（材料科学与工程专业论文）交联壳聚糖水凝胶填充层状组装微胶囊的制备及性能研究.pdf

濒江大学硕士学位论文t 2 0 噙) 摘要 自1 9 9 1 年d e c h e r 等提出基于静电相互作用的层层组装概念以来，采用层层 组装法制各聚电解质微胶囊引起了广泛的注意。聚电解质微胶囊具有诱导物质自 发沉积的性质为其在生物技术、化工、制药等领域实现对物质的有效包埋开创了 一条崭新的思路。 壳聚糖是一种生物相容性良好的大分子多糖，对人体无毒，还具有抗菌、消 炎等作用。本文首先将甲基丙烯酸( m a a ) 和乳酸( l a ) 接枝到壳聚糖( c s ) 分子链 上，合成了水溶性可光交联的壳聚糖衍生物( c m l ) ，采用无机沉淀法将其掺杂到 碳酸钙微粒中，在微粒表面组装聚苯乙烯磺酸钠( p s s ) 和聚烯丙基胺盐酸盐 ( p a h ) 。用乙二胺四乙酸二钠( e d t a ) 溶去碳酸钙模板后，得到内部填充c m l 的微胶囊。通过紫外光引发c m l 中双键的交联聚合，最终得到了内部含有c m l 凝胶的微胶囊。凝胶填充的微胶囊干燥时尺寸从6 8 微米收缩到4 6 微米，但仍 可保持球形；再次水化后，能够膨胀恢复其原有尺寸和形态。各种具有不同电荷 性质、分子量和亲疏水性的染料分子及蛋白质均可被有效装载到微胶囊内。深入 研究了所制备的凝胶填充微胶囊的干燥性能和水化恢复性能、p h 响应性和微胶 囊内壳聚糖水凝胶的可控降解性能。 研究了生物活性物质d n a 在壳聚糖水凝胶填充微胶囊中的包埋和释放。详 细考察了初始孵化浓度、温度、盐浓度和p h 值对d n a 的定量包埋的影响以及 包埋d l n a 后的微胶囊在不同温度、盐浓度和p h 值的溶液中的释放行为。 关键词：聚电解质微胶囊，凝胶，填充，包埋，释放，d n a 瀵江大学硬学位论文2 0 0 8 ) a b s t r a c t t h el a y e r - b y l a y e r ( l 1 ) l ) s e l f 弱s e m b l yb a s e do ne l e c t r o 咧i ci n t e r a “o nw 鹤 i i l i t i a l l yi n 仃d d u c e db yd e c h e r 锄dc o w o r k e r si nl9 9 1 s i n c et h e n ，p o l y e l e c t r o l y t e m u l t i l a y e rm i c m c a p s u l e s 妒e p a r e db yl a y e r b y l a y e ra d s 0 r p t i o no fo p p o s i t e l yc h a 唱e d p o l y e l e c t r o l y t e sh a v er e c e i v e dc o n s i d e r a l b l e 锨锄t i o 眠s o m em i c r o c 印s u l e sc 锄 s p o n t a l l e o u s d e p o s i t ev a r i o l l ss u b s t 锄c e sw h i c hm e e t sd i 仃e r e n t 印p l i c a t i o n si nt 1 1 e f i e l d sl i k eb i o t e c l m o l o g y ；c h 锄i c a le n g i n e e r i n ga n dp h 姗a c y c h i t o s 锄i s0 n ek i n do fp o l y s a c c h 撕d e sw i t h9 0 0 db i o c o m p a t i b i l i 劬n o n t o x i ct 0 h m 锄b o d y 、啊t l la n t i b a c t 耐a la n da n t i i i l f l a m m a t o r ye 舵c t s w 缸e rs o l u b l ec h i t o s 锄 d e r i v a t i v e ( c m l ) w 够o b t a i n e db y 伊a r i n gm e t h a c r y l i c i d ( m a a ) a 1 1 dl a c t i ca c i d ( l a ) o n t oc l l i t o s 锄c h a i l l ，锄dc a c 0 3m i c r o p a n i c l e sd o p e d 诵t l lt h ec m l ( c a c 0 3 ( c m l ) ) w e r ef a b r i c a t e d l a y e r - b y - l a y e ra s s 锄b l yo fs o d i 啪p o l y ( s t y r e n es u l f o n a t e ) s a j t ( p s s 锄dp o l y ( a l l y l a n l i n eh y d r o c l l l o r i d e ) ( p