CN113842375A - 一种具有梯度囊壁结构的微胶囊及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有梯度囊壁结构的微胶囊及其制备方法，通过使用过量交联剂和工艺控制，制备获得具有梯度囊壁结构的微胶囊，梯度囊壁结构的特点为由内至外硬度增加，这是因为由外至内，交联程度不同所致。最外层最先与戊二醛反应，交联程度最高，形成较为坚硬交联壳结构，而越靠近芯材内部，交联程度降低，囊壳强度降低，因此，形成梯度硬度的微胶囊壳结构；微胶囊外壳强度较大，内部强度降低，具有较高的强度、韧性和弹性，有利于在微胶囊的应用过程中，保持良好的形貌以及稳定性，避免囊芯物质泄露，有效保护囊芯，使囊芯缓慢释放，延长囊芯活性和效力。

Description

一种具有梯度囊壁结构的微胶囊及其制备方法

技术领域

本发明涉及微胶囊制备技术领域，尤其涉及一种包油型微胶囊及其制备方法。

背景技术

海藻酸钠是从褐藻类的海带或马尾藻中提取碘和甘露醇之后的副产物，是一 种天然线性阴离子聚合物多糖，主要由海藻酸的钠盐组成，是海藻酸的一种主要 商业化品。现有技术中，利用海藻酸钠水凝胶和SIS复合作为支架材料，接种软 骨细胞构建组织工程软骨修复兔全层关节软骨缺损的效果。通过对适龄兔子进行 随机分为实验组和对照组，实验组将复合材料置于缺损处,表面缝合覆盖一层SIS 薄膜将缺损完全填充；对照组以单纯海藻酸钠水凝胶填充、覆盖SIS薄膜缝合。实 验结果表明，海藻酸钠和SIS复合材料具有促进软骨组织再生的功能。

壳聚糖水凝胶由于具有一定的抗菌性，常常用于创伤敷料。许为康等人以硝 酸银、聚乙二醇和壳聚糖为原材料采用缩醛化反应制得含纳米银/聚乙二醇的壳 聚糖/聚乙醇酸海绵,检测材料的性能与结构。结果与结论:制得的海绵可以释放出 的纳米银粒子具有良好的抗菌性能，使得该海绵具有良好的抗菌性能。表明该敷 料物理性能好，生物相容性及杀菌效果好。

现有技术中制备微胶囊所采用的囊壁材料的性能决定了微胶囊的具体应用 方式，如何制备机械性能优良的囊壁材料成为本领域技术人员亟待解决的技术问 题。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足，而提出一种具有梯度囊壁结 构的微胶囊及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明提供一种具有梯度囊壁结构的微胶囊，包含壁材 和油性囊芯物质，其特征在于，所述壁材为戊二醛交联壳聚糖/海藻酸钠后形成 的聚合物，所述聚合物的化学结构式如式(I)所示：

本发明还提供一种具有梯度囊壁结构的微胶囊的制备方法，具体包括如下步 骤：

a.将海藻酸钠溶解于醋酸溶液中，得到海藻酸钠溶液；

b.将壳聚糖溶于醋酸溶液中，得到壳聚糖溶液；

c.将脂肪酸蔗糖酯溶于油性囊芯物质中，得到油性混合溶液；

d.将步骤c的油性混合溶液加入到步骤b的壳聚糖混合溶液中，充分乳化， 得到混合乳液；

e.向步骤d的混合乳液加入醋酸溶液进行稀释；

f.将步骤a的海藻酸钠溶液滴加至步骤e的乳液中，在25-30℃温度条件下 边搅拌边滴加；

g.在步骤f的反应体系中加入氯化钙溶液，当溶液中有不溶物出现时，停止 滴加，反应完全；

h.向步骤g的反应体系中加入过量的戊二醛水溶液，反应完全，得到具有梯 度囊壁结构的微胶囊。

优选地，所述油性囊芯物质为玉米油、橄榄油、大豆油、鱼油、油性香精、 油性益生菌中的一种或几种。

优选地，所述步骤c具体包括：脂肪酸蔗糖酯与油性囊性物质在25-30℃温 度下，800rpm搅拌5-10min。

优选地，所述步骤d具体包括：乳化温度为25-30℃，乳化时间为30min， 搅拌速度为600-800rpm。

优选地，所述步骤f具体包括：将步骤a的海藻酸钠水溶液滴加至步骤e的 混合乳液中，在温度为25-30℃条件下边搅拌边滴加，滴加速度控制为1mL/min， 搅拌速度为800rpm，调节pH值为5.5，反应60min。

