環(huán)氧樹(shù)脂/乙基纖維素微膠囊的顆粒特性與緩釋性能

王信剛， 夏 龍， 扶興國(guó)， 徐 偉， 汪興京

(南昌大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 江西 南昌 330031)

緩釋型微膠囊通常以具有緩釋特性的材料作為壁材，采用微膠囊化技術(shù)將芯材包裹，以達(dá)到減緩芯材釋放的目的.其中乙基纖維素由于多孔且具有緩釋骨架結(jié)構(gòu)，在微膠囊中經(jīng)常用作壁材[1-2]．

Liu等[3]、鄭建華等[4]和Surini等[5]等采用溶劑蒸發(fā)法分別制備了乙基纖維素中空微膠囊、海藻酸鈉包裹克拉霉素/乙基纖維素微膠囊和葡萄籽油/乙基纖維素微膠囊，結(jié)果都表明采用乙基纖維素作為壁材可使微膠囊具有較好的緩釋性能，從而提高藥物利用率．Xu等[6]采用溶劑蒸發(fā)法制備了具有較好緩釋性能的毒死蜱/乙基纖維素微膠囊，發(fā)現(xiàn)其釋藥行為符合Korsmeyer-Peppas動(dòng)力學(xué)模型且藥物釋放受Fickian擴(kuò)散控制．Andersson等[7]采用溶劑蒸發(fā)法制備了菜籽油/乙基纖維素和豬油/乙基纖維素2種多孔微膠囊,通過(guò)點(diǎn)涂和均勻涂布技術(shù)將其涂覆在局部缺陷或裂縫紙板上，發(fā)現(xiàn)微膠囊能夠降低裂縫惡化，具有自修復(fù)功能．Mirabedini等[8-9]采用溶劑蒸發(fā)法制備了不同核-殼比例的菜籽油/乙基纖維素和亞麻籽油/乙基纖維素微膠囊，發(fā)現(xiàn)隨著殼摻量的減少，微膠囊表面孔洞增多；同時(shí)將微膠囊加入膠乳懸浮液攪拌之后作為涂料涂覆在脫脂玻璃板上，形成乳薄膜，研究了預(yù)伸長(zhǎng)乳薄膜的機(jī)械性能，發(fā)現(xiàn)微膠囊能夠提高乳薄膜力學(xué)性能，這是由于乳薄膜預(yù)伸長(zhǎng)后菜籽油和亞麻籽油從微膠囊中釋放出來(lái)，從而修復(fù)了部分預(yù)拉伸膜的機(jī)械性能．

綜上所述，乙基纖維素作為微膠囊壁材的研究主要應(yīng)用于緩釋制劑領(lǐng)域，雖然自修復(fù)微膠囊領(lǐng)域也有涉及，但大多數(shù)都是包覆動(dòng)植物油，且對(duì)自修復(fù)微膠囊的緩釋性能研究較少；環(huán)氧樹(shù)脂是自修復(fù)微膠囊領(lǐng)域中最為常用的芯材修復(fù)劑[10-11]，然而乙基纖維素包覆環(huán)氧樹(shù)脂的自修復(fù)微膠囊的研究卻相對(duì)缺乏．本文以環(huán)氧樹(shù)脂為芯材，乙基纖維素為壁材，采用溶劑蒸發(fā)法制備乙基纖維素包覆環(huán)氧樹(shù)脂的自修復(fù)用緩釋型微膠囊，探討芯壁比與溫度對(duì)微膠囊表面形貌的影響以及轉(zhuǎn)速與乳化劑濃度對(duì)微膠囊粒徑分布的影響，采用環(huán)境掃描電子顯微鏡(ESEM)和傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)表征微膠囊表面特性和化學(xué)結(jié)構(gòu)，采用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)(UV-VIS)表征微膠囊緩釋性能．

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

乙基纖維素RT-N-20(EC)，分析純，購(gòu)自山東瑞泰化工有限公司；環(huán)氧樹(shù)脂E-51，工業(yè)級(jí)，購(gòu)自廣州穗欣化工有限公司；乳化劑采用明膠，購(gòu)自天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑；無(wú)水乙醇，分析純，購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；二氯甲烷，分析純，購(gòu)自天津市福晨化學(xué)試劑廠；去離子水，自制．

1.2 微膠囊的制備

使用加熱型數(shù)顯恒溫磁力攪拌器，采用溶劑蒸發(fā)法制備環(huán)氧樹(shù)脂/乙基纖維素微膠囊：首先將乳化劑明膠溶于去離子水中形成具有一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的明膠溶液作為水相；將乙基纖維素與環(huán)氧樹(shù)脂以一定質(zhì)量比(2∶1、1∶1、1∶2)溶于二氯甲烷，形成均勻混合溶液作為油相；再用膠頭滴管將油相緩慢滴加到水相中，同時(shí)以一定速率攪拌(轉(zhuǎn)速600、800、 1000r/min)；當(dāng)混合溶液滴加完以后，在30℃下繼續(xù)攪拌5h，此時(shí)微膠囊表面固化；將轉(zhuǎn)速降低至600r/min，并將溫度升高至42℃繼續(xù)攪拌2h，使溶劑得以充分揮發(fā)；最后用去離子水洗滌2～3次，常溫干燥即可得到微膠囊．

