环氧树脂及其固化剂对生物微胶囊性能的影响



环氧树脂及其固化剂对生物微胶囊性能的影响

罗园春1，朱光明1，汤皎宁1，邢锋2

1)深圳大学材料学院，深圳518060; 2)深圳大学土木工程学院，深圳518060

摘要:以环氧树脂为壁材，制备一种含有孢子的生物微胶囊，其中环氧树脂分别用N-(β-氨乙基) -γ-氨丙基三甲氧基硅烷(KH-792)、间苯二甲胺(MXDA)和2，4，6-三(二甲胺基甲基)苯酚(DMP-30)进行固化．通过耐受性测试评价环氧树脂及其固化剂对孢子的生物相容性;通过平板菌落计数法研究微胶囊化后孢子的存活率;利用纳米压痕仪测试环氧壁材的弹性模量;通过三点弯曲测试壁材的抗折强度;利用扫描电子显微镜和光学显微镜观察环氧壁材及复合基体的断面形貌．结果表明，KH-792、MXDA、DMP-30和环氧树脂对孢子活性影响依次减小;由KH-792、MXDA和DMP-30固化的环氧树脂壁材断裂韧性依次降低，弹性模量依次增大．可知由DMP-30固化环氧树脂作壁材制备的生物微胶囊具有较高的孢子存活率和较好的力学触发性能．

关键词:复合材料;微胶囊;环氧树脂;固化剂;生物相容性;抗折强度;断裂韧性;弹性模量

Influence of epoxy resin and its curing agent on the properties of biomicrocapsule

Luo Yuanchun1，Zhu Guangming1，Tang Jiaoning1，and Xing Feng2

1) College of Materials Science and Engineering，Shenzhen University，Shenzhen 518060，P．R．China

2) College of Civil Engineering，Shenzhen University，Shenzhen 518060，P．R．China

Received: 2015-01-05; Accepted: 2015-04-17

Foundation: Major International(Regional) Joint Research Project in the National Natural Fund(51120185002/U1301241) ; Science and Technology Project of Shenzhen(JCYJ20140418091413518)

Corresponding author: Associate professor Zhu Guangming．E-mail: gzhu@ szu.edu.cn

Citation: Luo Yuanchun，Zhu Guangming，Tang Jiaoning，et al．Influence of epoxy resin and its curing agent on the properties of biomicrocapsule［J］．Journal of Shenzhen University Science and Engineering，2015，32(4) : 371-377．(in Chinese)

Abstract:Microcapsules containing spores were prepared by using epoxy resin as the shell material．The epoxy resin was cured with N-(amino-ethyl) -amino-propyl trimethoxy silane(KH-792)，M-Xylene Diamine(MXDA) and 2，4，6-Tris(dimethylaminomethyl) phenol(DMP-30)，respectively．The influence of epoxy resin and its curing agent on the biocompatibility of spores were evaluated by the tolerance test method．The survival rate of microencapsulated spores was measured with the plate colony-counting method．The elastic modulus of epoxy wall was tested by a Nanoindenter．The flexural strength of the shell material was tested by the three-point bending method．The morphology of the composite matrix and the shell cross-section were characterized by a scanning electron microscope and an optical microscope．The results show that the influences of KH-792，MXDA，DMP-30 and epoxy resin on biologic activity of spores reduce in turn．KH-792，MXDA and DMP-30 respectively as the curing agent of the epoxy wall，in turn，reduce the fracture toughness while improve the elastic modulus．Therefore，the biomicrocapsules with shell materials of epoxy cured by DMP-30 show the highest rate of spores' survival and the best performance of mechanical trigger properties．

Key words: composite material; microcapsules; epoxy resin; curing agent; biological compatibility; flexural strength; fracture toughness; elastic modulus

环氧树脂具有优异的物化性能，如力学性能和疏水性能，且原材料来源广泛，经济易得，近年来将其用作微胶囊壁材的研究越来越多［1-3］．尤其是在自修复微胶囊的制备材料选择上，环氧树脂被越来越多地用于包覆各种修复剂［4］，或者本身作为修复剂使用［5-6］．自修复微胶囊的关键性能之一，是能够在基体受损时同时破裂并释放修复剂，产生自修复作用．因此，自修复微胶囊壁材的物化性能至关重要［7］．目前，自修复微胶囊产生自修复的触发机制主要有2类［8］，一类是化学触发，指壁材在改变外界环境的条件下发生化学变化而破裂或解体，从而释放修复剂［9］;另一类是力学触发，指自修复微胶囊在基体开裂路径上，由于裂纹的扩展导致微胶囊开裂，并释放修复剂［10］．本研究制备一种由环氧树脂为壁材包覆的自修复微胶囊，其产生自修复功能的触发机制为力学触发，因此环氧树脂壁材的力学性能成为微胶囊能否实现力学触发的关键．同时，生物自修复微胶囊作为自修复微胶囊的一个分支，其实现自修复的前提是包覆于微胶囊中的活性物质在微胶囊化后依然具备自修复功能的生物活性，即要求用于制备微胶囊的材料具有较好的生物相容性．

