电喷法制备多功能壳聚糖微球

宋 健， 刘 威， 杨 文， 郝文涛

（合肥工业大学 化学与化工学院，安徽 合肥 230009）

同时带有磁性和荧光性能的多功能壳聚糖微球很有希望应用于药物载体，因为通过在体外施加磁场时药物可以被运输到特定的组织或器官，与此同时，通过荧光显微镜可以观察和监控药物的传输过程［1－3］。该类多功能微球也可用于双模式检测［4－5］、光学检测与磁性分离［6］。

乳化法［7－8］、离子凝胶化法［9］、雾化干燥法［10］和电喷法［11］已经被用于制备壳聚糖微球。其中，电喷法是十分引人注目的［12］，这是由于电喷法在药物封装时可以很好地保持生物活性，封装的效率很高而且微球的尺寸可以非常精密地控制［13］。通过电喷法制备同时带有磁性和荧光性能的壳聚糖微球是非常有价值的。然而，目前有关此类报道并不多，这是由于电喷嵌入超顺磁性Fe3O4纳米粒子的磁性壳聚糖微球很困难。为了使电喷壳聚糖微球或纳米颗粒更加稳定，乙酸的质量分数总是高达90%［14］。然而，在如此强的酸性环境中磁性Fe3O4纳米颗粒将会分解。

文献［15］报道了添加乙醇可以降低溶液导电性和增加溶液黏度，从而使得壳聚糖电喷更加稳定。因此，乙酸的质量分数被降低到30%。本文通过在包含壳聚糖和Fe3O4纳米粒子的混合溶液中引入适量的乙醇能够把乙酸的质量分数降到最低，从而嵌入Fe3O4纳米粒子的磁性壳聚糖微球能够电喷出来。荧光壳聚糖微球通常通过添加量子点［16］或带有共轭结构的有机荧光素［17］获得，这些过程是十分耗时的。文献［18－19］通过引入戊二醛交联赋予壳聚糖荧光性能。因此，多功能壳聚糖微球可以通过在乙醇辅助和戊二醛交联条件下，采用电喷磁性壳聚糖微球的方法获得。

1 实验部分

1.1 实验药品

壳聚糖（中黏度）购买于阿拉丁试剂公司。戊二醛（质量分数为25%水溶液）、FeCl2·4H2O、乙醇、丙酮和乙酸购买于国药试剂公司。豆油为市售产品。所有试剂使用前均未处理。

1.2 实验仪器

H800型透射电子显微镜，日本日立公司；Inspect S50型扫描式电子显微镜，荷兰FEI公司；LS13－320型激光粒度仪，美国贝克曼库尔特公司；TG209F3型热重分析仪，德国耐驰公司；F2700荧光分光光度计，日本日立；D／MAX2500V型X射线衍射仪，日本理学制造。

1.3 实验步骤

1.3.1 超顺磁性Fe3O4纳米粒子的制备

本文采用共沉淀法合成超顺磁性的Fe3O4纳米粒子，将其分散在乙醇中，实验步骤参考文献［20］。称量2.705g（0.01mol）的FeCl3·6H2O和0.995g（0.005mol）的 FeCl2·4H2O 溶于100mL去离子水中，转移到250mL三颈瓶中，在氮气保护下强力搅拌并逐步升温到80℃，待恒温5min后，用恒压滴定管缓慢滴加5mL浓氨水（25%）。待滴定完2min后测定溶液pH值，调节pH值为8～9，在氮气的保护下继续恒温反应20min。反应结束磁性分离产品，水洗3次至溶液中性，换用乙醇清洗2次，最终产品分散于100mL乙醇溶液中备用。

1.3.2 电喷溶液的配制

首先0.300g壳聚糖粉末分散于9.7mL去离子水中。随后加入10mL的Fe3O4纳米粒子分散液，搅拌10min。滴加0.3mL的乙酸，搅拌24h使得壳聚糖充分地分散。混合溶液中乙酸的质量分数非常低，没有发现明显的Fe3O4纳米粒子分解现象。与此同时，乙醇引入到壳聚糖溶液中增加了混合溶液黏度并且减少了导电性，这对于稳定电喷壳聚糖微球是很有利的［15］。

