层层自组装纤维素硫酸钠-壳聚糖复合膜的研究

1、谢瑜亮 王明君 姚善泾*浙江大学化学工程与生物工程学系,杭州 310027摘要:采用层层自组装技术,以具有良好生物相容性的多糖类物质-壳聚糖(Chitosan和纤维素硫酸钠(NaCS为原料,制备了NaCS-Chitosan复合膜。使用扫描电子显微镜观察复合膜形貌特征以表征自组装复合膜的形成,使用红外光谱分析了复合膜形成机理,使用紫外-可见光吸收研究了复合膜形成的动力学特征。同时还考察了各实验因素对NaCS-Chitosan复合膜形成过程的影响。结果表明,制备条件对复合膜形成过程有明显的影响,在现有的制备条件下,层层自组装复合膜的形成是一个一级反应过程。关键词:层层自组装技术壳聚糖纤维素硫酸钠复

2、合膜Layer-by-Layer Self-assembly Complex Membrane with Sodium Cellulose Sulfate (NaCS-ChitosanYu-liang XIE Ming-jun WANG Shan-jing YAO(Department of Chemical Engineering and Bioengineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027Abstract: Using Layer-by-Layer Self-assembly technique, the complex membrane w

3、ith sodium cellulosesulfate (NaCS and chitosan, two kinds of polysaccharides with excellent biocompatibility, was prepared and the process of membrane formation were studied, including the morphology of complex membrane by using the scanning electron microscope (SEM, the membrane formation mechanism

4、 by using the infrared spectroscopy, the dynamic features of the complex membrane formation by used ultraviolet-visible light absorption. Also, the effects of some relevant factors on NaCS-Chitosan complex membrane formation were determined. The results showed that the preparation conditions would a

5、ffect significantly the formation of complex membrane and the Layer-by-Layer Self-assembly formation is the one-order reaction process at the current preparation conditions.Key Words: Layer-by-Layer Self-assembly Technique; chitosan; cellulose sodium; complex membrane*联系人:姚善泾。第一作者:谢瑜亮,男,硕士研究生。基金项目:国

6、家自然科学基金项目(20576118。层层自组装技术(Layer-by-Layer Self-assembly Technique通常是利用特定高分子化合物对的某种亲和特性使其自发的逐层沉积的一种膜制备技术。目前,功能生物大分子自组装膜在分子器件、分子调控、生物芯片、生物传感器等方面有重要的应用价值1,对其制备和性能的研究也成为化学、生命科学、材料学、物理学等学科的研究热点之一2。可以作为自主装推动力的作用很多,如利用分子中羧基(-COOH 和氨基(-NH2之间的化学反应生成酰氨键(-CONH-的酰胺反应法3、利用生物大分子的特异识别自组装4、利用分子间形成共价键为推动的自组装5、利用分子间氢

7、键结合自组装6、以静电作用为推动力的分子沉积自主装7,等等。其中,分子沉积自组装以其可利用化合物多样,沉积条件简便,沉积过程可控而应用最为广泛。但是,目前研究的化合物对多集中于强电解质化合物,这类物质形成的自组装膜机械性能较好,但高分子强电解质在人体内的生物相容性较差,在药用领域的研究大大受限。而某些天然多糖类物质,在体内有很好的生物相容性,可以期望利用这种化合物对制备的自组装膜在药学领域有应用的潜力。本文将使用具有良好生物相容性的聚阳离子化合物壳聚糖(Chitosan和聚阴离子化合物纤维素硫酸钠(NaCS作为新的复合膜原料,采用层层自组装技术制备成新型的NaCS-Chitosan自组装膜,并

8、利用扫描电子显微镜、红外分析、紫外分光光度计表征复合膜的形貌特征和沉积行为,为进一步的深入研究和应用打下基础。1材料和方法1.1 主要试剂纤维素硫酸钠,实验室自制8,9,根据实验要求,共制备了磺化时间4h,8h,16h三种磺化度的NaCS。壳聚糖,购于济南海得贝生物工程有限公司,粘均分子量50cps,100cps, 200cps;荧光素异硫氰酸酯(FITC。1.2试验仪器扫描电子显微镜(SEM为S-4800型,由日本HITACHI公司生产,傅立叶红外光谱分析仪为美国热电公司生产的Nicolet5700型,紫外-可见光分光光度计为A. Pharmacia公司生产的Ultrospec 3300。1

9、.3 实验方法壳聚糖和纤维素硫酸钠在紫外-可见光区内都没有明显吸收峰,为表征Chitosan-NaCS 自组装膜的形成过程,需要对壳聚糖进行标记,使之在紫外-可见光波长范围内有光吸收。实验中选择荧光染料荧光素异硫氰酸酯(FITC为标记试剂,在碱性环境中,FITC以异硫氰酸基团与壳聚糖分子中氨基连接,标记后的壳聚糖在480nm波长下有明显吸收峰,可以作为自组装的指示剂。取一定体积的浓度为5g/L 壳聚糖溶液(含1%醋酸,加入6M NaOH 调至pH 9.0,按体积比10:1加入10mg/mL FITC 二甲基亚砜溶液,混匀后避光反应3小时。反应结束后以pH=7.4的PBS 缓冲液反复洗涤,除去游

