沉淀聚合法制备壳聚糖磁性微球

科　技　进　展 《Advance s in Science & Techno logy》 沉淀聚合法制备壳聚糖磁性微球 李　培　朱爱梅　刘庆林 (厦门大学化学化工学院化学工程与生物工程系 ,福建 厦门 361005) 摘 　要 　用共沉淀法制备 Fe3O4 磁性纳米粒子 ,并对其用油酸进行表面改性 ,继而采用沉淀聚合法制备壳聚糖磁性微 球。考察了沉淀剂浓度、乳化剂种类、Fe3O4 的改性等条件对制备微球的影响。应用扫描电镜、红外谱图、接触角仪、 粒径分析仪及磁铁吸附对壳聚糖磁性微球的形态与特性进行了表征。研究结果表明 ,在适宜的沉淀剂浓度、复合乳 化剂、Fe3O4 经油酸改性等条件下 ,可以制得平均粒径为 150 nm、单分散性好且磁性明显的壳聚糖磁性微球。 关键词 　四氧化三铁 　壳聚糖 　沉淀聚合 　 收稿日期 : 2008 - 03 - 28 基金项目 :国家自然科学基金 ( 50573063 ) ;教育部新世纪优秀人才 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 项目 ;高等学校博士点专项基金 ( 2005038401 ) ;厦门大学人才基金 (0000X071C1) 作者简介 :李培 (1983～) ,女 ,硕士生 ;刘庆林 (1965～) ,男 ,博士 ,教授 ,博导 ,研究方向为化工过程的传质与分离　Email: qlliu@xmu. edu. cn 　 Preparation of Chitosan Magnetic M icrospheres L i Pei　Zhu A imei　L iu Q inglin (Department of Chem ical and B iochem ical Engineering, College of Chem istry and Chem ical Engineering, Xiamen University, Fujian Xiamen 361005) Abstract　The Fe3 O4 nanoparticles were p repared by co - p recip itation method and modified by oleic acid. Chi2 tosan magnetic m icrospheres were then p repared by p recip itation polymerization method. The results demonstrated that the concentration of the p recip itant, the type of emulsion and the modification of the iron oxide were the most effective parameters for the p reparation of the m icrospheres. The SEM , IR and DLS results indicated that the diameter of the m icrospheres was about 150nm and the m icrospheres were uniform ly distributed. The magnetic test showed the m icro2 spheres were magnetic sensitive. Keywords　Fe3 O4 nanoparticle　chitosan　p recip itation polymerization 　　磁性高分子微球是指通过适当的方法将高分子 材料与磁性粒子结合起来 ,使其同时具有磁响应性和 高分子特殊性能的微球 ,其中 Fe3O4 作为一种具有超 顺磁性的磁性材料被广泛研究 ,其磁性高分子微球在 药物释控 [ 1 ] ,磁性热疗 [ 2 ] ,分离工程 [ 3 ]等领域显示出 广阔的应用前景。壳聚糖 (CS)是一种生物可降解的 天然高分子化合物 ,其分子内的 —OH 和 —NH2活性 基团可以与多种有机物发生化学反应 [ 4 ] ,是一种制 备磁性高分子微球的优良材料。 目前 ,采用共混包埋法和单体聚合法制备壳聚糖 磁性微球已见报道 [ 5、6 ] ,多采用戊二醛作为交联剂 , 但戊二醛具有一定的毒性 ,对其药物释控的应用造成 一些限制。本文首先用共沉淀法制备了改性 Fe3O4 微球 ,然后采用沉淀聚合法制备了磁性壳聚糖微球。 使用该方法无需使用有机溶剂 ,而且反应条件温和 , 反应迅速。