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复合胶束结构的中空微胶囊的制备与性能研究

朱一  
【摘要】:微胶囊具有独特的三维中空结构,可用于反应活性、敏感性或挥发性液体与固体的包埋,从而降低外部环境如光、氧、pH等对被包埋物质的影响,避免组分间相互作用产生的不良化学反应,并可实现胶囊内部包埋物在空间与时间上的可控释放,因而在食品、医药、化妆品等领域获得了广泛的应用。最近,Mohwald等提出在可移除模板粒子表面基于分子层面的层层自组装技术,制备囊壁成分与结构精确可控、易赋予胶囊智能响应性的新型中空微胶囊结构,获得了广泛的关注。本文即围绕该微胶囊领域中“不带电疏水小分子物质的包埋”、“新型高级智能响应性的探索”以及“制备方法的便捷化”这三个问题开展研究。 首先,针对现有微胶囊体系在包埋不带电的疏水小分子药物时缺乏普适方法这一问题,引入具有疏水内核/亲水外壳结构的聚合物胶束用于此类物质的包埋。采用“将胶束作为囊壁组分”与“将胶束包埋于胶囊内部”两条路线,制备了复合胶束结构的微胶囊模型。对于前者,采用聚(苯乙烯-b-丙烯酸)(PS-b-PAA)胶束与聚烯丙基胺盐酸盐(PAH)通过静电层层自组装法构建平面多层膜,发现多层膜增长可顺利进行,且其厚度由于在组装过程中表面粗糙程度增加而呈指数增长,并最终形成三维胶束网络结构;进而在胶体模板粒子表面进行组装可得中空微胶囊结构且囊壁的疏水微区在微胶囊结构中得以保留。该微胶囊囊壁由于PS-b-PAA胶束在带正电的PAH介导下形成了胶束网络而在极端pH条件下表现出超常的稳定性,但由于其囊壁存在较大尺寸的孔洞而不具备半透性,而去核前进一步组装PAH/PSS多层膜可有效填补这些孔洞、赋予胶囊半透性。对于后者,采用共沉淀法将载尼罗红的PS-b-PAA胶束包埋入碳酸钙粒子,进而在其表面构建聚苯乙烯磺酸钠(PSS)/PAH囊壁,制备了内部包埋胶束的微胶囊结构。所得胶囊由于胶束在囊壁的吸附使得其抵抗外加渗透压的能力大大增强,同时,胶囊内所包埋胶束可通过加碱来影响胶囊壁性质以实现部分释放。 其次,针对现有微胶囊的智能响应性研究中所存在的胶囊在生理pH条件下无法实现葡萄糖响应的问题,利用伴刀豆球蛋白(Con A)上的葡萄糖结合位点与糖原(glycogen, gly)分子中的葡萄糖单元之间的特异识别作用,采用层层自组装法制备了中空微胶囊结构。发现该层层组装过程要顺利进行,每个伴刀豆球蛋白分子上至少需含有4个葡萄糖结合位点。在只组装一个双层的情况下去核即可得到完整胶囊,且所得胶囊尺寸与壁厚随组装层数的增加而变化。该胶囊囊壁虽主要通过多重氢键作用稳定,但可在pH 6-9范围内稳定至少1h。该组装体系在甘露糖、果糖、葡萄糖以及分子量为2万的葡聚糖分子作用下由于小分子竞争吸附作用可发生膜质量损失与残留结构变致密,且响应过程表现出明显的刺激物分子量与浓度依赖性;而在分子量为4万的葡聚糖作用下仅发生结构收缩与变致密而无明显质量损失。对应的中空微胶囊在糖类刺激下可发生收缩、囊壁变皱甚至破坏。在内部掺杂PS-b-PAA胶束的碳酸钙粒子表面构建该囊壁,可实现胶束在微胶囊内的包埋及其在外加葡萄糖、葡聚糖刺激下的部分释放。 之后,针对LbL微胶囊制备较为繁琐费时的不足,以牛血清白蛋白(BSA)为模型,通过往其水溶液中逐滴滴加不良溶剂乙醇来使其沉出并吸附于碳酸锰粒子表面、进而用戊二醛(GA)或二硫代双(琥珀酰亚胺基丙酸酯)(DSP)交联,去除模板后一步制备了单组分BSA微胶囊。对于GA交联的情况,该过程中能否得到胶囊以及所得胶囊的壁厚可通过可控沉积条件的选取来调控:沉积出的BSA量过少时得不到完整胶囊;过多时则会形成宏观沉淀;在合适的范围内,可通过改变初始BSA浓度、所滴加不良溶剂体积以及可控沉积次数三个条件来调控所得囊壁厚度,使其在10-90 nm范围内变化。对于以DSP作为交联剂的情况,虽能制得完整胶囊,但由于蛋白质分子间存在的次级作用,利用还原性条件破坏所引入的二硫键进而破坏该交联结构的想法需辅以超声处理方能实现。进一步实验证明了该微胶囊制备方法所适用的材料可拓宽至亲水性大分子-壳聚糖与疏水性大分子-PLGA,表明该技术用于微胶囊制备具有一定的普适性。 最后,利用逐滴滴加伴刀豆球蛋白溶液使糖原分子从溶液中析出并吸附在碳酸钙粒子表面形成囊壁进而去除模板的方法,一步制备了完整的Con A/gly中空微胶囊结构。发现模板粒子表面的PEI修饰对于所沉出络合物粒子的吸附非常重要,且所得胶囊的尺寸与壁厚随囊壁两个组分相对量的变化而变化。该微胶囊对葡萄糖与分子量为2万、4万的葡聚糖具有响应,表现为不同程度的收缩、变皱甚至消失。进一步通过模板内部掺杂胶束与模板表面吸附胶束及可控沉积的方法,构建了复合胶束结构的可控沉积Con A/gly微胶囊。所得胶囊由于胶束在囊壁的吸附而表现出与纯Con A/gly微胶囊不同的葡萄糖响应行为,但其具体机理尚需进一步研究。


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