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(1.華東理工大學(xué)化學(xué)工程研究所,上海 200237; 2.中化化肥有限公司成都研發(fā)中心,成都 610015)

殼聚糖/脲醛樹(shù)脂微膠囊的制備和控釋性能

葉鵬飛1,陳葵1,紀(jì)利俊1,朱家文1,盛勇2

(1.華東理工大學(xué)化學(xué)工程研究所,上海200237;2.中化化肥有限公司成都研發(fā)中心,成都610015)

以脲醛樹(shù)脂(UF)/殼聚糖(CS)復(fù)合材料為殼材,以溶解了阿維菌素的二甲苯為芯材,研究脲醛樹(shù)脂(UF)/殼聚糖(CS)緩控釋農(nóng)藥微膠囊的制備方法。改變殼層聚合過(guò)程中作為交聯(lián)劑的甲醛的引入方式,制備得到一系列微膠囊。通過(guò)紅外光譜儀、粒度分布儀、掃描電鏡等對(duì)微膠囊的化學(xué)結(jié)構(gòu)、組成成分、形貌特征進(jìn)行表征,發(fā)現(xiàn)在縮聚階段引入甲醛可以提高微膠囊殼層中殼聚糖的含量,進(jìn)而提高微膠囊的包覆率和緩釋效果。在優(yōu)化條件下制備得到的微膠囊粒徑7.14μm,包覆率大于70%。

微膠囊; 殼聚糖; 脲醛樹(shù)脂; 緩釋農(nóng)藥

脲醛樹(shù)脂(UF)是由尿素和甲醛聚合而成的高分子材料,具有原料價(jià)格便宜、制備條件溫和、耐磨性好等優(yōu)點(diǎn)[1],此外,樹(shù)脂中的氮元素還可以作為潛在的氮源供給植物利用[2],因此,UF是一種良好的緩釋農(nóng)藥微膠囊(MCP)壁材。UF降解性差、水溶性低、脆性大[3],尤其是降解性差的缺點(diǎn)限制了其在緩控釋農(nóng)藥微膠囊中的應(yīng)用。殼聚糖(CS)是一種天然的氨基多糖高分子物質(zhì),分子中含有大量甙鍵、羥基和胺基,在酸性溶液中具有溶解性,在自然條件下容易降解,且生物相容性好[4-7]。用CS改性UF,通過(guò)改變CS的含量可以調(diào)控復(fù)合材料的降解性;同時(shí),CS中含有的大量親水基團(tuán),可以提高復(fù)合材料的吸水溶脹性能,間接提高復(fù)合材料降解性能。CS的相對(duì)分子質(zhì)量在106左右,在復(fù)合材料的構(gòu)建過(guò)程中其空間位阻影響殼聚糖與樹(shù)脂的縮聚嵌入[8],因此,鮮有關(guān)于將UF和CS復(fù)合使用的報(bào)道。

Qu等[9]用UF和羧甲基化殼聚糖合成蛇籠樹(shù)脂,其膨脹性能和穩(wěn)定性能良好,在純水、鹽酸、NaOH溶液中均不脫序游離,對(duì)金屬有很強(qiáng)的吸收能力,因此,可以用蛇籠樹(shù)脂作為添加劑對(duì)其他壁材進(jìn)行改性或直接以此為膜材來(lái)制備微膠囊。Wang等[10]將CS溶液和UF預(yù)聚液加到芯材乳化液中,利用乳化劑十二烷基硫酸鈉對(duì)CS中氨基的吸引,在乳化液表面形成一層凝膠,再逐漸將pH降至3,使得UF預(yù)聚液中的羥基和CS中的氨基交聯(lián),形成微膠囊。這是一個(gè)雙層膜結(jié)構(gòu)的微膠囊,內(nèi)膜層為殼聚糖,外膜層以脲醛樹(shù)脂為主。因此,控制緩釋速率的主要步驟是較難降解的脲醛樹(shù)脂外殼層的降解速率,而殼聚糖控制緩釋速率的作用較弱。一般復(fù)合材料殼層微膠囊中控制緩釋速率的步驟是易降解材料的降解速率[11],因此在UF/CS單一混合殼層中,CS的降解速率決定了整個(gè)微膠囊的破裂速率,進(jìn)而決定了農(nóng)藥的釋放速率。

