Vol .29高等学校化学学报No .102008年10月 CHE M I CAL JOURNAL OF CH I N ESE UN I V ERSI TI ES 2086～2090交联壳聚糖水凝胶填充层状微胶囊的制备与性能范国强,仝维鋆,胡小红,高长有(教育部高分子合成与功能构造重点实验室,浙江大学高分子科学与工程学系,杭州310027)摘要 在甲基丙烯酸和乳酸接枝修饰的水溶性壳聚糖(C ML )存在下,合成了尺寸均匀的球形C ML 杂化碳酸钙微粒.通过层层组装(LBL )技术在该微粒表面形成了聚苯乙烯磺酸钠(PSS )/聚烯丙基胺盐酸盐(P AH )多层膜,去除碳酸钙微粒后得到内部含有C ML 的聚电解质微胶囊.进一步采用紫外光引发C ML 聚合,将C ML 转化为C ML 微凝胶,得到内部填充凝胶的微胶囊.通过扫描电镜、光学显微镜和透射电镜等技术表征了微胶囊的结构.与传统的LBL 微胶囊不同,凝胶填充的微胶囊干燥时尺寸收缩,但仍可保持球形;再次水化后,能够膨胀恢复其原有尺寸和形态.各种具有不同电荷性质、分子量和亲疏水性的染料分子及蛋白质均可有效地装载到微胶囊内.关键词 层层组装;微胶囊;凝胶;装载中图分类号 O631;O648 文献标识码 A 文章编号 025120790(2008)1022086205收稿日期:2008203217.基金项目:国家杰出青年基金(批准号:50425311)、国家自然科学重点项目基金(批准号:20434030)和中国博士后科学基金(批准号:20070421171)资助.联系人简介:高长有,男,博士,教授,博士生导师.主要从事生物医用材料和层状自组装研究.E 2mail:cygao@mail .hz .zj .cn 利用层层组装(LBL )技术,在可去除的胶体微粒上组装聚合物薄膜,去除模板后可得到形状、尺寸、囊壁厚度及组成可控的微胶囊[1,2].这类微胶囊的结构易于调控,并可通过选用功能性组装材料或胶囊内外修饰实现功能集成,因而在物质装载和可控传输、微反应器、微传感器及催化等许多领域中具有潜在的应用价值[3].与中空LBL 微胶囊相比,内部具有特定填充物的微胶囊可在微胶囊内外创造不同的物理化学微环境,从而实现物质的沉积或在微小空间内的化学反应,是LBL 微胶囊研究的热点之一.如填充了聚苯乙烯磺酸钠(PSS )的微胶囊在丙酮和水的混合溶液中,微胶囊的内部具有更高的水含量,从而可引起油溶性药物在微胶囊内部析出[4];这种微胶囊也具有灵敏的电荷选择性,可实现带正电荷物质的有效沉积,且排斥带负电荷物质的渗透[5,6];填充了聚烯丙基胺盐酸盐(P AH )的微胶囊由于内部具有更高的pH 值,可选择性地在微胶囊内合成磁性纳米粒子[7].凝胶填充的LBL 微胶囊在物质的高效装载方面也表现出优异的性能.Gao 等[8～11]发现内部具有凝胶状三聚氰胺甲醛树脂(MF )和PSS 复合物的微胶囊可有效地诱导各种带正电荷染料、蛋白质、酶及抗癌和抗菌药物的沉积.Balabushevich 等[12]也发现由MF 部分降解留下的凝胶状残留物可实现辣根过氧化物酶的大量装载,并可在较长时间内保持活性.但该方法存在可控性和重现性不足的问题.Zhu 等[13]将带双键的低分子量聚乙二醇(PEG )和引发剂与微胶囊混合,待PEG 和引发剂扩散到微胶囊内部后进行聚合,然后洗去微胶囊外部的聚合物,实现了PEG 凝胶的填充.这种方法的效率较低,大部分聚合的凝胶(胶囊外部)都被洗去,且需要精确控制交联程度,否则形成大块凝胶难以将微胶囊分离出来.与上述微胶囊内形成凝胶的方法不同,本文首先将水溶性壳聚糖(C ML )杂化到碳酸钙微粒中,然后以该微粒为模板组装了聚电解质多层膜,去除碳酸钙微粒后得到内部含有C ML 的微胶囊.通过紫外光引发C ML 中双键的交联聚合,最终得到了内部含有C ML 凝胶的微胶囊(见Sche me 1).C ML 采用壳聚糖、甲基丙烯酸和乳酸合成[14],在中性条件下有良好的溶解性能.对所得微胶囊的结构和性能,尤其是干燥后的形态恢复性能和物质的装载性能进行了研究.Sche m e 1 Sche ma ti c illustra ti on of the fabr i ca ti on process of gel 2f illed m i crocapsules,wh i ch show a un i que dye load i n g property1 实验部分1.1 试 剂硝酸钙[Ca (NO 3)2・4H 2O ]、碳酸钠(Na 2CO 3)、乙二胺四乙酸二钠(E DT A )、荧光素钠盐(F L ),中国医药集团上海公司;壳聚糖(Chit osan ),M w =70000～80000,济南海得贝生物有限公司;甲基丙烯酸(MAA )和乳酸(LA ),上海化学试剂有限公司;PSS (M w =70000)、P AH (M w =70000)、罗丹明6G (Rd6G )(纯度95%)、尼罗红(NR )和异硫氰酸荧光素标记的白蛋白(F I TC 2BS A ),Sig ma 2A ldrich 公司.