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壳聚糖/海藻酸钠/活性肽复合膜的制备与性能研究

2020-01-05 来源:乌哈旅游
化学工程师 2017年第04期 Chemical Engineer DOI:10.16247/j.enki.23—1171 ̄q.20170409 科 {亭f 苜 开 :发 壳聚糖/海藻酸钠/活性肽复合膜 的制备与性能研究’‘ 李楚燕,程瑜,胡章 ,杨萍,廖铭能,李思东 (广东海洋大学化学与环境学院应用化学系。广东湛江524088) 摘 要:以壳聚糖和海藻酸钠高分子为基质原料,采用层层自组装技术形成聚电解质复合多层膜,并包裹 深海鱼蛋白活性肽,考察复合膜的厚度、溶胀度、透气性、抗拉伸强度、累积释放度等基本性能。结果表明,制备 复合膜的最佳条件为壳聚糖(分子量50kDa)与海藻酸钠的质量分数比2:1。在此条件下,制备复合膜层数为 7层时,其厚度为0.041mm、透气性63.96%、溶胀度为179.92%,断裂拉伸率为12.45%,3h累计释放度为 11.58%,显示出优越的生物医用膜性能,这将为开发一种新型的生物创伤医用膜提供参考。 关键词:壳聚糖;海藻酸钠;活性肽;层层组装技术;创伤修复 中图分类号:¥667.1 文献标识码:A Research on the preparation and properties of chitosan-alginate-activated-peptide composite fdms LI Chu-yan,CHENG Yu,HU Zhang ,YANG Ping,LIAO Ming—neng,LI Si-dong (Department of Applied Chemistry,College of Chemisty and Envirronment,Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088,China) Abstract:In order to prepare chitosan alginate-peptide composite films from chitosan and alginate,polyelec— trolyte muhilayer composite membranes were formed by layer-by-layer self-assembly technique and the fish protein peptides were packed.Basic properties of the composite membranes including thickness,degree of swelling,perme— ability,tensile strength and the accumulative release percentage were detected.The results showed that the opti— mum conditions were as follows:the mass ratio of chitosan(molecular weight 50kDa)and sodium alginate 2:1 and 7layers of the films.Under the conditions,the composite films were prepared with thickness 0.041 mm,swelling ra— rio 179.92%,permeability 63.96%,tensile rate 12.45%and the accumulative release percentage 1 1.58%.It will provide the references for developing a novel trauma biomedical membrane. Key words:chitosan;alginate;activated peptide;layer-by-layer self-assembly technique;wound healing 皮肤损伤是日常生活常见的问题,如今市面上 存在的外用性创伤医疗用品,基本是以化学物质为 主要的有效成分,添加到医用胶布上。