为此，本研究制备了一种以环氧树脂为壁材的生物微胶囊，研究以3种不同固化剂固化的环氧树脂的力学触发性能，以及它们对孢子的生物相容性和微胶囊化后芯材中孢子的存活率．N-(β-氨乙基) -γ-氨丙基三甲氧基硅烷(KH-792)为含有硅氧基团及氨基的长链烷烃类环氧固化剂;间苯二甲胺(MXDA)为含有刚性苯环及氨基的短链烷烃类环氧树脂固化剂; 2，4，6-三(二甲胺基甲基)苯酚(DMP-30)为含有刚性苯环及叔胺基的短链环氧树脂固化剂．这3种固化剂由于其结构和固化环氧树脂的机理不同，导致各自固化的环氧树脂固化物性能各异［11-14］，它们及环氧E-51的分子结构式如图1．同时，KH-792、MXDA、DMP-30和环氧树脂为胺类及环氧类人工合成化学物质，对微生物的生物活性存在影响［15-18］．因此，由胺固化环氧树脂为壁材制备的生物微胶囊的力学性能和生物相容性对生物自修复微胶囊的性能均具有较大影响．

图1　E-51、KH-792、MXDA和DMP-30分子结构式Fig.1 The molecular structures of E-51，KH-792，MXDA and DMP-30

1　材料与方法

1.1实验药品

环氧树脂E-51，工业级，购自上海市绿嘉涂料有限公司;乙二胺(ethylenediamine，EDA)，分析纯，购自天津市百世化工有限公司; N-(β-氨乙基) -γ-氨丙基三甲氧基硅烷(KH-792)，分析纯，购自上海阿拉丁试剂生化科技股份有限公司;间苯二甲胺(MXDA)，分析纯，购自上海阿拉丁试剂生化科技股份有限公司; 2，4，6-三(二甲胺基甲基)苯酚(DMP-30)，工业级，购自绿循化工有限公司．

1.2实验仪器

高压灭菌锅(HVE-50，Hirayama) ;恒温恒湿培养箱(LU-113，日本爱斯佩克) ;紫外分光光度计(UV-2450，岛津) ;纳米压痕仪(Dimension Icon，Bruker) ;万能材料试验机(5840系列，美特斯工业系统(中国)有限公司生产) ;扫描电子显微镜(SU-20，日本日立公司生产) ;光学显微镜(JPL1350型，广州光学仪器厂生产)．

1.3实验方法

通过油相悬浮分散法，分别用KH-792、MXDA 和DMP-30固化环氧树脂制备一种以环氧树脂为壁材的生物微胶囊．取10 g含孢子的固体微粒与10 g环氧树脂，按1∶1的质量比混合均匀，按表1所示质量分数分别加入固化剂并搅拌均匀，置于水浴锅中进行预固化．其中，DMP-30添加量为经验值［19］．然后将预固化后的混合物转移到含300 g聚二甲基硅油的三口烧瓶中，设置搅拌机转速为300 r/min进行搅拌，同时设定50℃的水浴温度，经过60 min的固化反应使得环氧树脂固化完全，即得到环氧树脂为壁材的生物微胶囊．

表1　环氧固化剂用量及相应所得微胶囊的物性Table 1 The amount of curing agent and the corresponding properties of microcapsule

对包覆好的生物微胶囊内部的孢子进行活性测试，分别对KH-792、MXDA和DMP-30三种固化剂及环氧树脂做孢子的耐受性测试．把3种固化剂固化的环氧树脂做成块状试件，进行三点弯曲测试、纳米压痕测试以及断面的光学显微和扫描电子显微观察．

2　结果与分析

2.1环氧及其固化剂的生物相容性测试

生物微胶囊制备首先要考虑壁材对芯材物质的生物相容性，只有壁材或在制备微胶囊过程中与芯材有接触的物质具有生物相容性或者对芯材活性影响较小，才能选作制备生物微胶囊的壁材．利用孢子萌发后的光密度D(490)，可得出溶液中细菌的浓度．因此可以通过该光密度值来考察溶液中由孢子萌发后细菌的浓度，进而可推知原试样中活性孢子的含量［20］．

