本發(fā)明涉及一種用微波法快速制備水溶性的羧甲基殼聚糖包裹的納米四氧化三鐵材料的綠色方法，屬于材料科學(xué)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

納米磁性材料作為一種新材料，由于其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，使其在物理化學(xué)等方面表現(xiàn)出與常規(guī)磁性材料不同的特殊性質(zhì)。而且，當(dāng)納米磁性材料的尺寸小于一臨界值時(shí)，則會(huì)表現(xiàn)出超順磁性，即當(dāng)外界施予磁場(chǎng)時(shí)，磁疇中的原子以及晶體的磁矩會(huì)按照同一方向排列；不存在磁場(chǎng)時(shí)，凈磁矩為零，使磁性消失。在眾多超順磁性材料中，由于超順磁性氧化鐵粒子具有很好的安全性，血液循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)，組織特異性高，故其被廣泛用于磁流體、靶向給藥、傳感器和磁共振造影劑等領(lǐng)域。但是，單純的納米四氧化三鐵具有較高的表面能，極易團(tuán)聚，進(jìn)入人體后容易聚集，引起血栓，沒(méi)有生物活性基團(tuán)，這極大地限制了其在生物醫(yī)藥和磁共振造影劑方面的應(yīng)用。利用親水基團(tuán)來(lái)修飾四氧化三鐵是一種增加其水溶性的有效方法。

殼聚糖由于具有無(wú)毒副作用、可經(jīng)微生物降解、良好的生物可容性和成膜性等優(yōu)良特性，在輕工業(yè)、食品、醫(yī)藥衛(wèi)生、環(huán)保、生物工程、農(nóng)業(yè)等諸多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。殼聚糖的來(lái)源極其豐富，廣泛存在于植物細(xì)胞壁、甲殼類(lèi)動(dòng)物和昆蟲(chóng)的外殼中，其中海洋生物的生成量在10億噸以上。目前，利用殼聚糖包裹的四氧化三鐵納米粒子已被成功制備，但是，殼聚糖的水溶性也不好。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種溫和快速地制備水溶的羧甲基殼聚糖/納米四氧化三鐵復(fù)合粒子的方法，采用高分子羧甲基殼聚糖為模板，在羧甲基殼聚糖原位生長(zhǎng)納米四氧化三鐵粒子，利用羧甲基殼聚糖高分子和納米顆粒之間的相互作用，有效的解決了一般化學(xué)制備方法粒徑分布寬、易團(tuán)聚的缺陷，獲得了分散均勻，水溶性良好的納米顆粒。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了在溫和條件下快速制備水溶性羧甲基殼聚糖修飾的納米氧化鐵，該方法工藝簡(jiǎn)單，條件溫和，所需設(shè)備少，可實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。

本發(fā)明目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種磁性羧甲基殼聚糖納米材料的制備方法，包括如下步驟：

(1)將三價(jià)鐵鹽與二價(jià)鐵鹽混合，其中Fe³⁺與Fe²⁺的摩爾比為1.5～2：1，加水配成溶液；

(2)將羧甲基殼聚糖溶于水配成溶液，與步驟(1)的溶液混合并攪拌均勻，將混合液在微波條件下反應(yīng)，微波的功率為700～900W，溫度設(shè)為70～85℃，在反應(yīng)過(guò)程中逐滴加入氨水，使溶液的pH穩(wěn)定在8～9，反應(yīng)25～35min；

(3)反應(yīng)結(jié)束后冷卻到室溫，用磁鐵分離固液兩相，倒去上層液體，將顆粒用去離子水洗滌至中性，再用無(wú)水乙醇洗滌，最后將固體顆粒冷凍干燥，得到磁性羧甲基殼聚糖納米材料。

步驟(1)所述混合液中Fe³⁺的濃度為0.1～0.4mol/L，羧甲基殼聚糖的濃度為5～15g/L。

所述微波的條件為功率為800W，溫度為80℃。

所述羧甲基殼聚糖的制備方法：

將純化的殼聚糖粉末加入氫氧化鈉溶液，攪拌3h，冷凍過(guò)夜，加水溶脹后緩慢加入異丙醇攪拌均勻，取氯乙酸分?jǐn)?shù)次加入，加入后攪拌12h，濾出異丙醇，加水溶解，用稀醋酸調(diào)節(jié)pH為中性，依次用75％甲醇，無(wú)水乙醇洗滌，冷凍干燥得到羧甲基殼聚糖。

