海藻酸的疏水改性及其性能表征

王春修，姜成義，王金鳳，方城韜，解維星

(海利爾藥業(yè)集團(tuán)股份有限公司，山東青島 266109)

海藻酸的疏水改性及其性能表征

王春修，姜成義，王金鳳，方城韜，解維星

(海利爾藥業(yè)集團(tuán)股份有限公司，山東青島 266109)

海藻酸與辛胺反應(yīng)合成疏水的海藻酸辛酰胺，對其進(jìn)行1H-NMR、元素分析等表征。分析海藻酸接枝后溶液表面張力的變化；研究不同接枝率、pH對海藻酸辛酰胺臨界締合濃度的影響；并以疏水改性的海藻酸作囊材，制備高效氯氟氰菊酯微膠囊。結(jié)果表明：疏水改性后海藻酸溶液表面張力減?。浑S著接枝率、體系pH增加，海藻酸辛酰胺臨界締合濃度下降；通過乳化凝膠技術(shù)，制得平均粒徑12.86 μm的疏水海藻酸衍生物微膠囊。

海藻酸；海藻酸辛酰胺；高效氯氟氰菊酯；微膠囊

海藻酸是19世紀(jì)80年代科學(xué)家從褐色海藻中分離出來的一種無支鏈天然高分子多糖，并在20世紀(jì)初開始商業(yè)化生產(chǎn)。商業(yè)用的海藻酸主要以海藻酸鹽的形式存在，包括海藻酸銨、海藻酸鉀、海藻酸鈉。目前工業(yè)海藻酸及其鹽的年生產(chǎn)量約30 000 t，在食品、紡織、印刷、醫(yī)藥等行業(yè)都具有廣泛的運(yùn)用[1]。海藻酸本身不溶于非極性溶劑，微溶于水；而海藻酸鈉(Alg-Na)擁有大量的－COO－，在水溶液中表現(xiàn)出聚陰離子形態(tài)。當(dāng)pH低于2.5時(shí)Alg-Na溶液中會析出海藻酸；隨pH降低時(shí)，－COOH基團(tuán)不斷地解離，海藻酸鈉的親水性增加，黏度也逐漸增大。

海藻酸作為多糖類物質(zhì)家族中一個(gè)非常重要的組成成員，具有許多優(yōu)異的特性，如無毒、生物相容性好、可生物降解、價(jià)格低廉等。在溫和的pH和溫度條件下，海藻酸即可被制備成生物分子(如蛋白質(zhì)和核酸分子)敏感性水凝膠；對胰島這樣的活體細(xì)胞也具有很好的生物相容性。通過對海藻酸主鏈進(jìn)行衍生化反應(yīng)，可以提高HAP成核與生長、增大形成凝膠的強(qiáng)度，提高可降解性，也可以通過疏水改性增強(qiáng)分子表面的相互作用。通過改變疏水-親水的平衡，制備成高分子表面活性劑，應(yīng)用于藥物的控釋緩釋。

疏水改性后的海藻酸具有兩親性，一方面提高對疏水藥物的負(fù)載量[2-5]，另一方面可以富集于油相與水相的界面，提高了海藻酸的利用率。

乳液聚合法制備納米膠囊，乳化劑通常只是以物理吸附方式附著在聚合物粒子表面，通過熱力學(xué)平衡實(shí)現(xiàn)體系穩(wěn)定[6]。海藻酸交聯(lián)固化使膠囊的膜由物理吸附轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)鍵合，提高了納米膠囊的穩(wěn)定性和緩釋性能。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

海藻酸鈉、辛胺、1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳化二亞胺鹽酸鹽(EDC·HCl)、甲醇、乙醇、氯化鈣均為分析純，阿拉丁試劑公司；高效氯氟氰菊酯為工業(yè)級，揚(yáng)農(nóng)化工；超純水自制。

BSA124S-CW分析天平(賽多利斯公司)，DF-101S集熱式磁力加熱攪拌器(金壇市醫(yī)療儀器廠)，CS101-1AB電熱鼓風(fēng)干燥箱(CS101-1AB)，元素分析儀(Elementar)，DMX500核磁共振波譜儀(Bruker)，CKX41型倒置顯微鏡(Olympus)，F(xiàn)-7000熒光光譜儀(Hitachi)，JK99C全自動張力儀(上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司)。

