农药剂型博客

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朱银燕^a  安学勤^a  李淑萍^a  张高勇^b

（a. 南京师范大学 化学与环境科学学院，江苏 南京 210097；

b. 武汉大学  化学与分子科学学院，湖北 武汉 430072）

摘要 在O/W型APG微乳液模板上,以明胶和阿拉伯树胶作为包裹材料,用复凝聚的方法制备纳米胶囊. 对影响纳米胶囊的合成条件进行了分析. 用粒度仪测定产物的粒径及其分布,用透射电镜观察产物的形貌. 结果表明,用复凝聚法在微乳中合成了粒度均匀,粒径30~100nm的球性纳米胶囊. 考察了微乳液的组成,高分子的浓度和复凝聚的条件对纳米胶囊性质的影响. 纳米胶囊对氯氰菊酯的包裹率较高,在60%以上. 本方法条件温和,操作简单,是一种新型的纳米胶囊合成技术.

关键词 微乳液, 复凝聚, 纳米胶囊, 模板合成, 粒径

纳米胶囊是微胶囊中具有纳米尺寸的新型材料. 由高分子形成的纳米胶囊相对于普通微胶囊具有突出优势和独特性能,已引起人们的广泛兴趣. 制备纳米胶囊的方法可以分为两类,第一类是在液滴周围通过单体的聚合得到聚合物纳米胶囊;第二类纳米胶囊是由高分子在液滴周围的沉积得到. 复凝聚制备微胶囊^[]在温和的条件下进行,因而在包裹活体细胞和活泼分子时有着巨大的优势^[],也可以避免界面聚合法中单体在聚合过程中与被包裹物反应造成药效降低的缺陷. 但是,通常复凝聚法制备微胶囊是在乳液中进行,产物粒径在几十个微米以上^[],这就限制了其应用范围.

这里将复凝聚法引入到微乳体系中,制备含氯氰菊酯的纳米胶囊. 氯氰菊酯是一种高效杀虫剂,对鸟类和哺乳动物的副作用小^[],但它对鱼类的毒性较大^[],将其微胶囊化可以降低其毒性^[]. 微乳液是自发形成的热力学稳定的分散体系,相对于乳液,微乳液的优势在于:(1)能量输入少;(2)体系更加稳定;(3)液滴均匀且尺寸小. 本文尝试以微乳液为模板,以明胶和阿拉伯树胶作为复凝聚的高分子材料,通过复凝聚的方法来合成含氯氰菊酯的纳米胶囊,并对制备条件进行了优化.

 

1 实验

1.1 试剂及仪器

C₁₀APG(癸基聚葡糖苷,平均组成为C₁₀G_1.47); 正丁醇,乙酸丁酯,水杨酸钠(均为上海国药集团化学试剂有限公司, AR); 明胶(上海国药集团化学试剂有限公司,CP), 阿拉伯树胶(药用,英国进口分装). 氯氰菊酯(苏州农药化工集团公司). 戊二醛(5％,天津精细化学品公司). 所用水均为二次重蒸水,并经0.2μm水系滤膜过滤除尘.

Zetasizer Nano ZS型粒度仪(PCS)(英国Marlvern公司),日立H-8100透射电子显微镜(日本日立公司), HAAKE RS600型流变仪(美国HAAKE公司), Beckman J2-21型高速冷冻离心机(美国Fullerton公司). SK3200H型高频超声波清洗器(上海科导超声仪器有限公司). 实验室PH计(上海雷磁仪器厂,PHSJ-4A型). 高效液相色谱仪[Waters 600高效液相色谱仪(美国),Waters 2487双波长紫外检测器,色谱柱(Diamonsil ODS23 4.6mm×250mm,C18). 流动相过滤器(Millipore公司)].

