磁性甲殼素多孔碳球的制備及對姜黃素的吸附

劉帥，陳慧潔，李文婷，李中天，盧言輝，彭海龍

(南昌大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，江西 南昌 330031)

姜黃素是傳統(tǒng)中藥姜黃中一種天然多酚類化合物(圖1)，具有抗炎、抗菌、抗癌、抗氧化等多種藥理作用[1-2]，姜黃素在醫(yī)藥和食品領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。但是，姜黃素溶解性差、生物利用度低、穩(wěn)定性差、代謝快等缺點(diǎn)嚴(yán)重阻礙了其應(yīng)用[3]。許多包埋策略，如納米顆粒、脂質(zhì)體、膠束、微納米乳液和固體分散體等，對姜黃素進(jìn)行包埋，進(jìn)而提高其穩(wěn)定性和生物利用度[3]。但是，這些包埋方法在包埋過程中往往涉及有機(jī)溶劑，其殘留對人體健康具有一定毒副作用[4]。

甲殼素是僅次于纖維素的天然氨基多糖，因其無毒、生物可再生、生物相容性和生物可降解性等優(yōu)點(diǎn)而受到越來越多的關(guān)注[5]。甲殼素可用來制備螯合劑、藥物載體、傷口愈合劑、膜等功能性材料[6]。近年來，甲殼素在尿素/氫氧化鈉溶液中，通過循環(huán)凍融方法將其溶解，利用乳化法制備甲殼素纖維多孔微球(chitin nanofiberous microspheres,CNMs)[7]。CNMs具有多級孔結(jié)構(gòu)和高比表面積等優(yōu)點(diǎn)[8]，研究人員利用CNMs作為吸附劑和藥物遞送載體進(jìn)行了報道[9]。

多孔碳材料具有比表面積大、密度低、孔容大、輕質(zhì)、選擇性好等優(yōu)點(diǎn)，是一種常用的新型吸附劑包埋體系，在水的凈化、催化劑載體和藥物傳遞等領(lǐng)域[10-11]具有廣泛的應(yīng)用和良好的前景。甲殼素中含有豐富的氮乙?；?，炭化后可以產(chǎn)生高質(zhì)量的氮摻雜碳骨架。利用CNMs可制備具有多級孔結(jié)構(gòu)和高比表面積的氮摻雜甲殼素納米纖維碳微球(N-doped chitin nanofiberous carbonized microspheres,N-CNCMs)[12-13]。然而，N-CNCMs作為藥物載體來吸附和包覆活性分子的報道較少。由于其獨(dú)特的磁響應(yīng)性、生物分離和藥物傳遞方面的潛力，F(xiàn)e3O4納米粒受到了廣泛的關(guān)注和研究[14]。在N-CNCMs中引入Fe3O4納米粒不僅解決了分離缺陷，還提高了傳遞性能，提升了它的應(yīng)用潛能，更加拓寬了它的應(yīng)用前景。

本文利用甲殼素為原材料，通過環(huán)境友好的方法設(shè)計(jì)了一種新型功能材料磁性氮摻雜甲殼素多孔碳球(magnetic nitrogen-doped chitin microspheres,MNCMs)，并且作為包埋載體來吸附包埋姜黃素。MNCMs表現(xiàn)出優(yōu)異的吸附性能、易分離和回收、高比表面積和多孔機(jī)框架結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)。吸附過程在乙醇溶液中進(jìn)行，避免了有機(jī)溶劑殘留毒副作用。同時，本文對MNCMs的理化性能和吸附機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)探討。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)藥品

甲殼素購自中國浙江金殼生化有限公司，實(shí)驗(yàn)之前按照之前的報道[7]進(jìn)行純化。四氧化三鐵納米微粒購自Sigma公司。司盤-85、異辛烷和吐溫-85均購自中國上海阿拉丁公司。姜黃素(分析純：99.00%)購自四川成都西雅試劑。

