殼聚糖緩釋微球的制備與表征

趙書言，周浩然，趙 蕊

（哈爾濱理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150040）

殼聚糖緩釋微球的制備與表征

趙書言，周浩然，趙 蕊

（哈爾濱理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150040）

以殼聚糖(Chitosan)、戊二醛(Glutaraldehyde)、尿素(Urea)為主要原料，采用乳化—化學(xué)交聯(lián)法制備尿素—殼聚糖緩釋微球。通過紅外光譜測試，分析緩釋微球的結(jié)構(gòu)特征；通過掃描電鏡測試，觀察微球的微觀形貌；通過交聯(lián)度測試確定戊二醛的最佳用量；通過緩釋測試，測定殼聚糖微球的緩釋效果。結(jié)果表明：采用乳化—化學(xué)交聯(lián)法成功制備尿素—殼聚糖緩釋微球；交聯(lián)劑最佳用量為1mL；緩釋微球中尿素在48h后基本緩釋完全，表明制備的緩釋微球有良好的緩釋效果。

殼聚糖；微球；緩釋

Abstract:The urea-chitosan sustained release microspheres are prepared with using chitosan,glutaraldehyde and urea as the main raw materials by emulsification-chemical crosslinking method.The structural characteristics of sustained release microspheres are studied by infrared spectra.The micro-morphology of microspheres is observed by scanning electron microscopy.The optimum dosage of glutaraldehyde is determined by the test of cross-linking degree.The sustained release effect is measured by sustained release measurement.The results showed that the chitosan sustainedrelease microspheres were successfully prepared by emulsification-chemical crosslinking method,the optimum dosage of crosslinking agent was 1mL.Urea in sustained release microspheres released completely after 48h.It indicated that the sustained release microspheres had good sustained release effect.

Key words:Chitosan;microspheres;sustained release

引 言

隨著我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展，化肥需求量不斷增多，目前使用的化肥以速效肥料為主，雖然肥效快，但利用率較低，同時會造成環(huán)境污染[1]。緩釋型肥料，可以較好控制肥料養(yǎng)分的釋放速度，提高肥料利用率，有效防止肥料養(yǎng)分流失，從而達(dá)到減少施肥次數(shù)，延長肥效期，提高肥效的作用，因而該種肥料在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用前景廣闊[2,3]。殼聚糖（chitosan）是由自然界中廣泛存在的幾丁質(zhì)（chitin）經(jīng)過脫乙酰作用得到的，化學(xué)名稱為聚葡萄糖胺[(1-4)-2-氨基-B-D葡萄糖][4]。殼聚糖具有可降解、安全無毒、可抑菌抗菌、良好的透過性等諸多的優(yōu)點，目前人們已視它為一種良好的緩釋材料，并且廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、化工、農(nóng)業(yè)等各個領(lǐng)域。本文以殼聚糖和尿素為主要原料制備尿素—殼聚糖緩釋微球，并對微球進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征及緩釋效果測試。

1 實驗部分

1.1 實驗主要藥品及儀器

殼聚糖，化學(xué)純，上?；瘜W(xué)試劑廠；戊二醛，分析純，天津瑞金特化學(xué)品有限公司。尿素，分析純，天津市石英鐘廠霸州市化工分廠；對二甲氨基苯甲醛（PDAB），分析純，天津光復(fù)精細(xì)化工研究所。

721型分光光度計，上海精密科學(xué)儀器廠；EQUINOX-55型傅立葉變換紅外光譜，德國布魯克公司；FEI Sirion200型掃描電子顯微鏡，荷蘭菲利普公司。

1.2 殼聚糖微球的制備

本實驗采用乳液聚合的方法制備殼聚糖微球：首先，用濃度為2%(體積比)的冰乙酸溶液溶解殼聚糖，配制成一定濃度的殼聚糖溶液。其次，合成乳化體系，量取20mL殼聚糖溶液，向其中加入占?xì)ぞ厶琴|(zhì)量20%的尿素，混合均勻待用；將一定量Span-80加入100mL液體石蠟中，攪拌均勻后將備用殼聚糖溶液緩慢加入其中（約30min加完），在40℃恒溫水浴中攪拌30min，整個乳化過程中攪拌速度保持在800～1000r/min，以使體系均勻。然后，向乳化體系中加入一定量交聯(lián)劑戊二醛，保持40℃，攪拌反應(yīng)3h。交聯(lián)反應(yīng)結(jié)束后，靜置30min，待完全分層后除去上層液。下層物質(zhì)分別用石油醚和異丙醇洗滌3次，然后在50℃下烘干，即得黃色殼聚糖微球。

