高壓靜電法制備多孔磁性殼聚糖微球

1、Vol .29高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報No .82008年8月CHE M I CAL JOURNAL OF CH I N ESE UN I V ERSI TI ES 16601664高壓靜電法制備多孔磁性殼聚糖微球胡巧玲,屈建,王征科,費若沖,柴飛,伍佳,王幽香(浙江大學(xué)高分子復(fù)合材料研究所,教育部高分子合成與功能構(gòu)造重點實驗室,杭州310027 摘要以殼聚糖(Chit osan,CS 為基質(zhì),通過共混法引入四氧化三鐵磁性顆粒,以硅膠(Silicagel,S 為致孔劑,在熱的Na OH 溶液中溶出硅膠致孔,采用高壓靜電法制備磁性殼聚糖微球.通過SE M 觀察了微球的結(jié)構(gòu)和形貌,并對微球結(jié)構(gòu)和形貌的影響

2、因素及其制備工藝進行了系統(tǒng)的研究,結(jié)果表明,高壓靜電法制備的磁性硅膠/殼聚糖微球粒徑可通過微量進樣器的針頭大小來控制,并且粒徑分布均勻,實驗重復(fù)性及可控性好;當(dāng)以質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)為5%的殼聚糖醋酸溶液(體積分?jǐn)?shù)2%,M S M CS =41,用8號針頭進樣時,制得直徑約為600m,孔洞分布均勻,孔徑約為50m 的多孔磁性殼聚糖微球.由于磁性多孔殼聚糖微球中含有大量的活性羥基和氨基,因此顯弱堿性,對酸性物質(zhì)和金屬離子的吸附作用很好,且可通過外加磁場進行有效分離.磁性多孔殼聚糖微球在生物分離及污水中的酸性染料處理方面具有潛在的應(yīng)用價值.關(guān)鍵詞殼聚糖;磁性微球;硅膠;高壓靜電法中圖分類號O631;T B

3、332文獻(xiàn)標(biāo)識碼A 文章編號025120790(20080821660205收稿日期:2008201209.基金項目:國家自然科學(xué)重點基金(批準(zhǔn)號:50333020、國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號:50773070及國家“九七三”計劃(批準(zhǔn)號:2005CB623902資助.聯(lián)系人簡介:胡巧玲,女,博士,教授,主要從事生物醫(yī)用高分子材料研究.E 2mail:huqlzju .edu .cn磁性高分子微球具有高分子微球的眾多特性和磁響應(yīng)性能,其表面可結(jié)合各種功能分子,如酶、抗體、細(xì)胞、DNA 或RNA 等,因而在生物分離、磁靶向給藥、固定化酶、免疫分析及測定和生物化學(xué)合成等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用1,2.磁

4、性高分子微球的制備方法主要有共混法、聚合法和原位法.共混法是將磁性粒子分散于天然或合成的高分子溶液中,并通過霧化、沉積及蒸發(fā)等物理手段制得具有磁響應(yīng)性能并具有一定粒徑范圍的磁性微球,通過范德華力、氫鍵、配位鍵或共價鍵等作用,使高分子鏈纏繞在磁性顆粒表面,形成聚合物磁性微球3,4.聚合法制備磁性微球是指在磁性粒子和聚合單體及共聚單體存在下,在引發(fā)劑、表面活性劑和穩(wěn)定劑的作用下,共聚單體以磁性顆粒為種子,在磁性顆粒的表面發(fā)生聚合,形成聚合物磁性微球,主要包括懸浮聚合、乳液聚合、分散聚合及輻射聚合等57.原位法是將金屬離子(如Fe 3+和Fe 2+滲透進聚合物內(nèi)部,在強堿性條件下形成磁性聚合物微球8

5、.本文以殼聚糖為基質(zhì),通過共混法引入四氧化三鐵磁性顆粒,以硅膠作致孔劑,在熱的Na OH 溶液中溶出硅膠致孔,采用高壓靜電法制備磁性硅膠/殼聚糖微球,此方法的特點是可以通過選擇噴射針頭的大小來控制微球的粒徑,且粒徑分布均一.1實驗部分1.1實驗原料及設(shè)備殼聚糖(醫(yī)用級,青島海匯生物工程有限公司,M =5613×104,脫乙酰度為91%,乙酸(分析純,杭州化學(xué)試劑有限公司,鹽酸(分析純,杭州化學(xué)試劑有限公司,氫氧化鈉(分析純,杭州蕭山化學(xué)試劑廠,四氧化三鐵(化學(xué)純,中國醫(yī)藥集團化學(xué)試劑有限公司,硅膠m (Si O 2n (H 2O ,200300目,中國醫(yī)藥集團化學(xué)試劑有限公司.微量進