紫外光引发剂{Irgacure 2959:22Hydr oxy 212[42(hydr oxyethoxy )phenyl ]222methyl 212p r opanone },Ciba Speciality Che m icals 公司.实验用水为三次蒸馏水.用水溶性碳二亚胺将MAA 和LA 接枝到壳聚糖上,得到水溶性壳聚糖(C ML ),选用MAA 和LA 的接枝率分别为46%和33%的C ML 进行掺杂实验[15].1.2 凝胶填充微胶囊的制备取50mL 0105mol/L Na 2CO 3溶液,加入100mg C ML,溶解后于超声下迅速加入等体积的0105mol/L Ca (NO 3)2溶液,超声10s .于室温静置30m in,得C ML 掺杂的碳酸钙微粒[CaCO 3(C ML )].分别将PSS 和P AH 溶解于015mol/L NaCl 溶液中,配成2mg/mL 的溶液.取200mg CaCO 3(C ML )微粒于离心管中,加1mL PSS 溶液,轻微振荡使CaCo 3(C ML )微粒分散,孵化10m in;以1500r/m in 的转速离心1m in,用水洗涤沉淀,重复3次.然后向组装了一层PSS 的微粒中加入1mL P AH 溶液,使微粒重新分散,孵化10m in,轻微振荡,然后以1500r/m in 的转速离心1m in,用水洗涤沉淀3次.重复以上过程,直到组装了5个双层的PSS/P AH.向所得核壳结构的胶体微粒中加入足量的011mol/L EDT A,反应15m in 后,以3000r/m in 的速度离心1m in,倾去上清液.重复以上过程3～5次,以彻底去除碳酸钙,去核后的微胶囊分散于含2%(质量分数)的紫外光引发剂(Irgacure 2959)的乙醇溶液中,在365n m 紫外灯下反应30m in,然后将所得微胶囊收集于离心管中,用乙醇洗涤5次,再用水洗3次后备用.将一部分微胶囊分别于40℃的真空烘箱中干燥或用冷冻干燥法干燥保存.1.3 荧光探针的装载取10mg 干燥微胶囊于离心管中,加入1mL 100μg/mL 的Rd6G,NR,F L 或F I TC 2BS A 荧光探针溶液(NR 溶解于丙酮中,其它均为水溶液),分散均匀,在37℃轻微振荡,孵化24h .然后通过离心除去上清液,水洗3次以去除未装载的荧光物质(NR 用丙酮洗涤).通过测定上清液的紫外吸收值,再与对应的标准曲线对照,得到上清液中的荧光探针的量;将初始溶液中荧光探针的量减去上清液中的荧光探针的量,得到探针物质在胶囊中的装载量.1.4 微粒与微胶囊的形貌表征将CaCO 3(C ML )微粒或微胶囊稀释液滴在经H 2O 2/H 2S O 4(3∶7,体积比)处理过的玻璃片上,室温7802 No .10 范国强等:交联壳聚糖水凝胶填充层状微胶囊的制备与性能下过夜自然干燥.喷金后采用SI R I O N 2100型扫描电子显微镜对样品进行观察,并用附带的E DAX 对样品进行元素分析.将去核交联后所得微胶囊用环氧树脂固化后超薄切片,置于喷有碳膜的铜网上,在透射电子显微镜(TE M ,JE OL JE M 2200CX )下观察,加速电压100kV.1.5 微胶囊的光学显微镜观察为统计微粒和微胶囊的尺寸,将微粒或微胶囊的悬浮液滴于载玻片上进行取图,然后用I m age J 图形软件测定微粒和微胶囊的平均直径,得到50个微粒或微胶囊的平均值.分别取一定体积的微胶囊,与荧光染料溶液混合,24h 后离心洗去多余的荧光染料,在荧光显微镜下观察荧光染料的分布.2 结果与讨论2.1 CML 掺杂的碳酸钙微粒[CaCO 3(C ML )]的制备近年来,合成特定尺寸和结构的CaCO 3微粒已有很多研究.不同的大分子物质可以作为添加物,调控形成的碳酸钙微粒的尺寸和形态结构,同时所添加的大分子物质也被包埋到CaCO 3微粒中[16].本课题组通过在壳聚糖分子链上接枝甲基丙烯酸(MAA )和乳酸(LA )得到了带双键的水溶性的壳聚糖衍生物(C ML )[14,15].在C ML 作用下,快速沉淀制得了C ML 掺杂的CaCO 3微粒.图1(A )是CaCO 3(C ML )的扫描电镜图片,所得微粒呈球形,表面较光滑,直径约为(618±013)μm.CaCO 3(C ML )微粒的EDAX 谱表明有N 元素,证明了C ML 的存在.CaCO 3(C ML )的TG A 曲线[图1(B )]上,在350～700℃之间发生的热失重对应于C ML 的热分解;由此计算得到CaCO 3(C ML )微粒中C ML 的含量约为8%.