乳化交联法制备聚乙烯醇微球的工艺研究/董佳群等 ・ 77 ・ 乳化交联法制备聚乙烯醇微球的工艺研究 董佳群,陈凤舞,滕淑华 (中国矿业大学材料科学与工程学院,徐州221116) 摘要 采用乳化交联法,以含有表面活性剂的植物油为连续相(油相),聚乙烯醇(PVA)水溶液为分散相(水 IR、SEM及粒度分析仪等设备对微球的组成、形 相),戊二醛为交联剂,盐酸为催化剂,制备了PVA微球。利用 貌及粒径分布进行了测试,并考察了几种关键工艺参数对微球制备的影响。结果表明,在PVA溶液浓度为5 ,表 面活性剂采用2 g脱水山梨醇单油酸酯(Span 80),乳化温度为5O℃,1 mol/L稀盐酸催化戊二醛交联的条件下,可 以获得球形规整、表面光滑且分散性好的PVA微球。粒径分析结果显示,所得PVA微球的平均粒径约为25 m,且 分布在15~45 gm范围内的微球约占其总量的8O%。 关键词 聚乙烯醇微球工艺参数乳化交联法 中图分类号:TB324;0636 文献标识码:A DOI:10.11896/j.issn.1005—023X.2015.04.019 Investigations on Preparation Parameters of Polyvinyl Alcohol Microspheres by Emulsion Crosslinking Method DONG Jiaqun,CHEN Fengwu,TENG Shuhua (School of Materials Science and Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116) Abstract The polyvinyl alcohol(PVA)microspheres were prepared by an emulsion crosslinking method, using vegetable oil as a continuous phase(oil phase),aqueous PVA solution as a dispersed phase(water phase),glu- taraldehyde as a crosslinker,and hydrochloric acid as a catalyst.The composition,morphology and particle size distri— bution of the microspheres were characterized by F卜IR,SEM and particle size analyzer,and the effects of several key experimental parameters on the preparation of the PVA microspheres were investigated.The results showed that the PVA microspheres with a regularly spherica1 shape,smooth surface and good dispersibility could be obtained when the concentration of the PVA solution was 5 ,2 g sorbitan monooleate(Span 80)was used as the surfactant,the emul— siifcation temperature was 50℃and 1 mol/L hydrochloric acid was chosen as catalyst.The analysis result of particle size demonstrated that the average diameter of the PVA microspheres was about 25 m,and the number of the micro— spheres with diameter in the range of 15—45 um were about 80 of the tota1. Key words polyvinyl alcohol,microsphere,experimental parameters,emulsion crosslinking 聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol,PVA)是一种人工合成的水 载体E ]。 溶性高分子,因成型性良好、无毒、生物相容性好、生物可降 解而被用于软骨、人工角膜、药物缓释等生物医学领域【1 ]。 然而,从国内外的研究现状来看,目前对于该材料的研究大 本工作在油包水型(w/O)乳液体系中,采用乳化交联法 制备了PVA微球,分析并探讨了PVA溶液浓度、表面活性 剂种类及用量、乳化温度及催化剂等工艺条件对微球形态、 粒径分布等方面的影响规律及原因,确定了最佳工艺条件。 本研究可以为PVA复合微球的制备提供一定的理论依据和 技术支持,并且有望进一步拓宽PVA材料的应用领域,使其 成为一种具有多重功能的生物材料。 多只局限于将PVA制成水凝胶膜的形式,然后来评价其作 为人工关节软骨材料的可行性。相反,对于其他形式的 PVA材料的研究却相对较少,这势必将大大该材料在 生物医学领域中的应用。 与水凝胶、多孔支架、膜、纤维、涂层等形式的材料相比, 微球材料具有颗粒度小、比表面积大、流动性好等独特的优 1 实验 1.1 实验原料 聚乙烯醇原料选用国药集团化学试剂有限公司生产的 PVA124,其醇解度为98 ,平均聚合度为2400,分析纯;实 点,若将其分散到缓冲溶液中可制成注射型人工骨修复材 料I5 ]。另外,微球在药物释放方面具有低毒、高效、缓释、长 效等特性,目前已成为生长因子、抗生素、抗癌药物等的理想 *江苏省自然科学基金(BK20130173);国家自然科学基金(51303207);国家重点基础研究发展计划(973)项目(2011CB707603) 董佳群:女,1990年生,硕士生,主要研究方向为生物复合材料E-mail:djqttkl@163.corn滕淑华:通讯作者,1979年生,副教 授,主要从事生物复合材料的研究 E-mail:shteng425@cumt.edu.cn ・ 78 ・ 材料导报B:研究篇 2015年2月(下)第29卷第2期 验所用油相为金龙鱼大豆油(精炼一级);除脱水山梨醇单油 酸酯(Span 8O)和脱水山梨醇三油酸酯(Span 85)为化学纯 后向乳液中逐滴加入一定量的戊二醛,搅拌10 min后,加入 催化剂,使PVA发生交联反应,此时可以观察到乳液逐渐由 乳白色变成黄色。