a h ) 粥t h e nc o n d u c t e d0 nt h ec a c 0 3 ( c m l ) m i c r o p a n i c l e s t 0f o mc o r e s h e l l p a n i c l e s c o r cr 哪o v a lb yd i s o d i 啪 e t 】h y l e n e d i 锄i 玳- t e 臼m c e t a t ed e h y d f a t e ( e d t y i e l d e dt l l e p s s p a h m u l t i l a y e r m i c r o c a p s u l e s 诵t l lc m l i 1 1t l l e i ri m e r i o 璐t h ec m l h y d r o g e lw 勰f o m e di ns i t i ib y p h o t o i n d u c e dc r o s s l i n l 【i n g t h ea s 伽a r e dm i c r o c a p 鲫l e sp f e s e n ，e dt h em i c r 0 s c o p i c m o r l ) h o l o g y o ft l l e i r t e m p l a t ep a r t i c l e s u n l i k e t 1 1 e 仃a d i t i o n a lm u l t i l a y e r m i c r o c a p s u l e s ，t l l e s ec m lh y d r o g e lf i l l e dm i c r o c 印s l l l e sr e m a i n e dt l l e i rs p h e r i c a l s h a p ea r e rd r y i l l 岛b l l tt h e i rs i z ew 懿d e c r e 弱e df 的m6 8 mt o4 6 m t h ec a p s u l e s i z e 觚ds h a p cw e r er e c o v e r e da r e rh y d r a t i o n t h e m i c m c a p s u l e ss h o w e dl l i g l l l o a d i n ge 伍c i 饥c yo fn u o r e s c e md y e s 沁l u d i n gn e g a t i v e l yc h a 略e dn u o r e s c e i n s o d i 啪觚db o v i 鹏s e m ma l h 肌i n ，p o s i t i v e l yc h 叫雪e dr 量1 0 d 锄i n e ，觚dn e u t m ln i l e r e di 1 1b o t l lw 栅锄do 玛a i l i cs o l u t i o n s t h ed r y i n gs 协i l i 劬h y d r a t i o np r o p e r t y ，p h r e s p o n s i v e ，a n d 舳l l a b l ed e g r a d a t i o no f t h eg e l - f i l l e dc 印s u l e sw e r es t u d i e d l o a d i n g 锄dr e l e a s eb e h a v i o ro f b i o a c t i v cs l l b s t a n c ed n a i nt h em i c r o c a p s u l e s w e r es t u d i e d t h ei l l 】 l u e n c eo fi n c u b a t i o nc o l l c e i 岣t i o n ， t e m p e 均t l l r e ，s a l t c o n c e n t r a t i 觚dp hv a l u eo nt h el o a d i i l g 锄dr e l e a 辩b e h a v i o ro fd n a 、w r e s y s t e m a t i c a l l yi i e s t 适a t e d k e y w o r d s ：p o l y e l e 咖r o l y t em i c r o c a p u l e ，g e l ，f i l l i n g ，l d i n g ，r e l e a s e ，d n a ， h 溉江大学硬士学位论文2 0 魄) 1 1 前言 第一章文献综述 微胶囊是通过成膜物质将囊内空间与囊外空间隔离开以形成特定几何结构的 物质，其内部可以是填充的，也可以是中空的。微胶囊的形状以球形结构为主， 也可为卵圆形、正方形或长方形、三角形等各种不规则形状。传统微胶囊尺寸大 小通常在微米至毫米级，囊壁厚度在亚微米至几百微米。各种药物、化妆品、染 料、香料、油墨、涂料、粘合剂、纳米微粒及活细胞等都可被包埋形成具有多种 具有不同功能的微胶囊【l ，2 】。