1.3 微膠囊的表征

采用Quanta200F型環(huán)境掃描電子顯微鏡(ESEM)表征微膠囊的表面形貌；采用智能型傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)分析微膠囊的化學(xué)結(jié)構(gòu)；采用Agilent Cary 60型紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)(UV-VIS)分析微膠囊緩釋性能(首先通過(guò)UV-VIS方法測(cè)得環(huán)氧樹(shù)脂在無(wú)水乙醇溶液中最大吸收波長(zhǎng)為276nm，再配制乙醇和水質(zhì)量比為3∶1的標(biāo)準(zhǔn)溶液[12]，測(cè)定微膠囊在標(biāo)準(zhǔn)溶液中0、1、2、3、4h后的全波長(zhǎng)吸光度)；采用分樣篩分法測(cè)定微膠囊的粒徑分布．

2 結(jié)果與分析

2.1 表面形貌

2.1.1芯壁比對(duì)微膠囊表面形貌的影響

圖1是制備溫度為30℃時(shí)，微膠囊芯材與壁材質(zhì)量比(芯壁比mcore∶mwall)分別為1∶2、1∶1、2∶1時(shí)微膠囊的ESEM圖片．

從圖1可以看出，隨著芯壁比的增加，微膠囊表面的孔洞數(shù)量也逐漸增加。當(dāng)芯壁比為1∶2時(shí)，微膠囊表面較為光滑，基本未見(jiàn)孔洞，見(jiàn)圖1(a)；當(dāng)芯壁比提升至1∶1時(shí)，微膠囊表面出現(xiàn)較多孔洞，且微膠囊整體分散性較為良好，見(jiàn)圖1(b)；當(dāng)芯壁比提升至2∶1時(shí)，微膠囊表面也出現(xiàn)較多孔洞，但微膠囊間出現(xiàn)了團(tuán)聚現(xiàn)象，見(jiàn)圖1(c)。分析其原因可能為：隨著芯壁比的增加，微膠囊壁的厚度減小，揮發(fā)性的有機(jī)溶劑更容易通過(guò)微膠囊壁而形成孔通道，這些孔通道的存在，使微膠囊表面變得更粗糙，也使微膠囊芯材環(huán)氧樹(shù)脂更容易流出，一旦流出的芯材環(huán)氧樹(shù)脂過(guò)多，就會(huì)導(dǎo)致微膠囊間出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，如圖1(c)所示。因此，選擇芯壁比為1∶1，此時(shí)制備微膠囊較為合適。

圖1 30℃下芯壁比對(duì)微膠囊表面形貌的影響Fig.1 Effect of core-wall ratio on surface morphology of microcapsules(30℃)

2.1.2溫度對(duì)微膠囊表面形貌的影響

圖2是芯壁比為1∶1，制備溫度分別為25、30、35℃時(shí)微膠囊的ESEM圖片．

從圖2可以看出，當(dāng)制備溫度分別為25、30、 35℃ 時(shí)，微膠囊整體分散性都比較好，并沒(méi)有大量團(tuán)聚現(xiàn)象．從圖2中單個(gè)微膠囊的ESEM圖可以看出：當(dāng)制備溫度為25℃時(shí)，微膠囊表面比較致密，并且出現(xiàn)較少的凹坑和凸起；當(dāng)制備溫度為30℃時(shí)，微膠囊表面出現(xiàn)了較多的凹坑和凸起，并且出現(xiàn)了比較明顯的孔洞；當(dāng)制備溫度為35℃時(shí)，微膠囊表面出現(xiàn)了大量小凹坑及較多的小孔，基本沒(méi)有凸起．制備溫度越高，微膠囊表面孔洞越多，這是因?yàn)闇囟仍礁哂袡C(jī)溶劑蒸發(fā)越快，壁材固化也越快，所以當(dāng)制備溫度為35℃時(shí)微膠囊表面小孔更多．當(dāng)制備溫度為30℃時(shí)，制備的微膠囊具有良好的微觀形貌及孔洞分布，因此選擇制備溫度為30℃．

