自組裝法制備CS/HAP雜化膜的結(jié)構(gòu)與性能研究

孫俊芬，陳景草

(1.東華大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620；2.纖維材料改性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620)

羥基磷灰石在自然界中比較常見，界面活性優(yōu)良，無毒副作用，制備簡單，本身含有吸附位，是一種比較穩(wěn)定的吸附劑。但HAP也有其自身的一些缺點(diǎn)，如壓縮強(qiáng)度較低，抗疲勞性差，生物可吸收性差，替代速度慢，植入體內(nèi)后可能出現(xiàn)疏松、遷移、破壞等，為了克服HAP力學(xué)性能差的缺點(diǎn)，人們將高分子材料加入其中以增強(qiáng)其力學(xué)強(qiáng)度，使HAP顆粒難以向周圍組織遷移，克服了HAP植入體內(nèi)后可能出現(xiàn)的疏松、遷移、破壞等缺點(diǎn)[1-3]。此外，HAP可以促進(jìn)復(fù)合材料的生物可吸收性，且這種復(fù)合材料植入體內(nèi)后對(duì)周圍的軟組織沒有損傷[4]。殼聚糖無毒無味，成膜性能優(yōu)異，工藝簡單，親水性強(qiáng)，具有良好的生物相容性。殼聚糖分子鏈上含有大量的羥基和氨基，是一種良好的膜吸附蛋白質(zhì)的基質(zhì)材料。因此CS/HAP雜化膜可以彌補(bǔ)單純的有機(jī)膜和無機(jī)粒子吸附蛋白質(zhì)時(shí)的不足，近年來越來越多受到學(xué)者的重視。

用自組裝法生成的CS/HAP雜化膜，可以改善無機(jī)顆粒在有機(jī)基體中易團(tuán)聚的現(xiàn)象，并且所生成的HAP粒徑均一、分散均勻。王洪波等[5]用超聲波靜電自組裝技術(shù)制備了全氟磺酸(Nafion 117)/TiO2復(fù)合膜，首先是Ti(OC4H9)4通過靜電作用組裝到Nafion 117表面，然后通過水蒸氣水解得到復(fù)合膜，研究表明TiO2粒子可以均勻的分布在復(fù)合膜表面，且粒子尺寸較均勻。韓迪[6]通過CS中的胺基和氧化石墨烯(GO)含氧基團(tuán)的氫鍵和靜電絡(luò)合作用將GO片和CS分子聯(lián)接在一起，在氣液界面處通過自組裝得到了GO/CS復(fù)合膜。膜材料對(duì)蛋白質(zhì)的吸附過程一般分為三個(gè)階段：首先是顆粒外部擴(kuò)散階段，即蛋白質(zhì)從溶液中擴(kuò)散到膜表面；其次是孔隙擴(kuò)散階段，蛋白質(zhì)在膜的孔隙中繼續(xù)向吸附點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)散；最后是吸附反應(yīng)階段，蛋白質(zhì)分子被吸附在膜孔隙內(nèi)的官能團(tuán)上[7]。

本研究通過自組裝法制備CS/HAP雜化膜并研究雜化膜對(duì)LZ的吸附性能。先在CS膜表面生成HAP前驅(qū)體，然后把殼聚糖/羥基磷灰石前驅(qū)體浸入NaOH凝固浴中通過相轉(zhuǎn)變生成雜化膜。通過FTIR，XRD和SEM來表征膜的結(jié)構(gòu)和HAP的分散情況。研究CS/HAP雜化膜對(duì)LZ的吸附性能，包括CS/HAP含量比，pH值和LZ初始濃度對(duì)雜化膜吸附性能的影響，探討離子強(qiáng)度對(duì)雜化膜解吸附性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

殼聚糖，購買自浙江金殼藥業(yè)有限公司。乙酸、硝酸鈣、碳酸氫二鉀、氫氧化鈉、溶菌酶、氯化鈉：均為分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 自組裝法制備CS/HAP雜化膜

