羧甲基纖維素-殼聚糖LbL空腔微膠囊的制備

崔 萌，陸方姝，王飛俊

（1. 吉林化工學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 吉林 吉林 132011； 2. 北京理工大學(xué) 材料學(xué)院， 北京 100081）

羧甲基纖維素-殼聚糖LbL空腔微膠囊的制備

崔 萌1，陸方姝2，王飛俊2

（1. 吉林化工學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 吉林 吉林 132011； 2. 北京理工大學(xué) 材料學(xué)院， 北京 100081）

微膠囊技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥，環(huán)境保護，日用化工，農(nóng)業(yè)科學(xué)及航空航天等領(lǐng)域，隨著應(yīng)用范圍擴大，開發(fā)新技術(shù)與新方法制備微膠囊，使其具有更精確可控的結(jié)構(gòu)已成為微膠囊技術(shù)發(fā)展的重大課題之一。選擇兩種生物相容性較好的天然聚電解質(zhì)—羧甲基纖維素（CMC）和殼聚糖（CS），作為制備新型微膠囊的原料，利用聚陰離子羧甲基纖維素和聚陽離子殼聚糖之間的靜電結(jié)合，成功制備出一種具有新結(jié)構(gòu)的中空聚電解質(zhì)微膠囊并初步研究了其形貌能基本性能。

羧甲基纖維素；殼聚糖；靜電層層自組裝；聚電解質(zhì)微膠囊

近年來，以聚陽離子和聚陰離子之間的靜電力為驅(qū)動力，在離子化基體表面交替沉積制備聚電解質(zhì)多層膜的方法（LbL），即靜電層層自組裝技術(shù)，由于過程簡單，成膜物質(zhì)豐富，成為一種構(gòu)筑復(fù)合納米結(jié)構(gòu)的有效方法[1-7]。人們逐漸將LbL技術(shù)發(fā)展到以膠體粒子為模板組裝成具有核-殼結(jié)構(gòu)的粒子，通過溶解或熔融等方法去除模板，制備空腔微膠囊。用這種方法制備的微膠囊囊壁為復(fù)合聚電解質(zhì)多層膜，具有優(yōu)越的機械強度和選擇透過性，對pH、離子強度、磁、光、電等條件的敏感性。但近年來研究對象主要集中于合成的強電解質(zhì)，由于這些物質(zhì)的生物相容性和降解性差，在生物醫(yī)藥方面的應(yīng)用受到限制。針對這一問題，采用了具有優(yōu)越生物相容性和低生物毒性的天然聚電解質(zhì)，羧甲基纖維素和殼聚糖，由于原料較好的溶解性，方法簡單，得到的膜材料具有優(yōu)越的控制釋放能力，在藥物控制釋放，環(huán)境保護、納米反應(yīng)器及生物醫(yī)用材料等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

羧甲基纖維素（CMC）是天然纖維素羧甲基化的產(chǎn)物，市場上一般使用其鈉鹽，在水溶液中易電離產(chǎn)生多個長鏈狀的多個聚陰離子-OCH2COO-，故屬于陰離子型聚電解質(zhì)。殼聚糖（CS）是甲殼素的脫乙?；a(chǎn)物，分子鏈上有豐富的氨基，溶于稀酸帶正電，可與帶負電的高分子相互作用，形成水凝膠，微囊，納米微粒等，由于 CS自身具有優(yōu)越的生理治療功能，在藥物載體方面有較好應(yīng)用前景。

1 實驗部分

1.1 三聚氰胺甲醛微球的合成

（1）將三聚氰胺與甲醛溶液按照摩爾比1/(3～5)于三口瓶內(nèi)混合，機械攪拌，加熱到60 ℃反應(yīng)20 min，得到預(yù)聚物羥甲基三聚氰胺。

（2）在三口瓶中加入聚乙烯醇作為分散劑，水浴加熱機械攪拌溶解于90 g去離子水后用乙酸調(diào)節(jié)體系pH值至弱酸性，調(diào)節(jié)到預(yù)定溫度。

