聚合物微膠囊制備技術(shù)在實驗教學(xué)中的應(yīng)用

李紅春， 牛永盛

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 化學(xué)與藥學(xué)院， 山東 青島 266109)

聚合物微膠囊制備技術(shù)在實驗教學(xué)中的應(yīng)用

李紅春， 牛永盛

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 化學(xué)與藥學(xué)院， 山東 青島 266109)

以吡蟲啉為模型藥物，聚碳酸亞丙酯為囊材，采用溶劑揮發(fā)法制備了聚合物微膠囊，同時對影響因素進行了優(yōu)化，并利用掃描電子顯微鏡對其微觀形貌進行了分析。以新材料、新技術(shù)、現(xiàn)在分析手段為特色，綜合了前沿聚合物微膠囊制備技術(shù)和現(xiàn)代測試手段，簡要闡述了實驗的教學(xué)模式，有利于提高學(xué)生的創(chuàng)新意識、探索精神、邏輯思維能力。

聚合物微膠囊; 實驗教學(xué)；掃描電子顯微鏡

微膠囊技術(shù)在醫(yī)藥、化妝品、染料以酶催化合成等領(lǐng)域被廣泛的應(yīng)用[1]。微膠囊可以提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性和有效利用率,減輕有毒物質(zhì)對環(huán)境和人類的影響。制備微膠囊的方法主要包括:溶劑揮發(fā)法[2]、相凝聚法[3]、界面聚合法[4]、自組裝法[5]和噴霧干燥法[6]等。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中,為了抑制病蟲害大量使用農(nóng)藥,導(dǎo)致糧食中的農(nóng)藥殘留嚴(yán)重超標(biāo),同時也造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題[7]。農(nóng)藥微膠囊的研發(fā)可減少農(nóng)藥的使用量,具有低毒、高效、長效及節(jié)省勞動力的特點[8-11]。本文將聚合物微膠囊制備技術(shù)融入到本科實驗教學(xué)中去,介紹了一種簡單易操作的聚合物微膠囊制備方法及掃描電子顯微鏡測試技術(shù)。本實驗教學(xué)將聚合物微膠囊的制備和掃描電子顯微鏡使用融為一體,使單一的制備或微觀測試實驗變得具有趣味性,提高了教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量,提高了學(xué)生的綜合能力。

1 實驗

1.1 吡蟲啉微膠囊的制備

稱取一定量的吡蟲啉和聚碳酸亞丙酯(PPC),充分溶解在一定量的二氯甲烷中；然后將此混合溶液倒入裝有一定濃度的聚乙烯醇(PVA)水溶液中,用剪切乳化機乳化5 min;在36 ℃條件下,轉(zhuǎn)速為400 r/min的磁力攪拌器上攪拌,使二氯甲烷完全揮發(fā),將混合液倒入200 mL的蒸餾水中;放入離心機中,以4 000r/min的速度離心5 min,收集固體,真空冷凍干燥得到聚合物微膠囊。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

稱取吡蟲啉原藥2.0 mg,用10 mL CH2Cl2溶解后轉(zhuǎn)移至50 mL的容量瓶中,定容后得0.04 mg/mL的吡蟲啉標(biāo)準(zhǔn)溶液;然后用移液管分別移取標(biāo)準(zhǔn)溶液0.1、0.2、0.4、0.8、1.2、2.0、5.0 mL于50 mL容量瓶中,得到一系列不同質(zhì)量濃度的吡蟲啉溶液；最后用紫外分光光度計檢測出各種濃度下的吸光度(A),以A為縱坐標(biāo),吡蟲啉質(zhì)量濃度c為橫坐標(biāo),作二者的線性關(guān)系曲線,即標(biāo)準(zhǔn)曲線，見圖1。

圖1 吡蟲啉溶液的標(biāo)準(zhǔn)曲線

1.3 聚合物微膠囊載藥量的測定

準(zhǔn)確稱量適量干燥好的聚合物微膠囊(約2 mg)放在10 mL的容量瓶中,用CH2CL2溶解并定容；移取1 mL并稀釋5倍,然后在波長270 nm處測溶液的吸光度。根據(jù)圖1的標(biāo)準(zhǔn)曲線分別計算出樣品的吡蟲啉質(zhì)量濃度,根據(jù)下式計算聚合物微膠囊的載藥量DL[12]：

(1)