囊壁通常由天然或合成的高分子材料组成，也可以 是无机化合物。根据囊心的性质和微胶囊的使用要求，囊壁可由一种材料或多种 材料复合构成。 微胶囊的技术特色在于囊心物质被包埋并与外界环境隔离，而其本身的性 能，如物理化学性能、生物学性能或光电性能等则不受影响。在适当的条件下， 如囊壁破坏或改变囊壁的通透性能，被包裹的物质又能够释放出来。这为贮存、 运输和使用都带来极大的方便。通过微胶囊化可以保护囊内物质免受外界氧气、 水、光等因素的影响，在适当的条件下被包裹的物质又能够释放出来【3 ，4 】。通过 囊壁的部分阻隔作用和渗透调节性能，可降低被包埋物的释放速率，或将被包埋 物以可控的速率释放，形成各种具有缓释和可控释放性能的微胶囊。例如微胶囊 化的香水可降低其挥发性能，延长其使用和保存期。利用某些带有电荷的聚合物 电解质如邻苯二甲酸醋酸纤维素( c a p ) 在不同p h 值溶解性能的差异，可制备 出具有定位释放功能的微胶囊。利用微胶囊的半透性能和阻隔性能，可制备出微 胶囊化的组织工程化器官，如人工肝脏或人工胰脏。这种微胶囊的囊壁允许正常 的营养物和排泄物的交换，也允许低分子量的代谢产物( 如胰岛素) 透过薄膜， 但阻止淋巴细胞、白细胞、抗体和其它的免疫蛋白质透过【3 6 】。 根据囊壁形成的原理，微胶囊的传统制备技术大体上可分为三类【l ，2 l ：利用 反应生成囊壁的化学方法、利用相分离形成囊壁的物理化学方法和利用机械或其 它物理作用形成囊壁的物理方法。随着微胶囊研究与应用领域的不断拓展，新的 微胶囊制备技术也不断地被创造和发明。 模板法是通过可控表面沉积或直接的表面反应在模板微粒表面形成囊壁后， 通过煅烧或者化学方法将模板去除，从而制各得到各种无机或有机的中空微囊。 例如，人们利用模板法得到了微米尺寸的s i 0 2 微囊和单分散的纳米s i 0 2 中空胶囊 【7 ，8 1 。a s h e r 等在s i 0 2 微球表面接枝上含双键的单体3 三甲氧基硅烷基) 丙基丙烯 酸甲酯( m p s ) ，利用分散聚合法在s i 0 2 表面聚合苯乙烯( s t ) 与二乙烯基苯 3 灏江大学硕学位论文( 2 0 0 8 ) ( d v b ) ，然后用氢氟酸( h f ) 去核后，获得规整结构的聚合物微囊【9 】。 由磷脂双分子层结构形成的脂质体( l i p o s o m e ) 也是一种胶囊。双亲聚合物 与磷脂具有相似的亲水一疏水分子结构，因此也具有形成囊泡的能力【1 0 ，1 1 】。 通过某些纳米颗粒的自组装，可自发地形成中空微胶囊。d i n s m o r e 等人利 用相分离法将油相( 或水相) 中的胶体粒子吸附到内部为水相( 或油相) 的乳液 滴表面，再吸附一层聚电解质以稳定胶体粒子，通过离心即得到分散在水相( 或 油相) 中的中空胶囊【1 2 】。p 姗o v 等用碳纳米管作为囊壁材料，利用反相乳液法 制备了碳纳米管组装的中空微囊【1 3 】。 1 2 聚电解质微胶囊制备技术 1 2 1 层层组装技术 1 9 6 6 年i l e r 提出交替沉积制备自组装薄膜的方法，其后为m a l l o u l ( 等进一步 发展【1 4 ，1 5 】。d e c h e r 等人后来建立了基于聚合物阴阳离子静电相互作用的层一层 ( l a y e r b y l a y e r ，l b l ) 自组装技术【1 6 1 9 】。l b l 技术的核心是基于聚阳离子和 聚阴离子在基底上的交替吸附。l b l 技术的优势在于，由于可利用多种化学基团， 因而可用来制备功能可调控的聚合物薄膜。图l 一1 给出在平面基底上进行层层组 装的示意图。聚电解质多层膜( p o l y e l e c t r o l y t em u l t i l a y e r s ，p e m ) 的结构取决于 溶液中聚阳离子和聚阴离子的静电相互作用以及界面上的静电反转。在组装过程 中，聚电解质的吸附引起表面电荷反转，从而使得下一层具有相反电荷的聚电解 质的吸附得以进行。重复聚阳离子和聚阴离子的交替沉积过程即可得到所需不同 层数的聚电解质多层膜。 f i g 1 一l ( a ) s c h e m a t i co f t h ef i l i i ld e p o s i t i o np r o c e s s u s i n gs l i d e sa i l db e a l ( e r s s t e p s la n d3r 印r e s e n tt h ea d s o 叩t i o no fa p o l y a l l i o na n dp o l y c a t i o n ，r e s l ) e c t i v e l y ，a n ds t 印s 4 2a n d4a r ew a s i l i n gs t e p s t h ef b u rs t e p sa r et b eb 舔i cb u i l d u ps e q u e i l c ef 0 r 廿l e s i m p l e s tf i l ma r c l l i t e c t u r e ，( a b ) n t h ec o n s t r u c t i o no fm