幾丁聚糖納米顆粒的動態(tài)光散射研究

婁本濁

（陜西理工學(xué)院物理與電信工程學(xué)院，陜西 漢中 723003）

研究與開發(fā)

幾丁聚糖納米顆粒的動態(tài)光散射研究

婁本濁

（陜西理工學(xué)院物理與電信工程學(xué)院，陜西 漢中 723003）

利用離子凝膠法制備幾丁聚糖納米顆粒，并用動態(tài)光散射測量所得顆粒的粒徑分布與界面電位。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著CS/TPP比值的減小，幾丁聚糖納米顆粒的粒徑由單峰分布轉(zhuǎn)變?yōu)殡p峰分布，說明三聚磷酸鈉含量的增加會使幾丁聚糖納米顆粒之間產(chǎn)生聚集效應(yīng)。界面電位值隨著CS/TPP比值的減小而逐漸下降，原因是三聚磷酸鈉濃度的增加使幾丁聚糖納米顆粒表面上更多的NH3+離子與三聚磷酸根離子反應(yīng)中和的緣故。

動態(tài)光散射；納米顆粒；幾丁聚糖；Zeta電位；粒徑分布

幾丁聚糖是一種天然的生物可降解性高分子物質(zhì)，具有良好的生物相容性、抗菌性及來源范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于生醫(yī)材料學(xué)的研究中[1-3]。Bodmeier等[4]首先提出以離子凝膠法制備幾丁聚糖微粒；Calvo等[5]對離子凝膠法提出改進(jìn)，用三聚磷酸鈉和聚氧化乙烯-聚氧化丙烯的嵌段共聚物交聯(lián)制備出幾丁聚糖微粒；Janes等[6]指出幾丁聚糖微粒粒徑會隨著幾丁聚糖分子量增加而增大，而在分子量大于20kDa時(shí)分子量變因的影響不再顯著。Zhang等[7]提出去乙酰度越高的幾丁聚糖可制備出較小粒徑的幾丁聚糖微粒，且其粒徑也比較均一。本研究將以三聚磷酸鈉作為幾丁聚糖的凝膠試劑，利用離子凝膠法制備幾丁聚糖納米顆粒，并利用動態(tài)光散射技術(shù)分析不同成分比例下納米顆粒的粒度分布與界面電位。

1 基本原理

在動態(tài)光散射中，散射光強(qiáng)自相關(guān)函數(shù)強(qiáng)度G(2)(τ)與電場自相關(guān)函數(shù)g(1)(τ)之間滿足Siegert關(guān)系[8]：

其中β為相干因子，τ為延遲時(shí)間。對單分散球形顆粒而言，其電場自相關(guān)函數(shù)為：

則光強(qiáng)自相關(guān)函數(shù)可改寫為：

其中Г為半寬衰減系數(shù)，它與平移擴(kuò)散系數(shù)D之間滿足：

其中k為散射矢量，且有k=4πsin(θ/2)/λ。利用Stocks-Einstein公式[9]可計(jì)算出懸浮顆粒的平均流體力學(xué)半徑R，即：

其中kB為玻爾茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度，η為溶劑的黏滯系數(shù)。通過式(5)由平移擴(kuò)散系數(shù)D就可以反演出流體力學(xué)半徑R。

進(jìn)行界面電位測量時(shí)，特定電壓下帶電粒子因靜電吸引力而朝相反電性的電極移動，由于黏滯力會抑制帶電粒子移動，當(dāng)這2種力達(dá)到平衡時(shí)，帶電粒子會以固定速度移動。該速度與電場強(qiáng)度、溶液的介電常數(shù)、黏度及界面電位有關(guān)，利用動態(tài)光散射可測得該移動速度的大小。當(dāng)電場強(qiáng)度、溶液的介電常數(shù)及黏度已知時(shí)，即可根據(jù)Henry方程求得界面電位，即：

其中μE為電泳移動率，ε為溶液的介電常數(shù)，ξ為顆粒的Zeta電位，η為溶液粘度，f (ka)為分散顆粒的參數(shù)。若分散顆粒為球形，且當(dāng)cR很小時(shí)，則有：

