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季铵化壳聚糖/纳米氧化锌杂化胶体的制备及性能研究

冉海燕 朱叶 顾瑶 罗静 刘晓亚

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季铵化壳聚糖/纳米氧化锌杂化胶体的制备及性能研究

    作者简介: 冉海燕(1994—),女,重庆奉节人,硕士生,研究方向为功能材料。E-mail:18352536455@163.com.
    通讯作者: 朱叶, zhuye@jiangnan.edu.cn
  • 中图分类号: O636.1

Preparation and Properties of Quaternized Chitosan/Nano-Zinc Oxide Hybrid Colloidal Particles

    Corresponding author: ZHU Ye, zhuye@jiangnan.edu.cn ;
  • CLC number: O636.1

  • 摘要: 以羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖(QAC)和L-半胱氨酸(L-cys)为稳定剂制备羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖/纳米氧化锌(QAC/ZnO)杂化胶体粒子。通过纳米粒度仪、红外光谱、X射线衍射仪、X射线光电子能谱、热失重分析和透射电镜等对QAC/ZnO杂化胶体粒子的化学组成、粒径及形貌进行了系统的表征;通过紫外、细胞实验等对杂化胶体粒子的紫外透光率、抗氧化性、光催化活性以及细胞毒性进行了表征。结果表明,QAC/ZnO杂化胶体粒子具有良好的紫外线屏蔽性和抗氧化性,且无细胞毒性,在防晒化妆品领域有一定的应用前景。
  • 图 1  杂化胶体粒子的制备示意图

    Figure 1.  Schematic illustration of synthesis of hybrid colloidal particles

    图 2  不同二水合醋酸锌含量的杂化胶体粒子的(a)表观数码照片及(b)相应粒径分布

    Figure 2.  (a) Digital pictures and(b) size distribution of hybrid colloidal particles with different Zn(CH3COO)2·2H2O concentrations

    图 3  QAC/ZnO-2、QAC/ZnO-4、QAC/ZnO-6的TEM图

    Figure 3.  TEM images of three hybrid colloidal particles (a) QAC/ZnO-2, (b) QAC/ZnO-4 and (c) QAC/ZnO-6

    图 4  ZnO、QAC和QAC/ZnO杂化胶体粒子的TG曲线

    Figure 4.  TG curves of ZnO, QAC and QAC/ZnO hybrid colloidal particles

    图 5  ZnO、L-cys、QAC和QAC/ZnO-6杂化胶体粒子的全反射红外光谱

    Figure 5.  ATR-FTIR spectra of ZnO, L-cys, QAC and QAC/ZnO-6 hybrid colloidal particles

    图 6  QAC/ZnO-6杂化胶体粒子的(a)XRD、(b)XPS

    Figure 6.  (a) XRD patterns and (b) XPS survey spectra of QAC/ZnO-6 hybrid colloidal particles

    图 7  QAC、L-cys、QAC/ZnO-2、QAC/ZnO-4以及QAC/ZnO-6的紫外透光率

    Figure 7.  Transmittance of QAC, L-cys, QAC/ZnO-2, QAC/ZnO-4 and QAC/ZnO-6 hybrid colloidal particles

    图 8  3种杂化胶体粒子对DPPH、O2·、OH·的清除率(杂化胶体粒子质量浓度均为1 mg/mL,pH=7.02)

    Figure 8.  The DPPH, OH·, O2· scavenging activity of QAC/ZnO-2, QAC/ZnO-4 and QAC/ZnO-6 hybrid colloidal particles (The mass concentration of QAC/ZnO hybrid colloidal particles was 1 mg/mL, pH =7.02)

    图 9  (a)罗丹明B的标准曲线,(b)ZnO及3种不同杂化纳米颗粒对罗丹明B的降解率(ZnO、QAC/ZnO-2、QAC/ZnO-4、QAC/ZnO-6质量浓度均为1 mg/mL,pH7.04)

    Figure 9.  (a) Standard curve of Rhodamine B and (b) degradation behaviors of rhodamine B with the existed of ZnO, QAC/ZnO-2, QAC/ZnO-4 and QAC/ZnO-6 hybrid colloidal particles ( The mass concentration of ZnO and hybrid colloidal particles was 1 mg/mL, the pH 7.02)

    图 10  (a)3种QAC/ZnO杂化胶体粒子以及QAC/ZnO-6所制备乳液对L-929细胞增殖的影响及粒子含量为(b)10%、(c)30%时的细胞活性(QAC/ZnO杂化胶体粒子的质量浓度3.0 mg/mL,pH=7.02)

    Figure 10.  Effects of three QAC/ZnO hybrid colloidal particles and emulsion stabilized by QAC/ZnO-6 hybrid colloidal particles on the proliferation of L-929 cells (a) and cell viability at particle Volume fraction of(b) 10% , (c)30% ( The mass concentration of three QAC/ZnO hybrid colloidal particles was 3.0 mg/mL pH=7.02)