o r ec o m p l e xf i l m a r c h i t e c t u r e sr e q l l i r e so n l ya d d i t i o n a lb e a k e r sa i l dad i 丘硗呲d e l ) 0 s i t i o ns e q u e n c e ( b ) s i m p l i f i e dm o l e c u l a rp i c n l r eo ft l l ef i r s tt w oa d s 0 哪i o ns t e p s ，d e p i c t i n gf i l m d e p o s i t i o ns t a n i n g 、舫t l lap o s i t i v e l yc h a r g e ds u b s t r a t e c o 瑚1 t e ri o n sa r eo m i t t e df o r c l a r i t y t h ep o l 虮o nc o i l 】晒册a t i o n 锄dl a y e ri n t e 邛i e n e t m t i o na r e 锄i d e a l i z a t i o no ft l l e s u r f a c ec h a r g er e v e 浏w i t i le a c ha d s o r p t i o ns t e p 1 2 2 聚电解质在胶体粒子表面的组装 将层层组装技术应用于胶体颗粒，就得到了以聚合物层状超薄膜为壳层的核 一壳结构微粒，从而将l 1 ) l 技术从二维扩展到三维空间【2 0 2 3 】。采用可被去除 的胶体颗粒作为组装的模板，通过l b l 技术将聚电解质沉积到该胶体颗粒上， 然后将作为模板的胶体颗粒溶解或分解，就制备出聚电解质三维薄膜一 类全新结构的聚合物中空微胶囊【2 4 ，2 5 】。这种方法不仅极大地拓宽了自组装 技术的研究与应用范围，导致了自组装技术的一个质的飞跃，而且制得的微 胶囊显示出独特的结构与多变的性能，在基础研究与实际应用方面都具有重 要的研究与开发价值。 将l b l 技术从二维基底表面转移到胶体粒子表面的技术问题在于，在下 一步组装之前，需要将覆盖有聚电解质的胶体粒子与多余的聚电解质加以分 离。否则，加入相反电荷的聚电解质将引起胶体粒子的絮凝，而不会得到预 期的膜增长。为了避免这种现象的产生，用作模板的胶体粒子以及所用的聚 电解质必须带有足够的电荷。而且，加入的聚电解质的量必须足够大，以保 证对胶体粒子的完全覆盖。不然，则由于带有不同电荷密度的胶体粒子相互 作用而出现不完全的膜增长和凝聚现象。在胶体粒子表面组装聚电解质的实 验条件与在平面基底上相似。通常，将聚电解质( 1 m 咖l ) 溶于0 5 mn a c l 水溶液中，在胶体粒子表面的吸附时间为1 0 2 0 m i n 。 聚电解质在胶体粒子表面的l b l 组装( 图1 2 ) 方法有两种：一种是在每 一步加入的聚电解质的浓度刚好能够保证在胶体粒子表面形成一层聚电解质 膜；第二种则是组装在过量的聚电解质溶液中进行。对于后者而言，为避免 在溶液中形成聚电解质复合物，在加入第二种聚电解质溶液之前必须将上一 层组装所用的过量聚电解质加以分离。分离的方法有离心法和过滤法【2 2 ，2 6 】 两种。这些方法可提供聚电解质多层膜在胶体粒子上的交替增长【2 2 ，2 6 l 。 5 濒江大学硬圭学位论文( 2 0 魄) 量z 笛 f i g 1 2s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no ft h ep o l y e l e c t r o l y t ed e p o s i t i o np r o c e s sa n do f s u b s e q u e n t c o r ed e c o m p o s i t i o n t h ei n i t i a ls t e p s ( a - d ) i n v o l v es t e p w i s ef i l m f 0 m a t i o nb yr e p e a t e de x p o s u r eo ft h ec o l l o i d st op o l y e l e c t r o l y t e so fa l t e m a t i n g c h a r g e t h ee x c e s sp o l y e l e c t r o l y t ei s r e m o v e db yc y c l e so fc e n t r i f l u g a t i o na n d w a s h i n gb e f o r et h en e x tl a y e ri sd e p o s i t e d a r e rt h ed e s i r e dn u m b e ro f1 a y e r sh a s b e e nd e p o s i t e d ，t h ec o a t e dp a r t i c l e sa r ee x p o s e dt op h = 1h c l ( e ) t h ec o r e i m m e d i a t e l yd e c o m p o s e s f i n a l l y ，a n e rw a s h i n g ，as u s p e n s i o no fp o l y e l e c t r o l y t e h o l l o ws h e l l si so b t a i n e d ( f ) 1 2 3 模板 在聚电解质微胶囊的制备过程中，模板的选择是第一步，也是非常关键的一 步。