lbl層層納米自組裝法制備新型微膠囊

1、第 l 6 卷 第 4 期 2 0 0 4年 7月化 學 進 展 P ROGRE S SI NC HE MI S T R Y Vo 1 ． 1 6No． 4J u l y ，2 0 0 4L b L層層納米 自組裝法制備新型微膠囊 *梁振鵬 王朝 陽孫啟龍 童 真 一 ( 華 南理 工大學材料科 學研 究所 廣 州 5 1 0 6 4 0 )摘 要 本 文介 紹 了一種新 穎 、 靈活的制備納米 或微 米膠囊方 法—— 層 層納米 自組

2、裝 法( L b L ) 。L b L法制備微 膠囊的顯著優(yōu) 越性在于 能夠在 納米尺度上對 膠 囊的大 小 、 組 成 、 結(jié)構 、 形 態(tài)和 囊壁厚 度進 行精 確 的控制 。這 種新型 的微膠 囊在生化 、 制 藥、 藥物控釋 、 化妝 品和催化等領域具 有潛在 的應用前景。關鍵詞 層層 自組裝 聚 電解質(zhì) 多層膜 微膠 囊微反應器 中圖分類號 ： T B 3 8 3 ； 0 6 4 7 ． 3 文獻標識碼 ： A 文章編 號 ：

3、 1 0 0 5 — 2 8 1 X ( 2 0 0 4 ) 0 4 — 0 4 8 5 — 0 7No v e lM i c r o c a p s u l eF a b r i c a t e db yLb LNa n oS e r f- As s e m b l yL i a n gZ h e n p e n gW a n gC h a o y a n gS u nQ i l o n gT o n gZ h e n( R e s

4、e a r c hI n s t i t u t eo fM a t e r i a l sS c i e n c e ，S o u t hC h i n aU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ， G u a n g z h o u5 1 0 6 4 0 ，C h i n a )A b s t r a c tT h ea r t i c l ef o c u s e so nan o v

5、e la n dv e r s a t i l et e c h n i q u eo fl a y e r - b y — l a y e rd e p o s i t i o n ( I J ) L ) ，d e v e l o p e df o rp r e p a r i n gn a n o —o rmi c r o — c a p s u l e s ．T h es t r a t e g y o u d i n e d

6、r e a d i l ya f f o r d sp r e c i s ec o n t r o lo v e rt h es i z e ，c o mp o s i t i o n，c o n —s t r u c t i o n，s h a p ea n dw a llt h i c k n e s so ft h eh o l l o wc a p s u l e s ．Co n s e q u e n t l yt h e

7、s ec a p s u l e sh a v ep o t e n t i a la p p l i c a t i o n si nb i o c h e mi s t r y ，p h a r ma c y，c o n t r o l l e d — r e l e a s e，c o s me t i ca n dc a t a ly s t ．Ke ywo r d sI J ) Ls e l f - a s s e mb l

8、y；p o l y e l e c t r o l y t emu h i l a y e r ；m i c r o c a p s u l e ； m i c r o r ea c t o r一、 引言 I l e r 在 1 9 6 6年 就 提 出了將 帶 正 、 負 電荷 的物質(zhì) 通過靜 電引力 層層 交 替沉 積 ( 1 a y e rb yl a y e r ， I J ) L ) 的 自組裝技 術¨ J 。1 9

9、 9 0年 以來 ， D e c h e r 等人 把 此技 術 用于在平板 上構筑納米 自組裝 聚電解 質(zhì)多層復合膜 ( p o l y e l e c t m l y t em u h i l a y e r ，P E M)’。19 9 5年 ， K e l l e r等 報 道 了用 L b L技 術 在 S i O ， 表 面包 裹 片 狀磷 酸 鋯與帶 電氧化 還 原 聚合物 ， 制備 多層 復 合膜 。德 國馬普膠體 與表

