羧甲基纤维素-壳聚糖LbL空腔微胶囊的制备

崔 萌，陆方姝，王飞俊

（1. 吉林化工学院 材料科学与工程学院， 吉林 吉林 132011； 2. 北京理工大学 材料学院， 北京 100081）

羧甲基纤维素-壳聚糖LbL空腔微胶囊的制备

崔 萌1，陆方姝2，王飞俊2

（1. 吉林化工学院 材料科学与工程学院， 吉林 吉林 132011； 2. 北京理工大学 材料学院， 北京 100081）

微胶囊技术现已广泛应用于生物医药，环境保护，日用化工，农业科学及航空航天等领域，随着应用范围扩大，开发新技术与新方法制备微胶囊，使其具有更精确可控的结构已成为微胶囊技术发展的重大课题之一。选择两种生物相容性较好的天然聚电解质—羧甲基纤维素（CMC）和壳聚糖（CS），作为制备新型微胶囊的原料，利用聚阴离子羧甲基纤维素和聚阳离子壳聚糖之间的静电结合，成功制备出一种具有新结构的中空聚电解质微胶囊并初步研究了其形貌能基本性能。

羧甲基纤维素；壳聚糖；静电层层自组装；聚电解质微胶囊

近年来，以聚阳离子和聚阴离子之间的静电力为驱动力，在离子化基体表面交替沉积制备聚电解质多层膜的方法（LbL），即静电层层自组装技术，由于过程简单，成膜物质丰富，成为一种构筑复合纳米结构的有效方法[1-7]。人们逐渐将LbL技术发展到以胶体粒子为模板组装成具有核-壳结构的粒子，通过溶解或熔融等方法去除模板，制备空腔微胶囊。用这种方法制备的微胶囊囊壁为复合聚电解质多层膜，具有优越的机械强度和选择透过性，对pH、离子强度、磁、光、电等条件的敏感性。但近年来研究对象主要集中于合成的强电解质，由于这些物质的生物相容性和降解性差，在生物医药方面的应用受到限制。针对这一问题，采用了具有优越生物相容性和低生物毒性的天然聚电解质，羧甲基纤维素和壳聚糖，由于原料较好的溶解性，方法简单，得到的膜材料具有优越的控制释放能力，在药物控制释放，环境保护、纳米反应器及生物医用材料等方面具有广阔的应用前景。

羧甲基纤维素（CMC）是天然纤维素羧甲基化的产物，市场上一般使用其钠盐，在水溶液中易电离产生多个长链状的多个聚阴离子-OCH2COO-，故属于阴离子型聚电解质。壳聚糖（CS）是甲壳素的脱乙酰化产物，分子链上有丰富的氨基，溶于稀酸带正电，可与带负电的高分子相互作用，形成水凝胶，微囊，纳米微粒等，由于 CS自身具有优越的生理治疗功能，在药物载体方面有较好应用前景。

1 实验部分

1.1 三聚氰胺甲醛微球的合成

（1）将三聚氰胺与甲醛溶液按照摩尔比1/(3～5)于三口瓶内混合，机械搅拌，加热到60 ℃反应20 min，得到预聚物羟甲基三聚氰胺。

（2）在三口瓶中加入聚乙烯醇作为分散剂，水浴加热机械搅拌溶解于90 g去离子水后用乙酸调节体系pH值至弱酸性，调节到预定温度。

（3）在聚乙烯醇溶液中加入预聚物，待体系出现白色浑浊后，反应30 min停止加热，冰水冷却，终止反应。

（4）将所得产物分散体系用离心机高速离心后分离沉淀，去上层清液，加入去离子水重分散，洗涤离心三次。产物冷藏保存。

1.2 以MF粒子为模板制备核壳结构粒子

在新制备的MF微球悬浮液加入适量阴离子聚电解质CMC溶液共混，恒温振荡20 min，经过三次离心-重分散，洗涤除去没有吸附的 CMC。然后，加入阳离子聚电解质CS溶液，振荡和清洗过程同CMC的组装，完成一对聚阴阳离子的吸附，即一个组装周期，得到一个双层结构。重复上述过程直至得到预定层数。

1.3 制备中空微胶囊

按上述条件进行在MF微球表面组装至预定层数后，将微球乳液加入大量的0.1M HCl溶液中，轻微振荡去除MF模板，20 min后离心分离，洗涤。

2 结果与讨论

2.1 CMC-CS聚电解质复合膜形成机理

聚电解质的吸附是以带电基材与高分子链段之间的静电相互作用为驱动力。首先，溶液中游离的聚电解质分子与基材表面已经吸附的带相反电荷的聚电解质相互接近，该过程由扩散控制，然后与聚电解质链段上的相反电荷发生中和，形成离子复合物。聚电解质多层膜的化学组成即为两种聚电解质的静电复合物。

由于分子中含有亲水基团，羧甲基纤维素与壳聚糖易溶于水或稀酸溶液，将两种溶液混合，得到絮状沉淀。成膜机理如图1所示。

图1 CMC-CS静电复合物的形成示意图Fig.1 Schematic diagram of the formation of CMC-CS electrostatic complexes

2.2 CMC-CS中空微胶囊

层层自组装制备微胶囊的过程中，模板的去除是非常重要的一步。将新制备的具有核壳结构的微球加入到大量的0.1M盐酸中，模板MF大分子被解离成小分子低聚物，通过聚电解质层层复合的多层结构的囊壁扩散出去，形成空腔。

