李 建 周冠成 朱文遠 吳偉兵 景 宜 戴紅旗

(南京林業(yè)大學(xué)江蘇省制漿造紙科學(xué)與技術(shù)重點實驗室,江蘇省林業(yè)資源高效加工利用協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇南京,210037)

功能性乙基纖維素復(fù)合微球的制備及性能

李 建 周冠成 朱文遠 吳偉兵*景 宜 戴紅旗

(南京林業(yè)大學(xué)江蘇省制漿造紙科學(xué)與技術(shù)重點實驗室,江蘇省林業(yè)資源高效加工利用協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇南京,210037)

將聚N-異丙基丙烯酰胺、Fe3O4納米顆粒和染料4-甲胺基-9-烯丙基-1,8-萘酰亞胺與乙基纖維素溶液共混,利用高壓靜電噴霧技術(shù)一步法制得兼具溫敏性、磁性和熒光性的乙基纖維素復(fù)合微球。結(jié)果表明,制備的乙基纖維素復(fù)合微球平均粒徑在亞微米級,Fe3O4納米顆粒的添加提高了復(fù)合微球的骨架強度和改善了微球形貌。當(dāng)溫度超過聚N-異丙基丙烯酰胺的低臨界溶解溫度時,乙基纖維素復(fù)合微球的平均粒徑減小,表現(xiàn)出溫敏性；基于微球的溫敏響應(yīng),乙基纖維素復(fù)合微球表現(xiàn)出與染料溶液相反的溫致熒光增強性能。振動樣品磁強計分析結(jié)果表明,乙基纖維素復(fù)合微球具有良好的超順磁性。

高壓靜電噴霧；溫敏性；磁性；熒光；乙基纖維素微球

高分子微球指粒徑在納米至微米級、形狀為球形或其他形狀的高分子聚集體,其既可以為實心型,也可以是空心型或多孔型。高分子微球因特殊尺寸、結(jié)構(gòu)和功能，其幾乎在各個領(lǐng)域都有應(yīng)用[1]。其中,多功能高分子復(fù)合微球作為一種特殊的微球材料,其合成和應(yīng)用已成為國內(nèi)外研究的熱點之一,如兼具熒光、磁性和環(huán)境響應(yīng)性高分子微球,它們在熒光示蹤、藥物緩釋或控釋、磁靶向釋放和生物檢測等方面有著重要的應(yīng)用[2- 4]。高分子微球常用的制備方法有沉淀法[5]、聚合法[6-7]、溶膠-凝膠轉(zhuǎn)化法[8-9]和高壓靜電噴霧法[10-11]等。高壓靜電噴霧法是一種利用電流體動力學(xué)射流技術(shù)將聚合物溶液或熔體制備成高分子微粒的方法。相較于其他制備方法,高壓靜電噴霧法屬物理方法,工藝簡單,綠色環(huán)保,且微球的粒徑和形態(tài)可控性強[12-13]。此外,多功能高分子復(fù)合微球的制備通常需通過多步處理和反應(yīng),而高壓靜電噴霧法理論上可一步成型制備得到多功能復(fù)合微球?；诖?筆者以廉價易得、生物相容和可生物降解的乙基纖維素作為高分子骨架載體,將磁性顆粒、熒光物質(zhì)和溫敏高分子與乙基纖維素溶液共混,通過高壓靜電噴霧技術(shù)一步法制得兼具溫敏性、熒光性和磁性的多功能高分子復(fù)合微球。其中,磁性顆粒為超順磁性Fe3O4納米顆粒；選用的熒光物質(zhì)4-甲胺基-9-烯丙基-1,8-萘酰亞胺(MMNI)是一種具有高熒光量子效率和穩(wěn)定熒光發(fā)射性能的染料[14-15]；溫敏性高分子物質(zhì)為聚N-異丙基丙烯酰胺(PNIPAAM)[16],其低臨界溶解溫度(LCST)在32℃左右；由于該溫度接近生理學(xué)溫度(37℃),因此，其在藥物緩釋領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景[17]。

1 實 驗

1.1 試劑和設(shè)備

乙基纖維素(EC,M9)、FeCl3·6H2O、FeCl2·4H2O均為化學(xué)純試劑(國藥集團化學(xué)試劑有限公司),無水乙醇為分析純試劑(南京化學(xué)試劑廠)。MMNI和PNIPAAM分別按文獻[15]和[18]方法制備。

高壓靜電噴霧裝置為實驗室自制,其中，微量注射泵(LSP01-1A)和DPS-高壓電源(額定電壓20 kV)分別從保定蘭格恒流泵有限公司和大連鼎通科技發(fā)展有限公司購置。其他設(shè)備為透射電鏡(TEM,JEM-1230,JEOL公司)、掃描電子顯微鏡(SEM,Hitachi S- 4800,日本)、振動樣品磁強計(Lake Shore 7407)、倒置暗場顯微成像系統(tǒng)(SPRS/SERS,Nikon,N-STORM)、激光粒度分析儀(LS230)及熒光分光光度計(Shimadzu RF-5301PC)。

