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Influence of Reaction Time on the Preparation of
Alginate/Chitosan Microcapsule

Wang Yong, Li Mingchun^**, Ma Xiaojun
( Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Dalian 116023 ;
University of the Oversea Chineses, 362011,P.R.China)

Key words Chitosan, Alginate, Microcapsule
关键词 壳聚糖海藻酸钠微胶囊

反应时间对海藻酸钠/壳聚糖微胶囊制备的影响^*

李明春
（华侨大学 362011）
王勇马小军^**
（中国科学院大连化学物理研究所 116023）

    壳聚糖与海藻酸钠通过聚电解质络和反应制备海藻酸钠/壳聚糖微胶囊是一个正在发展的新膜技术。由于壳聚糖和海藻酸钠具有很好的生物相容性，便宜的价格，这种微囊化新膜技术在医学与生物技术领域有很大的应用潜力。
    文献中曾报道过各种制备条件对海藻酸钠/壳聚糖微胶囊性能的影响，但由于几乎都是采用一步法^（1，2），也就是海藻酸钠和壳聚糖直接发生反应制备微胶囊的方法，结果发现很多条件的改变对微胶囊制备无明显影响。本文通过对一步法和两步法进行比较发现，采用一步法制备微胶囊时，反应时间对微胶囊制备无明显影响，但在两步法^（3）过程中反应时间是影响微胶囊性能的关键因素。
1 实验部分
1.1 两步法制备微胶囊
    1) 在液滴发生器（本实验室自制）作用下将1.5%（w/v）海藻酸钠溶液滴入0.1M 的CaCl₂溶液中形成海藻酸钙凝胶珠；
    2) 生理盐水洗涤海藻酸钙凝胶珠3-5次；
    3) 海藻酸钙凝胶珠与壳聚糖溶液发生聚电解质络和反应形成微胶囊膜；
    4) 生理盐水洗涤微胶囊3-5次；
    5) 0.055M柠檬酸钠液化微胶囊。
1.2 一步法制备微胶囊
    1) 在液滴发生器（本实验室自制）作用下将1.5%（w/v）海藻酸钠溶液滴入壳聚糖和CaCl₂（0.1M）的混合溶液中，形成微胶囊；
    2）生理盐水洗涤微胶囊3-5次；
    3）0.055M柠檬酸钠液化微胶囊。
1.3 微胶囊性能表征
    柠檬酸钠接触微胶囊时，能够使微胶囊内部的海藻酸钙凝胶液化，微胶囊体积会发生膨胀。微胶囊强度越高，这种膨胀就越低。因此，可以通过微胶囊膨胀大小（膨胀度）作为表征微胶囊强度性能的一种方法^（3）。定义微胶囊膨胀度为S_w：

S_w = ( D_膨胀/ D_o)³ - 1

其中，D_o是50个海藻酸钙胶珠的平均直径，D_膨胀是液化膨胀后50个微胶囊的平均直径。微胶囊物理形态通过光学显微镜进行定性观察。
2 结果和讨论
2.1 反应时间对微胶囊膨胀度的影响
如图1所示，采用两步法制备微胶囊时，壳聚糖和海藻酸钙凝胶珠反应时间对微胶囊膨胀度影响十分显著，随着反应时间的延长，微胶囊的膨胀度在降低，说明微胶囊的强度在提高。通过显微镜观察可以发现，随着反应时间的延长，微胶囊膜厚度在不断增加。由图1还可以看出微胶囊膨胀度随反应时间变化的曲线有两个拐点，分别是：反应时间6分钟，膨胀度为1.20；反应时间15分钟，膨胀度为0.26。说明壳聚糖和海藻酸钙凝胶珠的络和反应分三个阶段进行。


