层层组装微胶囊的制备及其缓释性能

张 维，李秋瑾，张健飞

(1.天津工业大学纺织学院，天津 300387;2.天津工业大学先进纺织复合材料教育部重点实验室，天津 300387)

通过层层组装(LbL)技术可以得到聚电解质中空微胶囊，其直径从纳米跨越到微米级别［1］。这类微胶囊的模板可以是固体也可以是液体［2－3］，组装材料可以是高分子长链也可以是纳米颗粒［4］，通过选用特殊构筑单元修饰囊壁，可使其具有pH响应性、磁响应性、超声响应性［5－7］。在聚电解质微胶囊众多的功能优势之中，缓释作用已成为最受关注的研究热点。将药物包埋到微胶囊中，药物随着时间延长逐渐释放，局部浓度始终保持在一定范围内，可提高对病变部位的作用效果［8］。此外，功能性微胶囊还能够实现不同需要的刺激性释放，如在热的刺激下发生突释，释放量大大增加［9］;用葡萄糖调节囊壁的“开”与“合”，在开的状态下，物质可以迅速释放出来，而在合的状态下，物质的释放量微乎其微［10］。这种作用机制可应用到农药、杀虫剂、香精等物质的包埋与释放中。

在前期实验中，以杂化碳酸钙微粒为模板，成功制备了聚烯丙基胺盐酸盐(PAH)/聚苯乙烯磺酸钠(PSS)聚电解质微胶囊，并验证了微胶囊对罗丹明B的自沉积效应。有研究［11］证实，PAH/PSS微胶囊具有pH响应性，但组装选用的聚电解质分子质量不同，对微胶囊的渗透性能会产生很大影响。为后续实验顺利展开，以掺杂0.5 mg/mL PSS的碳酸钙微粒为模板，选用PAH/PSS为组装材料制备聚电解质中空微胶囊，比较不同层数微胶囊的表观形貌及其对罗丹明B的释放性能的影响，并采用2种不同释放方法实现罗丹明B的释放，以筛选出合适的释放方法进行研究。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

聚苯乙烯磺酸钠(PSS，70000)、聚丙烯胺盐酸盐(PAH，分子质量为120000～200000)，阿法埃莎(天津)有限公司;四水合硝酸钙(Ca(NO3)2·4H2O)、碳酸钠(Na2CO3)、乙二胺四乙酸(EDTA)，均为分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司;氯化钠、磷酸氢二钠、柠檬酸，均为分析纯，天津市风船化学试剂科技有限公司;罗丹明B，天津市天新精细化工开发中心。恒温水浴振荡器(哈尔滨市东联电子技术开发有限公司);台式高速离心机(长沙湘仪离心机仪器有限公司);冷冻干燥机(北京德天佑科技发展有限公司);数显集热式磁力搅拌器(巩义市英峪仪器厂)。

1.2 实验方法

1.2.1 含PSS碳酸钙微粒的制备

溶液配制:将Na2CO3和Ca(NO3)2分别配成浓度为0.05 mol/L的溶液。在Ca(NO3)2溶液中加入一定量PSS，使PSS在混合溶液中质量浓度为0.5 mg/mL，超声分散，使其完全溶解，室温静置20 min。

实验步骤:磁力搅拌条件下，向掺杂 PSS的Ca(NO3)2·4H2O溶液中迅速加入等体积的Na2CO3溶液，持续搅拌15 s，室温静置30 min，即可得到掺杂PSS的碳酸钙(CaCO3(PSS))微粒。将所得微粒洗涤3次，烘干贮存备用。

1.2.2PAH/PSS在CaCO3(PSS)微粒上的组装

溶液配制:将带有相反电荷的聚电解质PSS和PAH分别溶解在0.5 mol/L NaCl溶液中，配成质量浓度为2 mg/mL的组装溶液。

实验步骤:取适量 CaCO3(PSS)微粒分散在PAH溶液中，室温条件下恒温水浴振荡20 min，转速为95～110 r/min，离心去除上清液，洗涤/离心循环3次，如此第1层组装完成;然后将组装一层PAH的粒子分散在PSS溶液中，相同条件下振荡20 min，洗涤/离心循环3次。重复以上操作，组装需要的层数后，得到白色胶体粒子即为未去核的聚电解质微胶囊。

