三甲基壳聚糖季铵盐水凝胶的制备及性能

林佳福，辛梅华，李明春，祝二斌

（华侨大学材料科学与工程学院，环境友好功能材料教育部工程中心，福建 厦门 361021）

研究开发

三甲基壳聚糖季铵盐水凝胶的制备及性能

林佳福，辛梅华，李明春，祝二斌

（华侨大学材料科学与工程学院，环境友好功能材料教育部工程中心，福建 厦门 361021）

采用反应活性强和交联条件温和的二乙烯基砜为交联剂，制备了N,N,N-三甲基壳聚糖季铵盐水凝胶（TMCG）并研究了TMCG的溶胀行为、水的状态和分布以及力学性能等。结果表明，TMCG在水中溶胀迅速，平衡溶胀度达40倍，并且具有离子响应性；水分子在TMCG中以自由水、可冻结的结合水和非冻结的结合水三种形式存在，其非冻结的结合水含量随交联剂浓度的增加而增大。TMCG具有良好的力学性能，拉伸强度达13.8 MPa，断裂伸长率达135.3%。

壳聚糖；季铵化；水凝胶；力学性能

水凝胶是能够吸收并保留大量水分、在水中只溶胀不溶解的亲水性三维网络结构物质[1]。刺激敏感型的水凝胶能够对外界的环境刺激如温度、pH值、离子强度、压力、电场和磁场等产生体积变化或相变。由于具有良好的亲水性、高溶胀度、温敏和pH值响应性，水凝胶已广泛用于抗菌材料、支架材料、重金属吸附剂和药物载体等领域[2-5]。

壳聚糖是无毒、可生物降解和生物相容性好的天然高分子材料，在水凝胶制备中应用日益广泛。Susannah等[5]分别采用戊二醛和京尼平为交联剂制备了壳聚糖水凝胶，考察了水凝胶的溶胀、流变和药物扩散行为。结果表明，其溶胀行为有很高的pH响应性，并且交联度低的水凝胶扩散速度和总释放率增加。改变壳聚糖水凝胶的交联类型和程度可以改变其溶胀和弹性特征，以期用作靶向给药载体。Nedeljko等[6]以壳聚糖、衣康酸和PVA为基材通过戊二醛交联制备聚合物网络（HPNs），研究表明，制备的HPNs比将壳聚糖溶解在乙酸或盐酸里制得的壳聚糖水凝胶有更好的溶胀性能、力学性能和热稳定性。改变PVA的量和交联度可调节HPNs的性质，使其用于药物控制释放等领域。但壳聚糖亲水性较差限制了其应用范围，通过化学修饰改善壳聚糖的溶解性，可以拓宽其应用，而且目前制备的壳聚糖水凝胶存在制备过程较为繁琐、溶胀速率慢、溶胀度低及力学性能较差等缺点。本文对壳聚糖进行化学改性制备具有良好水溶性的N,N,N-三甲基壳聚糖季铵盐（TMC），以反应活性强和交联条件温和的二乙烯基砜为交联剂，在常温水溶液条件下制备N,N,N-三甲基壳聚糖季铵盐水凝胶（TMCG），反应式见图1。研究了TMCG的溶胀行为、水的状态以及力学性能，为壳聚糖基水凝胶在生物医学领域如敷料等方面的应用提供依据。

图1 N,N,N-三甲基壳聚糖季铵盐水凝胶的制备

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

冷冻干燥机（北京博医康仪器有限公司），NEXUS470傅里叶变换红外光谱仪（美国 Nicolet公司），Universal V2.4F热分析仪（美国TA仪器公司），CMT6502型SANS微机控制电子万能试验机（深圳市新三思材料检测有限公司）。

壳聚糖（CTS），DD%= 95.6，=100 kDa，浙江金壳生物化学有限公司；碘甲烷，上海阿拉丁试剂有限公司；二乙烯基砜（DVS），上海海曲化工有限公司；其它试剂均为市售分析纯。