    表 1  不同QAC/ZnO杂化胶体粒子的粒径及电位

    Table 1.  Size and zeta potential of QAC/ZnO hybrid colloidal particles

    SampleDh/nmPolydispersitySurface charge/mV
    QAC/ZnO-2190 ± 4.50.218 ± 0.046.8 ± 0.5
    QAC/ZnO-4230 ± 5.70.193 ± 0.021.1 ± 0.3
    QAC/ZnO-6320 ± 2.80.122 ± 0.013.5 ± 0.1
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  • [1] CORBYN Z. Prevention: Lessons from a sunburnt country [J]. Nature,2014,515(7527):114-116. doi: 10.1038/515S114a
    [2] STAVROS V G. Photochemistry: A bright future for sunscreens [J]. Nature Chemistry,2014,6(11):955-956. doi: 10.1038/nchem.2084
    [3] QUATRANO N A, DINULOS J G. Current principles of sunscreen use in children [J]. Current Opinion in Pediatrics,2013,25(1):122-129. doi: 10.1097/MOP.0b013e32835c2b57
    [4] TROUILLER B., RELIENE R, WESTBROOK A, et al Titanium dioxide nanoparticles induce DNA damage and genetic instability in vivo in mice [J]. Cancer Research,2009,69(22):8784-8789. doi: 10.1158/0008-5472.CAN-09-2496
    [5] BARNARD A S. One-to-one comparison of sunscreen efficacy, aesthetics and potential nanotoxicity [J]. Nature Nanotechnology,2010,5(4):271-274. doi: 10.1038/nnano.2010.25
    [6] PAN Z, LEE W, SLUTSKY L, et al. Adverse effects of titanium dioxide nanoparticles on human dermal fibroblasts and how to protect cells [J]. Small,2009,5(4):511-520. doi: 10.1002/smll.200800798
    [7] PARISI O I, AIELLO D, CASULA M F, et al. Mesoporous Nanocrystalline TiO2 loaded with ferulic acid for sunscreen and photoprotection: safety and efficacy assessment [J]. Rsc Advances,2016,6(87):83767-83775. doi: 10.1039/C6RA07653J
    [8] REGIE F A, KUSLIS K M, WOJYLA S, et al. The quenching effect of chitosan crosslinking on ZnO nanoparticles photocatalytic activity [J]. Rsc Advances,2015,5(97):80089-80097. doi: 10.1039/C5RA12667C
    [9] LEI S, SHAN J, JU Y, et al. Nanoparticles as delivery vehicles for sunscreen agents [J]. Colloids & Surfaces A,2012,396(396):122-129.
    [10] XIAO J, CHEN W Q, DU J Z, et al. Polymer/TiO2 hybrid nanoparticles with highly effective UV-Screening but eliminated photocatalytic activity [J]. Macromolecules,2013,46(2):375-383. doi: 10.1021/ma3022019
    [11] LIN H Y, CHOU C C. Antioxidative activities of water-soluble disaccharide chitosan derivatives [J]. Food Research International,2004,37(9):883-889. doi: 10.1016/j.foodres.2004.04.007
    [12] LIN H Y, CHOU C C. Antioxidative activities of water-soluble disaccharide chitosan derivatives [J]. Food Research International,2004,37(9):883-889. doi: 10.1016/j.foodres.2004.04.007
    [13] 李立华, 李红, 罗丙红, 等. 壳聚糖及其衍生物在组织工程中的应用 [J]. 功能高分子学报,2005,18(2):347-352. doi: 10.3969/j.issn.1008-9357.2005.02.034
    [14] 刘文辉, 刘晓亚, 陈明清, 等. 壳聚糖基生物医用材料及其应用研究进展 [J]. 功能高分子学报,2001,14(4):493-498. doi: 10.3969/j.issn.1008-9357.2001.04.023
    [15] LIN Y W, LIN Q, JIANG Z Q, et al. Preparation, moisture adsorb ability and retentivity of 2-hydroxypropyltrimethyl ammonium chloride chitosan [J]. Chinese Journal of Applied Chemistry,2002,19(4):351-354.
    [16] JIA Z S, SHEN D F, XU W L. Synthesis and antibacterial activities of quaternary ammonium salt of chitosan [J]. Carbohydrate Research,2001,333(1):1-6. doi: 10.1016/S0008-6215(01)00112-4
    [17] KUMAR M, MAJETI N, et al. A review of chitin and chitosan applications [J]. Reactive and Functional Polymers,2000,46(1):1-27. doi: 10.1016/S1381-5148(00)00038-9
    [18] 邢荣娥, 刘松, 于华华, 等. 不同分子量壳聚糖和壳聚糖硫酸酯的抗氧化活性 [J]. 应用化学,2005,22(9):958-961. doi: 10.3969/j.issn.1000-0518.2005.09.008
    [19] PARK P J, JE J Y, KIM S K. Free radical scavenging activities of differently deacetylated chitosans using an ESR spectrometer [J]. Carbohydrate Polymers,2004,55(1):17-22. doi: 10.1016/j.carbpol.2003.05.002
  • [1] 杨春生蔡照胜王锦堂许琦严金龙 . CTA季铵化壳聚糖合成条件的优化及其结构表征. 功能高分子学报,
    [2] 杜振飞许占文林嘉平 . 多嵌段共聚物/纳米粒子杂化多级结构的光学性能. 功能高分子学报, doi: 10.14133/j.cnki.1008-9357.2017.03.001
    [3] 刘子强张国颖 . 基于不对称星形聚合物制备Janus杂化金纳米粒子. 功能高分子学报, doi: 10.14133/j.cnki.1008-9357.20190819001
    [4] 屠美崔莹 . 肝素化壳聚糖季铵盐/壳聚糖复合膜抗凝血性能的研究. 功能高分子学报,
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    [6] 蔡毅高凤翔张亚明周庆海王献红 . 高分子化紫外吸收剂的合成与抗紫外性能. 功能高分子学报, doi: 10.14133/j.cnki.1008-9357.20190824001
    [7] 杨洪邬旭然 . 壳聚糖/SiO2杂化材料膜制备的研究. 功能高分子学报,
    [8] 闫德东田秀枝路琪鑫蒋学 . 阳离子化纳米纤维素晶体增强壳聚糖复合膜的制备及性能. 功能高分子学报, doi: 10.14133/j.cnki.1008-9357.2016.03.011
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-05-20
  • 网络出版日期:  2020-02-06

