的聚電介質(zhì)膜。以NaCS 濃度1g/L ,殼聚糖濃度0.5g/L ,沉積時(shí)間10min ,NaCS/C

12、hitosan 交替沉積8次形成的聚電解質(zhì)膜做掃描電鏡分析,結(jié)果如圖2和圖3所示。 +Na + 圖1 NaCS 與殼聚糖形成聚電介質(zhì)結(jié)構(gòu)圖 Fig. 1 Polyelectrolytes complex reaction between NaCS and chitosan從圖2所示的復(fù)合膜的表面形貌掃描電子顯微鏡(3500倍可以看出NaCS-Chitosan分子鏈相互纏繞,形成聚電解質(zhì)復(fù)合物,且膜表面不均一。進(jìn)一步放大到兩萬倍(圖3,可以看到聚電解質(zhì)的交聯(lián)和堆積情況,鏈間的缺陷和不平整現(xiàn)象更為清晰,甚至可以通過膜表面缺陷看見下一層的堆積狀況。這是由高分子長(zhǎng)鏈的纏繞特性,在組裝的過程中不可避免地

13、產(chǎn)生堆砌缺陷而形成的。這種現(xiàn)象其他學(xué)者也曾考察,如高芒來等10在制備PSS/PDDA復(fù)合膜時(shí)曾觀察到類似現(xiàn)象。 圖2 NaCS-Chitosan復(fù)合膜掃描電鏡圖 (3500倍Fig.2 Morphology of NaCS-chitosan films (x3500圖3 NaCS-Chitosan復(fù)合膜掃描電鏡圖 (20000倍Fig.3 Morphology of NaCS-chitosan films (x200002.2 NaCS-殼聚糖自組裝復(fù)合膜的紅外分析 (FT-IR為研究NaCS-Chitosan復(fù)合膜的形成機(jī)理,我們使用紅外光譜對(duì)其進(jìn)行研究。圖4是NaCS、NaCS-Chito

14、san復(fù)合膜、Chitosan的紅外光譜圖。在Chitosan的紅外光譜圖中,2871cm-1處為殼聚糖中C-H鍵伸縮振動(dòng)峰,1645cm-1處為羰基(C=O酰胺(第一譜帶的伸縮振動(dòng)峰, 1570cm-1處為殼聚糖中未?；?-氨基葡萄糖胺中N-H伸縮振動(dòng)峰,1557cm-1為N-H的彎曲振動(dòng)吸收峰(第二譜帶,位于1411cm-1和1321cm-1的吸收峰分別屬于酰胺中的N-H伸縮振動(dòng)和N-H伸縮振動(dòng)(第三譜帶。橋氧結(jié)構(gòu)(C-O-C,環(huán)醚的伸縮振動(dòng)在1151cm-1,1062cm-1, 1023cm-1,893cm-1。在NaCS的紅外光譜中,呈現(xiàn)出下列明顯的吸收峰:作為硫酸酯,S=O 在1218cm-1處有明顯吸收,C-O-S鍵在807cm-1有吸收峰。對(duì)NaCS,NaCS/Chitosan復(fù)合物和Chitosan的紅外光譜的對(duì)比可以看出,2-氨基葡萄糖胺中未?；腘-H鍵彎曲振動(dòng)(位于1570 cm-1處和N-H鍵彎曲振動(dòng)(第二譜帶,位于1557 cm-1處吸收峰減弱,代表殼聚糖中的部分-NH3+與NaCS中的-SO4-2發(fā)生了反應(yīng),生成聚電解質(zhì)。2.3 影響NaCS-Chitosan復(fù)合膜形成過程的因素把表面平整的玻片在0.5g/L的殼聚糖溶液和1g/L的Na