通过控制制备条件得到了粒径均匀的分 —1— 第 22卷第 7期 2008 年 7 月 　　　 　　　　　　　　 化工时刊 Chem ica l Indu s try Tim e s　　　　　　 　　　　　 Vo l. 22 , No. 7 J u l. 7. 2008 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 散性良好的壳聚糖磁性微球。 1 实验方法 1. 1　实验试剂与仪器 壳聚糖 (脱乙酰度 90% ,相对分子质量 20万 ,浙 江玉环生物化学有限公司 ) ;超纯水 (厦门大学微机 电所 ) ;油酸、司盘 80、吐温 80、三氯化铁、四水合二氯 化铁等均为分析纯。 红外谱仪 ( FT - IR, 740SX,美国 N icolet公司 ) ; 扫描电子显微镜 ( SEM , Leo1530, 德国 Oxford公司 ) ; 粒径分析仪 (DLS, Zeta3600,英国 Malvern公司 ) ;接 触角仪 ( SL200B ,上海梭伦信息科技有限公司 )。 1. 2　改性 Fe3 O4 纳米粒子的制备 Fe3 O4 采用共沉淀法制备 [ 7 ] ,依据的原理为 : Fe2 + + 2Fe3 + + 8OH - Fe3 O4 + 4H2 O。具体操作步 骤如下 :称取一定量的 FeCl3 与 FeCl2 ·4H2O配制成 溶液 (质量比为 2∶3) ,在氮气保护下置于 60℃水浴 槽中搅拌 ,缓慢滴加氨水溶液至弱碱性 ,反应 1 h后 加入油酸进行改性 ,反应 3 h后停止。磁铁分离后离 心分离得沉淀 ,将沉淀用超纯水及乙醇洗涤 ,冷冻干 燥后得到改性 Fe3 O4 微粒。 1. 3　壳聚糖磁性微球的制备 将适量的改性 Fe3 O4 纳米粒子和用乙酸 (体积分 数 2% )溶解的壳聚糖溶液加入 250 mL三口烧瓶中 , 超声分散 ,并将烧瓶放置于 40℃的恒温水浴中 ,在氮 气保护下搅拌。加入适量乳化剂司盘 80和吐温 80, 滴加沉淀剂 (硫酸钠 )溶液进行沉淀聚合 4 h。停止 反应后 ,用超纯水及乙醇离心充分洗涤 ,冷冻干燥得 到壳聚糖磁性微球。 2 结果与讨论 2. 1　壳聚糖磁性微球制备的影响因素 2. 1. 1　沉淀剂浓度的影响 沉淀剂 (硫酸钠 )的浓度对壳聚糖磁性微球的影 响如图 1所示。从图可以看出 ,当硫酸钠浓度低于 0. 35 mol·L - 1时 (图 1 ( a) ) ,溶液中硫酸钠量太少 , 难以对壳聚糖产生去溶剂化作用 ,溶液中产生的颗粒 呈长树叶状 ;当溶液硫酸钠浓度低于 0. 7 mol·L - 1时 (图 1 ( b) ) ,颗粒形状不规则 ,呈卷曲的碗状 ;当硫酸 钠浓度为 1. 4 mol·L - 1时 (图 1 ( c) ) ,其沉淀作用非 常明显 ,而且对壳聚糖复合物具有压缩作用 ,使壳聚 糖磁性纳米颗粒的形状更加规则 ,趋近于球形 ,且纳 米颗粒的尺寸在 200 nm以下 ;继续增大硫酸钠浓度到 2. 1 mol·L - 1时 (图 1 ( d) ) ,硫酸钠的沉淀作用加剧 , 导致颗粒大量团聚 ,形成大块沉淀 ,颗粒尺寸变大。 图 1　不同浓度沉淀剂时制得的壳聚糖 磁性微球的 SEM图片 —2— 化工时刊 　20081Vo l122 , No. 7　　　　　　　　　　科技进展《Advance s in Sc ience & Techno lo gy》 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 故通过对比可得硫酸钠浓度为 1. 4 mol·L - 1时为 最佳。 硫酸钠能够促使壳聚糖沉淀 ,形成结合紧密的纳 米颗粒。壳聚糖只溶于稀酸溶液中 ,当溶液中存在硫 酸盐时则会降低壳聚糖的溶解度使其沉淀析出。强 亲水性的硫酸钠不断破坏壳聚糖周围的水分子 ,使壳 聚糖从溶液中析出来 ,并用硫酸根离子对 CS - Fe3 O4 进一步压缩沉淀 [ 8 ]。 2. 1. 2　四氧化三铁油酸改性的影响 进一步考察油酸改性 Fe3 O4 对壳聚糖磁性纳米 粒子的影响 ,如图 2所示。图 2 ( a)中未改性的 Fe3 O4 纳米粒子直接与壳聚糖进行沉降聚合 ,产物团聚严 重。图 2 ( b)中 Fe3 O4 纳米粒子经过油酸改性后再与 壳聚糖进行沉降聚合 ,团聚明显降低 ,分散良好。实 验表明在制备 Fe3 O4 纳米粒子时加入油酸能较好的 提高微球的分散性。油酸通过定向吸附可在磁性粒 子表面形成一层包裹层 ,粒子表面含有大量的酸根离 子 ,通过电荷排斥作用充分分散在水中 ,从而可有效地 控制磁性粒子的生长并使其分散性和稳定性提高 [ 9 ]。 