1.2 海藻酸辛酰胺的合成

將3 g海藻酸鈉與180 mL超純水置于500 mL圓底燒瓶中，加熱至 35 ℃攪拌待完全溶解。加入0.726 g EDC·HCl，采用0.5 mol/L HCl調(diào)節(jié)溶液pH至3.40。反應(yīng)10 min后，分別加入1.28、2.56、5.12、10.24 mL辛胺，持續(xù)恒溫?cái)嚢?4 h，制得不同接枝率的反應(yīng)產(chǎn)物。將所得產(chǎn)物用無水乙醇沉淀、離心，洗滌2次，將沉淀物放入恒溫鼓風(fēng)干燥箱，于60 ℃干燥至恒重。將所得到的固體產(chǎn)品溶解于超純水中，透析3 d除去小分子雜質(zhì)，再次加入乙醇，沉淀、離心、干燥即得不同接枝率的海藻酸辛酰胺。

1.3 核磁分析

將海藻酸鈉和海藻酸辛酰胺(接枝率22.90%)溶解于99%的重水形成大約10 mg/mL的溶液。將5 mg溶液用0.5 mL氘代試劑完全溶解于180×5 mm的核磁管中，將核磁管放入檢測區(qū)對聚合物進(jìn)行1H NMR測定。核磁氫譜檢測溫度：80 ℃。

1.4 元素分析

元素分析儀分析海藻酸辛酰胺的C/N比，求得其接枝率。海藻酸辛酰胺的碳氮比如式(1)：

其中，a是海藻酸辛酰胺的C/N比；nN1為海藻酸辛酰胺單體上N的個(gè)數(shù)，nN1=1；nC1為海藻酸辛酰胺單體上C的個(gè)數(shù)，nC1=14；nC2為海藻酸單體上C的個(gè)數(shù)，nC2=6；MN是氮元素的相對分子量；MC是碳元素的相對分子量；D是改性產(chǎn)物海藻酸辛酰胺的接枝率。

帶入(1)式之后，得海藻酸辛酰胺接枝率的計(jì)算方程(2)：

1.5 熒光檢測

采用穩(wěn)態(tài)熒光探針法檢測海藻酸辛酰胺在溶液中的臨界聚集濃度[21]。以芘作為熒光探針，將一定量的芘溶解于乙醇中得到0.04 mg/mL的溶液。取40 μL該溶劑加入10 mL離心管中，用氮?dú)獯蹈梢掖肌Ｔ诿總€(gè)離心管中加入10 mL不同濃度的海藻酸辛酰胺溶液。將離心管超聲40 min后，置于30 ℃振蕩水浴槽中靜置平衡12 h。用熒光分光光度計(jì)儀測得芘的發(fā)射光譜。其中：探針的激發(fā)波長是335 nm，激發(fā)電壓700 V，激發(fā)狹縫EX和發(fā)射狹縫EM均為2.5 nm，發(fā)射光譜收集范圍335～500 nm。波長373 nm和384 nm處的熒光強(qiáng)度之比(I1/I3)與海藻酸辛酰胺濃度的對數(shù)作圖得到臨界聚集濃度。

1.6 表面張力檢測

將海藻酸和海藻酸辛酰胺(接枝率22.90%)分別配制成30 mL 10 g/L的水溶液，采用鉑金板法298 K下測定各溶液表面張力γ，重復(fù)測3次。

1.7 制備微膠囊

取1.00 g海藻酸辛酰胺(接枝率22.90%)溶解于200 mL超純水中待用。將0.50 g高效氯氟氰菊酯、1 mL溶劑油、10 mL海藻酸辛酰胺溶液和15 mL超純水置于50 mL圓底燒瓶中，水浴55 ℃，5 000 r/min攪拌2 min制得乳液。然后逐滴滴入一定量CaCl2溶液(5 mg/mL)，恒溫30 r/min攪拌60 min，即可得到2.50%的高效氯氟氰菊酯微膠囊懸浮液。