1.2.3 模板微粒的去除和中空微胶囊的制备

溶液配制:用NaOH调节浓度为0.1 mol/L的EDTA溶液，使pH值在7.0～7.5范围内，作为去除模板的专用溶液。

实验步骤:将微胶囊粒子分散到EDTA溶液中，水浴振荡30 min使其充分反应，取出离心，去除上清液，用水洗涤2次。以上过程重复4次以彻底除去CaCO3(PSS)微粒。将所得微胶囊分散在水溶液中并置于冰箱内冷藏。

1.2.4 微胶囊对染料的包埋

取适量微胶囊悬浮液与罗丹明B(80 μg/mL)溶液共混，室温静置12 h。离心分离，收集上清液。用水洗涤包埋后的微胶囊2次，去除溶液浮色。利用紫外-可见分光光度计确定罗丹明B的浓度－吸光度标准曲线，通过标准吸收曲线计算罗丹明B的释放量。

1.2.5 微胶囊对染料的释放

用磷酸氢二钠和柠檬酸配制不同pH值的缓冲溶液作为释放系统，利用标准曲线计算罗丹明B的释放浓度。设计了2种常用释放方法来追踪释放过程。

方法1:将包埋罗丹明B的微胶囊分散在pH值为5、7、9的缓冲溶液中，成为释放系统。在一定时间取样测定吸光度，取样同时补充相同量的缓冲溶液到系统中。每个pH值下，做3组平行数据。

方法2:将包埋罗丹明B的微胶囊分散在pH值为5、7、9的缓冲溶液中，成为释放系统。在规定的释放时间点，用同一个试样测量3组平行数据。

1.3 测试与表征

采用TM1000台式扫描电镜、S-4800场发射扫描电子显微镜(SEM)观察CaCO3(PSS)微粒、中空微胶囊的表观形貌及尺寸范围;通过JEM-2100F电子透射显微镜(TEM)分析聚电解质微胶囊的中空结构;用紫外-可见分光光度计测定罗丹明B的吸光度。

2 结果与分析

2.1 CaCO3(PSS)微粒的形貌表征

图1示出CaCO3(PSS)粒子在扫描电镜下的表观形貌照片。由图可知，采用1.2.1的实验方法制得的模板粒子球形结构较好，且有一定的单分散性，粒径大都分布在6～10 μm范围内。

图1 含PSS的碳酸钙微球Fig.1 SEM images of PSS-doped CaCO3particles.(a)Whole morphology;(b)Surface morphology

在制备碳酸钙粒子过程中掺入0.5 mg/mL的PSS，使其与Ca(NO3)2发生络合，导致 Ca(NO3)2和Na2CO3反应速度下降，从而得到了球形良好的CaCO3(PSS)粒子。在反应过程中，部分PSS被掺杂到CaCO3粒子内部或吸附在粒子表面，这也是CaCO3(PSS)微粒中含有少量PSS的原因。图1(b)示出CaCO3(PSS)微粒在500 nm尺度下的表面形貌，可以看到粒子表面有许多粒状的纳米颗粒，说明CaCO3(PSS)微粒是纳米粒子的聚集体。

2.2 聚电解质微胶囊的表征

2.2.1 聚电解质微胶囊的形貌

图2示出组装了不同层数微胶囊的扫描电镜照片。可以看到，组装3个双层的微胶囊表面仅有微小的起伏，随着组装层数的增加，微胶囊表面的颗粒明显增大，而且起伏程度也增大。EDTA溶液在不破坏囊壁的情况下，可以安全有效地去除CaCO3(PSS)模板，得到的微胶囊在冷冻干燥的情况下完全坍塌，形成了典型的褶皱形态。

图2 组装不同层数的微胶囊扫描照片Fig.2 SEM images of microcapsules with different layers

2.2.2 聚电解质微胶囊的透射电镜照片

(PSS/PAH)3PSS微胶囊水溶液的透射电镜照片如图3所示。微胶囊在溶液中仍然保持球体形貌，可以明显观察到其中空结构，囊内空间完好且饱满，这说明CaCO3(PSS)模板去除较为彻底，溶解过程中囊壁两侧产生的渗透压没有造成微胶囊破裂。

图3 聚电解质微胶囊的透射电镜照片(×3000)Fig.3 TEM image of polyelectrolyte microcapsules(×3000)