合适的模板需要在l b l 组装过程中保持稳定，并且在去核时模板的降解产物 能够快速和完全地与微胶囊分离，去核条件不能对p e m 的结构和稳定性产生影 常用的模板有：球形聚合物胶体粒子，如三聚氰胺甲醛树脂( m f ) 【2 7 ，2 8 】、 聚苯乙烯( p s ) 【2 9 】、聚乳酸( p l a ) 、聚乳酸一乙醇酸( p l g a ) 【3 0 】等胶体微 球；盐的结晶，如立方体的c d c 0 3 、近似球形的m n c 0 3 、c a c 0 3 微粒 3 1 】；生物 细胞，如红血球、大肠杆菌、棘红细胞( e c h i n o c y t e ) 【3 2 - 3 4 】。最近，由表面活 性剂稳定的气泡和液晶的微乳液滴也被用作制备l b l 微胶囊和核壳结构的模板 【3 5 ，3 6 】。 6 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 8 ) f i g 1 3c l s mi m a g e so fc o r cd e c o m p o s i t i o np r o c e s sa sa 如n c t i o no f t i m e r d - m f c o l l o i d sw i t had i a m e t e ro f6 4 岬d e p o s i t e d 谢t h ( p s s p a h ) 8 t h ea n o wi l l ( d ) i n d i c a t e st h er e s i d u eo ft h ec o r e t h en u m b e r si nt l l ei n s e t si n d i c a t et h ec o r e d e c o m p o s i t i o nt i m e 核的去除方法各异，取决于所用核的性质。比如微交联的m f 核在p h 3 0 0 0 ) 碳酸盐晶体可直接在乙二胺四乙酸二钠( e d t a ) 溶液中溶解。除了可简 化及加速微胶囊的制备过程之外，碳酸盐晶体作为模板也适于采用对p h 敏感 的蛋白质和核酸等囊壁材料制备微胶囊，因为这些材料的次级结构经过酸处 理之后可能发生不可逆转变。除此之外，以c a c 0 3 或m n c 0 3 为模板的微胶囊 也可用于药物载体，因为这样形成的微胶囊中含有的c a 2 + 或m n 2 + 的含量不致 产生毒性，在去核后这些金属离子的浓度低于临床应用上的限制水平【4 2 】。碳 酸盐核的溶解不会产生强渗透压。虽然在微胶囊内部离子的浓度可达到很高， 但是这些离子可以很快离开微胶囊而不致对微胶囊的完整性产生大的影响。 特殊的模板可以实现特定的功能。例如以多孔的c a c o ，或者s i 0 2 粒子为模 板，先将多孔粒子与生物大分子大分子如蛋白质、酶等溶液混合，蛋白质和酶可 被大量吸附到多孔粒子中，之后在表面层层组装聚电解质，去核之后即可得到内 部含有蛋白质的微胶囊，这样被包埋的生物大分子仍可保持一定的活性【4 3 ，4 4 】。 1 2 4 囊壁材料 作为囊壁材料，一个先决条件是要求其具有一定数量的带电基团。对于 聚电解质来说，至少有5 0 的单体单元要求带有电荷【4 5 】。通常，用于平面 膜的l b l 方法也能用于胶体表面，因而原则上用于制备平面膜的材料都可用 浙江大学硕士学位论文2 0 0 8 ) 来制备微胶囊。由于构成中空微胶囊囊壁的聚电解质多层膜的机械稳定性和 微胶囊之间的团聚问题，因而在实际中对组装微胶囊的材料有所限制。然而， 现有大量的“构筑 材料( b u i l d i n g b l o c k s ) 足够在很大范围内对微胶囊的化 学物理性质进行调节。 用于制备微胶囊的聚电解质有合成的p s s 、p a h 、聚丙烯酸( p o l y ( a c r ) ，l i c a c i d ，p a a ) ) 和聚二烯丙基二甲基铵盐酸盐( p o l y ( d i a l l y l d i m e t h y l a m m o n i u m c h l o r i d e ，p d a d m a c ) ) ( 图1 5 ) 。迄今为止，研究最为广泛的体系是p a h p s s 。 用聚乙烯基胺( p o l y ( e t h y l e n e i m i n e ，p e i ) ) 和氟碳聚合物n a f i o n 制备微胶囊的 研究也有报道【4 6 ，4 7 】。由于微胶囊在医药领域的潜在应用前景，人们对天然 聚电解质如多糖等产生了浓厚兴趣。