本文研究將UF/CS共混形成單一殼層微膠囊的制備方法,并且通過(guò)在UF制備過(guò)程的縮聚階段引入甲醛將殼聚糖羥甲基化,提高了微膠囊殼層中CS的含量,使微膠囊達(dá)到更好的緩釋效果和包覆效果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1原料

阿維菌素(AV)原藥:純度98.5%,鄒平德睿商貿(mào)有限公司;甲醛:質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37.0%～40.0%,上海凌峰化學(xué)試劑有限公司;尿素:純度≥99%,上海凌峰化學(xué)試劑有限公司;鄰二甲苯:純度≥98.0%,上海凌峰化學(xué)試劑有限公司;司班80 (Span-80):化學(xué)純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;吐溫80:化學(xué)純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;殼聚糖:國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;無(wú)水乙醇:分析純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2微膠囊的制備

1.2.1 阿維菌素乳化液的制備 將0.2 g阿維菌素和2 mL鄰二甲苯混合加熱至阿維菌素溶解在鄰二甲苯中;冷卻至室溫,加入Span-80,得到油相;另取一定量吐溫80 (Tween-80)溶于50 mL水中,得到水相;將水相倒入油相,在300 r/min轉(zhuǎn)速下攪拌乳化1 h,得到乳化液。

1.2.2 UF預(yù)聚液的制備 設(shè)預(yù)聚開(kāi)始時(shí)刻為t1,稱(chēng)量5 g尿素和一定質(zhì)量的甲醛(F1),混合溶解得到無(wú)色透明溶液;用氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)尿素甲醛混合液的pH為10;70 ℃下恒溫反應(yīng)1 h,得到預(yù)聚液。

1.2.3 微膠囊的包覆 設(shè)縮聚開(kāi)始時(shí)刻為t2,將預(yù)聚液、乳化液、CS溶液和一定質(zhì)量的甲醛(F2)混合,調(diào)節(jié)pH=3.5;將混合液移入夾套瓶,60 ℃恒溫反應(yīng),轉(zhuǎn)速300 r/min。設(shè)縮聚反應(yīng)1 h的時(shí)刻為t3,加入一定質(zhì)量的甲醛(F3)繼續(xù)反應(yīng)2 h。

反應(yīng)結(jié)束后過(guò)濾,并用水洗滌濾餅,40 ℃干燥24 h,得到微膠囊。

實(shí)驗(yàn)制備了4組微膠囊(MCP-1,MCP-2,MCP-3,MCP-4)來(lái)比較其形貌、粒度及緩釋性能差異。制備微膠囊所用原料用量見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)中尿素(U)和甲醛(F)溶液質(zhì)量比為1∶2。

表1 各組微膠囊的加料方式

1.3包覆率的測(cè)定

將制備所得的微膠囊懸濁液直接干燥,得到未包覆的阿維菌素和微膠囊的混合固體,稱(chēng)量其質(zhì)量為mMCP,取其中 0.5 g,用30 mL乙醇浸沒(méi)形成懸濁液,70 ℃下加熱3 min;將懸濁液轉(zhuǎn)移至100 mL容量瓶定容;從容量瓶中量取大約40 mL懸濁液在轉(zhuǎn)速10 000 r/min下離心10 min;移取1 mL上清液,定容至50 mL;測(cè)定50 mL容量瓶中溶液的吸光度A。

(1) 在波長(zhǎng)245 nm時(shí),測(cè)定阿維菌素乙醇溶液的濃度(c1)與吸光度A標(biāo)準(zhǔn)曲線方程:

c1=25.97A-0.161 9,R2=0.995

(1)

(2) 濾液中阿維菌素的質(zhì)量m1

(2)

式中,c′為未包覆阿維菌素的空白微膠囊(MCP-0)的濃度。

(3) 包覆率K

(3)

式中,m2為最初用于包覆的阿維菌素的質(zhì)量。

1.4微膠囊分解緩釋實(shí)驗(yàn)

