CN109320739B - 一种具有光和pH响应的两亲性海藻酸盐及其稳定的pickering乳液 - Google Patents

一种具有光和pH响应的两亲性海藻酸盐及其稳定的pickering乳液 Download PDF

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Abstract

一种具有光和pH响应的两亲性海藻酸盐及其稳定的pickering乳液，所述乳液包括油水两相，其稳定剂为纳米二氧化硅、主体分子海藻酸盐(Alg‑β‑CD)和客体分子Azo‑PEG，所述油相与水相的体积比为1∶0.1‑10，分散在水相中的二氧化硅的浓度为2wt％；分散在水相中的Alg‑β‑CD的浓度为1g/L；分散在水相中的Azo‑PEG的浓度为2g/L。本发明提供的Pickering乳液稳定性强，具有pH响应性和光响应性，通过调节pH或光照，可实现內相药物的可控释放，同时制备方法操作工艺简单，而且具有较大的制备通量，更容易实现乳液的放大生产，在化妆品、生物、农药药物传递等领域具有广泛的应用和很好的推广应用价值。

Description

一种具有光和pH响应的两亲性海藻酸盐及其稳定的 pickering乳液
技术领域
本发明涉及一种pickering乳液，尤其涉及一种具有光和pH响应的两亲性海藻酸盐及其稳定的pickering乳液。
背景技术
Pickering乳液是一种由固体颗粒代替传统表面活性剂的新型乳液体系。如图1所示，乳液的稳定机理主要是通过固体颗粒吸附在油水界面，形成固体颗粒单层或多层结构，从而使乳液稳定。
与传统表面活性剂稳定的乳液相比较，它具有突出的优势：(1)对人体的毒副作用小；(2)降低环境污染；(3)乳液稳定性强。因此，Pickering乳液在食品、化妆品和医药等领域有着非常重要的研究和应用价值。近几十年来，随着现代技术的迅速发展，研究者们可以制备出不同种类、不同形状的纳米或微米级颗粒，为Pickering乳液的制备提供了良好的基础，因此Pickering乳液的研究和应用也在不断探索和深入。
海藻酸钠(Alg)是一种天然的阴离子无支链多糖，由褐藻和各种细菌获得。作为一种天然生物聚合物，海藻酸钠被认为是生物相容的，可生物降解的，无毒的，非免疫原性的和生态友好的，因此被广泛应用于食品工业，环境工程和生物医学上。然而，纯海藻酸钠具有本身固有的缺点，如机械强度差，水溶性高。因此，对于对海藻酸钠的疏水改性是目前受到研究工作者关注的一个方向。
目前对于Alg的改性已经做了很多的研究，例如研究学者报道过通过酯化、酰胺化、Ugi反应等化学接枝的方法对海藻酸盐进行修饰。改性之后的Alg具有两亲性，类似于表面活性剂的功能，这种高分子表面活性剂既保留了Alg本身的特性，还可通过不同的改性使其在各个领域具有不同的应用。并且在造纸工艺中作胶凝剂，在涂料工业中作分散剂，在石油开采中作驱油剂等方面都有着广泛的应用。高分子表面活性剂在界面上有良好的吸附，在各个领域的应用与其在界面吸附行为密切相关。但目前鲜少有改性Alg应用于pickering乳液的报道。探究两亲性海藻酸衍生物对颗粒分散体系的影响以及在纳米颗粒表面的吸附机制，探究大分子颗粒乳化剂协同稳定Pickering乳液及在不同环境下的稳定机理，为其在更广泛的领域中的开发及应用提供一定的理论依据。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种具有光和pH响应的双响应型pickering乳液及其制备方法和应用，该乳液稳定性强，且同时具有光和pH响应，该工艺操作简单，较大的制备通量也更利于乳液的放大生产。
本发明的第一个方面是提供一种海藻酸盐，其结构式为：
Figure BDA0001804220690000021
