γ-PGA对介孔分子筛MCM-41包覆效果影响研究
2019-06-03焦丕玉李玉龙许顺磊常意川
焦丕玉,游 立,李玉龙,许顺磊,常意川
-PGA对介孔分子筛MCM-41包覆效果影响研究
焦丕玉,游 立,李玉龙,许顺磊,常意川
(武汉船用电力推进装置研究所,武汉 430064)
高平均分子量聚-γ-谷氨酸(γ-PGA)粘度大、分散性差,不利作于包覆材料,为了获得包覆效果较好的γ-PGA,从温度、pH值和降解时间三个方面对γ-PGA的降解条件进行探究和优化。分析结果表明:1)10 mg/mL γ-PGA(M.W.=1170 KDa)在pH为1.0,80 ℃,降解8 h后得到低平均分子量的γ-PGA(M.W.≈9180 Da),适合于介孔分子筛MCM-41的包覆。2)PEI在介孔分子筛MCM-41包覆过程中起静电桥联作用。在0.5 mg/mL的PEI(M.W.≈800 Da)水溶液和0.5 mg/mLγ-PGA(M.W.≈9180 Da)水溶液,包封时间30min获得的包覆效果较好,制得壳层厚度均一,分散性较好的MCM-41@γ-PGA复合材料。
聚--谷氨酸 MCM-41 包覆 复合材料
0 引言
介孔分子筛MCM-41纳米粒子用作载体材料,需要考虑的关键问题是介孔硅纳米材料的功能化技术。同时,引入的功能化基团种类也需要慎重考虑,避免官能基团产生生理毒性,影响释放效果[1,3]。一个有效的策略是采用高分子物质,通过氢键作用、分子间作用力及静电作用力等对介孔硅进行包裹、嫁接,获得介孔硅与有机高分子复合物。利用高分子的包覆效果与介孔硅性质的协调效应,调控药物分子的释放过程[2,5]。高分子材料包覆于介孔硅材料外表面,能有效地解决靶标分子提前释放和持效期短的问题[4]。
高平均分子量-PGA粘度大、分散性差;低平均分子量-PGA粘度小,分散性较好,利于作为包覆介孔硅的材料,但较难获取,成本较高,少见用于包覆介孔分子筛的报道[6,7]。本研究探讨-PGA的降解条件,从温度、pH值和降解时间三个方面进行条件优化,以期获得包覆效果较好的-PGA。用阳离子型聚乙烯亚胺为桥连剂,将-PGA包覆于MCM-41表面,探讨-PGA包覆的影响因素,为拓宽PGA应用领域打下基础。
1 实验过程
1.1 实验步骤
1.1.1低平均分子量PGA的制备
将100 mL 10 mg/mL-PGA水溶液(pH=6.50,M.W.=1170 KDa)。用2.0 mol/L HCl调节pH值为1.0,80℃,550 r/min条件下进行降解。每间隔2 h取样0.5 mL,样品转移入10 mL离心管,用9.5 mL蒸馏水稀释,配成0.5 mg/mL溶液。
1.1.2凝胶渗透色谱(GPC)测定γ-PGA平均分子量
1.2 聚乙烯亚胺水溶液的制备
称取400 mg PEI(M.W.≈800 Da),加入50 mL带小磁子的离心管中,再加入40 mL蒸馏水和200 μL的冰醋酸,30℃,550 r/min条件下搅拌1 h,获得10 mg/mL PEI水溶液(pH=8.02)。移取2.5 mL上述溶液于50 mL棕色容量瓶中,蒸馏水定容,摇匀,得0.5 mg/mL,pH=7.5的PEI水溶液,备用。
1.3 γ-PGA包覆MCM-41
为探讨包覆条件及其效果,用未吸附靶标分子的3 nm的MCM-41进行包覆实验。
室温条件下,取0.2 g MCM-41于300 mL蒸馏水,超声5 min。以1.0 mL/min的滴速度滴加10.0 mL 0.5 mg/mL PEI水溶液,500 r/min下继续搅拌反应1 h,制得PEI包覆MCM-41的悬浮液。在搅拌下以1.0 mL/min的滴速向悬浮液中滴加10.0 mL 0.5 mg/mLPGA水溶液,滴加完毕继续搅拌0.5 h。制得PGA包覆MCM-41,记作MCM-41@γ-PGA。包覆体系原理图如图1所示。
图1 MCM-41@γ-PGA的原理图
2 结果与讨论