1.2 Fe3O4納米顆粒的制備

采用化學(xué)共沉淀法制備Fe3O4納米顆粒：將摩爾比為2∶1的FeCl3·6H2O和FeCl2·4H2O溶解于水中(通N2保護),在500 r/min轉(zhuǎn)速下機械攪拌0.5 h,再將濃氨水以2 s/滴的速率加入到上述溶液中,當(dāng)pH值調(diào)至9時停止滴加。繼續(xù)熟化2 h后,停止加熱攪拌,保持通N2使其冷卻,通過磁鐵分離產(chǎn)物，并用去離子水洗滌3次。

圖2 功能性乙基纖維素復(fù)合微球的SEM照片

1.3 功能性乙基纖維素復(fù)合微球的制備

在質(zhì)量分數(shù)為10%的乙基纖維素-乙醇溶液中按照一定比例加入PNIPAAM、MMNI和Fe3O4納米顆粒中的一種或幾種,充分攪拌混合均勻,以上述混合液為原料液進行高壓靜電噴霧制備系列功能性乙基纖維素復(fù)合微球[10]。高壓靜電噴霧裝置如圖1所示,具體操作步驟如下：混合液注入到10 mL針管內(nèi)(金屬針頭內(nèi)徑為1.2 mm),安裝于微量注射泵上,控制電極間距為15 cm,流量為10 μL/min,電壓為10 kV,以金屬銅板作為樣品接收器。復(fù)合微球系列中不含任何功能性物質(zhì)的空白微球記為ECMs,僅包含PNIPAAM的微球記為ECMs-T,僅含MMNI染料的微球記作ECMs-F,同時含有PNIPAAM和MMNI的微球記為ECMs-TF,同時含有PNIPAAM、MMNI和Fe3O4的微球記為ECMs-TFM。

1.4 表征

利用透射電鏡觀測Fe3O4納米顆粒的形態(tài)，測定其粒徑；利用掃描電子顯微鏡觀察乙基纖維素復(fù)合微球的形態(tài)和表面結(jié)構(gòu)；利用振動樣品磁強計檢測Fe3O4納米顆粒和乙基纖維素復(fù)合微球的磁性能；利用倒置暗場顯微成像系統(tǒng)拍攝乙基纖維素復(fù)合微球的光學(xué)顯微鏡照片和熒光顯微鏡照片，并測定其熒光光譜；利用激光粒度分析儀測定不同溫度下乙基纖維素復(fù)合微球平均粒徑；利用帶150 W氙燈的熒光分光光度計測得乙基纖維素復(fù)合微球熒光發(fā)射光譜,其中，激發(fā)光和發(fā)射光的縫寬均為5.0 nm。

圖1 高壓靜電噴霧示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 乙基纖維素復(fù)合微球形貌特征

圖2為不同功能類型乙基纖維素復(fù)合微球(ECMs、ECMs-F、ECMs-TF和ECMs-TFM)的SEM照片。該系列復(fù)合微球大部分粒徑小于1 μm,平均粒徑在亞微米級,其中少部分復(fù)合微球粒徑在100 nm以下。由圖2可知, ECMs內(nèi)凹塌陷呈紅細胞狀結(jié)構(gòu),這是由于高壓靜電噴霧過程中溶劑快速蒸發(fā)引起乙基纖維素收縮造成的。ECMs-F形態(tài)與ECMs類似,少量負載染料MMNI對微球形態(tài)并未產(chǎn)生影響。負載有1%MMNI和10%PNIPAAM(均相對于乙基纖維素的絕干質(zhì)量)的ECMs-TF同樣未能顯著抑制乙基纖維素收縮,這表明簡單的聚合物共混不能顯著提高復(fù)合微球高分子的骨架強度。而進一步負載Fe3O4納米顆粒的ECMs-TFM呈完整球形,幾乎不存在結(jié)構(gòu)塌陷現(xiàn)象。顯然,Fe3O4納米顆?？娠@著增強復(fù)合微球高分子骨架的剛性,從而抑制了噴霧干燥過程中微球的結(jié)構(gòu)收縮和塌陷。

圖3 PNIPAAM負載量不同的ECMs-TF和ECMs-TFM平均粒徑隨溫度的變化情況

圖4 ECMs-TFM的倒置暗場光學(xué)顯微鏡照片(A)和熒光顯微鏡照片(B)