但是羧甲基纤维素与壳聚糖均为弱电解质，通过静电作用形成的复合物在强酸的处理下会破坏其阴离子和阳离子结合作用，同样，通过层层自组装得到的囊壁多层膜在去核过程中易受到强酸的影响以致破坏多层膜的结构。为了优化MF的去除条件，研究组装层数，去核盐酸pH值等对成功制备中空微胶囊的影响。

2.2.1 盐酸pH对去核的影响

三聚氰胺-甲醛分子含大量醚键，酸处理时会发生解离而使高分子分解成小分子。使用其作为静电自组装模板就MF可在酸中溶解去除，来制得空腔胶囊。在相同层数下研究不同pH值盐酸对于去核的影响，通过溶解实验得到图2。

图2 pH值对去核的影响Fig.2 Effect of pH value on the enucleation

2.2.2 组装层数对去核的影响

组装层数越多，形成的聚电解质多层膜越厚，囊壁过厚会导致MF的酸解产物难以扩散。图3给出了不同组装层数微胶囊在盐酸中的去核结果。由图3所示，组装4～5个双层CMC-CS为宜，在5个双层以上，囊壁过厚会导致分解产物无法扩散出，不能构成空腔胶囊。

经过讨论，得到了优化的去核条件：选择新制备的MF微球作为模板，通过静电层层自组装包覆 4～5个双层的 CMC-CS聚电解质多层膜后，用pH=1.2的盐酸去核，即可得到结构完整的空腔微胶囊（图 4）。中空胶囊基本能保持模板微球的形状，但是略有变形，这是因为在MF分子刚发生解离时，小分子不能马上扩散出去，在微囊内外形成了渗透压差，导致了微囊的膨胀变形，在达到渗透压平衡时也无法完全恢复原状。

图3 层数对去核的影响Fig.3 Influence of layers to enucleation

图4 去除模板前后的粒子的SEM和TEM图像Fig.4 SEM and TEM images of the particles before and after removing the template

3 结 论

（1）以羧甲基纤维素为聚阴离子，壳聚糖为聚阳离子，成功应用于静电层层自组装体系，首先在平板基材上构筑了聚电解质多层膜。

（2）将聚电解质多层膜引入到三维体系构筑微胶囊。在弱交联三聚氰胺甲醛（MF）胶体微球的表面进行了层层自组装，由于羧甲基纤维素和壳聚糖在微球表面的交替吸附，表面电性正负交替变化。通过层层自组装得到了具有核壳结构的粒子，粒径均一，结构规整，囊壁厚度在纳米级，在水中稳定存在。

（3）讨论去核条件对成功制备中空微胶囊的影响，得到了优化的去核条件：选择新制备的 MF微球作为模板，通过静电层层自组装包覆4～5个双层的CMC-CS聚电解质多层膜后，用pH=1.2的盐酸去核，即可得到结构完整的空腔微胶囊。

［1］梁治奇. 微胶囊技术及其应用[M]. 北京:中国轻工业出版社，1999：1-3.

［2］G Decher, J Meclennan, U Sohling. Creation and structural comparison of ultrathin film assemblies: transferred freely suspended films and Langmuir-Blodgett films of liquid crystals[J]. Thin solid films, 210/211: 504-507.

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［4］Decher Gero, Lovo Yuri, Schmitt Johannes. Proof of multilayer structural organization in self-assembled polycation-polyanion molecular films[J]. Thin solid films, 1994, 244: 772-777.

［5］Buseher K, Graf K, Ahrens H. Influence of adsorption conditions on the structure polyelectrolyte multilayers [J]. Langmuir, 2002, 18: 3585-3591.

［6］Sukhorukov G B, Donath E, Lichtenfeld H. Layer-by-layer self assembly of polyelectrolytes on the colloidal particles [J]. Colloidal Surface, 1998, 137: 253.

［7］Svetlana A. Sukhishvili. Responsive polymer films and capsules via layer-by-layer assembly[J]. Current Opinion in Colloid & Interface Science, 2005, 10: 37-44．

Preparation of Carboxymethyl Cellulose and Chitosan LbL Hollow Microcapsules

CUI Meng1，LIU Fang-shu2，WANG fei-jun2
（1. College of Materials Science and Engineering, Jilin University of Chemical Technology, Jilin Jilin 132011，China；2. School of Materials ,Beijing Institute of Technology, Beijing 100081，China）

The microcapsule technology is now widely used in biological medicine, environmental protection, daily chemical, agricultural science, aerospace and other fields. With expansion of its application scope, new technologies and methods for preparation of microcapsules are developed continually, making microcapsules have more precise controllable structure has become one of the major topics of microcapsule technology development. In this paper, two kinds of natural polyelectrolyte with good biological compatibility, carboxymethyl cellulose (CMC) and chitosan (CS), were used as new type of microcapsule preparation raw materials to prepare hollow polyelectrolyte microcapsules with new structure by the electrostatic bonding between polyanionic cellulose and cationic chitosan, and its morphology and basic performance were studied.

Carboxymethyl cellulose; Chitosan; Electrostatic layer upon layer self-assembly; Polyelectrolyte microcapsules

TQ 031

A

1671-0460（2014）11-2240-04

2014-06-28

崔萌（1986-），女，吉林吉林人，助教，博士在读，2012年毕业于北京理工大学材料学专业，研究方向：功能材料。E-mail：2355315358@qq.com。