层层自组装纤维素硫酸钠-壳聚糖复合膜
实验目的
1. 了解层层自组装技术的基本原理;
2. 学会用层层自组装技术生产一些简单产品;
3. 了解纤维素硫酸钠-壳聚糖复合膜的结构和性能.
实验原理:
层层自组装技术(1ayer—by —layer self—assembly technique)通常是利用特定高分子化合物对的某种亲和特性使其自发地逐层沉积的一种膜制备技术。目前，功能生物大分子自组装膜在分子器件、分子调控，生物芯片、生物传感器等方面有重要的应用价值，对其制备和性能的研究也成为化学、生命科学、材料学、物理学等学科的研究热点之一。可以作为自组装推动力的作用很多，如利用分子中羧基(-C00H)和氨基(-NH2)之间的化学反应生成酰氨键(-CONH-)的酰胺反应法、利用生物大分子的特异识别自组装、利用分子间形成共价键为推动的自组装哺、利用分子问氢键结合自组装、以静电作用为推动力的分子沉积自组装等。其中，分子沉积自组装以其可利用化合物多样、沉积条件简便、沉积过程可控而应用最为广泛。但是，目前研究的化合物对多集中于强电解质化合物，这类物质形成的自组装膜力学性能较好，但高分子强电解质在人体内的生物相容性较差，在药用领域的研究大大受限。而某些天然多糖类物质，在体内有很好的生物相容性，可以期望利用这种化合物对制备的自组装膜在药学领域有应用的潜力。
本实验使用具有良好生物相容性的聚阳离子化合物壳聚糖(chitosan)和聚阴离子化合物纤维素硫酸钠(NaCS)作为新的复合膜原料，采用层层自组装技术制备成新型的NaCS-chitosan 自组装膜，并利用紫外分光光度计表征复合膜的形貌特征和沉积行为，为进一步的深入研究和应用奠定基础。
纤维素硫酸钠和壳聚糖的结构式如图1所示。两种化合物分别带有相反电荷的基团，NaCS 上的磺酸基和壳聚糖分子中的氨基会发生反应，产生不溶于水的聚电解质复合物。利用静电力作为形成复合膜的推动力，使NaCS 和壳聚糖交替沉积，形成性质可控的聚电介质膜。经估测，膜的厚度在10μm 级数量级。
仪器和试剂
1. 主要试剂
纤维素硫酸钠、壳聚糖、10mg/ml荧光素异硫氰酸酯(FITC)二甲基亚砜溶液、去离子水、浓硫酸、6mol/L的NaOH 溶液、pH=7．4的PBS 缓冲液、1%的醋酸溶液
2. 实验仪器
载玻片、烧杯、PH 试纸、紫外-可见光分光光度计、离心机
实验步骤
1 荧光标记壳聚糖的制备(选做) 壳聚糖和纤维素硫酸钠在紫外-可见光区内都没有明显吸收峰，为表征NaCS-chitosan 自组装膜的形成过程，需要对壳聚糖进行标记，使之在紫外-可见光波长范围内有光吸收。实验中选择荧光染料荧光素异硫氰酸酯(FITC)为标记试剂，在碱性环境中，FITC 以异硫氰酸基团与壳聚糖分子中氨基连接，标记后的壳聚糖在480 nm波长下有明显吸收峰，可以作为自组装的指示剂。取一定体积的浓度为5 g/L壳聚糖溶液(含1％醋酸) ，加入6 mol/L NaOH调至pH 9．0，按体积比10：1加入10 mg/mlFITC二甲基亚砜溶液，混匀后避光反应3 h。反应结束后以pH=7．4的PBS 缓冲液反复洗涤，除去游离的FITC 。离心收集标记的壳聚糖絮状沉淀，重新溶于1％的醋酸溶液中，使壳聚糖最终浓度达到0．5 g/L。
2 NaCS-chitosan 层层自组装复合膜的制备 取载玻片在浓硫酸中浸泡以清洁表面。配制一定浓度的纤维素硫酸钠和FITC-壳聚糖溶液，将已处理好的玻璃片在FITC-壳聚糖溶液中浸泡一定时间，使玻璃片表面吸附一层FITC-壳聚糖分子层，吸附过程完成后取出玻片，用去离子水洗涤玻片两次，以去除游离的壳聚糖分子；而后浸入到带有负电的纤维素硫酸钠溶液中，使玻璃片表面带有吸附负电荷分子NaCS ，沉积过程结束后用去离子水洗涤两次以去除游离的NaCS 分子。重复上述步骤，可制备一定层数的NaCS-chitosan 层层自组装复合膜。
3 检测(选做) 紫外-可见光分光光度计检测壳聚糖结合FITC 后在480 nm 有明显吸收峰，可以用光吸收的强度表征壳聚糖的沉积行为。使用Uhrospee3300紫外-可见光分光光度计，对不同实验条件下NaCS-chitosan 复合膜的沉积过程进行表征。
思考题
1. 能用于自组装的材料具有什么特性?
2. 影响NaCS-chitosan 复合膜形成过程的因素有哪些?