反应时间（分）	反应时间（分）
图1 反应时间对微胶囊膨胀度的影响	图2 反应时间和壳聚糖浓度对微胶囊膨胀度的协同影响

    当采用一步法制备微胶囊时，海藻酸钠溶液分别与壳聚糖反应3、15、40分钟，但通过显微镜观察发现制备的微胶囊膜都很薄，并没有随反应时间延长而增厚。微胶囊用柠檬酸钠液化后，体积都立即膨胀，膨胀度超过2.00，最终膨胀至破裂。说明一步法过程中延长反应时间对微胶囊制备没有明显影响，这一点与文献报道一致。
    上述两种方法用于微胶囊制备时，反应时间产生的影响明显不同。这主要是由两种方法制备微胶囊过程不同决定的。两步法过程中第一步是将海藻酸钠滴入Ca²⁺溶液制备海藻酸钙凝胶珠，这是两种方法的主要差别。海藻酸钙凝胶珠是一种三维梯状结构体系，结构疏松，孔径大。这种结构有利于物质传递，有利于壳聚糖分子由海藻酸钙表面向其体系内部进行扩散，进而有利于聚电解质反应的深度进行。随着反应时间的延长，壳聚糖向凝胶珠体系扩散深度增加，制备的微胶囊膜厚度增加，强度提高，因此微胶囊膨胀度减小。另外，海藻酸钙凝胶珠是一个密度分布不均的体系，由外向内可以分为致密层、较致密层和疏松内核，其厚度分别为h₁，h₂，r₃（r₃ 》h₂> h₁）。壳聚糖和海藻酸钙络和反应的前6分钟主要在海藻酸钙的致密层中进行，这是控制微胶囊膨胀度的第一个阶段；随即络和反应进行到较致密层，这是控制微胶囊膨胀度的第二个阶段，反应时间达到15分钟时，在这一层的络和反应基本完成。当反应进一步进行到疏松内核时，由于微胶囊强度已经足够高，微胶囊膨胀度就不再随反应时间延长而有明显变化。
    一步法制备微胶囊过程与无搅拌界面聚合反应类似。海藻酸钠和壳聚糖分子在近中性条件下，分子链的刚性下降，柔性增加，当二者在界面向遇时，立即发生电荷吸引和分子扩散作用，这种瞬间的作用容易导致分子链的相互缠绕，形成结构无序而致密的聚电解质络合膜。由于反应条件柔和，没有剧烈搅拌、高温等条件，这种致密的聚电解质络合膜与结构疏松的海藻酸钙凝胶珠比较，就会阻碍壳聚糖进一步扩散进入海藻酸钠体系，延长反应时间也不能显著促进反应的进一步进行。因此，由这种方法制备的微胶囊膜很薄，微胶囊强度差。
2.2 反应时间和壳聚糖浓度对微胶囊膨胀度的协同影响
    如图2所示，相同反应时间条件下，壳聚糖溶液浓度提高，微胶囊膨胀度降低。尤其是当壳聚糖浓度由0.2%（w/v）提高到0.4%（w/v）时，微胶囊膨胀度下降显著。对于制备同样强度的微胶囊，适当提高浓度可以缩短反应时间。但由图2还可以发现，随着反应时间的延长，浓度为0.4%（w/v）和0.6%（w/v）的壳聚糖溶液制备的微胶囊膨胀度差别越来越小，当反应时间达到15分钟时，制备的微胶囊膨胀度没有明显差别。因此，对于制备膨胀度低于0.26的微胶囊，进一步提高浓度不能再明显缩短反应时间。说明制备高强度的微胶囊必须有足够的反应时间。
3 结论
    以上结果表明，反应时间对一步法制备海藻酸钠/壳聚糖微胶囊无明显影响，但却是两步法制备微胶囊过程中的重要影响因素。为了制备膨胀度小、强度高的微胶囊，适当地提高壳聚糖溶液的浓度是有利的，但必须保证壳聚糖和海藻酸钙有足够的反应时间。
4 参考文献
[1] C. Rha and D. Rodriguez-Sanchez. U.S. Patent 4 744 933, 1988
[2] A. Polk, B. Amsden, K. De Yao, et al. J. Pharm. Sci., 1994, 83(2):178 -185
[3] X. Ma, I. Vacek and A. Sun. Art. Cells. Blood Subs. and Immob. Biotech., 1994, 22(1):43-69

王勇男，23，硕士，生物医用材料 **联系人
*国家自然科学基金资助项目（29576264）与辽宁省自然科学基金资助项目（962070）
98-11-25收稿，99-03-15修回