海藻酸的疏水改性及其性能表征

王春修，姜成义，王金凤，方城韬，解维星

(海利尔药业集团股份有限公司，山东青岛 266109)

海藻酸的疏水改性及其性能表征

王春修，姜成义，王金凤，方城韬，解维星

(海利尔药业集团股份有限公司，山东青岛 266109)

海藻酸与辛胺反应合成疏水的海藻酸辛酰胺，对其进行1H-NMR、元素分析等表征。分析海藻酸接枝后溶液表面张力的变化；研究不同接枝率、pH对海藻酸辛酰胺临界缔合浓度的影响；并以疏水改性的海藻酸作囊材，制备高效氯氟氰菊酯微胶囊。结果表明：疏水改性后海藻酸溶液表面张力减小；随着接枝率、体系pH增加，海藻酸辛酰胺临界缔合浓度下降；通过乳化凝胶技术，制得平均粒径12.86 μm的疏水海藻酸衍生物微胶囊。

海藻酸；海藻酸辛酰胺；高效氯氟氰菊酯；微胶囊

海藻酸是19世纪80年代科学家从褐色海藻中分离出来的一种无支链天然高分子多糖，并在20世纪初开始商业化生产。商业用的海藻酸主要以海藻酸盐的形式存在，包括海藻酸铵、海藻酸钾、海藻酸钠。目前工业海藻酸及其盐的年生产量约30 000 t，在食品、纺织、印刷、医药等行业都具有广泛的运用[1]。海藻酸本身不溶于非极性溶剂，微溶于水；而海藻酸钠(Alg-Na)拥有大量的－COO－，在水溶液中表现出聚阴离子形态。当pH低于2.5时Alg-Na溶液中会析出海藻酸；随pH降低时，－COOH基团不断地解离，海藻酸钠的亲水性增加，黏度也逐渐增大。

海藻酸作为多糖类物质家族中一个非常重要的组成成员，具有许多优异的特性，如无毒、生物相容性好、可生物降解、价格低廉等。在温和的pH和温度条件下，海藻酸即可被制备成生物分子(如蛋白质和核酸分子)敏感性水凝胶；对胰岛这样的活体细胞也具有很好的生物相容性。通过对海藻酸主链进行衍生化反应，可以提高HAP成核与生长、增大形成凝胶的强度，提高可降解性，也可以通过疏水改性增强分子表面的相互作用。通过改变疏水-亲水的平衡，制备成高分子表面活性剂，应用于药物的控释缓释。

疏水改性后的海藻酸具有两亲性，一方面提高对疏水药物的负载量[2-5]，另一方面可以富集于油相与水相的界面，提高了海藻酸的利用率。

乳液聚合法制备纳米胶囊，乳化剂通常只是以物理吸附方式附着在聚合物粒子表面，通过热力学平衡实现体系稳定[6]。海藻酸交联固化使胶囊的膜由物理吸附转变为化学键合，提高了纳米胶囊的稳定性和缓释性能。

1 试验部分

1.1 试剂与仪器

海藻酸钠、辛胺、1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳化二亚胺盐酸盐(EDC·HCl)、甲醇、乙醇、氯化钙均为分析纯，阿拉丁试剂公司；高效氯氟氰菊酯为工业级，扬农化工；超纯水自制。

BSA124S-CW分析天平(赛多利斯公司)，DF-101S集热式磁力加热搅拌器(金坛市医疗仪器厂)，CS101-1AB电热鼓风干燥箱(CS101-1AB)，元素分析仪(Elementar)，DMX500核磁共振波谱仪(Bruker)，CKX41型倒置显微镜(Olympus)，F-7000荧光光谱仪(Hitachi)，JK99C全自动张力仪(上海中晨数字技术设备有限公司)。

1.2 海藻酸辛酰胺的合成

将3 g海藻酸钠与180 mL超纯水置于500 mL圆底烧瓶中，加热至 35 ℃搅拌待完全溶解。加入0.726 g EDC·HCl，采用0.5 mol/L HCl调节溶液pH至3.40。反应10 min后，分别加入1.28、2.56、5.12、10.24 mL辛胺，持续恒温搅拌24 h，制得不同接枝率的反应产物。将所得产物用无水乙醇沉淀、离心，洗涤2次，将沉淀物放入恒温鼓风干燥箱，于60 ℃干燥至恒重。将所得到的固体产品溶解于超纯水中，透析3 d除去小分子杂质，再次加入乙醇，沉淀、离心、干燥即得不同接枝率的海藻酸辛酰胺。

1.3 核磁分析

将海藻酸钠和海藻酸辛酰胺(接枝率22.90%)溶解于99%的重水形成大约10 mg/mL的溶液。将5 mg溶液用0.5 mL氘代试剂完全溶解于180×5 mm的核磁管中，将核磁管放入检测区对聚合物进行1H NMR测定。核磁氢谱检测温度：80 ℃。