（3）在聚乙烯醇溶液中加入預(yù)聚物，待體系出現(xiàn)白色渾濁后，反應(yīng)30 min停止加熱，冰水冷卻，終止反應(yīng)。

（4）將所得產(chǎn)物分散體系用離心機高速離心后分離沉淀，去上層清液，加入去離子水重分散，洗滌離心三次。產(chǎn)物冷藏保存。

1.2 以MF粒子為模板制備核殼結(jié)構(gòu)粒子

在新制備的MF微球懸浮液加入適量陰離子聚電解質(zhì)CMC溶液共混，恒溫振蕩20 min，經(jīng)過三次離心-重分散，洗滌除去沒有吸附的 CMC。然后，加入陽離子聚電解質(zhì)CS溶液，振蕩和清洗過程同CMC的組裝，完成一對聚陰陽離子的吸附，即一個組裝周期，得到一個雙層結(jié)構(gòu)。重復(fù)上述過程直至得到預(yù)定層數(shù)。

1.3 制備中空微膠囊

按上述條件進行在MF微球表面組裝至預(yù)定層數(shù)后，將微球乳液加入大量的0.1M HCl溶液中，輕微振蕩去除MF模板，20 min后離心分離，洗滌。

2 結(jié)果與討論

2.1 CMC-CS聚電解質(zhì)復(fù)合膜形成機理

聚電解質(zhì)的吸附是以帶電基材與高分子鏈段之間的靜電相互作用為驅(qū)動力。首先，溶液中游離的聚電解質(zhì)分子與基材表面已經(jīng)吸附的帶相反電荷的聚電解質(zhì)相互接近，該過程由擴散控制，然后與聚電解質(zhì)鏈段上的相反電荷發(fā)生中和，形成離子復(fù)合物。聚電解質(zhì)多層膜的化學(xué)組成即為兩種聚電解質(zhì)的靜電復(fù)合物。

由于分子中含有親水基團，羧甲基纖維素與殼聚糖易溶于水或稀酸溶液，將兩種溶液混合，得到絮狀沉淀。成膜機理如圖1所示。

圖1 CMC-CS靜電復(fù)合物的形成示意圖Fig.1 Schematic diagram of the formation of CMC-CS electrostatic complexes

2.2 CMC-CS中空微膠囊

層層自組裝制備微膠囊的過程中，模板的去除是非常重要的一步。將新制備的具有核殼結(jié)構(gòu)的微球加入到大量的0.1M鹽酸中，模板MF大分子被解離成小分子低聚物，通過聚電解質(zhì)層層復(fù)合的多層結(jié)構(gòu)的囊壁擴散出去，形成空腔。

但是羧甲基纖維素與殼聚糖均為弱電解質(zhì)，通過靜電作用形成的復(fù)合物在強酸的處理下會破壞其陰離子和陽離子結(jié)合作用，同樣，通過層層自組裝得到的囊壁多層膜在去核過程中易受到強酸的影響以致破壞多層膜的結(jié)構(gòu)。為了優(yōu)化MF的去除條件，研究組裝層數(shù)，去核鹽酸pH值等對成功制備中空微膠囊的影響。

2.2.1 鹽酸pH對去核的影響

三聚氰胺-甲醛分子含大量醚鍵，酸處理時會發(fā)生解離而使高分子分解成小分子。使用其作為靜電自組裝模板就MF可在酸中溶解去除，來制得空腔膠囊。在相同層數(shù)下研究不同pH值鹽酸對于去核的影響，通過溶解實驗得到圖2。

圖2 pH值對去核的影響Fig.2 Effect of pH value on the enucleation

2.2.2 組裝層數(shù)對去核的影響

組裝層數(shù)越多，形成的聚電解質(zhì)多層膜越厚，囊壁過厚會導(dǎo)致MF的酸解產(chǎn)物難以擴散。圖3給出了不同組裝層數(shù)微膠囊在鹽酸中的去核結(jié)果。由圖3所示，組裝4～5個雙層CMC-CS為宜，在5個雙層以上，囊壁過厚會導(dǎo)致分解產(chǎn)物無法擴散出，不能構(gòu)成空腔膠囊。

經(jīng)過討論，得到了優(yōu)化的去核條件：選擇新制備的MF微球作為模板，通過靜電層層自組裝包覆 4～5個雙層的 CMC-CS聚電解質(zhì)多層膜后，用pH=1.2的鹽酸去核，即可得到結(jié)構(gòu)完整的空腔微膠囊（圖 4）。中空膠囊基本能保持模板微球的形狀，但是略有變形，這是因為在MF分子剛發(fā)生解離時，小分子不能馬上擴散出去，在微囊內(nèi)外形成了滲透壓差，導(dǎo)致了微囊的膨脹變形，在達到滲透壓平衡時也無法完全恢復(fù)原狀。