本发明的第二个方面是提供一种pickering乳液，所述乳液包括油水两相，其稳定剂为纳米二氧化硅、主体分子Alg-β-CD和客体分子Azo-PEG。
其中，所述油相与水相的体积比为1∶0.1-10，例如1∶0.2、1∶0.3、1∶0.4、1∶0.5、1∶0.6、1∶0.7、1∶0.8、1∶0.9、1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5、1∶6、1∶7、1∶8、1∶9、或1∶10等。
其中，分散在水相中的二氧化硅的浓度为2wt％；分散在水相中的Alg-β-CD的浓度为1g/L；分散在水相中的Azo-PEG的浓度为2g/L。
其中，所述的Alg-β-CD为上述的海藻酸盐，所述Azo-PEG的结构式如下所示：
Figure BDA0001804220690000022
其中，Azo-PEG的结构式中的n为8-45。
优选地，所述Alg-β-CD为Alg、甲醛、单(6-氨基-6-去氧)-β-CD和环己基异腈按照Ugi反应合成的改性海藻酸钠。
其中，所述Azo-PEG为聚乙烯醇单甲醚改性反式偶氮苯制备得到。
优选地，所述Alg-β-CD的分子量为≥3500。
其中，所述油相包括与水不互溶或微溶于水的溶剂，所述溶剂优选为硅油、脂肪酯类、芳香烃、C链长度为6-16的烷烃和醇类、C链长度为22-50的石油烃类中的任意一种或者至少两种的混合物，进一步优选为脂肪酯类、C链长度为6-16的烷烃或醇类中的任意一种或者至少两种的混合物。
其中，所述油相可以为常见的用于pickering乳液的油相，本发明在此不作特别限定，本领域技术人员可根据实际应用的需要合理选择。优选地，所述油相可以仅由与水不互溶或微溶于水的溶剂组成，优选地，所述油相中可包含其他可溶性物质，所述油溶性物质选自脂溶性药物、脂溶性标记物、脂溶性酶类或脂溶性蛋白中的任意一种或者至少两种的混合物。
其中，其中，所述水相可以为常见的用于pickering乳液的油相，本发明在此不作特别限定，本领域技术人员可根据实际应用的需要合理选择。优选地，所述水相包括水、磷酸盐缓冲液、醋酸盐缓冲液、柠檬酸缓冲液或Tris缓冲液中的任意一种或者至少两种的混合物。
优选地，所述水相还包括其他水溶性物质，所述水溶性物质为盐类、抗体、蛋白多肽药物酶类、细胞因子或糖类中的任意一种或者至少两种的混合物。所述盐类物质为氯化钠、乙酸钠、氯化钾、氯化钙等。
优选地，所述水相的盐浓度为0～1000mM，例如0(纯水)，0.02mM、50mM、100mM、150mM、200mM、250mM、300mM、350mM、400mM、450mM、500mM、600mM、700mM、800mM或900mM。
本发明的第二个方面是提供本发明第一个方面所述的pickering乳液的制备方法：将主体分子Alg-β-CD、客体分子Azo-PEG和纳米二氧化分散在水相中，加入油相，乳化，即得。
优选地，采用3000-30000rpm的速率进行乳化，均质时间为5-20min。
本发明的第三个方面是提供一种本发明第一个方面所述的Pickering乳液的用途，其特征在于，其用于生物医药、化妆品、食品、石油和废水处理领域。
本发明提供的Pickering乳液稳定性强，具有pH响应性和光响应性，通过调节pH或光照，可实现內相药物的可控释放，同时制备方法操作工艺简单，避免超声或长时间均质等易产热的操作步骤，而且具有较大的制备通量，更容易实现乳液的放大生产，因此在化妆品、生物、农药药物传递等领域具有广泛的应用，以及很好的推广应用价值。
附图说明
图1为主体分子Alg-β-CD的FT-IR谱图。
图2为图1的局部放大图。
图3为主体分子Alg-β-CD的1HNMR光谱图。