1.4 元素分析

元素分析仪分析海藻酸辛酰胺的C/N比，求得其接枝率。海藻酸辛酰胺的碳氮比如式(1)：

其中，a是海藻酸辛酰胺的C/N比；nN1为海藻酸辛酰胺单体上N的个数，nN1=1；nC1为海藻酸辛酰胺单体上C的个数，nC1=14；nC2为海藻酸单体上C的个数，nC2=6；MN是氮元素的相对分子量；MC是碳元素的相对分子量；D是改性产物海藻酸辛酰胺的接枝率。

带入(1)式之后，得海藻酸辛酰胺接枝率的计算方程(2)：

1.5 荧光检测

采用稳态荧光探针法检测海藻酸辛酰胺在溶液中的临界聚集浓度[21]。以芘作为荧光探针，将一定量的芘溶解于乙醇中得到0.04 mg/mL的溶液。取40 μL该溶剂加入10 mL离心管中，用氮气吹干乙醇。在每个离心管中加入10 mL不同浓度的海藻酸辛酰胺溶液。将离心管超声40 min后，置于30 ℃振荡水浴槽中静置平衡12 h。用荧光分光光度计仪测得芘的发射光谱。其中：探针的激发波长是335 nm，激发电压700 V，激发狭缝EX和发射狭缝EM均为2.5 nm，发射光谱收集范围335～500 nm。波长373 nm和384 nm处的荧光强度之比(I1/I3)与海藻酸辛酰胺浓度的对数作图得到临界聚集浓度。

1.6 表面张力检测

将海藻酸和海藻酸辛酰胺(接枝率22.90%)分别配制成30 mL 10 g/L的水溶液，采用铂金板法298 K下测定各溶液表面张力γ，重复测3次。

1.7 制备微胶囊

取1.00 g海藻酸辛酰胺(接枝率22.90%)溶解于200 mL超纯水中待用。将0.50 g高效氯氟氰菊酯、1 mL溶剂油、10 mL海藻酸辛酰胺溶液和15 mL超纯水置于50 mL圆底烧瓶中，水浴55 ℃，5 000 r/min搅拌2 min制得乳液。然后逐滴滴入一定量CaCl2溶液(5 mg/mL)，恒温30 r/min搅拌60 min，即可得到2.50%的高效氯氟氰菊酯微胶囊悬浮液。

2 结果与讨论

2.1 海藻酸辛酰胺接枝率测定

调节海藻酸钠与辛胺加入量，制得了不同接枝率的海藻酸辛酰胺。通过元素分析仪分析海藻酸辛酰胺的C/N比，得到其接枝率如表1所示。结果表明：随着辛胺比例的增加，接枝率呈上升趋势。然而海藻酸钠与辛胺的摩尔比超过1∶2后，接枝率增加速率减缓。

表1 不同原料比例制得海藻酸辛酰胺的接枝率表

2.2 海藻酸辛酰胺结构表征

原料海藻酸钠和产物海藻酸辛酰胺(接枝率22.90%)的1H-NMR分析结果如图1所示。对比谱图，δ在3.5 ppm至4.5 ppm间的峰归属为海藻酸钠G、M链上次甲基质子的化学位移。在0.9 ppm至3.6 ppm间的峰归属为辛酰胺链上的甲基和亚甲基质子的化学位移，其中：δ0.9=CH3(辛酰胺支链 C1)，δ1.4=CH2(辛酰胺支链C2-7)，δ3.0=CH2(辛酰胺支链C8)。这些质子信号的出现，表明辛胺侧链的存在。

图1 海藻酸钠和产物海藻酸辛酰胺的1H-NMR

2.3 表面张力的测定

分别测定了海藻酸钠和海藻酸辛酰胺(接枝率22.90%)在298 K下的表面张力γ，图2、3为随浓度对数lg C的变化曲线。由图可见，海藻酸钠和海藻酸辛酰胺的表面张力都随着其浓度的增加而减小，最后趋于稳定，表明两者都具有一定表面活性。计算得到海藻酸钠和海藻酸辛酰胺的临界胶束浓度(CMC)分别为2.364 8 g/L和3.639 2 g/L。对应的表面张力γ分别为52.63 mN/m和30.28 mN/m。由此可知，改性后的产物海藻酸辛酰胺的临界胶束浓度增大，而表面张力减小。

