雙親性石墨烯量子點(diǎn)的合成及對(duì)L-薄荷醇的緩釋作用

李 明, 崔小倩, 汪 璇, 李在均

(江南大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院, 合成與生物膠體教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 無錫 214122)

薄荷醇俗稱薄荷腦, 有8種立體異構(gòu)體, 但其中只有左旋薄荷醇(L-薄荷醇)具有很強(qiáng)的清涼效果. 因此,L-薄荷醇作為清涼劑被廣泛應(yīng)用于化妝品、 牙膏、 口香糖、 甜食清涼飲料、 香煙、 藥物和涂擦劑[1]. 目前,L-薄荷醇作為添加劑通常是通過直接溶解或機(jī)械混合于基質(zhì)中使用. 在產(chǎn)品使用過程中L-薄荷醇釋放速度過快, 耐久性差, 因此開發(fā)新型制備工藝以提高產(chǎn)品性能成為研究熱點(diǎn)[2]. 如以明膠和阿拉伯膠為囊材通過相分離-凝聚法制備薄荷醇微膠囊[3]、 以明膠乳狀液作為包衣劑制備緩釋型薄荷香精[4]、 或采用聚多巴胺(PDA)修飾介孔二氧化硅微球負(fù)載L-薄荷醇[5]. 現(xiàn)有包覆方法盡管對(duì)薄荷醇釋放具有顯著的抑制作用, 但對(duì)薄荷醇的釋放速率不能進(jìn)行有效調(diào)控.

Pickering乳液是指由固體顆粒代替?zhèn)鹘y(tǒng)乳化劑制備的乳液[6,7]. 通過固體顆粒吸附在不相溶的兩相界面形成穩(wěn)定分散體系[8]. 與傳統(tǒng)表面活性劑穩(wěn)定的乳液相比, Pickering乳液具有穩(wěn)定性優(yōu)異、 環(huán)境友好、 毒性低等優(yōu)點(diǎn)[9～13], 廣泛應(yīng)用于食品[14]、 醫(yī)藥[15]、 化妝品[16]和石油[17]等領(lǐng)域. 隨著納米技術(shù)的日趨成熟, 越來越多的納米材料被用于穩(wěn)定Pickering乳液. 常用的固體粒子表面活性劑有SiO2[18]、 TiO2[19]、 Fe3O4[20]、 磷酸鹽[21]和蛋白質(zhì)[22]等. 兩親性納米粒子由于制備工藝復(fù)雜、 所需合成試劑昂貴, 因此其應(yīng)用受到極大限制.

石墨烯、 氧化石墨和石墨烯量子點(diǎn)具有細(xì)胞毒性低、 生物相容性好、 化學(xué)惰性和制備成本低的顯著特點(diǎn)[23～25], 廣泛用于藥物輸送、 生物成像、 光熱治療和細(xì)胞組織工程等領(lǐng)域[26～29]. 近來年, 氧化石墨(GO)和石墨烯量子點(diǎn)(GQD)還作為固體粒子表面活性劑用于穩(wěn)定Pickering乳液[30,32]. 如Yin等[30]利用GO穩(wěn)定Pickering乳液制備了GO包覆的聚苯乙烯微球. GO親水性大于疏水性, 不合理的雙親結(jié)構(gòu)使GO表面活性低, 不能穩(wěn)定水相中的苯乙烯. Kim等[31]采用“自上向下”的方法合成了雙親性石墨烯量子點(diǎn)并成功用于苯乙烯的乳液聚合.L-薄荷醇含有剛性結(jié)構(gòu), 熔點(diǎn)較高, 極性小, 不易乳化. 相對(duì)于石墨烯和GO, GQD更適合L-薄荷醇的包覆. 由于GQD是由尺寸為幾納米的石墨烯片構(gòu)成, 通過調(diào)節(jié)GQD在L-薄荷醇表面的分布以及它們之間的相互作用即可實(shí)現(xiàn)對(duì)釋放行為的有效調(diào)控. 然而, 已合成的GQD通常表面活性較低, 不能滿足以上應(yīng)用需要.

