1、收稿日期:2006210218;修回日期:2007201215作者簡介:羅華麗(19782,女,四川達州人,講師,山東大學碩士研究生,研究方向:精細化工及醫用高分子材料.3通訊作者:魯在君,山東大學教授,博士生導師,研究方向:聚合物合成與醫用高分子材料.第24卷第2期周口師范學院學報2007年3月Vol.24No.2Journal of Zhoukou Normal University Mar.2007殼聚糖微球制備工藝優化與分析羅華麗1,2,魯在君1,3(1.山東大學化學與化工學院,山東濟南250100;2.周口師范學院化學系,河南周口466000摘要:以殼聚糖為原料,通過乳化交聯工藝制備

2、殼聚糖微球,應用顯微鏡等考察其理化特性,利用統計學方法對微球粒徑分布進行表征.結果表明:殼聚糖微球的理化特性受工藝條件如醋酸濃度、殼聚糖的脫乙酰度、殼聚糖醋酸溶液的濃度、交聯劑的用量等因素的影響,還受到體系溫度、攪拌速度和反應時間等條件的影響;通過乳化交聯法可制備得到窄分布殼聚糖微球.關鍵詞:殼聚糖;微球;窄分布;制備工藝中圖分類號:TQ31文獻標識碼:A 文章編號:167129476(2007022*均勻的微米級粒度聚合物微球作為功能高分子材料,在分析化學、生物化學、標準計量等領域中應用廣泛.其中微米級窄分布聚合物微球用作藥物載體,可控制藥物釋放速率、釋放特性及載藥量,尤其用作藥物緩釋載體越

3、來越引起人們的興趣.殼聚糖(Chitosan ,CS 是自然界唯一的堿性多糖,生物相容性好,無毒副作用1,2,被廣泛用于藥物載體和醫用輔助材料3,4.CS 又稱可溶性甲殼質、甲殼胺或幾丁聚糖,其化學名為(1,4222氨基222脫氧22D 2葡萄糖,結構類似于纖維素.CS 的結構式為本文以CS 為材料,采用反相懸浮2交聯法制備CS 微球,考察原材料(CS 濃度和脫乙酰度、醋酸濃度、制備工藝(乳化劑用量、油水比、交聯劑用量、反應時間、攪拌強度等因素對微球粒徑分布的影響規律.1材料與方法1.1主要原料CS (脫乙酰度85%、90%和95%,濟南海得貝海洋生物工程有限公司;殼寡糖(A R ,濟南海得貝

4、海洋生物工程有限公司;液體石蠟、異丙醇、石油醚(AR ,天津天大化工實驗廠;戊二醛(50%溶液,天津科密歐化學試劑開發中心;Span80(AR ,國藥集團化學試劑有限公司.1.2主要儀器熱式偏光顯微鏡(BX51,Olymp us ;示差掃描熱分析儀(DSC ,822e ,Mettler Toledo ;紅外光譜儀(IR ,20SX ,Nicolet ;恒溫電磁攪拌器(DF 2101S ,鞏義英峪予華儀器廠.1.3微球的制備將適量的液體石蠟與Span80攪勻,然后按一定比例加入CS 醋酸溶液,在室溫下經電磁攪拌使其成為穩定的乳化體系.接著加入一定量的戊二醛進行交聯固化,反應完全后,用異丙醇、石油

5、醚洗滌,離心分離,最后用微孔過濾器過濾,即得淺黃色微球.1.4顯微鏡觀察取一定乳液中的微球和干燥后的微球,用熱式偏光顯微鏡,自然光路不加熱時觀察;利用顯微鏡自帶標尺對微球直徑進行測量,微球粒徑計算樣本至少200個,參照下述公式(d i 為單個微球粒徑,n 為微球個數計算平均粒徑d ,分散度D P.d =n i =1d in;=ni =1(di-d 2n -112;D P =d.2結果與討論2.1醋酸濃度的優化用體積分數0.5%,1%,2%,3%和5%的醋酸溶液制得質量濃度013g/L 的CS 醋酸溶液,其他條件不變,進行未載藥微球的制備.經顯微鏡觀察發現,2%醋酸溶液得到的微球粒徑分布更均勻(

