壳聚糖微球制备工艺优化与分析_图文

1、收稿日期:2006210218;修回日期:2007201215作者简介:罗华丽(19782,女,四川达州人,讲师,山东大学硕士研究生,研究方向:精细化工及医用高分子材料.3通讯作者:鲁在君,山东大学教授,博士生导师,研究方向:聚合物合成与医用高分子材料.第24卷第2期周口师范学院学报2007年3月Vol.24No.2Journal of Zhoukou Normal University Mar.2007壳聚糖微球制备工艺优化与分析罗华丽1,2,鲁在君1,3(1.山东大学化学与化工学院,山东济南250100;2.周口师范学院化学系,河南周口466000摘要:以壳聚糖为原料,通过乳化交联工艺制备

2、壳聚糖微球,应用显微镜等考察其理化特性,利用统计学方法对微球粒径分布进行表征.结果表明:壳聚糖微球的理化特性受工艺条件如醋酸浓度、壳聚糖的脱乙酰度、壳聚糖醋酸溶液的浓度、交联剂的用量等因素的影响,还受到体系温度、搅拌速度和反应时间等条件的影响;通过乳化交联法可制备得到窄分布壳聚糖微球.关键词:壳聚糖;微球;窄分布;制备工艺中图分类号:TQ31文献标识码:A 文章编号:167129476(2007022*均匀的微米级粒度聚合物微球作为功能高分子材料,在分析化学、生物化学、标准计量等领域中应用广泛.其中微米级窄分布聚合物微球用作药物载体,可控制药物释放速率、释放特性及载药量,尤其用作药物缓释载体越

3、来越引起人们的兴趣.壳聚糖(Chitosan ,CS 是自然界唯一的碱性多糖,生物相容性好,无毒副作用1,2,被广泛用于药物载体和医用辅助材料3,4.CS 又称可溶性甲壳质、甲壳胺或几丁聚糖,其化学名为(1,4222氨基222脱氧22D 2葡萄糖,结构类似于纤维素.CS 的结构式为本文以CS 为材料,采用反相悬浮2交联法制备CS 微球,考察原材料(CS 浓度和脱乙酰度、醋酸浓度、制备工艺(乳化剂用量、油水比、交联剂用量、反应时间、搅拌强度等因素对微球粒径分布的影响规律.1材料与方法1.1主要原料CS (脱乙酰度85%、90%和95%,济南海得贝海洋生物工程有限公司;壳寡糖(A R ,济南海得贝

4、海洋生物工程有限公司;液体石蜡、异丙醇、石油醚(AR ,天津天大化工实验厂;戊二醛(50%溶液,天津科密欧化学试剂开发中心;Span80(AR ,国药集团化学试剂有限公司.1.2主要仪器热式偏光显微镜(BX51,Olymp us ;示差扫描热分析仪(DSC ,822e ,Mettler Toledo ;红外光谱仪(IR ,20SX ,Nicolet ;恒温电磁搅拌器(DF 2101S ,巩义英峪予华仪器厂.1.3微球的制备将适量的液体石蜡与Span80搅匀,然后按一定比例加入CS 醋酸溶液,在室温下经电磁搅拌使其成为稳定的乳化体系.接着加入一定量的戊二醛进行交联固化,反应完全后,用异丙醇、石油

5、醚洗涤,离心分离,最后用微孔过滤器过滤,即得浅黄色微球.1.4显微镜观察取一定乳液中的微球和干燥后的微球,用热式偏光显微镜,自然光路不加热时观察;利用显微镜自带标尺对微球直径进行测量,微球粒径计算样本至少200个,参照下述公式(d i 为单个微球粒径,n 为微球个数计算平均粒径d ,分散度D P.d =n i =1d in;=ni =1(di-d 2n -112;D P =d.2结果与讨论2.1醋酸浓度的优化用体积分数0.5%,1%,2%,3%和5%的醋酸溶液制得质量浓度013g/L 的CS 醋酸溶液,其他条件不变,进行未载药微球的制备.经显微镜观察发现,2%醋酸溶液得到的微球粒径分布更均匀(

6、图1 . 图12%醋酸溶液的CS 未载药微球表1不同醋酸浓度制备的CS 微球对比表醋酸体积分数/%微球平均粒径/m分散度1437.6±87.40.592198.1±4.70.44324.1±0.20.97534.7±0.20.40由表1可见,2%醋酸溶液制备的CS 微球粒径分散度为0.44.虽然5%醋酸溶液制备的微球粒径分布最窄(分散度为0.4,但是,考虑到醋酸浓度高会导致CS 分子链降解5,所以选2%醋酸是适宜的.CS 分子链上众多的游离氨基的氮原子具有一对未共用的电子(致使氨基呈现弱碱性,从溶液中结合一个氢离子后使CS 成为带正电荷的聚电解质.这种聚

