層層組裝微膠囊的制備及其緩釋性能

張 維，李秋瑾，張健飛

(1.天津工業大學紡織學院，天津 300387;2.天津工業大學先進紡織復合材料教育部重點實驗室，天津 300387)

通過層層組裝(LbL)技術可以得到聚電解質中空微膠囊，其直徑從納米跨越到微米級別［1］。這類微膠囊的模板可以是固體也可以是液體［2－3］，組裝材料可以是高分子長鏈也可以是納米顆粒［4］，通過選用特殊構筑單元修飾囊壁，可使其具有pH響應性、磁響應性、超聲響應性［5－7］。在聚電解質微膠囊眾多的功能優勢之中，緩釋作用已成為最受關注的研究熱點。將藥物包埋到微膠囊中，藥物隨著時間延長逐漸釋放，局部濃度始終保持在一定范圍內，可提高對病變部位的作用效果［8］。此外，功能性微膠囊還能夠實現不同需要的刺激性釋放，如在熱的刺激下發生突釋，釋放量大大增加［9］;用葡萄糖調節囊壁的“開”與“合”，在開的狀態下，物質可以迅速釋放出來，而在合的狀態下，物質的釋放量微乎其微［10］。這種作用機制可應用到農藥、殺蟲劑、香精等物質的包埋與釋放中。

在前期實驗中，以雜化碳酸鈣微粒為模板，成功制備了聚烯丙基胺鹽酸鹽(PAH)/聚苯乙烯磺酸鈉(PSS)聚電解質微膠囊，并驗證了微膠囊對羅丹明B的自沉積效應。有研究［11］證實，PAH/PSS微膠囊具有pH響應性，但組裝選用的聚電解質分子質量不同，對微膠囊的滲透性能會產生很大影響。為后續實驗順利展開，以摻雜0.5 mg/mL PSS的碳酸鈣微粒為模板，選用PAH/PSS為組裝材料制備聚電解質中空微膠囊，比較不同層數微膠囊的表觀形貌及其對羅丹明B的釋放性能的影響，并采用2種不同釋放方法實現羅丹明B的釋放，以篩選出合適的釋放方法進行研究。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

聚苯乙烯磺酸鈉(PSS，70000)、聚丙烯胺鹽酸鹽(PAH，分子質量為120000～200000)，阿法埃莎(天津)有限公司;四水合硝酸鈣(Ca(NO3)2·4H2O)、碳酸鈉(Na2CO3)、乙二胺四乙酸(EDTA)，均為分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司;氯化鈉、磷酸氫二鈉、檸檬酸，均為分析純，天津市風船化學試劑科技有限公司;羅丹明B，天津市天新精細化工開發中心。恒溫水浴振蕩器(哈爾濱市東聯電子技術開發有限公司);臺式高速離心機(長沙湘儀離心機儀器有限公司);冷凍干燥機(北京德天佑科技發展有限公司);數顯集熱式磁力攪拌器(鞏義市英峪儀器廠)。

1.2 實驗方法

1.2.1 含PSS碳酸鈣微粒的制備

溶液配制:將Na2CO3和Ca(NO3)2分別配成濃度為0.05 mol/L的溶液。在Ca(NO3)2溶液中加入一定量PSS，使PSS在混合溶液中質量濃度為0.5 mg/mL，超聲分散，使其完全溶解，室溫靜置20 min。

實驗步驟:磁力攪拌條件下，向摻雜 PSS的Ca(NO3)2·4H2O溶液中迅速加入等體積的Na2CO3溶液，持續攪拌15 s，室溫靜置30 min，即可得到摻雜PSS的碳酸鈣(CaCO3(PSS))微粒。將所得微粒洗滌3次，烘干貯存備用。

1.2.2PAH/PSS在CaCO3(PSS)微粒上的組裝

溶液配制:將帶有相反電荷的聚電解質PSS和PAH分別溶解在0.5 mol/L NaCl溶液中，配成質量濃度為2 mg/mL的組裝溶液。

實驗步驟:取適量 CaCO3(PSS)微粒分散在PAH溶液中，室溫條件下恒溫水浴振蕩20 min，轉速為95～110 r/min，離心去除上清液，洗滌/離心循環3次，如此第1層組裝完成;然后將組裝一層PAH的粒子分散在PSS溶液中，相同條件下振蕩20 min，洗滌/離心循環3次。重復以上操作，組裝需要的層數后，得到白色膠體粒子即為未去核的聚電解質微膠囊。