2 結(jié)果與討論

2.1 海藻酸辛酰胺接枝率測定

調(diào)節(jié)海藻酸鈉與辛胺加入量，制得了不同接枝率的海藻酸辛酰胺。通過元素分析儀分析海藻酸辛酰胺的C/N比，得到其接枝率如表1所示。結(jié)果表明：隨著辛胺比例的增加，接枝率呈上升趨勢。然而海藻酸鈉與辛胺的摩爾比超過1∶2后，接枝率增加速率減緩。

表1 不同原料比例制得海藻酸辛酰胺的接枝率表

2.2 海藻酸辛酰胺結(jié)構(gòu)表征

原料海藻酸鈉和產(chǎn)物海藻酸辛酰胺(接枝率22.90%)的1H-NMR分析結(jié)果如圖1所示。對比譜圖，δ在3.5 ppm至4.5 ppm間的峰歸屬為海藻酸鈉G、M鏈上次甲基質(zhì)子的化學(xué)位移。在0.9 ppm至3.6 ppm間的峰歸屬為辛酰胺鏈上的甲基和亞甲基質(zhì)子的化學(xué)位移，其中：δ0.9=CH3(辛酰胺支鏈 C1)，δ1.4=CH2(辛酰胺支鏈C2-7)，δ3.0=CH2(辛酰胺支鏈C8)。這些質(zhì)子信號的出現(xiàn)，表明辛胺側(cè)鏈的存在。

圖1 海藻酸鈉和產(chǎn)物海藻酸辛酰胺的1H-NMR

2.3 表面張力的測定

分別測定了海藻酸鈉和海藻酸辛酰胺(接枝率22.90%)在298 K下的表面張力γ，圖2、3為隨濃度對數(shù)lg C的變化曲線。由圖可見，海藻酸鈉和海藻酸辛酰胺的表面張力都隨著其濃度的增加而減小，最后趨于穩(wěn)定，表明兩者都具有一定表面活性。計(jì)算得到海藻酸鈉和海藻酸辛酰胺的臨界膠束濃度(CMC)分別為2.364 8 g/L和3.639 2 g/L。對應(yīng)的表面張力γ分別為52.63 mN/m和30.28 mN/m。由此可知，改性后的產(chǎn)物海藻酸辛酰胺的臨界膠束濃度增大，而表面張力減小。

圖2 海藻酸鈉濃度與表面張力關(guān)系曲線

圖3 海藻酸辛酰胺濃度與表面張力關(guān)系曲線

2.4 熒光表征

海藻酸鈉和不同接枝率(17.77%、22.90%)的海藻酸辛酰胺濃度變化對I1/I3值的影響如圖4所示。由圖可見，隨著海藻酸鈉質(zhì)量濃度的增加，芘的I1/I3發(fā)射光譜基本保持在 1.9左右，僅微弱下降，表明海藻酸鈉親水性較強(qiáng)，在水溶液中呈分散狀態(tài)。當(dāng)海藻酸辛酰胺質(zhì)量濃度小于0.1 g/L時(shí)，I1/I3發(fā)射光譜微弱下降，海藻酸辛酰胺分散于溶液中；然而，隨著海藻酸辛酰胺濃度繼續(xù)增加，I1/I3值出現(xiàn)明顯的下降，表明海藻酸辛酰胺在溶液中開始聚集，芘由極性較大的水溶液向低極性微區(qū)遷移。另外，由圖4可知，接枝率17.77%的海藻酸辛酰胺臨界締合濃度為0.93 g/L，接枝率22.90%海藻酸辛酰胺的臨界締合濃度為0.70 g/L。

海藻酸辛酰胺具有親水的頭基(羧酸鈉、羥基)和疏水的尾基(辛酰胺)，表現(xiàn)出一定的表面活性。聚合物質(zhì)量濃度增加至臨界締合濃度(CAC)時(shí)，聚合物分子出現(xiàn)締合現(xiàn)象。隨著聚合物質(zhì)量濃度的繼續(xù)增加，溶液中的膠束數(shù)量迅速增加。另外，隨著辛胺的接枝率增加，海藻酸辛酰胺在水溶液中的疏水締合能力增強(qiáng)，具體表現(xiàn)為臨界締合濃度的下降及疏水域增溶作用加強(qiáng)。

