CN101053813A - 一种基于主客体相互作用制备层－层组装微胶囊的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于主客体相互作用制备层-层组装微胶囊的方法。该方法以胶体粒子为模板，利用聚烯丙基胺接枝β－环糊精和聚烯丙基胺接枝二茂铁中的β－环糊精和二茂铁的主客体相互作用，通过层层自组装的方法在胶体粒子表面形成多层膜；然后将胶体粒子去除，得到囊壁为主客体相互作用的多层膜结构的微胶囊。其囊壁存在主客体相互作用的吸引力和同种电荷的静电排斥力，这样通过改变pH、离子强度、自由主体分子浓度等微胶囊所处的化学环境条件可以控制这两种力的相对大小，从而容易实现微胶囊尺寸的可控变化。采用本发明方法制备微胶囊，在纳米材料、药物释放、生物传感器等方面有非常广阔的潜在应用价值。

Description

一种基于主客体相互作用制备层-层组装微胶囊的方法

技术领域

本发明涉及一种聚合物中空微胶囊的制备方法，具体说是利用主客体相互作用制备层-层组装微胶囊的方法。

背景技术

微胶囊是通过成膜物质将囊内空间与囊外空间隔离开以形成特定几何结构的物质，其内部可以是填充的，也可以是中空的。微胶囊的形状以球形结构为主，也可为卵圆形、正方形或长方形、多角形及各种不规则形状。传统微胶囊尺寸大小通常在微米至毫米级，壁厚在亚微米至几百微米。根据囊壁形成的原理，微胶囊的传统制备方法大体可分为三类：利用反应生成囊壁的化学方法、利用相分离形成囊壁的物理化学方法和利用机械或其它物理作用形成囊壁的物理方法。囊壁通常由天然或合成的高分子材料组成，也可是无机化合物。

近年来，又发展了许多新的微胶囊的制备方法，如模板组装、模板聚合、表面接枝聚合、分散聚合等。其中，基于弱相互作用的层-层自组装方法制备的微胶囊具有结构和性能可控、易赋予各种独特功能等特点。这些弱相互作用包括静电力、氢键、疏水力等。此外，通过共价键相互作用制备的聚合物中空微胶囊也因其机械强度大而广受关注。通过模板制备方法获得的微胶囊，其尺寸由模板预先控制，而其壁厚可控制在纳米尺度内。微胶囊的渗透性以及包埋物质的释放性能可以通过环境条件如温度、离子种类和离子强度、pH值、溶液性质、光、电、声等进行控制。因此在药物控制释放、酶的包埋与催化反应、组织工程等领域显示了十分重要的应用前景。

上述的基于弱相互作用力形成的中空微胶囊因为其作用力单一，而使得微胶囊的稳定性受到了很大的影响，而且微胶囊响应性的多样化也受到限制。

主客体相互作用力是不同于上述单一弱相互作用力的一种特殊的相互作用力，它是基于主体和客体分子在空间体积上的相互匹配而形成的一种特殊的相互作用力。它包含了弱相互作用力中的多种作用力，如静电力、氢键、疏水相互作用力，因此它的强度比单一的弱相互作用力大。并且作为一种特异性的分子识别作用，主客体相互作用中主体分子对不同客体分子的结合能力有着明显的差别，这样可以容易地实现主客体作用力大小的调节。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于主客体相互作用制备层-层组装微胶囊的方法，以便于能够赋予微胶囊更多的功能，使得在改变pH、离子强度、自由主体分子浓度等条件时，主客体微胶囊的尺寸会产生相应的变化。

本发明的基于主客体相互作用制备层-层组装微胶囊的方法，是采用将两种分别接枝有主体和客体分子的聚合物在胶体粒子表面的层-层组装反应，获得具有多层结构的聚合物超薄膜；然后将胶体粒子去除，得到囊壁为主客体相互作用的多层膜结构的微胶囊。具体包括以下步骤：