1.2.3 模板微粒的去除和中空微膠囊的制備

溶液配制:用NaOH調節濃度為0.1 mol/L的EDTA溶液，使pH值在7.0～7.5范圍內，作為去除模板的專用溶液。

實驗步驟:將微膠囊粒子分散到EDTA溶液中，水浴振蕩30 min使其充分反應，取出離心，去除上清液，用水洗滌2次。以上過程重復4次以徹底除去CaCO3(PSS)微粒。將所得微膠囊分散在水溶液中并置于冰箱內冷藏。

1.2.4 微膠囊對染料的包埋

取適量微膠囊懸浮液與羅丹明B(80 μg/mL)溶液共混，室溫靜置12 h。離心分離，收集上清液。用水洗滌包埋后的微膠囊2次，去除溶液浮色。利用紫外-可見分光光度計確定羅丹明B的濃度－吸光度標準曲線，通過標準吸收曲線計算羅丹明B的釋放量。

1.2.5 微膠囊對染料的釋放

用磷酸氫二鈉和檸檬酸配制不同pH值的緩沖溶液作為釋放系統，利用標準曲線計算羅丹明B的釋放濃度。設計了2種常用釋放方法來追蹤釋放過程。

方法1:將包埋羅丹明B的微膠囊分散在pH值為5、7、9的緩沖溶液中，成為釋放系統。在一定時間取樣測定吸光度，取樣同時補充相同量的緩沖溶液到系統中。每個pH值下，做3組平行數據。

方法2:將包埋羅丹明B的微膠囊分散在pH值為5、7、9的緩沖溶液中，成為釋放系統。在規定的釋放時間點，用同一個試樣測量3組平行數據。

1.3 測試與表征

采用TM1000臺式掃描電鏡、S-4800場發射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察CaCO3(PSS)微粒、中空微膠囊的表觀形貌及尺寸范圍;通過JEM-2100F電子透射顯微鏡(TEM)分析聚電解質微膠囊的中空結構;用紫外-可見分光光度計測定羅丹明B的吸光度。

2 結果與分析

2.1 CaCO3(PSS)微粒的形貌表征

圖1示出CaCO3(PSS)粒子在掃描電鏡下的表觀形貌照片。由圖可知，采用1.2.1的實驗方法制得的模板粒子球形結構較好，且有一定的單分散性，粒徑大都分布在6～10 μm范圍內。

圖1 含PSS的碳酸鈣微球Fig.1 SEM images of PSS-doped CaCO3particles.(a)Whole morphology;(b)Surface morphology

在制備碳酸鈣粒子過程中摻入0.5 mg/mL的PSS，使其與Ca(NO3)2發生絡合，導致 Ca(NO3)2和Na2CO3反應速度下降，從而得到了球形良好的CaCO3(PSS)粒子。在反應過程中，部分PSS被摻雜到CaCO3粒子內部或吸附在粒子表面，這也是CaCO3(PSS)微粒中含有少量PSS的原因。圖1(b)示出CaCO3(PSS)微粒在500 nm尺度下的表面形貌，可以看到粒子表面有許多粒狀的納米顆粒，說明CaCO3(PSS)微粒是納米粒子的聚集體。

2.2 聚電解質微膠囊的表征

2.2.1 聚電解質微膠囊的形貌

圖2示出組裝了不同層數微膠囊的掃描電鏡照片?？梢钥吹?，組裝3個雙層的微膠囊表面僅有微小的起伏，隨著組裝層數的增加，微膠囊表面的顆粒明顯增大，而且起伏程度也增大。EDTA溶液在不破壞囊壁的情況下，可以安全有效地去除CaCO3(PSS)模板，得到的微膠囊在冷凍干燥的情況下完全坍塌，形成了典型的褶皺形態。

圖2 組裝不同層數的微膠囊掃描照片Fig.2 SEM images of microcapsules with different layers

2.2.2 聚電解質微膠囊的透射電鏡照片

(PSS/PAH)3PSS微膠囊水溶液的透射電鏡照片如圖3所示。微膠囊在溶液中仍然保持球體形貌，可以明顯觀察到其中空結構，囊內空間完好且飽滿，這說明CaCO3(PSS)模板去除較為徹底，溶解過程中囊壁兩側產生的滲透壓沒有造成微膠囊破裂。

圖3 聚電解質微膠囊的透射電鏡照片(×3000)Fig.3 TEM image of polyelectrolyte microcapsules(×3000)