7、电解质的形成破坏了CS 分子间和分子内的氢键,使之溶于水中.因此,CS 在醋酸中溶解实际上不是CS 溶于稀酸中,而是带正电荷的CS 聚电解质溶于水中.溶解性好的物质形成的溶液的表面张力小,也就是说溶解性越好,形成溶液的表面张力越小,从而在一定外力作功的情况下,形成的微球个数就多,粒径小.不同体积分数的醋酸CS 溶液的表面张力大小为:1%醋酸>2%醋酸>3%醋酸.因此,不同醋酸浓度制备的CS 微球粒径随着醋酸浓度的增大而变小.2.2CS 脱乙酰度的优化对脱乙酰度85%,90%,95%的CS 分别进行微球的制备,其他制备条件保持不变,经显微镜观察发现脱乙酰度90%的CS 微球圆整,大小

8、适中,粒径分布较均匀(见图2.壳寡糖和水溶性CS 制备的微球粒径很小,是图290%脱乙酰度CS 未载药微球表2不同CS 制备的微球比较CS 种类平均粒径/m分散度95%脱乙酰度50.1±0.20.4090%脱乙酰度57.5±2.00.5685%脱乙酰度105.1±0.30.72水溶性CS 15.2±0.20.82壳寡糖19.1±0.20.35因为水溶解性好,表面张力低,形成微球时需要克服表面张力所做的功小,因此当输入相同的搅拌功时,微球个数多而且粒径小.与脱乙酰度85%CS 相比,95%脱乙酰度CS 分子链上所带氨基更多,在醋酸溶液中所形成聚电

9、解质分子主链上正电荷的铵离子较多,易于使CS 分子内和分子间氢键解离,易溶于水.聚电解质分子链上亲水性的离子越多,乳液液滴和连续介质之间界面张力就越小.按照界面张力大小排序:95%脱乙酰度CS 醋酸溶液<90%脱乙酰度CS 醋酸溶液<85%脱乙酰度CS 溶液.由此可以预测,同等条件下(相同搅拌转速和体系粘度,体系表面张力越小,乳液液滴粒径越小.如表2所示,95%脱乙酰度CS 微球平均粒径50.1m ,小于85%脱乙酰度CS 微球平均粒径105.1m ;而分散度为0.40,均小于85%和90%CS 微球分散度0172和0156,可见95%脱乙酰度CS 微球较小且更均匀.考虑到95%脱

10、乙酰度CS 和90%脱乙酰度CS 所制备的微球平均粒径和分散度相差不大,从节约成本角度考虑,本研究选择90%脱乙酰度CS 作为载药基材.2.3CS 醋酸浓度的优化使用体积分数2%的醋酸水溶液来配制质量浓度0.1,0.2,0.3,0.4g/L 脱乙酰度为90%的CS 醋酸溶液,其他条件不变,经显微镜观察发现质量浓度为013g/L 的CS 醋酸溶液制备的微球圆整,大小适中,粒径分布较均匀(见图3.如表3可见,鉴于反应速度、产量和粒径大小以及分布均匀性等因素,为得到平均粒径适中、粒径分布较均匀且产量较多的CS 微球,确定CS 醋酸溶液的质量浓度为013g/L.46周口师范学院学报2007年3月2.4

11、Span80 乳化剂用量的优化图3013g/L CS 未载药微球表3不同CS 质量浓度制备的微球比较质量浓度/g/L平均粒径/m分散度产量0.110.5±0.20.37太少0.238.2±0.2 1.1少0.357.5±2.00.56多 0.4110.2±0.20.59多固定液体石蜡的体积为20mL ,乳化剂用量分别按照液体石蜡体积的2%,4%,6%,8%和10%,保持其他条件不变,制备CS 微球.结果发现乳化剂用量为液体石蜡体积的8%时,微球圆整,粒径分布较窄(见图4.图4乳化剂用量为液体石蜡体积的8%的微球表4不同Span80体积分数制备的CS 微球

12、的比较体积分数/%平均粒径/m分散度2210.0±4.00.284436.4±12.90.436225.3±8.00.518173.1±3.60.32由表4可以发现,当Span80体积分数为2%时,主要对乳液液滴的稳定性产生影响,而对微球粒径变化影响不明显;当Span80体积分数大于2%时,乳化剂对乳液液滴能够进行充分包覆,乳化剂用量对微球粒径影响变得很有规律,即随着Span80加入量的增加,微球粒径逐渐减小.这主要是因为Span80的加入会降低体系的表面张力,从而在一定外力作功下,表面张力越小其形成的微球数越多,这样微球粒径就越小.2.5油水比的优化油