稱(chēng)取1 g微膠囊裝入透析袋,再裝入1粒攪拌子,將透析袋兩端扎緊后沒(méi)入盛有200 mL體積分?jǐn)?shù)為30%乙醇溶液的棕色廣口瓶中,用凡士林密封瓶口,將廣口瓶室溫靜置。每隔一段時(shí)間,從廣口瓶中移取2 mL溶液至比色皿,再分別往廣口瓶和比色皿中加入2 mL體積分?jǐn)?shù)為30%的乙醇溶液,測(cè)定吸光度,并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)曲線法求得溶液中阿維菌素濃度。乙醇溶液中阿維菌素的濃度對(duì)吸光度的標(biāo)準(zhǔn)曲線為

c2=27.18A-0.068 1,R2=0.993 3

(4)

溶液中阿維菌素的濃度

cn=2c2

1.5微膠囊表征

微膠囊研磨后用溴化鉀壓片制樣,用Nicolet 6700型紅外光譜分析儀(美國(guó)Thermo electron公司)測(cè)定微膠囊紅外光譜,確定微膠囊結(jié)構(gòu);使用Nova NanoSEM 450型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察微膠囊形貌特征;使用Mastersize3000型粒度分析儀測(cè)定微膠囊粒徑分布。

2 結(jié)果與討論

2.1微膠囊的紅外分析

2.2微膠囊包覆率的測(cè)定

4組微膠囊包覆率的測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2,少量懸浮的脲醛樹(shù)脂顆粒會(huì)吸收紫外光,MCP-1的包覆率最低,這主要是因?yàn)閁F易收縮、脆性大,不容易在乳化液滴表面形成包裹。CS是一種長(zhǎng)鏈高分子,可以改善UF的力學(xué)性能,提高微膠囊的包覆率。

圖1 微膠囊紅外吸收光譜Fig.1 IR spectra of MCP

表2 MCP的包覆率

2.3微膠囊形貌分析

用掃描電子顯微鏡來(lái)分析微膠囊的形貌,結(jié)果示于圖2。微膠囊表面粗糙,表面無(wú)裂縫或破損,說(shuō)明包覆良好。由于微膠囊表面的--OH和--NH2相互之間可以形成氫鍵,或者在甲醛的作用下發(fā)生交聯(lián)反應(yīng),微膠囊易團(tuán)聚。由圖2可以看出,MCP-1和MCP-2團(tuán)聚嚴(yán)重;和MCP-1和MCP-2相比,MCP-3和MCP-4粒徑趨于縮小,分散性提高。因此,分批加入甲醛可以改善微膠囊的分散性。

2.4微膠囊粒徑分布

微膠囊的粒徑分布結(jié)果見(jiàn)表3,其中Dv指分割粒徑。4組微膠囊的粒徑均小于100 μm,屬于微米級(jí)顆粒。圖3所示為微膠囊粒徑分布圖。MCP-2的峰寬大于MCP-1,說(shuō)明殼聚糖使得微膠囊粒徑分布變寬。比較MCP-2、MCP-3和MCP-4的平均粒徑D[3,2]可知,隨著甲醛加入次數(shù)的增加,平均粒徑減小,說(shuō)明分批加料可以減弱微膠囊顆粒之間的黏連。雖然MCP-4的粒徑最小,但是它在圖3中有一個(gè)很大的拖尾,粒徑分布不夠集中。因此,MCP-3的平均粒徑較小,且分布較為集中,是較為理想的微膠囊。

圖2 微膠囊的SEM圖片F(xiàn)ig.2 SEM images of MCP

表3 微膠囊的粒徑分布結(jié)果

圖3 微膠囊粒徑分布圖Fig.3 Size-grading images of MCP

2.5微膠囊緩釋動(dòng)力學(xué)

