陳 宇, 劉 兆 麗, 吳 慶 輝

( 大連工業(yè)大學(xué) 輕工與化學(xué)工程學(xué)院, 遼寧 大連 116034 )

0 引 言

殼聚糖是自然界中唯一的堿性多糖,因其高安全性、良好的生物相容性以及黏合性、血液相容性、微生物可降解性等優(yōu)良性能而在食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。將殼聚糖作為載體,一是由于它具有親水性,可以延長(zhǎng)藥物微球在體內(nèi)的循環(huán)時(shí)間,減少被巨噬細(xì)胞捕獲,從而提高藥物有效利用度；二是因其具有高的藥物的包封率和載藥量[3-4]。但是目前對(duì)于制備殼聚糖微球[5-6]的研究還較少,本實(shí)驗(yàn)研究的殼聚糖微球是以殼聚糖作為載體,將藥物包敷在微球中,起到控釋和緩釋效應(yīng),并因其對(duì)特定器官和組織的靶向性而有效地作用于生物體內(nèi)[7]。

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)反相懸浮交聯(lián)的方法,采用液體石蠟為分散介質(zhì),經(jīng)甲醛和戊二醛交聯(lián)制備微米級(jí)窄分布的殼聚糖微球。探討了影響微球制備的主要因素,得出了較佳的制備條件,為殼聚糖微球的成型加工提供了一定的參考依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試 劑

殼聚糖(大連勃達(dá)生物科技有限公司,脫乙酰度>90%),戊二醛、甲醛、液體石蠟、煤油、乙酸乙酯、Span-80、冰乙酸、無(wú)水乙醇、氫氧化鈉,均為AR級(jí)。

1.2 殼聚糖微球的形成機(jī)理

在含有表面活性劑中的有機(jī)溶劑中,在機(jī)械攪拌同時(shí)滴入殼聚糖溶液,經(jīng)分散形成以殼聚糖為內(nèi)相的W/O型乳液,然后通過(guò)甲醛或戊二醛進(jìn)行內(nèi)相的化學(xué)交聯(lián)固化并分離制備微球。

1.3 制備方法

配制一定濃度的殼聚糖-乙酸溶液,靜置2 d以上待用；于250 mL三口燒瓶中,分別加入油相液體石蠟、乳化劑Span-80,攪拌0.5 h后加入配制好的殼聚糖溶液,并調(diào)節(jié)一定的攪拌轉(zhuǎn)速使其形成乳液。升溫至60 ℃,加入一定量的甲醛溶液,將pH調(diào)至9后反應(yīng)0.5 h,然后加入一定量的戊二醛,升溫至80 ℃后再反應(yīng)1 h。將溶液過(guò)濾并用煤油充分洗滌。用無(wú)水乙醇于索氏提取器中抽提24 h以去除殘留的有機(jī)物。在烘箱中80 ℃ 烘至恒重,最后將干燥后的產(chǎn)物研磨成均勻的粉末,即可得殼聚糖微球。

1.4 性能測(cè)定

1.4.1 微球形貌觀察及統(tǒng)計(jì)分析

取一定的干燥后的微球,真空鍍金(殼聚糖是非導(dǎo)電體,需噴金)后用掃描電鏡進(jìn)行形貌觀察。并選取任意區(qū)域的微球作為樣本(至少30個(gè)),測(cè)定其直徑,參照下述公式計(jì)算平均粒徑d和分散度DP。

DP=δ/d

式中,di為單個(gè)微球的粒徑,μm；d為平均粒徑,μm；n為微球的個(gè)數(shù)；DP為分散度。

1.4.2 紅外吸收光譜法分析

取1 mg左右的樣品與100 mg干燥的溴化鉀粉末研磨混合均勻后,將混合物放入特定的模子中壓制成薄片,即可測(cè)定其紅外吸收光譜。

1.4.3 吸附行為的表征

稱取一定量干燥后的微球(m0),用吸油紙包好,然后將其完全浸入裝有薄荷油的小燒杯中,每隔2 min測(cè)定微球的質(zhì)量m,按下式計(jì)算微球的吸油率L。