而當(dāng)cR非常大時(shí)，則有：

其中R為球形顆粒的半徑，c為德拜-霍克參數(shù)，且c=3.288I1/2，I為溶液中的離子強(qiáng)度。

2 實(shí)驗(yàn)

利用離子凝膠法制備幾丁聚糖納米顆粒。將幾丁聚糖(簡稱CS，食品級)溶于1wt%的醋酸溶液中，再加入8wt%的氫氧化鈉溶液，沉淀產(chǎn)生后用濾紙過濾烘干，將濾得的上層物反復(fù)水洗即可獲得純化后的幾丁聚糖。接著將純化后的幾丁聚糖溶于0.175wt%的醋酸溶液中制得0.1wt%的幾丁聚糖溶液，再配制1.25mg·mL-1的三聚磷酸鈉(簡稱TPP)溶液，按相應(yīng)體積比將這2種溶液混合并于室溫下攪拌10min，再用0.1μm的濾紙過濾即可獲得不同CS/TPP重量比的幾丁聚糖納米顆粒。

首先用塑膠吸管將樣品分散液注入測量專用的一次性樣品池中至八分滿，注入時(shí)要避免產(chǎn)生氣泡以免影響到界面電位的測量；然后將樣品池放入動態(tài)光散射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的樣品平臺上，分別分析納米顆粒的粒徑分布與界面電位。所用儀器為Nano-ZS型激光光散射法粒徑與界面電位測定儀，測量時(shí)溫度為25℃，散射角設(shè)為173°。

3 結(jié)果與討論

圖1表示的是不同CS/TPP比值下的幾丁聚糖納米顆粒的動態(tài)光散射粒徑測量結(jié)果。由圖1可以發(fā)現(xiàn)，CS/TPP=5.3時(shí)幾丁聚糖納米顆粒粒徑為單峰分布；CS/TPP=4.0時(shí)幾丁聚糖納米顆粒粒徑開始呈現(xiàn)雙峰分布，但不是很明顯；CS/TPP=3.2時(shí)幾丁聚糖納米顆粒粒徑呈明顯的雙峰分布狀態(tài)。這說明幾丁聚糖納米顆粒隨著CS/TPP比值的減小而變得不均勻，亦即三聚磷酸鈉含量的增大會使納米顆粒之間產(chǎn)生聚集效應(yīng)。造成以上結(jié)果的原因是：當(dāng)CS/ TPP＜4時(shí)三聚磷酸鈉含量較低，單位三聚磷酸鈉可與較多的幾丁聚糖分子產(chǎn)生交聯(lián)，因此在該情況下粒徑會隨之下降；而CS/TPP＜5時(shí)三聚磷酸鈉濃度較高，會產(chǎn)生較多的幾丁聚糖納米顆粒，納米顆粒之間也越容易產(chǎn)生離子型聚集。

圖1 幾丁聚糖納米顆粒的粒度分布Fig.1 the chitosan nano-particle size distribution

界面電位是顆粒分散狀態(tài)的重要指標(biāo)，可很好地指示顆粒間作用強(qiáng)度，從而它的測量可用來預(yù)測膠體系統(tǒng)的穩(wěn)定性，界面電位絕對值越大越不易發(fā)生凝聚現(xiàn)象。表1給出的是由動態(tài)光散射測得的幾丁聚糖納米顆粒的界面電位。當(dāng)幾丁聚糖溶于醋酸溶液時(shí)，官能基上的NH2被質(zhì)子化形成帶正電的NH3+離子，此時(shí)加入三聚磷酸鈉會在溶液中解離成帶負(fù)電的三聚磷酸根離子，2種離子形成中和反應(yīng)產(chǎn)生幾丁聚糖納米顆粒，而在納米顆粒表面上所存在的正電荷，即為未與三聚磷酸根離子形成相互作用的NH3+離子。由表1結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，隨著CS/TPP比值的減小，界面電位值也會隨之下降，造成該結(jié)果的原因是三聚磷酸鈉濃度的增加使幾丁聚糖納米顆粒表面上更多的NH3+離子與三聚磷酸根離子反應(yīng)中和，從而降低了界面電位值。