图4为芘的5个电子振动峰随Alg-β-CD浓度变化的荧光光谱图：(a)随Alg-β-CD浓度变化的芘的荧光光谱；(b)芘荧光强度比I1/I3随Alg-β-CD浓度的变化曲线。
图5为Azo,Azo-Br和Azo-PEG的1HNMR光谱图。
图6为由Alg-CD/Azo-PEG/SiO2稳定在不同pH下和有无UV光照下的形成的Pickering乳液的显微镜图，比例尺为25μm，其中，图a：pH＝3.37，无UV；图b：pH＝3.37，有UV；图c：pH＝5.01，无UV；图d：pH＝35.01，有UV；图e：pH＝7.09，无UV；图f：pH＝7.09，有UV。
图7为本发明Pickering乳液的界面微观结构用CLSM表征结果。
图8为为通过多重光散射仪对本发明乳液体系的稳定性进行表征的结果。
图9为乳液的动态流变测量结果。
具体实施方式
下面参照附图，结合具体的实施方式对本发明作进一步的说明，以更好地理解本发明。
1主体分子Alg-β-CD的合成
1.1具体合成步骤
称取2.00g的Alg于圆底烧瓶中，加入80mL蒸馏水，在室温下机械搅拌溶解6h制得质量分数为2.5％的海藻酸钠(Alg)均相溶液，用0.5mol/L的HCl调节溶液的pH＝3.6，加水稀释至质量分数为2％。将单(6-氨基-6-去氧)-β-CD(1.37g,1.3mmol)、甲醛(1.8mmol)的以及环己基异腈(1.8mmol)相继加入到上述海藻酸钠溶液中，机械搅拌并在室温下反应24h。反应结束后，将反应溶液加水稀释至0.7wt％，使用截留分子量为3500的透析袋透析3天。透析后的溶液经过冷冻干燥得到纯净的产物(Alg-β-CD)。其反应路径如下所示：
Figure BDA0001804220690000051
1.2主体分子Alg-β-CD的表征
(1)1H NMR和FT-IR分析
为验证主体分子Alg-β-CD的合成，通过透析纯化所得聚合物用1H NMR和FT-IR分析表征。主体分子Alg-β-CD通过Ugi四组分反应缩合获得，其FT-IR谱图如图1所示。除了在2929.82cm-1的Alg主链上-CH伸缩振动峰，以及1030cm-1附近的C-O-C伸缩振动峰之外，在2855cm-1和1745cm-1处有新峰出现，这归因于氨基-β-CD上的-CH2和环己基上的-CH弯曲振动峰。另外，根据红外选定区域的峰解卷积图，如图2所示，可得知在1650cm-1和1565cm-1的酰胺键的峰是因为β-CD与Alg结合得到的，1606cm-1处为游离的羧酸-COO-伸缩振动峰，从而证实Alg接枝β-CD反应合成成功。
主体分子Alg-β-CD的1HNMR光谱图如图3所示。尽管β-CD环和藻酸盐骨架上的多糖-碳化物所表现出的质子共振基本上重叠在δ(ppm)＝3.4-4.0的范围内，但是在δ(ppm)＝5.0处的特征异头质子峰的出现清楚地表明β-CD接枝到海藻酸盐上。
(2)临界聚集浓度的测定
芘对于周围环境极其敏感，故常用作荧光探针检测表征大分子聚合物的微环境变化。图4为芘的5个电子振动峰随Alg-β-CD浓度变化的荧光光谱图。I1/I3的值随芘分子周围微环境的极性降低而减小，当疏水烷基基团驱使Ugi-Alg-β-CD自组装形成胶束时，I1/I3的值会明显减小。I1/I3随聚合物浓度变化的曲线图如图4-5(b)所示。随着Alg-β-CD浓度的升高，Alg-β-CD疏水基团在溶液内部逐渐形成胶束，芘分子进入疏水微区而极性降低，I1/I3的比值减小，I1/I3的比值由最初的1.8降低至0.85并达到一个平台。当Alg-β-CD浓度在0.2979g/L时，I1/I3发生突变，从而可知Alg-β-CD的临界聚集浓度为0.2979g/L，结果表明Alg-β-CD通过Ugi反应被赋予了良好的两亲性，同时证明Alg-β-CD改性成功。