6、樣器(浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)儀器有限公司,高壓靜電發(fā)生器(浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)儀器有限公司,恒溫振蕩器(T HZ 2C,江蘇太倉實驗設(shè)備廠,超聲設(shè)備(K Q 250DB ,昆山超聲儀器有限公司,pH 計(雷磁PHS 23C .1.2多孔磁性殼聚糖微球的制備稱取一定量的殼聚糖粉末加入到體積分?jǐn)?shù)為210%的乙酸溶液中,制備出的殼聚糖溶液(質(zhì)量體Schem e 1Sche ma ti c d i a gram of prepar i n g magneti c ch itos an m i crosphere i n h i gh volt age electrost a ti c f i eldA.H igh 2v

7、oltage elctr ostatic generat or;B.m icr o 2syringe;C .inject or;D.coagulating liquid .積分?jǐn)?shù),下同分別為210%,310%,410%,510%.按m CS /m Fe 3O 4為97/3稱取一定量的Fe 3O 4,按m S /m CS 為11,21,31和41分別稱取一定量的硅膠粒子,然后分次加入到殼聚糖溶液中,劇烈攪拌2h,靜置脫泡.取一定量的溶液注入50mL 針筒,以不同型號的針頭,安裝于微量進樣器上,高壓靜電制備微球,實驗裝置如Sche me 1所示.用磁鐵分離出制備的復(fù)合微球,將其放入80的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為

8、510%的Na OH 溶液中浸泡2h,溶解微球中的硅膠致孔,然后用去離子水洗去殘留在微球中的Na OH,于室溫自然涼干.1.3表征將不同條件下制得的殼聚糖微球用OLY MP US CKX 241光學(xué)顯微鏡進行初步觀察、拍照.將樣品用LS320,coulter 激光粒徑分析儀進行粒徑及其分布分析.采用H itachi S 2520(日立,日本掃描電子顯微鏡觀察經(jīng)噴金處理的樣品表面.采用R igaku D /max 2550PC X 射線衍射儀(Cu K,40kV,300mA 對樣品進行掃描(掃描速度10°/m in,掃描范圍5°70°.2結(jié)果與討論2.1高壓靜電法制

9、備多孔磁性殼聚糖微球的原理殼聚糖在質(zhì)子酸中溶解,在堿中析出;硅膠在Na OH 溶液中于常溫下穩(wěn)定存在,高溫下溶解;磁性Fe 3O 4顆粒在該體系中能穩(wěn)定存在.根據(jù)這些基本特性,將磁性Fe 3O 4顆粒/硅膠/殼聚糖混合的乙酸溶液經(jīng)高壓靜電法滴入氫氧化鈉凝固浴中,液滴中質(zhì)子化的殼聚糖將被Na OH 中和而層層沉析,Fe 3O 4與硅膠被就地淹埋在殼聚糖凝膠中9,形成微球(見Sche me 2.在80下,Na OH 可以滲過殼聚糖凝膠,進入微球內(nèi)部,將硅膠溶去,形成多孔結(jié)構(gòu) .Sche m e 2Prec i p it a ti on process of magneti c ch itos an

10、 m i crosphere2.2高壓靜電法制備多孔磁性殼聚糖微球的工藝高壓靜電法制備多孔磁性殼聚糖微球有5個比較重要的影響參數(shù):殼聚糖濃度、凝固液濃度、高壓靜電壓U 、注射泵的進樣速度v 和針頭與凝固液液面之間的距離D .通過改變這些參數(shù),可以制備出不同的殼聚糖微球.當(dāng)固定Na OH 濃度為014mol/L 時,改變殼聚糖溶液質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)分別為210%,310%,410%,510%,用高壓靜電法制備微球.從圖1可以看出,殼聚糖質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)為210%和310%時,制備得到的微球形狀不完整,當(dāng)殼聚糖質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)提高到410%和510%時,得到的微球形態(tài)良好,且大小均1661No .8胡巧玲等:高