10、面研究所 的研究 者們 將 I J ) L技術 發(fā)展 到以納米 或微米直徑 的膠體粒子 為模板 的聚電解質(zhì) 自組裝 ， 制成 了具 有核一 殼 結(jié)構 的粒子 。采用不 同的模板和囊壁 材料 ， 通過 溶解 或熔 融 除 去做模 板 的膠 體粒子 ， 可以制備 出壁厚為 1 0 —4 0 n m的各種納 米 或微米膠囊 ( n a n o — o rm ic r o — c a p s u l e ) 。至今 已報 道 的這類膠囊 的囊

11、 壁 材 料除 聚 電解 質(zhì) _ 1外 ， 還 有 納 米 S i O ， ／ 聚 二 烯 丙 基 二 甲 基 氯 化 銨 ( P D A D —M AC )’”、 具 有 光 催 化 功 能 的 T i O ， ／P D A D M A CH、 具 有磁性 的 F e 3 O／ 聚烯 丙基 胺 鹽 酸 鹽 ( P A H) ¨、 類 脂 體 ( 1 i p i d ) ／ 聚 苯 乙 烯 磺 酸 鈉 ( P S S ) &

12、#168;、 染料 分子／ P S S ¨、 多價離 子 T b “／ P S S 【 加等 組合 。這些 結(jié)果 表 明， 在 納米 或 微米 直徑 的球 面 上 采用 I J ) L自組裝技 術 的對 象廣 泛 ， 可 以實 現(xiàn)具 有 特 定組成 、 結(jié)構 與性 能 的微膠 囊 ， 能夠 滿足不 同領域技 術發(fā)展 的需要 。因此 ， 近 幾年 來 國 內(nèi)外 的研究 發(fā)展 迅速 ， 已初 步 形 成 了 所 謂 “ 納 米 工

13、 程 ( n a n o e n g i n e e r —i n g ) - ~ 2 1 ] 。與乳液 聚 合 、 界 面 聚合 、 相 分離 凝 聚等 方 法 比 較 ， I J ) L 技 術制 備 微 膠囊 的顯 著優(yōu) 越性 在 于 能 夠在 納米尺度上對膠 囊 囊壁 的組 成 、 厚 度 、 結(jié) 構形 態(tài) 、 表 面狀態(tài)進行 準 確 的裁控 ( t m l o f i n g )。例 如 ： 通 過模 板膠體粒 子 直徑 和形

14、狀 控 制 膠 囊 空 腔 的 尺 寸 和形 收稿 ： 2 0 0 3 年 4 月 ， 收修 改稿 ： 2 0 0 3 年 6月*國家 自然科學基金( N o ． 2 9 7 2 5 4 1 1 ， 9 0 2 0 6 0 1 0 ) 和廣東省 自然科學基金( N o ． 0 1 5 0 3 6 ) 資助項 目**通訊 聯(lián) 系人 e — m a i l ：m c z t o n g @s c u t ． e d u ． c n維普資訊

15、http://www.cqvip.com 第 4期 梁 振 鵬 等 L b L 層層 納 米 自組 裝法 制 備新 型 微膠 囊 綜上所述 ， M F球 具有 單分 散 高表 面 電荷 密度 、適合 的尺 寸和在 酸性 條件 下可 快 速溶 解等 優(yōu)點 ， 簡 化 了微膠囊 的制備工 藝 ， 也便 于表征 ， 因而成 為 L b L法制備 微膠囊用 的主要模板 。本文 探討的用 L b L技 術制 備 的 微 膠 囊 ， 主要 集 中

16、于 使 用 M F模 板 的微 膠囊 。3 ． 微膠囊完整性 的影響 因素 高度完 整性 的微膠 囊 才能發(fā) 揮其 作 為微容 器 、微反應器和藥物 載 體 的作用 ， 現(xiàn)將 影 響 因素討 論如 下 。( 1 ) 去核過程 。膠囊 的完整性 與核 的溶解 以及 核降解產(chǎn)物 的擴散 有 關。核 溶解 時 產(chǎn) 生滲透 壓 ， 影 響到膠囊 的完 整性 、 尺 寸 、 透過 性 、 表面形態(tài) 和彈性 。G a o 采用激 光 共 聚焦 顯