长时间使用会 造成伤口不透气,使用不当容易导致伤口发炎,且防 菌效果不佳,吸水性能较差,使皮肤处于浸泡状态, 伤口愈合缓慢,更有甚者减慢了原有的愈合速度。 能材料等领域。目前,被公认是一种非常具有发展潜 力的天然高分子材料ll_3]。壳聚糖在医用敷料方面的 应用研究成绩卓著,已被广泛用于人造工程皮肤、可 吸收的术后缝线、药物载体等方面[ 。与其他抑制 剂相比,壳聚糖具有抗菌谱广、抑制活性高、杀灭率 高的优点[6],因而能更加有效地抑制细菌的繁殖和 生长。 壳聚糖(chitosan)亦被称为壳多糖、脱乙酰甲壳 素,是天然糖中唯一大量存在的碱性氨基多糖。壳聚 糖具有优秀的生物相容性、无免疫原性、可生物降解 和广谱抗菌f生等特点,应用于食品、医药、化妆品、功 海藻酸钠一种来源海洋褐藻的天然高分子材 料,安全无毒,温和无刺激,其溶解性、粘性、稳定性 等性能优良,广泛用于药物制剂、化妆品及食品等领 域【 。 生物活性肽是指来源于生物体且对生命活动有 益或具有促进生理作用的功能肽化合物。研究表明, 水产蛋白肽具有生物相容性、低免疫性原性和可降 解性,以及来源丰富等优点,已经广泛运用于医学等 领域【引。 收稿日期:2017—02—18 基金项目:广东省自然科学基金(2016A030308009);广东海洋大学 “创新强校工程”项目(2015KTSCX053,GDOU2013050221) 作者简介:李楚燕(1993~),女,广东人,本科学士,助理工程师,研究 方向为制药工程。 10 李楚燕等:壳聚糖/海藻酸钠/活性肽复合膜的制备与性能研究 2017年第04期 本研究以壳聚糖和海藻酸钠大分子为基质原 料,采用层层自组装技术形成聚电解质复合多层膜, 并包裹深海鱼胶原蛋白肽,制备得到壳聚糖/海藻 酸钠/活性肽生物复合膜,通过对复合膜的厚度、溶 胀度、透气性、抗拉伸强度等性能检测,优化制备复 合膜的操作参数,探讨制备高性能复合膜的最优工 艺条件,以期为开发一种新型创伤生物医用膜提供 参考。 1.4壳聚糖/;每藻酸钠,活性肽复合膜的表征 1.4.1膜的厚度制备的复合膜层数分为3层、5 层、7层、9层,若壳聚糖有n层,则海藻酸钠为n一1 层。各选取5张光滑、平整的缓释膜,用螺旋测微器 分别测定膜的4个顶点和1个中心点,取平均值作 为膜的厚度d(mm)。 1.4.2透气率的测定根据关丽【 ]等的实验方法测 定复合膜的透气性能,取4个洁净的称量瓶,加入无 水CaCI:(2g)粉末,称重,其中3个瓶口用样品复合 1实验部分 1.1试剂、材料与仪器 海水罗非鱼(湛江东风水产市场);壳聚糖(Cs) (分子量5万Da,脱乙酰度≥95%,萨恩化学技术 (上海)6-限公司);海藻酸钠(AR天津市科密欧化 学试剂开发中心);冰乙酸、聚乙二醇400等试剂均 为分析纯。 紫外分光光度计uV2800(上海舜宇恒平科学仪 器有限公司);索尼数码照相机(w800,索尼(中国) 有限公司)。 1.2鱼肉蛋白肽的制备 取一定量的罗非鱼肉,按料液比为1:2.5(g,、,) 的比例加入水,将混合物加热,至50 ̄C时加人中性 蛋白酶和木瓜蛋白酶,酶解5h后,升温至100℃灭 活10min,冷却,离心,清液经50nm陶瓷膜微滤,得 滤液,减压浓缩,喷雾干燥制成粉状。 1.3壳聚糖,海藻酸钠艚性肽复合膜的制备[91 壳聚糖膜液称取壳聚糖2g和鱼蛋白肽1g溶 于0.5%冰乙酸水溶液,加入0.25%聚乙二醇 400,50℃水浴加热并磁力搅拌至壳聚糖完全溶解, 静置脱气。 