优选地，所述步骤g中氯化钙溶液的浓度为0.3-0.4mol/L，控制氯化钙溶液 的滴加速度为1mL/min，当溶液中有不溶物出现时，停止滴加，50℃固化反应 30min。

优选地，所述步骤h中戊二醛溶液质量分数为25％。

优选地，所述步骤h后还包括向反应体系中加入去离子水进行抽滤，洗涤， 以除去未反应的戊二醛，得到具有梯度囊壁结构的微胶囊。

优选地，以质量分数计算，各组分的配比为：海藻酸钠60-70份，壳聚糖60-70 份，油性囊芯物质8-15份，脂肪酸蔗糖酯0.3-0.6份，氯化钙15-30份，戊二醛 7-10份。

与现有技术相比，本发明的有益效果是:本发明通过使用过量交联剂和工艺 控制，制备获得具有梯度囊壁结构的微胶囊，梯度囊壁结构的特点为由内至外硬 度增加，这是因为由外至内，交联程度不同所致。最外层最先与戊二醛反应，交 联程度最高，形成较为坚硬交联壳结构，而越靠近芯材内部，交联程度降低，囊 壳强度降低，因此，形成梯度硬度的微胶囊壳结构；微胶囊外壳强度较大，内部 强度降低，具有较高的强度、韧性和弹性，有利于在微胶囊的应用过程中，保持 良好的形貌以及稳定性，避免囊芯物质泄露，有效保护囊芯，使囊芯缓慢释放， 延长囊芯活性和效力。

附图说明

图1为实施例2壳聚糖、海藻酸钠溶液pH值和对应的电导率图。

图2为实施例2氯化钙浓度对电导率峰值的影响图。

图3为实施例2氯化钙浓度对电导率变化值的影响图。

图4为实施例1制备得到的微胶囊的结构示意图。

图5为壳聚糖、海藻酸钠和实施例1制备的微胶囊热重曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、完整地说明。

实施例1具有梯度囊壁结构的微胶囊的制备

本实施例对具有梯度囊壁结构的微胶囊的详细制备方法说明如下：

a.称取一定质量的海藻酸钠，加入100mL去离子水和1mL醋酸溶液，搅 拌溶解，溶胀8小时，得到海藻酸钠溶液；

b.称取一定质量的壳聚糖，加入100mL去离子水和1mL醋酸溶液，搅拌 溶解完全，得到壳聚糖混合溶液；

c.在三口烧杯中加入一定质量的油性物质和乳化剂脂肪酸蔗糖酯，在室温 下，800rpm搅拌速度下搅拌5min；得到油性混合溶液；

d.将步骤c的油性混合溶液加入到步骤b的壳聚糖混合溶液中，室温下， 800rpm搅拌30min，得到混合乳液；

e.在三口烧饼中加入30mL水，滴加0.3mL醋酸，将海藻酸钠溶液、壳聚糖混 合溶液和混合乳液分别滴加至三口烧瓶中，温度为室温，滴加速度为1min滴加 1mL，搅拌速度为800rpm，调节pH值为5.5，复凝聚反应60min；在pH为5.5 的酸性介质中，壳聚糖上的游离氨基质子化形成-NH₃ ⁺，分子链上带大量正电荷， 而海藻酸钠分子上存在带大量负电荷的羧基，由此，壳聚糖与海藻酸钠在一定 pH下，由于正负电荷之间的静电相互作用，形成聚电解质膜，从而发生复凝聚 作用，使微胶囊稳定性提高；