1)将胶体粒子放入浓度为1-10mg/mL的聚烯丙基胺接枝β-环糊精的水溶液中，超声振荡至少5分钟形成悬浮液，然后离心分离，用水洗涤胶体粒子，所说的胶体粒子为碳酸盐或二氧化硅；

2)将步骤1)所得粒子放入浓度为1-10mg/mL的聚烯丙基胺接枝二茂铁的甲醇溶液中，超声振荡至少5分钟形成悬浮液，然后离心分离，用乙醇洗涤胶体粒子；

3)重复步骤1)和2)，直到所需层数，然后放入溶液中去除胶体粒子，对于碳酸盐粒子采用浓度为0.02-0.1mol/L的乙二胺四乙酸溶液，对于二氧化硅粒子采用浓度为0.05-0.5mol/L的氢氟酸，得到囊壁为主客体相互作用的多层膜结构的中空微胶囊。

本发明中，所说的碳酸盐可以是碳酸钙或碳酸锰。

本发明的有益效果在于：

本发明是建立在β-环糊精与二茂铁的主客体相互作用基础上，形成的层状组装中空微胶囊。其囊壁存在主客体相互作用的吸引力和同种电荷的静电排斥力，这样通过改变pH、离子强度、自由主体分子浓度等微胶囊所处的化学环境条件可以控制这两种力的相对大小，从而容易实现微胶囊尺寸的可控变化。采用本发明方法制备微胶囊，在纳米材料、药物释放、生物传感器等方面有非常广阔的潜在应用价值。

1)通过pH值的变化可以调节微胶囊的尺寸。在低pH值条件下，微胶囊的尺寸会发生膨胀。这是由于囊壁中聚烯丙基胺的氨基质子化，从而带上大量的正电荷。由于静电排斥力的加大，在主客体相互作用力没有改变的情况下，微胶囊的尺寸会增大。与此相反，在碱性条件下，微胶囊的尺寸会减小。这是因为聚烯丙基胺的氨基发生了去质子化，聚合物链上的静电排斥力减弱。当在酸、碱条件下重复变化时，微胶囊的尺寸也随之发生重复的变化。

2)通过加入β-环糊精可以调节微胶囊的尺寸。在70℃下，将中空微胶囊置于β-环糊精的水溶液中2小时，可以观察到微胶囊的尺寸随着β-环糊精浓度的提高而增大。这是因为，自由的β-环糊精与聚烯丙基胺上接枝的β-环糊精会竞争二茂铁分子而与之产生主客体相互作用力。因此，在增大自由β-环糊精的浓度的情况下，一些聚烯丙基胺上接枝的β-环糊精会被β-环糊精替代而与二茂铁作用，导致囊壁的主客体相互作用被削弱，在静电排斥力不变的情况下则导致微胶囊的尺寸变大。

3)通过离子强度的变化可以调节微胶囊的尺寸。在氯化钠溶液中，随着氯化钠溶液浓度的提高，在酸性条件下，微胶囊的尺寸逐渐缩小；而在中性和碱性条件下，尺寸缩小的程度很小。在酸性环境下，囊壁上的静电荷很多，而氯化钠的加入使得溶液的离子强度增大，从而屏蔽静电荷的排斥作用，因此微胶囊的尺寸收缩明显。在中性和碱性环境下，囊壁的静电荷较少，因此离子强度增大所起到的作用不明显，微胶囊的尺寸也变化很小。保持pH＝3的条件下，不同浓度的氯化钠溶液处理后的微胶囊，在洗去氯化钠溶液后，微胶囊的尺寸会恢复到未处理时的90％左右。重复上述操作，发现微胶囊会反复收缩和膨胀，且收缩和膨胀的程度基本保持不变。