角菜胶、硫酸葡聚糖、壳聚糖、硫酸壳 聚糖、海藻酸钠、羧甲基纤维素( c a r b o x y l m e t h y lc e l l u l o s e ，c m c ) 、鱼精蛋白 聚赖氨酸和聚谷氨酸等天然高分子【4 8 5 2 】都已被成功地用来制备微胶囊。 芍 s 0 3 n a p s s _ e 蛐 婶 c o o h p a a 磁 k 哪郴f c f 山 p 哂 o c f 2 c f 2 s 0 3 h n a 行 傩蚪厨t 懈斜 舻= d 譬如eo f q c d y l 越油 c l l i t o s 锄s o d i 啪a l g i n a 忙 r - h w 锄! c 0 0 蛐t o d e 8 辫o f 妯n 缸i o n c m c f i g 1 5s o m ep o l y e l e c t r o l y t e su s e di nf a b r i c a t i o no fl b lm i c r o c a p s u l e s 9 浙江大学硕士学位论文t 2 0 0 8 ) 1 3 微胶囊的基本物理性能 迄今为止，已采用多种方法如c l s m 、s f m ( s c 锄i n gf o r c em i c r o s c o p y ) 、 s p l s 、s e m 、t e m 、石英微天平( q u a r z ec h r y s t a lm i c r o b a l a b c e ，q c m ) 、核磁、 荧光、红外光谱、元素分析等研究了微胶囊的各种性能，如机械性能、热性 能、表面形态结构、电性能、光性能、渗透性能与包埋性能等。 1 3 1 微胶囊的热稳定性能 作为反应或包埋释放的载体，微胶囊在许多场合下需要经受高温的处理， 因此其结构对温度的响应性能也非常重要。微胶囊的热稳定性能体现在其宏观形 状的保持能力，尺寸及壁厚的变化，直至破坏。微胶囊对热的反应与其囊壁组成 密切相关，而模板的影响较小。p s 刚p a h 微胶囊在热处理情况下，表现为尺寸的 减小与囊壁厚度的增大；而其宏观形状基本不变【5 3 】。如图1 6 所示，基于m f 核的初始直径为8 7 邮的( p s s p a h ) 5 微胶囊( 第9 层为l h p s s ) ，在7 0 0 c 水溶 液中处理2 小时后，其直径缩小为6 岬，表面积则缩小为原来的5 0 。s f m 研 究发现热处理后囊壁的厚度增大。定量的计算表明囊壁的表观体积基本没有变 化。不用r d p s s 标记的微胶囊，以及以红细胞或s i 0 2 为模板的微胶囊也出现同 样的尺寸收缩现象，尽管程度稍有差异。定量比较发现，以m f 或s i 0 2 为模板 时，p a h 为最外层即囊壁结构为偶数层时收缩程度比p s s 为最外层即囊壁结构 为奇数层时大。这种层数的奇偶性对收缩或膨胀程度的影响在p s s p d a d m a c 微胶囊中同样存在，与p s s p a h 微胶囊不同的是，该微胶囊受热后尺寸发生膨 胀。 l o 澌江大学硕士学位论文t 2 0 0 8 ) f 培l - 7c l s mi i i l a g e so f ( p s s p d a d m a c ) 5c a p s u l e sw i n l 锄i n i t i a ld i a m e t e ro f5 5 p m ( c o r es i z e3 8p m ) a ) c o n t r o l ，b ) 锄e a l i n ga t4 0 0 c6 竹2h ，c ) c o o l i n go f ( b ) o v e m i g h t ，锄dd ) r e a n n e a j i n go f ( c ) a t4 0 0 cf o r2h a ut l l ec l s mi m a g e sh e r e i n h a v et h es 锄em 楚面f i c a t i o nf o rd i r e c tc o m p a r i s o n s c a l eb a r10p m 1 3 2 微胶囊的电性能 层层组装微胶囊的囊壁是由带电络合物形成的，因此也呈一定的导电性能。 采用电致旋转( e l e c t r o r o t a t i o n ) 技术可定量研究微胶囊的电性能【5 6 】。电致旋转 是研究胶体颗粒和细胞电性能和介电性能的非常有用的介电谱技术。粒子的旋转 速度和旋转方向强烈依赖于粒子的电导率和本体溶液电导率的差。当溶液的电导 率小于粒子的电导率时，将发生共场旋转( c o f i e l dr o t a t i o n ) ；当溶液的电导率大 于粒子的电导率时，将发生反场旋转( a n t i f i e l dr o t a t i o n ) ；在二者相等时，粒子 则不再旋转。因此，改变本体溶液的电导率就可估算出粒子的电导率。据此得到 红细胞为模板的( p a h p s s ) 5 微胶囊的电导率约为1 s m ，大约与0 1 m 的n a c l 溶 液相当。该电导率的产生说明在聚电解质多层膜中存在自由的未缔合的离子，其 含量约为1 0 左右。反离子在多孔聚电解质多层膜中的迁移产生了导电性。