1.2 磁性氮摻雜甲殼素多孔碳球(MNCMs)的制備

6 g純化甲殼素粉末分散到含有11 g氫氧化鈉、4 g尿素和85 g去離子水的混合溶液中，以1 000 r·min-1攪拌10 min，凍融3次后得到透明甲殼素溶液(水相)。在0 ℃下將4.4 g司盤-85和100 g異辛烷加入三頸燒瓶混合30 min(油相)。0.6 g Fe3O4納米粒均勻分散到水相中，并迅速注入到油相，以1 000 r·min-1攪拌乳化60 min。將2.4 g吐溫-85加入乳液懸浮液中，攪拌60 min，將其轉(zhuǎn)移到60 ℃水浴鍋繼續(xù)攪拌5 min形成磁性CNMs。用10%鹽酸溶液將pH調(diào)至7，靜置分離異辛烷。利用磁鐵將磁性CNMs分離，用水和乙醇各洗滌3次，叔丁醇浸泡6 h后凍干備用。得到的磁性CNMs在管式爐中650 ℃條件下煅燒4 h，黑色的產(chǎn)品為磁性氮摻雜碳化甲殼素微球(MNCMs)。

1.3 MNCMs的表征

MNCMs樣品用掃描電子顯微鏡(SEM，JSM-6701F)進(jìn)行形貌分析。采用X射線衍射儀(XRD，D8-ADVANCE X，德國Bruker公司)對姜黃素的晶體變化進(jìn)行分析。利用傅里葉紅外光譜(FTIR，Nicolel5700，美國Thermo Nicolet公司)分析姜黃素與MNCMs之間相互作用。全自動比表面積及孔徑分析儀(BET，Autosorb-2，美國康塔公司)測量MNCMs比表面積。同步熱分析儀(TGA-DSC，SDT-Q-600，美國TA公司)測定姜黃素?zé)岱€(wěn)定性。振動樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM7407，美國Lake Shore公司)研究N-NCMs磁性能。

1.4 吸附實(shí)驗(yàn)

將10 mg MNCMs樣品加入到不同質(zhì)量濃度的姜黃素-乙醇溶液(5,10,20,30,40,50 mg·L-1)中，充分?jǐn)嚢栉?2 h。使用磁鐵將MNCMs樣品進(jìn)行分離,UV-vis在420 nm波長下測定上清液中未被吸附姜黃素的含量。根據(jù)以下公式計(jì)算了MNCMs吸附效率η[15-16]：

(1)

式中：mi為姜黃素的初始質(zhì)量，g；mn為未被吸附姜黃素的質(zhì)量，g；η為MNCMs的吸附效率，%。

為進(jìn)一步研究MNCNs的吸附機(jī)制，對MNCMs動態(tài)和靜態(tài)吸附進(jìn)行了詳細(xì)研究，將10 mg MNCMs樣品加入到50 mL質(zhì)量濃度為10 mg·L-1的姜黃素溶液，25 ℃下攪拌，在預(yù)定時間下(15,30,60,120,210,300,420,540,720 min)取出5 mL溶液，UV-vis在420 nm處測定姜黃素質(zhì)量濃度。將10 mg MNCMs樣品加入到50 mL姜黃素溶液(10 mg·L-1)中，在不同溫度下(25,35,45 ℃)攪拌吸附12 h，取出5 mL溶液，UV-vis在420 nm處測定姜黃素質(zhì)量濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 分析表征

2.1.1 形貌、結(jié)構(gòu)和元素分析

利用SEM研究了姜黃素和MNCMs吸附前后形貌。如圖2所示，MNCMs由納米甲殼素碳纖維纏繞形成的球形，具有清晰可見的多孔結(jié)構(gòu)(圖2)。MNCMs內(nèi)部呈現(xiàn)出相同的多孔結(jié)構(gòu)和互連通道(圖3)，與之前文獻(xiàn)[17]報道結(jié)果相似，此結(jié)構(gòu)使姜黃素更容易進(jìn)入其內(nèi)部，到達(dá)快速吸附效果，進(jìn)而提高其吸附性能。對MNCMs元素分析發(fā)現(xiàn)C，O，N和Fe元素均勻地分散在MNCMs樣品中(圖4)。

