磁性壳聚糖微球的制备及其性能

王 红 英， 常 凯， 钱 斯 日 古 楞， 孙 井 辉

( 大连工业大学 生物工程学院， 辽宁 大连 116034 )

0 引 言

天然高分子磁性微球的研究是现在较新颖的课题，由于微球表面天然高分子的分子结构具有可设计性，磁性微球又具有靶向性，引起了世界科学工作者的极大兴趣，已成为21世纪生命科学和材料学等领域的研究热点。近年来，国外学者发表了许多有关天然高分子磁性微球的制备和应用方面的研究论文，并申请了不少专利，已有相关技术在医学、生物、环保等领域中得到了应用[1-3]。我国也有不少的科研人员开始了对天然高分子磁性微球这一领域的研究，并取得了一定的成果，但相比较而言，国内在该领域的基础研究和应用研究水平与国外仍有差距。

天然高分子磁性微球的制备常以Fe3O4为内核，外面包裹一层天然高分子材料。目前常用的天然高分子材料为淀粉、海藻酸钠、葡聚糖等，用壳聚糖制备天然高分子磁性微球比较少见。但是由于壳聚糖是一种生物可降解的天然高分子材料，其分子结构拥有的—OH和—NH2两种活性官能团，它们可以与很多种有机物的分子相结合[4-5]。由于壳聚糖具有这些优良的特性，它是制备载体微球的首选材料。目前，磁性高分子微球的研究已经从最简单的高分子包裹磁性材料发展到多类型的组合方式，其结构一般为4种类型，即核-壳型、壳-核型、壳-核-壳型和镶嵌型[6-9]。磁性微球的核壳两部分构成，核心部位的纳米级磁流体使微球具有靶向性，外壳的天然高分子官能基团使微球具有的载体性[10]。其中研究较多且具有广泛应用前景的主要是核-壳型磁性高分子微球，但是用壳聚糖包裹的磁性微球比较少见，因此本文设计了以Fe3O4为内核外面包裹了壳聚糖的核-壳型磁性高分子微球。在制备微球的时，首先用油酸对Fe3O4磁性纳米粒子改性。然后以Span-80和吐温80为乳化剂，采用戊二醛交联法制备[11]纳米级壳聚糖磁性微球。经过实验测定，壳聚糖磁性微球具备分散性良好、稳定性高等优点。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

壳聚糖，脱乙酰度为90%以上，上海缘聚生物科技有限公司；乙酸、乙二胺、戊二醛、氯化亚铁、三氯化铁均为国产分析纯；Span-80、吐温80、油酸为国产化学纯。

1.2 实验方法

1.2.1 改性磁流体的制备

用共沉淀法制备[12]纳米级磁流体。秤取5 g FeCl2·4H2O，3.4 g FeCl3·6H2O3，分别溶解40 mL蒸馏水中，配制成Fe2+浓度为0.2 mol/L，Fe3+浓度为0.125 mol/L的溶液。将溶液混合置入三口瓶中，加入150 mL去离子水，在10 000 r/min条件下高速搅拌。在搅拌的同时，缓慢滴加3 mol/L的NaOH，直至溶液变得黑亮，此时停止加入NaOH，继续搅拌30 min。然后加入0.5 mL油酸，在10 000 r/min条件下高速搅拌1 h。油酸被高速分散后吸附在纳米级磁流体表面，不仅提高表面张力，使纳米级磁流体更圆润，还能够防止磁流体氧化，提高其稳定性。同时，大量的酸根粒子包围，相互排斥，使其更具有分散性。然后用无水乙醇和超纯水反复清洗干净，去除磁粒表面吸附的油酸。最后加以磁场分离得到改性磁流体，冷冻干燥后，密封低温保藏备用。

1.2.2 纳米磁性壳聚糖微球的制备

首先，用体积分数为2%的乙酸溶液溶解壳聚糖，隔夜放置，使其充分溶解。取1 g经过改性的磁流体干粉置入到烧杯中，加入40 mL配置好的壳聚糖溶液，在功率1 000 W、间隙时间1 s、超声时间1 s条件下，超声波冰浴分散10 min。将分散好的溶液置入250 mL三口烧瓶内，加入100 mL去离子水，37 ℃恒温水浴加热并1 000 r/min搅拌。缓慢滴加100 μL 戊二醛(体积分数为50%)，搅拌1 h，加入适量Span-80和吐温80。继续以1 000 r/min速度搅拌30 min，开始滴加1 mol/L的NaOH。在pH达到7之前，NaOH滴加速度每4 s一滴。然后再以每8 s一滴速度滴加到pH为9，停止滴加。缓慢加入100 μL乙二胺，800 r/min搅拌3 h。停止搅拌，用无水乙醇和超纯水反复清洗干净，在4 ℃的冰箱中保藏备用。

1.3 测定方法

1.3.1 扫描电镜分析(SEM)