为了测试环氧树脂及本研究所选用3种固化剂对孢子的生物相容性，考察了这几种物质对孢子的耐受性．图2为环氧及其固化剂对孢子的D(490)值．从图2可以看出，无菌水对孢子的D(490)值为57.2%，环氧树脂E51、DMP-30、MXDA和KH-792对孢子的D(490)值依次为50.2%、49.1%、47.1%和46.1%．可知与对孢子无伤害的水相比，环氧树脂E51、DMP-30、MXDA和KH-792对孢子的D(490)值均只比无菌水对孢子的D(490)值(57.2%)低10%左右，即使是对孢子活性影响较大的KH-792，其孢子的萌发率也仍然达到46.1%．同时，此测试为孢子与测试物质进行直接接触，浓度为1，而用于制备生物微胶囊时，环氧及其固化剂的用量只占到总质量的30%以下，且非直接接触．因此可知，这3种固化剂及环氧树脂对孢子的活性影响较小，其中，固化剂DMP-30对孢子的活性影响最小．

图2　环氧及其固化剂对孢子的D(490)值Fig.2(Color online) D(490) values of water，epoxy resin and three kinds of curing agents on the spores

2.2微胶囊中孢子活性测试

提取1 g由DMP-30固化环氧壁材制备的生物微胶囊中的孢子，经24 h培养后在平板上长出直径为1～5 mm的菌落斑块，在足够大的稀释倍数下，可以认为1个菌落代表微胶囊中的1个孢子．因此，每个菌落均是由微胶囊中单个或多个孢子增殖产生的．进而可以通过平板计数法计算出微胶囊化后芯材中活性孢子的含量，从而得到孢子在微胶囊中的存活率［21］．

图3为经24 h培养后平板上菌落的光学显微图片．经过多组实验计数得出，在稀释1×108倍后平均每个培养皿上的菌落数有50个左右，可知微胶囊中活性孢子含量约为5×109cfu/mL，而在微胶囊制备时每克芯材中加入的孢子数约为7×109cfu/mL，两者处于同一数量级．微胶囊芯壁比大致为4∶1，通过式(1)，可知经过微胶囊化后，孢子的存活率达89%以上，进一步证明微胶囊的壁材环氧树脂及其固化剂对孢子具有生物相容性，可用于制备生物微胶囊．

图3培养24 h后平板上菌落的光学显微图Fig.3(Color online) Optical microscope(OM) photograph of bacterial colony on the plate of the microcapsules cultivated for 24 h

2.3微胶囊的纳米压痕测试

纳米压痕测试是近年发展起来的一种材料力学性能测试方法，通过纳米压痕测试可以得出所测试材料的弹性模量、硬度及刚度等，进一步分析后，可得到材料的各项力学性能［22］．

将分别由DMP-30和KH-792固化剂固化的环氧树脂微胶囊固定于样品台上，对各个微胶囊进行纳米压痕测试，绘制成如图4的位移-载荷曲线，图中分为加载区、保持区、卸载区及热漂移区．加载区和卸载区曲线下方的面积差表示位移与加载力的乘积差(储能)，储能越大，表明大部分能量能被材料吸收，即材料具有较好的韧性．从图4可见，在测试过程中微胶囊均未发生破裂，出现了保持区的平台;在相似位移下，图4(b)的曲线及位移轴所包含的面积——储能(约3.0×10－6J)明显要比图4(a)(约1.9×10－6J)大，说明由KH-792固化的微胶囊比DMP-30固化的微胶囊的韧性强度要好，也说明后者的脆性大于前者．

2.4壁材的抗折强度测试

三点弯曲测试所用试件为分别用3种固化剂固化的环氧树脂试块，其中，固化剂和环氧树脂的添加量、固化温度和时间与微胶囊制备过程所用比例保持一致．试块在聚四氟乙烯模具中浇铸而成，所得试件尺寸为6.0 cm×1.0 cm×0.5 cm．在测试过程中，设定跨距为50 mm，压头加载速度为1 mm/min．

图4　固化微胶囊的纳米压痕载荷及位移曲线Fig.4 Load-displacement curves for the nano-indentation test on microcapsules

图5　三种固化剂固化的环氧试块的抗折强度曲线Fig.5(Color online) Flexural strength curves of epoxy resin samples cured by three kinds of curing agents