圖2 吸附前MNCMs形貌圖Fig.2 Morphology of MNCMs before adsorption

圖3 吸附前MNCMs內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Internal structure of MNCMs before adsorption

圖4 吸附前MNCMs元素分析Fig.4 Elemental analysis of MNCMs before adsorption

從姜黃素的SEM圖可以看出姜黃素具有良好晶型結(jié)構(gòu)(圖5)。吸附姜黃素后，MNCMs仍然保持與吸附前相似的形貌結(jié)構(gòu)(圖6)，但是其碳纖維束表面變得更加粗糙。可見被MNCMs吸附后，姜黃素晶型由原來的結(jié)晶型轉(zhuǎn)變?yōu)闊o定形，在微球表面有姜黃素顆粒出現(xiàn)。

圖5 姜黃素形貌圖Fig.5 Morphology of curcumin

圖6 吸附后MNCMs形貌圖Fig.6 Morphology of MNCMs after adsorption

2.1.2 磁性能分析

從圖7可以看出，吸附前后MNCMs都表現(xiàn)出良好的磁滯行為，吸附姜黃素前后其磁飽和度(21.45 emu·g-1)基本保持不變。優(yōu)異的磁性使得本文研究的多孔微球易分離回收。

2.1.3 XRD和DSC分析

MNCMs和姜黃素的XRD結(jié)果如圖8所示。24.30°和43.21°峰分別對應(yīng)(002)和(100)的反射信號，表明MNCMs為無定形狀態(tài)和石墨結(jié)構(gòu)[10]。在30.16°，35.46°，53.60°，57.05°和62.70°峰分別屬于Fe3O4的(220)、(311)、(422)、(511)和(440)[18]。姜黃素在10°～30°范圍內(nèi)出現(xiàn)一系列尖峰，表明姜黃素具有良好的結(jié)晶性質(zhì)。被MNCMs吸附后，姜黃素尖峰幾乎消失了，表明吸附后姜黃素晶體變成了無定形結(jié)構(gòu)。由DSC測定姜黃素的熔點(diǎn)為183.7 ℃(圖9)，而被MNCMs吸附后，姜黃素熔化峰消失，說明姜黃素以非晶態(tài)分散到N-CNCMs中，熱穩(wěn)定性得到了極大的提高。

H/kG圖7 吸附姜黃素前后MNCMs的磁性能圖Fig.7 Magnetic properties of magnetic MNCMs before and after adsorption2θ/(°)圖8 姜黃素、MNCMs吸附前后的XRD衍射圖Fig.8 XRD spectrum of curcumin,MNCMs before adsorption,MNCMs after adsorption

θ/℃圖9 姜黃素、MNCMs吸附前、MNCMs吸附后的DSC圖Fig.9 DSC of curcumin,MNCMs before adsorption,MNCMs after adsorption

2.1.4 比表面積分析

采用氮?dú)馕矫摳降姆椒ㄑ芯苛薓NCMs前后孔結(jié)構(gòu)和比表面積。MNCMs吸附前后均呈現(xiàn)Ⅰ型H3滯回曲線(圖10)，由于它們具有相同的多級孔結(jié)構(gòu)[8]。MNCMs的比表面積達(dá)418 m2·g-1，負(fù)載姜黃素后MNCMs的比表面積減小到241 m2·g-1，大量姜黃素分子吸附在納米碳纖維表面，占據(jù)了MNCMs的孔隙，使得比表面積減小?？讖椒植冀Y(jié)果如圖11所示，結(jié)果表明吸附前后MNCMs均呈現(xiàn)介孔/大孔結(jié)構(gòu)，孔徑呈延伸連續(xù)分布。