2.2 乙基纖維素復(fù)合微球溫敏性

PNIPAAM負載量不同的ECMs-TF和ECMs-TMF在不同溫度下的平均粒徑變化如圖3所示。由圖3可知,ECMs-TF和ECMs-TFM分別在20℃(低于PNIPAAM的LCST)和50℃(高于PNIPAAM的LCST)時的平均粒徑存在差異,50℃時的平均粒徑明顯小于20℃時的平均粒徑,且隨著PNIPAAM負載量的增加(從0提高至20%),20℃和50℃時的平均粒徑的差異呈增大趨勢。此外,溫度為20℃時,PNIPAAM負載量對ECMs-TF和ECMs-TFM的平均粒徑無顯著影響；而溫度為50℃時,隨著PNIPAAM負載量的增加,ECMs-TF和ECMs-TMF的平均粒徑都呈下降趨勢。上述變化規(guī)律表明,負載有PNIPAAM的乙基纖維素復(fù)合微球具有一定的溫敏性,其溫敏性來源于PNIPAAM；當(dāng)環(huán)境溫度高于其LCST時,PNIPAAM分子會由原先的舒展?fàn)顟B(tài)變?yōu)轵榭s狀態(tài),從而引起乙基纖維素的收縮并造成微球粒徑減小,微球的溫致粒徑變化程度隨著PNIPAAM負載量的增加有增大的趨勢。仔細對比ECMs-TF和ECMs-TFM的溫敏變化曲線發(fā)現(xiàn),相同條件下，ECMs-TFM的溫致粒徑減小程度小于ECMs-TF,原因可能是Fe3O4納米顆粒對微球骨架的收縮起到一定的抑制作用,這與SEM分析所得結(jié)果一致。

圖5 不同溫度下ECMs-TFM水分散液和MMNI水溶液的熒光光譜

2.3 乙基纖維素復(fù)合微球的熒光性能

采用倒置暗場光學(xué)成像系統(tǒng)對ECMs-TFM進行觀察(見圖4)。圖4(a)為倒置暗場光學(xué)顯微鏡照片。從圖4(a)可以觀察到,ECMs-TFM在普通光源下呈白色,大部分微球顆粒相互獨立且分散良好,少量微球有團聚現(xiàn)象,微球粒徑在1 μm以下。圖4(b)為激發(fā)光下的倒置暗場熒光顯微鏡照片,在465～495 nm藍光激發(fā)下,ECMs-TFM微球呈明顯的綠色熒光。對比倒置暗場光學(xué)顯微鏡照片可以發(fā)現(xiàn),倒置暗場熒光顯微鏡照片能夠真實地反應(yīng)微球的位置、形態(tài)和數(shù)量,這有助于借助熒光技術(shù)對乙基纖維素復(fù)合微球進行熒光示蹤分析和檢測。

通過測定不同溫度下ECMs-TFM的熒光發(fā)射光譜研究了其溫敏熒光性能,結(jié)果如圖5所示。當(dāng)溫度從20℃升高到50℃時,ECMs-TFM表現(xiàn)出溫致熒光增強性能,這與純MMNI溶液的熒光強度隨溫度變化趨勢正好相反。通常,染料的熒光量子效率和相應(yīng)熒光強度會隨著溫度的升高而降低[19]。ECMs-TFM的溫致熒光增強效應(yīng)與溫敏性PNIPAAM有關(guān),PNIPAAM的溫致構(gòu)象變化會在一定程度上改變?nèi)玖戏肿铀幍沫h(huán)境。當(dāng)溫度低于PNIPAAM的LCST時,PNIPAAM分子鏈構(gòu)象伸展,呈親水性；溫度高于LCST時,由于聚合物分子內(nèi)氫鍵作用增強,PNIPAAM由伸展構(gòu)象變?yōu)槭湛s構(gòu)象,這使得其親水性減弱、疏水性增強[16]。因此,ECMs-TFM的溫致熒光增強性能可從以下2個方面進行解釋：一是溫度高于PNIPAAM的LCST時,染料基團周圍環(huán)境的疏水性提高,有利于提高染料熒光量子效率[20]；二是PNIPAAM引起的高分子鏈?zhǔn)湛s在一定程度上限制了染料分子的轉(zhuǎn)動和振動,從而減少非輻射躍遷概率,提高熒光強度[21-22]。溫度變化對ECMs-TFM水分散液和MMNI水溶液的最大熒光發(fā)射波長并無明顯影響但在相同溫度(20℃或50℃)條件下,相較于MMNI水溶液的最大熒光發(fā)射波長，ECMs-TFM水分散液的最大熒光發(fā)射波長向短波長方向發(fā)生了藍移。由于ECMs-TFM中的MMNI實際處在乙基纖維素構(gòu)成的微環(huán)境中,其極性比外圍水介質(zhì)低,因此，該藍移變化(>10 nm)與MMNI染料的最大熒光發(fā)射波長隨溶劑的極性降低而藍移的結(jié)果一致[6]。此外,聚合物構(gòu)成的微球殼還能有效隔離和保護染料分子,減少熒光聚集猝滅和光漂白問題[23]。

