淀粉聚合物微球（精选7篇）
淀粉聚合物微球 篇1
淀粉聚合物微球作为一种理想的药物载体,其合成和功能化改性成为人们关注的热点[1]。现已合成的微球普遍存在机械强度较差、球形结构欠佳等问题,使微球在载药、释药稳定性等方面存在严重的缺陷。因此研究改进或采用新的制备方法获得具有良好稳定性的淀粉微球,使其载药、释药性能得以改善,对于更深入开展淀粉微球应用性研究,提高其在现代药物制剂技术中的实际应用价值,拓展其应用领域都有着重要的意义[2]。
本方法采用反相乳液聚合法,以MBAA和ECH为交联剂,在过硫酸铵(APS)的引发下,得到具有立体网状结构、较高骨架强度、可生物降解性的淀粉微球,所得微球因其比表面积大、吸附性强、力学性能好、反应活性大及可回收等特点,在高分子吸附、生物医用、固载催化剂等方面有着广泛的应用前景。
1 实验部分
1.1 试剂和仪器
可溶性淀粉;环己烷;氯仿;氢氧化钠;95%乙醇溶液;Span(司盘)60;Tween(吐温)60;MBAA;ECH;APS。以上试剂均为分析纯,实验用水为蒸馏水。
TDL-40B型离心机,上海安亭科学仪器厂;多媒体显微镜,上海复生生物科技有限公司;SKC-2000型光透式粒度分析仪,日本SEISHIN公司;JSM6460型扫描电子显微镜,日本电子;UV-265FW型傅立叶红外光谱仪,日本岛津公司。
1.2 制备过程
将适当体积比的环己烷和氯仿加于250mL三口烧瓶中混合,加入适量的Span60和Tween60,装上电动搅拌及恒温水浴装置,于60℃加热搅拌,作为油相待用。称取适量可溶性淀粉,加至经NaOH调节pH至8的10mL蒸馏水中,加热搅拌使淀粉充分溶解,冷却至70℃后;加入适量MBAA,充分溶解后再加入适量APS,搅拌溶解后逐滴加入油相中,并加装冷凝回流装置,控制适当的搅拌速度, 反应0.5h,加入ECH继续进行交联反应1h。静置20min,除去上层油相,加入去离子水洗涤产物,离心并除去上清液,加水并加热至80℃,趁热离心,倒掉上清液后加入适量丙酮,加热并超声振荡,待丙酮挥发完后即得产物。
1.3 微球平均粒径及粒度分布测定
将适量微球均匀分散在体积分数为95%的乙醇溶剂中,通过SKC-2000型光透式粒度分析仪测定微球平均粒径及粒度分布。
1.4 微球溶胀度测定
称取样品0.5g置于100mL烧杯中,加入蒸馏水25mL,放入恒温水浴中,稍加搅拌,在82~85℃溶胀2min,取出冷却至室温。倾去上层清液,用滤纸吸去样品表面多余水分后迅速称重,得湿重m1(g)。将样品在105℃下干燥后称重,得干重m2(g)。溶胀度(%)按下式计算:
溶胀度undefined(1)
1.5 微球扫描电镜形态观察
将微球真空镀金制样后用扫描电镜观测形貌、大小及分布状况。比较差异和变化。
1.6 微球红外光谱测试
将淀粉、淀粉聚合物微球样品制成KBr压片,进行红外吸收测量,记录400~4000cm-1范围的红外光谱图,分析其差异和变化。
2 结果与讨论
2.1 微球合成的影响因素
根据合成机理(略),分别考察引发剂用量、交联剂用量、油水体积比及反应时间4个影响因素对微球平均粒径和溶胀度的影响规律。由于实验中加入ECH只是为了增加微球的机械强度,而对微球平均球粒径影响甚微,故不列入考察范围[3]。
2.1.1 引发剂用量的影响
引发剂用量对微球平均粒径和溶胀度的影响见图1。
图1表明,微球的平均粒径随引发剂用量的增加先增大后减小。因为反应体系内,自由基数随引发剂用量增加而增多,与MBAA就更易发生交联。但引发剂用量过多会使MBAA自身聚合形成均聚物,包裹在淀粉颗粒表面,使淀粉接枝活性中心减少,导致微球平均粒径减小。溶胀度随引发剂用量的增加先增大后降低。这是由于淀粉分子交联后由溶解变成溶胀,因此溶胀度一开始增大,但是随着引发剂量的不断增加,生成的自由基数目增加,体系中产生更多的活性中心,淀粉与交联剂接枝共聚程度迅速增加,交联度增大,微球的刚性也随之增大,因此溶胀度开始降低[4]。
2.1.2 MBAA用量的影响
MBAA用量对微球平均粒径和溶胀度的影响见图2。
MBAA的作用是将淀粉交联成球,其用量将直接影响成球进程,在很大程度上决定了微球粒径大小。图2表明,MBAA用量对微球的平均粒径有较大的影响,随着MBAA用量增加,微球的平均粒径显著增大。若MBAA用量过小,淀粉大分子交联不充分,所得微球粒径和产量都会降低。但MBAA用量过多也会导致均聚物的竞聚率增大,产物中夹杂较多均聚物,使产品的粒度分布变宽。溶胀度随交联剂用量的增加而减小,MBAA用量少时,淀粉分子交联不充分,溶胀度高;MBAA用量增加,交联程度也增加,微球刚性增大,溶胀度变低[5]。
2.1.3 油水两相体积比的影响
油水两相体积比对微球平均粒径和溶胀度的影响见图3。
图3表明,随着油水体积比例的增大,微球的平均粒径减小,当油水体积比大于4∶1时,微球粒径明显降低。这主要是因为当油水比逐步增大时,水相液滴被分散的越来越小,已经具有乳液法的特点,因此粒径越来越小;随着油水体积比增大溶胀度的变化不明显,只是略微降低[6]。
2.1.4 反应时间的影响
反应时间对微球平均粒径和溶胀度的影响见图4。
图4表明,微球的平均粒径随反应的进行,逐渐增大,3h后变化趋缓。起初随着反应的进行,交联度增大,微球逐渐增大;随后,活性自由基数量逐步减少,交联反应速率迅速降低,微球粒径不再增大。溶胀度随反应时间的增长明显降低。反应初期交联度较小,溶胀度大;反应后期交联度不断增大,溶胀度开始降低。
2.2 微球粒度分布
将所制备的微球通过SKC-2000型光透式粒度分析仪测定粒度分布,测定结果见图5。由图可见,粒径在65μm以下的微球占95.5%,粒度分布范围较窄,符合肺靶向给药要求[7]。
2.3 可溶性淀粉和淀粉聚合物微球扫描电镜
可溶性淀粉和淀粉聚合物微球扫描电镜分析见图6。
图6b,c为淀粉聚合物微球扫描电镜照片,由图可见,可溶性淀粉颗粒呈不规则形状,大小不一,表面光滑;而淀粉聚合物微球则大小较均匀,球形圆整,表面粗糙多孔。
2.4 红外光谱分析
可溶性淀粉及淀粉微球的红外光谱分析见图7、图8。
由图7、图8可见,两条谱线在3400cm-1处都出现强而宽的-OH伸缩振动吸收带,说明在交联前后官能团-OH都存在;图7中2926cm-1处归属于淀粉葡萄糖单元中的C-H伸缩的吸收峰,随着长碳链的引入向高波数方向移动;图8中1647cm-1属于C=O伸缩振动的吸收峰和酰胺Ⅰ带的C=O伸缩振动的吸收峰相互叠加,较可溶性淀粉显著增强,1536cm-1处出现N-H弯曲振动的酰胺Ⅱ带吸收峰,说明淀粉与MBAA有明显的交联;1000~1160cm-1处振动光谱峰形发生了变化,峰强度增加,则是由ECH与淀粉交联过程中形成醚键引起的。
3 结 论
(1)以MBAA为预交联剂,ECH为交联剂,采用反相乳液聚合法制备的淀粉聚合物微球具有立体网状结构,较高的骨架强度和稳定性;球形圆整,粒度均匀,表面粗糙多孔,吸附性能好,具有可生物降解性。
(2)引发剂用量、MBAA用量、油和水体积比及反应时间等因素均对微球的平均粒径和溶胀度有影响。其中MBAA用量和油水比的影响较大。
参考文献
[1]马素德,郭焱,李仲谨等.淀粉微球的用途及发展建议[J].化工新型材料,2003,31(10):6-8.
