王彥霞， 萬(wàn)宗華， 柴志華

(華北科技學(xué)院，北京 東燕郊 101601)

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含二硫鍵的硼酸酯交聯(lián)納米粒子的制備研究

王彥霞， 萬(wàn)宗華， 柴志華

(華北科技學(xué)院，北京 東燕郊 101601)

本文首先制備含硼酸的單體3-甲基丙烯酰胺基苯硼酸(MAPBA)，并采用可逆加成-斷裂鏈轉(zhuǎn)移活性自由基聚合(RAFT)制備含硼酸的均聚物聚(3-丙烯酰胺基苯硼酸)(PMAPBA)。接著通過(guò)殼聚糖(CS)與N-乙酰基-L-半胱氨酸(NAC)反應(yīng)制備巰基功能化的殼聚糖(CS-NAC)。最后，將PMAPBA與CS-NAC在氧氣環(huán)境下組裝制備含二硫鍵的硼酸酯交聯(lián)納米粒子，發(fā)現(xiàn)納米粒子呈球形，隨CS-NAC濃度的增加，其粒徑及zeta電位增加，且所有的納米粒子具有比較均一的尺寸。

硼酸；可逆加成-斷裂鏈轉(zhuǎn)移活性自由基聚合；二硫鍵；納米粒子

0 引言

許多研究者通過(guò)獨(dú)特的分子間相互作用(如：氫鍵相互作用、酸堿相互作用、正負(fù)離子相互作用等)來(lái)制備自組裝材料，這是因?yàn)樵擃惒牧显谒幬飩鬟f、生物材料、膜分離技術(shù)等諸多方面有重要的用途[1-3]。近年來(lái)，硼酸及其衍生物與含二醇的化合物之間的相互作用成為研究的熱點(diǎn)[4]，硼酸及其衍生物可以快速可逆地與二醇基團(tuán)形成低能量的環(huán)狀硼酯鍵，因此該反應(yīng)可以精確控制產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)[5]。

含糖化合物含有豐富的羥基，因此其可以和硼酸反應(yīng)。與人工合成的含糖化合物相比，天然多糖往往更受藥劑學(xué)研究者的青睞，這是因?yàn)樘烊欢嗵谴蠖喽拘缘?、低成本、易得到、可生物降解。在諸多天然多糖中，一種由甲殼素去乙酰化得到的弱堿性的多糖-殼聚糖具有很多有用的生物學(xué)特性(生物相容性、生物可降解性、生物活性等)[6,7]。許多傳統(tǒng)使用的殼聚糖分子量一般比較大，因此大都僅能溶解在pH = 4的酸性溶液中，進(jìn)而限制了其應(yīng)用范圍。低分子量的殼聚糖具有許多潛在的應(yīng)用價(jià)值，這是因?yàn)槠淇梢栽诮咏韕H條件下溶解。殼聚糖不僅含有羥基而且含有胺基，因此其可以和硼酸發(fā)生可逆反應(yīng)，這樣不需要使用任何催化劑親水性的殼聚糖就能被修飾上疏水性的硼酸化合物[8]。因此，通過(guò)硼酸相關(guān)的反應(yīng)制備基于殼聚糖的自組裝材料將更簡(jiǎn)單可控，而且所產(chǎn)生的硼酯鍵可以提高組裝材料的穩(wěn)定性。此外，二硫鍵交聯(lián)的納米材料在生物醫(yī)用領(lǐng)域也有重要的用途。二硫鍵是一種可被還原的化學(xué)鍵，它在細(xì)胞外可以穩(wěn)定存在，一旦進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)將被還原，這是因?yàn)榧?xì)胞內(nèi)外還原劑谷胱甘肽的濃度不同。

因此，本文構(gòu)建了含硼酸的單體MAPBA，并通過(guò)RAFT聚合制備含硼酸的均聚物PMAPBA，同時(shí)通過(guò)CS與NAC反應(yīng)制備巰基功能化的殼聚糖CS-NAC。由于硼酸與二醇的相互作用及巰基的可氧化性，設(shè)計(jì)了PMAPBA與CS-NAC組裝的納米粒子，并研究納米粒子的形貌，CS-NAC的濃度對(duì)納米粒子的粒徑、粒徑分布及zeta電位的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原料與設(shè)備

間氨基苯硼酸(分析純，南京康滿林化工實(shí)業(yè)有限公司)；偶氮二異丁睛(AIBN，分析純，天津市科匯達(dá)化工有限公司)；殼聚糖(CS,Mw = 20000，脫乙酰度86%，浙江玉環(huán)縣海洋生物有限公司)；N-乙?；?L-半胱氨酸(NAC，純度99%，F(xiàn)luka)；1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亞胺鹽酸鹽(EDC·HCl，純度99%，Sigma產(chǎn)品；1-羥基-苯并-三氮唑(HOBt，純度99%，上海延長(zhǎng)生化科技有限公司)；其它試劑均為分析純，使用前未經(jīng)過(guò)處理。