季铵化壳聚糖/纳米氧化锌杂化胶体的制备及性能研究

    通讯作者: 朱叶, zhuye@jiangnan.edu.cn
    作者简介: 冉海燕(1994—),女,重庆奉节人,硕士生,研究方向为功能材料。E-mail:18352536455@163.com
  • 江南大学化学与材料工程学院,合成与生物胶体教育部重点实验室,江苏 无锡 214122

摘要: 以羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖(QAC)和L-半胱氨酸(L-cys)为稳定剂制备羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖/纳米氧化锌(QAC/ZnO)杂化胶体粒子。通过纳米粒度仪、红外光谱、X射线衍射仪、X射线光电子能谱、热失重分析和透射电镜等对QAC/ZnO杂化胶体粒子的化学组成、粒径及形貌进行了系统的表征;通过紫外、细胞实验等对杂化胶体粒子的紫外透光率、抗氧化性、光催化活性以及细胞毒性进行了表征。结果表明,QAC/ZnO杂化胶体粒子具有良好的紫外线屏蔽性和抗氧化性,且无细胞毒性,在防晒化妆品领域有一定的应用前景。

English Abstract

  • 阳光中的紫外辐射不仅会让皮肤晒黑,还会造成晒伤、老化、皮肤癌变等不良影响[1]。除了传统的物理防晒,人们还通过使用防晒化妆品来阻隔紫外线,从而减少其对皮肤的伤害[2]。防晒化妆品的主要成分为防晒剂,其可分为有机防晒剂和无机防晒剂两类。目前商品化的有机防晒剂主要为二苯甲酮、阿伏苯宗、桂皮酸盐等芳香类有机化合物[3]。然而,有机防晒剂的光稳定较差,且其自身及其光解产物对人体有潜在毒副作用[4]。鉴于有机化防晒剂所存在的不足,由二氧化钛(TiO2)和氧化锌(ZnO)等金属氧化物构成的无机防晒剂越来越受到人们的青睐[5]

    与传统无机防晒剂相比,由超微化或纳米化的ZnO和TiO2所构成的无机纳米防晒剂粒径较小,能够很好地对紫外光线进行散射,有着出色的紫外遮蔽效果。然而,无机纳米防晒剂的表面自由能较高,在配方中易团聚,且具有较强的光催化活性,在光反应中所产生的活性氧(ROS)等自由基对皮肤有刺激性和一定的光致毒性[6]。为了提高无机纳米防晒剂的分散性以及减少光反应产生的自由基等对皮肤的损害,人们利用小分子或聚合物对无机纳米防晒剂的表面进行改性。Ortensia等[7]将抗氧化剂阿魏酸负载在介孔纳米二氧化钛上,通过阿魏酸的自由基清除功能降低纳米TiO2的光催化活性。Regiel等[8]通过交联剂三聚磷酸钠将壳聚糖交联在纳米ZnO表面,制备了具有较好的分散性和光稳定性的杂化纳米颗粒。Shi等[9]以嵌段共聚物聚苯乙烯-b-聚乙二醇(PS-b-PEG)为稳定剂,通过新型Flash纳米沉淀法同时包封纳米ZnO和纳米TiO2,成功制备了可以稳定分散的防晒颗粒悬浮液。

    近年来,除了传统的表面改性或包封以外,Xiao等[10]将三嵌段聚合物聚乙二醇-b-聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯-b-聚乙烯(PEO-b-PDMA-b-PS)在四氢呋喃与乙醇的混合溶液中自组装制备具有核壳结构的胶束,再将纳米TiO2的前驱体加入到胶束水分散液中,通过溶胶-凝胶反应制备得到TiO2杂化胶束。相比于传统的聚合物封装法,由大分子自组装法所制备的杂化胶束具有优异的分散性、极低的光催化活性和良好的紫外吸收性。然而目前有关大分子自组装法制备杂化胶体粒子的报道较少,且还多数基于合成聚合物,这在一定程度上限制了其在化妆品中的应用;因此以天然大分子为组装基元,通过大分子自组装法对纳米无机防晒颗粒进行封装显得尤为必要。