[2]曾凡彬,陆彬,杨红.盐酸川芎嗪肺靶向微球理化性质的研究[J].中国医药工业杂志,1998,29(8):354-359.
[3]苏秀霞,李仲谨,马素德等.载药淀粉微球合成条件的研究[J].应用化工,2003,32(04):33-35.
[4]Hamdi G,Ponchel G,Duchene D.Formulation of epichloro-hydrin crosslinked starch microspheres[J].Journal of Micro-encap sulation,2001,18(3):373-383.
[5]Lena Pereswetoff-Morath.Microspheres as nasal drug deliverysystems[J].Advanced Drug Delivery Reviews.1998,29:185-194.
[6]Shirui Mao,Jianming Chen,Zhenping Wei,Huan Liu,Di-anzhou Bi.Intranasal administration of melatonin starch micro-spheres[J].International Journal of Pharmaceutics,2004,272(1-2):37-43.
[7]谢彩锋,杨连生,高群玉,纳米淀粉微球的制备及其在生物医药中的应用[J].现代化工,2004,24(09):6.
木薯淀粉微球的制备研究 篇2
1 实验部分
1.1 原料
主要原料:木薯淀粉 (食用级) 、大豆油 (食用级) 、司班60 (化学纯) , N, N′-亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸钾、乙酸乙酯、无水乙醇、丙酮、氢氧化钠均为分析纯 (AR) 。
1.2 仪器
数显恒温水浴锅 (HH-S4) , 金坛市晶玻实验仪器厂;离心机 (LD4-2A) , 上海安亭科学仪器厂;恒温干燥箱 (DZF-6050) , 上海一恒科学仪器有限公司;粉末压片机 (769YD-15A) , 天津市科器高薪技术公司;傅立叶红外光谱仪 (T27) , Bruker;扫描电子显微镜 (S-3000N) , 日本Hitachi公司;真空抽滤装置SHZ-D (m) , 巩义市英峪予华仪器厂;增力电动搅拌器 (JJ-1) , 常州澳华电机仪器有限公司。
1.3 试验方法
1.3.1 淀粉微球的制备
油相的制备:取一定量的大豆油, 加入Span60作为乳化剂, 在60℃的恒温水浴中加热搅拌至乳化剂完全溶解后, 把该混合液倒入250mL的烧瓶中, 制成油相, 并放入50℃的恒温水浴中待用。
水相的制备:取一定量的木薯淀粉, 加入蒸馏水, 调匀, 用2mol/L的NaOH溶液调节PH质至10~12, 在70℃的恒温水浴中加热搅拌至透明, 冷却到35℃待用。
把制备好的水相逐滴加入油相中, 在600r/min的转速下搅拌30min, 待搅拌均匀后, 将一定量引发剂过硫酸钾和交联剂N, N'-亚甲基双丙烯酰胺依次加入反应容器中, 在600r/min条件下搅拌交联反应6h, 离心分离除去上层油相。下层淀粉微球依次用乙酸乙酯、丙酮、无水乙醇洗涤, 离心分离, 洗涤3次, 得到白色至微黄色产物, 在50℃真空干燥。
1.3.2 分析表征
(1) 交联度的测定
根据交联淀粉交联度与溶胀度呈负相关的关系, 即溶胀度越小, 交联度越大, 因此本研究采用溶胀度的测定来表示交联度的大小。
称取绝对干燥的淀粉微球样品0.5g (精确至0.0001g) 于100mL烧杯中, 加入蒸馏水25mL制成2%浓度的淀粉液, 放入恒温水浴锅中, 稍加搅拌, 在82~85℃溶胀2min (秒表计时) , 取出冷却至室温后, 用两支刻度离心管分别倒入10mL糊液, 对称装入离心沉降机内, 开动沉降机, 缓慢加速至4000r/min, 用秒表计时, 运转2min后停止转动, 取出离心管, 将上层清夜倒入培养皿中, 称其离心管中沉积浆质量M1, 再将沉积浆置于另一培养皿中于105℃烘干, 称得沉积物干质量M2, 由下式计算淀粉微球的溶胀度:
式中, M1为沉积浆质重, M2为沉积物干质量, 单位均为g。
(2) 红外光谱 (IR)
在红外灯照射下, 将溴化钾和少量的粉状催化剂样品混合研磨均匀, 采用粉末压片机加压至10Mpa得圆片, 记录400~4000cm-1的红外光谱图, 比较并分析2个谱图的差异和变化。
(3) 扫描电镜 (SEM)
采用日本Hitachi公司S-3000N型扫描电子显微镜测定淀粉微球的表观形貌。
2 结果与分析
2.1 溶胀度的测定
对试验中制备的9个木薯淀粉微球样品进行溶胀度的测定, 结果见表1。不同条件下制备的淀粉微球交联程度不同。从整体上看, 淀粉浓度较大时交联度较小, 反之, 淀粉浓度较小时交联度较大。
2.2 红外光谱分析
将原料木薯淀粉、木薯淀粉微球、氧化木薯淀粉和氧化木薯淀粉微球样品进行红外表征, 结果见图1。
木薯淀粉微球与木薯淀粉分别在3420.82cm-1和3420.53cm-1处出现强而宽的-OH缩振动吸收带, 这种特征频率的出现与变化和醇羟基的存在以及彼此之间氢键的形成与消除有关。生成淀粉微球使-OH的氢键缔和作用减弱, 故淀粉微球的吸收峰峰形变窄、吸收强度增大并略微向高频区位移。此外, 游离仲酰胺中羰基的伸缩振动亦会在约3450cm-1产生单峰吸收, 因而也会对3420cm-1处的吸收峰产生影响, 说明3420cm-1处的吸收峰也可能与仲酰胺结构的引入有关。出现在2926cm-1和2930cm-1处的吸收峰归属于淀粉葡萄糖单元中的C-H伸缩振动, 1373cm-1和1369cm-1处的吸收峰是C-H的面内变形振动所致, 1155cm-1 (淀粉微球) 和1156cm-1 (木薯淀粉) 处的吸收峰归属于C-C的伸缩振动, 1022cm-1 (淀粉微球) 和1019cm-1 (可溶性淀粉) 处的吸收峰分别与C-O-C的伸缩振动有关, 上述数据表明, 淀粉微球的生成并未使淀粉分子的基本结构单元发生明显的改变。在淀粉微球的红外光谱图中, 1644cm-1处的吸收峰归属于游离仲酰胺结构中C=O伸缩振动。基于MBAA分子结构中共轭效应的存在, 羰基的双键性下降, 其伸缩振动吸收峰比之常规值略向低频区位移;1530cm-1处的吸收峰归属于仲酰胺结构中N-H键的反式构型的面内变形振动, 是仲酰胺结构的重要特征;是N-H弯曲振动和C-N伸缩振动的酰胺吸收峰, 576cm-1处的吸收峰与仲酰胺结构中N-H键的面外变形振动有关, 但电子效应使其向低频区位移, 说明淀粉与MBAA有明显的交联。