殼聚糖與戊二醛發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)的原理如下：

1.3 殼聚糖微球的表征與測試

采用紅外、掃描電鏡、交聯(lián)度測試及緩釋測試對殼聚糖微球進(jìn)行表征。

1.3.1 紅外光譜表征

采用KBr壓片法制樣，用紅外光譜儀對殼聚糖微球進(jìn)行紅外測試，分辨率：8cm-1。

1.3.2 掃描電鏡表征

將待測微球均勻分散于貼有導(dǎo)電膠的鉛塊上，使用掃描電子顯微鏡觀察微球的形貌。

1.3.3 交聯(lián)度測試

準(zhǔn)確稱取一定質(zhì)量W1微球，置于索氏萃取器的萃取管中，用濃度為0.5%的冰乙酸溶液萃取24h后，烘干至恒重后質(zhì)量W2。交聯(lián)度可由以下公式算出：C=W2/W1×100%

1.3.4 緩釋測試

（1）顯色劑的配制

準(zhǔn)確稱取7.250gPDAB，溶于300mLH2SO4溶液（C=4.0mol/L）中，定容至500mL，搖勻，貯存于棕色瓶中，放于暗處保存，備用。

（2）尿素標(biāo)準(zhǔn)試液的配制

準(zhǔn)確稱取0.500g尿素，溶于去離子水中，定容至250mL。用移液管分別移取 2.5mL、5.0mL、10.0mL、15.0mL、20.0mL、25.0mL至50mL容量瓶中，分別加入10mL配置好的PDAB溶液，用去離子水定容至50mL，配制六個標(biāo)準(zhǔn)尿素溶液，濃度分別為0.1g/L、0.2g/L、0.4g/L、0.6g/L、0.8g/L、1.0g/L。再單獨取 10mL的顯色劑稀釋至50mL作為參比物。用721型分光光度計在420nm處測定其吸光度，作線性回歸分析。

（3）尿素緩釋量的測定

將待測微球用篩網(wǎng)包裹好置于容器中，并向其中加入去離子水。每隔一段時間從去離子水中取出10mL移入50mL容量瓶中，加入10mL顯色劑，定容。并在容器中補(bǔ)加10mL去離子水。

用721型分光光度計在波長420nm處測定吸光度，由標(biāo)準(zhǔn)線性回歸方程求得未知液濃度[5]。

2 結(jié)果與討論

2.1 紅外光譜測試

圖1分別為殼聚糖微球、尿素—殼聚糖微球、純殼聚糖和尿素在4000～400cm-1區(qū)域的FTIR譜圖。尿素的特征峰：3300～3500cm-1處的雙峰為N-H伸縮振動，1618cm-1處的峰是為C=O鍵伸縮振動，如圖1 中 d。由圖 1 中 a、b 可見，2930cm-1、2860cm-1、1460 cm-1的吸收峰有明顯增強(qiáng)，說明產(chǎn)物中有較多的C-H生成，尤其在2930 cm-1處最為明顯；與純殼聚糖光譜c比較可知，由于交聯(lián)劑戊二醛的加入，削弱了殼聚糖在1645 cm-1和1578 cm-1處的酰胺峰，在1640 cm-1左右出現(xiàn)C=N的伸縮振動峰，此峰是戊二醛與殼聚糖交聯(lián)后所形成的Schiff堿的特征峰[6]。在500cm-1后，比較圖中b與a、c、d可知，尿素包埋于微球中。通過FTIR分析可知，戊二醛與殼聚糖發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，且尿素成功包埋于殼聚糖中。

圖1 戊二醛交聯(lián)殼聚糖微球紅外光譜Fig.1 FTIR spectra of chitosan microspheres with glutaraldehyde cross-linking

2.2 掃描電鏡測試

圖2是放大5000倍的殼聚糖微球掃描電鏡圖。

圖2 交聯(lián)殼聚糖微球掃描電鏡圖樣Fig.2 SEM image of cross-linking chitosan microspheres

由圖2看出，殼聚糖經(jīng)過交聯(lián)后形成微球結(jié)構(gòu)。圖a微球直徑約為1μm；圖b微球直徑約為1.5μm。由此可見，加入尿素后，由于微球中包裹了尿素，殼聚糖微球的體積有明顯的增加。未加入尿素的殼聚糖微球，球形較規(guī)整，只有少量的團(tuán)聚現(xiàn)象。加入尿素后，其球狀結(jié)構(gòu)稍有變形，有粘連現(xiàn)象產(chǎn)生，同時團(tuán)聚現(xiàn)象明顯。尿素分子進(jìn)入殼聚糖分子內(nèi)，使分子鏈增長分子體積增大，致使交聯(lián)反應(yīng)后微球體積增大。微球表面的粘連現(xiàn)象，可能是由于微球表面的靜電吸附作用，或者是干燥過程中分子間的團(tuán)聚造成。