    季铵化壳聚糖(QAC)是壳聚糖的衍生物之一,也是一种具有良好水溶性的直链聚阳离子聚合物[11]。QAC具有较好的抗氧化性[12]、生物相容性[13, 14]、吸湿保湿性[15]和抗菌性[16],广泛地应用于生物医药等领域[17]。此外,QAC在化妆品及个人护理产品的配方中也使用较多,其不仅可提高配方产品的成膜性,还可在不引起过敏反应的同时为配方提供保湿、抑菌的功效。L-半胱氨酸(L-cys)是一种具有生理功能(如防止生物体衰老)的氨基酸,其分子链中的巯基可以和金属离子发生螯合作用,从而将金属离子稳定。本文主要利用QAC、L-cys以及纳米ZnO前驱体二水合醋酸锌,通过共组装的方式制备QAC/ZnO杂化胶体粒子(制备示意图示于图1),研究了纳米氧化锌前驱体浓度对所得杂化胶体粒子粒径、形貌及稳定性的影响,通过体外评价方法对所制备的杂化胶体粒子的紫外线屏蔽性能、光稳定性、抗氧化性、和细胞毒性进行了评价。

    图  1  杂化胶体粒子的制备示意图

    Figure 1.  Schematic illustration of synthesis of hybrid colloidal particles

    • 羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖(QAC,季铵化程度90%,Mw=1.5×105 a):绿神生物工程有限公司;L-半胱氨酸(L-cys)、罗丹明B(RB),三(羟甲基)氨基甲烷盐酸盐(Tris-HCl)、1,1-二苯基-2-苦肼基自由基(DPPH·)、焦性没食子酸、水杨酸:上海麦克林生化科技有限公司;纳米氧化锌,二水合醋酸锌(Zn(CH3OO)2·2H2O)、硫酸亚铁(FeSO4):阿拉丁试剂(上海)有限公司;无水乙醇、冰醋酸、氢氧化钠(NaOH)、过氧化氢(H2O2):分析纯,中国医药集团上海试剂公司;白油(26#):化妆品级,上海文华化工颜料有限公司;胎牛血清(FBS)、RPMI-1640培养基:上海博美达;双抗、胰蛋白酶、四甲基偶氮唑盐(MTT):无锡特达生物技术有限公司;小鼠胚胎成纤维细胞(L-929):北京北纳生物科技有限公司。

    • 分别配制质量浓度为3 mg/mL的QAC或L-cys的水溶液,并将两者等体积混合,在其中加入不同量的二水合醋酸锌,使其在混合溶液中的质量浓度分别为1、2、4、6、8 mg/mL;搅拌2 h后加入溶液体积10%的无水乙醇,并在65 °C的水浴中陈化2 h;反应结束后用0.5 mol/LNaOH溶液调节反应混合物pH至中性,并通过离心、洗涤等步骤对混合物进行分离提纯;冷冻干燥并研磨后得到QAC/ZnO杂化胶体粒子白色粉末。根据二水合醋酸锌加入量的不同,所制备的QAC/ZnO杂化胶体粒子分别命名为QAC/ZnO-1、2、4、6、8。其中,由于QAC/ZnO-1中氧化锌含量少,无法得到稳定的杂化胶体粒子;而QAC/ZnO-8杂化胶体粒子分散性较差,所以后续研究选用QAC/ZnO-2、4、6杂化胶体粒子。

    • 全反射傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR):利用Nicolet iS50型傅里叶变换红外光谱仪(美国布鲁克海文仪器公司)分析杂化胶体粒子的特征吸收峰,波数范围在4 000~650 cm−1内。

      Zeta电位及粒度分析:利用PALS型纳米粒度仪和zeta电位仪(美国布鲁克海文仪器公司)测定杂化胶体粒子的粒径大小和所带电荷,胶体粒子质量浓度0.5 mg/mL,所有样品测试前均使用0.8 μm微孔滤膜进行过滤,测试温度25 °C。

      透射电子显微镜(TEM):利用JEOL JEM-2100型透射电镜(日本JEOL电子株式会社)在200 KV下对QAC/ZnO杂化胶体粒子形貌进行表征,杂化胶体粒子质量浓度0.2 mg/mL。

      X射线衍射(XRD):通过D8型德国布鲁克X射线衍射仪(德国布鲁克AXS有限公司)检测QAC/ZnO杂化胶体粒子样品的晶体特征峰,扫描速度:5°/min,2θ扫描范围3°~90°,最小步长0.000 1°。

      X射线光电子能谱(XPS):利用ESCALAB 250XI型X射线光电子能谱仪(美国赛默飞世尔科技公司)测定QAC/ZnO杂化胶体粒子样品表面元素组成情况,实验操作参数为:铝/镁靶、真空条件、高压14.0 kV、样品采集范围0~1450ev。