11、壓靜電法制備多孔磁性殼聚糖微球一,無明顯缺陷.選定殼聚糖質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)為510%,改變Na OH 濃度分別為011,012,013和014mol/L,用高壓靜電法制備微球.從圖2可以看出,Na OH 濃度為011和012mol/L 時,微球有拖尾和形變等缺陷;而濃度提高到013及014mol/L 時,缺陷基本消失.以濃度為014mol/L 時的形態(tài)最佳.最終確定Na OH 的最佳濃度為014 mol/L.F i g .1O pti ca l photographs of m i crospheres prepared a t d i ffreren t ch itos an ma ss 2vol

12、u m e fracti on sc (Na OH =014mol/L;chit osan mass 2volume fracti on:(A 2%;(B 3%;(C 4%;(D 5%.F i g .2O pti ca l photographs of m i crospheres prepared w ith d i ffreren t sod i u m hydrox i de concen tra ti on sc (Na OH /(mol L -1:(A 011;(B 012;(C 013;(D 014.CS mass 2volume fracti on:5%.在確定殼聚糖和凝固液濃度

13、后,固定v =5mL /h,D =710c m ,研究靜電壓U 對微球粒徑分布的影響.根據(jù)圖3不同電壓下微球的粒徑分布情況,U 分別為10,15和20kV 時微球平均粒徑分別為587,521和510m , 可見,隨著電壓的升高,微球平均粒徑隨之減小.相比U 為20k V 時粒徑分布最窄.F i g .3Parti cle si ze d istr i buti on of ch itos an m i cro 2spheres w ith d i fferen t st a ti c volt agesThe other para meters fixed:v =5mL /h,D =710c

14、m. U =20kV;U =15kV;U =10kV.F i g .4Parti cle si ze d istr i buti on of ch itos an m i cro 2spheres w ith d i fferen t d ist ances between p i n 2head and li qu i d surface The other para meters fixed:v =5mL /h,U =20kV.當(dāng)固定v =5mL /h,U =20k V,D 分別為910,710,310c m 時(圖4,微球平均粒徑分別為476,510和666m ,可見隨著距離的減小,微球

15、平均粒徑隨之增大,這可能是由于微球在靜電壓作用下產(chǎn)生形變,在空中下落過程中會有一個形變的回復(fù)過程,距離過小,產(chǎn)生的形變不能有效地回復(fù),造成了平均粒徑的變大;而距離足夠大時,形變有效地回復(fù),平均粒徑減小.D 為710時粒徑分布最窄.當(dāng)固定U =20kV ,D =710c m ,v 分別為110,210,510mL /h 時,微球的平均粒徑分別為552,531和506m ,可見隨著噴射速度的增大,微球平均粒徑逐漸減小(圖5,這可能是由于流速減小,液滴停留在針尖的時間就更長,形成的液滴直徑就更大,同時由于電壓的存在,限制了液滴不可能顯著地膨脹,因此實驗得出的3個平均粒徑的數(shù)據(jù)差別不大.同時,隨著流速

16、的增加,微球的分散度減小,這同樣可能是由于流速增加,液滴停留在針尖的時間就更短,由于靜電壓對液滴造成一定的不規(guī)則形變2661高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報Vol .29F i g .5Parti cle si ze d istr i buti on of ch itos an m i cro 2spheres w ith d i fferen t flow veloc ityThe other para meters fixed:U =20kV,D =710c m.V =110mL /h;U =210mL /h;U =510mL /h .的程度降低,因此微球的分散度就減小.采用同樣方法研究磁性硅膠/殼聚糖微

17、球的制備參數(shù),綜合微球的各種性能,確定U =20k V,v =510mL /h,D =710910c m.2.3多孔微球的結(jié)構(gòu)形貌分析圖6(A 中m S m CS =11時,微球直徑約為500m ,表面較光滑,有一定塌陷,由于微球在干燥過程中受重力作用,并且微球上、下表面水分揮發(fā)速度不同導(dǎo)致其收縮不均勻.圖6(B 中m S m CS =41時,微球直徑約為600m ,微球表面和內(nèi)部存在許多連通的孔洞,具有較大的比表面積.由圖6(C 和(D 可知,孔洞直徑約為50m ,基質(zhì)與無機物沒有出現(xiàn)分相,說明顆粒分散較均勻,沒有明顯團聚.在前驅(qū)液中,殼聚糖帶正電荷,硅膠帶負(fù)電荷,由于電荷作用,硅膠較好地分