本文將檸檬酸和十二胺混合后一步熱解得到十二胺功能化的雙親性石墨烯量子點(diǎn)(DA-GQD), 并將其用于穩(wěn)定L-薄荷醇/水乳液, 所制備的包覆材料對(duì)L-薄荷醇表現(xiàn)出良好的緩釋作用.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

檸檬酸、 丁胺、 辛胺、 十二胺和L-薄荷醇均為分析純, 購于Sigma-Aldrich公司(上海); 十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)為分析純, 購于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司; 天然鱗片石墨(8000目)為分析純, 購于青島閻鑫石墨制品有限公司; 其它試劑均為分析純, 購于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司. 實(shí)驗(yàn)以水、L-薄荷醇和石墨烯量子點(diǎn)構(gòu)成的體系制備Pickering乳液. 所用超純水由Milli-Q Direct8超純水系統(tǒng)(美國Millipore公司)制取.

S-4800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(日本日立株式會(huì)社); JEM-2100型透射電子顯微鏡(日本電子株式會(huì)社); Nicolet 6700型全反射傅里葉變換紅外光譜儀(美國賽默飛世爾科技公司); D8 Advance型X射線衍射儀和OCA15EC型視頻光學(xué)接觸角測量儀(德國布魯克科技有限公司); T18型高速分散機(jī)(德國IKA公司); VHX-1000C型超景深三維顯微鏡(基恩士香港有限公司); DSC822e型熱分析系統(tǒng)(梅特勒-托利多儀器有限公司).

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

1.2.1 DA-GQD的制備 準(zhǔn)確稱取檸檬酸(5.0 mmol)于10 mL燒杯中, 加入十二胺(0.2 mmol), 超聲分散均勻后放入烘箱中, 于180 ℃下反應(yīng)3 h, 冷卻至室溫. 用0.5 mol/L NaOH調(diào)節(jié)pH至中性, 用超純水稀釋成60 mg/mL溶液, 經(jīng)0.22 μm濾膜過濾后, 在截留分子量3000的透析袋中透析24 h, 得到量子點(diǎn)儲(chǔ)備液, 冷凍干燥后得到十二胺功能化石墨烯量子點(diǎn)(DA-GQD). 不加入十二胺, 按同樣的方法制備GQD, 作為對(duì)照.

1.2.2 DA-GQD表面張力的測定 采用OCA15EC視頻光學(xué)接觸角測量儀, 按照懸滴法在(25±0.1)℃下測定不同濃度DA-GQD水溶液的表面張力并繪制成曲線, 得到DA-GQD的臨界膠束濃度.

1.2.3 Pickering乳液法制備負(fù)載型樣品 將1.0 g DA-GQD配制成1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))水溶液, 置于離心管中, 加入預(yù)先熱熔的L-薄荷醇0.445 g, 以10000 r/min轉(zhuǎn)速均質(zhì)2 min后得到Pickering乳液. 該乳液冷至室溫后析出沉淀, 過濾、 室溫干燥后得到負(fù)載L-薄荷醇的DA-GQD樣品, 標(biāo)記為DA-GQD(1.0%)(質(zhì)量分?jǐn)?shù))負(fù)載樣品. 其它條件不變, 僅改變DA-GQD溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù), 按照同樣的方法分別制備出DA-GQD(5.0%)負(fù)載樣品和DA-GQD(10.0%)負(fù)載樣品. 為作對(duì)照, 在1.0 g DA-GQD固體中加入0.445 gL-薄荷醇, 混合后在瑪瑙研缽中研磨10 min, 所得的樣品標(biāo)記為混合型樣品.

1.2.4 負(fù)載型樣品的熱穩(wěn)定性測試 采用示差掃描量熱法(DSC)研究負(fù)載型樣品的熱穩(wěn)定性, 加熱溫度范圍為-10～100 ℃, N2氣流, 升溫速率為10 ℃/min.