取4gCS粉體和一定量的Ca(NO3)2·4H2O于體積分?jǐn)?shù)為2%的乙酸溶液中，攪拌直至得到均質(zhì)透明的溶液，室溫下靜置脫泡。之后將溶液倒在潔凈的玻璃板上，用刮刀使之鋪展成一層均勻的液膜，再把玻璃板浸泡在K2HPO4溶液中，7 h后取出放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaOH凝固浴中，繼續(xù)浸泡24 h，當(dāng)膜從玻璃板上漂浮起來后，放入蒸餾水中洗至中性，去除膜表面的溶劑，得到CS/HAP雜化膜，最后將膜室溫晾干保存。通過控制Ca(NO3)2·4H2O的添加量，得到CS/HAP質(zhì)量比分別為100/10，100/20，100/30和100/40的雜化膜。最后，用同樣的步驟制備純CS膜和HAP粉體作為此次實(shí)驗(yàn)的對(duì)比樣。

1.3 CS/HAP雜化膜的結(jié)構(gòu)與性能測試

1.3.1 FTIR表征

用傅里葉變換衰減全反射紅外光譜(ATR-FTIR，Nicolet 6700型)進(jìn)行紅外光譜掃描來表征樣品的結(jié)構(gòu)組成，波數(shù)范圍為4000cm-1～ 620 cm-1。

1.3.2 XRD表征

測試前先把膜和HAP在瑪瑙研缽中充分研磨成細(xì)小粉末，真空干燥24 h。采用Bruker D2 PHASER型X射線衍射儀(德國布魯克AXS公司)分析膜的物相組成，步長為0.02°，2θ測量范圍為0 ～ 60°，掃描速度為0.2°/秒。

1.3.3 CS/HAP雜化膜的形貌

將純膜和CS/HAP雜化膜在液氮中斷裂，剪取一部分粘貼在樣品臺(tái)上，然后對(duì)其表面和斷面噴金，用捷克ESEM生產(chǎn)的Quanta-250型環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察膜上表面的結(jié)構(gòu)形態(tài)。

1.3.4 CS/HAP雜化膜的吸附性能測試

1.3.4.1 不同pH值下的LZ濃度—吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線

取適量Na2HPO4·12H2O和NaH2PO4·2H2O配制pH=7和pH=8的緩沖溶液，以該緩沖溶液為溶劑，LZ為溶質(zhì)，配制不同濃度的LZ溶液，選用光程為5 mm的比色皿，用紫外分光光度計(jì)來測定LZ溶液的吸光度，然后繪制pH=7和pH=8的LZ濃度—吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線。取適量Na2CO3和NaHCO3配制pH=9，pH=10和pH=11的緩沖溶液，按同樣的步驟操作得到相應(yīng)pH條件下的LZ濃度—吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線。用Na2HPO4·12H2O和NaOH配制pH=12的緩沖溶液，反復(fù)上述步驟，繪制pH=12的LZ濃度—吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.3.4.2 HAP含量對(duì)LZ吸附性能的影響

把若干塊HAP含量不同的雜化膜剪成2×2 cm大小，在25℃真空干燥箱中烘干12 h，然后置于干燥器中備用。將樣品稱重后放入小樣品瓶中，用移液管移取2 mg/ml且pH=11的LZ溶液5 ml于瓶中，密封，在25℃下的恒溫水浴搖床中震蕩進(jìn)行膜吸附實(shí)驗(yàn)。24 h后取出，用紫外分光光度計(jì)測量吸附后溶液的LZ濃度，根據(jù)公式(2-1)計(jì)算膜吸附量q(mg LZ/g干膜)：

(1)

式中：

C0—LZ原液的濃度，mg/ml；

C1—吸附后LZ溶液的濃度，mg/ml；

W—膜的干重，g；

V—LZ溶液的體積，ml。

1.3.4.3 pH值對(duì)LZ吸附性能的影響

把若干塊CS/HAP質(zhì)量比為100/20的雜化膜剪成2×2 cm大小，在25℃真空干燥箱中烘干12 h，然后置于干燥器中備用。將樣品稱重后放入小樣品瓶中，用移液管移分別取2 mg/ml且pH值分別為7，8，9，10，11的LZ溶液5 ml于瓶中，把小樣品瓶密封，在25℃下的恒溫水浴搖床中震蕩進(jìn)行膜吸附實(shí)驗(yàn)。24 h后取出，用紫外分光光度計(jì)測量吸附后溶液的LZ濃度，根據(jù)公式(1)計(jì)算膜吸附量q(mg LZ/g干膜)。