持续搅拌1 h后,离心分离沉淀,并用丙 酮、热水、冷水清洗数次,以除去残留在微球表面的油相及杂 质。最后再用丙酮脱水2次,并将所得产物在室温下晾干, 得到白色粉末。 外,实验中所用其他试剂(戊二醛、盐酸、丙酮等)均为国产分 析纯,且使用前未做任何处理。 1.2聚乙烯醇微球的制备 准确称取一定量的PVA颗粒,在去离子水中溶胀0.5 h 后,将其置于水浴锅中并逐渐升温至8O℃,搅拌使其完全溶 解。在磁力搅拌作用下,将PVA溶液逐滴加入到含有表面 活性剂的100 mL植物油中,在一定温度下乳化3O min。随 为获得制备PVA微球的最佳工艺条件,重点考察了 PVA浓度、表面活性剂、乳化温度及催化剂等实验参数对微 球制备的影响,具体的工艺参数如表1所示。 表1 PVA微球的制备工艺参数 Table 1 Preparation parameters of the PVA microspheres 1.3聚乙烯醇微球的表征 将微球粉末与溴化钾(KBr)粉末混合、研磨并压制成透 明薄片后,采用傅里叶红外光谱仪(FTqR,VERTEX 80v, Bruker,德国)测定聚乙烯醇微球的红外吸收光谱。测试时 扫描范围为4000 ̄400 cm~,分辨率为2 cm。用导电胶将 微球粉末粘在样品座上,然后在真空镀膜机中喷镀一层导电 金膜。采用扫描电子显微镜(SEM,S-3000N,Hitachi公司, 日本)在不同放大倍数下观察微球的微观形貌,测试时的加 速电压为2O kV;通过干法分散系统将微球粉末分散成单个 颗粒,然后利用全自动激光粒度分析仪(¥3500,Microtrac公 司,美国)测定其粒径分布情况。 由于PVA分子中羟基上的氧原子具有较强的亲核性, 易与戊二醛分子中羰基上的碳原子发生亲核反应,从而在 PVA内部形成分子间交联。对比图1中的两条谱线可以发 现,将PVA制成微球后,羟基在3200~3550 cm 范围内的 吸收峰变窄,表明交联后PVA分子中的羟基数目明显减少。 而且,微球的红外谱线在2870 cm 处出现了戊二醛分子中 C_H基团的伸缩振动峰_1 。另外,原料中C-O基团1095 am 处的吸收峰在微球的谱线中被1144 cm 处的强吸收峰 取代,该峰可能是由交联后产生的()_c_O基团和PVA分子 中的C-C~C基团的伸缩振动峰叠加而成_】 。 2结果与讨论 2.1 聚乙烯醇微球的红外光谱 图1显示了PVA124原料和在F2工艺参数下制备的 PVA微球的红外光谱。从PVA124原料的谱线(图1(b))可 以看出,在3200~3550 cm 范围内出现了一个较宽的吸收 谱带,这主要归因于PVA分子中存在的大量羟基(-OH)所 产生的伸缩振动峰。在2943 em 处的吸收峰为主链亚甲基 (-CH 一)的不对称伸缩振动峰。该峰在PVA微球的谱线中 (图1(a))变得尖锐,且峰的相对强度明显提高。另外,PVA 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 Wavenumber/cmI1 图1 PVA微球(a)和PVA124原料(b)的红外光谱 Fig.1 FF-IR spectra of PVA mierospheres(a)and 微球在1144 cm 附近出现了较强的c_c_C基团的伸缩吸收 峰,该峰与PVA的结晶相关_1 。由此可以推测,PVA制成 PVA124 as raw materials(b) 2.2 PVA浓度对微球制备的影响 在8O℃水浴中分别配制浓度为2.5 、5 、7.5%和 1O (质量/体积比)的PVA水溶液,为了保证4组微球具有 相同的交联程度,实验中加入了对应量的戊二醛和盐酸,具 微球后结晶度有所增加。在微球制备过程中,首先将PVA 颗粒在8O℃水浴中溶解,之后再在5O℃条件下成球。较高 的温度可以促使PVA分子有序排列,从而提高其结晶度。 乳化交联法制备聚乙烯醇微球的工艺研究/董佳群等 (2)以Span 85为表面活性剂所制备的微球球形不规则, PLGA/HA with antibiotics injectable bone-graft materials 表面粗糙,且粒径较大。以Span 8O为表面活性剂时,随着其 用量的增加,PVA微球的形态趋于圆整,分散性更好,粒径 口].Tissue Eng Regen Med,2010,7(5):561 7 Gungor-Ozkerim P S,Balkan T,Kose G T,et a1.Incorpo— 更小,且分布均匀。 (3)常温下制备的微球严重粘连,而8O℃下乳化的微球 球形不规则且大小不均匀,只有当乳化温度为5O℃时才能 ration of growth factor loaded microspheres into polymeric electrospun nanofibers for tissue engineering applications [J].J Biomed Mater Res A,2014,102(6):1879 8 Zhu X,Zhou D,Guan S,et a1.Preparation and characte- rization of novel multi—core chitosan microspheres for sto- 获得形态圆整、分散性好、粒径较小且分布窄的PVA微球。 (4)与浓盐酸相比,加入1 mol/L的稀盐酸催化时所得 的微球粒径更小且分布更集中。 