1.3.3 电喷制备壳聚糖微球

壳聚糖混合溶液在注射器中电喷成微球，电喷条件如下：电压为28kV；针头到对面电极的高度为13cm；大豆油为收集浴。电喷之后，10mL稀释的戊二醛溶液（0.5%）缓慢地滴加到含有壳聚糖微球的大豆油中，用于交联壳聚糖微球，从而赋予其荧光特性［18－19］。最终产品通过离心机离心，离心后微球利用5%聚乙二醇辛基苯基醚溶液清洗2次，再用去离子水清洗2次。再使用聚乙二醇辛基苯基醚溶液清洗1次后磁性分离。

2 结果与讨论

2.1 壳聚糖微球电喷示意图

电喷装置的示意图如图1所示。将壳聚糖／Fe3O4纳米粒子混合溶液加入到注射器后，在针头上施加28kV的高压。嵌入Fe3O4纳米粒子的壳聚糖微球就会被电喷到接受浴中。电场强度1.5～2.5kV／cm范围内可以达到稳定的电喷。一个独立的铜环被放置在距离针头2cm处，目的是阻止边缘微球的电喷［21－22］。

图1 壳聚糖微球电喷示意图

2.2 壳聚糖微球结构分析

Fe3O4纳米粒子的透射电子显微镜照片如图2a所示。由图2a可见其尺寸均匀分布，约为15nm。电喷壳聚糖微球的扫描电子显微镜观察的结果如图2b所示，由图2b可见壳聚糖微球尺寸较小，只有2～5μm。通过粒度分析仪进一步测定了微球尺寸和分布如图3所示，微球尺寸约为3μm，尺寸分布适宜。壳聚糖／Fe3O4微球的成分通过热解质量分析器测量，结果如图4所示，由图4可见嵌入Fe3O4壳聚糖微球的残余质量与包含壳聚糖和Fe3O4纳米粒子混合溶液有效地封装在壳聚糖微球内。可以推测，一些潜在的药物也可以有效地被封装到电喷多功能壳聚糖微球中。

图2 Fe3O4纳米粒子的透射电子显微镜照片

图3 粒度分析仪测得微球的尺寸分布

图4 热重分析曲线

2.3 壳聚糖微球的磁性能及XRD分析

多功能壳聚糖微球的强磁性如图5所示。由图5可见微球分散溶液的颜色由褐色变成透明，几乎所有的微球都被磁铁吸引了。这表明获得的微球在分离和目标药物运输方面有很大的潜力。Fe3O4纳米粒子的XRD图谱如图6所示，由图6可知，根据粉末衍射标准联合会标准［23］，2θ为30.29°、35.60°、42.98°、53.61°、57.30°、62.76°的宽峰 对 应 Fe3O4纳 米 粒 子 的 （220）、（311）、（400）、（422）、（511）、（440）晶面。XRD谱图同时也证实了壳聚糖微球优异的磁性能［24］。

图5 电喷壳聚糖微球的磁性

图6Fe3O4纳米粒子XRD图谱

2.4 壳聚糖微球的荧光性能

文献［25］报道了激发波长不变时，物质荧光会发生变化。在不同激发波长下，壳聚糖微球的荧光发射谱如图7所示，由图7可以看出，在不同的激发波长处多功能壳聚糖微球都具有较强而且窄的荧光发射光谱，最大发射波长均在绿光区。随着激发波长的增加，最大发射波长发生了明显的红移，最终导致多功能壳聚糖微球会在不同激发波长下发出不同颜色的光。

图7 多功能壳聚糖微球在不同激发波长下的荧光发射谱

3 结束语

本文通过电喷含有壳聚糖和Fe3O4纳米粒子混合溶液，与戊二醛反应制备了同时带有磁性和荧光性能的多功能壳聚糖微球。该微球除了具有强的荧光性能以外，还表现出了强磁性。微球具有较小的尺寸和窄的尺寸分布。本文为制备一种多功能壳聚糖微球提供了新颖的方法。

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