磁性殼聚糖微球的制備及其性能

王 紅 英， 常 凱， 錢 斯 日 古 楞， 孫 井 輝

( 大連工業大學 生物工程學院， 遼寧 大連 116034 )

0 引 言

天然高分子磁性微球的研究是現在較新穎的課題，由于微球表面天然高分子的分子結構具有可設計性，磁性微球又具有靶向性，引起了世界科學工作者的極大興趣，已成為21世紀生命科學和材料學等領域的研究熱點。近年來，國外學者發表了許多有關天然高分子磁性微球的制備和應用方面的研究論文，并申請了不少專利，已有相關技術在醫學、生物、環保等領域中得到了應用[1-3]。我國也有不少的科研人員開始了對天然高分子磁性微球這一領域的研究，并取得了一定的成果，但相比較而言，國內在該領域的基礎研究和應用研究水平與國外仍有差距。

天然高分子磁性微球的制備常以Fe3O4為內核，外面包裹一層天然高分子材料。目前常用的天然高分子材料為淀粉、海藻酸鈉、葡聚糖等，用殼聚糖制備天然高分子磁性微球比較少見。但是由于殼聚糖是一種生物可降解的天然高分子材料，其分子結構擁有的—OH和—NH2兩種活性官能團，它們可以與很多種有機物的分子相結合[4-5]。由于殼聚糖具有這些優良的特性，它是制備載體微球的首選材料。目前，磁性高分子微球的研究已經從最簡單的高分子包裹磁性材料發展到多類型的組合方式，其結構一般為4種類型，即核-殼型、殼-核型、殼-核-殼型和鑲嵌型[6-9]。磁性微球的核殼兩部分構成，核心部位的納米級磁流體使微球具有靶向性，外殼的天然高分子官能基團使微球具有的載體性[10]。其中研究較多且具有廣泛應用前景的主要是核-殼型磁性高分子微球，但是用殼聚糖包裹的磁性微球比較少見，因此本文設計了以Fe3O4為內核外面包裹了殼聚糖的核-殼型磁性高分子微球。在制備微球的時，首先用油酸對Fe3O4磁性納米粒子改性。然后以Span-80和吐溫80為乳化劑，采用戊二醛交聯法制備[11]納米級殼聚糖磁性微球。經過實驗測定，殼聚糖磁性微球具備分散性良好、穩定性高等優點。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

殼聚糖，脫乙酰度為90%以上，上海緣聚生物科技有限公司；乙酸、乙二胺、戊二醛、氯化亞鐵、三氯化鐵均為國產分析純；Span-80、吐溫80、油酸為國產化學純。

1.2 實驗方法

1.2.1 改性磁流體的制備

用共沉淀法制備[12]納米級磁流體。秤取5 g FeCl2·4H2O，3.4 g FeCl3·6H2O3，分別溶解40 mL蒸餾水中，配制成Fe2+濃度為0.2 mol/L，Fe3+濃度為0.125 mol/L的溶液。將溶液混合置入三口瓶中，加入150 mL去離子水，在10 000 r/min條件下高速攪拌。在攪拌的同時，緩慢滴加3 mol/L的NaOH，直至溶液變得黑亮，此時停止加入NaOH，繼續攪拌30 min。然后加入0.5 mL油酸，在10 000 r/min條件下高速攪拌1 h。油酸被高速分散后吸附在納米級磁流體表面，不僅提高表面張力，使納米級磁流體更圓潤，還能夠防止磁流體氧化，提高其穩定性。同時，大量的酸根粒子包圍，相互排斥，使其更具有分散性。然后用無水乙醇和超純水反復清洗干凈，去除磁粒表面吸附的油酸。最后加以磁場分離得到改性磁流體，冷凍干燥后，密封低溫保藏備用。

1.2.2 納米磁性殼聚糖微球的制備

首先，用體積分數為2%的乙酸溶液溶解殼聚糖，隔夜放置，使其充分溶解。取1 g經過改性的磁流體干粉置入到燒杯中，加入40 mL配置好的殼聚糖溶液，在功率1 000 W、間隙時間1 s、超聲時間1 s條件下，超聲波冰浴分散10 min。將分散好的溶液置入250 mL三口燒瓶內，加入100 mL去離子水，37 ℃恒溫水浴加熱并1 000 r/min攪拌。緩慢滴加100 μL 戊二醛(體積分數為50%)，攪拌1 h，加入適量Span-80和吐溫80。繼續以1 000 r/min速度攪拌30 min，開始滴加1 mol/L的NaOH。在pH達到7之前，NaOH滴加速度每4 s一滴。然后再以每8 s一滴速度滴加到pH為9，停止滴加。緩慢加入100 μL乙二胺，800 r/min攪拌3 h。停止攪拌，用無水乙醇和超純水反復清洗干凈，在4 ℃的冰箱中保藏備用。

1.3 測定方法

1.3.1 掃描電鏡分析(SEM)

磁性殼聚糖微球在載玻片固定烘干后，用XL30 掃描電鏡(philips)掃描觀察其形貌。

1.3.2 平均粒徑

取少量的磁性殼聚糖微球，溶于重蒸餾水中，超聲分散。然后使用美國布魯克海文儀器公司的Zetasizer激光分析儀測定納米級磁性殼聚糖微球的粒徑分布。

1.3.3 紅外光譜分析(FTIR)