UF/CS微膠囊的破裂速率與殼層材料中CS的含量有關(guān)。在殼層降解破裂之后,微膠囊的油相從殼層溢出,進(jìn)入水相,形成不穩(wěn)定的水包油體系,然后阿維菌素從油相擴(kuò)散進(jìn)入水相。由于二甲苯密度比水小,揮發(fā)性強(qiáng),微膠囊中芯材質(zhì)量相對(duì)于緩釋體系中水的質(zhì)量來(lái)說(shuō)很小,所以假定微膠囊釋放出的乳化液滴能在較短的時(shí)間內(nèi)上浮至水面,破乳揮發(fā)。微膠囊破裂的裂縫很大,所以藥物釋放的控制步驟不是油相從殼層進(jìn)入水相形成水包油的過(guò)程,而是阿維菌素從油相擴(kuò)散進(jìn)入水相的過(guò)程。

對(duì)微膠囊的緩釋性能進(jìn)行測(cè)定,緩釋結(jié)果如圖4所示。采用一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程對(duì)其進(jìn)行擬合[12]

c=-c0e-kt+ktn+c0

(6)

式中:k表示動(dòng)力學(xué)常數(shù);c0表示油相阿維菌素在水相中對(duì)應(yīng)的飽和濃度;c表示緩釋液中阿維菌素的濃度;tn表示微膠囊破裂所需時(shí)間。tn與殼層中CS的含量直接相關(guān),tn越大,表示微膠囊越難破裂,殼層中殼聚糖含量越低;tn越小,表示微膠囊越容易破裂,殼層中殼聚糖含量越高。

圖4 微膠囊緩釋曲線Fig.4 Controlled release curves of MCP

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,結(jié)果見(jiàn)表4。R2均大于0.97,說(shuō)明是緩釋過(guò)程符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)特征,結(jié)果理想。

表4 緩釋方程擬合表

分析表4可知,在含有CS的3組微膠囊中,殼層破裂時(shí)間tn的順序?yàn)镸CP-2>MCP-3>MCP-4,說(shuō)明這3組微膠囊中CS含量大小為MCP-4>MCP-3>MCP-2。因此分批加入甲醛可以提高微膠囊殼層中殼聚糖的含量。這是因?yàn)樵诳s聚階段引入的甲醛可以將CS羥甲基化,羥甲基化的CS和反應(yīng)體系中的羥甲基脲交聯(lián)反應(yīng),并擴(kuò)展為空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),這樣形成的殼層中CS含量較高。4組微膠囊中阿維菌在水相中飽和濃度的關(guān)系為MCP-4>MCP-3>MCP-2>MCP-1,后3組殼層摻雜了CS的微膠囊緩釋終點(diǎn)的溶液中阿維菌素的濃度大于殼層沒(méi)有摻雜CS的微膠囊,說(shuō)明CS提高了微膠囊對(duì)阿維菌素的包覆效果。MCP-1的動(dòng)力學(xué)常數(shù)k和MCP-2接近,說(shuō)明預(yù)聚合時(shí)一次性加入甲醛并不能明顯改善CS交聯(lián)進(jìn)入殼層的效果,但是實(shí)驗(yàn)中加入CS可以改善微膠囊的包覆效果。這可能是因?yàn)樵谌芤褐屑尤隒S,提高了反應(yīng)體系的黏度,降低了剛剛包覆好的微膠囊剪切破裂的可能性。MCP-3和MCP-4中阿維菌在水相中飽和濃度明顯大于前兩組,說(shuō)明縮聚階段加入的甲醛可以和CS先預(yù)聚,生成的羥甲基可以迅速和其他胺基反應(yīng),促進(jìn)了CS交聯(lián)進(jìn)入殼層,并且提高了包覆率。

3 結(jié) 論

采用原位聚合法,以CS改性的UF為壁材,以溶解了阿維菌素的二甲苯為芯材,制備得到鑲嵌有CS的UF微膠囊殼層緩釋農(nóng)藥微膠囊。研究表明,分階段加入甲醛,可以改變UF/CS的交聯(lián)過(guò)程,提高CS在微膠囊的復(fù)合殼層中的含量,提高農(nóng)藥的包覆率和緩釋效率。通過(guò)在縮聚階段分次導(dǎo)入甲醛制備所得的MCP-3的平均粒徑為7.14 μm、包覆率為70.39%,其緩釋性能良好,是較理想的緩釋微膠囊。

[1] 鄒洪濤.環(huán)境友好型包膜緩釋肥料研制及其養(yǎng)分控釋機(jī)理的研究[D].沈陽(yáng):沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué),2007:16-19.