本步骤中，壳聚糖与海藻酸钠静电相互作用反应式如下所示：

f.向反应体系中加入0.3604mol/L的氯化钙溶液，滴加速度为1mL/min，当 溶液中有不溶物出现时，停止滴加，控制温度50-60℃固化反应30min；海藻酸 钠G段上的Na⁺与Ca²⁺发生离子交换，形成“蛋盒”结构的水凝胶，氯化钙通过与 海藻酸钠上的羟基、氨基以及糖苷键产生配位作用形成“蛋盒”结构；

本步骤中，海藻酸钠与氯化钙反应过程的反应式如下所示：

g.向步骤f的反应体系中反加入过量的25％戊二醛溶液，戊二醛与壳聚糖 上的游离氨基和羟基反应，室温下固化20min，得到壳聚糖/海藻酸钠微胶囊， 该微胶囊的壳结构特点为由内至外硬度增加，这是因为由外至内，交联程度不同 所致。最外层最先与戊二醛反应，交联程度最高，形成较为坚硬交联壳结构，而 越靠近芯材内部，交联程度降低，壳强度降低，因此，形成梯度硬度的微胶囊壳 结构；

本步骤中，戊二醛与壳聚糖交联反应得到的结构式如下所示：

h.所述步骤g后还包括向反应体系中加入去离子水进行抽滤，洗涤，以除 去未反应的戊二醛，得到具有梯度囊壁结构的微胶囊。

实施例2等电点及电导率测定

实验采用1.0％的NaOH溶液和HCl溶液调节待测溶液的pH值，使用酸度测 定仪测量溶液pH值，同时使用电导测试仪测量溶液电导率变化，得到待测溶液 pH值和电导率的关系。

称取海藻酸钠1.00g加入烧杯中，加入100mL去离子水放置于集热式恒温 加热磁力搅拌器中，水浴温度为60℃，磁力搅拌150rpm搅拌至充分溶解，自 然冷却至气泡消失，记为1％海藻酸钠溶液，相同条件配制5份备用，自然条件 下溶胀8h备用。取200mL烧杯，加入100.0mL 1％醋酸溶液，水浴50℃恒温 加热，搅拌速度为200rpm，称取壳聚糖1.00g加入烧杯中，滴加1.00mL，搅拌 至溶解，得到1.0％壳聚糖溶液，相同条件配制5份备用。

取50.0mL，1.0％壳聚糖溶液至100mL烧杯，使用1.0％HCl溶液逐渐调节 pH值至3.0，每5滴记录pH值和电导率的关系。另取50.0mL，1.0％壳聚糖溶 液至100mL烧杯，使用1.0％NaOH溶液逐渐调节pH值至11.0，每5滴记录pH 值和电导率的关系。相同条件下测量1.0％海藻酸钠pH值和电导率的关系。

取45.0mL，1.0％壳聚糖溶液和5.0mL，3.0％CaCl₂溶液至100mL烧杯， 使用1.0％HCl溶液逐渐调节pH值至3.0，每5滴记录pH值和电导率的关系。 另取50.0mL，1.0％壳聚糖溶液至100mL烧杯，使用1％NaOH溶液逐渐调节pH 值至11.0，每5滴记录pH值和电导率的关系。相同条件下测量40.0mL1.0％壳 聚糖溶液和10.0mL，1.0％CaCl₂混合溶液，25.0mL，1.0％壳聚糖溶液和25.0mL， 1.0％CaCl₂混合溶液，20.0mL，1.0％壳聚糖溶液和30.0mL，1.0％CaCl₂混合溶 液pH值和电导率的关系。

通过实验测得的壳聚糖、海藻酸钠溶液pH值和对应的电导率做图，如附 图1所示。从图1中可以看出，海藻酸钠溶液电导率在pH值大于4.7时，海 藻酸钠溶液导电率随着pH值增加而升高，而且溶液导电率变化较大，说明溶 液中海藻酸钠中-COOH基团不断地解离，-COO^-数量增加；pH值为3-4.1时， 海藻酸钠溶液导电率降低幅度小于pH值大于4.7-7区间，这是由于调节pH 值过程中H⁺和Cl^-数量增加导致溶液导电率增加，-COO^-转变成-COOH能力降低， 所以可以确定海藻酸钠的等点电在pH为4.1-4.7区间，此时的海藻酸钠溶液中 -COO^-接近最小值，pH值进一步降低只有极少量-COO^-转变成-COOH，海藻酸钠 分子保持中性，pH值大于这个区间则会有大量-COOH基团不断地解离成-COO^-， 因此海藻酸钠分子带负电荷。