附图说明

图1以碳酸钙为模板的微胶囊的原子力显微镜图片；

图2以碳酸钙为模板的微胶囊的透射电镜照片；

图3以碳酸钙为模板的微胶囊的扫描电镜照片；

图4a)pH＝2盐酸溶液中微胶囊的激光共聚焦显微镜照片；b)中性条件下微胶囊的激光共聚焦显微镜照片；c)pH＝13的氢氧化钠溶液中微胶囊的激光共聚焦显微镜照片；

图5微胶囊的尺寸随pH值的变化曲线；

图6a)微胶囊在70℃下处理2个小时后的激光共聚焦显微镜照片；b)微胶囊在80mg/mLβ-环糊精溶液中70℃下处理2个小时后的激光共聚焦显微镜照片；

图7微胶囊尺寸随β-环糊精浓度的变化曲线；

图8微胶囊在4个固定pH值下，其尺寸随离子强度的变化曲线；

图9以碳酸锰为模板的微胶囊的原子力显微镜图片；

图10以碳酸锰为模板的微胶囊的原子力显微镜照片；

图11以碳酸锰为模板的微胶囊的原子力显微镜照片；

图12以二氧化硅为模板的微胶囊的透射电镜照片。

具体实施方式

实施例1：

1)将碳酸钙粒子置于1.5mL的离心管中，用水洗涤3次，加入1mL浓度为5mg/mL的聚烯丙基胺接枝β-环糊精的水溶液，超声振荡离心管。10分钟后，离心分离，用水洗涤3次，去除多余的聚烯丙基胺接枝β-环糊精，从而在碳酸钙粒子表面吸附了一层聚烯丙基胺接枝β-环糊精。

2)将步骤1)所得的吸附有一层聚烯丙基胺接枝β-环糊精的碳酸钙粒子分散于乙醇中，加入1mL浓度为5mg/mL的聚烯丙基胺接枝二茂铁的甲醇溶液，振荡离心管。10分钟后，离心分离，用乙醇洗涤3次，去除多余的聚烯丙基胺接枝二茂铁，得到基于β-环糊精和二茂铁主客体相互作用的聚合物薄膜。

3)重复步骤1)和2)一次，用0.02mol/L的乙二胺四乙酸溶液去除碳酸钙粒子，得到囊壁为主客体相互作用的多层膜的中空微胶囊。对其进行原子力显微镜的测试。图1为中空微胶囊的原子力显微镜图片，证明了所得微胶囊具有中空和完整的结构。

实施例2：

1)将碳酸钙粒子置于1.5mL的离心管中，用水洗涤3次，加入1mL浓度为10mg/mL的聚烯丙基胺接枝β-环糊精的水溶液，振荡离心管。5分钟后，离心分离，用水洗涤3次，去除多余的聚烯丙基胺接枝β-环糊精，从而在碳酸钙粒子表面吸附了一层聚烯丙基胺接枝β-环糊精。

2)将步骤1)所得的吸附有一层聚烯丙基胺接枝β-环糊精的碳酸钙粒子分散于乙醇中，加入1mL浓度为10mg/mL的聚烯丙基胺接枝二茂铁的甲醇溶液，振荡离心管。5分钟后，离心分离，用乙醇洗涤3次，去除多余的聚烯丙基胺接枝二茂铁，得到基于β-环糊精和二茂铁主客体相互作用的聚合物薄膜。

3)重复步骤1)和2)三次，用0.1mol/L的乙二胺四乙酸溶液去除碳酸钙粒子，得到囊壁为主客体相互作用的多层膜的中空微胶囊。对其进行透射电子显微镜的测试。图2为中空微胶囊的透射电子显微镜图片。

实施例3：

1)将碳酸钙粒子置于1.5mL的离心管中，用水洗涤3次，加入1mL浓度为1mg/mL的聚烯丙基胺接枝β-环糊精的水溶液，振荡离心管。30分钟后，离心分离，用水洗涤3次，去除多余的聚烯丙基胺接枝β-环糊精，从而在碳酸钙粒子表面吸附了一层聚烯丙基胺接枝β-环糊精。

2)将步骤1)所得的吸附有一层聚烯丙基胺接枝β-环糊精的碳酸钙粒子分散于乙醇中，加入1mL浓度为1mg/mL的聚烯丙基胺接枝二茂铁的甲醇溶液，振荡离心管。30分钟后，离心分离，用乙醇洗涤3次，去除多余的聚烯丙基胺接枝二茂铁，得到基于β-环糊精和二茂铁主客体相互作用的聚合物薄膜。