圖6 Fe3O4納米顆粒透射電鏡照片(A)及Fe3O4納米顆粒和ECMs-TFM的磁化曲線(B)

2.4 乙基纖維素復(fù)合微球的磁性能

圖6(a)為Fe3O4納米顆粒的透射電鏡照片。由圖6(a)可知,Fe3O4納米顆粒平均粒徑為15 nm,大部分Fe3O4呈圓球形,分散較好,但由于受到磁偶極作用的影響,仍存在小部分團聚現(xiàn)象。磁性物質(zhì)的尺寸影響產(chǎn)品的磁性能；Fe3O4的單疇理論臨界尺寸為25 nm；在該尺寸以下,Fe3O4單個顆粒內(nèi)部只擁有一個磁疇；磁疇內(nèi)部原子磁矩方向一致,在外加磁場的作用下,所有磁疇取向順著外磁場方向達到飽和,撤去外加磁場,又會恢復(fù)雜亂無章的狀態(tài),故沒有剩磁和矯頑力,表現(xiàn)出超順磁性[24]。實際測得的Fe3O4納米顆粒和ECMs-TFM的磁滯回線如圖6(b)所示。由圖6(b)可知,兩者的磁滯回線幾乎完全重合,無剩磁和矯頑力,說明制備的Fe3O4納米顆粒確實具有超順磁性的特征,而且在微球中負載后并未改變其超順磁性特征。在相同磁場強度下,單位質(zhì)量的ECMs-TFM的磁化強度低于Fe3O4,這是由磁性ECMs-TFM中含有無磁性的乙基纖維素和Fe3O4的絕對含量較低所致。

3 結(jié) 論

將聚N-異丙基丙烯酰胺(PNIPAAM)、Fe3O4納米顆粒和4-甲胺基-9-烯丙基-1,8-萘酰亞胺(MMNI)與乙基纖維素-乙醇溶液共混,利用高壓靜電噴霧法一步成型制得具有溫敏性、磁性和熒光性的乙基纖維素復(fù)合微球。多功能乙基纖維素復(fù)合微球平均粒徑在亞微米級,Fe3O4納米顆粒的添加提高了微球的骨架強度和改善了微球形貌。當(dāng)溫度高于PNIPAAM的低臨界溶解溫度時,乙基纖維素復(fù)合微球表現(xiàn)出溫致粒徑減小效應(yīng)和與染料溶液相反的溫致熒光增強性能。此外,乙基纖維素復(fù)合微球還具有良好的超順磁性。

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(責(zé)任編輯：陳麗卿)

Preparation and Properties of Functional Composite Ethyl Cellulose Microspheres

LI Jian ZHOU Guan-cheng ZHU Wen-yuan WU Wei-bing*JING Yi DAI Hong-qi

(JiangsuProvincialKeyLabofPulpandPaperScienceandTechnology,NanjingForestryUniversity,JiangsuCo-innovationCenterforEfficientProcessingandUtilizationofForestResources,Nanjing,JiangsuProvince, 210037)

(*E-mail: wbwu@njfu.edu.cn)

Poly(N-isopropyl acrylamide) (PNIPAAM), Fe3O4nanoparticles and dye 4-(methylamino)-9-methyl-1,8-naphthalimide (MMNI) were premixed with the solution of ethyl cellulose ethanol, and high-voltage electrostatic spraying technology was applied to prepare thermo-responsive, magnetic and fluorescent microspheres by one-step method. Results showed that the average particle size of the obtained ethyl cellulose microspheres was in submicron level. The addition of Fe3O4increased the strength of microsphere skeleton and improved the morphology of microspheres. The average particle size of microspheres decreased as temperature exceeded the lower critical solution temperature of PNIPAAM, indicating the thermo-responsiveness of composite microspheres. Microspheres showed temperature-induced enhancement of fluorescence based on their thermo-responsiveness. Vibrating sample magnetometer analysis showed that the composite microspheres possessed good superparamagnetism．

high-voltage electrostatic spraying; thermo-responsiveness; magnetism; fluorescence; ethyl cellulose microsphere

2016- 06-19

國家自然科學(xué)基金(No.31200453,31200454,31470599)資助項目；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目。

李 建,男,1992年生；在讀碩士研究生；主要研究方向：纖維素功能材料。

*通信聯(lián)系人：吳偉兵，E-mail:wbwu@njfu.edu.cn。

TS721;TB34

A

1000- 6842(2017)01- 0040- 05