圖3 層數(shù)對去核的影響Fig.3 Influence of layers to enucleation

圖4 去除模板前后的粒子的SEM和TEM圖像Fig.4 SEM and TEM images of the particles before and after removing the template

3 結(jié) 論

（1）以羧甲基纖維素為聚陰離子，殼聚糖為聚陽離子，成功應(yīng)用于靜電層層自組裝體系，首先在平板基材上構(gòu)筑了聚電解質(zhì)多層膜。

（2）將聚電解質(zhì)多層膜引入到三維體系構(gòu)筑微膠囊。在弱交聯(lián)三聚氰胺甲醛（MF）膠體微球的表面進行了層層自組裝，由于羧甲基纖維素和殼聚糖在微球表面的交替吸附，表面電性正負交替變化。通過層層自組裝得到了具有核殼結(jié)構(gòu)的粒子，粒徑均一，結(jié)構(gòu)規(guī)整，囊壁厚度在納米級，在水中穩(wěn)定存在。

（3）討論去核條件對成功制備中空微膠囊的影響，得到了優(yōu)化的去核條件：選擇新制備的 MF微球作為模板，通過靜電層層自組裝包覆4～5個雙層的CMC-CS聚電解質(zhì)多層膜后，用pH=1.2的鹽酸去核，即可得到結(jié)構(gòu)完整的空腔微膠囊。

［1］梁治奇. 微膠囊技術(shù)及其應(yīng)用[M]. 北京:中國輕工業(yè)出版社，1999：1-3.

［2］G Decher, J Meclennan, U Sohling. Creation and structural comparison of ultrathin film assemblies: transferred freely suspended films and Langmuir-Blodgett films of liquid crystals[J]. Thin solid films, 210/211: 504-507.

［3］Decher G, Hong J D, Schmitt J. Bulidup of ultrathin multilayer films by a self-assembly process: Ⅲ. Consecutively alternating adsorption of anionic and cationic polyelectrolytes on charged surfaces[J]. Thin solid films, 1992, 210: 831-835.

［4］Decher Gero, Lovo Yuri, Schmitt Johannes. Proof of multilayer structural organization in self-assembled polycation-polyanion molecular films[J]. Thin solid films, 1994, 244: 772-777.

［5］Buseher K, Graf K, Ahrens H. Influence of adsorption conditions on the structure polyelectrolyte multilayers [J]. Langmuir, 2002, 18: 3585-3591.

［6］Sukhorukov G B, Donath E, Lichtenfeld H. Layer-by-layer self assembly of polyelectrolytes on the colloidal particles [J]. Colloidal Surface, 1998, 137: 253.

［7］Svetlana A. Sukhishvili. Responsive polymer films and capsules via layer-by-layer assembly[J]. Current Opinion in Colloid & Interface Science, 2005, 10: 37-44．

Preparation of Carboxymethyl Cellulose and Chitosan LbL Hollow Microcapsules

CUI Meng1，LIU Fang-shu2，WANG fei-jun2
（1. College of Materials Science and Engineering, Jilin University of Chemical Technology, Jilin Jilin 132011，China；2. School of Materials ,Beijing Institute of Technology, Beijing 100081，China）

The microcapsule technology is now widely used in biological medicine, environmental protection, daily chemical, agricultural science, aerospace and other fields. With expansion of its application scope, new technologies and methods for preparation of microcapsules are developed continually, making microcapsules have more precise controllable structure has become one of the major topics of microcapsule technology development. In this paper, two kinds of natural polyelectrolyte with good biological compatibility, carboxymethyl cellulose (CMC) and chitosan (CS), were used as new type of microcapsule preparation raw materials to prepare hollow polyelectrolyte microcapsules with new structure by the electrostatic bonding between polyanionic cellulose and cationic chitosan, and its morphology and basic performance were studied.

Carboxymethyl cellulose; Chitosan; Electrostatic layer upon layer self-assembly; Polyelectrolyte microcapsules

TQ 031

A

1671-0460（2014）11-2240-04

2014-06-28

崔萌（1986-），女，吉林吉林人，助教，博士在讀，2012年畢業(yè)于北京理工大學(xué)材料學(xué)專業(yè)，研究方向：功能材料。E-mail：2355315358@qq.com。