 

1.2 纳米胶囊的制备

微乳液按照不同组分比例配制后,用0.2μm的水系滤膜过滤除尘. 空白纳米胶囊按照下列方法得到,微乳液于40℃水浴中恒温,搅拌下滴加定量的10%明胶水溶液,再滴加等量的10%阿拉伯树胶水溶液,搅拌下缓慢滴加5%HAc调节pH值为4.0. 将整个系统冷却至4℃,加入少量5％戊二醛溶液固化,搅拌后,以5℃/min的速度升温至40℃. 用5%NaOH溶液调节体系pH值呈弱碱性. 溶液经过高速冷冻离心（16,000rpm, 30min, 5℃）分离,移去上层清液待用,下层固体分散在预先经过0.2μm水系滤膜过滤的0.2%的NaCl水溶液中,超声分散.

制备含氯氰菊酯的纳米胶囊,在配制微乳时,乙酸丁酯中加入氯氰菊酯作为油相. 其它步骤同上.

 

1.3 微乳和纳米胶囊的粒度及Zeta电位的测定

微乳液经过0.2μm的水系滤膜过滤, 用动态光散射测定微乳的粒径及其分布,测量时的粘度值采用流变仪测定的粘度. 微乳的每个组成配制3个样品,测量时重复4次,取平均值.

纳米胶囊样品分散在过滤后的0.2%的NaCl溶液中,超声分散后,进行粒径和Zeta电位的测定. 每个样品测量时重复4次,取平均值.

 

1.3 纳米胶囊对氯氰菊酯包裹率的测定

液相色谱条件: 流动相为乙腈/水=75/25(V:V),使用前分别用流动相过滤器除尘处理(0.45μm过滤膜,Millipore 公司),流速为2.0ml/min,紫外检测波长为200.0nm.

纳米胶囊样品经过高速离心分离后得到的上层清液,过滤后用高效液相色谱测定其中的氯氰菊酯的含量. 纳米胶囊对氯氰菊酯的包裹率,由下式得到:

氯氰菊酯包裹率=(氯氰菊酯总量—上层清液中含量) /氯氰菊酯总量´100%

 

2 结果和讨论

2.1 微乳的性质

以APG为表面活性剂,丁醇为助表面活性剂,质量比为4:1,乙酸丁酯作为油相,0.5mol/L水杨酸钠作为水相,40℃时在相图中作出O/W微乳区,如图1. 相图的绘制参照文献^[],用拟三元相图表示四组分体系的相行为,EM表示表面活性剂和助表面活性剂的总量. 环境温度在1-40℃之间变化和体系pH值在4.0-9.0之间的改变对O/W微乳区的影响不明显.

同时,乙酸丁酯中含10%的氯氰菊酯和含20%的氯氰菊酯的微乳区也进行了测定. 氯氰菊酯的加入缩小了O/W微乳区.

在相图中,两条线上代表着不同微乳组成的6个点被选择用以测定其性质,见表1. 其中ME1、ME2、ME3和ME4在一条线上,它们的油相在微乳中的含量不变,为5.0%,而表面活性剂的在微乳中的含量依次增加. ME5、ME2和ME6也在一条线上,它们的表面活性剂在微乳中的含量不变,为28.7%,而油相在微乳中的含量依次增加.

 

 

图1: 40℃时的拟三元相图,阴影区为O/W微乳区. 三条曲线对应于在油相中氯氰菊酯不同的含量: Ⅰ.不含氯氰菊酯; Ⅱ.10%氯氰菊酯 Ⅲ. 20%氯氰菊酯.

 

对不同组成的APG微乳的大小和Zeta电位进行了测定,见表1. 微乳液滴的大小测量结果有良好的重现性. APG的O/W型微乳的大小受到油和表面活性剂含量的影响. 当油在微乳中的含量不变,表面活性剂的总量在微乳中的含量增加时,微乳液的液滴减小. 而当表面活性剂的总量在微乳中的含量不变,油在微乳中的含量增加时,微乳的液滴变大,且变化值较大. 这些规律与文献^[]一致. 从微乳液滴的多分散系数(PDI)可以看到,微乳的粒径分布是均一的,PDI均在0.14以内,在单分散范围内. 这是以微乳液为模板制备粒度均匀的纳米胶囊的基础. 微乳液的Zeta电位值均为负值,电位在-2mv~-7mv之间.