需特 别说明的是，因在去核过程中的氧化，红细胞为模板的微胶囊的囊壁结构与组装 时存在非常大的差异，因此该电导率不能与p a h p s s 多层膜直接对应。聚电解 质微胶囊外可复合一层磷脂双分子层，以调控微胶囊的性能如渗透性能和电性能 【5 7 ，5 8 】。复合了d p p a ( d i p a l m i t i d y lp h o s p h a t i d y la c i d ) 或d p p c ( d i p a l m i t o y l p h o s p h a t i d y ic h o l i n e ) 的上述微胶囊的电导率随着本体电导强度的增加而增大， 1 2 在l n l o 1 m s m ；对d p p a 复合微胶囊的电容为2 7 p f c i n 2 ，对d p p c 复合微胶 囊的电容为0 5 p f c m ? 。这个电导率的量级远远大于磷脂膜的l 以l o m m s m 【5 9 ， 6 0 】。其原因是因为微胶囊表面的磷脂双分子层存在着一定程度的缺陷。计算结 果表明，磷脂未覆盖的区域约占总面积的0 0 l 。 1 3 3 微胶囊的渗透性能 聚电解质微胶囊的渗透性能是影响微胶囊对所包埋物质是否可控释放的 一个重要因素。有两种方法可对渗透性能进行研究。一是研究物质从微胶囊 中的释放。这种方法的缺点是微胶囊的制备和表征是在不同的平衡条件( p h 值、溶剂等) 下进行的，尤其在环境因素对微胶囊的通透性影响较大的情况 下，因此，不同批次的微胶囊之间的重现性差别较大。另外，去核过程中产 生的渗透压会改变囊壁结构，从而增大渗透速率。 第二种方法则是将微胶囊悬浮在水溶液中，往水溶液中加入荧光标记物 质，通过共聚焦显微镜观测这种物质向微胶囊内部的渗透。这种方法可用来 分析单个微胶囊的通透性。但是，由于不同微胶囊渗透性的分散性，需要对 许多微胶囊进行统计分析才能得出较为一般的结论。 微胶囊的渗透性受很多外界条件的影响，如离子强度、p h 值、溶剂以及 微胶囊的陈化时间等都会改变微胶囊的通透性。 1 3 3 1 离子强度对渗透性能的影响 l b l 组装过程中的离子强度变化会影响聚电解质多层膜( p e m ) 的结构， 从而改变p e m 的通透性能。离子强度对平面基底上的p e m 的通透性的影响 有许多报道【6 1 6 4 】。v o n i t z i n g 等研究发现p a h p s s 体系膜的厚度与组装所 用盐浓度的平方根呈线性关系，但是在吸附之后改变盐浓度对膜厚没有影响 【6 5 】。然而f e r y 等人通过原子力显微镜( a f m ) 对p a h p a a 多层膜的研究 却表明，在组装每一层之后用纯水清洗，p e m 的形貌有显著改变( 对于1 0 层膜粗糙度有1 7 m ) 。与之相比，如果在组装和清洗过程中都保持盐浓度恒 定，则可得到较为光滑的多层膜( 1 0 层膜粗糙度约l n m ) 。将这种表面光滑 的膜在纯水中处理，则会形成规贝i j 不连续的纳米孔洞f 6 6 】。 微胶囊的囊壁具有半透膜性质。对于以m f 为模板的( p s s p a h ) 4 微胶囊， 在纯水中，小分子的染料如荧光素和罗丹明可自由透过囊壁，而分子量1 5 k d 的p a h 则不能透过；而在o 0 1 m 的n a c l 溶液中，分子量达7 0 k d 的p a h 可 1 3 灏江大学硕士学位论文( 2 0 0 8 ) 自由通过囊壁【6 7 】。由于外加盐电离出的离子可对聚电解质的带电基团起屏蔽 作用，从而消弱聚阴、阳离子之间的相互作用，使微胶囊囊壁的结构更为松 散，因此会增大微胶囊的通透性。本课题组的研究也证实了盐对微胶囊“开”、 “关黟的调控作用 6 8 】。需要指出的是，这种盐作用下微胶囊通透性的改变是 可逆的，当除去盐之后，微胶囊对高分子又变为不可透过。这种通过调节离 子强度改变通透性的方法可用以将大分子包埋到微胶囊内。 1 3 3 2 膜厚对渗透性能的影响 荧光探针芘和荧光素的晶体被用来作为模板研究不同组装层数对这两种 染料释放性能的影响。在这两种探针的低溶解度条件下组装不同层数的聚电 解质，分别将乙醇加入含芘微胶囊和改变含荧光素微胶囊的p h 值，模板溶解， 这两种荧光染料即从微胶囊内部释放出来。荧光光谱分析表明，由p s s p a h 包裹的荧光素的释放速率随溶液p h 值和离子强度的增加而变快，但随组装层 数的增加而减慢【3 l 】。组装六层聚电解质对染料的溶解几乎没有影响，然而组 装更多层可使染料的释放速率显著降低。组装层数为l o 层时，染料的扩散系 数降至接近恒定值1 0 。6m 2 s 。作为对照，荧光素在平面p s s p a h 膜中的扩散 系数为l o q 8 l o 啪m 2 s 【6 9 】。微胶囊和平面膜制备过程的不同和平面膜中较少 的孔洞被用来解释这种差异。然而，荧光素晶体的释放是在缓冲溶液中进行 的，缓冲溶液的高离子强度也应当是微胶囊渗透性较高的一个原因。除此之 外，荧光素由于在微胶囊内部溶解造成较高的渗透压也是导致渗透速率变大 的原因。 采用相似的方法，d o n a t h 与其合作者研究了囊壁厚度对布洛芬释放速率 的影响【4 6 ，5 0 】。而d 冱h n e 等人在去核后额外再组装几层聚电解质，以考察微 胶囊对染料渗透的影响【7 0 】。