17、微鏡 原 位 觀察 了去 核過 程 ，發(fā) 現(xiàn) 了微 膠囊 的體 積膨 脹 與 收 縮 現(xiàn)象 ?。這 是 模 板分解 產(chǎn)生的滲透 壓 導致 微膠 囊膨 脹 ， 超 過囊 壁 所 能 承受的極 限時 會 使微 膠 囊 破 裂 。G a o研究 了 M F模板 的分解條件對 微 膠囊 完好 率 的影 響 ， 獲 得 了完 好率 大于 9 0 ％的微膠囊 。經(jīng)優(yōu) 化 的去核 條件 為 ：① 使用新 制備的 M F膠 體為 核 ， 長 時問放

18、置 會導 致 M F進一步交聯(lián) 而難 于溶 解 ； ② P E M 層數(shù) 達 到 1 0層 最為理 想 ， 囊 壁 太厚 會導 致 M F的降 解 產(chǎn)物 難 以擴 散 出來 ； ③膠囊最 外層 要 由帶 正 電荷 的 聚 電解 質(zhì) 構 成 ， 靜電排斥作 用 可 以 防止 吸 附帶 正 電荷 的 M F降 解產(chǎn)物 阻塞通 道 ； ④ 去核時要 把少量 的核一 殼結(jié) 構粒 子注入到大量 的酸性溶液 中 ， 使核 降解過程 保持 p H值

19、的恒定 。上述 的優(yōu) 化 條 件 已經(jīng)成 功應 用 于 P S S ／P A H、 P S S ／ P D A D M A C 、 聚丙烯酸 ( P A A ) ／ P A H和硫 酸葡 聚糖 ( D e x t r a nS u l f a t e ， D E X S ) ／ 殼 聚糖 ( C h i t o s a n ， C H I )膠囊 的制備 。( 2 )囊壁 的組成 與結(jié)構 。囊 壁組成 對微 膠囊 的完整 性 也 有 影

20、 響 。如 P S S ／ P D A D M A C囊 壁 容 易 破 壞 ， 而 P S S ／ P A H則 較 穩(wěn) 定 。從 微 觀 結(jié) 構分 析 ： ① P D A D M A C的 剛性 分 子鏈 導 致 P S S ／ P D A D M A C層 間 結(jié)合 力弱 ， 離 子對易解離 ； ②P A H和 P S S主鏈 的重復 單元均 為 乙烯 基 ， 因此 電荷 分 布很 匹 配 ， 而 P D A D —M A C主鏈

21、 的重 復單元 與 P S S 不 同， 導致 兩 者 之 間的 電荷分 布不 匹配 。由于上述 原 因造 成 P D A D M A C與P S S的相互作用 較弱 ， 復合物 的鏈 段易 重排 ， 使 形成 的膠囊更柔軟 ， 具有低 彈性 、 高膨脹度 、 低結(jié)合力 、 易 破 裂的特 點 。Q i u等 人 研究 了布 洛 芬 ( I b u p r o f e n )對各 種 P E M 的透 過性 ， 證實 高 電荷 密度而且

22、 電荷分 布匹配 良好 的聚電解質(zhì)組合 ( 如 P S S ／ P A H和 P A H ／ 對 丙烯基茴 香醚磺 酸鈉 [ P A S ] ) ， 在 自組 裝過程 形成 較 小 的微孑 L ， 導致被 P E M包埋 的 I b u p m f e n的釋放 速率 明顯 低 于 聚 4 一 乙 烯 基 吡 啶 ( P 4 V P ) ／ P S S 、 P 4 V P ／ P A S 、P D A D M A C ／ P S S 、

23、 C H I ／ D E X S 、 P A H ／ D E X S 等組合 。三 、 微 膠 囊 的 特性 1 ． 透過 性 P E M膠囊 具有選擇透 過性 ， 囊壁 可 以透過 小 離子 或有機小分 子 ， 如 6 一 羧基熒 光素( 6 - C F ) ， 但 不能 通過 分 子量超 過42 0 0 的大分 子 。膠囊 的透過 性 可 以通 過改變囊壁 的組成 與壁 厚來 調(diào)節(jié) J ， 制備 膠 囊所用模板 的差異也會導 致透過