海藻酸钠膜液称取海藻酸钠lg和深海鱼肽 1g,溶于蒸馏水中,加入0.25%聚乙二醇400,磁力搅 拌至海藻酸钠完全溶解,静置脱气。 凝固液室温下,将5g无水硫酸钠置于烧杯 中,加入100mL蒸馏水,搅拌均匀,再加入3gCaC1 , 搅拌均匀后把沉淀物过滤得到凝固液。 往洁净的培养皿中倒入一定量的壳聚糖溶液, 流延均匀,反应30rain后,用去离子水洗涤游离的壳 聚糖分子,而后加入海藻酸钠溶液,30min后用去离 子水洗涤,重复上述步骤,可制备一定层数的壳聚糖 /海藻酸钠层层自组装多层膜,将膜置于真空干燥箱 中55℃烘干后,置于凝固浴中交联30min,脱膜,晾 干,薄膜保存在冰箱内待用。 膜密封,另1个不封膜作对照,然后,把4个瓶都置 人装有饱和食盐水的密闭容器中,24h后将瓶子取 出,把复合膜取下,并再次称重,计算透气率。平行操 作3次,计算平均值。公式如下: 透气率=样品瓶吸水量/对照瓶吸水量× 100% 1.4.3溶胀度取膜2era×3era的小片,精确称量 后放人生理盐水中,37 cCI的恒温水浴浸泡24h后取 出,用滤纸小心吸干表面水分,称重。平行操作3次, 取平均值。溶胀度(Swelling ratio,SR)的计算公式如 下【l1]: (%):里 ×100% m。 式中SR:溶胀度,%;m 和m 分别为膜溶胀前、后 的质量,g。 1.4.4抗拉伸强度和断裂伸长率的测定II21将长为 5em,宽为lcm的薄膜以对折方式悬挂于玻璃棒上, 上端lcm处用手握紧,下端夹挂可以加砝码的小托 盘。连托盘质量一起为300g开始,每分钟放置小砝 码50g,测量平衡后的膜长度并记录总重量。以复合 膜断裂时的总重量为抗张强度,以断裂时的长度与 原长度(].5am)的比值计算断裂伸长率。平行操作3 次,取平均值。 1.4.5活性肽累积释放度的测定精密称取一定质 量的活性肽,配成0.1mg・mL 的标准溶液,于紫外可 见分光光度计扫描200 400nm的吸光度,确定活 性肽的最大吸收波长。在最大吸收波长下绘制活性 肽的浓度与吸光度的标准曲线。 取药膜3片,分别投入3个烧杯中。在0.5、1、 1.5、2、3h时分别精密取样2mL,同时向烧杯中补加 缓冲溶液2mL。取出的2mL放于10mL容量瓶中, 加蒸馏水定容至刻度,摇匀。取空白膜,同法操作作 为对照,紫外分光光度标准曲线法求出溶液中活性 肽的浓度,根据如下公式分别计算活性肽的体外累 计释放度(Cumulative release percentage,CRP)t”1。 2017年第o4期 李楚燕等:壳聚糖/海藻酸钠/活性肽复合膜的制备与性能研究 11 cj×V总+2_一 取 CRt: ̄=————————上三 ————一1 00% ,孔 式中CRP%:累计释放百分率;Cf:第.7时刻缓冲溶 液中药物的浓度, g・mL ;V 释放体系缓冲溶液 总体积,lO0mL-・;C :第i时刻缓冲溶液中药物的浓 度, g-mL ;V取:每次从释放体系中取出的体积。 2结果与讨论 2.1复合膜的外观形态 所制备复合膜呈圆形,质地均匀,表面光滑,透 明,柔韧性比较好,见图1。 2 2 ∞ l ∞ l 如 O 如 2 图1复合膜的外观形态 Fig.1 Appearance of the composite film 2.2复合膜的厚度和透气率 制备的复合膜层数分为3层、5层、7层、9层, 不同层数复合膜的厚度和透气率见表1。 表1 不同层数复合膜的厚度和透气率 Tab.1 Thickness and permeability of the composite films with diferent layers 膜的层数越多,其平均厚度越厚,但并非呈线性 关系,当膜由7层增加到9层时,厚度急剧增加。