1.2 3-甲基丙烯酰胺基苯硼酸(MAPBA)的合成

將10 mL丙烯酰氯(100.0 mmol)在攪拌下逐漸滴入間氨基苯硼酸(10 g, 64.4 mmol)和NaOH(50 mL, 129.1 mmol)的冷溶液中，滴加時(shí)長(zhǎng)為30 min，然后在冰鹽浴中繼續(xù)攪拌30 min。撤去冰鹽浴，在室溫下再攪拌2 h。所得的混合物溶液用1 M HCl調(diào)至pH=8，沉淀析出，過(guò)濾，用50 mL冷水洗滌5次。真空干燥后將產(chǎn)物溶解到150 mL 5%(V/V)的熱乙醇水溶液中，用濾紙過(guò)濾除去不溶物。濾液在4℃下靜置過(guò)夜，最終得到淺褐色針狀晶體，過(guò)濾，冷凍干燥。產(chǎn)率：45.2%。

1.3 均聚物聚(3-丙烯酰胺基苯硼酸)(PMAPBA)的合成

在50 mL的schlenk瓶中加入單體MAPBA(2.4 mmol)，鏈轉(zhuǎn)移劑三硫代碳酸酯(DMP，40 μmol)和引發(fā)劑AIBN(10.0 μmol)，然后再加入1.0 mL 混合溶劑DMF/H2O(19 ∶1, v ∶v)使上述固體溶解。用橡膠塞塞緊瓶子，通氮?dú)?0 min脫氧，然后將schlenk瓶轉(zhuǎn)移至70℃水浴中反應(yīng)10 h。停止加熱，將schlenk瓶放入冰水浴中5 min以終止聚合。將反應(yīng)液濃縮除去溶劑，然后用少量甲醇溶解，用乙酸乙酯做沉淀劑進(jìn)行沉淀，得到的固體用丙酮洗滌3次除去未反應(yīng)的單體，真空干燥，然后溶于二氧六環(huán)和水的混合溶劑中，進(jìn)行冷凍干燥保存。產(chǎn)率：80.4%。合成示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 PMAPBA的合成示意圖

1.4 殼聚糖-N-乙酰-L-半胱氨酸偶合物(CS-NAC)的合成

將500 mg CS與適量HOBt分散于46 vmL去離子水中，攪拌直至形成透明溶液。加入一定量的NAC，待完全溶解后，逐滴加入EDAC水溶液(4 mL)，用1 mol/L NaOH調(diào)節(jié)pH至4.0～6.0并保持恒定，于室溫下攪拌3 h。取出反應(yīng)液，于4℃避光條件下用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2% 的乙二胺四乙酸二鈉的鹽酸(5 mmol/L)溶液透析1次，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的NaCl的鹽酸(5 mmol/L)溶液透析2次，再用1 mmol/L鹽酸溶液透析2次，每次透析時(shí)間均為12 h。冷凍干燥后得到淡黃色纖維狀巰基聚合物，密封后于4℃保存?zhèn)溆?。合成示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 CS-NAC的合成示意圖

1.5 二硫鍵交聯(lián)納米粒的制備

首先，配制不同濃度的CS-NAC水溶液(0.1、0.2、0.3、0.4 mg/mL)，并將5.0 mg的PMAPBA溶于500 μL的無(wú)水甲醇中制備10 mg/mL的PMAPBA溶液。接著，將1.0 mL上述不同濃度的CS-NAC溶液中放置在2.0 mL離心管中，在超聲的同時(shí)將50 μL的PMAPBA溶液慢慢加入到CS-NAC溶液中。滴加結(jié)束后，將初步得到的乳白色納米粒懸浮液，繼續(xù)在超聲環(huán)境下超聲五分鐘。

1.6 儀器及測(cè)試

Varian UNITY-plus 400核磁共振波譜儀(美國(guó))；Malvern Nano ZS90 動(dòng)態(tài)光散射儀(英國(guó))。Philips EM400ST 透射電鏡(荷蘭)

2 結(jié)果與討論

2.1 PMAPBA的表征

2.1.1 MAPBA的核磁共振氫譜

如圖3所示，單體MAPBA上甲基的質(zhì)子峰出現(xiàn)在1.9 ppm處，乙烯基的質(zhì)子峰出現(xiàn)在5.8和5.5 ppm處，苯環(huán)的質(zhì)子峰在7.9～7.2 ppm范圍內(nèi)，羥基的質(zhì)子峰出現(xiàn)在8.0 ppm處，亞胺基的質(zhì)子峰在9.6 ppm處。以上結(jié)果證實(shí)，MAPBA的成功制備。

圖3 MAPBA的核磁共振氫譜

2.1.2 PMAPBA的核磁共振氫譜

圖4為均聚物PMAPBA的核磁共振氫譜圖。從圖中可以看出，PMAPBA聚合物主鏈上甲基、亞甲基的質(zhì)子峰出現(xiàn)在1.0～2.4 ppm范圍內(nèi)，PMAPBA中苯環(huán)的質(zhì)子峰在6.9～8.0 ppm。同時(shí)，我們可以發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)在單體MAPBA中的5.8和 5.5 ppm處的乙烯基質(zhì)子峰在PMAPBA聚合物的核磁氫譜中并沒(méi)有出現(xiàn)，說(shuō)明了PMAPBA聚合物的成功制備。