6、圖1 . 圖12%醋酸溶液的CS 未載藥微球表1不同醋酸濃度制備的CS 微球對比表醋酸體積分數/%微球平均粒徑/m分散度1437.6±87.40.592198.1±4.70.44324.1±0.20.97534.7±0.20.40由表1可見,2%醋酸溶液制備的CS 微球粒徑分散度為0.44.雖然5%醋酸溶液制備的微球粒徑分布最窄(分散度為0.4,但是,考慮到醋酸濃度高會導致CS 分子鏈降解5,所以選2%醋酸是適宜的.CS 分子鏈上眾多的游離氨基的氮原子具有一對未共用的電子(致使氨基呈現弱堿性,從溶液中結合一個氫離子后使CS 成為帶正電荷的聚電解質.這種聚

7、電解質的形成破壞了CS 分子間和分子內的氫鍵,使之溶于水中.因此,CS 在醋酸中溶解實際上不是CS 溶于稀酸中,而是帶正電荷的CS 聚電解質溶于水中.溶解性好的物質形成的溶液的表面張力小,也就是說溶解性越好,形成溶液的表面張力越小,從而在一定外力作功的情況下,形成的微球個數就多,粒徑小.不同體積分數的醋酸CS 溶液的表面張力大小為:1%醋酸>2%醋酸>3%醋酸.因此,不同醋酸濃度制備的CS 微球粒徑隨著醋酸濃度的增大而變小.2.2CS 脫乙酰度的優化對脫乙酰度85%,90%,95%的CS 分別進行微球的制備,其他制備條件保持不變,經顯微鏡觀察發現脫乙酰度90%的CS 微球圓整,大小

8、適中,粒徑分布較均勻(見圖2.殼寡糖和水溶性CS 制備的微球粒徑很小,是圖290%脫乙酰度CS 未載藥微球表2不同CS 制備的微球比較CS 種類平均粒徑/m分散度95%脫乙酰度50.1±0.20.4090%脫乙酰度57.5±2.00.5685%脫乙酰度105.1±0.30.72水溶性CS 15.2±0.20.82殼寡糖19.1±0.20.35因為水溶解性好,表面張力低,形成微球時需要克服表面張力所做的功小,因此當輸入相同的攪拌功時,微球個數多而且粒徑小.與脫乙酰度85%CS 相比,95%脫乙酰度CS 分子鏈上所帶氨基更多,在醋酸溶液中所形成聚電

9、解質分子主鏈上正電荷的銨離子較多,易于使CS 分子內和分子間氫鍵解離,易溶于水.聚電解質分子鏈上親水性的離子越多,乳液液滴和連續介質之間界面張力就越小.按照界面張力大小排序:95%脫乙酰度CS 醋酸溶液<90%脫乙酰度CS 醋酸溶液<85%脫乙酰度CS 溶液.由此可以預測,同等條件下(相同攪拌轉速和體系粘度,體系表面張力越小,乳液液滴粒徑越小.如表2所示,95%脫乙酰度CS 微球平均粒徑50.1m ,小于85%脫乙酰度CS 微球平均粒徑105.1m ;而分散度為0.40,均小于85%和90%CS 微球分散度0172和0156,可見95%脫乙酰度CS 微球較小且更均勻.考慮到95%脫