图 2　Fe3 O4改性前后制得的壳聚糖 磁性微球 SEM图 将未改性 Fe3O4 /壳聚糖磁性微球及油酸改性 Fe3 O4 /壳聚糖磁性微球分别干燥后压片。用接触角 测量仪测试压片表面与水珠的接触角 ,如图 3所示。 从图 3 ( a)中可以看出 ,未改性 Fe3 O4 /壳聚糖磁性微 球颗粒所测试的水珠已经大半个球都渗进压片内。 用量角法测得水珠与磁性微球压片表面的接触角为 56°,接触角小于 90°,说明该磁性微球具有较好的亲 水性。油酸改性 Fe3O4 /壳聚糖磁性微球 ,其表面与水 的接触角 (87°)明显增大 (图 3 ( b) ) ,亲水性明显降低。 油酸吸附在新生成的颗粒表面 ,降低了其表面张力 ,从 而减弱了颗粒间的团聚 ,分散性得到明显改善 ,进一步 证实了油酸改性对提高产物分散性有利。 图 3　壳聚糖磁性微球与水的接触角 图 4　不同乳化剂所得的壳聚糖 磁性微球的扫描电镜图片 2. 1. 3　乳化剂种类的影响 乳化剂种类对壳聚糖磁性微球制备的影响如图 4所示。图 4 ( a)表明以司盘 80作为乳化剂 ,制得的 —3— 李 　培等 　沉淀聚合法制备壳聚糖磁性微球 　　　　　　　　　　　　20081Vo l122 , No. 7　 化工时刊 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 壳聚糖磁性微球的粒径均匀 ,且分散性明显增强 ,但 表面有褶皱。这是由于在反应过程中司盘 80阻止了 粒子由于热运动和搅拌而产生的相互团聚 ,增加了微 粒表面的空间位阻 ,从而在相界面上增加体系的分散 性 ,减少了粒径 [ 10 ]。但因其疏水性较强 ( HLB 为 4. 3)使产物表面产生褶皱。图 4 ( b)表明使用司盘 80和吐温 80复合乳化剂 ,制得的壳聚糖磁性微球表 面光滑性明显增强 ,且表现出核壳结构。这是由于在 制备过程中加入亲水性较强的助表面活性剂吐温 80 (HLB = 15) ,在两者配比一定的条件下 ,有助于形成 微球粒子 ,本实验条件下测得两者的比例约为 1 /2 时 ,能够形成较大的增溶空间 ,比较容易形成核壳式 结构的微球。 2. 2　微球的红外分析 图 5 为 壳 聚 糖 磁 性 微 球 的 红 外 图 谱。 3 420 cm - 1与 2 924 cm - 1的宽吸收峰分别是壳聚糖中 羟基 —OH振动吸收峰与 —NH的伸缩振动吸收峰 ; 1 628 cm - 1为 —NH2 弯曲振动吸收峰 , 1 105 cm - 1为 醇羟基 C—O—C伸缩振动峰 ,这些壳聚糖特征峰表 明磁性微球中含有壳聚糖。617 cm - 1处对应 Fe—O 的特征峰。由此说明 ,壳聚糖和纳米 Fe3 O4 已成功地 包覆形成 Fe3 O4 /壳聚糖纳米粒子。 图 5　壳聚糖磁性微球的红外图谱 2. 3　微球的粒径分析 图 6是用粒径分析仪测得的壳聚糖磁性微粒的 粒径分布 ,由图可见所制备的壳聚糖磁性微粒有较窄 的粒径分布 ,平均粒径大约为 150 nm,与扫描电镜的 结果一致。 图 6　壳聚糖磁性微球的粒径分布 2. 4　微球的磁性分析 称取两份质量为 0. 08 g的壳聚糖磁性微球 ,分别 溶于 8 mL超纯水中 ,超声后将磁铁放于其中一个玻 璃瓶边 ,如图 7所示 ,可看到有磁铁靠近的壳聚糖微 球被全部吸附到靠近磁铁的瓶壁上 ,且过程迅速 ,在 10 s内即可完成。说明壳聚糖微球的磁性特征明显。 图 7　磁铁对壳聚糖微球的吸附对比 3 结　论 　　通过共沉淀法得到了油酸改性的四氧化三铁 ,然 后由沉淀聚合法制备了壳聚糖磁性微球。 (1)使用油酸改性四氧化三铁使制备的微球的 分散性明显提高 ,油酸的改性增加了壳聚糖磁性微球 的疏水性。 (2)经沉淀聚合成功制备了磁性明显的壳聚糖 磁性 微 球。其 适 宜 条 件 为 : 硫 酸 钠 浓 度 为 1. 4 mol·L - 1 ,油酸改性 Fe3 O4 ,乳化剂用司盘 80与 吐温 80 复合乳化剂。红外光谱验证了壳聚糖与 Fe3 O4 的共聚 , SEM及 DLS对其形貌及粒径进行的表 征表明微球分散性良好 ,平均粒径为 150 nm。这些结 果为进一步进行该壳聚糖磁性微 (下转第 18页 ) —4— 化工时刊 　20081Vo l122 , No. 7　　　　　　　　　　科技进展《Advance s in Sc ience & Techno lo gy》 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 面膜中表面活性剂和正丁醇的质量分数。