壳聚糖分子中含有-NH₂，基团在酸性环境中会被质子化形成-NH₃ ⁺离子，从 而在酸性条件下会溶解，溶液导电率升高，从图1中可以看出，pH小于6时， 随着pH值降低，壳聚糖溶液导电率升高，溶液导电率变化较大，说明溶液中壳 聚糖数量增加，质子化形成的-NH₃ ⁺离子增加。pH在6-6.7区间时，溶液导电率 变化较小，说明此时壳聚糖溶液中壳聚糖数量没有明显变化，达到饱和状态。pH 大于6.7时，随着pH值增加，导电率增加较缓慢，这是调节pH值过程中-OH^-和Na⁺数量增加导致溶液导电率增加的原因，但增加幅度对比pH 6以下导电率减 少的幅度可以忽略，所以可以确定壳聚糖的等点电在pH为6-6.7区间,在这个区 间以下，壳聚糖分子因为存在大量的-NH₃ ⁺带有正电荷，在这个区间以上，壳聚 糖分子因为溶解性降低析出，保持中性。

通过在壳聚糖溶液中加入不同浓度的CaCl₂，测试其电导率做图，得到CaCl₂浓度对电导率峰值的影响图如附图2所示，CaCl₂浓度对电导率变化值的影响图 如附图3所示，从图2和图3可以发现，不加CaCl₂的壳聚糖溶液的等电点 pH＝5.5，在不改变体积的条件下增加CaCl₂的含量，不会改变溶液的等电点，但 溶液导电率峰值增大，溶液导电率峰值随CaCl₂在溶液中的比例增加的变化趋势 见图2，可以证明在溶液体积不变条件下，混合溶液中Cl^-和Ca²⁺离子溶度增加 可以使电导率峰值增大。

从图3可以看出，混合溶液中Cl^-和Ca²⁺离子浓度增加，电导率峰值到电 导率最小值之间的差值同样存在差距，随着混合溶液中Cl^-和Ca²⁺离子浓度增加， 电导率变化值先上升后下降，在壳聚糖与氯化钙质量比为1:0.5时达到最高值， 在该比例条件下，CaCl₂在一定程度上促进壳聚糖电离，在复凝聚法制备凝胶过 程中，能够促进反应的进行。在壳聚糖与氯化钙比例大于1时，在pH＝4-10区 间内，溶液的电导率变化相比单组份壳聚糖溶液较为平缓，电导率差值较小，原 因是混合溶液中壳聚糖占比减少，Cl^-和Ca²⁺离子导电性能较强，因此电导率变 化相对较小，高浓度的氯化钙可能不利于复凝聚法的进行。

正是通过本实施例2等电点及电导率的实验测定，实现将实施例1的步骤e 中的反应条件控制，将步骤a的海藻酸钠水溶液和步骤d的混合乳液分别滴加至 加热容器中的反应体系pH值控制为5.5。

实施例3氯化钙的选择实验

本发明实施例1的步骤f中，向反应体系中加入CaCl₂溶液目的是增加最终 微胶囊的机械性能，其选择实验过程如下。

1、CaCl₂对海藻酸钠凝胶的影响

在pH为7.0，温度为50℃时，4％海藻酸钠溶液分别和去离子水，0.3604 mol/L氯化钙、氯化锌、氯化镁溶液反应30min分别制备凝胶，最大拉伸长度、 脱水率、弹性恢复时间实验结果见表1。

表1凝固剂种类对凝胶影响

凝固剂种类(％)	去离子水	氯化钙	氯化锌	氯化镁
					最大拉伸长度(cm)	0.2	1.5	0.5	0.3
脱水率(％)	97.8	95.8	89.2	95.2
					弹性恢复时间(s)	5.0s	4.5s	4.8s	5.2s