2客体分子Azo-PEG的合成
2.1具体合成步骤
将1,2-二溴乙烷(28.34g，0.15mol)和无水K2CO3(8.29g，60mmol)加入到100mL乙醇溶剂中，并加热至75℃，在搅拌下滴加溶于50mL乙醇的4-苯偶氮基苯酚(Azo-OH，2g，10mmol)，在N2保护下回流8h。然后将反应物真空浓缩50％，超声后过滤沉淀，用石油醚洗涤3次，干燥后用大量水洗涤，干燥得到亮黄色固体(Azo-Br)。
称取mPEG(5.27g，2.6mmol)溶于100mL无水四氢呋喃中，加入NaH(180mg，7.5mmol)，在5℃下搅拌反应1h。然后将Azo-Br(0.8g，2.6mmol)的THF溶液逐滴加入到上述溶液中，搅拌过夜。反应液在60℃下旋干，溶于水透析2天后过滤，将滤液冷冻干燥后得到所需产物Azo-PEG。
其反应路径如下所示：
Figure BDA0001804220690000061
2.2客体分子Azo-PEG的表征
通过透析纯化所得客体分子Alg-CD用1H NMR分析表征，其1H NMR谱图如图5所示。由以上结果得出，每一步的产物经纯化后都得到目标产物，最终得到水溶性的偶氮苯类化合物Azo-PEG。
3基于主客体分子作用的Alg-β-CD/Azo-PEG/SiO2稳定的pickering乳液
3.1Pickering乳液的制备
将制得的Alg-β-CD和Azo-PEG溶于水中混合均匀，后加入纳米SiO2固体颗粒，高速剪切2min得到分散液，其中，以水相为计量基础，分散在水相中的二氧化硅的浓度为2wt％；分散在水相中的Alg-β-CD的浓度为1g/L；分散在水相中的Azo-PEG的浓度为2g/L。
然后以油水比为1:1的比例，取一定体积的石蜡油加入到Alg-β-CD/SiO2分散液中，使用乳化机，以22000r/min的转速乳化10min，静置得到Pickering乳液。
3.2pH和光刺激对本发明Pickering乳液的粒径影响
取实施例1制得的Pickering乳液进行本实验，其他实施例2-5制得pickering乳液与实施例1实验结果基本相同，本发明在此不赘述。
图6为由Alg-CD/Azo-PEG/SiO2稳定在不同pH下和有无UV光照下的形成的Pickering乳液的显微镜图片。由图中可以看出，随着pH的增加，乳液液滴的尺寸分布向较大液滴尺寸方向移动，其稳定性逐渐降低(图6(a,c,e))，说明本发明的Pickering乳液具有pH响应性。比较同一pH值下，UV光照后的乳液液滴粒径增大且变得不均匀，甚至出现破乳现象，说明本发明的Pickering乳液具有光响应性。
Pickering乳液的界面微观结构用CLSM表征。在乳化之前，将SiO2颗粒用罗丹明B进行荧光标记。获得的图像如图7所示。在CLSM图像中，油滴周围的鲜红色的圆环变得清晰可见，这表明荧光标记的SiO2颗粒吸附在油滴周围。随着pH由3.33增加到7.02，乳液的粒径逐渐增大，乳液体系稳定性降低，说明本发明的Pickering乳液具有pH响应性；同一pH下，UV光照之后的乳液液滴变大且有破乳的趋势，这与显微镜观察结果一致，说明本发明的Pickering乳液具有光响应性。
3.3pH和光刺激对本发明Pickering乳液的稳定性的影响
取实施例1制得的Pickering乳液进行本实验，其他实施例2-5制得pickering乳液与实施例1实验结果基本相同，本发明在此不赘述。