2.3 交聯(lián)度測試

濾紙經(jīng)0.5%乙酸溶液萃取后，其質(zhì)量減少率為1.30%。經(jīng)計算得出加入不同體積戊二醛的殼聚糖微球的交聯(lián)度，得出戊二醛加入量與交聯(lián)度的關(guān)系如圖3所示。

由圖3可知，殼聚糖微球交聯(lián)度隨著戊二醛用量的增加而增大，戊二醛用量在0.7～1.3mL之間變化時，曲線平穩(wěn)上升。當(dāng)戊二醛用量從1.3mL開始增加時，曲線斜率變大，交聯(lián)度急劇增加，當(dāng)戊二醛用量為1.6mL時，交聯(lián)度最大。戊二醛結(jié)構(gòu)中存在著兩個活潑的醛基，有很高的反應(yīng)活性，易與殼聚糖分子中的自由氨基反應(yīng)，形成交聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。交聯(lián)程度越大，說明戊二醛與殼聚糖之間的反應(yīng)越充分，效果最好。但若交聯(lián)度過大，整個微球分子中空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)越多，交聯(lián)孔徑越小，對尿素的包裹越緊密，不利于緩釋。所以確定戊二醛用量為1.0mL為最佳用量。

圖3 戊二醛用量與交聯(lián)度關(guān)系圖Fig.3 The relationship between the dosage of glutaraldehyde and crosslinking degree

2.3 緩釋測試

2.3.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制

經(jīng)線性擬合所得氮元素標(biāo)準(zhǔn)曲線見圖4：

圖4 氮元素的標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.4 The standard curve of nitrogen element

由圖4得氮元素標(biāo)準(zhǔn)曲線為：A=0.20886C+4.56201×10-4

式中 A—吸光度；

C—尿素濃度（g/L）。

2.3.2殼聚糖微球緩釋結(jié)果

緩釋測試結(jié)果如圖5所示：

由圖5可知，緩釋溶液中尿素的含量隨著緩釋時間的增加而增大，時間在0～24h，緩釋微球中尿素快速釋放，氮元素釋放量急劇增大，產(chǎn)生明顯的突釋效應(yīng)。當(dāng)24h后曲線變化較為平緩，微球中尿素均勻擴(kuò)散。在釋放初期，尿素的釋放主要是受擴(kuò)散作用的控制。由于微球表面存在大量的微孔，水分子大量進(jìn)入微孔溶解尿素，使其快速釋放，故微球在初期有著明顯的突釋效應(yīng)[7]。隨著殼聚糖吸水溶脹，在微球的表面形成了親水的凝膠層，關(guān)閉了尿素釋放的通道，尿素只能通過骨架緩慢擴(kuò)散或者通過殼聚糖的緩慢降解而釋放；隨著緩釋時間的延長，微球表面的親水凝膠層逐漸增厚，微球能緩釋尿素的面積逐漸減小，所以此時緩釋平穩(wěn)，尿素繼續(xù)緩慢釋放，直至緩釋完全。

圖5 殼聚糖微球中氮元素累計釋放量隨緩釋時間的變化曲線Fig.5 The effect of sustained release time on cumulate releasing volume of nitrogen element

3 結(jié)論

采用乳化—化學(xué)交聯(lián)法制備尿素—殼聚糖微球，其直徑為1.5μm球形較規(guī)整的微球結(jié)構(gòu)；IR結(jié)果表明殼聚糖與交聯(lián)劑戊二醛的產(chǎn)生交聯(lián)反應(yīng)，交聯(lián)劑最佳用量為1mL；對殼聚糖緩釋微球釋放動力學(xué)進(jìn)行初步探討，尿素—殼聚糖微球的緩釋效果良好。由于殼聚糖無毒、易降解、抑菌抗菌和來源廣泛等特點，使其作為緩釋肥料材料有著廣闊應(yīng)用前景。因此，深入的開展此項研究尤為重要。

［1］陳強(qiáng)，呂偉嬌，張文清,等.殼聚糖緩釋肥料包膜的制備和結(jié)構(gòu)表征［J］.高分子材料科學(xué)與工程,2005,21(4)：216～209.

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［3］許秀成,李鐲萍,王好斌.包裹型緩釋/控制釋放肥料專題報告［J］.磷肥與復(fù)肥,2001,16(4)：4～6.

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The Preparation and Characterization of Chitosan Sustained Release Microspheres

ZHAO Shu-yan,ZHOU Hao-ran and ZHAO Rui

(College of Materials Science and Engineering,Harbin University of Science and Technology,Harbin 150080,China)

TQ 322.94

A

1001-0017（2011）02-0035-04

2010-11-18

趙書言（1985-），女，黑龍江哈爾濱人，碩士生，主要研究方向為改性殼聚糖緩釋肥料材料研究。