18、散于殼聚糖溶液中.磁性顆粒帶正電荷,與Si O 2具有較好的親和性;此外,Fe 元素具有空軌道,可與殼聚糖形成配位鍵10,11.因此,無機物在殼聚糖溶液中可以均勻分散 .F i g .6SE M m i crographs of magneti c ch itos an porous m i crospherem S m CS :(A 11;(B 41;(C 41;(D 41.2.4微球組成分析分別將純殼聚糖、多孔磁性殼聚糖微球和磁性硅膠/殼聚糖微球進行XRD 分析,從圖7的XRD 衍射峰可見,2=2012°和1016°的峰是殼聚糖基質(zhì)的特征衍射峰,由于殼聚糖基質(zhì)的結(jié)晶性較

19、差,故其F i g .7X 2ray d i ffracti on pa ttern s of pure ch itos an (a ,magneti c ch itos an porous m i crosphere (b ,magnetite /sili ca gel/ch itos an m i cro 2sphere before sili ca gel d issolved(c 峰是彌散的寬峰.同時從圖7可見,隨著無機物含量的增加,殼聚糖基質(zhì)的衍射峰由強變?nèi)?且逐漸變寬,這是因為無機物的引入破壞了殼聚糖分子鏈間的氫鍵作用,使其結(jié)構(gòu)的有序性被破壞,導(dǎo)致結(jié)晶度降低.圖7譜線c 在3010

20、2°,35142°,62156°處出現(xiàn)的峰為Fe 3O 4的特征衍射峰,在20°30°范圍內(nèi)出現(xiàn)了較大的彌散峰,這是無定形Si O 2和一些玻璃體物質(zhì)的特征.比較圖7中譜線a,b,c ,在20°30°區(qū)域內(nèi),a 與b 相似,而沒有譜線c 在該處的彌散峰,說明多孔磁性殼聚糖微球中硅膠基本除去;譜線b 與c 中磁性物質(zhì)的衍射峰基本一致,表示在硅膠的溶出過程中對磁性顆?；緵]有影響.以殼聚糖為基質(zhì),以硅膠作致孔劑,通過共混法引入四氧化三鐵磁性顆粒,在熱的Na OH 溶液中溶出硅膠致孔,采用高壓靜電法制備磁性硅膠/殼聚糖微球,通過S

21、E M 觀察其結(jié)構(gòu)和形貌,并對影響微球結(jié)構(gòu)和形貌的因素及其制備工藝進行了系統(tǒng)研究.結(jié)果表明,高壓靜電法制備的磁性硅膠/殼聚糖微球其粒徑可通過微量進樣器的針頭大小來控制,并且粒徑分布均勻,實驗重復(fù)性和可控性好;當(dāng)以質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)5%的殼聚糖/醋酸溶液(體積分?jǐn)?shù)2%,m S m CS =41用8號針頭進樣時,制得直徑約為600m ,孔洞分布均勻,孔徑約為50m 的多孔磁性殼聚糖微球.由于磁性多孔殼聚糖微球中含3661No .8胡巧玲等:高壓靜電法制備多孔磁性殼聚糖微球4661高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報Vol.29有大量的活性基團羥基和氨基,顯弱堿性,對酸性物質(zhì)和金屬離子有很好的吸附,且可通過外加磁場進行有效分

22、離,所以磁性多孔殼聚糖微球在生物分離、污水中的染料處理方面的應(yīng)用正在進行中.參考文獻(xiàn)1Helseth L.E.,W en H.Z.,Hansen R.W.,et al.Lang muirJ,2004,20(17:732373322Palecek E.,Fojta M.,Jelen F.B i oelectr ochem istryJ,2002,56(1/2:85903AN Xiao2N ing(安小寧,S U Zhi2Xing(蘇致興.Journal of Lanzhou University,Natural Science Editi on(蘭州大學(xué)學(xué)報,自然科學(xué)版J,2001,37(2:1

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26、r.Poly m.J,1992,18:221224Prepara ti on of PorousM agneti c Ch itos an M i crospherevia H i gh Volt age Electrost a ti c M ethodHU Q iao2L ing3,QU J ian,WANG Zheng2Ke,FE I Ruo2Chong,CHA I Fei2Ben,WU J ia,WANG You2Xiang (Key laboratory of M acro m olecule Synthesis and Functionalization,M inistry of Education,Institute of Polym er Co m posites,Zhejiang U niversity,Hanghzou310027,ChinaAbstractPor ous magnetic chit osan m icr os pheres with average dia meter about600m were p repared by high voltage electr ostatic method thr ough m