γ-PGA对介孔分子筛MCM-41包覆效果影响研究

焦丕玉，游 立，李玉龙，许顺磊，常意川

-PGA对介孔分子筛MCM-41包覆效果影响研究

焦丕玉，游 立，李玉龙，许顺磊，常意川

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

高平均分子量聚-γ-谷氨酸（γ-PGA）粘度大、分散性差，不利作于包覆材料，为了获得包覆效果较好的γ-PGA，从温度、pH值和降解时间三个方面对γ-PGA的降解条件进行探究和优化。分析结果表明：1）10 mg/mL γ-PGA（M.W.=1170 KDa）在pH为1.0，80 ℃，降解8 h后得到低平均分子量的γ-PGA（M.W.≈9180 Da），适合于介孔分子筛MCM-41的包覆。2）PEI在介孔分子筛MCM-41包覆过程中起静电桥联作用。在0.5 mg/mL的PEI（M.W.≈800 Da）水溶液和0.5 mg/mLγ-PGA（M.W.≈9180 Da）水溶液，包封时间30min获得的包覆效果较好，制得壳层厚度均一，分散性较好的MCM-41@γ-PGA复合材料。

聚--谷氨酸 MCM-41 包覆 复合材料

0 引言

介孔分子筛MCM-41纳米粒子用作载体材料，需要考虑的关键问题是介孔硅纳米材料的功能化技术。同时，引入的功能化基团种类也需要慎重考虑，避免官能基团产生生理毒性，影响释放效果[1,3]。一个有效的策略是采用高分子物质，通过氢键作用、分子间作用力及静电作用力等对介孔硅进行包裹、嫁接，获得介孔硅与有机高分子复合物。利用高分子的包覆效果与介孔硅性质的协调效应，调控药物分子的释放过程[2,5]。高分子材料包覆于介孔硅材料外表面，能有效地解决靶标分子提前释放和持效期短的问题[4]。

高平均分子量-PGA粘度大、分散性差；低平均分子量-PGA粘度小，分散性较好，利于作为包覆介孔硅的材料，但较难获取，成本较高，少见用于包覆介孔分子筛的报道[6,7]。本研究探讨-PGA的降解条件，从温度、pH值和降解时间三个方面进行条件优化，以期获得包覆效果较好的-PGA。用阳离子型聚乙烯亚胺为桥连剂，将-PGA包覆于MCM-41表面，探讨-PGA包覆的影响因素，为拓宽PGA应用领域打下基础。

1 实验过程

1.1 实验步骤

1.1.1低平均分子量PGA的制备

将100 mL 10 mg/mL-PGA水溶液（pH=6.50，M.W.=1170 KDa）。用2.0 mol/L HCl调节pH值为1.0，80℃，550 r/min条件下进行降解。每间隔2 h取样0.5 mL，样品转移入10 mL离心管，用9.5 mL蒸馏水稀释，配成0.5 mg/mL溶液。

1.1.2凝胶渗透色谱(GPC)测定γ-PGA平均分子量

1.2 聚乙烯亚胺水溶液的制备

称取400 mg PEI（M.W.≈800 Da），加入50 mL带小磁子的离心管中，再加入40 mL蒸馏水和200 μL的冰醋酸，30℃，550 r/min条件下搅拌1 h，获得10 mg/mL PEI水溶液（pH=8.02）。移取2.5 mL上述溶液于50 mL棕色容量瓶中，蒸馏水定容，摇匀，得0.5 mg/mL，pH=7.5的PEI水溶液，备用。

1.3 γ-PGA包覆MCM-41

为探讨包覆条件及其效果，用未吸附靶标分子的3 nm的MCM-41进行包覆实验。

室温条件下，取0.2 g MCM-41于300 mL蒸馏水，超声5 min。以1.0 mL/min的滴速度滴加10.0 mL 0.5 mg/mL PEI水溶液，500 r/min下继续搅拌反应1 h，制得PEI包覆MCM-41的悬浮液。在搅拌下以1.0 mL/min的滴速向悬浮液中滴加10.0 mL 0.5 mg/mLPGA水溶液，滴加完毕继续搅拌0.5 h。制得PGA包覆MCM-41，记作MCM-41@γ-PGA。包覆体系原理图如图1所示。

