自组装法制备CS/HAP杂化膜的结构与性能研究

孙俊芬，陈景草

(1.东华大学 材料科学与工程学院，上海 201620；2.纤维材料改性国家重点实验室，上海 201620)

羟基磷灰石在自然界中比较常见，界面活性优良，无毒副作用，制备简单，本身含有吸附位，是一种比较稳定的吸附剂。但HAP也有其自身的一些缺点，如压缩强度较低，抗疲劳性差，生物可吸收性差，替代速度慢，植入体内后可能出现疏松、迁移、破坏等，为了克服HAP力学性能差的缺点，人们将高分子材料加入其中以增强其力学强度，使HAP颗粒难以向周围组织迁移，克服了HAP植入体内后可能出现的疏松、迁移、破坏等缺点[1-3]。此外，HAP可以促进复合材料的生物可吸收性，且这种复合材料植入体内后对周围的软组织没有损伤[4]。壳聚糖无毒无味，成膜性能优异，工艺简单，亲水性强，具有良好的生物相容性。壳聚糖分子链上含有大量的羟基和氨基，是一种良好的膜吸附蛋白质的基质材料。因此CS/HAP杂化膜可以弥补单纯的有机膜和无机粒子吸附蛋白质时的不足，近年来越来越多受到学者的重视。

用自组装法生成的CS/HAP杂化膜，可以改善无机颗粒在有机基体中易团聚的现象，并且所生成的HAP粒径均一、分散均匀。王洪波等[5]用超声波静电自组装技术制备了全氟磺酸(Nafion 117)/TiO2复合膜，首先是Ti(OC4H9)4通过静电作用组装到Nafion 117表面，然后通过水蒸气水解得到复合膜，研究表明TiO2粒子可以均匀的分布在复合膜表面，且粒子尺寸较均匀。韩迪[6]通过CS中的胺基和氧化石墨烯(GO)含氧基团的氢键和静电络合作用将GO片和CS分子联接在一起，在气液界面处通过自组装得到了GO/CS复合膜。膜材料对蛋白质的吸附过程一般分为三个阶段：首先是颗粒外部扩散阶段，即蛋白质从溶液中扩散到膜表面；其次是孔隙扩散阶段，蛋白质在膜的孔隙中继续向吸附点进行扩散；最后是吸附反应阶段，蛋白质分子被吸附在膜孔隙内的官能团上[7]。

本研究通过自组装法制备CS/HAP杂化膜并研究杂化膜对LZ的吸附性能。先在CS膜表面生成HAP前驱体，然后把壳聚糖/羟基磷灰石前驱体浸入NaOH凝固浴中通过相转变生成杂化膜。通过FTIR，XRD和SEM来表征膜的结构和HAP的分散情况。研究CS/HAP杂化膜对LZ的吸附性能，包括CS/HAP含量比，pH值和LZ初始浓度对杂化膜吸附性能的影响，探讨离子强度对杂化膜解吸附性能的影响。

1 实验部分

1.1 原料

壳聚糖，购买自浙江金壳药业有限公司。乙酸、硝酸钙、碳酸氢二钾、氢氧化钠、溶菌酶、氯化钠：均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

1.2 自组装法制备CS/HAP杂化膜

取4gCS粉体和一定量的Ca(NO3)2·4H2O于体积分数为2%的乙酸溶液中，搅拌直至得到均质透明的溶液，室温下静置脱泡。之后将溶液倒在洁净的玻璃板上，用刮刀使之铺展成一层均匀的液膜，再把玻璃板浸泡在K2HPO4溶液中，7 h后取出放入质量分数为5%的NaOH凝固浴中，继续浸泡24 h，当膜从玻璃板上漂浮起来后，放入蒸馏水中洗至中性，去除膜表面的溶剂，得到CS/HAP杂化膜，最后将膜室温晾干保存。通过控制Ca(NO3)2·4H2O的添加量，得到CS/HAP质量比分别为100/10，100/20，100/30和100/40的杂化膜。最后，用同样的步骤制备纯CS膜和HAP粉体作为此次实验的对比样。

1.3 CS/HAP杂化膜的结构与性能测试

1.3.1 FTIR表征

用傅里叶变换衰减全反射红外光谱(ATR-FTIR，Nicolet 6700型)进行红外光谱扫描来表征样品的结构组成，波数范围为4000cm-1～ 620 cm-1。