1.2 N,N,N-三甲基壳聚糖季铵盐水凝胶的制备

1.2.1 TMC的制备

参照文献[7]的方法合成TMC，具体如下：2 g CTS加入80 mLN-甲基吡咯烷酮中，搅拌过夜溶胀后加入4.8 g NaI、15% NaOH，60 ℃搅拌20 min。接着加入12 mL碘甲烷，反应2 h后，再加入NaOH和6 mL碘甲烷，继续反应2 h。倒入乙醇/乙醚（体积比=1/1）中，过滤，乙醚洗涤。分别用NaCl溶液和蒸馏水透析3天，离心后上清液冷冻干燥得到产物TMC。用D2O溶解TMC、AV-400型核磁共振分析仪测定TMC的核磁共振氢谱，计算得TMC的三甲基取代度为36%。

1.2.2 TMCG的制备

以二乙烯基砜（DVS）为交联剂在碱性条件下制备TMCG。具体如下：取一定量的TMC（见表1）溶于3 mL蒸馏水中配制TMC水溶液，然后分别加入1 mL 2%氢氧化钠溶液和1 mL一定浓度的DVS溶液（见表1），搅拌均匀，倒入模具中，室温放置4 h左右，使其充分交联，得初始TMCG。将TMCG浸泡于蒸馏水中24 h，期间多次换水，以除去未反应的TMC和DVS，60℃真空干燥得纯化的TMCG。

1.3 水凝胶的溶胀行为测定

将尺寸为 1 cm×1 cm 的干燥水凝胶（质量为Md）浸泡在蒸馏水中，溶胀平衡后水凝胶的质量为Me，按式（1）、式（2）计算TMCG的饱和溶胀度SR和平衡水含量EWC。

表1 产品名称及原料用量

1.4 水凝胶的力学性能测定

根据塑料薄膜拉伸性能试验方法（GB 13022—91），将TMCG裁成哑铃形，用螺旋测微器测量试样厚度。然后用电子万能试验机测定试样的拉伸强度和断裂伸长率，拉伸速度 25 mm/min，标距 80 mm。每个数据取5个样条的算术平均值。

2 结果与讨论

2.1 产物的红外光谱分析

采用KBr压片法，测得原料和产物的红外吸收光谱如图2所示。

图2中曲线a为CTS的红外光谱图，曲线b为TMC的红外光谱图。与曲线a相比，曲线b在2930 cm－1处的—CH3伸缩振动吸收峰明显增强，1479 cm－1处出现的新峰是季铵基团中甲基的C—H不对称伸缩振动峰，1596 cm－1处的N—H弯曲振动峰消失，说明壳聚糖的NH2上发生了取代反应[8]。由红外吸收光谱说明壳聚糖的 NH2上已引入—N(CH3)3基团。曲线c为TMCG的红外吸收光谱，与曲线b相比，曲线c在1310 cm－1处出现新峰，为交联剂二乙烯基砜上—SO2—基团的反对称伸缩振动峰，说明产物为交联三甲基壳聚糖季铵盐水凝胶。

2.2 TMCG中水的状态和分布

共聚物中水的状态及含量影响高分子膜的通透性等。聚合物和水分子之间的相互作用能够反映出水凝胶的结构和性能的关系[9-10]。对不同交联剂用量制备的水凝胶同时进行平衡水含量测定和DSC分析。蒸馏水溶胀平衡后的水凝胶用滤纸拭去表面的水，取3～5 mg放入DSC样品池中密封测定。升温速率10 K/min，温度范围－30～40 ℃，N2保护，测得不同交联剂浓度制备的水凝胶的DSC如图3所示。

图2 合成产物的FTIR图

图3 水凝胶的DSC图

图3显示，在0～20 ℃之间5种水凝胶均有吸热峰，说明在低温下有冰相生成。按照“三态水”模型，这些谱峰来源于冻结水的热焓变化，由此可算出冻结水的含量。在交联剂浓度较低时，谱峰为单峰且较窄；随着交联剂浓度的增加，谱峰呈变宽趋势；在交联剂质量分数为2.4%时裂成2个峰。单峰说明可冻结的结合水和自由水的吸热峰完全重叠，而双峰中靠近 0℃的为自由水的吸热峰，另一个则为中间水的吸热峰[9]。