L=(m-m0)/m0

2 結(jié)果討論

2.1 殼聚糖和液體石蠟溶液兩相體積比對(duì)微球制備的影響

其他實(shí)驗(yàn)條件不變,改變液體石蠟和殼聚糖溶液兩相的體積比進(jìn)行實(shí)驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可知,隨著液體石蠟和殼聚糖溶液體積比的增大,產(chǎn)物形狀不規(guī)則；隨著兩相體積比的減小,所得微球的形狀規(guī)則程度增加,微球尺寸也較均勻,但也不應(yīng)過(guò)小。由圖1(d)可知,當(dāng)體積比小于1∶1.5時(shí),微球的形狀規(guī)則度下降且粒度偏細(xì)?？梢?jiàn)兩相體積比應(yīng)控制在1∶1～1∶1.5。

圖1 液體石蠟和殼聚糖溶液兩相體積比對(duì)微球制備影響的SEM照片

Fig.1 SEM photograph of volume ratio of liquid paraffin and the chitosan solution on the preparation of chitosan microspheres

2.2 乳化劑用量對(duì)微球制備的影響

乳化劑的使用可以增強(qiáng)反應(yīng)體系中形成的微乳滴在未固化交聯(lián)之前的穩(wěn)定性,使其保持較好的球體形態(tài),且乳滴間不會(huì)發(fā)生相互黏著而導(dǎo)致乳液的破乳和聚并。乳化劑Span-80用量對(duì)微球形態(tài)的影響如表1所示。由表1可見(jiàn),乳化劑Span-80使用量增大,可以提高微球形成的均勻性并減少微球間的黏著,乳化劑的最佳用量為9.0 mg/mL。

表1 Span-80質(zhì)量濃度對(duì)微球制備的影響

Tab.1 The effect of Span-80 concentration on the preparation of the chitosan microspheres

ρ(Span-80)/(mg·mL-1)產(chǎn)物成球性2.3-4.5+6.8++ 9.0++注:-,成球性差,黏著嚴(yán)重,有不規(guī)則物;+,成球一般;++,成球均勻。

2.3 交聯(lián)劑的種類及用量對(duì)微球制備的影響

為了得到具有一定剛性的殼聚糖微球,需要加入交聯(lián)劑進(jìn)行交聯(lián)固化,選用甲醛和戊二醛作為交聯(lián)劑,考察其用量對(duì)微球成形的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知,戊二醛的使用量對(duì)微球的形成有較大的影響,隨著戊二醛用量增加,殼聚糖交聯(lián)程度逐步增大。但戊二醛用量過(guò)多時(shí),產(chǎn)物聚集嚴(yán)重,甚至相互粘連在一起難以分散開(kāi)。甲醛的用量對(duì)產(chǎn)物特性影響較小。當(dāng)戊二醛與殼聚糖溶液的體積比為1∶20時(shí),不同甲醛用量均可得到形態(tài)較好的微球,因此選擇戊二醛作為交聯(lián)劑,其較佳戊二醛與殼聚糖溶液的體積比為1∶20。

表2 交聯(lián)劑用量對(duì)殼聚糖成球特性的影響

Tab.2 The effect of crosslinker agent on microsphere formation of chitosan

V(甲醛)/V(殼聚糖溶液)V(戊二醛)/V(殼聚糖溶液)產(chǎn)物成球性01∶20++1∶100+1∶101∶8-1∶101∶10±1∶101∶20++1∶201∶20++注:++,成球均勻;+,成球一般;-,成球性差,黏著嚴(yán)重,有不規(guī)則物。