13、相与水相比例及油相粘度,是影响乳液稳定性的重要因素.根据经验,采用油水=13.液体石蜡为油相,013g/L CS 醋酸溶液为水相,其他条件保持不变,分别按油水比为11,21和31制备CS 微球,结果发现油水比31时制备的微球为佳,平均粒径为(123.1±4.0m ,分散度0.50,如图5.图5油水比31时微球表5不同油水比制备在CS 微球的对比油水比微球平均粒径/m分散度1128.8±0.60.4121122.1±3.60.5031123.1±4.00.50由表5可见,油水比越小,微球粒径越小且粒径分布越窄.这主要是因为油水比为1时,界面张力小,乳液体系

14、稳定,从而在一定外力作功下,微球的粒子数多,微球粒径小.作为反相悬浮交联反应,油相多于水相,主要是靠乳化剂的亲油端在粒子界面形成空间位阻来稳定乳液体系,其对界面张力的减少很有限.所以,油水比21和31时,CS 微球粒径和粒径分布变化不大.但是考虑到最终微球需要脱水,水相越少,脱去水相越简单,那么油水比为31是比较理想的,且有文献报道5,此油水比下制备的载药微球载药量较大.2.6交联密度的优化用戊二醛(G L 与CS 之比表示交联密度.设计CS 和G L 的不同比例进行实验,分别取0.25,0.5,1.0,2mL G L ,0.3g/L CS 醋酸溶液10mL ,这样交联密度为56,53,103

15、和203,依次制备CS 微球,优化出交联密度为56是适宜的(见表6.表6不同交联密度的CS 微球对比表交联密度微球平均粒径/m分散度5619.8±0.50.525325.6±0.90.6010331.8±1.50.5920333.2±0.40.77由表6可见,交联密度越大,即一定量的CS 所56第24卷第2期罗华丽,等:壳聚糖微球制备工艺优化与分析消耗的G L就越多,微球粒径逐渐增大,微球粒径分布越宽.这是由于粒子间的聚并从而使微球粒径变大.2.7交联反应时间的影响交联反应时间定为0.5,1.0,2.0和3.0h,其他条件保持一致,分别制备未载药微球.由

16、表7可见,交联时间短,微球成球性变差;而时间过长,粒径分布也会变大.这是由于CS的氨基与G L的醛基交联需一定的时间,交联反应发生完毕后,再延长时间,会有粒子聚并使得微球粒径分散度变大.所以,选交联时间为1.0h.表7不同交联时间所得微球形状时间/h0.5123微球形状不均匀、粘连、结块颗粒均匀颗粒均匀颗粒不均匀2.8交联反应温度的影响交联温度定为25,40,60,观察微球的形状.25时反应3h体系生成大量微球;40反应1h体系已有大量微球;60反应0.5h体系就产生大量微球.所以,温度升高使得反应速率变快,从而使得交联时间变短.对于乳液胶粒来说,温度的增加会使表面活性剂活性降低,在一定搅拌剪

17、切力作用下形成的粒子数将减少,所以微球粒径变大且稳定性变差.综上所述,体系温度确定在室温,交联反应时间为1h.2.9搅拌转速的影响搅拌转速分为3种:低速、中速、高速.转速过快,制备的微球粒径小;转速慢,则微球贴壁严重,成块状.因为转速高时产生的剪切力大,易使粒子分散,从而形成粒径小的微球;而转速低时产生的剪切力小,粒子不宜分散,有的粒子还会发生粘连使微球粒径变大.因此,选用中速搅拌.实验操作时,搅拌速度的选择标准是磁子转动不但带动乳液中心转动,而且使得贴近器壁处的乳液转起来.3结论综上所述,室温25,中速搅拌,交联反应1h,制备未载药微球工艺参数定为:脱乙酰度90%CS,醋酸体积分数2%,CS

18、醋酸质量浓度013g/L,油水比31,交联密度56.对CS微球制备工艺的优化与分析有利于这一类型药物载体制剂的工业扩大,同时为进一步后续研究确定适宜的原料规格标准.对窄分散度CS微球的制备优化后,用于研究药物的包埋与释放特性,具有重要的意义.CS及其衍生物,用于多肽、蛋白质、核酸、疫苗一类生物活性大分子药物的包埋和释放,具有潜在的应用前景.参考文献:1Lehr C,Bouwstra J A,Schacht E H,et al.In vitro evalution of mucoadhesive properties of chitosan and some othernatural polym

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