1.3.2 XRD表征

测试前先把膜和HAP在玛瑙研钵中充分研磨成细小粉末，真空干燥24 h。采用Bruker D2 PHASER型X射线衍射仪(德国布鲁克AXS公司)分析膜的物相组成，步长为0.02°，2θ测量范围为0 ～ 60°，扫描速度为0.2°/秒。

1.3.3 CS/HAP杂化膜的形貌

将纯膜和CS/HAP杂化膜在液氮中断裂，剪取一部分粘贴在样品台上，然后对其表面和断面喷金，用捷克ESEM生产的Quanta-250型环境扫描电子显微镜观察膜上表面的结构形态。

1.3.4 CS/HAP杂化膜的吸附性能测试

1.3.4.1 不同pH值下的LZ浓度—吸光度标准曲线

取适量Na2HPO4·12H2O和NaH2PO4·2H2O配制pH=7和pH=8的缓冲溶液，以该缓冲溶液为溶剂，LZ为溶质，配制不同浓度的LZ溶液，选用光程为5 mm的比色皿，用紫外分光光度计来测定LZ溶液的吸光度，然后绘制pH=7和pH=8的LZ浓度—吸光度标准曲线。取适量Na2CO3和NaHCO3配制pH=9，pH=10和pH=11的缓冲溶液，按同样的步骤操作得到相应pH条件下的LZ浓度—吸光度标准曲线。用Na2HPO4·12H2O和NaOH配制pH=12的缓冲溶液，反复上述步骤，绘制pH=12的LZ浓度—吸光度标准曲线。

1.3.4.2 HAP含量对LZ吸附性能的影响

把若干块HAP含量不同的杂化膜剪成2×2 cm大小，在25℃真空干燥箱中烘干12 h，然后置于干燥器中备用。将样品称重后放入小样品瓶中，用移液管移取2 mg/ml且pH=11的LZ溶液5 ml于瓶中，密封，在25℃下的恒温水浴摇床中震荡进行膜吸附实验。24 h后取出，用紫外分光光度计测量吸附后溶液的LZ浓度，根据公式(2-1)计算膜吸附量q(mg LZ/g干膜)：

(1)

式中：

C0—LZ原液的浓度，mg/ml；

C1—吸附后LZ溶液的浓度，mg/ml；

W—膜的干重，g；

V—LZ溶液的体积，ml。

1.3.4.3 pH值对LZ吸附性能的影响

把若干块CS/HAP质量比为100/20的杂化膜剪成2×2 cm大小，在25℃真空干燥箱中烘干12 h，然后置于干燥器中备用。将样品称重后放入小样品瓶中，用移液管移分别取2 mg/ml且pH值分别为7，8，9，10，11的LZ溶液5 ml于瓶中，把小样品瓶密封，在25℃下的恒温水浴摇床中震荡进行膜吸附实验。24 h后取出，用紫外分光光度计测量吸附后溶液的LZ浓度，根据公式(1)计算膜吸附量q(mg LZ/g干膜)。

1.3.4.4 LZ浓度对吸附性能的影响

把若干块CS/HAP质量比为100/20的杂化膜剪成2×2 cm大小，在25℃真空干燥箱中烘干12 h，然后置于干燥器中备用。将样品称重后放入小样品瓶中，用移液管移分别取浓度为0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 mg/ml且pH=11的LZ溶液5 ml于瓶中，密封，在25℃下的恒温水浴摇床中震荡进行膜吸附实验。24 h后取出，用紫外分光光度计测量吸附后溶液的LZ浓度，根据公式(1)计算膜吸附量q(mg LZ/g干膜)。

1.3.4.5 离子强度对解吸附性能的影响

探究离子强度对蛋白质解吸附能力的影响，首先采用上述静态吸附的最佳条件，即CS/HAP质量比为100/20的杂化膜在2 mg/ml且pH=11的LZ溶液中吸附24 h，测其吸附浓度，计算吸附量。取出杂化膜，用蒸馏水冲洗掉膜表面的LZ，把膜置于样品瓶中，滴加浓度分别为0.25，0.5，0.75，1.0，1.5，2.0 mol/l的NaCl溶液5 ml，密封，25℃下恒温震荡24 h后取出，用紫外分光光度计测溶液的LZ浓度，计算其解吸附量。根据公式(2)计算膜的解吸附率(%)：