[2] 郭振鐸,于曦,劉彤,等.高效緩釋化肥甲醛脲[J].天津師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1998,18(4):41-44.

[3] ZHANG Y H,GU J Y,TAN H Y,etal.Fabrication,performances,and reaction mechanism of urea-formaldehyde resin adhesive with isocyanate[J].Journal of Adhesion Science & Technology,2013,27(20):2191-2203.

[4] KWEON H Y,UM Y,PARK H.Structural and thermal characteristics of antheraea pernyi silk fibroin/chitosan blend film[J].Polymer,2001,42(15):6651-6656.

[5] PUTTIPIPATKHACHORN S,NUNTHANI J,YAMAMOTOC K,etal.Drug physical state and drug-polymer interaction on drug release from chitosan matrix films[J].Journal of Controlled Release,2001,75(1/2):143-153.

[6] 曲麗君,張吉強(qiáng),郭肖青,等.N-乙?；瘹ぞ厶悄さ闹苽浼捌浣Y(jié)構(gòu)與性能表征[J].印染助劑,2011,28(9):17-19.

[7] YONG S K,SRIVASTAVA M,KUNHIKRISHNAN A,etal.Environmental applications of chitosan and its derivatives[J].Reviews of Environmental Contamination & Toxicology,2015,233:1-43.

[8] GUAN Y,QI X M,CHEN G G,etal.Facile approach to prepare drug-loading film from hemicelluloses and chitosan[J].Carbohydrate Polymers,2016,153:542-548.

[9] QU R J,SUN Y Z,WANG C H,etal.Syntheses and properties of carboxymethyl chitosan/urea-formaldehyde snake-cage resins[J].Journal of Applied Polymer Science,2002,84(2):310-317.

[10] WANG R G,HU H L,HE X D,etal.Synthesis and characterization of chitosan/urea-formaldehyde shell micro-capsules containing dicyclopentadiene[J].Journal of Applied Polymer Science,2011,121(4):2202-2212.

[11] 趙媛,陳宜昭,王娟,等.納米纖維素/聚乳酸復(fù)合材料的降解性能[J].包裝工程,2016(11):20-26.

[12] 李揚(yáng),王仲妮.阿司匹林/殼聚糖聚集體的形成和釋放行為[J].中國(guó)海洋藥物,2016,35(6):72-78.

PreparationandSustained-ReleaseofMicrocapsulesConsistingofChitosan/Urea-FormaldehydeResin

YEPeng-fei1,CHENKui1,JILi-jun1,ZHUJia-wen1,SHENGYong2

(1.ChemicalEngineeringResearchCenter,EastChinaUniversityofScienceandTechnology,Shanghai200237,China;2.ChengduR&DCenterofSinochemFertilizerCompanyLimited,Chengdu610015,China)

A series of microcapsules were prepared with urea-formaldehyde resin (UF)/chitosan (CS) as the shell,and avermectin xylene solution as the core.The chemical structure,composition and morphology of the microcapsules were characterized by FT-IR,GSD and SEM,and the sustained-release properties were studied.The results show that the formaldehyde introduced in the pre-polymerization stage of the polycondensation can increase the content of chitosan in shell layer.Therefore,the encapsulation rate of avermectin and sustained-release rate of the microcapsules are improved.Under optimized preparation conditions,the particle size of MCP is7.14μm and encapsulation efficiency is more than70%.

microcapsule; chitosan; urea-formaldehyde resin; sustained-release pesticide

TB332

A

1006-3080(2017)05-0627-05

10.14135/j.cnki.1006-3080.2017.05.005

2016-12-26

葉鵬飛(1991-),男,河南人,碩士生,主要研究方向?yàn)榫忈屴r(nóng)藥微膠囊。E-mail:ypf1_2_6@126.com

陳 葵,E-mail:chenkui@ecust.edu.cn