2.1 γ-PGA降解过程的影响因素
将较高平均分子量的-PGA降解到适合于包覆载药体系平均分子量的-PGA,温度、pH值和降解时间三个因素对过程控制有重要的影响。
2.1.1 温度和时间对γ-PGA降解的影响
图2为10 mg/mLPGA(M.W.=1170 KDa)水溶液在pH=3.0,温度分别为20、50和80℃条件下降解,得到-PGA的出峰时间随降解时间变化的降解曲线图。pH=3.0,80℃时,可知此条件下的PGA水解较为迅速,经过2 h水解,样品的出峰时间为18.79 min,水解4 h,出峰时间为19.20 min,水解8 h,出峰时间为19.58 min,8 h之后水解趋于平缓。降低温度为50℃时,-PGA水解缓慢,水解10 h,样品的出峰时间仅为18.27 min。进一步降低反应温度为20℃,PGA的出峰时间无明显变化,说明-PGA水溶液在pH=3.0,20℃条件下比较稳定。综上可知升高温度和延长降解时间均有利于-PGA的水解,80℃可作为优选的水解温度。
图2 在pH值为3时温度和时间对γ-PGA降解的影响
2.1.2 体系pH和时间对γ-PGA降解的影响
图3为10 mg/mL-PGA(M.W.=1170 KDa)水溶液在80℃,pH分别为1.0、3.0、6.5、11.0和13.0条件下降解,得到-PGA的出峰时间随降解时间变化的降解曲线图。在80℃,pH=6.50、11.0、13.0条件下,PGA的出峰时间变化不明显,即PGA的水解效果不明显。在80℃,pH=1.0时,PGA的水解很明显,经过2 h水解,样品的出峰时间已达到19.67 min,水解8 h,出峰时间为20.07 min,水解10 h,出峰时间为20.07 min,8 h之后水解趋于平缓。虽pH=3.0时,-PGA的水解趋势较明显,但在相同降解时间下,其出峰时间与pH=1.0相比有较大差值,综上可知80℃,pH=1.0,降解时间为8 h,可作为优选的-PGA水解条件。依据1.2.2中低平均分子量-PGA的GPC测定条件,测得此优选水解条件下-PGA的M.W.≈9180 Da。
图3 80℃时pH和时间对γ-PGA降解的影响
2.2 MCM-41@γ-PGA复合体系的影响因素
在-PGA对MCM-41包覆过程中,PGA平均分子量、溶液浓度、PEI溶液浓度及包封时间等因素都对包封率、包封后颗粒的分散度和均匀度等质量指标有重要影响。
2.2.1 Zeta电位分析
表1为-PGA包覆前后MCM-41材料外表面带电荷的变化情况,由Zeta电位数据可知,MCM-41表面带负电荷,聚乙烯亚胺在pH≈7.0带正电荷,通过静电作用力吸附在硅球外表面,使得MCM-41@PEI带正电荷。PGA在PH≈7.0带负电荷,-PGA会通过静电作用力与MCM-41@PEI复合,制得MCM-41@PGA。虽然Zeta电位没有变为负值,但其外表面电荷大大降低,说明PGA成功包封在硅球外表面。
表1 不同样品的Zeta电位数据(pH≈7.0)
2.2.2 γ-PGA平均分子量的影响
图4为80℃,pH=1.0,不同降解时间的PGA对MCM-41进行包覆,制得MCM-41@-PGA的透射电镜图。由图a)可知,用未降解的-PGA(M.W.=1170 KDa)制备的MCM-41@-PGA粘度大,聚块明显,不利于后续释放实验探究。由图b)可知,-PGA水解2 h制得的产品团聚效应仍然明显。由图c)可知,-PGA水解4 h制得的产品聚块现象有所改善。由图d)可知,降解时间8 h时,制备得到的MCM-41@-PGA的分散性、壳层厚度均一性更好。由上可知,-PGA平均分子量越小,其粘度越小,且分散性越好。
图4 不同降解时间条件MCM-41@γ-PGA的透射电镜图
2.2.3 包封时间的影响
选择在80℃,pH=1.0,水解8 h条件下制得的低平均分子量-PGA(M.W.≈9180 Da)水溶液用于后续包覆实验的探究。