圖4 PMAPBA的核磁共振氫譜

2.2 CS-NAC的表征

從CS-NAC的核磁共振氫譜圖(圖5)可知，與CS相比，CS-NAC在2.9 ppm處新增一明顯的特征峰，它是與巰基相連的亞甲基峰，而在2.0～2.1 ppm 處的甲基峰顯著增強(qiáng)，也說(shuō)明NAC已與殼聚糖發(fā)生偶合作用(NAC中也含有甲基)。

圖5 CS-NAC的核磁共振氫譜

2.3 二硫鍵交聯(lián)納米粒的表征

將上述不同濃度的CS-NAC與固定濃度的PMAPBA制備成納米溶液。納米粒子的形成原因有兩方面，一方面是PMAPBA中的硼酸基團(tuán)和CS-NAC中糖環(huán)上的羥基或胺基基團(tuán)相互作用從而產(chǎn)生交聯(lián)，另一方面，CS-NAC上的巰基基團(tuán)可在氧氣的作用下發(fā)生交聯(lián)作用。通過(guò)動(dòng)態(tài)光散射儀測(cè)定其粒徑(DH)、粒徑分布(PDI)和zeta電位，得到數(shù)據(jù)如下表1所示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，隨著CS-NAC濃度從0.1 mg/mL增加到0.4 mg/mL，所制得的納米粒子的粒徑DH從199.9 nm增加到278.3 nm，但是納米粒子的粒徑增大到270.0 nm左右后，增大的幅度變緩，0.4 mg/mL的CS-NAC制備的納米粒子僅比0.3 mg/mL的CS-NAC制備的納米粒子的粒徑大7.0 nm。所制得納米粒子的zeta電位值約為30 mV，且隨著CS-NAC濃度的增加，所制得納米粒的粒徑zeta電位值變大，這是因?yàn)镃S-NAC表面帶有大量的胺基，它是帶正電荷的。所有納米粒子的PDI均在0.2左右，表明納米粒的粒徑分布比較均勻。此外，當(dāng)CS-NAC濃度為0.2 mg/mL時(shí)，制備透射電鏡樣品，觀察納米粒子的形貌。如圖6所示，納米粒子呈現(xiàn)球形，且透射電鏡測(cè)定的粒徑值明顯比動(dòng)態(tài)光散射儀測(cè)定的粒徑值要小，這是因?yàn)橥干潆婄R樣品是在干態(tài)下測(cè)定的，而動(dòng)態(tài)光散射儀樣品是在溶液狀態(tài)測(cè)定。

表1 不同濃度CS-NAC所制得的納米粒子的DH、PDI、Zeta電位

CS-NAC(mg/mL)DH(nm)PDIZeta(mV)0 10 20 30 4199 9±6 616255 8±5 142271 9±3 320278 3±2 7150 165±0 0480 211±0 0140 238±0 0320 232±0 03024 1±0 96427 1±0 28929 9±0 28933 3±0 208

圖6 納米粒子的透射電鏡圖(CS-NAC的濃度為0.2 mg/mL)

3 結(jié)論

本文分別制備含硼酸的均聚物PMAPBA和巰基功能化的殼聚糖CS-NAC。將PMAPBA與CS-NAC在氧氣環(huán)境下組裝制備含二硫鍵的硼酸酯交聯(lián)的納米粒子，該類納米粒子是具有均一的尺寸的球形結(jié)構(gòu)，且隨CS-NAC濃度的增加，納米粒子的粒徑及zeta電位增加。

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Preparation of boronate crosslinked nanoparticles with disulfide bonds

WANG YAN-xia,WAN Zong-hua,CHAI Zhi-hua

(NorthChinaInstituteofScienceandTechnology，Yanjiao， 101601，China)

In this paper, firstly, poly(3-methacrylamido phenylboronic acid) (PMAPBA) homopolymer were prepared successfully by reversible addition fragmentation chain transfer polymerization (RAFT). Secondly, chitosan-N-acetyl-L-cysteine (CS-NAC) was achieved by the covalent attachment ofN-acetyl-L-cysteine (NAC) to the amine groups of chitosan (CS). Lastly, the boronate crosslinked nanoparticles containing disulfide bonds were formed by the assembly of PMAPBA and CS-NAC under oxygen atmosphere. The results indicated the nanoparticle size and zeta potential increased with the CS-NAC concentration increased. The resulted nanoparticles had a very narrow and monadal size distribution.

boronic acid; reversible addition fragmentation chain transfer polymerization; disulfide bond; nanoparticles

2016-02-13

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)(3142015080)

王彥霞( 1987- ) ，女，山東臨沂人，博士，華北科技學(xué)院環(huán)境工程學(xué)院副教授，研究方向: 納米材料。E-mail: wanglele-108@163.com

TB383

A

1672-7169(2016)02-0085-05