3)重复步骤1)和2)五次，用0.05mol/L的乙二胺四乙酸溶液去除碳酸钙粒子，得到囊壁为主客体相互作用的多层膜的中空微胶囊。对其进行扫描电子显微镜的测试。图3为中空微胶囊的扫描电子显微镜图片。

实施例4：

将实施例1所得微胶囊悬浮在pH＝2的盐酸溶液中，激光共聚焦显微镜的测试图片见图4a)。在微胶囊的悬浮液中加入pH＝13的氢氧化钠溶液，对微胶囊进行激光共聚焦显微镜测试，如图4c)。图4b)为微胶囊在中性对照条件下的激光共聚焦照片。微胶囊的尺寸随pH值变化的曲线如图5所示，可见其尺寸具有pH相应特性。

实施例5：

将实施例1所得微胶囊置于70℃不同浓度的自由β-环糊精(CD)的水溶液中(pH＝6，浓度分别为0、20、40、60、80mg/ml)。对微胶囊做激光共聚焦显微镜测试，并测定微胶囊的尺寸。图6a)为微胶囊在70℃下两个小时的激光共聚焦照片。图6b)为微胶囊在80mg/mlβ-环糊精溶液中70℃下处理2个小时的激光共聚焦显微镜照片。图7为微胶囊尺寸随β-环糊精浓度变化的曲线，可见微胶囊的尺寸随环糊精的浓度增高而逐渐变大。

实施例6：

将实施例1所得微胶囊分别分散在pH＝2、3、6、13的氯化钠溶液(的浓度分别为0.05、0.1、0.25、0.5、1mol/L)中。对微胶囊的尺寸进行测定。图8为微胶囊在4个固定pH值下，其尺寸随着离子强度的变化曲线，可见微胶囊的尺寸随离子强度的提高而逐渐变小。

实施例7：

1)将碳酸锰粒子置于1.5mL的离心管中，用水洗涤3次，加入1mL浓度为5mg/mL的聚烯丙基胺接枝β-环糊精的水溶液，振荡离心管。10分钟后，离心分离，用水洗涤3次，去除多余的聚烯丙基胺接枝β-环糊精，从而在碳酸锰粒子表面吸附了一层聚烯丙基胺接枝β-环糊精。

2)将步骤1)所得的吸附有一层聚烯丙基胺接枝β-环糊精的碳酸锰粒子分散于乙醇中，加入1mL浓度为5mg/mL的聚烯丙基胺接枝二茂铁的甲醇溶液，振荡离心管。10分钟后，离心分离，用乙醇洗涤3次，去除多余的聚烯丙基胺接枝二茂铁，得到基于β-环糊精和二茂铁主客体相互作用的聚合物薄膜。

3)重复步骤1)和2)两次，用0.02mol/L的乙二胺四乙酸溶液去除碳酸锰粒子，得到囊壁为主客体相互作用的多层膜的中空微胶囊。对其进行原子力显微镜的测试。图9为中空微胶囊的原子力显微镜图片，证明了所得微胶囊具有中空和完整的结构。

实施例8：

1)将碳酸锰粒子置于1.5mL的离心管中，用水洗涤3次，加入1mL浓度为8mg/mL的聚烯丙基胺接枝β-环糊精的水溶液，振荡离心管。8分钟后，离心分离，用水洗涤3次，去除多余的聚烯丙基胺接枝β-环糊精，从而在碳酸锰粒子表面吸附了一层聚烯丙基胺接枝β-环糊精。

2)将步骤1)所得的吸附有一层聚烯丙基胺接枝β-环糊精的碳酸钙粒子分散于乙醇中，加入1mL浓度为8mg/mL的聚烯丙基胺接枝二茂铁的甲醇溶液，振荡离心管。8分钟后，离心分离，用乙醇洗涤3次，去除多余的聚烯丙基胺接枝二茂铁，得到基于β-环糊精和二茂铁主客体相互作用的聚合物薄膜。