p/p0圖10 吸附前后MNCMs比表面積Fig.10 Surface area of MNCMs

2.2 吸附條件優(yōu)化

本文對姜黃素濃度、吸附溫度和時間進(jìn)行了優(yōu)化。固定吸附劑用量(10 mg)，姜黃素質(zhì)量濃度(10 mg·L-1)和吸附溫度(35 ℃)，考察MNCMs在不同時間(15，30，60，120，210，300，420，540 min)對姜黃素吸附(圖12)，隨著時間增加，吸附量迅速增加，在200 min后達(dá)到吸附平衡。固定吸附劑用量(10 mg)，吸附時間(12 h)和吸附溫度(35 ℃)，姜黃素濃度為10 mg·L-1到50 mg·L-1，如圖13所示，N-CNCMs吸附量隨著姜黃素濃度增加而增加，當(dāng)濃度達(dá)到50 mg·L-1時吸附量趨于穩(wěn)定，這時MNCMs吸附位點(diǎn)幾乎被姜黃素完全占據(jù)，吸附量不再增加。溫度影響如圖13所示，當(dāng)溫度在25～45 ℃變化時，MNCMs在35 ℃吸附能力最強(qiáng)。因此，MNCMs對姜黃素最佳吸附條件為：姜黃素濃度為50 mg·L-1時，MNCMs用量為10 mg，吸附時間為200 min，溫度為35 ℃。

D/nm圖11 吸附前后MNCMs的孔徑分布Fig.11 Pores distribution of MNCMs

t/min圖12 時間對MNCMs吸附量影響Fig.12 Effects of time on the adsorption capacity of magnetic MNCMs

ρ/(mg·L-1)圖13 溫度和質(zhì)量濃度對MNCMs吸附量影響Fig.13 Effects of temperature and mass concentration on the adsorption capacity of magnetic MNCMs

2.3 吸附動力學(xué)研究

采用準(zhǔn)一級動力學(xué)模型、準(zhǔn)二級動力學(xué)模型、Weber-Morris內(nèi)擴(kuò)散動力學(xué)模型對N-CNCMs動力學(xué)進(jìn)行研究。準(zhǔn)一級動力學(xué)模型如下[19]：

(2)

ln(Qe-Qt)=lnQe-k1t

(3)

式中：Qe為平衡時吸附量，mg·g-1；Qt為t時的吸附量，mg·g-1；k1為準(zhǔn)一級模型吸附速率系數(shù)，min-1；t為吸附時間，min。準(zhǔn)二級動力學(xué)模型如下[20]：

(4)

(5)

式中:Qe為平衡時的吸附量,mg·g-1；Qt為t時的吸附量,mg·g-1；k2為準(zhǔn)二級模型的吸附速率系數(shù),g·mg-1·h-1；t為吸附時間,min。Weber-Morris內(nèi)擴(kuò)散動力學(xué)模型如下[21]：

Qt=kwt0.5+C

(6)

式中：Qt為t時的吸附量，mg·g-1；kw為Weber-Morris內(nèi)擴(kuò)散動力學(xué)模型的吸附速率系數(shù)，g·mg-1·min-1；t為吸附時間，min；C為Weber-Morris內(nèi)擴(kuò)散動力學(xué)模型的吸附速率常數(shù)。

3種吸附動力學(xué)模型擬合結(jié)果見圖14～圖16和表1、表2，可以看出：準(zhǔn)一級動力學(xué)模型的相關(guān)系數(shù)最小(R2=0.826 4)，準(zhǔn)二級動力學(xué)模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合程度最高(R2=0.999 7)。在表1和表2中，準(zhǔn)二級動力學(xué)模型的擬合度最高，且實(shí)驗(yàn)所得吸附量與用準(zhǔn)二級動力學(xué)模型所計(jì)算的理論值更為接近。因此，MNCMs對姜黃素的吸附符合準(zhǔn)二級動力學(xué)機(jī)制。

t/min圖14 準(zhǔn)一級動力學(xué)模型Fig.14 The first-order model

t/min圖15 準(zhǔn)二級動力學(xué)模型Fig.15 The second-order model

t1/2/min1/2圖16 Weber-Morris內(nèi)擴(kuò)散動力學(xué)模型Fig.16 Weber-Morris model

2.4 等溫平衡吸附研究

在不同溫度(25，35，45 ℃)下對姜黃素進(jìn)行吸附熱力學(xué)研究，利用Langmuir和Freundlich模型進(jìn)行了擬合。Langmuir等溫吸附方程[22]為

