双亲性石墨烯量子点的合成及对L-薄荷醇的缓释作用

李 明, 崔小倩, 汪 璇, 李在均

(江南大学化学与材料工程学院, 合成与生物胶体教育部重点实验室, 无锡 214122)

薄荷醇俗称薄荷脑, 有8种立体异构体, 但其中只有左旋薄荷醇(L-薄荷醇)具有很强的清凉效果. 因此,L-薄荷醇作为清凉剂被广泛应用于化妆品、 牙膏、 口香糖、 甜食清凉饮料、 香烟、 药物和涂擦剂[1]. 目前,L-薄荷醇作为添加剂通常是通过直接溶解或机械混合于基质中使用. 在产品使用过程中L-薄荷醇释放速度过快, 耐久性差, 因此开发新型制备工艺以提高产品性能成为研究热点[2]. 如以明胶和阿拉伯胶为囊材通过相分离-凝聚法制备薄荷醇微胶囊[3]、 以明胶乳状液作为包衣剂制备缓释型薄荷香精[4]、 或采用聚多巴胺(PDA)修饰介孔二氧化硅微球负载L-薄荷醇[5]. 现有包覆方法尽管对薄荷醇释放具有显著的抑制作用, 但对薄荷醇的释放速率不能进行有效调控.

Pickering乳液是指由固体颗粒代替传统乳化剂制备的乳液[6,7]. 通过固体颗粒吸附在不相溶的两相界面形成稳定分散体系[8]. 与传统表面活性剂稳定的乳液相比, Pickering乳液具有稳定性优异、 环境友好、 毒性低等优点[9～13], 广泛应用于食品[14]、 医药[15]、 化妆品[16]和石油[17]等领域. 随着纳米技术的日趋成熟, 越来越多的纳米材料被用于稳定Pickering乳液. 常用的固体粒子表面活性剂有SiO2[18]、 TiO2[19]、 Fe3O4[20]、 磷酸盐[21]和蛋白质[22]等. 两亲性纳米粒子由于制备工艺复杂、 所需合成试剂昂贵, 因此其应用受到极大限制.

石墨烯、 氧化石墨和石墨烯量子点具有细胞毒性低、 生物相容性好、 化学惰性和制备成本低的显著特点[23～25], 广泛用于药物输送、 生物成像、 光热治疗和细胞组织工程等领域[26～29]. 近来年, 氧化石墨(GO)和石墨烯量子点(GQD)还作为固体粒子表面活性剂用于稳定Pickering乳液[30,32]. 如Yin等[30]利用GO稳定Pickering乳液制备了GO包覆的聚苯乙烯微球. GO亲水性大于疏水性, 不合理的双亲结构使GO表面活性低, 不能稳定水相中的苯乙烯. Kim等[31]采用“自上向下”的方法合成了双亲性石墨烯量子点并成功用于苯乙烯的乳液聚合.L-薄荷醇含有刚性结构, 熔点较高, 极性小, 不易乳化. 相对于石墨烯和GO, GQD更适合L-薄荷醇的包覆. 由于GQD是由尺寸为几纳米的石墨烯片构成, 通过调节GQD在L-薄荷醇表面的分布以及它们之间的相互作用即可实现对释放行为的有效调控. 然而, 已合成的GQD通常表面活性较低, 不能满足以上应用需要.

本文将柠檬酸和十二胺混合后一步热解得到十二胺功能化的双亲性石墨烯量子点(DA-GQD), 并将其用于稳定L-薄荷醇/水乳液, 所制备的包覆材料对L-薄荷醇表现出良好的缓释作用.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

柠檬酸、 丁胺、 辛胺、 十二胺和L-薄荷醇均为分析纯, 购于Sigma-Aldrich公司(上海); 十二烷基苯磺酸钠(SDBS)为分析纯, 购于国药集团化学试剂有限公司; 天然鳞片石墨(8000目)为分析纯, 购于青岛阎鑫石墨制品有限公司; 其它试剂均为分析纯, 购于国药集团化学试剂有限公司. 实验以水、L-薄荷醇和石墨烯量子点构成的体系制备Pickering乳液. 所用超纯水由Milli-Q Direct8超纯水系统(美国Millipore公司)制取.