取少量的2 mg磁性殼聚糖微球干粉與干燥KBr粉末充分混合，用球磨機研磨2 min，轉入模具中，使其分布均勻，壓成透明的薄片。然后用美國Nicolet Impact 410型紅外光譜分析儀對磁性殼聚糖微球進行分析，測量的范圍為4 000～400 cm-1。

2 結果與討論

2.1 磁性殼聚糖微球制備的影響因素

2.1.1 殼聚糖的質量濃度

如表1所示，隨著殼聚糖質量濃度的增加，磁性殼聚糖微球的粒徑隨之增大。但是，當殼聚糖質量濃度過大時，反應液的黏度也越大，攪拌就越困難，容易產生團聚現象。而殼聚糖的質量濃度過低，磁流體則會交聯很少的殼聚糖，不利于固定化活性物質。所以殼聚糖的質量濃度為20 g/L時條件最佳。

2.1.2 氫氧化鈉的滴加量

在磁性殼聚糖微球的制備過程中，氫氧化鈉的滴加過量，會使微球粘連太多的殼聚糖，造成微球之間的團聚現象；滴加不足則會導致磁流體表面很少或者沒有殼聚糖。經實驗證明，滴加8.5 mL濃度為3 mol/L的NaOH時成球性最好，見圖1。

表1 不同殼聚糖質量濃度對微球制備的影響

圖1 不同NaOH滴加量的殼聚糖磁性微球的SEM照片

2.1.3 攪拌速度

如表2所示，在制備微球的過程中，攪拌速度越大，磁性殼聚糖微球粒徑越小。當轉數超過1 000 r/min之后，即使攪拌速度增加，微球粒徑的變化也比較平緩。所以，最佳攪拌轉數為 1 000 r/min。

表2 不同攪拌速度對磁性殼聚糖微球粒徑的影響

2.2 磁性殼聚糖微球的結構與形貌觀察

采用SEM對實驗部分得到的殼聚糖磁性復合微球結構與形貌進行觀察。由圖2可見，其粒徑達到300 nm左右，成球性較好，尺寸均勻，分散性好，沒有團聚現象。

圖2 磁性殼聚糖微球的SEM照片

2.3 磁性殼聚糖微球粒徑的分布

粒徑分布是評價磁性殼聚糖微球的分散性和均一行的重要指標，由圖3可見，納米級磁性殼聚糖微球的粒徑分布比較窄，95.4%的磁性殼聚糖微球集中在332.7 nm左右，平均粒徑大約為348.5 nm，分散系數為0.283，這與掃描電鏡分析所得出的結果一致。

圖3 磁性殼聚糖微球的粒徑分布

2.4 磁性殼聚糖微球的紅外分析

圖4是紅外光譜分析儀得出的磁性殼聚糖微球紅外光譜。對紅外光譜圖進行解析，584 cm-1的寬吸收峰是Fe—O的特征峰，表明磁性微球中含有磁流體。1 068 cm-1是C—O—C伸縮振動峰，1 635 cm-1是—NH2彎曲振動吸收峰，3 434 cm-1的寬吸收峰是羥基—OH振動吸收峰，2 925 cm-1寬吸收峰是—NH的伸縮振動吸收峰，這些官能基團均是表明磁性微球中含有殼聚糖。由紅外光譜解析得出，已成功制備出以磁流體為核心外殼包裹著殼聚糖的納米級微球。這些特征峰的波谷較深，表明磁性殼聚糖微球表面的活性基團豐富。

圖4 磁性殼聚糖微球的紅外圖譜

2.5 磁性殼聚糖微球的磁響應性

由表3中數據可以看出，磁性殼聚糖微球粒徑不同，磁響應也不同，磁性殼聚糖微球粒徑越大，磁響應就越強。但是在加以相同磁場下，磁性殼聚糖微球都能在74 s吸附完畢，以達到快速分離。由此可以看出磁性殼聚糖微球的磁響應顯著，具有磁分離的功能。

表3 不同粒徑磁性殼聚糖微球磁響應時間

2.6 殼聚糖磁性微球的耐酸堿性實驗

磁性殼聚糖微球可以在pH 9的溶液中冷凍儲存一個月，但是當pH>9.4，會發生交聯團聚。而且時間越長，交聯得越嚴重。磁性殼聚糖微球在pH<5.5溶液放置3 d，會有部分納米級磁性離子的溶出。這是因為磁性殼聚糖微球表面的殼聚糖會逐步溶于酸性溶液中。實驗表明磁性殼聚糖微球在5.5

3 結 論

通過油酸改性Fe3O4，采用分散聚合法制備的微球的球形圓潤多孔，表面活性基團豐富，分散性良好。油酸的改性增加了磁性殼聚糖微球的疏水性。最佳藥品加量為100 μL戊二醛(體積分數為50%)，Span-80和吐溫80各300 μL，100 μL乙二胺，滴加3 mol/L的NaOH為8.5 mL；最佳溫度為37 ℃；最佳攪拌速度為1 000 r/min。

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