2.3 扫描电镜 (SEM) 对淀粉微球粒径的测量
将可溶性淀粉与洗涤干燥后的淀粉微球样品研碎, 均匀地分散在双面胶上并固定在样品台上喷金, 然后将样品置于扫描电子显微镜观察, 见图2。
图2a可知木薯淀粉成卵形, 表面光滑。从图2b至图2d可知, 可溶性淀粉经过溶解, 再经过乳化交联所制得的淀粉微球与木薯淀粉比较, 粒径明显减小, 且微球比较圆整, 表面粗糙, 有凹陷, 粘连较多, 形状规则, 表面致密。
2.4 正交试验结果
本实验设计了4因素3水平的正交试验, 以淀粉微球的粒径为评价指标。见表2、表3。
由表3可知, 4个因素对粒径影响的主次顺序依次为:B>C>A>D, 交联剂用量对微球粒径, 其次是油水体积比、淀粉浓度, 影响最小的是乳化剂用量。交联剂、油水比、淀粉浓度对合成的影响比较大, 而引发剂用量对制备淀粉微球影响较小。最佳制备条件是A1B1C1D1, 即:淀粉浓度为5%, 交联剂用量为0.8g, 油水体积比为3∶1, 乳化剂用量为0.4g。
[a为木薯淀粉的电镜图 (×300) , b为淀粉微球的电镜图 (×10000) , c为淀粉微球的电镜图 (×3200) , d为淀粉微球的电镜图 (×5000) ]
3 结论
(1) 采用反相悬浮技术合成淀粉微球工艺较简便, 反应时间较短, 反应条件温和, 各因素较易控制, 重现性好。
(2) 通过以可溶性淀粉为原料, MBAA为交联剂, 采用反相悬浮聚合的方法制备得到的CSM与淀粉相比, 其结构发生了显著的变化。从电镜图可以看出, 粉微球的粒径基本在30~80um之间, 微球表面粗超多孔, 适合做药物载体。
(3) 从正交试验可以分析得到, 交联剂、油水比、淀粉浓度度淀粉微球的制备影响较大, 从制备工艺的考察可看出, 影响微球平均粒径的主要因素为N, N’-亚甲基双丙烯酰胺用量及淀粉浓度。根据各因素的影响效果主次关系, 通过优化工艺条件, 可对实验进行预测和控制。
参考文献
[1]赵新法, 李仲谨, 蔡京荣, 等.载药淀粉微球的反相乳液法合成及吸附性能研究[J].咸阳师范学报, 2006, 21 (4) :33-35.
[2]赵新法, 李仲谨, 李晓钡, 等.修饰碳糊电极研究载药淀粉微球的吸附机理[J].陕西科技大学学报, 2006, 24 (4) :4-7.
[3]李静茹.金征宇.可降解淀粉微球的性能研究[J].食品与生物技术学报, 2006, 25 (5) :25-27.
[4]李静茹, 金征宇.可降解淀粉微球吸附薄荷油的研究[J].食品与生物技术学报, 2006, 25 (3) :293-297.
[5]田颖, 李仲谨, 赵新法.载药淀粉微球的体外降解研究[J].粮食加工, 2007, 32 (4) :81-83.
[6]曾凡彬, 陆彬, 杨红.盐酸川芎嗪肺靶向微球理化性质的研究[J].中国医药工业杂志, 1998, 29 (8) :354-359.
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[9]马素德, 郭焱, 李仲谨, 等.淀粉微球的用途及发展建议[J].化工新型材料, 2003, 31 (10) :6-8.
盐酸小檗碱淀粉微球的制备研究 篇3
本实验采用均匀设计优化制备盐酸小檗碱淀粉 (BH-CSMs) 载药微球的合成条件, 为研制一种性能优良的药物制剂提供理论基础。
1 实验部分
1.1 药品、仪器与设备
淀粉微球 (自制) , 盐酸小檗碱 (天津市科密欧科技有限公司, 津Q/T645-96A.R.) , 无水乙醇等均为分析纯试剂, 实验用水为蒸馏水。
JJ-1电动搅拌器 (金坛市环保仪器厂) , DZF真空干燥箱 (北京科伟永兴仪器有限公司) , TDL-40B离心机 (上海安亭科学仪器厂) ;KYKY1000B扫描电子显微镜 (中科院仪器厂) , VECTOR-22傅立叶红外光谱仪 (德国BRUKER公司) , D/max 2000PX-射线衍射分析仪 (日本理学公司) , UV75-18PC型紫外分光光度计 (日本岛津) 。
1.2 实验方法
1.2.1 盐酸小檗碱淀粉微球的制备
将80mL环己烷加入装有冷凝器和搅拌装置的250mL三颈瓶中, 升温至50℃, Span60与Tween60按m (Span60) ∶m (Tween60) =2∶1的比例加入, 得到油相。在30mL水中加入4g可溶性淀粉, 80℃溶解后加入氢氧化钠溶液, 调节pH到9~10。冷却至70℃加入一定量的盐酸小檗碱、继续冷却, 并加入一定量的N, N’-亚甲基双丙烯酰胺, 降温至40℃以下时, 加入0.6g过硫酸铵。将此水相加入上述油相中搅拌乳化。30min后, 加入0.6g亚硫酸氢钠, 升温至60℃反应约2h后停止, 分别用热水、无水乙醇、丙酮洗涤数次, 离心分离, 得产物。
1.2.2 标准曲线
准确称取一定量在90℃下充分干燥的盐酸小檗碱于100mL容量瓶中, 沸水溶解, 放冷, 加10g/Lα-淀粉酶, 稀释至刻度。吸取1.0mL、2.0mL、4.0mL、6.0mL、8.0mL、10.0mL、12.0mL分别置于100mL容量瓶中, α-淀粉酶水溶液定容至刻度, 超声溶解。以10g/Lα-淀粉酶水溶液作空白对照, 在261nm波长处测吸光度A, 得标准曲线回归方程为:y=
1.2.3 评价指标
每次取0.5gBH-CMSs, 加入10g/Lα-淀粉酶, 60℃下充分降解, 然后取滤液稀释到一定浓度范围, 用紫外可见分光光度计检测其浓度。计算载药量 (Y1) 和包封率 (Y2) , 如式 (1) 和式 (2)
2 结果与讨论
2.1 均匀设计
采用均匀设计实验, 探讨BH-CSMs的制备条件, 根据单因素考察结果, 确定影响包埋的主要因素有4个, 分别是盐酸小檗碱和淀粉的投料质量比 (A) 、交联剂的质量 (B) 、乳化剂的质量 (C) 、反应时间 (D) , 每因素10水平, 见表1。实验结果以包封率、载药率为衡量包埋效果的重要指标, 采用综合评分法, 对盐酸小檗碱淀粉微球制备方法进行优化, 加权系数的大小由指标的重要程度决定, 本实验分别取包封率和载药率权重系数为0.5, 按照综合评分=0.5 (包封率+0.5 (载药量计算。以综合评分作为筛选指标, 运用U10 (104) 表, 对以上4个因素进行考察, 见表1, 表2。
