海藻酸-殼聚糖-海藻酸離子取代凝膠改性研究

1、第19卷第7期應(yīng)用化學(xué)V o l.19N o.7 2002年7月CH I N ESE JOU RNAL O F A PPL IED CH E M ISTR YJu ly2002海藻酸-殼聚糖-海藻酸離子取代凝膠改性研究陳益清孫多先3孫綿方(天津大學(xué)化工學(xué)院天津300072(加拿大多倫多大學(xué)生理系摘要海藻酸2殼聚糖2海藻酸(A CA離子取代凝膠作為一種新型的離子吸附劑具有許多獨(dú)特的性能,本文通過(guò)引入羧甲基殼聚糖(C M C和低分子量殼聚糖(O2Ch s,對(duì)A CA離子取代凝膠進(jìn)行了改性,制備了2種改性的離子取代凝膠:A CA 羧甲基殼聚糖(C M C 戊二醛(GA和A CA O2Ch s GA.

2、并制備了一種新型的生物微膠囊羧甲基殼聚糖2殼聚糖2羧甲基殼聚糖微膠囊,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,這幾種離子取代凝膠都具有很好的離子取代性能,能夠有效吸附Pb2+.其中,A CA O2Ch s GA具有較高的離心強(qiáng)度,離子取代前后變形不大,溶脹比小,是一種各方面性能相對(duì)較好的離子取代凝膠.關(guān)鍵詞離子取代凝膠,海藻酸2殼聚糖2海藻酸,海藻酸,羧甲基殼聚糖,微膠囊中圖分類號(hào):O636.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):100020518(20020720677205生物微膠囊是指用半滲透性薄膜固定了活體組織或細(xì)胞的微膠囊,隨著材料科學(xué)和生物技術(shù)的發(fā)展,具有生物相容性以及半滲透性薄膜的微膠囊已被廣泛應(yīng)用于人工細(xì)胞和器官移

3、植1,細(xì)胞培養(yǎng)工程2,細(xì)胞和酶固定化工程3,4,蛋白質(zhì)及其它化合物的分離提純5,以及藥物控制釋放6,7等方面.海藻酸2殼聚糖2海藻酸(A CA微膠囊是一種以聚電解質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)為囊壁以海藻酸鈉溶液為囊芯物的微膠囊,其中海藻酸鈉能夠吸附Ca2+、Cu2+、Co2+、N i2+、Pb2+等二價(jià)金屬離子生成海藻酸凝膠.A CA微膠囊將海藻酸鈉微囊化,使海藻酸鈉在離子取代過(guò)程中被固定起來(lái),從而形成了一種新型的離子交換體系,它是一種離子取代凝膠.本文制備了幾種新型的微膠囊型離子取代凝膠,并對(duì)其強(qiáng)度、穩(wěn)定性、脹縮性和離子取代性能進(jìn)行了研究.1實(shí)驗(yàn)部分1.1原料與設(shè)備海藻酸鈉,購(gòu)自Sigm a公司.蠅蛆殼聚糖(

4、天津大學(xué)自制,分子量6000080000,脫乙?；?6%;低分子量殼聚糖(O2Ch s,分子量6800;羧甲基殼聚糖,分子量10000(浙江省玉環(huán)縣海洋制品有限公司.D418大孔苯乙烯系螯合樹(shù)脂,D113大孔弱酸性丙烯酸系陽(yáng)離子交換樹(shù)脂(南開(kāi)大學(xué)化工廠.其他試劑均為分析純.靜電液滴發(fā)生器,豎式微量注射泵(加拿大多倫多大學(xué);XTL21型體視顯微鏡(國(guó)營(yíng)江南光學(xué)儀器廠;PXS2215型離子活度計(jì),鉛電極(上海雷磁儀器廠;B FX52180型離心機(jī)(白洋離心機(jī)廠.1.2離子取代凝膠的制備用靜電液滴發(fā)生器將115%(質(zhì)量體積濃度,下同的海藻酸鈉溶液注射到111%的CaC l2溶液中,鈣化10m in

5、,制得尺寸約為300m的海藻酸鈣凝膠球(A2Ca;將海藻酸鈣凝膠微球轉(zhuǎn)移到012%的殼聚糖溶液中,輕輕搖動(dòng),反應(yīng)30m in,得到海藻酸鈣2殼聚糖微球(A C2Ca;用生理鹽水洗凈微球,加入0115%的海藻酸鈉溶液,輕輕搖動(dòng),制得海藻酸2殼聚糖2海藻酸(A CA2Ca微球;用生理鹽水洗凈微球,加入116%的檸檬酸三鈉溶液,使得A CA微膠囊囊芯液化,制得海藻酸2殼聚糖2海藻酸(A CA離子取代凝膠.2001211215收稿,2002203222修回國(guó)家高技術(shù)航天領(lǐng)域86322資助項(xiàng)目(863222722211通訊聯(lián)系人:孫多先,男,1937年生,教授,博士生導(dǎo)師;E2m ail:tdxsun;