从质量平 衡关系方程 ,可得到体系的其他一些重要参数 ,如表 面活性剂和正丁醇在正辛烷中的溶解度等。 参考文献 [ 1 ]　郑中 , 胡纪华. 表面活性剂的物理化学原理 [M ]. 广 州 : 华南理工大学出版社 , 1995 [ 2 ]　Kunieda H, Shinoda K. Solution behavior and hydrophile - lipophile balance temperature in the aerosol OT - isooctane - brine system: Correlation between m icroemulsions and ultralow interfacial tensions[ J ]. J. Colloid Interface Sci. , 1980, 75: 601～606 [ 3 ] 　Kunieda H, Hanno K, Yamaguchi S, Shinoda K, The three - phase behavior of a brine / ionic surfactant/nonionic surfactant/oil system: Evaluation of the hydrophile - lipo2 phile balance (HLB) of ionic surfactant[ J ]. J. Colloid In2terface Sci. , 1985, 107: 129～137[ 4 ]　柴金岭 , 李东祥 , 李干佐等. 混和碳链烷基聚葡糖苷中相微乳液的研究 [ J ]. 化学学报 , 2004, 62 (1) : 47～52[ 5 ]　李干佐 , 郑立强 , 徐桂英等. 中相微乳液的形成和特性-表面活性剂复配及醇和油的影响 [ J ]. 科学通报 ,1993, 38 (22) : 2042～2044[ 6 ]　李干佐 , 郝京诚 , 李方等. 阳离子表面活性剂中相微乳液的形成和特性 [ J ]. 物理化学学报 , 1995, 11 ( 6 ) :553～557[ 7 ]　Kunieda H, Shinoda K. Evaluation of the hydrophile - li2pophile balance (HLB ) of nonionic surfactants. I. Multi2surfactant system s [ J ]. J. Colloid Interface Sci. , 1985,107: 107～121 (上接第 4页 ) 球在药物释控方面的研究打下了基础。 参考文献 [ 1 ]　Zhang J, M isra R D K. Magnetic drug - targeting carrier encap sulated with thermosensitive smart polymer: Core - shell nanoparticle carrier and drug release response [ J ]. Acta B iomaterialia, 2007, 3: 838～850 [ 2 ]　Gup ta A K, Gup ta M. Synthesis and surface engineering of iron oxide nanoparticles for biomedical app lications [ J ]. B iomaterials, 2005, 26: 3995～4021 [ 3 ] 　Yang - Chuang Chang, Dong - Hwang Chen. Preparation and adsorp tion p roperties of monodisperse chitosan - bound Fe3O4 magnetic nanoparticles for removal of Cu ( II) ions [ J ]. J. Colloid. Interf. Sci. , 2005, 283: 446～451 [ 4 ]　Agnihotri S A, Mallikarjuna N N, Am inabhavi T M. Re2 cent advances on chitosan - based m icro - and nanoparti2 cles in drug delivery [ J ]. J. Control. 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