S-4800型场发射扫描电子显微镜(日本日立株式会社); JEM-2100型透射电子显微镜(日本电子株式会社); Nicolet 6700型全反射傅里叶变换红外光谱仪(美国赛默飞世尔科技公司); D8 Advance型X射线衍射仪和OCA15EC型视频光学接触角测量仪(德国布鲁克科技有限公司); T18型高速分散机(德国IKA公司); VHX-1000C型超景深三维显微镜(基恩士香港有限公司); DSC822e型热分析系统(梅特勒-托利多仪器有限公司).

1.2 实验过程

1.2.1 DA-GQD的制备 准确称取柠檬酸(5.0 mmol)于10 mL烧杯中, 加入十二胺(0.2 mmol), 超声分散均匀后放入烘箱中, 于180 ℃下反应3 h, 冷却至室温. 用0.5 mol/L NaOH调节pH至中性, 用超纯水稀释成60 mg/mL溶液, 经0.22 μm滤膜过滤后, 在截留分子量3000的透析袋中透析24 h, 得到量子点储备液, 冷冻干燥后得到十二胺功能化石墨烯量子点(DA-GQD). 不加入十二胺, 按同样的方法制备GQD, 作为对照.

1.2.2 DA-GQD表面张力的测定 采用OCA15EC视频光学接触角测量仪, 按照悬滴法在(25±0.1)℃下测定不同浓度DA-GQD水溶液的表面张力并绘制成曲线, 得到DA-GQD的临界胶束浓度.

1.2.3 Pickering乳液法制备负载型样品 将1.0 g DA-GQD配制成1%(质量分数)水溶液, 置于离心管中, 加入预先热熔的L-薄荷醇0.445 g, 以10000 r/min转速均质2 min后得到Pickering乳液. 该乳液冷至室温后析出沉淀, 过滤、 室温干燥后得到负载L-薄荷醇的DA-GQD样品, 标记为DA-GQD(1.0%)(质量分数)负载样品. 其它条件不变, 仅改变DA-GQD溶液的质量分数, 按照同样的方法分别制备出DA-GQD(5.0%)负载样品和DA-GQD(10.0%)负载样品. 为作对照, 在1.0 g DA-GQD固体中加入0.445 gL-薄荷醇, 混合后在玛瑙研钵中研磨10 min, 所得的样品标记为混合型样品.

1.2.4 负载型样品的热稳定性测试 采用示差扫描量热法(DSC)研究负载型样品的热稳定性, 加热温度范围为-10～100 ℃, N2气流, 升温速率为10 ℃/min.

1.2.5 负载型样品的缓释性能 取相同质量的负载型样品、 混合型样品和空白样品(L-薄荷醇)分别置于一定温度的鼓风烘箱中恒温加热处理(吹扫速度0.22 m/s), 每隔一段时间用精密电子天平称量样品的质量, 记录样品的质量变化, 并作质量随时间的变化曲线. 其中, 30 ℃鼓风吹扫条件下的空气湿度为40%; 80 ℃鼓风吹扫条件下的空气湿度为14%.

2 结果与讨论

2.1 DA-GQD的制备

文献[31]首先采用“自上而下”法, 由CX-72炭黑在浓硝酸中回流24 h制备GQD. 虽然能够实现一步同时制备单层和多层GQD, 但是存在反应时间长、 强酸会对环境造成一定污染等弊端. 本实验设计通过“自下而上”法, 以柠檬酸为前驱体、 直链烷基胺为功能化试剂, 通过一步热裂解制备双亲性DA-GQD(见图1). 柠檬酸分子之间脱水缩合形成六边形sp2碳原子键合的石墨烯片, 十二胺通过氨基与柠檬酸上的羧基缩合, 将烷基链引入石墨烯片的边缘以提高疏水性.

Fig.1 Schematic illustration of the synthesis of DA-GQD

2.2 DA-GQD的结构表征

Fig.2 TEM image of DA-GQD(A) and the particle size distribution(B) of DA-GQD

2.3 DA-GQD的表面张力

图3(A)为DA-GQD水溶液的表面张力随浓度的变化曲线. 当溶液中不含DA-GQD时(纯水), 在25 ℃下表面张力为72.2 mN/m; 在低浓度区间, 溶液表面张力随着浓度的增加而显著降低; 在高浓度区间, 溶液表面张力曲线在约30.8 mN/m出现一个平台区. DA-GQD的临界胶束浓度约为0.0125 g/mL, 表面张力最低降至30.8 mN/m.