1.3.4.4 LZ濃度對(duì)吸附性能的影響

把若干塊CS/HAP質(zhì)量比為100/20的雜化膜剪成2×2 cm大小，在25℃真空干燥箱中烘干12 h，然后置于干燥器中備用。將樣品稱重后放入小樣品瓶中，用移液管移分別取濃度為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 mg/ml且pH=11的LZ溶液5 ml于瓶中，密封，在25℃下的恒溫水浴搖床中震蕩進(jìn)行膜吸附實(shí)驗(yàn)。24 h后取出，用紫外分光光度計(jì)測量吸附后溶液的LZ濃度，根據(jù)公式(1)計(jì)算膜吸附量q(mg LZ/g干膜)。

1.3.4.5 離子強(qiáng)度對(duì)解吸附性能的影響

探究離子強(qiáng)度對(duì)蛋白質(zhì)解吸附能力的影響，首先采用上述靜態(tài)吸附的最佳條件，即CS/HAP質(zhì)量比為100/20的雜化膜在2 mg/ml且pH=11的LZ溶液中吸附24 h，測其吸附濃度，計(jì)算吸附量。取出雜化膜，用蒸餾水沖洗掉膜表面的LZ，把膜置于樣品瓶中，滴加濃度分別為0.25，0.5，0.75，1.0，1.5，2.0 mol/l的NaCl溶液5 ml，密封，25℃下恒溫震蕩24 h后取出，用紫外分光光度計(jì)測溶液的LZ濃度，計(jì)算其解吸附量。根據(jù)公式(2)計(jì)算膜的解吸附率(%)：

(2)

式中：

Q1—膜的解吸附量，mg LZ/g干膜；

Q2—膜的吸附量，mg LZ/g干膜。

2 結(jié)果與討論

2.1 FTIR分析

圖1是HAP粉體，純CS膜和自組裝法制備的CS/HAP雜化膜的紅外光譜圖。曲線a是自制HAP的紅外光譜圖，可以看出在3394 cm-1處有一比較寬的-OH伸縮振動(dòng)峰。963 cm-1，1028 cm-1和1089 cm-1處是HAP中PO43-的特征吸收峰。同時(shí)，1423 cm-1處有一比較微弱的峰是CO32-的伸縮振動(dòng)峰，說明在反應(yīng)過程中混入微量的CO2，HAP中極少部分PO43-被CO32-所取代。曲線b是純CS的紅外光譜圖，3361 cm-1附近是羥基和氨基的特征吸收峰，2874 cm-1處是C-H鍵伸縮振動(dòng)，1652 cm-1處是C=O鍵的吸收峰，1595 cm-1處是-NH2特征峰，1065 cm-1和1032 cm-1是C-O伸縮振動(dòng)吸收峰。曲線c，d和e是HAP含量不同的雜化膜的紅外光譜圖，幾乎所有CS和HAP的典型特征峰在雜化膜中都有體現(xiàn)，說明用自組裝法成功的在CS有機(jī)基體中合成了HAP無機(jī)粒子。隨著HAP含量的增加，膜中2787cm-1～2985cm-1處的峰逐漸向高波數(shù)偏移，由此可以推測CS和HAP之間有分子間氫鍵和靜電力形成。

圖1 (a)HAP;(b)純CS膜;(c～f)CS/HAP雜化膜的紅外光譜圖;(c～f：CS/HAP含量比分別為100/10，100/20，100/30，100/40)