2.2 粒徑分布

2.2.1乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)微膠囊粒徑分布的影響

在芯壁比為1∶1，制備溫度為30℃時(shí)，研究乳化劑濃度對(duì)微膠囊粒徑分布的影響，將微膠囊置于標(biāo)準(zhǔn)分樣篩中，通過(guò)篩分確定微膠囊的粒徑分布(結(jié)果取3組數(shù)據(jù)的平均值)，如表1所示．由表1可知，隨著乳化劑濃度的升高，粒徑75～150μm的微膠囊分布提高，粒徑150～300μm的微膠囊分布減少，粒徑0～75μm和300μm以上的微膠囊分布無(wú)明顯變化，表明乳化劑濃度提高，微膠囊粒徑減小，微膠囊粒徑總體上低于300μm，主要粒徑分布為 75～ 150μm．因此，選擇乳化劑濃度為5%．

圖2 制備溫度對(duì)微膠囊表面形貌的影響Fig.2 Effect of temperature on surface morphology of microcapsules(mcore∶mwall=1∶1)

表1 乳化劑濃度對(duì)微膠囊粒徑分布的影響

2.2.2轉(zhuǎn)速對(duì)微膠囊粒徑分布的影響

在乳化劑濃度為5%、制備溫度為30℃以及芯壁比為1∶1的條件下，采用分樣篩分法測(cè)定微膠囊樣品在不同轉(zhuǎn)速下的粒徑分布，結(jié)果見(jiàn)表2．由表2可知：粒徑為0～75μm和75～150μm的微膠囊分布隨著轉(zhuǎn)速的減小而減少；粒徑為150～300μm和300μm以上的微膠囊分布隨著轉(zhuǎn)速的減小而增加；說(shuō)明轉(zhuǎn)速越小微膠囊粒徑越大，微膠囊主要粒徑分布在 75～ 150μm.因此，800r/min為最佳制備轉(zhuǎn)速．

表2 轉(zhuǎn)速對(duì)微膠囊粒徑分布的影響

2.3 化學(xué)結(jié)構(gòu)

圖3 微膠囊、乙基纖維素和環(huán)氧樹(shù)脂的紅外光譜圖Fig.3 FTIR spectra of microcapsule, ethyl cellulose, epoxy resin

2.4 緩釋性能

圖4為微膠囊在乙醇水溶液(乙醇和水質(zhì)量比為3∶1)中，芯材在0、1、2、3、4h時(shí)刻的全波長(zhǎng)吸光度曲線.從圖4可以看出，隨著時(shí)間的增加，芯材的吸光度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，表明微膠囊內(nèi)部存在芯材環(huán)氧樹(shù)脂，而且芯材溶于乙醇水溶液之后能夠從微膠囊內(nèi)部流入外部溶液當(dāng)中.這是因?yàn)槲⒛z囊表面存在通透性孔洞，乙醇水溶液通過(guò)孔洞進(jìn)入微膠囊內(nèi)部，而芯材環(huán)氧樹(shù)脂易溶于有機(jī)溶劑，因此芯材能夠通過(guò)表面孔洞和乙醇水溶液一起流出．從 圖4 還可以發(fā)現(xiàn)，0～1h、1～2h和2～ 3h 時(shí)段混合溶液吸光度增加量隨著時(shí)間的增加而增加， 3～ 4h時(shí)段混合溶液吸光度增加量出現(xiàn)減少.這是因?yàn)殡S著芯材溶解量的增加，乙醇水溶液對(duì)芯材的溶解速率放緩，從而使得溶液中吸光度增加量先增加后減少，因此微膠囊有良好的緩釋性能．

圖4 微膠囊在乙醇水溶液中不同時(shí)刻的全波長(zhǎng)吸光度曲線Fig.4 Full-wavelength absorbance curve of microcapsules in aqueous ethanol at different times

3 結(jié)論

(1)在芯壁比1∶1、溫度30℃、乳化劑(明膠)濃度5%和轉(zhuǎn)速800r/min條件下，制備的環(huán)氧樹(shù)脂/乙基纖維素微膠囊形貌圓整、表面孔洞較多、粒徑分布較窄且主要為75～150μm．

(2)溫度和芯壁比對(duì)微膠囊表面孔洞有較大影響，隨著溫度的升高或壁材比例的減少(芯壁比的升高)，微膠囊表面孔洞增多，但當(dāng)溫度高于40℃時(shí)微膠囊無(wú)法形成，且壁材比例越低微膠囊團(tuán)聚越嚴(yán)重；轉(zhuǎn)速和乳化劑濃度影響微膠囊粒徑分布，轉(zhuǎn)速越大或乳化劑濃度越高，微膠囊粒徑越?。?/p>

(3)環(huán)氧樹(shù)脂/乙基纖維素微膠囊具有良好的緩釋性能，在0～1h、1～2h和2～3h時(shí)段混合溶液吸光度增加量隨著時(shí)間的增加而增加，3～4h時(shí)段吸光度增加量出現(xiàn)減少，這是隨著溶解量的增加，乙醇水溶液對(duì)芯材的溶解速率放緩所致．