从表1中看出，相同浓度下的氯化钙溶液相比氯化锌和氯化镁溶液与4％海 藻酸钠溶液反应30min制备得到的凝胶具有更好的性能优势。海藻酸钙凝胶的 拉伸强度和脱水性高于海藻酸锌与海藻酸镁凝胶，四种凝胶的弹性相接近，原因 可能是凝胶弹性主要和海藻酸钠浓度相关。

2、氯化钙用量对海藻酸钠凝胶的影响

在pH为7.0，温度为50℃时，海藻酸钠溶液分别和去离子水，0.1802mol/L、0.3604mol/L、0.5405mol/L的氯化钙溶液反应30min制备的凝胶最大拉伸长度、 脱水率、弹性恢复时间实验结果见表2。

表2氯化钙用量对凝胶过程影响

氯化钙浓度(％)	0	0.1802mol/L	0.3604mol/L	0.5405mol/L
					最大拉伸长度(cm)	0.2cm	0.5cm	1.5cm	1.2cm
脱水率(％)	97.8％	94.8％	89.2％	90.6％
					弹性恢复时间(s)	5.0s	4.8s	4.5s	4.5s

从表2中看出，0.3604mol/L的氯化钙溶液与4％海藻酸钠溶液反应30 min制备得到的凝胶具有更好的拉伸强度和脱水性。随着反应氯化钙浓度的增加， 海藻酸钙凝胶的拉伸强度和脱水性先增加后平缓，原因可能氯化钙浓度在 0.3604mol/L时，Ca²⁺取代海藻酸钠中Na⁺达到饱和，氯化钙浓度继续增加，海 藻酸钙凝胶中不再有Na⁺被取代。因此，氯化钙浓度控制在0.3-0.4mol/L为优选 的浓度范围。

4、反应温度对海藻酸钠凝胶的影响

在pH为7.0时，不同温度下2.0％海藻酸钠溶液和0.3604mol/L的氯化 钙溶液反应30min制备的凝胶最大拉伸长度、脱水率、弹性恢复时间实验结果 见表3。

表3温度对凝胶过程影响

从表4可以看出，随着凝胶反应温度上升，制备的海藻酸钙拉伸性能，吸水 性和弹性先增加后降低，在50℃时性能最好。原因是随着反应温度的增加，海 藻酸钠分子链缠绕度减少，呈舒展状态，Ca²⁺容易取代Na⁺形成网状结构，因此 20-50℃区间凝胶性能得到改善。温度继续增加，海藻酸钠G段和M段更加活 跃，形成的链段变松弛，弹性降低，Ca²⁺取代Na⁺后也难形成网状结构，不容易 保存水分，因此拉伸性能和脱水性降低。

温度对海藻酸钠/壳聚糖凝胶合成的影响最为明显，温度低于40℃时凝聚程 度低，合成的凝胶少，稳定性差。温度高于40℃时凝聚程度增加，合成的凝胶 增多，稳定性较好，50℃合成的凝胶最为饱和，能清晰看到褶皱，高于50℃时 凝胶开始解析，原因是高温破坏了壳聚糖和海藻酸钠的凝聚反应，另外，若温度 继续升高，海藻酸钠和壳聚糖分子链容易断裂。因此，水浴温度以50℃为好。

实施例3梯度结构图

附图4为依据本发明实施例1制备得到的微胶囊的结构示意图，这种微胶 囊囊壁为强度梯度结构，即外壳强度较大，内部强度降低，具有较高的强度、韧 性和弹性，有利于在微胶囊的应用过程中，保持良好的形貌以及稳定性，避免囊 芯物质泄露，有效保护囊芯，使囊芯缓慢释放，延长囊芯效力。

实施例3热重分析(TG)

壳聚糖、海藻酸钠、实施例1制备的微胶囊各称取6mg样品，采用TG热分 析仪进行分析，以升温速率为10℃/min将温度从室温升温至600℃，气体氛 围为氮气。得到壳聚糖、海藻酸钠和实施例1微胶囊的热分解温度表如表1所示， 壳聚糖、海藻酸钠和实施例1制备的微胶囊TG图如图4所示。