他们的实验指出，额外组装少数几层即可阻止大 分子向囊内的渗透，而额外组装八层后小分子染料的通透性大为降低。 1 3 3 3p h 值对渗透性能的影响 a n t i p o v 等人利用p h 值对弱聚电解质p a h 的影响，控制p s s p a h 微胶 囊的通透性以将大分子包埋到囊内【4 0 】。通过调节p h 值，微胶囊的囊壁可在 “开 和“关 之间转换，在低p h 下囊壁对大分子“开 ，而在p h 高于7 的条件下，囊壁对大分子“关 。利用这种开关性质可实现对大分子的包埋。 这种“开 、“关行为可解释为p a h 的质子化和去质子化，从而改变p a h p s s 1 4 挣 江大学硕士学位论文2 8 ) 离子对之间的相互作用，在聚电解质膜中产生缺陷，从而改变囊壁的通透性。 1 3 3 4 囊壁材料对渗透性能的影响 d o n a t h 等人系统研究了模型药物布洛芬在不同囊壁材料组成的微胶囊中 的渗透行为【4 6 】。构成囊壁的高分子的电荷密度和所包埋物质的亲疏水性质是 影响渗透性的因素。t i e k e 等对离子在平面聚电解质多层膜中通透性的研究工 作证实了这种推测【7 1 ，7 2 1 。在p e m 中可形成两种类型的孔洞，即小而疏水性 强的孔洞和大而疏水性弱的孔洞。电荷密度高的p e m 倾向于形成小而疏水性 的孔洞，而电荷密度低的p e m 则倾向于形成大的孔洞。布洛芬是疏水性分子， 大而疏水性弱的孔洞有利于其通过。p s s 胜h 体系微胶囊较p s s p d a d m a c 体系微胶囊的通透性要低，后者可透过分子量达2 0 0 0 k d 的高分子。对此的解 释是p s s 和p a h 的单体单元更为匹配，因而能够形成更为紧密的结构。 1 3 3 s 溶剂对渗透性能的影响 溶剂对囊壁的通透性能也具有一定的调控能力。当微胶囊悬浮于水中时， f i t c 标记的脲酶( u r e a s e ) 被排除在( p s s p a h ) 4 微胶囊外；而在l ：1 的水： 乙醇溶液中，脲酶则可自由通透微胶囊【7 3 】。该过程是可逆的，利用变换溶剂 可将脲酶包埋在微胶囊内，但活性比自由酶低，而稳定性有所提高。 1 3 4 微胶囊的机械性能 聚电解质微胶囊在水中以及在干态下的力学性能对于其应用有着重要意 义。然而，关于微胶囊力学性能的系统研究为数甚少。总体来说，l b l 膜的 稳定性要比可流动膜或脂质体的稳定性更高。并且，通过采用不同组成材料 和改变组装层数，微胶囊的力学性能可在很大范围内加以调控。另外，将囊 壁交联也可提高微胶囊的稳定性。 1 3 4 1 外加渗透压 由于微胶囊不能透过高分子量的分子，因此可在囊外溶液中加入高分子 而产生渗透压。产生的渗透压主要由外加高分子的浓度决定。将p s s p a h 微 1 5 浙江大学硬士学位论文( 2 0 0 8 ) 1 4 4 利用囊壁开关性质包埋 微胶囊囊壁的结构和物理化学性质在外界条件改变时可出现不同程度的变 化，这种变化的表现之一就是囊壁的通透性发生改变，这一性质可用来实现对物 质的包埋。例如p s s p d a d m a c 微胶囊对渗透压、热、盐的刺激敏感，在去核 过程中发生体积膨胀，热处理会促进体积的进一步膨胀；而在盐溶液中则会发生 体积收缩现象【8 7 】。利用这种膨胀一收缩性能，可实现物质的包埋，尤其是分子体 积大的聚合物、结构刚硬的纳米粒子等。以分子量2 0 0 0 l 的葡聚糖为例，在室 温下水溶液中，可自由通透p s s p d a d m a c 微胶囊的囊壁。将等量0 2 mn a c l 溶液滴加到葡聚糖与微胶囊的混合溶液中，使微胶囊发生收缩。收缩过程可使囊 壁上存在的缺陷或孔洞愈合，因此渗透性降低，从而将葡聚糖包埋在微胶囊内。 荧光光谱和微胶囊计数测试发现，微胶囊内包埋的葡聚糖的量约为本体浓度的7 倍。这一方面是由于体积收缩造成的浓缩效应，另一方面囊壁的吸附和葡聚糖被 包埋在囊内也有一定的贡献。 利用内部填充聚合物的微胶囊可将量子点【8 8 】、f e 3 0 4 【8 9 】和磁性铁酸 f ig 1 lot b p ：f l u o r e s c e n c ei m a g eo fam i x t u r eo fp o l y m e rm i c r o c a p s u l e sl o a d e d w i t hc d t en a l l o c r y s t a l so fd i 仃e r e n ts i z e s b o t hs i n 2 l e c o l o r ( e m i s s i o nw a v e l e n g n l 5 4 8 ，5 5 8 ，5 8l ，6 l5 ，a n d6 3 3n m ) a n dm u l t i c o l o r ( m i x t u r eo ft h ef i v em e n t i o n e d w a v e l e n g t h s ) t a g g e ds p h e r e sa r ep r e s e n ti nt h em i x t u r e b o t t o m ：e n l a r g