2.2 XRD分析

圖2是純CS膜，CS/HAP雜化膜和自制HAP粉體的XRD圖譜。因?yàn)镃S的半結(jié)晶型結(jié)構(gòu)，曲線a在20°左右有一個(gè)比較寬的衍射峰。HAP的特征峰為26°，32°，39°，46°，這些布拉格角在曲線f中都有呈現(xiàn)出來，說明對(duì)比樣中HAP的成功合成。CS/HAP雜化膜在20°，26°和32°附近都有衍射峰，意味著用自組裝法可以在CS基體中合成HAP，這與圖2(a)紅外光譜圖所得的結(jié)論保持一致。從表1中可以看出，純CS膜的結(jié)晶度為25.7%，HAP的結(jié)晶度為44.5%，雜化膜的結(jié)晶度比純CS膜和HAP粉體都低，說明雜化膜中的生成的HAP晶型不夠完善，同時(shí)HAP的生成破壞了CS膜原本的致密結(jié)構(gòu)，給吸附實(shí)驗(yàn)提供了有利條件。

圖2 (a)純CS膜;(b-e)CS/HAP雜化膜;(f)HAP的XRD圖譜(b～e：CS/HAP含量比分別為100/10，100/20，100/30，100/40)

表1 純CS膜，CS/HAP雜化膜和HAP的結(jié)晶度

2.3 CS/HAP雜化膜的形貌

圖3是純CS膜和CS/HAP(100/10和100/20)雜化膜正面的電鏡照片。從圖中可以觀察到，純CS膜的表面非常光滑致密，通過自組裝法制備的CS/HAP雜化膜表面因?yàn)橛蠬AP的生成而變的粗糙且多孔，但是沒有相分離現(xiàn)象，說明CS和HAP之間相容性良好。HAP粒子在膜上均勻分布，沒有團(tuán)聚現(xiàn)象。隨著HAP含量的增加，CS/HAP(100/20)雜化膜的孔徑變大，呈蜂窩狀，比較有利于蛋白質(zhì)的吸附。

(a) (b) (c)

2.4 CS/HAP雜化膜的吸附性能

2.4.1 不同HAP含量對(duì)溶菌酶吸附影響

圖4是不同HAP含量的雜化膜的吸附量，在反應(yīng)溫度為25℃，LZ初始濃度為2 mg/ml，反應(yīng)時(shí)間為24 h，pH=11的條件下，CS/HAP含量比為100/0，100/10，100/20，100/30和100/40的雜化膜對(duì)LZ進(jìn)行靜態(tài)吸附。從圖中可以看出，雜化膜對(duì)LZ的吸附量大于純膜，說明自組裝法生成HAP可以有效的改善CS膜的吸附，CS/HAP(100/20)雜化膜吸附量最大，達(dá)到235.3 mg/g。自組裝膜中HAP多數(shù)分散在膜表面，少數(shù)進(jìn)入膜孔隙結(jié)構(gòu)，增加了蛋白質(zhì)和吸附位點(diǎn)的碰撞幾率，吸附量增加。當(dāng)CS/HAP=100/40時(shí)膜的吸附量雖然有所增加，但是膜質(zhì)脆，物理性能不好，因此本章采用CS/HAP含量比為100/20的雜化膜做吸附實(shí)驗(yàn)。

圖4 不同CS/HAP含量比的膜的吸附量(pH=11)

2. 4.2 不同pH值對(duì)溶菌酶吸附影響

圖5是不同pH值對(duì)CS/HAP含量比為100/20的雜化膜吸附量的影響，選取的pH值依次為7～11。從圖中可以看出，pH=7時(shí)雜化膜的吸附量為207.5 mg/g，隨著pH值增加吸附量呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)，pH=9時(shí)達(dá)到最小值，pH=11時(shí)吸附量最大，達(dá)到235.3 mg/g。因?yàn)長Z的等電點(diǎn)為10.7，蛋白質(zhì)在等電點(diǎn)附近幾乎不帶電荷，此時(shí)雜化膜和蛋白質(zhì)之間的靜電排斥力達(dá)到最小，同時(shí)LZ在等電點(diǎn)附近時(shí)有一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，所以可以達(dá)到最大吸附量。Feng等[8]用CS/羧甲基纖維素(CMC)混合膜對(duì)LZ進(jìn)行吸附時(shí)發(fā)現(xiàn)，溶液的pH值可以影響LZ和混合膜之間的靜電作用以及電荷分布。Saiful等[9]在研究pH值對(duì)LZ吸附影響的時(shí)候，同樣發(fā)現(xiàn)，pH=9時(shí)膜對(duì)LZ吸附量達(dá)到最小值，而當(dāng)pH=11時(shí)達(dá)到最大值，與本章的討論結(jié)果保持一致。