      热重分析(TG):利用TGA/1100SF型热失重分析仪(瑞士Mettler-Toledo公司)考察杂化粒子的热稳定性,温度范围50~800 °C,升温速率20 °C/min,N2流量为50 mL/min。

    • 配制质量浓度为0.05 mg/mL的QAC水溶液,0.05 mg/mL的L-cys水溶液,0.05 mg/mL的QAC与L-cys的混合溶液以及质量浓度为0.05 mg/mL的QAC/ZnO-2、QAC/ZnO-4、QAC/ZnO-6杂化胶体粒子的水分散液,采用TU-1901型紫外分光光度计(北京普析通用公司)在200~−500 nm范围内扫描杂化胶体粒子的紫外透光率。

    •  (1)1,1-二苯基-2-三硝基苯肼自由基

      将6 mL质量浓度为1 mg/mL的QAC/ZnO-2、QAC/ZnO-4以及QAC/ZnO-6杂化胶体粒子水分散液分别加入30 mL浓度为8×10–5 mol/L的DPPH·无水乙醇溶液中,室温下避光搅拌反应4 h后取5 mL反应液,在10 000 r/min下离心10 min,测定上层清液在517 nm处的吸光度(Ai),每个样品重复测量3次。以0.5 mL水与2.5 mL DPPH·无水乙醇溶液在517 nm处的吸光度值作为对照组(Ac),以0.5 mL样品溶液与2.5 mL乙醇溶液在517 nm处的吸光度值作为空白组(Aj)。按式(1)计算DPPH·清除率(rDPPH·)。

      $r_{\rm{DPPH \cdot}} = \left[ {1 - \left( {{A_i} - {A_j}/{A_c}} \right)} \right] \times 100{\text%} $

      (2)超氧阴离子自由基(O2·)清除率测定

      在100 mL烧杯中加入3 mL蒸馏水与50 mL浓度为0.05 mol/L Tris-HCl缓冲液(pH=8.2),在37 °C水浴中恒温20 min;随后向所得溶液中分别加入3 mL 7.5 mmol/L的邻苯三酚溶液,室温下遮光反应9 min;在反应0、0.5、1.0、1.5、2、2.5、3.0 min分别取出5 mL反应液,在10 000 r/min下离心10 min,测定上层清液在320 nm处吸光度值;以其对时间作图,所得曲线斜率即为样品溶液邻苯三酚自氧化速率V0(0.0289)。将上述蒸馏水换成3 mL质量浓度为1 mg/mL的QAC/ZnO-2、QAC/ZnO-4以及QAC/ZnO-6的杂化胶体粒子水分散液,按上述方法测得样品组的自氧化速率(Vs),重复测量3次。根据式2计算O2·清除率$r_{\rm {O_2\cdot}} $

      $r_{\rm {O_2\cdot}} = \left[ {\left( {{V_o} - {V_s}} \right)/{V_o}} \right] \times 100{\text%} $

      (3)羟基自由基(OH·)清除率测定

      配制质量浓度为9 mmol/L的FeSO4溶液和水杨酸-乙醇溶液,分别移取20 mL质量依次加入3个100 mL烧杯中,室温下搅拌使混合均匀;将20 mL质量浓度为1 mg/mL的QAC/ZnO-2、QAC/ZnO-4以及QAC/ZnO-6杂化胶体粒子水分散液分别加入上述所得溶液中,最后加入浓度为8.8 mmol/L的H2O2溶液20 mL,在37 °C水浴中恒温振荡反应48 h后取反应液5 mL,10 000 r/min条件下离心10 min,取上层清液在536 nm处测定吸光度(As);在536 nm处测定超纯水的吸光度($A_{\rm H_2O} $)作为空白组,重复测量3次。根据式(3)计算OH·清除率(rOH·):

      $r_{OH}\cdot = \left[ {\left( {{A_{\rm H_2O}} - {A_{\rm s}}} \right)/{A_{\rm H_2O}}} \right] \times 100{\text%} $

    • 将一定量的罗丹明B加入到ZnO、QAC/ZnO-2、QAC/ZnO-4以及QAC/ZnO-6杂化胶体粒子的水分散液中,最终质量浓度为0.1 mg/mL。用紫外灯对其照射不同时间,取10 mL样品溶液,在5 000 r/min下离心10 min,随后测定上层清液在554 nm处的吸光度,确定溶液中罗丹明B染料的浓度,并按式(4)计算罗丹明B的降解率(rRB)。

      $r_{\rm RB} = \left[ {\left( {{{{A}}_0} - {{A}}} \right)/{{{A}}_0}} \right] \times {\text%}$