(2)

式中：

Q1—膜的解吸附量，mg LZ/g干膜；

Q2—膜的吸附量，mg LZ/g干膜。

2 结果与讨论

2.1 FTIR分析

图1是HAP粉体，纯CS膜和自组装法制备的CS/HAP杂化膜的红外光谱图。曲线a是自制HAP的红外光谱图，可以看出在3394 cm-1处有一比较宽的-OH伸缩振动峰。963 cm-1，1028 cm-1和1089 cm-1处是HAP中PO43-的特征吸收峰。同时，1423 cm-1处有一比较微弱的峰是CO32-的伸缩振动峰，说明在反应过程中混入微量的CO2，HAP中极少部分PO43-被CO32-所取代。曲线b是纯CS的红外光谱图，3361 cm-1附近是羟基和氨基的特征吸收峰，2874 cm-1处是C-H键伸缩振动，1652 cm-1处是C=O键的吸收峰，1595 cm-1处是-NH2特征峰，1065 cm-1和1032 cm-1是C-O伸缩振动吸收峰。曲线c，d和e是HAP含量不同的杂化膜的红外光谱图，几乎所有CS和HAP的典型特征峰在杂化膜中都有体现，说明用自组装法成功的在CS有机基体中合成了HAP无机粒子。随着HAP含量的增加，膜中2787cm-1～2985cm-1处的峰逐渐向高波数偏移，由此可以推测CS和HAP之间有分子间氢键和静电力形成。

图1 (a)HAP;(b)纯CS膜;(c～f)CS/HAP杂化膜的红外光谱图;(c～f：CS/HAP含量比分别为100/10，100/20，100/30，100/40)

2.2 XRD分析

图2是纯CS膜，CS/HAP杂化膜和自制HAP粉体的XRD图谱。因为CS的半结晶型结构，曲线a在20°左右有一个比较宽的衍射峰。HAP的特征峰为26°，32°，39°，46°，这些布拉格角在曲线f中都有呈现出来，说明对比样中HAP的成功合成。CS/HAP杂化膜在20°，26°和32°附近都有衍射峰，意味着用自组装法可以在CS基体中合成HAP，这与图2(a)红外光谱图所得的结论保持一致。从表1中可以看出，纯CS膜的结晶度为25.7%，HAP的结晶度为44.5%，杂化膜的结晶度比纯CS膜和HAP粉体都低，说明杂化膜中的生成的HAP晶型不够完善，同时HAP的生成破坏了CS膜原本的致密结构，给吸附实验提供了有利条件。

图2 (a)纯CS膜;(b-e)CS/HAP杂化膜;(f)HAP的XRD图谱(b～e：CS/HAP含量比分别为100/10，100/20，100/30，100/40)

表1 纯CS膜，CS/HAP杂化膜和HAP的结晶度

2.3 CS/HAP杂化膜的形貌

图3是纯CS膜和CS/HAP(100/10和100/20)杂化膜正面的电镜照片。从图中可以观察到，纯CS膜的表面非常光滑致密，通过自组装法制备的CS/HAP杂化膜表面因为有HAP的生成而变的粗糙且多孔，但是没有相分离现象，说明CS和HAP之间相容性良好。HAP粒子在膜上均匀分布，没有团聚现象。随着HAP含量的增加，CS/HAP(100/20)杂化膜的孔径变大，呈蜂窝状，比较有利于蛋白质的吸附。

(a) (b) (c)

2.4 CS/HAP杂化膜的吸附性能

2.4.1 不同HAP含量对溶菌酶吸附影响

图4是不同HAP含量的杂化膜的吸附量，在反应温度为25℃，LZ初始浓度为2 mg/ml，反应时间为24 h，pH=11的条件下，CS/HAP含量比为100/0，100/10，100/20，100/30和100/40的杂化膜对LZ进行静态吸附。从图中可以看出，杂化膜对LZ的吸附量大于纯膜，说明自组装法生成HAP可以有效的改善CS膜的吸附，CS/HAP(100/20)杂化膜吸附量最大，达到235.3 mg/g。自组装膜中HAP多数分散在膜表面，少数进入膜孔隙结构，增加了蛋白质和吸附位点的碰撞几率，吸附量增加。当CS/HAP=100/40时膜的吸附量虽然有所增加，但是膜质脆，物理性能不好，因此本章采用CS/HAP含量比为100/20的杂化膜做吸附实验。