 

表1: APG微乳的性质

微乳编号(见图1)	油含量（%）	表面活性剂的含量（%）	微乳的Z均粒径（nm）	PDI	微乳的Zeta电位（mv）
ME 1	5.0	22.0	10.23±0.22	0.129	-6.32±1.56
ME 2	5.0	28.7	9.58±0.14	0.132	-3.41±2.85
ME 3	5.0	38.0	8.79±0.11	0.135	-4.25±3.64
ME 4	5.0	46.0	7.83±0.08	0.113	-4.46±2.85
ME 5	1.2	28.7	6.99±0.09	0.092	-3.68±2.52
ME 6	8.0	28.7	13.15±0.16	0.081	-2.34±2.65

 

2.2 纳米胶囊的合成原理

复凝聚是一个受pH值影响的过程. 阿拉伯树胶总是带负电荷,而明胶是一种两性的聚合物,它的电荷是随着体系的pH值的改变而变化,在酸性条件下带正电荷,在碱性条件下带负电荷,当正负电荷平衡时达到等电点,如下列反应式:

 

　（1）

 测量不同pH值时明胶水溶液zeta电位,可以得到明胶的等电点,见图2,此时pH为4.94.

图2: 随着pH值增大, 1%明胶水溶液的Zeta电位从正值变为负值,明胶的等电点为pH＝4.94

 

在本体系中,加入明胶和阿拉伯树胶的微乳体系最初为弱碱性(pH约为8),此时明胶和阿拉伯树胶均带负电荷,没有凝聚现象. 加入HAc后,体系变为酸性(pH=4.0),明胶带正电荷,阿拉伯树胶带负电荷,这就促使明胶和阿拉伯树胶的复凝聚倾向于在带负电荷的微乳液滴上发生. 加入戊二醛固化后,就形成包裹内层油相的纳米胶囊.

 

2.3 合成条件的选择

2.3.1 反应温度的选择

在微乳(ME2)体系中,不同的反应温度(30℃,40℃和50℃)时,纳米胶囊的产率分别为21.3%, 34.5%和35.6%,其中40℃和50℃的产率接近. 在40℃下反应更有利于微乳液的稳定,所以反应温度选择为40℃.

 

2.3.2复凝聚pH值范围的确定

通过测量在不同pH值下的1％明胶水溶液,1％阿拉伯树胶水溶液和两者的混合物Zeta电位,确定进行复凝聚的pH值范围.

在pH＝8.0时,1％明胶水溶液和1％阿拉伯树胶水溶液的混合物,呈清液状,Zeta电位有两个峰,见图3(a),分别对应于在此pH值下单独的1％明胶水溶液和1％阿拉伯树胶水溶液的Zeta电位的峰值. 这表明在此pH值下,混合溶液中的明胶和阿拉伯树胶均带负电荷,两者之间没有发生吸引.

缓慢加入HCl溶液,溶液pH值到达4.8,明胶和阿拉伯树胶的水溶液混合物,呈清液状,其Zeta电位仅有一个峰值,见图3(b),位于此pH值下单独的明胶水溶液和阿拉伯树胶水溶液的Zeta电位的峰值之间. 这表明在此pH值下,混合溶液中的明胶和阿拉伯树胶带相反的电荷,两者之间发生吸引,产生复凝聚.

进一步加入HCl溶液,溶液pH值达到3.9时,明胶和阿拉伯树胶的水溶液混合后,体系立刻呈浑浊状,有絮状物出现. 此pH值下,混合溶液中的明胶带较大的正电荷,与阿拉伯树胶带电荷相反,见图3(c). 此时两者之间的复凝聚速度太快,不适宜制备纳米胶囊. 因此,用复凝聚法制备纳米胶囊合适的pH值范围是3.9到4.8之间.