图5为3种固化剂固化的环氧树脂试块的抗折强度曲线．从图5可知，DMP-30、MXDA和KH-792固化的环氧树脂试块的韧性依次增强;反之，其脆性由强变弱．其中，KH-792固化的环氧树脂试块呈现韧性断裂，平均最大荷载为189 N; DMP-30固化的环氧树脂试块表现出良好的脆性断裂性能，脆断时平均荷载为68 N; MXDA固化的环氧树脂试块则介于两者之间，但更偏向于后者，断裂时平均荷载为214 N．从使微胶囊更好地破裂而释放芯材上考虑，脆性越强越好;从所能承受的最大荷载来看，则希望微胶囊的壁材在较小的荷载下发生破裂，即荷载越小越好．综上可见，由DMP-30固化的环氧树脂作为微胶囊的壁材得到的性能最佳．

2.5断面形貌测试

为测试微胶囊中环氧树脂壁材的力学破裂性能，考虑到壁材与基体的结合能力，将KH-792、MXDA和DMP-30固化的微胶囊与环氧树脂复合做成试件，试件脆断后观察其断裂面上微胶囊随基体而破裂的情况．其中，环氧基体由乙二胺在常温下固化，试件在液氮中冷冻1 min左右后进行脆断，并在光学显微镜下观察基体断裂面处微胶囊破裂情况(图6)．

从图6可看出，极少微胶囊随基体破裂，绝大多数微胶囊均保持完整的镶嵌于基体断面上;部分微胶囊随基体一同破裂，在基体断面上留下半颗微胶囊;大部分微胶囊均在断面上分成两半，其中一部分微胶囊还是非对称开裂．由KH-792、MXDA和DMP-30固化的微胶囊，其壁材的力学触发性能逐渐变得更好．

图7为由DMP-30固化的微胶囊与基体复合断面处的扫描电镜图．从图7可以看到，微胶囊明显地嵌入到树脂基体中，并与基体一同开裂破成两半．这进一步说明，由DMP-30固化的环氧树脂作为微胶囊的壁材得到的性能最佳．

图8为用于三点弯曲测试的试块在折断后其断裂面的扫描电镜(scanning electron microscope，SEM)图．从图8可以看出，由KH-792所固化的环氧树脂断裂面为鱼鳞状，表现出明显的塑性变形;由MXDA所固化的环氧树脂断裂面呈现条状阶梯，梯面上较为光滑，未出现明显的应力分散现象，具备脆性断裂的断裂条纹;由DMP-30所固化的环氧树脂断裂面微观结构处非常光滑，且各断裂条纹之间清晰分明，表现出典型的脆性断裂行为［1］．由此可知，3种固化剂固化的环氧树脂中，DMP-30所固化的环氧树脂的断裂性能最好．

图6　固化的微胶囊复合基体断面光学显微图Fig.6(Color online) OM photographs of the substrate section of the composite of microcapsule and epoxy resin

图7　由DMP-30固化的微胶囊复合基体断面扫描电镜图Fig.7(Color online) Scanning electron microscope photographs of composite substrate section of the microcapsule and the epoxy resin cured by DMP-30

图8　固化的壁材断面处的SEM图Fig.8 SEM photographs of shell material section

结语

从生物相容性的角度来看，DMP-30、MXDA、KH-792及环氧树脂E-51对孢子具有良好的生物相容性，对应孢子的D(490)值分别为50.2%、49.1%、47.1%和46.1%．因此，环氧树脂及KH-792、MXDA、DMP-30三种固化剂均可用于制备生物微胶囊，且由DMP-30固化环氧树脂包覆的生物微胶囊芯材中孢子的存活率高达89%以上．

从自修复微胶囊力学触发的角度来看，由KH-792、MXDA和DMP-30固化的环氧树脂壁材均有较好的力学性能．其中，由DMP-30固化的环氧树脂试块的断裂强度和储能仅约为68 N和1.9×10－6J，具有最佳的力学触发性能，可使微胶囊在基体裂开的同时发生破裂并释放修复剂，实现自修复功能．

综上实验结果分析可知，环氧树脂及其固化剂DMP-30制备的生物自修复微胶囊具有最高的孢子存活率和最佳的力学触发性能．

引文:罗园春，朱光明，汤皎宁，等．环氧树脂及其固化剂对生物微胶囊性能的影响［J］．深圳大学学报理工版，2015，32(4) : 371-377．

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【中文责编:坪梓;英文责编:远鹏】

【材料科学/Materials Science】

作者简介:罗园春(1987—)，男(汉族)，江西省吉安市人，深圳大学硕士研究生．E-mail: luoyuanchun@ yeah.net

基金项目:国家自然基金重大国际(地区)合作与交流项目资助(51120185002/U1301241) ;深圳市科技计划资助项目(JCYJ20140418091413518)

doi:10．3724/SP．J．1249．2015．04371

文献标志码:A

中图分类号:Q 93; TQ 317.3