6、研究方向:生物材料、人工細(xì)胞和納米水性樹(shù)脂876應(yīng)用化學(xué)第19卷在111%CaC l2溶液中直接加入低分子量殼聚糖,使其質(zhì)量濃度為012%,通過(guò)靜電液滴發(fā)生器把海藻酸鈉溶液注射到CaC l22O2Ch s混合溶液中,反應(yīng)12h以上,依次用殼聚糖,海藻酸鈉復(fù)合,并用戊二醛交聯(lián),最后用116%的檸檬酸三鈉溶液液化,制得A CA 低分子量殼聚糖 戊二醛(A CA O2Ch s GA微膠囊.用3%海藻酸鈉與3%羧甲基殼聚糖按體積比11配制成共混溶液,通過(guò)靜電液滴發(fā)生器把該溶液注射到111%CaC l2溶液中.形成凝膠球,依次用殼聚糖,海藻酸鈉復(fù)合,并用戊二醛交聯(lián),最后用116%檸檬酸三鈉溶液液化,制得

7、A CA 羧甲基殼聚糖 戊二醛(A CA C M C GA微膠囊.用靜電液滴發(fā)生器將濃度為310%的羧甲基殼聚糖溶液注射到011m o l L的A lC l3溶液中,凝膠化10m in,制備尺寸約為300m的羧甲基殼聚糖鋁凝膠球(C M C2A l;將C M C2A l凝膠微球依次用殼聚糖,羧甲基殼聚糖復(fù)合,并用戊二醛交聯(lián),然后加入116%的檸檬酸三鈉溶液,使得羧甲基殼聚糖2殼聚糖2羧甲基殼聚糖(CCC2A l囊芯液化,制得CCC微膠囊.1.3溶脹性能和膨脹性能的測(cè)定取一定體積的微膠囊,用116%的檸檬酸三鈉溶液液化,分別測(cè)定微膠囊液化前后的體積;并且把液化后的微膠囊的體積與液化前的微球體積之

8、比定義為膨脹比;取一定體積液化后的微膠囊,充分吸附Pb2+,分別測(cè)定微膠囊吸附前后體積,把吸附前體積與吸附后體積之比定義為脹縮比.1.4強(qiáng)度和短期穩(wěn)定性的測(cè)定取一定數(shù)量的完好A CA微膠囊置于生理鹽水中,進(jìn)行離心實(shí)驗(yàn),在體視顯微鏡下觀測(cè)微膠囊破裂情況,并將離心后完好微膠囊所占初始全部微膠囊的百分?jǐn)?shù)定義為離心完整率(n n0.將微膠囊轉(zhuǎn)移到去離子水中,改變其囊內(nèi)外滲透壓,觀察前后微膠囊的變形和破碎情況,用完好微膠囊所占初始全部微膠囊的百分?jǐn)?shù)(n n0描述微膠囊的短期穩(wěn)定性.1.5離子取代性能測(cè)定方法1.5.1離子選擇性電極法測(cè)定Pb2+濃度準(zhǔn)確配制一定濃度的Pb(NO32溶液,用離子活度計(jì)和鉛離

9、子選擇性電極測(cè)定電勢(shì),用電勢(shì)對(duì)濃度的對(duì)數(shù)作圖,得到Pb(NO32溶液的標(biāo)準(zhǔn)曲線;將一定質(zhì)量的離子取代凝膠加入到硝酸鉛溶液中,用攪拌反應(yīng)瓶法8測(cè)定微球?qū)b2+的吸附,溫度為25,pH=610,離子強(qiáng)度為011m o l L N aNO3,每次測(cè)量前后均作校正曲線.1.5.2平衡交換量(Q e吸附達(dá)到平衡后,按照Q e=20712×V(c0-c e m(m g g計(jì)算平衡交換量,式中V為溶液體積,m為干微球質(zhì)量,c0、c e分別是溶液初始濃度和平衡濃度.1.5.3動(dòng)力學(xué)曲線和半交換時(shí)間(1 2跟蹤測(cè)定溶液濃度(c隨時(shí)間(t的變化,以ct繪制動(dòng)力學(xué)曲線.半交換時(shí)間是指吸附達(dá)到平衡交換量一