图1 MCM-41@γ-PGA的原理图

2 结果与讨论

2.1 γ-PGA降解过程的影响因素

将较高平均分子量的-PGA降解到适合于包覆载药体系平均分子量的-PGA，温度、pH值和降解时间三个因素对过程控制有重要的影响。

2.1.1 温度和时间对γ-PGA降解的影响

图2为10 mg/mLPGA（M.W.=1170 KDa）水溶液在pH=3.0，温度分别为20、50和80℃条件下降解，得到-PGA的出峰时间随降解时间变化的降解曲线图。pH=3.0，80℃时，可知此条件下的PGA水解较为迅速，经过2 h水解，样品的出峰时间为18.79 min，水解4 h，出峰时间为19.20 min，水解8 h，出峰时间为19.58 min，8 h之后水解趋于平缓。降低温度为50℃时，-PGA水解缓慢，水解10 h，样品的出峰时间仅为18.27 min。进一步降低反应温度为20℃，PGA的出峰时间无明显变化，说明-PGA水溶液在pH=3.0，20℃条件下比较稳定。综上可知升高温度和延长降解时间均有利于-PGA的水解，80℃可作为优选的水解温度。

图2 在pH值为3时温度和时间对γ-PGA降解的影响

2.1.2 体系pH和时间对γ-PGA降解的影响

图3为10 mg/mL-PGA（M.W.=1170 KDa）水溶液在80℃，pH分别为1.0、3.0、6.5、11.0和13.0条件下降解，得到-PGA的出峰时间随降解时间变化的降解曲线图。在80℃，pH=6.50、11.0、13.0条件下，PGA的出峰时间变化不明显，即PGA的水解效果不明显。在80℃，pH=1.0时，PGA的水解很明显，经过2 h水解，样品的出峰时间已达到19.67 min，水解8 h，出峰时间为20.07 min，水解10 h，出峰时间为20.07 min，8 h之后水解趋于平缓。虽pH=3.0时，-PGA的水解趋势较明显，但在相同降解时间下，其出峰时间与pH=1.0相比有较大差值，综上可知80℃，pH=1.0，降解时间为8 h，可作为优选的-PGA水解条件。依据1.2.2中低平均分子量-PGA的GPC测定条件，测得此优选水解条件下-PGA的M.W.≈9180 Da。

图3 80℃时pH和时间对γ-PGA降解的影响

2.2 MCM-41@γ-PGA复合体系的影响因素

在-PGA对MCM-41包覆过程中，PGA平均分子量、溶液浓度、PEI溶液浓度及包封时间等因素都对包封率、包封后颗粒的分散度和均匀度等质量指标有重要影响。

2.2.1 Zeta电位分析

表1为-PGA包覆前后MCM-41材料外表面带电荷的变化情况，由Zeta电位数据可知，MCM-41表面带负电荷，聚乙烯亚胺在pH≈7.0带正电荷，通过静电作用力吸附在硅球外表面，使得MCM-41@PEI带正电荷。PGA在PH≈7.0带负电荷，-PGA会通过静电作用力与MCM-41@PEI复合，制得MCM-41@PGA。虽然Zeta电位没有变为负值，但其外表面电荷大大降低，说明PGA成功包封在硅球外表面。

表1 不同样品的Zeta电位数据（pH≈7.0）

2.2.2 γ-PGA平均分子量的影响

图4为80℃，pH=1.0，不同降解时间的PGA对MCM-41进行包覆，制得MCM-41@-PGA的透射电镜图。由图a)可知，用未降解的-PGA（M.W.=1170 KDa）制备的MCM-41@-PGA粘度大，聚块明显，不利于后续释放实验探究。由图b)可知，-PGA水解2 h制得的产品团聚效应仍然明显。由图c)可知，-PGA水解4 h制得的产品聚块现象有所改善。由图d)可知，降解时间8 h时，制备得到的MCM-41@-PGA的分散性、壳层厚度均一性更好。由上可知，-PGA平均分子量越小，其粘度越小，且分散性越好。