      式中:A0A分别为光处理前后罗丹明B溶液的吸光度。

    • 将L929细胞悬浮液接种于96孔培养板中,细胞浓度为6×103个/孔。培养24 h后分别添加10 μL或30 μL质量浓度为3 mg/mL的QAC/ZnO-2、QAC/ZnO-4、QAC/ZnO-6杂化胶体粒子水分散液以及由QAC/ZnO-6杂化胶体粒子所稳定的乳液,并将培养液体积补充至100 μL,继续培养24 h或48 h。作为参考,对照组以RPMI-1640培养基直接培养24 h或48 h。随后每孔均用无菌PBS溶液冲洗3次,用Nikon 80i型正置荧光显微镜(日本尼康株式会社)在493 nm的激发波长下观察细胞形态,每个样品至少选取6个不同位置拍摄数码照片。观察后,再在每孔中加90 μL新鲜RPMI-1640培养基,10 μL 5 mg/mL的MTT溶液,继续培养4 h后于细胞中形成蓝紫色晶体,然后吸除混合培养基,每孔再加入100 μL的DMSO并振荡溶解10 min。用酶标仪测定DMSO溶液在570 nm处的吸光度(即OD值),通过公式(5)计算得到细胞相对活性:细胞相对活性=[(OD-ODB)/(ODC-ODB)]×100% (5)。

      式中ODE、ODB、ODC分别为实验组、空白、控制组的值。实验中每个样品至少6个独立培养孔,实验数据用平均值±标准偏差表示,数据统计采用单因素偏差分析,p<0.05为显著性差异。QAC/ZnO-6杂化胶体粒子所稳定的乳液制备方法如下:取3 mL 1 mg/mL的QAC/ZnO-6杂化胶体粒子水分散液作为水相,3 mL白油为油相,混合后用XHF-D型乳化机在20 500 r/min下均质3 min,放置48 h后使用。

    • 图2所示,通过调节溶液的pH,QAC、L-cys和二水合醋酸锌能够在水中自组装形成胶体粒子。首先QAC和L-cys在水中通过静电相互作用形成QAC/L-cys复合物,随后加入的二水合醋酸锌中的锌离子被L-cys中的巯基(―SH)吸附形成络合物;通过调节pH,QAC中―NH2的质子化程度降低,大分子链的疏水性增强,链段逐渐聚集并组装形成胶体粒子,于此同时吸附在L-cys上的二水合醋酸锌发生水解生成ZnO,获得QAC/ZnO自组装杂化胶体粒子。

      图  2  不同二水合醋酸锌含量的杂化胶体粒子的(a)表观数码照片及(b)相应粒径分布

      Figure 2.  (a) Digital pictures and(b) size distribution of hybrid colloidal particles with different Zn(CH3COO)2·2H2O concentrations

      对杂化胶体粒子的粒径、分布及表面荷电性进行了表征。如表1所示,所得QAC/ZnO杂化胶体粒子表面带正电,具有良好的分散性和稳定性,且随着杂化胶体粒子中ZnO含量的增加,胶体粒子的粒径逐渐增加。当混合溶液中二水合醋酸锌的质量浓度由2 mg/mL增加至6 mg/mL时,由于杂化胶体粒子中ZnO含量的增加,杂化胶体粒子的直径由190 nm增大至320 nm。

      SampleDh/nmPolydispersitySurface charge/mV
      QAC/ZnO-2190 ± 4.50.218 ± 0.046.8 ± 0.5
      QAC/ZnO-4230 ± 5.70.193 ± 0.021.1 ± 0.3
      QAC/ZnO-6320 ± 2.80.122 ± 0.013.5 ± 0.1

      表 1  不同QAC/ZnO杂化胶体粒子的粒径及电位

      Table 1.  Size and zeta potential of QAC/ZnO hybrid colloidal particles

      通过TEM对QAC/ZnO-2、QAC/ZnO-4、QAC/ZnO-6这3种杂化胶体粒子的形貌进行表征,如图3所示。3种QAC/ZnO杂化胶体粒子呈球形且具有良好的分散性,杂化胶体粒子的直径约为110~200 nm;杂化胶体粒子的粒径随着纳米氧化锌前驱体二水合醋酸锌含量的增大而增大,这与纳米粒度仪测定的趋势基本一致。然而,TEM测定的杂化胶体粒子的直径要小于纳米粒度仪测定的结果,这主要是因为QAC分子链上含有大量亲水基团,QAC/ZnO杂化胶体粒子在水溶液中处于溶胀状态,故粒径较大;而在TEM制样时随着溶剂水的挥发,粒子发生塌陷收缩,导致杂化胶体粒子干态下粒径较小。

      图  3  QAC/ZnO-2、QAC/ZnO-4、QAC/ZnO-6的TEM图

      Figure 3.  TEM images of three hybrid colloidal particles (a) QAC/ZnO-2, (b) QAC/ZnO-4 and (c) QAC/ZnO-6

      图4为ZnO、QAC和一系列QAC/ZnO杂化胶体粒子的TG测试曲线。单纯的ZnO粉末几乎没有质量损失,而QAC/ZnO杂化胶体粒子在260 °C左右有明显的热失重,说明QAC/ZnO杂化胶体粒子的成功制备。此外,通过计算可得,当混合溶液中二水合醋酸锌的质量浓度为2、4、6 mg/mL时,所得到的杂化胶体粒子QAC/ZnO-2、QAC/ZnO-4以及QAC/ZnO-6中的氧化锌的含量分别为32%、34%和41%。