所述氯乙酸與殼聚糖粉末的質(zhì)量比為1:(1～3)，優(yōu)選1:2。

所述純化的殼聚糖粉末的制備方法為：將殼聚糖粉末加入醋酸水溶液中，在磁力攪拌下浸泡5h，然后將沉淀物固液分離，用去離子水洗滌2～3次，放入烘箱在溫度為60～80℃下烘干，粉碎后即可。

所述三價(jià)鐵鹽是三氯化鐵或硫酸鐵的一種，所述二價(jià)鐵鹽是氯化亞鐵和/或硫酸亞鐵中的一種。

該方法包括以下工藝步驟：

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

(1)本發(fā)明在微波的條件下，在羧甲基殼聚糖中原位合成納米四氧化三鐵，從而使納米四氧化三鐵被羧甲基殼聚糖所包裹，所得到的羧甲基殼聚糖/四氧化三鐵納米粒子由于表面被羧甲基殼聚糖包裹，使得其表面帶有大量親水的羧基和氨基，有效增加了四氧化三鐵的水溶性。

(2)同時(shí)，由于四氧化三鐵被羧甲基殼聚糖包裹，增加了其表面電荷，有效地避免了自聚集與分布不均的問(wèn)題，極大地提高了磁性納米四氧化三鐵在水中的穩(wěn)定性。

(3)本發(fā)明羧甲基殼聚糖納米材料尺寸較小，粒徑均一，分散均勻，水溶性良好，在其表面修飾羧甲基殼聚糖，具有很好的生物相容性和可生物降解性，為實(shí)現(xiàn)納米四氧化三鐵在生物醫(yī)藥和生物成像等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了優(yōu)良的載體。

(4)整個(gè)制備工藝清潔、條件溫和、簡(jiǎn)單、無(wú)污染，適合大規(guī)模生產(chǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明制備的羧甲基殼聚糖(a)、羧甲基殼聚糖包裹納米四氧化三鐵(b)和四氧化三鐵(c)粒子的紅外(FT-IR)光譜。

圖2(a)(b)分別為實(shí)施例3的納米四氧化三鐵粒子和實(shí)施例2的羧甲基殼聚糖包裹的納米四氧化三鐵粒子的X射線衍射(XRD)光譜。

圖3(a)(b)分別為實(shí)施例3的納米四氧化三鐵粒子和實(shí)施例2的羧甲基殼聚糖包裹的納米四氧化三鐵粒子的粒徑及粒徑分布。

圖4為本發(fā)明制備的羧甲基殼聚糖包裹納米四氧化三鐵粒子的透射電鏡(TEM)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步具體詳細(xì)描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此，對(duì)于未特別注明的工藝參數(shù)，可參照常規(guī)技術(shù)進(jìn)行。實(shí)施例1所用殼聚糖分子量為5萬(wàn)，脫乙酰度為90％。

實(shí)施例1

(1)純化殼聚糖，將5g殼聚糖粉末加入1％的醋酸溶液中淹沒(méi)，在磁力攪拌下浸泡5h，將溶液進(jìn)行固液分離，用去離子水洗滌固體2次，再將塊狀殼聚糖放在70℃下烘干，粉碎后即為純化的殼聚糖粉末。

(2)制備羧甲基殼聚糖，稱取50g氫氧化鈉固體，加100mL超純水配成溶液，取2g純化的殼聚糖粉末加入上述溶液，磁力攪拌3h，放入冰箱冷凍過(guò)夜，將溶脹后的樣品轉(zhuǎn)入200mL三口燒瓶，緩慢加入20mL異丙醇攪拌均勻，取1g氯乙酸分4次加入燒瓶，每次間隔20min，全部加入后機(jī)械攪拌12h，濾出異丙醇，加適量超純水溶解，用稀醋酸調(diào)節(jié)pH為中性，依次用75％甲醇，無(wú)水乙醇洗滌2次，將樣品冷凍干燥得到所需的羧甲基殼聚糖。