其中,c為標(biāo)準(zhǔn)曲線計算出的吡蟲啉質(zhì)量濃度；x為稀釋倍數(shù)；v為稀釋前吡蟲啉溶液體積；m為稱取的聚合物微膠囊樣品質(zhì)量。

1.4 聚合物微膠囊包封率的檢測

根據(jù)載藥量計算樣品中包封的吡蟲啉質(zhì)量,并準(zhǔn)確稱取聚合物微膠囊干樣質(zhì)量,由下式計算其包封率EE[12]。

(2)

其中,m′為聚合物微膠囊中吡蟲啉被包封質(zhì)量；M為實驗方案設(shè)定的吡蟲啉重量。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 PVA濃度對聚合物微膠囊的影響

首先改變?nèi)榛瘎㏄VA的質(zhì)量分?jǐn)?shù),影響規(guī)律見表1。由表1可以看出，聚合物微膠囊的粒徑伴隨PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而減小,這應(yīng)該是由于PVA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)愈高,乳化的能力越強,形成的膠束愈多,粒徑相應(yīng)就會減小。聚合物微膠囊的載藥量(DL)和包封率(EE)都隨著PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大先增加后減少,當(dāng)PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時,DL高達21.98%,EE達74.45%。

表1 乳化劑PVA濃度對聚合物微膠囊的影響

注:吡蟲啉與聚合物質(zhì)量比為1∶3,10 mL二氯甲烷,10 000 r/min

2.2 乳化速率對聚合物微膠囊的影響

乳化速率對聚合物微膠囊是另一重要的影響因素,實驗數(shù)據(jù)見表2。隨著乳化速率的增大,形成的膠束被攪拌分散為更多的膠束,故聚合物微膠囊的粒徑隨著乳化速率增大而減小。而DL和EE值影響略有變化,在10 000 r/min下獲得最大DL值和EE值的聚合物微膠囊。

表2 攪拌速率對吡蟲啉膠束粒徑和載藥量的影響

注:吡蟲啉與聚合物質(zhì)量比為1∶3,10 mL二氯甲烷,PVA濃度1%、10 mL

2.3 聚合物與吡蟲啉比例對聚合物微膠囊的影響

實驗結(jié)果見表3。從表3可以看出：隨著聚合物用量的增加,聚合物微膠囊的粒徑明顯增加,當(dāng)聚合物的質(zhì)量增加4倍時,粒徑幾乎增加1倍；而DL值隨著吡蟲啉質(zhì)量與聚合物質(zhì)量比值的減小二減小；而EE值的變化規(guī)律不是太明顯,在比值為1:3時,EE值最大。

表3 聚合物與吡蟲啉比例對聚合物微膠囊的影響

注:10 mL二氯甲烷,PVA濃度1%、10 mL,10 000 r/min

2.4 產(chǎn)品的表征

在優(yōu)化的制備工藝條件下制備的聚合物微膠囊的掃描電子顯微鏡照片見圖2,圖2a為聚合物微膠囊的整體,圖2b為單個聚合物微膠囊的放大圖片。從圖2可以看出,制備的聚合物微膠囊表面圓整光滑,粒徑不太均勻,平均粒徑為7.8μm,與通過激光粒徑分析儀測試的數(shù)據(jù)基本相符。

圖2 聚合物的掃描電子顯微鏡照片

3 結(jié)論

(1) 聚合物微膠囊制備的最優(yōu)條件:PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%,乳化速率為10 000 r/min,吡蟲啉質(zhì)量和聚合物質(zhì)量比值為1∶3,可獲得DL為21.98%,EE為74.45%的聚合物微膠囊,其平均粒徑為7.7 μm。

(2) 通過掃描電子顯微鏡觀察到的聚合物微膠囊為表面圓整光滑,平均粒徑為7.8 μm。

(3) 本實驗結(jié)合前沿科研成果,把掃描電子顯微鏡使用融入了實驗教學(xué)，這一綜合性實驗不僅提高了學(xué)生的興趣,同時也增添了時代氣息,增強了課堂氣氛,培養(yǎng)了學(xué)生在學(xué)習(xí)中的創(chuàng)新精神,提高了課堂教學(xué)質(zhì)量[13-14]。

References)

[1] Cho J S, Kwon A, Cho C G. Microencapsulation of octadecane as a

phase-change material by interfacial polymerization in an emulsion system[J]. Colloid Polym Sci, 2002,280:260-266.

[2] Wei J G, Routh A F. Formation and Characterization of pH-Responsive Liquid Core microspheres[J]. Water Res, 2013, 29:12542-12548.