图2 海藻酸钠浓度与表面张力关系曲线

图3 海藻酸辛酰胺浓度与表面张力关系曲线

2.4 荧光表征

海藻酸钠和不同接枝率(17.77%、22.90%)的海藻酸辛酰胺浓度变化对I1/I3值的影响如图4所示。由图可见，随着海藻酸钠质量浓度的增加，芘的I1/I3发射光谱基本保持在 1.9左右，仅微弱下降，表明海藻酸钠亲水性较强，在水溶液中呈分散状态。当海藻酸辛酰胺质量浓度小于0.1 g/L时，I1/I3发射光谱微弱下降，海藻酸辛酰胺分散于溶液中；然而，随着海藻酸辛酰胺浓度继续增加，I1/I3值出现明显的下降，表明海藻酸辛酰胺在溶液中开始聚集，芘由极性较大的水溶液向低极性微区迁移。另外，由图4可知，接枝率17.77%的海藻酸辛酰胺临界缔合浓度为0.93 g/L，接枝率22.90%海藻酸辛酰胺的临界缔合浓度为0.70 g/L。

海藻酸辛酰胺具有亲水的头基(羧酸钠、羟基)和疏水的尾基(辛酰胺)，表现出一定的表面活性。聚合物质量浓度增加至临界缔合浓度(CAC)时，聚合物分子出现缔合现象。随着聚合物质量浓度的继续增加，溶液中的胶束数量迅速增加。另外，随着辛胺的接枝率增加，海藻酸辛酰胺在水溶液中的疏水缔合能力增强，具体表现为临界缔合浓度的下降及疏水域增溶作用加强。

图4 接枝率变化对I1/I3比值的影响

在不同pH值下，接枝率22.90%的海藻酸辛酰胺质量浓度变化对I1/I3值的影响如图5所示。由图可知，pH值越大，聚合物 I1/I3值越大。随着溶液 pH值上升，海藻酸上的－COOH解离度增加，离子间的静电排斥作用增强，分子链伸展，疏水缔合能力下降。

图5 pH值变化对I1/I3比值的影响

2.5 显微镜观察

图6为微胶囊溶液的光学显微镜(×400倍)图。微胶囊分散性好，颗粒较均匀。微胶囊溶液的制备：首先，具有表面活性的海藻酸辛酰胺(接枝率22.90%)和溶有高效氯氟氰菊酯的溶剂油在匀质机的作用下形成乳液；然后，滴入氯化钙溶液，海藻酸与钙离子交联，形成 2.5%高效氯氟氰菊酯的微胶囊溶液。通过激光粒度仪测得胶囊的平均直径Dav=12.36 μm。

图6 载药微胶囊的显微图(×400)

3 结 论

本文主要对聚合物Alg-Na进行疏水改性，制备了一种两亲性海藻酸衍生物。通过对合成的聚合物分析和表征，发现制备的疏水改性海藻酸钠接枝率达20%以上，具有明显的两亲性，在水溶液中的临界缔合浓度均小于Alg-Na的临界胶束浓度，具有类似表面活性剂的性质。在海藻酸的骨架上引入辛胺链后，此物质可以在水溶液中聚集，并且伴随着接枝率的增加，临界聚集浓度下降。采用乳化凝聚法用此合成物可制备出农药微/纳胶囊。21世纪，高效、低毒和环境相容性好制剂为农药加工领域研究和开发的热点。而如何提高制剂的稳定性是延长产品货架寿命和改善使用性能的关键所在。海藻酸衍生物具有优良的两亲性、增黏性和生物降解性，是制备农药的良好助剂。它优越的结构特征和生物降解性能为它在制剂领域的推广提供了良好的应用前景。

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The Preparation and Performance of Alginate Hydrophobic Derivatives

WANG Chunxiu,JIANG Chengyi,WANG Jinfeng,FANG Chengtao,XIE Weixing
(Hailir Pesticides and Chemicals Group,Shandong Qingdao 266109,China)

Hydrophobic octyl-grafted alginate-amide derivative was synthesized by the amidation of alginate and octylamine. It was confirmed by1H NMR and elemental analyzer. Then analyzed the variation of the surface tension with change of concentration of octyl-grafted alginate-amide derivative. Furthermore,studied the effects of different substitution degrees and pH values on octyl-grafted alginate-amide derivative concentrations. Then the λ-cyhalothrin water suspended nanocapsules were prepared by microemulsion as template and octyl-grafted alginate-amide derivative as shell material.The results indicated that hydrophobic alginate derivative was amphiphilic,the surface tension decreased with hydrophobic modification and the critical aggregation concentration was decreased with the increased of degree of substitution and pH value of the solution. By emulsion-gel method,got the hydrophobic octyl-grafted alginate-amide derivative nanocapsules with 12.86 μm.

alginate; octyl-grafted alginate-amide derivative; lambda-cyhalothrin; microemulsion; nanocapsule

10.16201/j.cnki.cn31-1827/tq.2017.06.10

TQ450.6

A

1009-6485(2017)06-0050-04

王春修(1990—)，男，山东青岛人，从事农药制剂研发工作。E-mail: 993405706wang@163.com。

2017-09-14。