2.2 均匀设计结果
回归分析采用全回归法, 样本容量N=10, 显著性水平α=0.10, 拟建立回归方程Y=95.71-0.4209X1+0.0068X2+0.0142X3+0.0117X4。均匀设计方差分析见表3。可知在α=0.10时, 检验值Ft=16.81, 临界值F (0.10, 4, 5) =3.520, Ft>F (0.10, 4.5) , 回归方程显著, 回归方程在α=0.10水平上可信, 其结果有意义。标准回归系数B:B (1) =-0.7998, B (2) =0.01583, B (3) =-0.2695, B (4) =0.2229, 可见因素主次顺序为X1>X3>X4>X2, 即投药比>交联剂的量>乳化剂的量>反应时间。
2.3 条件优化
采用网格尝试法。优化的实验条件为盐酸小檗碱与淀粉微球比为0.05, 即投药0.02g, 淀粉4g, 交联剂用量0.9g, 乳化剂用量0.9g, 反应时间2h。
2.4 验证实验
取盐酸小檗碱按以上最佳制备工艺制备3批载药淀粉微球, 盐酸小檗碱平均包封率为87.96%, 平均载药药量为1.81%。接近预预期指标, 表明最佳制备条件可行。
2.5 包合物性质考察
2.5.1 盐酸小檗碱淀粉微球扫描电镜
取一定量的BH-CSMs真空干燥后, 在扫描电子显微镜下观测微球形貌及表面形态。扫描电镜图片分析表明, 载药微球表面比较光滑圆整。
2.5.2 载药微球的IR
图2中a线是BH红外谱线, b线是BH-CSMs微球的红外谱线。两线在3400~3300cm-1处都出现强的-OH伸缩振动吸收峰。1149.3cm-1, 1635.3cm-1处出现酰胺峰, 说明在载药微球中可溶性淀粉与N, N, -亚甲基双丙烯酰胺发生了交联反应。b线在1203.5cm-1处的信号峰可认为芳香脂肪醚C-O-C的吸收峰, 1388.7cm-1、1504.4cm-1、1597cm-1处芳环骨架振动峰均消失, 在1527.3cm-1、1534.6cm-1、1151.1cm-1处出现吸收峰, 峰较弱。这种变化可能是BH分子的萘环、共轭杂环基团与淀粉微球的羟基相互作用结果。两线比较可以看出淀粉微球包合盐酸小檗碱后并没有明显表现出包埋药物的特征峰, 说明和淀粉微球并不是简单的物理混合。
2.5.3 XRD分析
图3中a、b分别是盐酸小檗碱淀粉微球和淀粉微球的X-衍射图。由图中a线可知, 在2θ为20°时存在明显的衍射峰, 且衍射峰较平滑, 对应的结晶度为6.13%;由图中b线可知, 在2θ为20°时也存在明显的衍射峰, 但衍射峰较尖, 对应的结晶度为9.96%。对比可知, 盐酸小檗碱淀粉微球和淀粉微球的x-衍射图谱存在明显的不同, 都具有一定的结晶性, 但晶型不同, 盐酸小檗碱与淀粉微球发生了化学作用。
3 结论
(1) 通过均匀设计得出盐酸小檗碱淀粉微球微的最佳制备工艺条件是:盐酸小檗碱与CSMs投料比为0.05, 即盐酸小檗碱0.02g, 淀粉4g, 交联剂用量0.9g, 乳化剂用量0.9g, 反应时间2h。按优化工艺参数制得盐酸小檗碱淀粉微球平均包封率为87.96%, 平均载药量为2.81%。
(2) IR分析, XRD分析表明盐酸小檗碱包合进入淀粉微球中, 且具有一定的晶型分散在聚合物载体中, 结晶度有所下降。
摘要：采用包埋法制备盐酸小檗碱淀粉包合物微球, 通过均匀试验设计优化其制备工艺。采用电镜、红外、X衍射对包合物进行表征。结果表明, 影响盐酸小檗碱淀粉包合物微球制备因素的大小依次为:投药比>交联剂的量>乳化剂的量>反应时间。盐酸小檗碱与淀粉微球投料比为0.05, 交联剂用量0.9g, 乳化剂用量0.9g, 反应时间2h。盐酸小檗碱淀粉微球制备方法可行。
关键词：淀粉微球,盐酸小檗碱,包埋载药,均匀设计
参考文献
淀粉微球的合成、结构及性能研究 篇4
1 实验
1.1 原材料及试剂
可溶性淀粉(C6H10O5)n、环氧氯丙烷、甲苯、无水乙醇、氯化钾、氯化钠、柠檬酸、葡萄糖、柠檬酸三钠、石油醚、磷酸二氢钾、十二水磷酸氢二钠、二甲基硅油,均为分析纯,Span80、蓖麻油,均为化学纯。所有试剂均由成都市科龙化工试剂厂生产。
1.2 淀粉微球的制备方法
将一定量的可溶性淀粉加入到适量的水中,在加热和搅拌下使淀粉溶解,然后用一定浓度的NaOH溶液调节淀粉溶液的pH值至9.0以上,在85℃活化10min。在250mL三口瓶中加入体积比为3∶1的甲苯和蓖麻油作油相,然后加入适量的Span80,搅拌15min,加热至50℃缓慢加入配制好的淀粉溶液。当液珠分散均匀后,加入环氧氯丙烷,反应约2h,静置,离心,分去油相,用乙醇和丙酮洗涤,于50℃烘箱中干燥,得到淡黄色的淀粉微球。
1.3 淀粉微球红外光谱测试
分别将可溶性淀粉、交联淀粉微球样品制成溴化钾压片,用美国Nicolet公司生产的Nicolet560型傅里叶变换红外光谱仪,在400~4000cm-1波数范围内进行红外光谱测定。
1.4 淀粉微球扫描电镜观察
使用日本电子公司生产的JSM-5900LV型扫描电子显微镜观察微球的表面形貌和粒径。
1.5 溶血率测试
抗凝血的制备步骤如下:将柠檬酸(C6H8O7·H2O)0.47g、葡萄糖(C6H12O6·H2O)0.3g、柠檬酸钠(Na3C6H5O7·2H2O)1.22g溶于100mL的蒸馏水中,配成血液保存液ACD。取新鲜兔血,以V(血液)∶V(ACD)=4∶1配制ACD抗凝血。
在实验过程中的阴性对照组和待测组的血液容器均使用硅烷化后的玻璃容器,以玻璃作为阳性对照。硅烷化的过程为:将二甲基二氯硅烷((CH3)2SiCl2)用石油醚稀释为10%(体积分数)的溶液后,均匀涂覆在清洁干燥的玻璃容器内壁,在电热鼓风干燥箱中200℃保温2h。硅烷化合格标准为硅烷化后的玻璃不挂水。
实验设待测组、阳性对照组及阴性对照组,每组分为3个平行样。待测组加入相同质量的样品和10mL生理盐水;阳性对照组加入10mL水;阴性对照组加入10mL生理盐水,将所有烧杯放置在(37±0.5)℃恒温水浴30min。分别准确量取2μL新鲜的抗凝血加入各组烧杯中,继续恒温水浴60min。离心取上清液用752N紫外可见分光光度计测吸光度。