图5 不同包封时间条件下的MCM-41@γ-PGA的透射电镜图。
图5中a)~c)和d)~f)分别为0.5 mg/mL和2.0 mg/mL-PGA水溶液,0.5 mg/mL PEI(M.W.≈800 Da)水溶液,包封时间分别为0.5、1.5和2.5 h条件下,制得MCM-41@-PGA的透射电镜图。由图a)可知,0.5 mg/mL-PGA水溶液,包封时间为0.5 h时,制备的MCM-41@-PGA分散性较好,由图b)~c)可知,随着包覆时间延长,分散性变差,更易聚集结块。由图d)可知,2.0 mg/mL-PGA水溶液,包封时间为0.5 h时,制备的MCM-41@-PGA分散性较差,由图e)~f)可知,包覆时间延长,团聚现象更为明显。因此,选择0.5 h为包封时间较为合适,同时可知-PGA水溶液的浓度不宜过高。
2.2.4 γ-PGA水溶液浓度的影响
图6中a)~g)分别选择0.2、0.5、1.0、1.5、2.0、5.0和10.0 mg/mL等7个浓度的-PGA(M.W.≈9180 Da)水溶液,0.5 mg/mL PEI(M.W.≈800 Da)水溶液,包封时间为0.5 h,制得MCM-41@γ-PGA,对其进行透射电镜检测,结果由图a)可知,0.2 mg/mL-PGA,包封时间为0.5 h时,MCM-41@γ-PGA的包封率较低,包封不完全;由图b)可知,当PGA浓度由0.2 mg/mL变成0.5 mg/mL时,材料分散性明显变好;由图c)可知,PGA浓度为1.0 mg/mL时,材料分散性较好,但壳层均一性较差,壳层厚度较厚;由图d)~g)可知,继续升高浓度,材料分散性变得更差,当浓度升至2.0 mg/mL以上时,材料几乎团聚在一起,因而选择浓度为0.5 mg/mL-PGA水溶液较为合适。
图6 不同浓度γ-PGA条件下的MCM-41@γ-PGA的透射电镜图。
2.2.5 聚乙烯亚胺水溶液浓度的影响
图8中a)~d)分别选择0.2、0.5、1.0和1.5 mg/mL等4个浓度的PEI(M.W.≈800 Da)水溶液,0.5 mg/mLPGA(M.W.≈9180 Da)水溶液,包封时间为0.5 h条件下,制备MCM-41@PGA,结果由图c)~d)可知,浓度较高(1.0,1.5 mg/mL)时,聚块现象明显,由图a)、b)可知,浓度较小(0.2,0.5 mg/mL)时,分散性较好,但浓度为0.5 mg/mL时,壳层厚度更为均一,因此选择浓度为0.5 mg/mL PEI溶液较为合适。
图7 不同浓度PEI条件下的MCM-41@γ-PGA的透射电镜图。
3 结论
通过本论文研究可知,10 mg/mLPGA(M.W.=1170 KDa)在pH为1.0,80℃,降解8 h后得到低平均分子量的PGA(M.W.≈9180 Da),适合于载药介孔硅的包覆。PEI在介孔材料包覆-PGA过程中起静电桥联作用。在0.5 mg/mL的PEI(M.W.≈800 Da)水溶液和0.5 mg/mL-PGA(M.W.≈9180 Da)水溶液,包封时间30min获得的包覆效果较好,制得壳层厚度均一,分散性较好的MCM-41@PGA复合材料。
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Study on the Effect of γ-Polyglutamic Acid Coating MCM-41
Jiao Piyu, You Li, Li Yulong, Xu Shunlei, Chang Yichuan
(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)
O643
A
1003-4862(2019)05-0051-04
2018-11-28
游立(1991-),男,助理工程师。研究方向:电子导电浆料、功能材料化学。E-mail: 273318250@qq.com