10、乙酰度CS 和90%脫乙酰度CS 所制備的微球平均粒徑和分散度相差不大,從節約成本角度考慮,本研究選擇90%脫乙酰度CS 作為載藥基材.2.3CS 醋酸濃度的優化使用體積分數2%的醋酸水溶液來配制質量濃度0.1,0.2,0.3,0.4g/L 脫乙酰度為90%的CS 醋酸溶液,其他條件不變,經顯微鏡觀察發現質量濃度為013g/L 的CS 醋酸溶液制備的微球圓整,大小適中,粒徑分布較均勻(見圖3.如表3可見,鑒于反應速度、產量和粒徑大小以及分布均勻性等因素,為得到平均粒徑適中、粒徑分布較均勻且產量較多的CS 微球,確定CS 醋酸溶液的質量濃度為013g/L.46周口師范學院學報2007年3月2.4

11、Span80 乳化劑用量的優化圖3013g/L CS 未載藥微球表3不同CS 質量濃度制備的微球比較質量濃度/g/L平均粒徑/m分散度產量0.110.5±0.20.37太少0.238.2±0.2 1.1少0.357.5±2.00.56多 0.4110.2±0.20.59多固定液體石蠟的體積為20mL ,乳化劑用量分別按照液體石蠟體積的2%,4%,6%,8%和10%,保持其他條件不變,制備CS 微球.結果發現乳化劑用量為液體石蠟體積的8%時,微球圓整,粒徑分布較窄(見圖4.圖4乳化劑用量為液體石蠟體積的8%的微球表4不同Span80體積分數制備的CS 微球

12、的比較體積分數/%平均粒徑/m分散度2210.0±4.00.284436.4±12.90.436225.3±8.00.518173.1±3.60.32由表4可以發現,當Span80體積分數為2%時,主要對乳液液滴的穩定性產生影響,而對微球粒徑變化影響不明顯;當Span80體積分數大于2%時,乳化劑對乳液液滴能夠進行充分包覆,乳化劑用量對微球粒徑影響變得很有規律,即隨著Span80加入量的增加,微球粒徑逐漸減小.這主要是因為Span80的加入會降低體系的表面張力,從而在一定外力作功下,表面張力越小其形成的微球數越多,這樣微球粒徑就越小.2.5油水比的優化油

13、相與水相比例及油相粘度,是影響乳液穩定性的重要因素.根據經驗,采用油水=13.液體石蠟為油相,013g/L CS 醋酸溶液為水相,其他條件保持不變,分別按油水比為11,21和31制備CS 微球,結果發現油水比31時制備的微球為佳,平均粒徑為(123.1±4.0m ,分散度0.50,如圖5.圖5油水比31時微球表5不同油水比制備在CS 微球的對比油水比微球平均粒徑/m分散度1128.8±0.60.4121122.1±3.60.5031123.1±4.00.50由表5可見,油水比越小,微球粒徑越小且粒徑分布越窄.這主要是因為油水比為1時,界面張力小,乳液體系

14、穩定,從而在一定外力作功下,微球的粒子數多,微球粒徑小.作為反相懸浮交聯反應,油相多于水相,主要是靠乳化劑的親油端在粒子界面形成空間位阻來穩定乳液體系,其對界面張力的減少很有限.所以,油水比21和31時,CS 微球粒徑和粒徑分布變化不大.但是考慮到最終微球需要脫水,水相越少,脫去水相越簡單,那么油水比為31是比較理想的,且有文獻報道5,此油水比下制備的載藥微球載藥量較大.2.6交聯密度的優化用戊二醛(G L 與CS 之比表示交聯密度.設計CS 和G L 的不同比例進行實驗,分別取0.25,0.5,1.0,2mL G L ,0.3g/L CS 醋酸溶液10mL ,這樣交聯密度為56,53,103

15、和203,依次制備CS 微球,優化出交聯密度為56是適宜的(見表6.表6不同交聯密度的CS 微球對比表交聯密度微球平均粒徑/m分散度5619.8±0.50.525325.6±0.90.6010331.8±1.50.5920333.2±0.40.77由表6可見,交聯密度越大,即一定量的CS 所56第24卷第2期羅華麗,等:殼聚糖微球制備工藝優化與分析消耗的G L就越多,微球粒徑逐漸增大,微球粒徑分布越寬.這是由于粒子間的聚并從而使微球粒徑變大.2.7交聯反應時間的影響交聯反應時間定為0.5,1.0,2.0和3.0h,其他條件保持一致,分別制備未載藥微球.由