溶血率α=(Dt-Dnc)/(Dpc-Dnc)×100%
式中:Dt为测试样品的吸光度,Dnc为阴性对照组的吸光度,Dpc为阳性对照组的吸光度。
1.6 降解性测试
准确称取KCl 0.2000g、KH2PO4 0.2000g、NaCl 8.000g、Na2HPO4·12H2O 2.8900g,用水定容配制成1000mL pH=7.4的磷酸盐缓冲液作为模拟体液,放置在容量瓶中备用。
取一定量干燥淀粉微球置于试管中,分别加入与样品质量比为1∶10的模拟体液,混匀,密封,放置在恒温震荡箱中,震荡速度50~65r/min,温度37℃。恒温放置0.5h、3h、10h、24h后取出离心去上清液,滤纸吸干多余水分,45℃烘箱干燥,待完全干燥后称重。加入模拟体液重复试验。降解率的计算公式为:
降解率=(w1-w2)/w1×100%
式中:w1为淀粉微球降解前的质量,w2为淀粉微球降解后的质量。
2 结果与讨论
2.1 合成条件的影响
2.1.1 淀粉质量分数的影响
本实验对用不同质量分数淀粉在水油相比为1∶20、搅拌速度为600r/min、乳化剂用量为2mL、交联剂用量为2mL条件下合成的淀粉微球进行形态比较(见表1)。由表1可见,随着淀粉质量分数的增加,微球的颗粒逐渐变大。当淀粉质量分数增加到13%时,出现结块现象,颗粒大小不均匀。这是因为当淀粉质量分数较大时,存在未反应的淀粉。 表1还说明淀粉质量分数为11%时微球粒径最均匀。
2.1.2 水相与油相的体积比的影响
适当的水油相比也是影响微球粒径的一个重要因素。由表2可见,随着油相比增大,制得的淀粉微球更细小均匀。油相比太小,淀粉乳液不能在油相中很好地分散开,产品结团结块较严重,反应不充分。水油相体积比为1∶18及以上时,制备出的微球均为均匀细小的颗粒状,考虑到节省成本,选择水油相体积比为1∶20。
2.1.3 搅拌速度的影响
搅拌速度是控制乳化液滴分散和最后淀粉微球颗粒粒径的重要参数。搅拌速度太慢会使淀粉结块,不利于微球的合成;当搅拌速度增加时,有利于水相分散,所得微球的粒径变小,但搅拌速度过快又会使已经分散的微球发生碰撞、凝聚、粘连,造成大小不一,影响微球质量。由表3可见,当搅拌速度为200r/min时,所得微球的粒径较大,这是淀粉不易分散所致。搅拌速度在400~800r/min之间时,所得微球为均匀粉末状。当搅拌速度达到1000r/min时制得的微球结成团状,这是因为剧烈的搅拌会产生部分凝聚作用。最适宜的搅拌速度应控制在以水相不致溅于瓶壁上发生聚集为宜,因此本实验取600r/min为最佳搅拌速度。
2.2 红外光谱分析结果
图1为可溶性淀粉、交联后淀粉的红外光谱图。对比图1(a)、(b)可以看出,交联成球后的淀粉在3394cm-1处仍然存在羟基吸收峰,但相比于可溶性淀粉强度稍有减弱,峰宽变窄,说明可溶性淀粉中只有部分羟基与交联剂反应,分子结构中仍然存在较多未参加反应的羟基,保证了交联淀粉的亲水性。对比1000~1500cm-1范围内的吸收峰可看出交联后淀粉的吸收强度减弱,峰值降低,这是因为交联剂的加入使C-O键的振动强度减弱,改变了官能团的化学环境。图2(a)、(b)的差异可以证明可溶性淀粉发生了交联。
2.3 扫描电镜观察结果及分析
图2是淀粉微球的扫描电镜图。由图2可知,淀粉微球的粒径范围较大,在40~90μm之间,大部分微球呈圆球形,部分有脱落或塌陷,可能是交联时间不够、交联不充分、或干燥过快所致。微球的表面和内部存在大量孔隙,可用作药物或其他物质的吸附载体。
2.4 降解率测试结果及分析
根据实际应用时对淀粉微球降解速度要求的不同,选择不同质量分数的淀粉制备微球,得到的微球降解率见图3。由图3可知,随着淀粉质量分数的增加,微球的降解率逐渐增大,即淀粉质量分数越大降解越快。这是因为在乳化剂和交联剂用量一定的情况下,进入胶束的淀粉量越少,交联越完全。淀粉乳液超过一定质量分数时,进入胶束的淀粉有一部分处于未交联状态,在降解过程中,外部的交联淀粉降解后释放出未交联的可溶性淀粉,加快了微球的降解速度。
2.5 溶血率测试结果及分析
溶血率直接反映了材料对血液中红细胞的损伤程度,溶血率越高,证明材料对红细胞的损伤程度越大;反之,则证明材料对红细胞的损伤程度越小,血液相容性越好。GB/T-16886对生物材料溶血率的要求为5%,本实验在最佳合成条件下制备的淀粉微球的溶血率为0.9%,远小于5%,说明该淀粉微球的血液相容性好,可以用作与血液接触的载体材料。
3 结论
(1)合成淀粉微球的最佳实验条件是淀粉质量分数为11%,水相油相体积比为1∶20,搅拌速度600r/min。
(2)淀粉微球粒径在40~90μm之间,表面可见大量不规则的空隙,有利于药物的载入和释放以及其他物质的吸附。
(3)交联后的淀粉微球可以在模拟体液中缓慢降解,随着淀粉质量分数的增加,微球降解速度加快,可以根据不同需求调节淀粉微球的降解速度。
(4)本实验制备的淀粉微球的溶血率为0.9%,远小于GB/T-16886对材料溶血率的要求5%,可以用作与血液接触的材料。
摘要：以可溶性淀粉为原料,Span80为乳化剂,环氧氯丙烷为交联剂,蓖麻油和甲苯为油相,采用反相乳化交联法合成淀粉微球。由单因素固定变量实验得到合成淀粉微球的最佳实验条件为:淀粉质量分数11%,水相油相体积比1∶20,搅拌速度600r/min。用红外光谱仪进行结构表征,证明环氧氯丙烷和淀粉发生了交联反应。用扫描电子显微镜进行观测,发现淀粉微球粒径范围在40～90μm之间,表面有空隙。研究了不同淀粉质量分数对微球降解速率的影响,结果表明淀粉微球有较好的降解性,且淀粉质量分数越小,降解越慢。淀粉微球的溶血率为0.9%,远小于国家标准5%,证明淀粉微球有较好的血液相容性。
关键词：可溶性淀粉,微球,反相乳化交联法,生物降解
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淀粉聚合物微球 篇5
本研究采用丙烯酸接枝淀粉分子,采用悬浮聚合法,通过自由基引发共聚反应,进而能够制备出一种新型的淀粉微球。这种微球在制备时,聚合反应会在微球形成过程中将微球内部中的水分子逐渐挤出,导致微球上留下大量水分子排出孔道;这种微球的结构单元可以看作由吡喃型葡萄糖通过α-1,4糖苷键组成的多元环联结的圆筒而组成,该圆筒可称之为微球的微空腔。在淀粉微球发生吸附作用的时候,孔道和微孔腔会同时发生吸附作用,这两种吸附作用的机理截然不同,因此把这种淀粉微球的吸附称之为双相选择吸附。