[3] McGinity J W, O’Donnell P B. Preparation of microspheres by the solvent evaporation technique[J]. Adv Drug Deliver Rev, 1997, 28: 25-42.

[4] Tsurumi T, Ozawa S, Wada S. Preparation of PZT thick films by an interfacial polymerization method[J]. J Sol-Gel Sci Technol, 2003, 26:1037-1040.

[5] Wang C, Ye W, Zheng Y, et al. Fabrication of drug-loaded biodegradable microspheres for controlled release by combination of solvent evaporation and layer-by-layer self-assembly[J]. Int J Pharm, 2007, 338 :165-173.

[6] Min J S, Jin G K, Shin J S. Microencapsulation of imidazole curing agents by spray-drying method using W/O emulsion[J]. J Appl Polym Sci, 2012, 126:108-115.

[7] Andersona J C, Dubetz C, Palace V P. Neonicotinoids in the Canadian aquatic environment: A literature review on current use products with a focus on fate, exposure, and biological effects[J]. Sci Total Environ, 2015, 505:409-422.

[8] 張艷紅, 付麗英, 張貞浴, 等. 農(nóng)藥用可降解緩釋微球的制備及表征[J]. 黑龍江大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報, 2008, 25(2):204-208.

[9] 劉潔翔,任紀(jì)輝,趙喬,等. 毒死蜱/環(huán)糊精在鋅鋁類水滑石中插層的制備和性能[J]. 物理化學(xué)學(xué)報, 2016, 32 (2), 558-564.

[10] 許同桃,金義翠,朱文靜,等. 微囊化緩釋復(fù)合農(nóng)藥海藻酸鈉-苯磺隆的制備與表征[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2016, 44 (6):202-204.

[11] 徐菊美,岑蓮,胡江林,等. 聚合物納米微球制備實驗設(shè)計[J]. 實驗技術(shù)與管理,2016, 33(3): 58-61.

[12] VivekR, Thangam R, NipunBabu V, et al. Multifunctional HER2-antibody conjugated polymeric nanocarrier-based drug delivery system for multi-drug-resistant breast cancer therapy[J]. Acs Appl Mater Inter,2014, 6: 6469-6480.

[13] 馬大中, 崔瑾, 梁軍勝, 等. 基于創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的創(chuàng)新實驗項目探索與實踐[J]. 實驗技術(shù)與管理, 2014, 31(9): 34-36.

[14] 王芳, 李萍, 賈澤峰. 實驗學(xué)科交叉滲透的人才培養(yǎng)模式的實踐與思考[J]. 實驗技術(shù)與管理, 2009, 26(4): 190-192.

Application of polymeric microcapsule preparation technology in experimental teaching

Li Hongchun, Niu Yongsheng

(College of Chemistry and Pharmacy, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China)

By taking imidacloprid as the model drug and poly propylene carbonate as capsule material, the polymeric microsphere is prepared by using the solvent evaporation method. Meanwhile, the factors affecting polymeric microcapsule are optimized and the micro morphology is analyzed with a scanning electron microscope. With the new material, new technology, and current analytical methods as the main characteristics, it integrates the frontier preparation technology of polymeric microcapsule and modern testing methods, and the experimental teaching mode is briefly elaborated, and it is beneficial to improve students’ innovative consciousness, exploration spirit and logical thinking ability.

polymeric microcapsule; experimental teaching；scanning electron microscope

10.16791/j.cnki.sjg.2017.05.011

2016-11-03

國家自然科學(xué)基金項目(51303093, 51003051)資助; 山東省研究生教育創(chuàng)新計劃項目(SDYC13051)；青島農(nóng)業(yè)大學(xué)應(yīng)用型人才培養(yǎng)特色名校建設(shè)工程教學(xué)研究項目(XJG2013073, XJG2013078); 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)應(yīng)用型人才培養(yǎng)特色名校建設(shè)工程課程建設(shè)項目(XJP2013013)

李紅春(1980—)，女，內(nèi)蒙古赤峰，博士，副教授，主要研究方向為功能高分子材料設(shè)計、制備及其應(yīng)用的研究

E-mail：hclichifeng@163.com

牛永盛(1980—)，男，山東菏澤，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為有機高分子材料設(shè)計、制備及其應(yīng)用的研究.

E-mail：ysniu2004@163.com

TQ323.4；G642.423

B

1002-4956(2017)5-0041-03