10、离的FITC 。离心收集标记的壳聚糖絮状沉淀,重新溶于1%的醋酸溶液中,使壳聚糖最终浓度达到0.5g/L 。取玻璃片在浓硫酸中浸泡以清洁表面。配制一定浓度的纤维素硫酸钠和FITC-壳聚糖溶液,使玻璃片在两种溶液中交替沉积一定时间,每次沉积过程结束后用去离子水洗去游离的溶液。反复沉积多次后,形成NaCS-Chitosan 层层自组装复合膜。1.4 检测方法NaCS-壳聚糖自组装复合膜的形貌特征由扫描电子显微镜检测(SEM 检测。待测样品膜干燥后喷金送检。采用Nicolet5700型红外光谱仪进行复合膜的红外分析,验证NaCS-Chitosan 复合物的形成。壳聚糖结合FITC 后在480nm 有

11、明显吸收峰,可以用光吸收的强度表征壳聚糖的沉积行为。使用Ultrospec 3300紫外/可见光分光光度计,对不同实验条件下NaCS-Chitisan 复合膜的沉积过程进行表征。2 结果与讨论2.1 NaCS-壳聚糖自组装复合膜的形貌观察纤维素硫酸钠(NaCS和壳聚糖(Chitosan的结构式如图1所示。两种化合物分别带有相反电荷的基团,NaCS 上的磺酸基和壳聚糖分子中的氨基会发生反应,产生不溶于水的聚电解质复合物。利用静电力作为形成复合膜的推动力,使NaCS 和壳聚糖交替沉积,形成性质可控的聚电介质膜。以NaCS 浓度1g/L ,壳聚糖浓度0.5g/L ,沉积时间10min ,NaCS/C

12、hitosan 交替沉积8次形成的聚电解质膜做扫描电镜分析,结果如图2和图3所示。 +Na + 图1 NaCS 与壳聚糖形成聚电介质结构图 Fig. 1 Polyelectrolytes complex reaction between NaCS and chitosan从图2所示的复合膜的表面形貌扫描电子显微镜(3500倍可以看出NaCS-Chitosan分子链相互缠绕,形成聚电解质复合物,且膜表面不均一。进一步放大到两万倍(图3,可以看到聚电解质的交联和堆积情况,链间的缺陷和不平整现象更为清晰,甚至可以通过膜表面缺陷看见下一层的堆积状况。这是由高分子长链的缠绕特性,在组装的过程中不可避免地

13、产生堆砌缺陷而形成的。这种现象其他学者也曾考察,如高芒来等10在制备PSS/PDDA复合膜时曾观察到类似现象。 图2 NaCS-Chitosan复合膜扫描电镜图 (3500倍Fig.2 Morphology of NaCS-chitosan films (x3500图3 NaCS-Chitosan复合膜扫描电镜图 (20000倍Fig.3 Morphology of NaCS-chitosan films (x200002.2 NaCS-壳聚糖自组装复合膜的红外分析 (FT-IR为研究NaCS-Chitosan复合膜的形成机理,我们使用红外光谱对其进行研究。图4是NaCS、NaCS-Chito

14、san复合膜、Chitosan的红外光谱图。在Chitosan的红外光谱图中,2871cm-1处为壳聚糖中C-H键伸缩振动峰,1645cm-1处为羰基(C=O酰胺(第一谱带的伸缩振动峰, 1570cm-1处为壳聚糖中未酰化的2-氨基葡萄糖胺中N-H伸缩振动峰,1557cm-1为N-H的弯曲振动吸收峰(第二谱带,位于1411cm-1和1321cm-1的吸收峰分别属于酰胺中的N-H伸缩振动和N-H伸缩振动(第三谱带。桥氧结构(C-O-C,环醚的伸缩振动在1151cm-1,1062cm-1, 1023cm-1,893cm-1。在NaCS的红外光谱中,呈现出下列明显的吸收峰:作为硫酸酯,S=O 在1218cm-1处有明显吸收,C-O-S键在807cm-1有吸收峰。对NaCS,NaCS/Chitosan复合物和Chitosan的红外光谱的对比可以看出,2-氨基葡萄糖胺中未酰化的N-H键弯曲振动(位于1570 cm-1处和N-H键弯曲振动(第二谱带,位于1557 cm-1处吸收峰减弱,代表壳聚糖中的部分-NH3+与NaCS中的-SO4-2发生了反应,生成聚电解质。2.3 影响NaCS-Chitosan复合膜形成过程的因素把表面平整的玻片在0.5g/L的壳聚糖溶液和1g/L的Na