纳米胶囊的产率与聚合物的带电量有关^[12],在此pH值范围内, pH值为4.0时,明胶带电量最大,这时得到最大的产率.

图3: 1％的明胶水溶液(●),1％阿拉伯树胶水溶液(▲)和两者的混合物(□),在pH分别为8.0(a),4.8(b),3.9(c)时的Zeta电位.

 

2.3 纳米胶囊的表征分析

图4为用PCS测定的纳米胶囊粒径及其分布. 纳米胶囊的粒径分布较窄,但与相应的微乳的大小分布相比则大了不少.

 
图4: PCS测定的纳米胶囊粒径分布,在O/W微乳ME6中得到的纳米胶囊的Z均粒径为: 101.3(nm

 

图5为纳米胶囊的透射电镜图,纳米胶囊样品分散在NaCl溶液中,在电镜制样时未进行负染色处理. 纳米胶囊粒度均匀,呈分散状态,没有聚集重叠.

 图5 纳米胶囊的透射电镜图片, 在微乳ME1中合成得到的纳米胶囊,

 

纳米胶囊表面带负电荷,Zeta电位在-18mv和-28mv之间. 由于复凝聚时的pH为4.0,溶液中阿拉伯树胶所带负电荷较大,同时微乳液滴带负电荷,所以纳米胶囊的表面带负电荷. 纳米胶囊可以较稳定地分散在NaCl溶液中而不发生团聚. 合成过程中明胶和阿拉伯树胶的总量对纳米胶囊的Zeta电位大小没有明显影响.

 

 

2.4微乳的组成对纳米胶囊粒径的影响

作为合成模板的微乳液,其组成对纳米胶囊大小影响较大,纳米胶囊的粒径变化趋势同微乳液滴大小的变化趋势一致,见表2. 表面活性剂的总量在微乳中的含量增加时,纳米胶囊的粒径减小; 油在微乳中的含量增加时,纳米胶囊的粒径随之较快增大. 这表明明胶和阿拉伯树胶在溶液中的复凝聚的过程是以起始的微乳液滴作为合成模板.

 

 

表2: 纳米胶囊的粒径及其分布的影响因素

微乳编号(见图1)	纳米胶囊的 Z均粒径(nm)	PDI
ME 1	67.8±8.4	0.248
ME 2	49.4±8.8	0.181
ME 3	41.3±6.7	0.214
ME 4	42.5±5.8	0.231
ME 5	40.6±8.6	0.254
ME 6	101.3±15.5	0.146

 

 

2.5 氯氰菊酯的包裹率

氯氰菊酯在纳米胶囊中的包裹率用液相色谱进行测定,结果见表3. 复凝聚法得到的纳米胶囊对氯氰菊酯的包裹率较高,在60%以上. 氯氰菊酯在乙酸丁酯中含量对它在纳米胶囊中包裹率影响不大. 增加明胶和阿拉伯树胶在体系中的浓度,将增大氯氰菊酯包裹率. 由于增加聚合物浓度将增大纳米胶囊的厚度,这也使纳米胶囊的结构更加紧密,从而增大氯氰菊酯的包裹率.

 

表3: 纳米胶囊对氯氰菊酯的包裹率

 

微乳编号(见图1)	乙酸丁酯中氯氰菊酯的含量（%）	明胶和阿拉伯胶在溶液中的浓度(%)	对氯氰菊酯的包裹率（%）
ME 1	5	0.7	64.3
ME 1	10	0.7	66.5
ME 1	5	1.2	73.5
ME 1	10	1.2	76.3

 

 

3 结论

利用微乳液作为模板,以明胶和阿拉伯树胶作为包裹材料,用复凝聚的方法合成纳米胶囊的方法是非常有效的. 可以得到尺寸分布均匀,平均粒径较小的纳米胶囊. 通过微乳组成和聚合物加入量的改变可以实现对纳米胶囊粒径的调节. 这种新型的方法不需要消耗很大能量,条件温和,为农药和药物的纳米胶囊化提供了新的途径.