1实验部分
1.1材料
可溶性淀粉:四川省彭州市军乐化工厂;液体石蜡:西安三浦精细化工厂;氢氧化钠:天津市红岩化学试剂厂;乙酸乙酯:天津市登峰化学试剂厂;无水乙醇:西安三浦精细化工厂;Span(司盘)60:天津市科密欧化学试剂开发中心;Tween(吐温)60:上海山浦化工有限公司;丙烯酸(AA):天津市科密欧化学试剂开发中心;环氧氯丙烷(ECH):天津市博迪化工有限公司;亚硫酸氢钠:天津市津北精细化工有限公司;过硫酸胺:天津市红岩化学试剂厂。以上均为分析纯试剂,实验用水为蒸馏水。
1.2制备方法
用移液管移取1.0g丙烯酸,加入到50mL的小烧杯中,用30%的NaOH水溶液调节pH至中性后加入到250mL三口烧瓶中,缓慢滴加1.3g环氧氯丙烷,滴加完毕后于室温条件下继续反应24h。反应完毕后,向体系中加入20mL水及10g可溶性淀粉,与室温条件下继续反应24h。反应完毕后,加入适量体积的液体石蜡,0.4g Span60和0.2g Tween60,装上电动搅拌及恒温水浴装置,于60℃下加热搅拌进行乳化。加入0.2g过硫酸胺和0.15g亚硫酸氢钠,控制搅拌速度,升温至70℃进行聚合反应,反应结束后静置,离心,除去上层油相,下层淀粉微球依次用乙酸乙酯,无水乙醇洗涤、离心3次后于4～10℃冷冻干燥20h后得到白色粉末状固态淀粉微球成品。
根据本实验中淀粉微球的成球机理,分别考察:①反应时间为0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h、3h;②搅拌速率为300r/min、400r/min、500r/min、600r/min、700r/min、800r/min;③油水两相体积比为2∶1、3∶1、4∶1、5∶1、6∶1,三个影响因素的改变对微球平均粒径影响的规律。
1.3淀粉微球粒度分布的测定
以无水乙醇为溶剂,将适量淀粉微球分散均匀后,通过SKC-2000型光透式粒度分析仪测定微球平均粒径和粒度分布。
2结果与讨论
2.1反应时间对微球平均粒径的影响
反应时间是影响微球平均粒径的重要因素之一,反应时间过短,会导致微球粒径过小,且反应体系中会存在未反应完全的可聚合单体。可聚合单体容易粘附在微球表面,为后处理带来很大的麻烦,而且极大的影响了微球的吸附性能。为此,我们首先考察了反应时间对微球粒径的影响,其结果如图1所示。由图1可知,随着反应时间的延长,淀粉微球的粒径增加速度较快。当反应时间达到1.5h时,粒径增加的速度变缓,但仍然在增加。当反应时间达到2.5h时,微球粒径达到最大值,平均粒径为35μm左右,且延长反应时间,微球粒径几乎不变,所以在此反应条件下制备淀粉微球的最佳反应时间为2.5h。
2.2搅拌速度对微球粒径的影响
在获得淀粉微球最佳反应时间的基础上,考察搅拌速度对微球粒径的影响。搅拌速度快,水相在油相分散更加均匀,致使水相液滴直径变小,微球粒径变小。但是,过慢的搅拌速度会对微球的成球过程带来非常不利的影响。搅拌速度太慢,使得水相不能够在油相内形成有效的分散,会导致微球粒径分布不均匀,甚至出现无法形成微球的严重后果。搅拌速度对微球粒径的影响如图2所示。
由图2可知,随着搅拌速度的增加,微球的平均粒径逐渐降低。当搅拌速度达到600r/min的时候,微球平均粒径达到了较为合适的35μm左右。继续升高搅拌速度至700r/min,微球平均粒径有一个较为平稳的缓冲区,而在搅拌速度达到800r/min时,微球平均粒径继续降低。
2.3油水两相体积比对微球粒径的影响
在悬浮聚合体系中,油水两相的体积比是一个重要的参数。油水两相的体积比对微球粒径的影响如图3所示。
由图3可知,随着油水比例的增加,微球的平均粒径逐渐减小,当油水比例达到5∶1时,微球具有更加合适的平均粒径。当油水比例低于5∶1时,水在油相中分散直径相对较大,因而获得更大的平均粒径。
3结论
使用丙烯酸,环氧氯丙烷和可溶性淀粉为初始原料,制备了丙烯酸接枝的可溶性淀粉,通过后续的自由基悬浮聚合方法制备了淀粉微球。这种微球在制备过程中,聚合反应会在微球形成中将微球内部的水分子逐渐挤出,导致微球上留下大量水分子排出孔道,且这种微球的结构单元可以看作由吡喃型葡萄糖通过α-1,4糖苷键组成的多元环联结的圆筒而组成,该圆筒可称之为微球的微空腔。在淀粉微球发生吸附作用的时候,孔道和微孔腔会同时发生吸附作用,这两种吸附作用的机理截然不同。
参考文献
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淀粉聚合物微球 篇6
一、乳液聚合法概述
乳液聚合技术的启蒙研究开始于20世纪年代早期, 此项技术应用于工业生产则到了20世纪30年代。此种聚合方法同其它方法相比, 有着其独特的优点, 国内外专家竟相对此方法进行技术开发。除了通常介绍的常规乳液聚合方法之外, 还有种子乳液聚合、微乳液聚合、无皂乳液聚合、细乳液聚合、辐射乳液聚合、分散聚合等多种方法。
乳液聚合主要是由单体在水介质中进行的聚合, 体系呈乳状液, 是由乳化剂分散成的, 反应聚合体系主要由乳化剂、水、引发剂、单体等组成。不溶于或微溶于水的有机烯烃类化合物是聚合反应中的产物, 体系中的单体是产物的组分, 为分散相;为连续相的是反应体系中的水, 作为分散介质;乳化剂是体系中的表面活性剂物质;水溶性物质一般作体系反应的引发剂。另外, 在工业生产中还会用到其他助剂, 如缓冲剂、分子量调节剂、终止剂等。
乳液聚合法和本体聚合、悬浮聚合、溶液聚合等自由基聚合方式相比, 具有如下的特性: (1) 在乳液聚合反应过程中乳胶粒子很小, 且粒子之间相互孤立, 反应体系粘度低, 从而导致反应热容易导出, 这样这个反应过程比较平稳和安全, 不会出现局部过热的现象; (2) 乳液聚合反应速率较快, 反应分子量高; (3) 在反应过程中可以用各种单体进行聚合和共聚合反应, 从而可以在某种程度上改变聚合物的某些性质、促进新品种的研制, 还可以通过此类型的反应制备形态各异的乳胶粒子; (4) 以水作介质, 而不是通常采用的有机溶剂, 这样既较少了有机溶剂费用昂贵和溶剂回收的问题, 同时也在一定程度上减少了火灾的可能性和环境污染的问题, 实现绿色生产; (5) 涉及乳液聚合反应的领域, 直接避免了后处理的手续, 其反应后的产物不含有机溶剂, 且无毒、环保; (6) 乳液聚合反应所用的反应设备和产品生产工艺一般都比较简单, 可操作性强, 工艺路线灵活性较强, 生产的安全性能较高。