图4 不同降解时间条件MCM-41@γ-PGA的透射电镜图

2.2.3 包封时间的影响

选择在80℃，pH=1.0，水解8 h条件下制得的低平均分子量-PGA（M.W.≈9180 Da）水溶液用于后续包覆实验的探究。

图5 不同包封时间条件下的MCM-41@γ-PGA的透射电镜图。

图5中a)~c)和d)~f)分别为0.5 mg/mL和2.0 mg/mL-PGA水溶液，0.5 mg/mL PEI（M.W.≈800 Da）水溶液，包封时间分别为0.5、1.5和2.5 h条件下，制得MCM-41@-PGA的透射电镜图。由图a)可知，0.5 mg/mL-PGA水溶液，包封时间为0.5 h时，制备的MCM-41@-PGA分散性较好，由图b)~c)可知，随着包覆时间延长，分散性变差，更易聚集结块。由图d)可知，2.0 mg/mL-PGA水溶液，包封时间为0.5 h时，制备的MCM-41@-PGA分散性较差，由图e)~f)可知，包覆时间延长，团聚现象更为明显。因此，选择0.5 h为包封时间较为合适，同时可知-PGA水溶液的浓度不宜过高。

2.2.4 γ-PGA水溶液浓度的影响

图6中a)~g)分别选择0.2、0.5、1.0、1.5、2.0、5.0和10.0 mg/mL等7个浓度的-PGA（M.W.≈9180 Da）水溶液，0.5 mg/mL PEI（M.W.≈800 Da）水溶液，包封时间为0.5 h，制得MCM-41@γ-PGA，对其进行透射电镜检测，结果由图a)可知，0.2 mg/mL-PGA，包封时间为0.5 h时，MCM-41@γ-PGA的包封率较低，包封不完全；由图b)可知，当PGA浓度由0.2 mg/mL变成0.5 mg/mL时，材料分散性明显变好；由图c)可知，PGA浓度为1.0 mg/mL时，材料分散性较好，但壳层均一性较差，壳层厚度较厚；由图d)~g)可知，继续升高浓度，材料分散性变得更差，当浓度升至2.0 mg/mL以上时，材料几乎团聚在一起，因而选择浓度为0.5 mg/mL-PGA水溶液较为合适。

图6 不同浓度γ-PGA条件下的MCM-41@γ-PGA的透射电镜图。

2.2.5 聚乙烯亚胺水溶液浓度的影响

图8中a)~d)分别选择0.2、0.5、1.0和1.5 mg/mL等4个浓度的PEI（M.W.≈800 Da）水溶液，0.5 mg/mLPGA（M.W.≈9180 Da）水溶液，包封时间为0.5 h条件下，制备MCM-41@PGA，结果由图c)~d)可知，浓度较高（1.0，1.5 mg/mL）时，聚块现象明显，由图a)、b)可知，浓度较小（0.2，0.5 mg/mL）时，分散性较好，但浓度为0.5 mg/mL时，壳层厚度更为均一，因此选择浓度为0.5 mg/mL PEI溶液较为合适。

图7 不同浓度PEI条件下的MCM-41@γ-PGA的透射电镜图。

3 结论

通过本论文研究可知，10 mg/mLPGA（M.W.=1170 KDa）在pH为1.0，80℃，降解8 h后得到低平均分子量的PGA（M.W.≈9180 Da），适合于载药介孔硅的包覆。PEI在介孔材料包覆-PGA过程中起静电桥联作用。在0.5 mg/mL的PEI（M.W.≈800 Da）水溶液和0.5 mg/mL-PGA（M.W.≈9180 Da）水溶液，包封时间30min获得的包覆效果较好，制得壳层厚度均一，分散性较好的MCM-41@PGA复合材料。

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Study on the Effect of γ-Polyglutamic Acid Coating MCM-41

Jiao Piyu, You Li, Li Yulong, Xu Shunlei, Chang Yichuan

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

O643

A

1003-4862（2019）05-0051-04

2018-11-28

游立（1991-），男，助理工程师。研究方向：电子导电浆料、功能材料化学。E-mail: 273318250@qq.com