磁性壳聚糖微球在载玻片固定烘干后，用XL30 扫描电镜(philips)扫描观察其形貌。

1.3.2 平均粒径

取少量的磁性壳聚糖微球，溶于重蒸馏水中，超声分散。然后使用美国布鲁克海文仪器公司的Zetasizer激光分析仪测定纳米级磁性壳聚糖微球的粒径分布。

1.3.3 红外光谱分析(FTIR)

取少量的2 mg磁性壳聚糖微球干粉与干燥KBr粉末充分混合，用球磨机研磨2 min，转入模具中，使其分布均匀，压成透明的薄片。然后用美国Nicolet Impact 410型红外光谱分析仪对磁性壳聚糖微球进行分析，测量的范围为4 000～400 cm-1。

2 结果与讨论

2.1 磁性壳聚糖微球制备的影响因素

2.1.1 壳聚糖的质量浓度

如表1所示，随着壳聚糖质量浓度的增加，磁性壳聚糖微球的粒径随之增大。但是，当壳聚糖质量浓度过大时，反应液的黏度也越大，搅拌就越困难，容易产生团聚现象。而壳聚糖的质量浓度过低，磁流体则会交联很少的壳聚糖，不利于固定化活性物质。所以壳聚糖的质量浓度为20 g/L时条件最佳。

2.1.2 氢氧化钠的滴加量

在磁性壳聚糖微球的制备过程中，氢氧化钠的滴加过量，会使微球粘连太多的壳聚糖，造成微球之间的团聚现象；滴加不足则会导致磁流体表面很少或者没有壳聚糖。经实验证明，滴加8.5 mL浓度为3 mol/L的NaOH时成球性最好，见图1。

表1 不同壳聚糖质量浓度对微球制备的影响

图1 不同NaOH滴加量的壳聚糖磁性微球的SEM照片

2.1.3 搅拌速度

如表2所示，在制备微球的过程中，搅拌速度越大，磁性壳聚糖微球粒径越小。当转数超过1 000 r/min之后，即使搅拌速度增加，微球粒径的变化也比较平缓。所以，最佳搅拌转数为 1 000 r/min。

表2 不同搅拌速度对磁性壳聚糖微球粒径的影响

2.2 磁性壳聚糖微球的结构与形貌观察

采用SEM对实验部分得到的壳聚糖磁性复合微球结构与形貌进行观察。由图2可见，其粒径达到300 nm左右，成球性较好，尺寸均匀，分散性好，没有团聚现象。

图2 磁性壳聚糖微球的SEM照片

2.3 磁性壳聚糖微球粒径的分布

粒径分布是评价磁性壳聚糖微球的分散性和均一行的重要指标，由图3可见，纳米级磁性壳聚糖微球的粒径分布比较窄，95.4%的磁性壳聚糖微球集中在332.7 nm左右，平均粒径大约为348.5 nm，分散系数为0.283，这与扫描电镜分析所得出的结果一致。

图3 磁性壳聚糖微球的粒径分布

2.4 磁性壳聚糖微球的红外分析

图4是红外光谱分析仪得出的磁性壳聚糖微球红外光谱。对红外光谱图进行解析，584 cm-1的宽吸收峰是Fe—O的特征峰，表明磁性微球中含有磁流体。1 068 cm-1是C—O—C伸缩振动峰，1 635 cm-1是—NH2弯曲振动吸收峰，3 434 cm-1的宽吸收峰是羟基—OH振动吸收峰，2 925 cm-1宽吸收峰是—NH的伸缩振动吸收峰，这些官能基团均是表明磁性微球中含有壳聚糖。由红外光谱解析得出，已成功制备出以磁流体为核心外壳包裹着壳聚糖的纳米级微球。这些特征峰的波谷较深，表明磁性壳聚糖微球表面的活性基团丰富。

图4 磁性壳聚糖微球的红外图谱

2.5 磁性壳聚糖微球的磁响应性

由表3中数据可以看出，磁性壳聚糖微球粒径不同，磁响应也不同，磁性壳聚糖微球粒径越大，磁响应就越强。但是在加以相同磁场下，磁性壳聚糖微球都能在74 s吸附完毕，以达到快速分离。由此可以看出磁性壳聚糖微球的磁响应显著，具有磁分离的功能。

表3 不同粒径磁性壳聚糖微球磁响应时间

2.6 壳聚糖磁性微球的耐酸碱性实验

磁性壳聚糖微球可以在pH 9的溶液中冷冻储存一个月，但是当pH>9.4，会发生交联团聚。而且时间越长，交联得越严重。磁性壳聚糖微球在pH<5.5溶液放置3 d，会有部分纳米级磁性离子的溶出。这是因为磁性壳聚糖微球表面的壳聚糖会逐步溶于酸性溶液中。实验表明磁性壳聚糖微球在5.5

3 结 论

通过油酸改性Fe3O4，采用分散聚合法制备的微球的球形圆润多孔，表面活性基团丰富，分散性良好。油酸的改性增加了磁性壳聚糖微球的疏水性。最佳药品加量为100 μL戊二醛(体积分数为50%)，Span-80和吐温80各300 μL，100 μL乙二胺，滴加3 mol/L的NaOH为8.5 mL；最佳温度为37 ℃；最佳搅拌速度为1 000 r/min。

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