表1 幾丁聚糖納米顆粒的界面電位Tab.1 the Zeta potential of chitosan nano-particle

4 結(jié)論

幾丁聚糖具有成本低、來源廣、生物分解性與相容性好及抗菌性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，一直以來被視為生醫(yī)材料的研究熱點(diǎn)。本研究以三聚磷酸鈉為交聯(lián)劑，采用離子凝膠法制備了不同CS/TPP重量比的幾丁聚糖納米顆粒，并利用動態(tài)光散射法分析了CS/TPP重量比對納米顆粒的粒徑分布與界面電位影響。研究結(jié)果表明，當(dāng)三聚磷酸鈉含量較低時(shí)，單位三聚磷酸鈉可與較多的幾丁聚糖分子產(chǎn)生交聯(lián)作用，納米顆粒粒徑會隨之下降；而當(dāng)三聚磷酸鈉濃度較高時(shí)會產(chǎn)生較多的幾丁聚糖納米顆粒，納米顆粒之間就容易產(chǎn)生離子型聚集效應(yīng)。三聚磷酸鈉濃度增大會使幾丁聚糖納米顆粒表面上產(chǎn)生較多的NH3+離子，從而與三聚磷酸根離子反應(yīng)中和，進(jìn)而降低了納米顆粒的界面電位。

[1] 李欣, 陳立仁.海藻酸鈣-幾丁聚糖微膠囊制備方法的研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32(24)：42-44.

[2] 徐飛海，王士斌，黃曉楠，等.海藻酸鈣-幾丁聚糖微膠囊的形態(tài)與粒徑[J].膜科學(xué)與技術(shù)，2006，26(6)：12-16.

[3] 萬里，田偉.幾丁聚糖在臨床中的應(yīng)用[J].沈陽醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，15(2)：122-124.

[4] R Bodmeier, H Chen, O Paeratakul. A novel approach to the oral delivery of micro-and nanoparticles[J]. Pharmaceutical Research, 1989, 6(5): 413-417.

[5] P Calvo, C Remu?án-López, J. L Vila-Jato, et al. Novel hydrophilic chitosan-polyethylene oxide nanoparticles as protein carriers[J]. Journal of Applied Polymer Science, 1997, 63(1): 125-132.

[6] K. A Janes, M. J Alonso. Depolymerized chitosan nanoparticles for protein delivery: Preparation and characterization[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2003, 88(12): 2769-2776.

[7] H Zhang, M Oh, C Allen, et al. Monodisperse chitosan nanoparticles for mucosal drug delivery[J]. Biomacromolecules, 2004, 5(6): 2461-2468.

[8] 劉曉艷，申晉，朱新軍，等.動態(tài)光散射技術(shù)的角度依賴性[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32(6)：259-264

[9] 夏輝，黃生祥，李宏建.應(yīng)用低相干動態(tài)光散射檢測乳制品品質(zhì)[J].中國激光，2008，35(1)：102-105.

Research on Chitosan Nanoparticles based on Dynamic Light Scattering

LOU Ben-zhuo
(School of Physics and Telecommunication Engineering, Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723003, China)

The chitosan nanoparticles were prepared by ionic gelation method and the size distribution and Zeta potential were measured by dynamic light scattering technique. The results showed that the size distribution of chitosan nanoparticles was from unimodal to bimodal with the TPP content decreasing and it indicated that the aggregation effect between nanoparticles was caused by the TPP content decreasing. The Zeta potential reduced gradually with the TPP content decreased. This was because more NH3+ions on the surface of chitosan nanoparticles neutralized triphosphoric groups for TPP content increasing.

dynamic light scattering; nanoparticle; chitosan; Zeta potential; particle size distribution

O 631.3

A

1671-9905(2014)04-0001-03

國家自然科學(xué)基金(41105107)；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃基金(2012JM5014)；陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目(2013JK0617)

婁本濁(1982-)，男，漢，山東濟(jì)南人，講師，碩士，主要從事光學(xué)技術(shù)在生化材料領(lǐng)域中的應(yīng)用研究，電話：13891646451，E-mail: benzhuolou@126.com

2014-01-10