2.3 微膠囊對羅丹明B包埋與釋放的表征

2.3.1 羅丹明B的濃度-吸光度標準曲線

由紫外-可見分光光度計測量可知，羅丹明B在553 nm處有特征吸收峰。配制不同濃度羅丹明B溶液，分別測量相應的吸光度，繪制羅丹明B濃度與吸光度的標準曲線，如圖4所示。對曲線進行線性擬合可得到方程y=196.95x(R2=0.9995)。根據標準曲線方程可計算得到溶液中羅丹明B的濃度。

2.3.2 不同釋放方法及pH值下染料釋放行為

圖4 羅丹明B質量濃度與吸光度標準曲線Fig.4 Calibration curve of RhB concentration vs.absorbancy

圖5示出采用不同釋放方法時，聚電解質微膠囊對羅丹明B的釋放情況。采用方法1，堿性條件比酸性條件下釋放速度快，釋放量多，而方法2的結果正好相反。分析可知，方法1中影響釋放的因素不僅有pH值，還有囊壁內外的滲透壓，而方法2中僅有pH值對其釋放行為有影響，相比而言，方法2較為科學合理，因此本文的釋放實驗均采用方法2來衡量。為進一步觀察微膠囊在初始時間內的釋放行為，選取前8 h的釋放行為，結果如圖6所示。

圖5 不同釋放方法下羅丹明B的釋放行為Fig.5 Release behaviors of RhB using different methods.(a)Method one;(b)Method two

圖6 羅丹明B在前8 h的釋放行為Fig.6 Release behaviors of RhB within first 8 h

從圖6可以看出，微膠囊在第1小時的釋放量最為明顯、釋放速率較快，是突釋區;第2小時是釋放誘導區，微膠囊的釋放量逐漸上升，但上升速度開始減慢;3～8 h為緩慢釋放區，釋放量在這個區域變化不大。由于微膠囊可以看成是半透膜，當囊內外存在較大濃度差異時，會形成一個濃度梯度，所以初始階段釋放速度較快，隨著時間延長，釋放速度逐漸降低?？傮w來說，聚電解質微膠囊呈現出多區域釋放。

2.3.3 不同層數微膠囊對染料的釋放行為

圖7示出在pH=7的室溫條件下，不同層數微膠囊對羅丹明B的釋放結果。組裝層數為7時，微膠囊對羅丹明B的釋放量和釋放速度出現最大值。繼續增加層數，二者反而減小。這是因為組裝層數越多，囊壁越厚，微膠囊的滲透性也隨之改變，從而釋放結果有所不同。通過層數來控制微膠囊的滲透性和釋放量，成為層層組裝微膠囊的一大優勢。

圖7 不同層數微膠囊的釋放Fig.7 Release behaviors of RhB from microcapsules with different layers

2.3.4 鹽濃度對染料的釋放行為

離子濃度是微膠囊囊壁結構和滲透性最大的影響因素之一。圖8示出微膠囊在不同鹽濃度下羅丹明B的釋放行為。在0.05 mol/L的低鹽濃度下，鹽溶液的加入可提高釋放量和釋放速率，這是因為鹽溶液有利于減小沉積在微膠囊內的羅丹明B分子間的排斥［12］，增加羅丹明B負載后的穩定性，因此當囊外濃度較低時，羅丹明B可快速地釋放。PSS為強聚電解質，微膠囊囊壁呈現負電性，在高鹽濃度下其相互排斥作用受到較大屏蔽，部分滲入到囊壁中屏蔽了靜電作用力，鹽的加入起到了增塑劑的作用，致使囊壁形成無規和緊縮的結構［13］，導致釋放量降低。

圖8 羅丹明B在不同鹽濃度下的釋放行為Fig.8 Release behaviors of RhB from microcapsules at different salt concentrations.

3 結論

1)以摻雜PSS質量濃度為0.5 mg/mL的碳酸鈣微粒為模板、以PAH和PSS為壁材，采用EDTA溶液去除碳酸鈣微粒模板，得到微米尺寸的中空微膠囊。層數越多，微膠囊的囊壁越厚，表面粗糙程度也越明顯。

2)包埋羅丹明B的微膠囊在不同pH值條件下都能實現釋放，且釋放趨勢相同，但釋放速度及釋放量有所不同，pH=5時可獲得最大釋放量。組裝層數越多，囊壁越厚，滲透性隨之下降，當層數為7時，可獲得最優滲透性能。

3)在小于0.05 mol/L的低鹽濃度下，鹽溶液的加入可以提高羅丹明B的釋放速率和釋放量，但繼續增大鹽濃度，釋放量反而降低。

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