1.2.5 負(fù)載型樣品的緩釋性能 取相同質(zhì)量的負(fù)載型樣品、 混合型樣品和空白樣品(L-薄荷醇)分別置于一定溫度的鼓風(fēng)烘箱中恒溫加熱處理(吹掃速度0.22 m/s), 每隔一段時(shí)間用精密電子天平稱量樣品的質(zhì)量, 記錄樣品的質(zhì)量變化, 并作質(zhì)量隨時(shí)間的變化曲線. 其中, 30 ℃鼓風(fēng)吹掃條件下的空氣濕度為40%; 80 ℃鼓風(fēng)吹掃條件下的空氣濕度為14%.

2 結(jié)果與討論

2.1 DA-GQD的制備

文獻(xiàn)[31]首先采用“自上而下”法, 由CX-72炭黑在濃硝酸中回流24 h制備GQD. 雖然能夠?qū)崿F(xiàn)一步同時(shí)制備單層和多層GQD, 但是存在反應(yīng)時(shí)間長、 強(qiáng)酸會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定污染等弊端. 本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)通過“自下而上”法, 以檸檬酸為前驅(qū)體、 直鏈烷基胺為功能化試劑, 通過一步熱裂解制備雙親性DA-GQD(見圖1). 檸檬酸分子之間脫水縮合形成六邊形sp2碳原子鍵合的石墨烯片, 十二胺通過氨基與檸檬酸上的羧基縮合, 將烷基鏈引入石墨烯片的邊緣以提高疏水性.

Fig.1 Schematic illustration of the synthesis of DA-GQD

2.2 DA-GQD的結(jié)構(gòu)表征

Fig.2 TEM image of DA-GQD(A) and the particle size distribution(B) of DA-GQD

2.3 DA-GQD的表面張力

圖3(A)為DA-GQD水溶液的表面張力隨濃度的變化曲線. 當(dāng)溶液中不含DA-GQD時(shí)(純水), 在25 ℃下表面張力為72.2 mN/m; 在低濃度區(qū)間, 溶液表面張力隨著濃度的增加而顯著降低; 在高濃度區(qū)間, 溶液表面張力曲線在約30.8 mN/m出現(xiàn)一個(gè)平臺(tái)區(qū). DA-GQD的臨界膠束濃度約為0.0125 g/mL, 表面張力最低降至30.8 mN/m.

Fig.3 Surface tension of different concentrations of DA-GQD aqueous solution(A) and minimum surface tension of BA-GQD, OA-GQD, DA-GQD aqueous solution(B)

為了研究烷基鏈中碳原子數(shù)對(duì)表面活性的影響, 按照1.2.1節(jié)方法, 用丁胺和辛胺代替十二胺, 分別制備了丁胺功能化石墨烯量子點(diǎn)(BA-GQD)和辛胺功能化石墨烯量子點(diǎn)(OA-GQD), 并測定其最低表面張力. 由圖3(B)可知, DA-GQD的表面張力比 BA-GQD和OA-GQD的表面張力低得多, 表現(xiàn)出更好的表面活性. 3種石墨烯量子點(diǎn)的主要區(qū)別在于烷基胺的碳鏈長度, 結(jié)果表明, 烷基碳鏈長度對(duì)石墨烯量子點(diǎn)的表面活性有較大影響, 烷基鏈越長, 表面活性越好. 上述規(guī)律與經(jīng)典的表面化學(xué)理論一致.

Fig.4 Minimum surface tension of different surfactantsa. GO; b. G; c. GQD; d. Cu2O; e. SDBS; f. DA-GQD.