(3)制備羧甲基殼聚糖修飾的納米四氧化三鐵，采用微波法，在燒杯中加入5.14g FeCl₃.6H₂O和1.99g FeCl₂.4H₂O，加去離子水配成50mL溶液，取1g實(shí)施例1所制備的羧甲基殼聚糖溶于水配成50mL溶液并攪拌均勻，兩者混合轉(zhuǎn)入250mL的三口燒瓶，將盛混合液的燒瓶放在微波催化合成儀中，頻率設(shè)為800W，溫度設(shè)為80℃，在反應(yīng)過(guò)程中逐滴加入25％的氨水，使溶液的pH穩(wěn)定在8～9，反應(yīng)30min。反應(yīng)結(jié)束后將混合液冷卻到室溫，用磁鐵分離固液兩相，倒去上層液體，將顆粒用去離子水洗滌至中性，再用無(wú)水乙醇洗滌2～3次，最后將固體顆粒冷凍干燥2天，得到羧甲基殼聚糖包裹的氧化鐵。

(4)羧甲基殼聚糖修飾的納米四氧化三鐵的結(jié)構(gòu)表征

使用FT-IR、XRD、動(dòng)態(tài)光散射(DLS)和TEM測(cè)定獲得的羧甲基殼聚糖包覆型納米四氧化三鐵進(jìn)行分析。

如圖1所示，a、b分別為所制備的羧甲基殼聚糖和羧甲基殼聚糖納米磁性材料。在羧甲基殼聚糖譜圖中，1589cm^-1和1406cm^-1處為-COOH的不對(duì)稱和對(duì)稱的拉伸振動(dòng)峰，2916cm^-1處為C-H伸縮振動(dòng)峰，1067cm^-1處為C-O伸縮振動(dòng)峰，3420cm^-1處為O-H的伸縮振動(dòng)。圖b中為本發(fā)明所制的羧甲基殼聚糖包裹四氧化三鐵顆粒，出現(xiàn)了羧甲基殼聚糖的位于2916cm^-1處為C-H伸縮振動(dòng)峰，1067cm^-1處為C-O伸縮振動(dòng)峰，且殼聚糖1589處的-COOH的不對(duì)稱拉伸振動(dòng)峰紅移到了1626cm^-1處，這可能是因?yàn)轸燃谆鶜ぞ厶峭ㄟ^(guò)-COOH與四氧化三鐵結(jié)合，C＝O不再受氫鍵影響而發(fā)生紅移。587cm^-1處的吸收峰是Fe-O的振動(dòng)峰，證明產(chǎn)物主要是氧化鐵。XRD測(cè)試結(jié)果分別見(jiàn)圖2(a)衍射譜峰出現(xiàn)在2θ＝30.24°、35.40°、43.48°、53.64°、57.04°、62.68°處，分別對(duì)應(yīng)立方相Fe₃O₄的(220)，(311)，(400),(422)，(511)和(440)晶面，這證明所制備的晶體主要為Fe₃O₄。如圖3(a)所示，用羧甲基殼聚糖包裹的四氧化三鐵納米顆粒的粒徑約為11nm，PDI＝0.229。TEM照片如圖4所示，羧甲基殼聚糖包覆納米四氧化三鐵呈現(xiàn)出的球形分布。

實(shí)施例2

將實(shí)施例1中的步驟(1)和(2)舍去，步驟(3)中不加入羧甲基殼聚糖，其余步驟與實(shí)施例1完全相同，制得被包裹的納米四氧化三鐵納米材料。

如圖1所示，在紅外光譜中并沒(méi)有出現(xiàn)羧甲基殼聚糖的特征峰，在587cm^-1處的吸收峰是Fe-O的振動(dòng)峰。XRD測(cè)試結(jié)果分別見(jiàn)圖2(b)，衍射譜峰出現(xiàn)在2θ＝30.24°、35.40°、43.48°、53.64°、57.04°、62.68°處，分別對(duì)應(yīng)立方相Fe₃O₄的(220)，(311)，(400),(422)，(511)和(440)晶面，這證明所制備的晶體主要為Fe₃O₄。該納米顆粒的粒徑及粒徑分布如圖3(b)所示,粒徑約為9nm，PDI＝0.242。