另一方面, 乳液聚合本身也有一定的缺点, 由于在反应过程中需要加入较多的乳化剂, 所以致使反应的产物不纯;而且反应产物是固态时, 通常需要经过破乳、洗涤、脱水、千燥等一系列程序, 这就使得生产工艺复杂化、增加生产成本;另外, 由于生产过程中的乳化剂并不能完全反应, 就使得产物的某些性能下降。但是总的来说尽管乳液聚合过程有诸如此类的缺点, 但是相比较它的优点而言还是具有很大的研究和工业生产意义。
二、乳液聚合法机理
20世纪40年代Ha.rkins提出乳液聚合机理——胶束成核机理的定性理论, 在此基础上发展起来了目前所提出的乳液聚合的定量模型。
在反应物发生聚合反应前, 反应体系中的单体和乳化剂分别以三种状态存在: (1) 以分子分散状态溶解于水中的是极少量的单体和乳化剂; (2) 其中大部分的乳化剂在反应中会形成胶束, 胶束内会溶解一定量的单体, 胶束的直径大约为4～5nm, 胶束的数目为1017-18个/cm3; (3) 大部分的单体在体系中会分散成小液滴的形态, 液滴的直径大约为1000nm, 小液滴的数量大约为1010-12个/cm3, 体系中的一部分乳化剂吸附在液滴表面, 从而形成相对稳定的乳液。
单体和引发剂 (水溶性) 在胶束内相遇, 且单体 (油溶性) 在胶束内的浓度相当高, 等同于本体浓度, 且单体 (油溶性) 比表面积又比较大, 则为自由基进入胶束提供了条件。反应一边进行, 随着单体被消耗, 水相中的单体随之进入胶束进行补充, 单体小液滴内的单体又会溶于水中, 由此反应循环进行。此时, 单体小液滴、已聚合和未聚合的胶束粒子存在于反应体系当中。那么在该反应过程中形成聚合物乳胶粒的过程为成核作用过程。但是同时在该反应过程中有些胶束并不能成核。
乳液聚合过程中的粒子成核过程分为两个: (1) 胶束成核, 是初级自由基和短链自由基由水相扩散进入胶束从而引发增长, 促进胶束成核, 其中初级自由基是水溶性的引发剂分解生成的, 短链自由基是溶液聚合的; (2) 均相成核, 是单体液滴内进入短链自由基形成成核反应。
单体的水溶性程度和乳化剂的浓度大小是决定这两种成核过程的条件:水溶性大的单体和低浓度的乳化剂, 此种反应条件对均相成核有利;反之, 则对胶束成核有利。
三、乳液聚合反应的优点
乳液聚合的发展非常迅速, 受到了人们的广泛关注, 这是由它的很多优点决定的。
首先, 很多的聚合过程中如何排除反应热是一个很重要的问题。这个问题不仅关系到操作控制的稳定性和生产的安全性, 而且严重影响产品的质量。散热不良会造成局部过热, 使分子量分布变宽, 会引起支化和交联, 甚至暴聚等。而乳液聚合过程不同于其他的聚合过程, 聚合反应发生在分散于水相内部的乳胶粒中, 尽管在乳胶粒内部粘度很高, 但是由于水是连续相, 整个体系粘度不高, 整个反应过程中体系的粘度变化也不大, 这样使得整个体系的传热就很容易。
其次, 对于很多的反应体系来说, 要想提高分子量就必须降低反应速率;而要想提高反应速率就必须牺牲分子量的提高。但是乳液聚合在有高的反应速率的同时还可以得到高分子量的聚合物。这是因为乳液聚合的聚合机理跟其他聚合方法不一样。
再次, 大多数乳液聚合体系都是以水为分散介质, 避免了昂贵的溶剂和回收溶剂的麻烦, 减少了对环境的污染。
乳液聚合体系粘度低、易散热;具有高的反应速率和高的分子量;以水作介质成本低、环境污染小;所用设备工艺简单、操作方便灵活;所制备的聚合物乳液可直接用作水性涂料、粘合剂、皮革、纸张、织物的处理剂和涂饰剂、水泥添加剂等;这些特点赋予乳液聚合技术以强大的生命力。
摘要：单分散聚合物微球具有比表面积大, 吸附性强, 凝集作用大及表面反应能力强等特性, 在许多领域有着广泛的应用前景, 本文主要介绍了利用乳液聚合法制备单分散聚合物微球的反应机理以及聚合反应合成的优点。
关键词：乳液聚合,单分散聚合物,引发剂,分散剂
参考文献
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聚合物中空微球的研究进展 篇7
聚合物中空微球的制备方法主要有渗透溶胀法、模版法、自组装法、乳液法、悬浮聚合法和种子溶胀法等[4],不同的制备方法可以得到具有不同粒径、不同结构的微球,进而满足多种行业的应用需要。聚合物中空微球已广泛应用于涂料、复合材料、医学药物和化妆品等领域,受到科研人员的广泛关注。
1 聚合物中空微球的制备方法
聚合物中空微球的制备方法大致可分为两类:一类是先制备出微球的核-壳结构,再通过合适的方法移除核得到中空微球,如渗透溶胀法、模板法和自组装法等;另一类是通过原位聚合的方法直接实现聚合物对气体、水或烃的包覆,如乳液聚合、悬浮聚合和种子溶胀法[5]。
1.1 渗透溶胀法
渗透溶胀法首先需要选用含有羧酸基团的单体与其他不饱和单体进行乳液共聚,制得呈酸性的乳胶粒子,再使用单体如苯乙烯、丙烯腈等在酸性的乳胶粒子上发生聚合反应,得到硬质聚合物壳层。最后,将体系升温至壳层的玻璃化温度,使用碱溶液中和并溶解微球核内的羧基,从而获得聚合物空心微球。
方应军等[6]采用渗透溶胀法合成了具有核壳结构的聚合物微球,并探究碱处理时间、温度对微球中空结构的影响,研究表明:当温度为80~90℃、时间为1~5h,能够制得具有良好结构的中空微球。陈剑伟等[7]采用碱溶胀法,以苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯为聚合单体制备了外径约400nm,内径约220nm的中空微球。
渗透溶胀法能够制备出粒径尺寸为微米或亚微米级、粒径分布均匀、形态容易控制的微球,是近年来聚合物中空微球制备工艺较为成熟的方法之一,缺点是去核的过程中容易造成微球的变形甚至破裂。
1.2 模板法
采用模板法制备聚合物中空微球时,首先通过模板粒子得到聚合物内壳,在通过一定方法移除模板粒子,最终得到中空结构。通过对模板粒子的尺寸的控制,可以调节微球的粒径大小及分布。
白飞燕[8]通过模板法,以二甲基二十八烷基溴化铵或二甲基二十八烷基氯化铵在水中形成的囊泡胶束作为制备微球的模板,成功制备出中空度45%~65%的聚苯乙烯乳胶中空微球。秦新新[9]以单分散聚苯乙烯微球作为模板,制备了分散系数为0.034、比表面积为180.786m2/g的交联聚苯乙烯中空微球。