Fig.3 Surface tension of different concentrations of DA-GQD aqueous solution(A) and minimum surface tension of BA-GQD, OA-GQD, DA-GQD aqueous solution(B)

为了研究烷基链中碳原子数对表面活性的影响, 按照1.2.1节方法, 用丁胺和辛胺代替十二胺, 分别制备了丁胺功能化石墨烯量子点(BA-GQD)和辛胺功能化石墨烯量子点(OA-GQD), 并测定其最低表面张力. 由图3(B)可知, DA-GQD的表面张力比 BA-GQD和OA-GQD的表面张力低得多, 表现出更好的表面活性. 3种石墨烯量子点的主要区别在于烷基胺的碳链长度, 结果表明, 烷基碳链长度对石墨烯量子点的表面活性有较大影响, 烷基链越长, 表面活性越好. 上述规律与经典的表面化学理论一致.

Fig.4 Minimum surface tension of different surfactantsa. GO; b. G; c. GQD; d. Cu2O; e. SDBS; f. DA-GQD.

图4对比了DA-GQD与文献中常用于稳定 Pickering乳液的固体颗粒表面活性剂氧化石墨烯(GO)[33]、 石墨烯(G)[34]、 GQD和氧化亚铜(Cu2O)[35]纳米颗粒, 以及典型阴离子表面活性剂SDBS的最低表面张力. 结果显示, GO, G和Cu2O纳米颗粒具有较低的水溶性, 可以将水的表面张力降低到 50～60 mN/m之间, 这主要归因于它们的强疏水性和弱亲水性; 而且GO和G中的大尺寸石墨烯二维片层容易聚集在流体界面上, 增加了界面层的刚性, 从而导致其表面活性的进一步降低. 而只以柠檬酸作为碳源, 通过热裂解法制备的GQD的表面张力约为71.8 mN/m, 接近纯水的表面张力. 这是因为GQD具有极强的亲水性和极弱的疏水性, 不合适的两亲结构赋予其低的表面活性. 此外, SDBS的表面张力为32.4 mN/m, 比DA-GQD水溶液略高一些, 证实了DA-GQD的表面活性与SDBS相当.

2.4 负载型样品表征

以DA-GQD为颗粒乳化剂、L-薄荷醇(热熔)为油相制备的Pickering乳液的光学显微镜照片(OM)如图5(A)所示. 从图5(A)可以看出, Pickering乳滴粒径约为10 μm, 具有规则统一的球形形貌. 由于DA-GQD具有较高的亲水性, 因此倾向于形成稳定的水包油型乳液. DA-GQD固体颗粒分散在薄荷醇/水界面, 这是因为液-液界面的一部分被液-颗粒界面代替时总界面能降低,L-薄荷醇被微小的石墨烯片覆盖, 位于液滴的中心.

Fig.5 Optical microscopy image of L-menthol microspheres prepared using DA-GQD particles as pickering stabilizer(A) and SEM image of DA-GOD(1.0%) loaded with L-menthol(B)

图5(B)是Pickering乳液法制备得到的负载L-薄荷醇的石墨烯量子点样品的SEM照片, 从图5(B)可以看出, 负载型样品呈规则的球形, 粒径分布均匀, 平均粒径约为10 μm. 由于具有两亲结构的DA-GQD在薄荷醇/水界面上的自组装导致薄荷醇球形表面具有一层疏松的壳层, 这个壳层的存在对于薄荷醇的缓释至关重要. 通过改变Pickering乳液中DA-GQD的浓度可以调节壳层的分布和厚度, 从而对薄荷醇的缓释行为进行有效调控.