圖4 接枝率變化對I1/I3比值的影響

在不同pH值下，接枝率22.90%的海藻酸辛酰胺質(zhì)量濃度變化對I1/I3值的影響如圖5所示。由圖可知，pH值越大，聚合物 I1/I3值越大。隨著溶液 pH值上升，海藻酸上的－COOH解離度增加，離子間的靜電排斥作用增強(qiáng)，分子鏈伸展，疏水締合能力下降。

圖5 pH值變化對I1/I3比值的影響

2.5 顯微鏡觀察

圖6為微膠囊溶液的光學(xué)顯微鏡(×400倍)圖。微膠囊分散性好，顆粒較均勻。微膠囊溶液的制備：首先，具有表面活性的海藻酸辛酰胺(接枝率22.90%)和溶有高效氯氟氰菊酯的溶劑油在勻質(zhì)機(jī)的作用下形成乳液；然后，滴入氯化鈣溶液，海藻酸與鈣離子交聯(lián)，形成 2.5%高效氯氟氰菊酯的微膠囊溶液。通過激光粒度儀測得膠囊的平均直徑Dav=12.36 μm。

圖6 載藥微膠囊的顯微圖(×400)

3 結(jié) 論

本文主要對聚合物Alg-Na進(jìn)行疏水改性，制備了一種兩親性海藻酸衍生物。通過對合成的聚合物分析和表征，發(fā)現(xiàn)制備的疏水改性海藻酸鈉接枝率達(dá)20%以上，具有明顯的兩親性，在水溶液中的臨界締合濃度均小于Alg-Na的臨界膠束濃度，具有類似表面活性劑的性質(zhì)。在海藻酸的骨架上引入辛胺鏈后，此物質(zhì)可以在水溶液中聚集，并且伴隨著接枝率的增加，臨界聚集濃度下降。采用乳化凝聚法用此合成物可制備出農(nóng)藥微/納膠囊。21世紀(jì)，高效、低毒和環(huán)境相容性好制劑為農(nóng)藥加工領(lǐng)域研究和開發(fā)的熱點(diǎn)。而如何提高制劑的穩(wěn)定性是延長產(chǎn)品貨架壽命和改善使用性能的關(guān)鍵所在。海藻酸衍生物具有優(yōu)良的兩親性、增黏性和生物降解性，是制備農(nóng)藥的良好助劑。它優(yōu)越的結(jié)構(gòu)特征和生物降解性能為它在制劑領(lǐng)域的推廣提供了良好的應(yīng)用前景。

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The Preparation and Performance of Alginate Hydrophobic Derivatives

WANG Chunxiu,JIANG Chengyi,WANG Jinfeng,FANG Chengtao,XIE Weixing
(Hailir Pesticides and Chemicals Group,Shandong Qingdao 266109,China)

Hydrophobic octyl-grafted alginate-amide derivative was synthesized by the amidation of alginate and octylamine. It was confirmed by1H NMR and elemental analyzer. Then analyzed the variation of the surface tension with change of concentration of octyl-grafted alginate-amide derivative. Furthermore,studied the effects of different substitution degrees and pH values on octyl-grafted alginate-amide derivative concentrations. Then the λ-cyhalothrin water suspended nanocapsules were prepared by microemulsion as template and octyl-grafted alginate-amide derivative as shell material.The results indicated that hydrophobic alginate derivative was amphiphilic,the surface tension decreased with hydrophobic modification and the critical aggregation concentration was decreased with the increased of degree of substitution and pH value of the solution. By emulsion-gel method,got the hydrophobic octyl-grafted alginate-amide derivative nanocapsules with 12.86 μm.

alginate; octyl-grafted alginate-amide derivative; lambda-cyhalothrin; microemulsion; nanocapsule

10.16201/j.cnki.cn31-1827/tq.2017.06.10

TQ450.6

A

1009-6485(2017)06-0050-04

王春修(1990—)，男，山東青島人，從事農(nóng)藥制劑研發(fā)工作。E-mail: 993405706wang@163.com。

2017-09-14。