备注:
PBS 缓冲液:含0.05%吐温－20的pH7.4的磷酸盐缓冲液
参考文献
谢瑜亮，王明君，姚善泾, 层层自组装纤维素硫酸钠-壳聚糖复合膜, 化工学报,2008
层层自组装纤维素硫酸钠-壳聚糖复合膜
实验目的
1. 了解层层自组装技术的基本原理;
2. 学会用层层自组装技术生产一些简单产品;
3. 了解纤维素硫酸钠-壳聚糖复合膜的结构和性能.
实验原理:
层层自组装技术(1ayer—by —layer self—assembly technique)通常是利用特定高分子化合物对的某种亲和特性使其自发地逐层沉积的一种膜制备技术。目前，功能生物大分子自组装膜在分子器件、分子调控，生物芯片、生物传感器等方面有重要的应用价值，对其制备和性能的研究也成为化学、生命科学、材料学、物理学等学科的研究热点之一。可以作为自组装推动力的作用很多，如利用分子中羧基(-C00H)和氨基(-NH2)之间的化学反应生成酰氨键(-CONH-)的酰胺反应法、利用生物大分子的特异识别自组装、利用分子间形成共价键为推动的自组装哺、利用分子问氢键结合自组装、以静电作用为推动力的分子沉积自组装等。其中，分子沉积自组装以其可利用化合物多样、沉积条件简便、沉积过程可控而应用最为广泛。但是，目前研究的化合物对多集中于强电解质化合物，这类物质形成的自组装膜力学性能较好，但高分子强电解质在人体内的生物相容性较差，在药用领域的研究大大受限。而某些天然多糖类物质，在体内有很好的生物相容性，可以期望利用这种化合物对制备的自组装膜在药学领域有应用的潜力。
本实验使用具有良好生物相容性的聚阳离子化合物壳聚糖(chitosan)和聚阴离子化合物纤维素硫酸钠(NaCS)作为新的复合膜原料，采用层层自组装技术制备成新型的NaCS-chitosan 自组装膜，并利用紫外分光光度计表征复合膜的形貌特征和沉积行为，为进一步的深入研究和应用奠定基础。
纤维素硫酸钠和壳聚糖的结构式如图1所示。两种化合物分别带有相反电荷的基团，NaCS 上的磺酸基和壳聚糖分子中的氨基会发生反应，产生不溶于水的聚电解质复合物。利用静电力作为形成复合膜的推动力，使NaCS 和壳聚糖交替沉积，形成性质可控的聚电介质膜。经估测，膜的厚度在10μm 级数量级。
仪器和试剂
1. 主要试剂
纤维素硫酸钠、壳聚糖、10mg/ml荧光素异硫氰酸酯(FITC)二甲基亚砜溶液、去离子水、浓硫酸、6mol/L的NaOH 溶液、pH=7．4的PBS 缓冲液、1%的醋酸溶液
2. 实验仪器
载玻片、烧杯、PH 试纸、紫外-可见光分光光度计、离心机
实验步骤
1 荧光标记壳聚糖的制备(选做) 壳聚糖和纤维素硫酸钠在紫外-可见光区内都没有明显吸收峰，为表征NaCS-chitosan 自组装膜的形成过程，需要对壳聚糖进行标记，使之在紫外-可见光波长范围内有光吸收。实验中选择荧光染料荧光素异硫氰酸酯(FITC)为标记试剂，在碱性环境中，FITC 以异硫氰酸基团与壳聚糖分子中氨基连接，标记后的壳聚糖在480 nm波长下有明显吸收峰，可以作为自组装的指示剂。取一定体积的浓度为5 g/L壳聚糖溶液(含1％醋酸) ，加入6 mol/L NaOH调至pH 9．0，按体积比10：1加入10 mg/mlFITC二甲基亚砜溶液，混匀后避光反应3 h。反应结束后以pH=7．4的PBS 缓冲液反复洗涤，除去游离的FITC 。离心收集标记的壳聚糖絮状沉淀，重新溶于1％的醋酸溶液中，使壳聚糖最终浓度达到0．5 g/L。
2 NaCS-chitosan 层层自组装复合膜的制备 取载玻片在浓硫酸中浸泡以清洁表面。配制一定浓度的纤维素硫酸钠和FITC-壳聚糖溶液，将已处理好的玻璃片在FITC-壳聚糖溶液中浸泡一定时间，使玻璃片表面吸附一层FITC-壳聚糖分子层，吸附过程完成后取出玻片，用去离子水洗涤玻片两次，以去除游离的壳聚糖分子；而后浸入到带有负电的纤维素硫酸钠溶液中，使玻璃片表面带有吸附负电荷分子NaCS ，沉积过程结束后用去离子水洗涤两次以去除游离的NaCS 分子。重复上述步骤，可制备一定层数的NaCS-chitosan 层层自组装复合膜。
3 检测(选做) 紫外-可见光分光光度计检测壳聚糖结合FITC 后在480 nm 有明显吸收峰，可以用光吸收的强度表征壳聚糖的沉积行为。使用Uhrospee3300紫外-可见光分光光度计，对不同实验条件下NaCS-chitosan 复合膜的沉积过程进行表征。
思考题
1. 能用于自组装的材料具有什么特性?
2. 影响NaCS-chitosan 复合膜形成过程的因素有哪些?
备注:
PBS 缓冲液:含0.05%吐温－20的pH7.4的磷酸盐缓冲液
参考文献
谢瑜亮，王明君，姚善泾, 层层自组装纤维素硫酸钠-壳聚糖复合膜, 化工学报,2008