式中：ρe為平衡時質(zhì)量濃度，mg·L-1；Qm為最大吸附量，mg·g-1；Qe為平衡時對姜黃素的吸附量，mg·g-1；ρ0為平衡時質(zhì)量濃度，mg·L-1;b為與吸附能力有關(guān)的Langmuir常數(shù)，L·mg-1。吸附難易程度以分離因子RL表示。Freundlich等溫吸附方程[23]為

式中：kf為與吸附能力有關(guān)的Freundlich常數(shù)；n為與溫度有關(guān)的常數(shù)。

從圖17、圖18和表3可以看出，Langmuir模型具有較好擬合結(jié)果，對Freundlich模型的擬合系數(shù)偏低。這說明MNCMs表面不均勻，與SEM所觀察結(jié)果一致。

表1 準(zhǔn)一級及準(zhǔn)二級動力學(xué)模型參數(shù)Tab.1 Isothermal adsorption model parameters of the first-order and the second-order

表2 Weber-Morris內(nèi)擴(kuò)散動力學(xué)模型參數(shù)Tab.2 Isothermal adsorption model parameters of Weber-Morris model

ρ/(mg·L-1)圖17 Langmuir等溫吸附模型Fig.17 Langmuir isothermal adsorption models

lg[ρ/(mg·L-1)]圖18 Freundlich等溫吸附模型Fig.18 Freundlich isothermal adsorption models

表3 Langmuir 和Freundlich等溫吸附模型模型參數(shù)Tab.3 Isothermal adsorption model parameters of Langmuir and Freundlich

2.5 吸附對照實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步說明MNCMs對姜黃素具有較高的吸附容量，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以未煅燒的純甲殼素、煅燒后的純甲殼素微球、煅燒的磁性甲殼素微球和煅燒的磁性殼聚糖微球在相同條件下吸附相同濃度姜黃素。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖19所示，經(jīng)煅燒的磁性甲殼素微球(MNCMs)吸附容量顯著高于其余3種材料。

2.6 吸附機(jī)制探討

MNCMs吸附機(jī)制主要包括以下幾個方面：首先，MNCMs具有三維多孔結(jié)構(gòu)、互聯(lián)通孔道和高比表面積等特點(diǎn)，姜黃素可以很容易地進(jìn)入MNCMs內(nèi)部；其次，MNCMs具有氮摻雜碳的性質(zhì)，在碳化纖維上形成了豐富的堿性位點(diǎn)(氮元素)，姜黃素的兩個苯環(huán)顯示出一定的酸性，氮摻雜結(jié)構(gòu)可以大大提高M(jìn)NCMs對姜黃素的親合性和吸附能力。此外，MNCMs的石墨結(jié)構(gòu)可與姜黃素形成穩(wěn)定的π-π鍵。因此，MNCMs對姜黃素具有良好吸附性能。

圖19 不同材料對姜黃素的吸附容量Fig.19 Adsorption capacity of different materials for curcumin

3 結(jié)論

本文以生物可降解、天然無毒、生物相容性優(yōu)良的甲殼素高分子材料制備新型吸附材料(MNCMs)。MNCMs由納米碳纖維組成，具有三維多孔結(jié)構(gòu)，比表面積高，同時具有良好的磁性。MNCMs碳纖維上分布一定的氮摻雜和石墨結(jié)構(gòu)?；谏鲜鎏匦?，MNCMs對姜黃素具有良好的吸附效果，在外面磁場下能夠快速分離回收?？蓪⑵渌幬镌诖判蕴蓟讱に匚⑶蛏线M(jìn)行物理負(fù)載并制備成靶向制劑，使其在人體經(jīng)過外加磁場的引導(dǎo)而達(dá)到靶向和定點(diǎn)釋放的效果。