通过多重光散射仪对乳液体系的稳定性进行表征，结果如图8所示。图8(a-b)为乳液在不同pH下的TSI和ΔBS曲线图。由图8(a)看出，pH变化为3.33-7.02，随着pH的增加，乳液的TSI值逐渐增大，表明体系的稳定性逐渐降低；从乳液的背散射曲线得知(图8(b))，ΔBS值随pH的增加而降低，pH＝3.33时稳定的乳液拥有最小的ΔBS值且接近于-1.5％，说明得到了稳定的Pickering乳液。8(c-d)是在pH＝3.33的环境下对乳液进行UV光照前后的TSI和ΔBS曲线图。由8(c)看出，UV光照后同一时间的乳液的TSI值增加，乳液的稳定性降低；由8(d)得知，光照之后乳液的背散射光的变化值增大，也说明了乳液的稳定性降低。以上结果表明，Alg-CD/Azo-PEG/SiO2稳定的乳液具有pH和光响应性。
3.4pH和光刺激对本发明Pickering乳液的流变性的影响
取实施例1制得的Pickering乳液进行本实验，其他实施例2-5制得pickering乳液与实施例1实验结果基本相同，本发明在此不赘述。
通过流变仪对乳液的长期稳定性进行能量存储预测，图9为乳液的动态流变测量结果。样品的LVR在应变1％附近，故Pickering乳液的频率扫描测试是在1％的应变幅度下进行。如图9(b)所示的频率扫描测试图，无论频率如何，所有样品的G'均大于相应的G”，随着pH的增加，G'和G”均随之降低，乳液的刚性减弱，稳定性降低；在同一pH值下，经过UV光照之后的乳液形成弱凝胶状结构(G'>G”)且未出现交点，表现为纯弹性体系。光照不会改变角频率的趋势，但会降低G'和G”(图9(c-d))，表明乳液的黏弹性降低，削弱了三维网状结构的强度，降低了在油水界面形成的界面膜的弹性，这也表明，光照可以调控乳液的黏弹性。结果表明，pH＝3.33时，由本发明的Pickering乳液具有更强的三维网状结构，并且稳定的油水界面更有弹性，同时，UV光照之后的乳液黏弹性降低。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (7)

1.一种pickering乳液，其特征在于，所述乳液包括油水两相，其稳定剂为纳米二氧化硅、主体分子Alg-β-CD和客体分子Azo-PEG，所述油相与水相的体积比为1∶1-10，分散在水相中的二氧化硅的浓度为2wt%，分散在水相中Alg-β-CD的浓度为1g/L，分散在水相中Azo-PEG的浓度为2g/L，其中，所述Alg-β-CD结构式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，
所述Azo-PEG结构式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，
其中，Azo-PEG的结构式中的n为8-45；所述Alg-β-CD为海藻酸钠Alg、甲醛、单(6-氨基-6-去氧)-β-CD和环己基异腈按照Ugi反应合成的改性海藻酸钠。
2.根据权利要求1所述的pickering乳液，其特征在于，所述Azo-PEG为聚乙烯醇单甲醚改性反式偶氮苯制备得到。
3.根据权利要求1或2所述的pickering乳液，其特征在于，所述Alg-β-CD的分子量为≥3500。
4.根据权利要求1或2所述的pickering乳液，其特征在于，油相与水相的体积比为1∶1。
5.一种如权利要求1-4中任意一项所述的pickering乳液的制备方法，其特征在于，将主体分子Alg-β-CD、客体分子Azo-PEG和纳米二氧化分散在水相中，加入油相，乳化，即得。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，采用3000-30000rpm的速率进行乳化，均质时间为5-20min。
7.一种如权利要求1-4中任意一项所述的Pickering乳液的用途，其特征在于， 其用于生物医药、化妆品、食品、石油和废水处理领域。
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