3)重复步骤1)和2)四次，用0.1mol/L的乙二胺四乙酸溶液去除碳酸锰粒子，得到囊壁为主客体相互作用的多层膜的中空微胶囊。对其进行原子力显微镜的测试。图10为中空微胶囊的原子力显微镜图片。

实施例9：

1)将碳酸锰粒子置于1.5mL的离心管中，用水洗涤3次，加入1mL浓度为1mg/mL的聚烯丙基胺接枝β-环糊精的水溶液，振荡离心管。30分钟后，离心分离，用水洗涤3次，去除多余的聚烯丙基胺接枝β-环糊精，从而在碳酸锰粒子表面吸附了一层聚烯丙基胺接枝β-环糊精。

2)将步骤1)所得的吸附有一层聚烯丙基胺接枝β-环糊精的碳酸钙粒子分散于乙醇中，加入1mL浓度为1mg/mL的聚烯丙基胺接枝二茂铁的甲醇溶液，振荡离心管。30分钟后，离心分离，用乙醇洗涤3次，去除多余的聚烯丙基胺接枝二茂铁，得到基于β-环糊精和二茂铁主客体相互作用的聚合物薄膜。

3)重复步骤1)和2)六次，用0.02mol/L的乙二胺四乙酸溶液去除碳酸锰粒子，得到囊壁为主客体相互作用的多层膜的中空微胶囊。对其进行原子力显微镜的测试。图11为中空微胶囊的原子力显微镜图片。

实施例10：

1)将二氧化硅粒子置于1.5mL的离心管中，用水洗涤3次，加入1mL浓度为5mg/mL的聚烯丙基胺接枝β-环糊精的水溶液，振荡离心管。10分钟后，离心分离，用水洗涤3次，去除多余的聚烯丙基胺接枝β-环糊精，从而在二氧化硅粒粒子表面吸附了一层聚烯丙基胺接枝β-环糊精。

2)将步骤1)所得的吸附有一层聚烯丙基胺接枝β-环糊精的二氧化硅粒粒子分散于乙醇中，加入1mL浓度为5mg/mL的聚烯丙基胺接枝二茂铁的甲醇溶液，振荡离心管。10分钟后，离心分离，用乙醇洗涤3次，去除多余的聚烯丙基胺接枝二茂铁，得到基于β-环糊精和二茂铁主客体相互作用的聚合物薄膜。

3)重复步骤1)和2)六次，用0.1mol/L的氢氟酸溶液去除二氧化硅粒粒子，得到囊壁为主客体相互作用的多层膜的中空微胶囊。对其进行透射电子显微镜的测试。图12为中空微胶囊的透射电子显微镜图片，证明了所得微胶囊具有中空和完整的结构。

Claims (2)

1.一种基于主客体相互作用制备层-层组装微胶囊的方法，该方法包括以下步骤：

1)将胶体粒子放入浓度为1-10mg/mL的聚烯丙基胺接枝β-环糊精的水溶液中，超声振荡至少5分钟形成悬浮液，然后离心分离，用水洗涤胶体粒子，所说的胶体粒子为碳酸盐或二氧化硅；

2)将步骤1)所得粒子放入浓度为1-10mg/mL的聚烯丙基胺接枝二茂铁的甲醇溶液中，超声振荡至少5分钟形成悬浮液，然后离心分离，用乙醇洗涤胶体粒子；

3)重复步骤1)和2)，直到所需层数，然后放入溶液中去除胶体粒子，对于碳酸盐粒子采用浓度为0.02-0.1mol/L的乙二胺四乙酸溶液，对于二氧化硅粒子采用浓度为0.05-0.5mol/L的氢氟酸，得到囊壁为主客体相互作用的多层膜结构的中空微胶囊。

2.根据权利要求1所述的基于主客体相互作用制备层-层组装微胶囊的方法，其特征是所说的碳酸盐为碳酸钙或碳酸锰。

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