10、半時(shí)的時(shí)間.2結(jié)果與討論2.1CCC膠囊基本性能圖1和圖2分別是殼聚糖復(fù)合時(shí)間對(duì)CCC膠囊離心強(qiáng)度和短期穩(wěn)定性的影響.其結(jié)果表明,2種聚電解質(zhì)復(fù)合時(shí)間為4050m in時(shí),膜強(qiáng)度和短期穩(wěn)定性都比較好.圖3是CCC微膠囊的光學(xué)顯微鏡照片,作為微膠囊,CCC膠囊具有半滲透性的薄膜并能用于固定化活體組織和細(xì)胞,其囊內(nèi)是液體環(huán)境,適應(yīng)于生物體的生存和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的傳遞,粒徑均一,表面光滑并帶有負(fù)電性使其具有較高的生物相容性,而且羧甲基殼聚糖來(lái)源廣泛,因此CCC膠囊有望作為一種新型的生物微膠囊在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用.CCC微膠囊囊膜內(nèi)物質(zhì)是高取代度羧甲基殼聚糖溶液,是一種典型的聚陰離子,結(jié)構(gòu)單元上含有羧

11、基,還含有部分氨基,能夠螯合很多多價(jià)陽(yáng)離子而凝膠化,在其他更強(qiáng)的螯合劑作用下,形成凝膠的金屬離子被取代,凝膠結(jié)構(gòu)被破壞,凝膠又轉(zhuǎn)變成羧甲基殼聚糖溶液,而微膠囊囊膜起到了固定化羧甲基殼聚糖的作用.因此CCC膠囊是一種離子取代凝膠.圖4是CCC膠囊對(duì)Pb2+的取代動(dòng)力學(xué)曲線,CCC 膠囊能夠以較高的吸附速率吸附低濃度的Pb2+達(dá)到平衡. 圖1 殼聚糖的復(fù)合時(shí)間對(duì)CCC 微膠囊離心強(qiáng)度的影響F ig .1T he effect of reacti on ti m e oncen trifuge b reak strength of CCC m icrocap su lescentrifugalizi

12、ng rate :3 000r m in ,centrifugalizing ti m e :30m in 圖2殼聚糖的復(fù)合時(shí)間對(duì)CCC 微膠囊短期穩(wěn)定性的影響F ig .2T he effect of reacti on ti m e on stab ility of CCC m icrocap su les observed after 2h圖3CCC 微膠囊光學(xué)顯微鏡照片F(xiàn) ig .3A n op tical m icropho tographof CCC m icrocap su les (×50圖4CCC 微膠囊對(duì)Pb 2+的取代動(dòng)力學(xué)曲線F ig .4T he rep l

13、acem en t k inetics cu rve of CCC m icrocap su les w ith Pb 2+25,c 0=0.001mo l L ,diam eter =0.450mm2.2離心強(qiáng)度比較A CA 、CCC 、A CA C M C 、A CA C M C GA 和A CA O 2Ch s GA 幾種離子取代凝膠的離心強(qiáng)度見(jiàn)圖5和圖6.微膠囊的離心強(qiáng)度主要依賴于聚電解質(zhì)復(fù)合成膜的穩(wěn)定程度.由圖5可知,CCC 和A CAC M C 的離心強(qiáng)度比較低,可能是由于羧甲基殼聚糖和殼聚糖的復(fù)合程度較低.A CA C M 2Ch s GA 的離心強(qiáng)度要高于A CA C M C

14、,戊二醛的交聯(lián)提高了微膠囊的強(qiáng)度,戊二醛可以與殼聚糖和羧甲基殼聚糖的氨基形成西佛堿,從而起到了對(duì)囊膜的高分子鏈進(jìn)行交聯(lián)的作用,提高了膜的強(qiáng)度和穩(wěn)定性.在離心速率為10000r m in 下,A CA O 2Ch s GA 離子取代凝膠的離心強(qiáng)度最高,這不僅僅是由于戊二醛的交聯(lián)作用,還由于低分子量殼聚糖分子量較低,旋轉(zhuǎn)半徑小,在離子取代凝膠制備過(guò)程中,能夠通過(guò)海藻酸鈣凝膠微孔擴(kuò)散到微球內(nèi)部,從而能夠形成一種以聚電解質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)為交聯(lián)結(jié)構(gòu)的體相網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)提高了微膠囊的離心強(qiáng)度.2.3膨脹性能比較幾種微膠囊吸附Pb 2+后,囊膜表面由光滑迅速皺縮變形,幾種微膠囊的變形程度順序是:CCC &