2.3 微胶囊对罗丹明B包埋与释放的表征

2.3.1 罗丹明B的浓度-吸光度标准曲线

由紫外-可见分光光度计测量可知，罗丹明B在553 nm处有特征吸收峰。配制不同浓度罗丹明B溶液，分别测量相应的吸光度，绘制罗丹明B浓度与吸光度的标准曲线，如图4所示。对曲线进行线性拟合可得到方程y=196.95x(R2=0.9995)。根据标准曲线方程可计算得到溶液中罗丹明B的浓度。

2.3.2 不同释放方法及pH值下染料释放行为

图4 罗丹明B质量浓度与吸光度标准曲线Fig.4 Calibration curve of RhB concentration vs.absorbancy

图5示出采用不同释放方法时，聚电解质微胶囊对罗丹明B的释放情况。采用方法1，碱性条件比酸性条件下释放速度快，释放量多，而方法2的结果正好相反。分析可知，方法1中影响释放的因素不仅有pH值，还有囊壁内外的渗透压，而方法2中仅有pH值对其释放行为有影响，相比而言，方法2较为科学合理，因此本文的释放实验均采用方法2来衡量。为进一步观察微胶囊在初始时间内的释放行为，选取前8 h的释放行为，结果如图6所示。

图5 不同释放方法下罗丹明B的释放行为Fig.5 Release behaviors of RhB using different methods.(a)Method one;(b)Method two

图6 罗丹明B在前8 h的释放行为Fig.6 Release behaviors of RhB within first 8 h

从图6可以看出，微胶囊在第1小时的释放量最为明显、释放速率较快，是突释区;第2小时是释放诱导区，微胶囊的释放量逐渐上升，但上升速度开始减慢;3～8 h为缓慢释放区，释放量在这个区域变化不大。由于微胶囊可以看成是半透膜，当囊内外存在较大浓度差异时，会形成一个浓度梯度，所以初始阶段释放速度较快，随着时间延长，释放速度逐渐降低。总体来说，聚电解质微胶囊呈现出多区域释放。

2.3.3 不同层数微胶囊对染料的释放行为

图7示出在pH=7的室温条件下，不同层数微胶囊对罗丹明B的释放结果。组装层数为7时，微胶囊对罗丹明B的释放量和释放速度出现最大值。继续增加层数，二者反而减小。这是因为组装层数越多，囊壁越厚，微胶囊的渗透性也随之改变，从而释放结果有所不同。通过层数来控制微胶囊的渗透性和释放量，成为层层组装微胶囊的一大优势。

图7 不同层数微胶囊的释放Fig.7 Release behaviors of RhB from microcapsules with different layers

2.3.4 盐浓度对染料的释放行为

离子浓度是微胶囊囊壁结构和渗透性最大的影响因素之一。图8示出微胶囊在不同盐浓度下罗丹明B的释放行为。在0.05 mol/L的低盐浓度下，盐溶液的加入可提高释放量和释放速率，这是因为盐溶液有利于减小沉积在微胶囊内的罗丹明B分子间的排斥［12］，增加罗丹明B负载后的稳定性，因此当囊外浓度较低时，罗丹明B可快速地释放。PSS为强聚电解质，微胶囊囊壁呈现负电性，在高盐浓度下其相互排斥作用受到较大屏蔽，部分渗入到囊壁中屏蔽了静电作用力，盐的加入起到了增塑剂的作用，致使囊壁形成无规和紧缩的结构［13］，导致释放量降低。

图8 罗丹明B在不同盐浓度下的释放行为Fig.8 Release behaviors of RhB from microcapsules at different salt concentrations.

3 结论

1)以掺杂PSS质量浓度为0.5 mg/mL的碳酸钙微粒为模板、以PAH和PSS为壁材，采用EDTA溶液去除碳酸钙微粒模板，得到微米尺寸的中空微胶囊。层数越多，微胶囊的囊壁越厚，表面粗糙程度也越明显。

2)包埋罗丹明B的微胶囊在不同pH值条件下都能实现释放，且释放趋势相同，但释放速度及释放量有所不同，pH=5时可获得最大释放量。组装层数越多，囊壁越厚，渗透性随之下降，当层数为7时，可获得最优渗透性能。

3)在小于0.05 mol/L的低盐浓度下，盐溶液的加入可以提高罗丹明B的释放速率和释放量，但继续增大盐浓度，释放量反而降低。

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