2.4 殼聚糖溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)微球制備的影響

殼聚糖溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%時(shí),微球的平均粒徑及分散性如圖2所示。由圖2可見(jiàn),隨著殼聚糖溶液濃度逐漸增大,微球的粒徑逐漸變大,粒徑分散度下降,即提高了成球性和均勻性。由于高濃度殼聚糖溶液黏度較大,致使微球互相聚集、不易分散。但高濃度下微球粒徑的分散度減小,可獲得粒度(平均粒徑)均勻、單分散性(單位表面積中微球的分散性)好的微球。綜合考慮,殼聚糖溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.5%時(shí)較為理想。

圖2 殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)殼聚糖微球的平均粒徑、分散度的影響

Fig.2 The effect of chitosan concentration on the chitosan microspheres average particle size and its dispersity

2.5 攪拌速度對(duì)微球制備的影響

攪拌速度對(duì)微球形成的影響如圖3所示,攪拌速度增加,制得的微球粒徑逐漸變小。同時(shí)提高攪拌速度一定程度上能明顯降低分散度,增加微球的均勻性且保持產(chǎn)物呈規(guī)整球形。攪拌速度很小時(shí),難以使殼聚糖溶液分散均勻,得到的微球呈現(xiàn)皺縮形貌。當(dāng)攪拌速度增加時(shí),在形成乳液過(guò)程中,殼聚糖溶液被分散形成的液滴越來(lái)越小,所以使交聯(lián)固化后得到的微球尺寸也變小。因此制備微米級(jí)窄分布?xì)ぞ厶俏⑶虻臄嚢柁D(zhuǎn)速需大于800 r/min。

圖3 攪拌速度對(duì)殼聚糖微球的平均粒徑及分散度的影響

Fig.3 The effect of stirring speed on the chitosan microspheres average particle size and its dispersity

2.6 微球的紅外光譜分析

交聯(lián)殼聚糖微球和原殼聚糖的紅外光譜如圖4所示,經(jīng)交聯(lián)后在1 310 cm-1處的特征峰表明了產(chǎn)物仍有乙酰氨基的存在,同時(shí)原料殼聚糖1 587 cm-1處氨基的變形振動(dòng)特征峰消失,表明殼聚糖的氨基參與了反應(yīng),從而證明其與戊二醛交聯(lián)生成西佛堿反應(yīng)的發(fā)生。

2.7 微球的形貌及吸附性能

選取最佳條件下制備的殼聚糖微球,測(cè)定其微觀形貌(圖5)及對(duì)薄荷油的吸附能力(圖6)。由圖6可見(jiàn)殼聚糖微球具有一定的吸附能力,在吸附初期吸附速度非常快,到4 min左右即接近飽和吸附,然后吸附曲線趨于平緩,符合吸附的一般規(guī)律。但其吸附能力并不是特別強(qiáng),在后續(xù)研究中可以通過(guò)致孔劑的應(yīng)用增加微球的孔隙率,從而進(jìn)一步提高其吸附能力。

圖4 原殼聚糖(a)及殼聚糖微球(b)的紅外光譜圖

Fig.4 IR spectra of the original chitosan (a) and chitosan microspheres (b)

圖5 殼聚糖微球的SEM照片

圖6 殼聚糖微球?qū)Ρ『捎偷奈角€

Fig.6 Adsorption curve of the chitosan microspheres on the peppermint oil

3 結(jié) 論

采用反相懸浮交聯(lián)法微米級(jí)窄分布的殼聚糖微球,其最佳制備條件為殼聚糖溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.5%、油相液體石蠟和水相殼聚糖溶液的兩相體積比1∶1.5、Span-80在油相中的質(zhì)量濃度9.0 mg/mL,選用戊二醛作為交聯(lián)劑,其體積與殼聚糖溶液的體積比1∶20,在高于800 r/min的攪拌轉(zhuǎn)速下進(jìn)行反應(yīng),所得產(chǎn)物是分布較窄的微米級(jí)殼聚糖微球。從微米級(jí)殼聚糖吸附性能的初步研究中看出,其吸附能力有一定的局限性,可以通過(guò)致孔劑的應(yīng)用,增加殼聚糖微球的孔隙率,進(jìn)一步提高殼聚糖微球的吸附能力。

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