膜 的透气率与平均厚度呈反比例关系,当膜由7层增 加至9层时,透气率急剧降低。由此可见,复合膜7 层时对透气率有着重要的转折作用。皮肤需要呼吸, 作为生物医用膜材料,创伤膜贴在皮肤表面,应具备 一定的透气性能,有助于创面的正常有氧呼吸和新 陈代谢,促进组织的修复和伤口的愈合【l4】。而7层复 合膜透气性达63.96%、透气性相对较好。 2.3复合膜的溶胀度和抗拉伸性能 复合膜的溶胀度和断裂拉伸率结果见图2。 16 14 当 s 斑 6 1斗 2 O 9 膜层数 16 14 12蚤 10 2 ∞ 堡 当瓣霜 如 1 1 ∞ 如 O 毳 6 0 3 5 7 9 膜层数 图2不同层数复合膜的溶胀度和抗拉伸强度 Fig.2 Swelling ratio and tensile rate of the composite films with diferent layers 由图2可知,复合膜溶胀度随着膜的增厚呈降 低趋势;而复合膜的抗拉伸性能则正好相反。通过比 较,7层壳聚糖/海藻酸钠复合膜各项基本性能更 优,其厚度平均值为O.041mm,膜轻薄的外形在临床 上可以给与使用者更舒适的感觉。7层复合膜因结 构疏松,水分子容易通过,溶胀度为179.92%,抗拉 伸率为12.45%。 复合膜的抗拉伸性能取决与膜材料的交联程 度。带有相反电荷的阳离子壳聚糖大分子与阴离子 海藻酸钠大分子通过静电吸引力相互作用,并且在 含有一SO2和ca2十凝固浴里,未参与反应的壳聚糖、 海藻酸钠分子分别与一S042-、Ca2+反应30min,使复 合膜呈现出交联程度极高、纳米线性交错的牢固结 构,科学上称之为“蛋盒结构”。但是过度交联会使膜 变脆,力学性能降低,这是由于过度交联使壳聚糖/ 海藻酸钠间分子作用力受到破坏,影响分子链的紧 密排列,降低膜的抗拉强度。 2.4复合膜的体外释放度 复合膜中鱼蛋白活性肽的释放曲线见图3。 12 李楚燕等:壳聚糖/海藻酸钠/活性肽复合膜的制备与性能研究 2017年第o4期 菖u 辎 6 4 2 O 8 6 4 2 O 0 0.5 1.0 1.5 2.O 2.5 3.0 时间,h 图3复合膜中活性肽累计释放曲线 Fig.3 Curves of the active peptides released from the composite films 从曲线中切线的斜率可以判断出不同层数复合 膜中活性肽在溶液中释放速度是先快后慢,0.5h内 释放最快。复合膜表层的活性肽最先透过壳聚糖层 释放,内部的则透过扩散作用慢慢释放出来。数据表 明,复合膜层数越多其缓释期越长,缓释性能越好, 由于复合膜层数越多载药量就越高,活性肽被不同 程度的裹在海藻酸钠层,交联后复合膜中高分子链 空间缩小,越靠近复合膜中心的活性肽就越难释放。 据文献报道,药物缓释最长可达180ht 】。复合膜3、 5、7和9层中活性肽3h累计释放度分别为14.21%、 12.05%、11.58%和6.46%,复合膜中活性肽的累计释 放度从3层到7层差异性不是很明显,而7层与9 层的累计释放度出现较大的转折。由此可见,复合膜 7层表现出合适的累计释放性能。 3结论 利用层层自组装技术制备的壳聚糖/海藻酸盐 复合膜外观透明光滑,轻薄柔韧,操作条件简单,成 本要求低。本文采用壳聚糖(分子量50kDa)与海藻 酸钠的质量分数比2:1,在55℃条件下干燥,成膜 后用含有一SO42-和Ca2+的凝固浴浸泡交联30min, 所制备的复合膜透气性、溶胀度、抗拉伸能力基本符 合临床上创伤膜的要求。通过比较,7层复合膜具有 更加良好的基本性能,其机械强度、透气保湿能力、 稳定的药物释放能力,在作为新型生物医用敷料方 面有可观的探究价值和使用价值。 参考文献 [1]蒋挺大.壳聚糖(第二版)[M].北京:化学工业出版社,2006. 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