表1明胶、海藻酸钠和实施例1微胶囊的热分解温度

由表1可见，以戊二醛和氯化钙为交联剂制备的壳聚糖/海藻酸钠微胶囊的 热分解稳定温度为267℃，高于壳聚糖和海藻酸钠的热分解温度，说明戊二醛和 氯化钙交联提高的壳聚糖和海藻酸钠的热稳定性。

由表1可知经过的实施例1微胶囊的热稳定性低于壳聚糖，但高于海藻酸钠， 其原因为氯化钙与海藻酸钠反应生成海藻酸钙，而海藻酸钙在较低温度会分解形 成CaCO3，CaCO3会进一步氧化形成CaO和Ca(OH)2，因此在比壳聚糖低的温度 开始分解。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限 于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明 的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之 内。

Claims (10)

1.一种具有梯度囊壁结构的微胶囊，包含壁材和油性囊芯物质，其特征在于，所述壁材为戊二醛交联壳聚糖/海藻酸钠后形成的聚合物，所述聚合物的化学结构式如式(Ⅰ)所示：

2.一种具有梯度囊壁结构的微胶囊的制备方法，具体包括如下步骤：

a.将海藻酸钠溶解于醋酸溶液中，得到海藻酸钠溶液；

b.将壳聚糖溶于醋酸溶液中，得到壳聚糖溶液；

c.将脂肪酸蔗糖酯溶于油性囊芯物质中，得到油性混合溶液；

d.将步骤c的油性混合溶液加入到步骤b的壳聚糖混合溶液中，充分乳化，得到混合乳液；

e.向步骤d的混合乳液加入醋酸溶液进行稀释；

f.将步骤a的海藻酸钠溶液滴加至步骤e的乳液中，在25-30℃温度条件下边搅拌边滴加；

g.在步骤f的反应体系中加入氯化钙溶液，当溶液中有不溶物出现时，停止滴加，反应完全；

h.向步骤g的反应体系中加入过量的戊二醛水溶液，反应完全，得到具有梯度囊壁结构的微胶囊。

3.根据权利要求3所述具有梯度囊壁结构的微胶囊的制备方法，所述油性囊芯物质为玉米油、橄榄油、大豆油、鱼油、油性香精、油性益生菌中的一种或几种。

4.根据权利要求3所述具有梯度囊壁结构的微胶囊的制备方法，其特征在于，所述步骤c具体包括：脂肪酸蔗糖酯与油性囊性物质在25-30℃温度下，800rpm搅拌5-10min。

5.根据权利要求3所述具有梯度囊壁结构的微胶囊的制备方法，其特征在于，所述步骤d具体包括：乳化温度为25-30℃，乳化时间为30min，搅拌速度为600-800rpm。

6.根据权利要求2所述具有梯度囊壁结构的微胶囊的制备方法，其特征在于：所述步骤f具体包括：将步骤a的海藻酸钠水溶液滴加至步骤e的混合乳液中，在温度为25-30℃条件下边搅拌边滴加，滴加速度控制为1mL/min，搅拌速度为800rpm，调节pH值为5.5，反应60min。

7.根据权利要求2所述具有梯度囊壁结构的微胶囊的制备方法，其特征在于：所述步骤g中氯化钙溶液的浓度为0.3-0.4mol/L，控制氯化钙溶液的滴加速度为1mL/min，当溶液中有不溶物出现时，停止滴加，50℃固化反应30min。

8.根据权利要求2所述具有梯度囊壁结构的微胶囊的制备方法，其特征在于，所述步骤h中戊二醛溶液质量分数为25％。

9.根据权利要求2所述具有梯度囊壁结构的微胶囊的制备方法，其特征在于，所述步骤h后还包括向反应体系中加入去离子水进行抽滤，洗涤，以除去未反应的戊二醛，得到具有梯度囊壁结构的微胶囊。

10.根据权利要求2所述具有梯度囊壁结构的微胶囊的制备方法，其特征在于，以质量分数计算，各组分的配比为：海藻酸钠60-70份，壳聚糖60-70份，油性囊芯物质8-15份，脂肪酸蔗糖酯0.3-0.6份，氯化钙15-30份，戊二醛7-10份。

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