mach-specific delivery of hydrophilic antibiotics[J].J Mater Sci Mater Med,2012,23(4):983 参考文献 9 Weng I H,Rostamzadeh P,Nooryshokry N,et a1.In vitro 1 Ng K W,Torzilli P A,Warren R F,et a1.Characterization and in vivo evaluation of biodegradable embolic microspheres of a macroporous polyvinyl alcohol scaffold for the repair of with tunableanticancer drug release[J].Acta Biomater, focal articularcartilage defects[J].J Tissue Eng Regen Med, 2O13,9(6):6823 2O14,8(2):164 10 Yan Xiuling.The infrared spectra of irradiated PVA analysis 2 Shokrgozar M A,Bonakdar S,Dehghan M M,et a1.Biolo- [J].J Yili Normal University:Nat Sci Ed,2010(1):35(in gical evaluation of polyvinyt alcohol hydrogel crosslinked by Chinese) polyurethane chain for cartilage tissue engineering in rabbit 闰秀玲.辐照聚乙烯醇的红外谱图分析[J].伊犁师范学院 model[J].J Mater Sci Mater Med,2013,24(10):2449 学报:自然科学版,2010(1):35 3 Xu Fengtan,Li Yubao,Yao Xiaoming,et a1.Nano-hyd- 1 1 Dos Reis E F,Campos F S,et a1.Synthesis and eharaete- roxyapatite/polyvinyl alcohol composite for keratoprosthesis rization of poly(vinyl alcoho1)hydrogels and hybrids for [J].Acta Mater Compos Sin,2005,22(1):27(in Chinese) rMPB70 protein adsorption[J].Mater Res,2006,9(2):185 许风兰,李玉宝,姚晓明,等.纳米羟基磷灰石/聚乙烯醇复 1 2 Shehap A M.Thermal and spectroscopic studies of polyvinyl 合人工角膜材料[J].复合材料学报,2005,22(1):27 alcohol/sodium carboxy methyl cellulose blends[J].Egypt J 4 Choi J,Konno T,Takai M,et a1.Controlled drug release Solids,2008,31(1):75 from multilayered phospholipid polymer hydrogel on tita- 13 Zhao Daqing,Tan Jinquan.Preparation of polyvinyl alcohol nium alloy surfaceEJ].Biomaterials,2009,30:5201 microparticles_J].Chin J New Drugs,2005,14(2):181(in 5 Hu X X,Shen H,Yang F,et a1.Modified composite mi— Chinese) crospheres of hydroxyapatite and poly(1actide-co-glycolide) 赵大庆,谭金权.聚乙烯醇微球的制备与研究[J].中国新 as aninjectable scaffold[J].Appl Surf Sci,2014,292:764 药杂志,2005,14(2):181 6 Lee S,Kim K M,Lee Y IC Nanocomposite microspheres of (责任编辑房威) \ \ ; \ ; \ 、 \ ; \ ) (上接第68页) tions on the thermal effect caused by laser cutting with re— 张厚江,陈五一,陈鼎昌.碳纤维复合材料钻孔出口缺陷的 spect to static strength of CFRPEJ].Machine Tools Manu— 研究[J]_机械工程学报,2004,40(7):150 facture,2008,48(12-13):1464 7 Shyha I S,Aspinwall D K。Soo S I ,et a1.Drill geometry 10 Guo Yuqin,Meng Zhao,Li Fuzhu,et a1.An integrated and operating effects when cutting small diameter holes in manufacturing process of CFRP parts based on RFI and cut— CFRP[J].Machine Tools Manufacture,2009,49(12—13): ting process[J].Appl Mechanics Mater,2013,365-366: 1008 1090 8 Zhang Lingling,Jiang Zhaohua,Zhang wei,et a1.A review of 11 Sun Bingjun,Liu Ping,Chi Lei.Study on carbon fiber bun— laser processing fiber-reinforced flexible composite material dle s acoustic emission in the process of tensile damage[J]. [J].Appl Laser,2012,32(3):238(in Chinese) He Biao Zhun Jiliang Yu Zhiliang,2010(3):25(in Chinese) 张玲玲,姜兆华,张伟,等.超强度纤维柔性复合材料激光加 孙炳君,刘屏,迟蕾.碳纤维丝束拉伸破坏过程的声发射研 工工艺研究口].应用激光,2012,32(3):238 究[J].核标准计量与质量,2010(3):25 9 Dirk Herzog,Peter Jaeschke,Oliver Meier,et a1.Investiga— (责任编辑杨霞)