Fe3O4/羧化壳聚糖磁性纳米组装体的制备及其对牛血清蛋白的吸脱附性能研究

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小尺寸Fe3O4磁性纳米粒子(Fe3O4MNPs)具有超顺磁、高横向弛豫率、表面易修饰和尺寸可控等特点,在磁共振成像、癌症磁热治疗、药物靶向输送、催化降解和生物分离等领域有广泛的应用价值。然而,单颗Fe3O4 MNP的磁化强度低,对外加磁场的响应弱,且负载能力不强,一定程度上限制了其应用范围。通过多颗Fe3O4MNPs自组装形成的磁性纳米组装体(MNAs),不仅能保持单颗Fe3O4 MNP固有的超顺磁性,而且构成MNA的所有Fe3O4 MNPs能形成合力,共同敏感、快速地响应外加磁场的变化,此外,Fe3O4MNPs间存在大量的孔隙,能赋予MNAs优异的负载能力。但是,目前大部分基于自组装制备MNAs的技术须在相对较低的浓度条件下进行,否则MNAs的胶体稳定性和颗粒形态容易失去控制。反相细乳液是以极性液滴为分散相,非极性溶剂为连续相的一种非均相反应体系,该技术能在较高的分散相浓度下制备各种亲水型纳米材料。本论文在反相细乳液体系中,利用分散相液滴内Fe3O4 MNPs的自组装及席夫碱反应,制备具有高磁响应性及超顺磁的Fe3O4/O-羧化壳聚糖MNAs(Fe3O4/OCMC MNAs)。首先,以OCMC作为胶体稳定剂,经共沉淀法制备OCMC稳定的Fe3O4 MNPs(OCMC-Fe3O4 MNPs);其次,制备以OCMC-Fe3O4 MNPs水分散液为分散相的反相细乳液,以液滴为“纳米反应器”,通过外加交联剂戊二醛(GA)与OCMC发生席夫碱反应,制得在反相体系和水体系均有良好分散性和结构稳定性的Fe3O4/OCMC MNAs。这种Fe3O4/OCMC MNAs具有超顺磁性、强的磁响应能力和多孔结构,在药物装载和传递、蛋白质及其他生物大分子的分离方面具有潜在的应用价值。利用透射电镜、傅里叶红外光谱、X-射线衍射、热重及磁性测试等方法对Fe3O4/OCMCMNAs的颗粒特征、微结构、组成及其磁性能进行表征。探究了乳化剂Span 80及交联剂GA的用量对合成体系的胶体稳定性以及Fe3O4/OCMC MNAs形态的影响。结果发现:随着Span 80用量增加,体系胶体稳定性增加,形态逐渐趋于规整,通过测定反应后Fe3O4/OCMC MNAs残留的氨基量,跟踪GA与OCMC间的席夫碱反应,发现随GA用量的增加,最终剩余的氨基含量不断减少,OCMC间的交联程度增加。虽然OCMC的交联程度对Fe3O4/OCMC MNAs在反相细乳液体系中的形态影响不大,但其会对Fe3O4/OCMC MNAs在水分散液中的形态产生影响。考虑到Fe3O4/OCMC MNAs的后续应用多涉及水环境,系统研究了Fe3O4/OCMCMNAs的水分散性。优化了 Fe3O4/OCMCMNAs的水分散条件;并系统研究了 Span 80及GA用量对Fe3O4/OCMC MNAs水分散性和其在水中形态的影响,获得了最佳的Span 80及GA的用量区间;最终考察了席夫碱反应形成的亚胺键在不同pH条件下的稳定性,发现在酸性条件下,亚胺会发生部分降解,使得Fe3O4/OCMC MNAs被水溶胀能力增加,但仍具有一定的结构稳定性,并未出现MNAs的崩解;在中性及碱性条件下,亚胺键稳定性好,Fe3O4/OCMC MNAs具有较高的结构稳定性。最后,以牛血清蛋白(BSA)为模型蛋白质,Fe3O4/OCMC MNAs为吸附剂,深入研究了吸附剂用量、pH值及吸附温度等因素对蛋白质吸脱附行为的影响规律,同时对吸附行为进行了等温吸附及动力学行为的探究。结果表明:随Fe3O4/OCMCMNAs用量增加,平衡吸附容量呈现逐渐下降的趋势;随pH值的升高,Fe3O4/OCMCMNAs与BSA表面负电荷都逐渐增多,静电排斥作用增强,导致平衡吸附容量不断下降;随着吸附温度的升高,平衡吸附容量先增大后减少;Fe3O4/OCMC MNAs对BSA的吸附符合Langmuir方程及拟二级动力学;六次循环解吸附效率都在80%之上,并且解吸附后的BSA依然有较好的活性。上述研究结果表明Fe3O4/OCMC MNAs具有pH依赖的可逆吸脱附行为,且对蛋白质的吸附能力强,在蛋白质分离领域有重要的潜在应用价值。本论文的研究表明,在反相细乳液体系的分散相液滴中,通过构建NPs之间的交联作用,可有效控制NAs的形态及稳定性,实现NAs在反相体系及水中的结构及尺寸调控。本论文涉及的研究方法对于具有高无机含量及结构稳定性的聚合物/无机粒子NAs的制备及后续应用具有重要的借鉴意义。
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