2.5 薄荷醇的释放动力学

图6(A)和(B)分别为空白样品与负载型样品的示差扫描量热(DSC)曲线. 从图6(A)可以看出,L-薄荷醇样品在大约 42 ℃左右出现一个尖锐的吸热峰, 对应于L-薄荷醇的熔点. 而负载型样品则出现了两个吸热峰[图6(B)], 其中第一个峰主要是由生长在DA-GQD外表面的薄荷醇小晶体融化引起的, 而第二个峰主要是由DA-GQD包覆的薄荷醇小晶体融化引起的. 这与刘绍华等[2]的研究结果相类似.

Fig.6 DSC curves of L-menthol(A) and DA-GQD(1.0%) loaded with L-menthol(B)

进一步研究了在不同温度的空气吹扫作用下负载型样品中薄荷醇的释放行为. 从图7(A)可以看出, 30 ℃空气吹扫下, 5个样品逐渐释放薄荷醇, 其中空白(曲线a)的释放速率显著高于其它样品. DA-GQD混合样品和GA-GQD(1.0%)在前10 h释放薄荷醇的差别比较小, 释放速率分别为17.7%和12.4%. 然而, 随着时间的延长, 混合型样品负载样品b的释放速率越来越快, 87 h后样品的释放率达81.7%, 而此时负载型样品DA-GQD(1.0%), DA-GQD(5.0%)和DA-GQD(10.0%)的释放率分别为51.2%, 34.8%和28.7%. 这说明DA-GQD对薄荷醇的释放具有较好的抑制作用, 且DA-GQD的浓度越大, 负载型样品的缓释效果越好.

Fig.7 Release rates of L-menthol in samples under air sweeping at 30 ℃(A) and 80 ℃(B)a. L-menthol; b. DA-GQD mixed with L-menthol; c. DA-GQD(1.0%) loaded with L-menthol; d. DA-GQD(5.0%) loaded with L-menthol; e. DA-GQD(10.0%) loaded with L-menthol.

当采用80 ℃空气吹扫时, 5个样品的薄荷醇释放速率都显著加快, 彼此间的差异也更明显[图7(B)]. 空白样品在2.5 h时即达到完全释放. 混合型样品在2.5 h时的释放率达91.4%, 并在5 h后达到完全释放. 而负载型样品DA-GQD(1.0%)与前两者的差别在释放初期就明显体现出来, 其释放率在2.5 h时仅为12.5%, 5 h之后为23.5%, 远远低于空白样品与混合型样品; 随着时间的延长, 样品DA-GQD(1.0%)逐渐释放薄荷醇, 经过23 h的高温空气吹扫后薄荷醇完全释放. 可见, 在高温(80 ℃)吹扫下, 相同质量的负载型样品完全释放薄荷醇所需要的时间显著长于空白样品与混合型样品, 分别是其9.2倍与4.6倍, 从而进一步证明了DA-GQD对于薄荷醇的释放具有较好的抑制作用. 原因可能是石墨烯量子点含有丰富的功能基团(如羟基和羧基), 可与L-薄荷醇中的羟基产生氢键作用, 从而使负载型样品中的薄荷醇具有良好的缓慢释放行为.

白家峰等[5]采用聚多巴胺(PDA)修饰的介孔二氧化硅微球负载L-薄荷醇, 发现PDA涂层有利于薄荷醇的可控缓慢释放, 在30 ℃空气吹扫作用下, 负载样品中的薄荷醇在25 h后几乎释放完全; 而在80 ℃空气吹扫作用下, 负载样品中的薄荷醇在100 min后接近完全释放. 可见, 本研究制得的负载体系具有较优的长效缓释性能.

3 结 论

以柠檬酸为前驱体、 十二胺为功能化试剂, 采用一步热解法制备的十二胺功能化石墨烯量子点(DA-GQD)具有优异的表面活性; 以此双亲性石墨烯量子点为颗粒乳化剂、 热熔L-薄荷醇为油相制备Pickering乳液, 冷却至室温后析出负载L-薄荷醇的石墨烯量子点. 不同温度下吹扫研究发现, 在较宽的温度范围内, 负载型样品显示出良好的缓释性能, 通过控制Pickering乳液中DA-GQD的浓度可以有效调控薄荷醇的释放速率. 这种新颖的制备工艺可为设计开发医药和烟草等领域的高性能负载型薄荷醇制品提供新思路.

支持信息见http://www.cjcu.jlu.edu.cn/CN/10.7503/cjcu20190445.