由于CaCO 3的保护作用,CaCO 3(C ML )中C ML 的降解温度比纯C ML 的高.F i g .2 SE M i m age(A)and TGA curves(B)of CaCO 3(CML )parti cles(a )and C ML (b )2.2 CML 凝胶填充微胶囊的制备与表征F i g .3 O pti ca l i m age(A)and SE M i m age(B)of the CML gel 2f illed m i crocapsules以CaCO 3(C ML )为模板,通过LBL 组装得到核壳结构的胶体颗粒,组装后用011mol/L EDT A 去核,由于壳聚糖的分子量较大且黏度较高,不易穿透囊壁,因此被包埋(至少部分)在微胶囊内部[17].将得到的微胶囊分散在含质量分数为2%的紫外光引发剂(Irgacure2959)的乙醇溶液中,在365nm 紫外灯下[18,19],引发C ML 分子中碳2碳双键的聚合交联反应,得到C ML 凝胶.凝胶填充的微胶囊在水溶液中分散良好,其尺寸和碳酸钙模板相似[图3(A )].与普通LBL 中空微胶囊干燥后形成坍塌的折叠结构不同,该微胶囊干燥后仍保持较完整的球形结构[图3(B )],但尺寸略有收缩.E DAX 测试未能探测到Ca离子的峰,证明碳酸钙模板已被完全去除.微胶囊在干燥状态下能保持完好的球形结构归因于凝胶的填充,使得微胶囊具有足够的强度抵抗干燥时的毛细力等作用.为了进一步研究微胶囊的内部结构,对微胶囊进行包埋切片,用TE M 观察.由图4(A )可见,8802高等学校化学学报 Vol .29 微胶囊在包埋切片的过程中受剪切力的作用被拉伸而呈现椭圆形.C ML 凝胶在微胶囊内部的分布较均匀,形成多孔结构,充满了整个胶囊.从放大图[图4(B )]上能清楚地看到凝胶呈现连续的网络状结构,中间有不规则的纳米级孔洞.F i g .4 TE M i m ages of overv i ew of a m i crocapsule (A )and h i gher magn i f i ca ti on(B)of the i n nerstructure of the gel 2f illed m icrocapsules F i g .5 Change of the d i a m eters of the gel 2f illed m i crocapsules i n respon se to dry i n g and hydra ti on2.3 凝胶填充微胶囊的性能由于这种微胶囊内部填充有C ML 水凝胶,完全干燥时,微胶囊虽不至于因毛细力作用而坍塌,但因水分的丢失而使尺寸有所减小(图5).例如,微胶囊在40℃下干燥时,其尺寸从原来的6182μm 减小到4164μm.但干燥后收缩的微胶囊重新分散在水中以后,能快速恢复原有形态,且尺寸基本上达到其原有水平.该过程可循环进行(图5),水凝胶是一类能够吸收大量水的物质,吸水后体积会发生膨胀;此外,在中性条件下,C ML 分子上带有微量的正电荷,在水化状态下能够产生一定的排斥力使分子链更为舒展.这些特殊的结构确保了微胶囊在水化后尺寸和形态的恢复.经冷冻干燥处理的微胶囊,可以更好地保持其尺寸而不发生收缩,且略有增大;经水化处理后,微胶囊的尺寸减小(图5).由于冷冻过程中水的结晶在一定程度上导致微胶囊尺寸的变大;水化后发生分子链松弛,释放应力使胶囊尺寸恢复.由此可以推测,通过调节C ML 的掺杂量及其分子中双键的含量或者交联条件等实现对微胶囊的强度、干燥后塌陷程度和恢复程度等进行调控.不论荧光探针分子的电荷、亲疏水性和分子量大小,它们都能很快地在该微胶囊内沉积.图6是不同荧光探针在微胶囊中沉积后的荧光显微镜照片,表明各种荧光物质不仅能渗透进入微胶囊内,而且在胶囊内部分布均匀.F i g .6 Fluorescence m i croscopy i m ages of the m i crocapsules i n cuba ted i n Rd6G(A),F L (B),F I TC 2BSA(C)soluti on s and NR(D )acetone soluti on,respecti vely荧光显微镜照片的亮度与仪器参数(曝光时间、黑白平衡等)密切相关.高浓度的荧光分子还存在荧光猝灭问题.因此我们用紫外吸收定量测定了探针在微胶囊内部的沉积量.由于C ML 带有微量的正Table 1 L oad i n g eff i c i ency of d i fferen t fluorescen t dyes Dye Charge Molecular weight Loading rati o (%) Rd6G +47943.2 F L -31880.5 NR 3037644.1 F I T C 2BS A- 6.6×10425.9 3I n acet one s oluti on .电荷,因此带负电的荧光素钠(F L )有最高的沉积量(达80%)(表1);尽管F I TC 2BS A 在中性pH值下也带负电荷,但由于其分子量较大,且存在聚合物膜的阻隔作用,装载效率最低.