15、gt;976第7期陳益清等:海藻酸2殼聚糖2海藻酸離子取代凝膠改性研究 圖5 幾種離子取代凝膠離心強(qiáng)度比較F ig.5T he cen trifuge b reak strength of several i on rep lacem en t gel(3000r m in圖6幾種離子取代凝膠離心強(qiáng)度比較F ig.6T he cen trifuge b reak strength of several i on rep lacem en t gel(10000r m inA CA>A CA C M2Ch s GA>A CA O2Ch s GA.吸附了Pb2+的微膠囊再次用檸檬酸三鈉

16、液化后很快恢復(fù)光滑球形.表1是各種微膠囊的脹縮性.微膠囊吸附多價(jià)離子的過(guò)程實(shí)際上是囊內(nèi)溶液凝膠化的過(guò)程,由于凝膠化,聚電解質(zhì)分子鏈重新排列,使得對(duì)囊膜的高分子鏈產(chǎn)生了取向力;同時(shí)由于內(nèi)部溶液的凝膠化,對(duì)囊膜也產(chǎn)生了相應(yīng)的應(yīng)力,這2種力的作用導(dǎo)致凝膠化過(guò)程囊膜變形.微膠囊液化時(shí),檸檬酸根與金屬離子形成更穩(wěn)定的螯合物,將多價(jià)金屬離子置換出來(lái),凝膠相又變成了溶膠相,使球體膨脹,并且由于微膠囊膜具有彈性,故微球表面又恢復(fù)光滑.凝膠化過(guò)程囊膜的變形程度取決于微膠囊囊膜的強(qiáng)度.由此可見(jiàn),海藻酸和殼聚糖形成的囊膜比羧甲基殼聚糖和殼聚糖形成的囊膜強(qiáng)度要高,而A CA C M2Ch s GA由于體系中引入了羧甲

17、基殼聚糖,聚陽(yáng)離子復(fù)合時(shí),殼聚糖不僅與海藻酸,也與羧甲基殼聚糖復(fù)合,使形成的囊膜復(fù)合程度更高,其強(qiáng)度也有所提高,而低分子量殼聚糖與海藻酸凝膠的復(fù)合程度高,復(fù)合結(jié)構(gòu)再經(jīng)過(guò)戊二醛交聯(lián)后,相當(dāng)于整個(gè)微膠囊內(nèi)部形成了網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu),離子交換只在網(wǎng)間空隙中進(jìn)行,故其收縮程度小于交聯(lián)程度相對(duì)較低的A CA C M2Ch s GA,因而其微膠囊囊膜的變形程度最小.表1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了上述推斷,A CA C M2Ch s GA和A CA O2Ch s GA微膠囊的溶脹度小,離子取代前后變形程度也小.表1離子取代凝膠的膨脹性能Table1The swelli ng property of ion replace

18、d gelI on rep laced gel V o lum e befo reliquified mLV o lum e afterliquified mLSw elling rati oV o lum e after adso rp ti onof Pb2+ mLSh rinkage rati oCCC2.02.01.01.31.54A CA CM C2.02.01.01.81.11A CA CM C GA2.02.01.02.01.00A CA O2Ch s GA2.02.01.02.01.00A CA1.52.31.531.91.212.4離子取代性能離子取代凝膠吸附Pb2+的過(guò)程就

19、是海藻酸或羧甲基殼聚糖的活性基團(tuán)與Pb2+螯合形成配位結(jié)構(gòu)進(jìn)而凝膠化的過(guò)程,表2是幾種離子取代凝膠的取代實(shí)驗(yàn)結(jié)果,幾種離子取代凝膠的平衡交換量相差不表2幾種離子取代凝膠的取代實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table2The results of ion replace m en t exper i m en t of gel3for Pb2+A CA CCC A CA CM C GA A CA O2Ch s GA D418resin D113resinQ (m gg-1339.9509.85407.88475.86209.27274.951 2 s12.022.05.512.8780.01674.03T he ge

20、ls are stirred in50mL Pb(NO32so luti on.086應(yīng)用化學(xué)第19卷大,與2種對(duì)照的商品離子交換樹(shù)脂D 418和D 113相當(dāng).在同樣的實(shí)驗(yàn)條件下,幾種離子取代凝膠的半交換時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于2種離子交換樹(shù)脂,其離子取代速率相當(dāng)快.參考文獻(xiàn)1Soon 2sh i ong P ,Feldm en E .P roc N a tl A cad S ci J ,1993,90:58432M inette G ,L eves M G ,L ee G M ,et a l .B iotech B ioeng J ,1994,43(8:7343R illing P ,W alter

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