利用模板法来制备聚合物中空微球可以根据模板大小、聚合时间来准确地调节微球的粒径尺寸、分布情况和壳层厚度等。但移除模板的过程操作较为繁杂,而且容易导致样品污染。
1.3 自组装法
通过自组装法制备聚合物中空微球,首先选择具有双亲性链段的聚合物作为聚合单体,让聚合物在特定溶剂中自组装成胶束,并利用不同形状的胶束发生壳交联反应,再用适宜的方法去除内核部分,即得到中空结构微球。
单聪聪[10]采用自组装法,以具有反应活性的环三膦腈、4,4′-二巯基二苯硫醚为模板,制得壁厚为200nm的聚膦腈空心微球。该微球由于具有巯基活性基团,能够表现出良好的热稳定性。Liu等[11]系统地研究了含聚甲基丙烯酸-2-肉桂酸乙酯(PCEMA)的嵌段共聚物的自组装行为,研究发现在不加交联剂的条件下,紫外光照照射也能引发PCEMA的自交联反应。
自组装法能够制得具有纳米尺寸以及规整形态的中空微球,操作过程较为简单。但此方法对体系的要求较严格,自组装行为极易受到杂质的影响。同时,微球壳层的交联反应需要在较低的胶束溶液中进行,使得形成的中空微球壳层的厚度很薄,这些缺点限制了在空心微球合成中的应用。
1.4 乳液聚合法
乳液聚合法是近年来最成熟的制备中空聚合物的方法之一,体系由单体、引发剂、乳化剂和致孔剂等组成。在搅拌和引发剂的作用下,溶液由多相转化为均一相,在一定的引发温度、交联剂作用下,制得中空微球。
姜明[12]采用一步乳液聚合法,以苯乙烯作为反应单体制得结构较均一、尺寸为80~400nm、具有单核胶囊化结构的聚苯乙烯中空发泡微球,同时考察了各种添加剂的种类及用量对微球尺寸、形貌的影响。琚飞飞等[13]采用种子乳液聚合法制得尺寸均一,直径为378nm的聚苯乙烯中空微球。
乳液聚合法能够制备出纳米结构的中空微球,具有尺寸大小均一、分散均一以及比表面积大等优点,也是近年来较为成熟的制备聚合物的方法。但制得的微球会有少量的乳化剂残留,会对产品造成一定的污染。
1.5 悬浮聚合法
悬浮聚合法是制备微米级聚合物微球较为成熟的方法,体系由单体、引发剂、分散剂和交联剂等组成。在搅拌和悬浮剂的作用下,单体和引发剂在水中以小液滴形式分散存在。当体系达到一定温度时,单体发生聚合,并在交联剂等作用下形成中空结构。
范德勇等[14]以苯乙烯作为单体,并加入少量的亲水性甲基丙烯酸甲酯,采用悬浮聚合法制备出粒径为20um的中空微球,同时研究了交联剂的用量及加入的时间、单体亲水性对微球形貌的影响。朱效杰等[15]采用悬浮聚合法制备出了含甲基丙烯酸的高温中空发泡微球,发泡温度高达202.7℃,发泡后膨胀倍率高达110.8倍。
悬浮聚合法是制备聚合物中空微球的传统方法,制备工艺简单、成本低和便于工业化生产。但悬浮聚合法存在聚合物呈多分散性、有少量分散剂残留等缺点,因而在应用中受到限制。
1.6 种子溶胀法
种子溶胀法是指通过引发溶胀种子微球内部的单体聚合,从而制备出中空微球的方法。该方法首先通过悬浮聚合或乳液聚合法制备具有线型结构的单分散种子微球,然后将单体、溶剂和引发剂加入到种子微球体系中,使种子充分溶胀后升温并发生聚合反应。
Okubo等[16]通过控制种子聚合物的组成及用量、分子量、溶剂极性和溶胀方法等,制备了一系列粒径5~20um的中空微球。段涛等[17]以表面带正电荷的微米级聚苯乙烯微球作为种子微球,经过甲苯、二乙烯基苯对种子进行溶胀、聚合与包覆等过程,制备出直径约5um的中空微球。
由于种子溶胀法通常选用甲苯、二甲苯和庚烷等有机溶剂,成本较高且回收困难,易引起环境问题,因此发展受到一定的限制。
2 聚合物中空微球的应用
2.1 聚合物中空微球在涂料领域的应用
涂料一般由成膜物质、颜料、溶剂和助剂组成,遮光性是涂料的重要性能指标。早期涂料工业中主要是以具有较高折光率的二氧化钛(TiO2)作为颜料来提高遮光性,但是当其含量过高时,会发生团聚现象,从而降低涂料的遮光性[18]。Rohm&Haas公司最早将聚合物中空微球填充于涂料中[19]。中空结构对光线具有较高的光散射能力,可以取代部分无机填料,在降低高档填料的用量、成本的同时还能降低涂料的粘合度,提高涂料稳定性。
穆锐等[20]以甲基丙烯酸甲酯、二甲基丙烯酸乙二醇脂和混合溶剂为原料,制备出具有中空结构的交联聚甲基丙烯酸甲酯微球,并作为功能性填料替代钛白粉,有效提高了涂料的附着力、明亮度及保温性能。
2.2 聚合物中空微球在复合材料领域的应用
中空微球与聚合物经混合、成型和固化后能够制得高强度、低密度的微球复合材料。与传统的复合材料相比,这类材料具有密度小、机械性能强等特点,广泛应用于航空航天等特殊领域。
黄文霖[21]研究了以环氧树脂为基体,填充酚醛空心微球、偏氯乙烯共聚物空心微球制备了密度为0.0535g/m3、机械性能良好的复合泡沫材料。赵军[22]选择热固性的环氧树脂作为基体,三乙烯四胺为固化剂,聚苯乙烯中空微球为发泡剂,制得复合发泡材料,实验表明中空微球能够显著提高材料的发泡效果和力学性能。
2.3 聚合物中空微球在医学领域的应用
由于聚合物中空微球内部具有空腔结构,可将药物包裹于内部的空腔中,因此常用作药物载体,广泛应用于药物输送系统。同时,聚合物中空微球具有温敏性和生物降解性的特点,能够在体内缓慢释放出药物,延长药物的半衰期。
Li等[23]采用模板法制得聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)中空微球并研究了PNIPAM中空微球对阿霉素(DXR)抗癌药的控制释放作用。结果表明:DXR在40℃时的半衰期为32h,而20℃下半衰期可达54h,延长了药物的半衰期。
2.4 聚合物中空微球在化妆品领域的应用
聚合物中空微球能够将化妆品中的各种功效性成分包裹于空腔内,有效地解决了化妆品使用过程中浓度变化给皮肤带来的不适,同时可以延长功效性物质的释放时间,增加化妆品的作用持久性。
Chang等[24]探讨了通过使用中空微球来提高防晒化妆品储存稳定性的方法,将粒径尺寸为50~1000nm的微球加入防晒霜,结果表明微球具备更好的存储防晒剂性能,防晒作用持久。
3 展望
聚合物中空微球因具备不同于实心微球的特殊结构、性质与广阔的应用前景,而受到科研人员的广泛关注,成为近年来材料领域的研究热点之一。由于制备微球的工艺要求高、制备过程繁琐、影响其形态和性能的因素较多等原因,虽然制备中空微球的方法很多,但每种方法都存在着不足之处,如何精确地控制中空微球的尺寸和形貌,排除杂质影响及解决实际应用等问题仍是需要研究的前沿问题。