圖4對(duì)比了DA-GQD與文獻(xiàn)中常用于穩(wěn)定 Pickering乳液的固體顆粒表面活性劑氧化石墨烯(GO)[33]、 石墨烯(G)[34]、 GQD和氧化亞銅(Cu2O)[35]納米顆粒, 以及典型陰離子表面活性劑SDBS的最低表面張力. 結(jié)果顯示, GO, G和Cu2O納米顆粒具有較低的水溶性, 可以將水的表面張力降低到 50～60 mN/m之間, 這主要?dú)w因于它們的強(qiáng)疏水性和弱親水性; 而且GO和G中的大尺寸石墨烯二維片層容易聚集在流體界面上, 增加了界面層的剛性, 從而導(dǎo)致其表面活性的進(jìn)一步降低. 而只以檸檬酸作為碳源, 通過熱裂解法制備的GQD的表面張力約為71.8 mN/m, 接近純水的表面張力. 這是因?yàn)镚QD具有極強(qiáng)的親水性和極弱的疏水性, 不合適的兩親結(jié)構(gòu)賦予其低的表面活性. 此外, SDBS的表面張力為32.4 mN/m, 比DA-GQD水溶液略高一些, 證實(shí)了DA-GQD的表面活性與SDBS相當(dāng).

2.4 負(fù)載型樣品表征

以DA-GQD為顆粒乳化劑、L-薄荷醇(熱熔)為油相制備的Pickering乳液的光學(xué)顯微鏡照片(OM)如圖5(A)所示. 從圖5(A)可以看出, Pickering乳滴粒徑約為10 μm, 具有規(guī)則統(tǒng)一的球形形貌. 由于DA-GQD具有較高的親水性, 因此傾向于形成穩(wěn)定的水包油型乳液. DA-GQD固體顆粒分散在薄荷醇/水界面, 這是因?yàn)橐?液界面的一部分被液-顆粒界面代替時(shí)總界面能降低,L-薄荷醇被微小的石墨烯片覆蓋, 位于液滴的中心.

Fig.5 Optical microscopy image of L-menthol microspheres prepared using DA-GQD particles as pickering stabilizer(A) and SEM image of DA-GOD(1.0%) loaded with L-menthol(B)

圖5(B)是Pickering乳液法制備得到的負(fù)載L-薄荷醇的石墨烯量子點(diǎn)樣品的SEM照片, 從圖5(B)可以看出, 負(fù)載型樣品呈規(guī)則的球形, 粒徑分布均勻, 平均粒徑約為10 μm. 由于具有兩親結(jié)構(gòu)的DA-GQD在薄荷醇/水界面上的自組裝導(dǎo)致薄荷醇球形表面具有一層疏松的殼層, 這個(gè)殼層的存在對(duì)于薄荷醇的緩釋至關(guān)重要. 通過改變Pickering乳液中DA-GQD的濃度可以調(diào)節(jié)殼層的分布和厚度, 從而對(duì)薄荷醇的緩釋行為進(jìn)行有效調(diào)控.

2.5 薄荷醇的釋放動(dòng)力學(xué)

圖6(A)和(B)分別為空白樣品與負(fù)載型樣品的示差掃描量熱(DSC)曲線. 從圖6(A)可以看出,L-薄荷醇樣品在大約 42 ℃左右出現(xiàn)一個(gè)尖銳的吸熱峰, 對(duì)應(yīng)于L-薄荷醇的熔點(diǎn). 而負(fù)載型樣品則出現(xiàn)了兩個(gè)吸熱峰[圖6(B)], 其中第一個(gè)峰主要是由生長在DA-GQD外表面的薄荷醇小晶體融化引起的, 而第二個(gè)峰主要是由DA-GQD包覆的薄荷醇小晶體融化引起的. 這與劉紹華等[2]的研究結(jié)果相類似.

Fig.6 DSC curves of L-menthol(A) and DA-GQD(1.0%) loaded with L-menthol(B)

進(jìn)一步研究了在不同溫度的空氣吹掃作用下負(fù)載型樣品中薄荷醇的釋放行為. 從圖7(A)可以看出, 30 ℃空氣吹掃下, 5個(gè)樣品逐漸釋放薄荷醇, 其中空白(曲線a)的釋放速率顯著高于其它樣品. DA-GQD混合樣品和GA-GQD(1.0%)在前10 h釋放薄荷醇的差別比較小, 釋放速率分別為17.7%和12.4%. 然而, 隨著時(shí)間的延長, 混合型樣品負(fù)載樣品b的釋放速率越來越快, 87 h后樣品的釋放率達(dá)81.7%, 而此時(shí)負(fù)載型樣品DA-GQD(1.0%), DA-GQD(5.0%)和DA-GQD(10.0%)的釋放率分別為51.2%, 34.8%和28.7%. 這說明DA-GQD對(duì)薄荷醇的釋放具有較好的抑制作用, 且DA-GQD的濃度越大, 負(fù)載型樣品的緩釋效果越好.