16、表7可見,交聯時間短,微球成球性變差;而時間過長,粒徑分布也會變大.這是由于CS的氨基與G L的醛基交聯需一定的時間,交聯反應發生完畢后,再延長時間,會有粒子聚并使得微球粒徑分散度變大.所以,選交聯時間為1.0h.表7不同交聯時間所得微球形狀時間/h0.5123微球形狀不均勻、粘連、結塊顆粒均勻顆粒均勻顆粒不均勻2.8交聯反應溫度的影響交聯溫度定為25,40,60,觀察微球的形狀.25時反應3h體系生成大量微球;40反應1h體系已有大量微球;60反應0.5h體系就產生大量微球.所以,溫度升高使得反應速率變快,從而使得交聯時間變短.對于乳液膠粒來說,溫度的增加會使表面活性劑活性降低,在一定攪拌剪

17、切力作用下形成的粒子數將減少,所以微球粒徑變大且穩定性變差.綜上所述,體系溫度確定在室溫,交聯反應時間為1h.2.9攪拌轉速的影響攪拌轉速分為3種:低速、中速、高速.轉速過快,制備的微球粒徑小;轉速慢,則微球貼壁嚴重,成塊狀.因為轉速高時產生的剪切力大,易使粒子分散,從而形成粒徑小的微球;而轉速低時產生的剪切力小,粒子不宜分散,有的粒子還會發生粘連使微球粒徑變大.因此,選用中速攪拌.實驗操作時,攪拌速度的選擇標準是磁子轉動不但帶動乳液中心轉動,而且使得貼近器壁處的乳液轉起來.3結論綜上所述,室溫25,中速攪拌,交聯反應1h,制備未載藥微球工藝參數定為:脫乙酰度90%CS,醋酸體積分數2%,CS

18、醋酸質量濃度013g/L,油水比31,交聯密度56.對CS微球制備工藝的優化與分析有利于這一類型藥物載體制劑的工業擴大,同時為進一步后續研究確定適宜的原料規格標準.對窄分散度CS微球的制備優化后,用于研究藥物的包埋與釋放特性,具有重要的意義.CS及其衍生物,用于多肽、蛋白質、核酸、疫苗一類生物活性大分子藥物的包埋和釋放,具有潛在的應用前景.參考文獻:1Lehr C,Bouwstra J A,Schacht E H,et al.In vitro evalution of mucoadhesive properties of chitosan and some othernatural polym

19、ersJ.Int.J.Pharm.,1992,78:43.2Tobio M,G erf R,Sanchez A,et al.stealth PL A PEG nanoparticles as protein carriers for nasal administrationJ.Pharm.Res.,1998,15:27.3G iunchedi P,Genta I,Conti B,et al.Preparation and characterization of ampicillin loaded methylpyrrolidinone and chi2tosan microspheresJ.B

20、iomaterials,1998,19:157.4Ramadas M,Paul W,Dileep K J,et al.Liposulin encapsulated alginate-chitosan capsules intestinal delivery in diabet2ic ratsJ.J.Microencapsulation,2000,17:405.5錢俊青,馬月珍.殼聚糖為基質的鹽酸左氧氟沙星緩釋微球制備J.浙江工業大學學報,2004,32(1:20224.Optimizing and analyzing for the preparation of chitosan microsphereL UO Hua2li1,2,L U Zai2jun1(1.School of Chemistry and Chemical Engineering,Shandong University,Jinan250100;2.Depart ment of Chemist ry,Zhouko u Normal U niversity,Zhoukou466000,ChinaAbstract:Using crosslin