中性的NR 在有机溶剂中和带正电的Rd6G 中有相当的装载效率(达到40%以上),说明该微胶囊体系9802 No .10 范国强等:交联壳聚糖水凝胶填充层状微胶囊的制备与性能0902高等学校化学学报 Vol.29 中还存在其它作用力,如疏水作用或C ML凝胶的吸收作用.综上所述,本文采用LBL组装技术和原位光引发聚合制备了一种水凝胶填充的微胶囊.这种微胶囊制备过程简单、结构调控方便,能够干燥贮存,且水化后能恢复其原有形态和尺寸.该微胶囊能高效率地装载多种物质,尤其是带负电荷的物质,对中性和带正电荷的物质也有较高的装载效率.因此,这种层状组装微胶囊具有更大的应用前景.参 考 文 献[1] Donath E.,Sukhorukov G. 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A.,Fl orin R.E..J.Macr omolec.Sci.[J],1984,24:239—257Fabr i ca ti on and Properti es of Ch itos an Hydrogel F illedM ultil ayer M i crocapsulesF AN Guo2Q iang,T ONG W ei2Jun,HU Xiao2Hong,G AO Chang2You3(Key L aboratory of M acro m olecular Synthesis and Functionalization,M inistry of Education,D epart m ent ofPolym er Science and Engineering,Zhejiang U niversity,Hangzhou310027,China)Abstract I n a s oluti on containing water s oluble chit osan(C ML)derivative which was obtained by grafting lactic acid and methacrylic acid,CaCO3m icr oparticles doped with the C ML[CaCO3(C ML)]were fabricated. Layer2by2layer asse mbly of polystyrene sulf onate s odiu m salt(PSS)and poly(allyla m ine hydr ochl oride)(C ML)m icr oparticles t o f or m core2shell particles.Core re moved by (P AH)was then conducted on the CaCO3dis odium ethylenedia m inetetraacetate dihydrate yielded the PSS/P AH multilayerm icr ocap sules having the C ML in their interi ors.The C ML hydr ogel was for med in situ by a phot oinduced cr osslinking.The as2p repared m i2 cr ocap sules p reserved the m icr oscop ic mor phol ogy of their te mp late particles.Unlike the traditi onal multilayer m icr ocap sules,these C ML hydr ogel filled m icr ocap sules re mained their s pherical shape after drying,but their size was decreased fr om618μm t o416μm.The cap sule size and shape were recovered after hydrati on.These m icr ocap sules showed a high l oading efficiency of fluorescent dyes including negatively charged fluorescein and bovine seru m albu m in,positively charged rhoda m ine,and neutral N ile red in both water and organic s olu2 ti ons.Keywords Layer2by2layer asse mbly;M icr ocap sule;Gel;Loading(Ed.:W,Z)。