Fig.7 Release rates of L-menthol in samples under air sweeping at 30 ℃(A) and 80 ℃(B)a. L-menthol; b. DA-GQD mixed with L-menthol; c. DA-GQD(1.0%) loaded with L-menthol; d. DA-GQD(5.0%) loaded with L-menthol; e. DA-GQD(10.0%) loaded with L-menthol.

當(dāng)采用80 ℃空氣吹掃時(shí), 5個(gè)樣品的薄荷醇釋放速率都顯著加快, 彼此間的差異也更明顯[圖7(B)]. 空白樣品在2.5 h時(shí)即達(dá)到完全釋放. 混合型樣品在2.5 h時(shí)的釋放率達(dá)91.4%, 并在5 h后達(dá)到完全釋放. 而負(fù)載型樣品DA-GQD(1.0%)與前兩者的差別在釋放初期就明顯體現(xiàn)出來, 其釋放率在2.5 h時(shí)僅為12.5%, 5 h之后為23.5%, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于空白樣品與混合型樣品; 隨著時(shí)間的延長, 樣品DA-GQD(1.0%)逐漸釋放薄荷醇, 經(jīng)過23 h的高溫空氣吹掃后薄荷醇完全釋放. 可見, 在高溫(80 ℃)吹掃下, 相同質(zhì)量的負(fù)載型樣品完全釋放薄荷醇所需要的時(shí)間顯著長于空白樣品與混合型樣品, 分別是其9.2倍與4.6倍, 從而進(jìn)一步證明了DA-GQD對(duì)于薄荷醇的釋放具有較好的抑制作用. 原因可能是石墨烯量子點(diǎn)含有豐富的功能基團(tuán)(如羥基和羧基), 可與L-薄荷醇中的羥基產(chǎn)生氫鍵作用, 從而使負(fù)載型樣品中的薄荷醇具有良好的緩慢釋放行為.

白家峰等[5]采用聚多巴胺(PDA)修飾的介孔二氧化硅微球負(fù)載L-薄荷醇, 發(fā)現(xiàn)PDA涂層有利于薄荷醇的可控緩慢釋放, 在30 ℃空氣吹掃作用下, 負(fù)載樣品中的薄荷醇在25 h后幾乎釋放完全; 而在80 ℃空氣吹掃作用下, 負(fù)載樣品中的薄荷醇在100 min后接近完全釋放. 可見, 本研究制得的負(fù)載體系具有較優(yōu)的長效緩釋性能.

3 結(jié) 論

以檸檬酸為前驅(qū)體、 十二胺為功能化試劑, 采用一步熱解法制備的十二胺功能化石墨烯量子點(diǎn)(DA-GQD)具有優(yōu)異的表面活性; 以此雙親性石墨烯量子點(diǎn)為顆粒乳化劑、 熱熔L-薄荷醇為油相制備Pickering乳液, 冷卻至室溫后析出負(fù)載L-薄荷醇的石墨烯量子點(diǎn). 不同溫度下吹掃研究發(fā)現(xiàn), 在較寬的溫度范圍內(nèi), 負(fù)載型樣品顯示出良好的緩釋性能, 通過控制Pickering乳液中DA-GQD的濃度可以有效調(diào)控薄荷醇的釋放速率. 這種新穎的制備工藝可為設(shè)計(jì)開發(fā)醫(yī)藥和煙草等領(lǐng)域的高性能負(fù)載型薄荷醇制品提供新思路.

支持信息見http://www.cjcu.jlu.edu.cn/CN/10.7503/cjcu20190445.