      图  4  ZnO、QAC和QAC/ZnO杂化胶体粒子的TG曲线

      Figure 4.  TG curves of ZnO, QAC and QAC/ZnO hybrid colloidal particles

    • 以QAC/ZnO-6杂化胶体粒子为例,对杂化胶体粒子的结构进行了表征。图5为ZnO,L-cys,QAC和QAC/ZnO-6杂化胶体粒子的全反射红外光谱图。在QAC的红外谱图中,1 037 cm−1处为糖苷键(C―O―C)的特征峰,1 658 cm−1处为酰胺Ⅰ带羰基(C=O)的伸缩振动峰,1 576 cm−1处是酰胺Ⅱ带和脱乙酰基单元中氨基N―H弯曲振动的组合;L-cys的红外谱图中,羧基上―OH和―NH2的特征峰在3 182 cm−1处,―SH的特征峰在2 537 cm−1处;商品化ZnO的红外谱图中羟基的特征峰为3 416 cm−1。QAC/ZnO-6杂化胶体粒子在3 256 cm−1处的特征峰明显减弱,且由3 256 cm−1移至3 243 cm−1,说明ZnO NPs与QAC以及L-cys中―NH2相互作用,且2 537 cm−1处―SH的特征峰消失,说明―SH也与ZnO NPs相互作用而起到稳定ZnO NPs的作用。

      图  5  ZnO、L-cys、QAC和QAC/ZnO-6杂化胶体粒子的全反射红外光谱

      Figure 5.  ATR-FTIR spectra of ZnO, L-cys, QAC and QAC/ZnO-6 hybrid colloidal particles

      图6(a)是QAC/ZnO-6杂化胶体粒子的XRD衍射图谱。从图中可以看出,QAC/ZnO-6杂化胶体粒子的2θ为31.74°、34.41°、36.18°、47.44°和56.58°,62.94°,66.28°,67.93°和68.86°处分别出现了对应于ZnO(100),(002),(101),(102),(110),(103),(200),(112)和(201)晶面的特征衍射峰。所有衍射峰位置均与JCPDS卡上ZnO特征衍射峰数据一致(JCPDS No. 36-1451),表明ZnO已经形成。进一步利用XPS对QAC/ZnO-6杂化胶体粒子的结构进行表征。如图6(b)所示,QAC/ZnO-6杂化胶体粒子的XPS图中出现了Zn2p,O1s,N1s,C1s和S2p5个峰,其中1 021.38处为ZnO中锌元素的出峰,进一步表明杂化胶体粒子中ZnO的形成。

      图  6  QAC/ZnO-6杂化胶体粒子的(a)XRD、(b)XPS

      Figure 6.  (a) XRD patterns and (b) XPS survey spectra of QAC/ZnO-6 hybrid colloidal particles

    • 为了测试杂化胶体粒子的UV屏蔽性质,将3种杂化胶体粒子溶液质量浓度稀释至0.05 mg/mL,在200~500 nm间测量其紫外光透过率,通过研究其在280~400 nm的紫外透光率来评价其紫外屏蔽能力。如图7所示,选择QAC溶液、L-cys溶液以及两者的混合溶液在320 nm处的紫外透光率均大于82%,而QAC/ZnO-2,QAC/ZnO-4,QAC/ZnO-63种杂化胶体粒子水分散液在320 nm处的紫外透光率分别为47%,3.3%,0.2%,表明杂化纳米颗粒具有优异的紫外线屏蔽性能,且杂化胶体粒子中ZnO含量越高紫外线屏蔽性能越好。

      图  7  QAC、L-cys、QAC/ZnO-2、QAC/ZnO-4以及QAC/ZnO-6的紫外透光率

      Figure 7.  Transmittance of QAC, L-cys, QAC/ZnO-2, QAC/ZnO-4 and QAC/ZnO-6 hybrid colloidal particles

    • 图8所示,3种QAC/ZnO杂化胶体粒子对DPPH·的清除率分别为81.3%、80.9%和78.1%;对O2·的清除率分别为60.2%、57.9%和52.6%;对羟基自由基的清除率分别为46.8%、40.2%和36.9%。以上结果表明,3种QAC/ZnO杂化胶体粒子均能清除DPPH·、O2·以及OH·,这是因为QAC中具有大量含有活泼氢的羟基和氨基,这些活泼氢原子可以捕捉自由基形成稳定的大分子自由基,此外活泼氨基可先与溶液中的氢作用形成氨正离子,再与活泼氢原子作用形成稳定的物质,从而达到清除自由基的目的[18, 19]。但QAC/ZnO-2、QAC/ZnO-4和QAC/ZnO-6杂化胶体粒子对三种自由基的清除率均随着样品中ZnO含量的增加略有下降,这主要是因为ZnO含量越高,聚合物中用于稳定ZnO的活性羟基和氨基更多,用于结合活性自由基的活性羟基和氨基减少,因此清除率下降。

      图  8  3种杂化胶体粒子对DPPH、O2·、OH·的清除率(杂化胶体粒子质量浓度均为1 mg/mL,pH=7.02)