圖5 不同pH值下雜化膜的LZ吸附量

2.4.3 CS/HAP雜化膜的等溫吸附

下頁圖6是自組裝法制備的CS/HAP雜化膜的等溫吸附曲線，在反應(yīng)溫度為25℃，反應(yīng)時(shí)間為24 h，pH=11的條件下，CS/HAP含量比為100/20的雜化膜對(duì)不同初始濃度的LZ進(jìn)行靜態(tài)吸附。從圖中可以看出，起初雜化膜對(duì)LZ的吸附量隨著LZ濃度的增加而增加，因?yàn)長Z濃度越高，與CS/HAP雜化膜吸附位點(diǎn)結(jié)合的越多。當(dāng)LZ濃度為1.76 mg/ml時(shí)達(dá)到吸附平衡狀態(tài)，吸附量趨于穩(wěn)定，因?yàn)槟さ幕钚晕稽c(diǎn)數(shù)目是有限的，繼續(xù)增加LZ濃度時(shí)，活性位點(diǎn)可能全部被LZ占據(jù)，達(dá)到了吸附平衡的狀態(tài)，故吸附量不再隨著LZ濃度的增加而增加。

圖6 CS/HAP雜化膜的等溫吸附曲線

2. 4.4 離子強(qiáng)度對(duì)解吸附的影響

圖7是不同離子強(qiáng)度對(duì)CS/HAP(100/20)雜化膜解吸附性能的影響。從圖中可以看出，NaCl溶液的濃度越大，對(duì)LZ和雜化膜之間靜電力的破壞越大，從雜化膜上解吸附的LZ量增多，解吸附率增大。當(dāng)NaCl濃度為0.5 mol/l時(shí)，解吸附趨于穩(wěn)定，大概有90%的LZ從雜化膜上被解吸附下來。Sun等[10]用KH792-HAP對(duì)LZ進(jìn)行解吸附實(shí)驗(yàn)時(shí)，NaCl濃度為0.5 mol/l時(shí)解吸附達(dá)到穩(wěn)定，并且解吸附率同樣達(dá)到90%。

圖7 離子強(qiáng)度對(duì)LZ解吸附的影響

3 結(jié)論

通過自組裝法制備了CS/HAP雜化膜，CS/HAP的含量比分別為100/10，100/20，100/30，100/40。通過FTIR，XRD和SEM表征了膜的結(jié)構(gòu)和HAP的分散情況，研究CS/HAP含量比，pH值和LZ初始濃度對(duì)CS/HAP雜化膜吸附性能的影響，探討離子強(qiáng)度對(duì)CS/HAP雜化膜解吸附性能的影響，得出以下結(jié)論：

(1)自組裝法可以使HAP在CS基體中成功生成，CS和HAP有分子間氫鍵和靜電力生成，改善了CS和HAP的相容性，促進(jìn)了HAP無機(jī)粒子在CS基體中均勻分散，沒有團(tuán)聚現(xiàn)象。

(2)通過不同CS/HAP含量比的雜化膜對(duì)LZ進(jìn)行吸附可知，CS/HAP含量比為100/20，雜化膜對(duì)LZ的吸附量達(dá)到最高，為235.3 mg/g。改變pH值、LZ初始濃度探索的雜化膜的最佳吸附條件為：在pH=11下，LZ濃度為1.76 mg/ml時(shí)，雜化膜達(dá)到吸附平衡狀態(tài)，膜的吸附量達(dá)到最大。

(3)研究了CS/HAP雜化膜對(duì)LZ的解吸附性能，當(dāng)NaCl濃度為0.5 mol/l時(shí)，解吸附趨于穩(wěn)定，解吸附率為90%。