图4 不同CS/HAP含量比的膜的吸附量(pH=11)

2. 4.2 不同pH值对溶菌酶吸附影响

图5是不同pH值对CS/HAP含量比为100/20的杂化膜吸附量的影响，选取的pH值依次为7～11。从图中可以看出，pH=7时杂化膜的吸附量为207.5 mg/g，随着pH值增加吸附量呈现先降低后增加的趋势，pH=9时达到最小值，pH=11时吸附量最大，达到235.3 mg/g。因为LZ的等电点为10.7，蛋白质在等电点附近几乎不带电荷，此时杂化膜和蛋白质之间的静电排斥力达到最小，同时LZ在等电点附近时有一个相对稳定的结构，所以可以达到最大吸附量。Feng等[8]用CS/羧甲基纤维素(CMC)混合膜对LZ进行吸附时发现，溶液的pH值可以影响LZ和混合膜之间的静电作用以及电荷分布。Saiful等[9]在研究pH值对LZ吸附影响的时候，同样发现，pH=9时膜对LZ吸附量达到最小值，而当pH=11时达到最大值，与本章的讨论结果保持一致。

图5 不同pH值下杂化膜的LZ吸附量

2.4.3 CS/HAP杂化膜的等温吸附

下页图6是自组装法制备的CS/HAP杂化膜的等温吸附曲线，在反应温度为25℃，反应时间为24 h，pH=11的条件下，CS/HAP含量比为100/20的杂化膜对不同初始浓度的LZ进行静态吸附。从图中可以看出，起初杂化膜对LZ的吸附量随着LZ浓度的增加而增加，因为LZ浓度越高，与CS/HAP杂化膜吸附位点结合的越多。当LZ浓度为1.76 mg/ml时达到吸附平衡状态，吸附量趋于稳定，因为膜的活性位点数目是有限的，继续增加LZ浓度时，活性位点可能全部被LZ占据，达到了吸附平衡的状态，故吸附量不再随着LZ浓度的增加而增加。

图6 CS/HAP杂化膜的等温吸附曲线

2. 4.4 离子强度对解吸附的影响

图7是不同离子强度对CS/HAP(100/20)杂化膜解吸附性能的影响。从图中可以看出，NaCl溶液的浓度越大，对LZ和杂化膜之间静电力的破坏越大，从杂化膜上解吸附的LZ量增多，解吸附率增大。当NaCl浓度为0.5 mol/l时，解吸附趋于稳定，大概有90%的LZ从杂化膜上被解吸附下来。Sun等[10]用KH792-HAP对LZ进行解吸附实验时，NaCl浓度为0.5 mol/l时解吸附达到稳定，并且解吸附率同样达到90%。

图7 离子强度对LZ解吸附的影响

3 结论

通过自组装法制备了CS/HAP杂化膜，CS/HAP的含量比分别为100/10，100/20，100/30，100/40。通过FTIR，XRD和SEM表征了膜的结构和HAP的分散情况，研究CS/HAP含量比，pH值和LZ初始浓度对CS/HAP杂化膜吸附性能的影响，探讨离子强度对CS/HAP杂化膜解吸附性能的影响，得出以下结论：

(1)自组装法可以使HAP在CS基体中成功生成，CS和HAP有分子间氢键和静电力生成，改善了CS和HAP的相容性，促进了HAP无机粒子在CS基体中均匀分散，没有团聚现象。

(2)通过不同CS/HAP含量比的杂化膜对LZ进行吸附可知，CS/HAP含量比为100/20，杂化膜对LZ的吸附量达到最高，为235.3 mg/g。改变pH值、LZ初始浓度探索的杂化膜的最佳吸附条件为：在pH=11下，LZ浓度为1.76 mg/ml时，杂化膜达到吸附平衡状态，膜的吸附量达到最大。

(3)研究了CS/HAP杂化膜对LZ的解吸附性能，当NaCl浓度为0.5 mol/l时，解吸附趋于稳定，解吸附率为90%。