      Figure 8.  The DPPH, OH·, O2· scavenging activity of QAC/ZnO-2, QAC/ZnO-4 and QAC/ZnO-6 hybrid colloidal particles (The mass concentration of QAC/ZnO hybrid colloidal particles was 1 mg/mL, pH =7.02)

    • 为研究杂化胶体粒子的光催化活性,将质量浓度为0.5 mg/mL的QAC/ZnO-2、QAC/ZnO-4、QAC/ZnO-6杂化胶体粒子水分散液与罗丹明B(0.01 mg/mL)混合,在光强为12 000 mW/cm2的强紫外线下照射,通过与如图9(a)中罗丹明B在554 nm处紫外吸收标准曲线的对比研究其光降解情况。如图9(b)所示,在市售ZnO纳米粒子的存在下约95%的罗丹明B在300 min内降解,而质量浓度为0.5 mg/mL的QAC/ZnO-2、QAC/ZnO-4、QAC/ZnO-63种杂化胶体粒子在300 min时对罗丹明B的降解率显著降低,分别为1.26%,2.21%,3.48%。随着氧化锌含量的增加罗丹明B的降解率略有上升,这主要是QAC和L-cys中的活性氢将纳米氧化锌在紫外光下产生的大部分活性氧清除,使其不能降解罗丹明B,而杂化胶体粒子中ZnO含量越多,用于稳定ZnO的QAC和L-cys越多,可用于清除活性氧的QAC和L-cys降低,因此ZnO含量越多的杂化胶体粒子对罗丹明B的降解率略有升高。

      图  9  (a)罗丹明B的标准曲线,(b)ZnO及3种不同杂化纳米颗粒对罗丹明B的降解率(ZnO、QAC/ZnO-2、QAC/ZnO-4、QAC/ZnO-6质量浓度均为1 mg/mL,pH7.04)

      Figure 9.  (a) Standard curve of Rhodamine B and (b) degradation behaviors of rhodamine B with the existed of ZnO, QAC/ZnO-2, QAC/ZnO-4 and QAC/ZnO-6 hybrid colloidal particles ( The mass concentration of ZnO and hybrid colloidal particles was 1 mg/mL, the pH 7.02)

    • QAC/ZnO杂化胶体粒子及其所稳定的乳液的细胞毒性如图10(a)所示。当3种杂化胶体粒子分散液以及由QAC/ZnO-6所稳定的乳液占培养基体积的10%时,培养24 h及48 h后L929细胞仍为伸展的梭形形态,与阴性对照组的细胞形态相同,无畸形变化。当3种QAC/ZnO杂化胶体粒子分散液及由QAC/ZnO-6所稳定的乳液占培养基体积增加至30%时,培养24 h及48 h后细胞生长状况基本一致。以上结果证明杂化胶体粒子及其所制备乳液对L929细胞的生长状态无影响,无细胞毒性。

      图  10  (a)3种QAC/ZnO杂化胶体粒子以及QAC/ZnO-6所制备乳液对L-929细胞增殖的影响及粒子含量为(b)10%、(c)30%时的细胞活性(QAC/ZnO杂化胶体粒子的质量浓度3.0 mg/mL,pH=7.02)

      Figure 10.  Effects of three QAC/ZnO hybrid colloidal particles and emulsion stabilized by QAC/ZnO-6 hybrid colloidal particles on the proliferation of L-929 cells (a) and cell viability at particle Volume fraction of(b) 10% , (c)30% ( The mass concentration of three QAC/ZnO hybrid colloidal particles was 3.0 mg/mL pH=7.02)

      将以上各组细胞进一步通法MTT法评价细胞活性。如图10(bc)所示,在质量浓度为3 mg/mL的QAC/ZnO-2、QAC/ZnO-4、QAC/ZnO-6杂化胶体粒子溶液体积分数为10%和30%时,培养24 h和48 h后的L929细胞活性均大于97%,按照分级标准细胞毒性为Ⅰ级,说明QAC/ZnO杂化胶体粒子不会影响细胞的增殖;而加入QAC/ZnO-6乳液样品后细胞活性大于100%,说明该乳液有利于细胞的生长。以上结果说明QAC/ZnO杂化胶体粒子基本无细胞毒性,以其制备的乳液有助于细胞的生长,这与图10(a)结果一致。

    • 以羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖、L-半胱氨酸为稳定剂,以二水合醋酸锌为前驱体通过大分子自组装方法制备QAC/ZnO杂化胶体粒子,通过控制前驱体的浓度制备不同粒径大小的3种杂化纳米颗粒,对其紫外屏蔽性能、抗氧化性能进行了评价,通过对罗丹明B的降解实验、皮肤渗透实验以及细胞实验等体外安全性实验评价其光稳定性和细胞毒性。实验结果表明:前驱体二水合醋酸锌的浓度越大,杂化纳米颗粒中ZnO的含量越多,其粒径越大。制备的QAC/ZnO杂化胶体粒子在具有良好的紫外线屏蔽性和抗氧化性的同时,光催化活性显著降低且基本无细胞毒性,在防晒化妆品领域有一定的应用前景。

参考文献 (19)

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