24、 性 的改 變 。A n t i p o v報道 了用 C d C O做模板所 制備 出來 的 P E M膠囊 ， 對 小分子熒光 素 的透過性 比 M F做模板 制備 的膠 囊 要 低 。鹽 的加 入使靜 電屏蔽 效應 加強 ， 減 弱 了正 負離子 的相互 吸引 ， 導致 P E M 發(fā)生 結(jié)構重組 而溶脹并 出現(xiàn)微孑 L 。D o n a t h 等 在 0 ． 1 MN a C 1 的溶 液 中成功 地 把熒光素異硫氰 酸酯(

25、F I T C ) 標記 的清 蛋 白裝 載入 P S S ／ P A H膠 囊 中。I b a r z 等 發(fā) 現(xiàn) 0 ． 0 1 M 的 N a C 1 可 以使 P S S ／ P A H膠 囊 由關 閉轉(zhuǎn)換 至 開啟 狀 態(tài) ， 調(diào) 節(jié)鹽 的濃度可 以實 現(xiàn)膠囊對羅丹 明( R d ) 標記 的 P A H ( M= 7 00 0 0 ) 的控釋 。對不 同組 成 的 P E M膠囊 ， 鹽 濃度 對 囊壁 透過性 的影 響也不

26、 同 。G e o r g i e v a 等 報 道 ，P A H ／ D E X S 膠囊 在鹽濃度 為 1 0 r a M 時 ， 對人血 清蛋 白( H S A ) 的透 過性 顯 著增 加 ； 而 P S S ／ P A H膠 囊 出現(xiàn) 對 H S A 透 過 性 顯 著 增 加 的 臨 界 鹽 濃 度 只 有 5 m M。R u b n e r 課題組 最 近研 究 發(fā) 現(xiàn) ， 改變 溶 液 p H值 可 以引發(fā)聚 陰 、

27、陽離 子 之 間 電 荷 分 布 的不 平 衡 ， 導致 P E M層 間結(jié)合 松散 ， 出現(xiàn)微 孑 L ， 控 制 p H值 可 以實現(xiàn) P E M膠囊 的可 逆開合 。P S S ／ P A H膠囊 在 p H7 ． 5 呈 關 閉 狀 態(tài) 。利 用 膠囊 的上 述特 性 ， T i o u r i n a 等 在 p H=4時使 a 一糜 蛋 白酶 滲 透入 P S S ／ P A H膠 囊 中。由于 a 一 糜 蛋 白酶在 p

28、H= 4時帶負 電荷 ， p H=8 時不帶 電荷 ， 控 制水 洗 液的 p H值 ， 可 以使 a 一 糜 蛋 白酶有 選擇 性 地 吸 附 在 囊壁上或者 完全裝 載入膠 囊 內(nèi)。S u k h o r u k o v 等 在 p H=3 時裝載 葡聚糖 D e x t r a n ( M= 7 50 0 0 ) ， 用 p H= 1 0的水 洗令 膠 囊 重 新 關 閉 ， 完成 對 D e x t r a n的包 囊 。有 機

29、溶劑引發(fā) P E M膠 囊 的開 合是 可逆 的， L v o v等H調(diào)節(jié) 乙醇和水 的 比例 至 1 ： 1 ， 使 脲 酶 透過 囊 壁 裝載 入 P S S ／ P A H 膠 囊 ， 用 純 水 清 洗 令 膠 囊 重 新 閉 合 ， 使 脲酶被 包囊 。2 ． 機械強度 和熱穩(wěn)定性 微膠囊 的機械性能和熱 性能對于微 膠囊 的應用 十分重要 ， 例如作 為微反 應器和 藥物輸送載體 ， 微膠 維普資訊 http://www.c