假设水凝胶中水的熔融焓与纯水的熔融焓相同，即334.3J/g[10]，根据DSC曲线上的熔融焓值（表2），利用式（3）、式（4）可计算出可冻结水含量（Cf，即自由水和可冻结的结合水含量之和）和非冻结水含量（Cnf）[10-12]，结果见表3。

其中，ΔHg为水凝胶中可冻结水的熔融焓，J/g；ΔH0为纯水的熔融焓，J/g。

表2 DSC的分析数据

表3 平衡水含量和水的分布

交联剂浓度是影响TMCG溶胀性能、水凝胶中水的状态和分布的重要因素。从表 3可以看出，TMCG中的非冻结的结合水含量随交联剂浓度的增加总体上呈增加趋势。这可能是交联剂浓度较低时，TMCG具有较高的溶胀度，可以吸收较多的水分子，平衡溶胀度较大，可冻结水含量较大。但自由水不够稳定，其含量很容易受外界环境的影响，在实际应用中应避免体系中含有较多的自由水。随着交联剂浓度的增加，TMCG的交联密度增大，网络结构越来越致密，进入网络的自由水分子减少；并且由于总的聚合物浓度较大、网络结构较好，体系中可以结合水分子的空位较多，使TMCG中非冻结的结合水的含量增高。

2.3 TMCG的溶胀行为

2.3.1 TMCG的溶胀速率和平衡溶胀度

按照1.3节的操作测得TMCG的溶胀度与时间的关系如图4所示。

从图4可以看出，TMCG在蒸馏水中具有快速溶胀行为。在120 s内溶胀率快速增加，120 s后趋于平缓，420 s左右达到溶胀平衡。并且随着交联剂浓度的增加，TMCG的平衡溶胀度先增大后减小，在交联剂质量分数为0.6%时，最高平衡溶胀度达到40倍左右。这可能是因为交联剂浓度较低时，TMCG的网络结构不够完整且较松散，导致吸收的水分较少；随着交联剂浓度的增加，TMCG的网络空间增大，使平衡溶胀度得到了很大的提升；随着交联剂浓度的继续增加，TMCG的交联密度不断增大，网络空间越来越致密，不利于水分子进入网络内部，导致其平衡溶胀度逐渐下降[13]。

图4 水凝胶的溶胀度-时间曲线

2.3.2 TMCG的离子响应性

图5为TMCG在含有不同阳离子的溶液中的溶胀行为。从图5可以看出，TMCG的溶胀度随着离子强度的增加而减小。在同样离子强度下，TMCG的溶胀度随着金属离子价态的升高而降低。这可能是因为，随着离子强度的增大，凝胶内外离子的渗透压逐渐减小，水凝胶中高分子链变得蜷曲，溶胀度减小。在离子强度小于 0.001 mol/kg时，Na+、Ca2+、Fe3+对TMCG溶胀度的影响差别不大，主要是由于渗透压的减小导致溶胀度下降；当离子强度大于0.001 mol/kg时，阳离子对TMCG溶胀度的影响大小表现为Fe3＞Ca2+＞Na+，即随着阳离子电荷数的增加，其对TMCG溶胀度的影响越大，这与文献[14]报道的结果一致。

2.4 TMCG的力学性能

水凝胶必须具有一定的力学性能，其力学性能甚至比其它物理性能更为重要。壳聚糖基水凝胶的力学性能是决定它能否用作生物医用材料的重要因素。

按照1.4节的操作，测得不同交联度的TMCG在完全干燥及含水量 5%和 10%时的拉伸强度和断裂伸长率如图6和图7所示。

图5 水凝胶在不同阳离子溶液中的溶胀行为

图6 TMCG在不同含水量下的拉伸强度

图7 TMCG在不同含水量下的断裂伸长率

从图6和图7可以看出，随着交联剂浓度的增加，TMCG的拉伸强度先增大后减小，交联剂浓度为1.8%的TMCG4拉伸强度最高达13.8 MPa。这可能是因为，当交联剂浓度较低时，凝胶的交联程度较低，形成的凝胶网络孔隙较大，在外力拉伸作用下凝胶的形变较大，凝胶膜具有一定的塑性；随着交联剂浓度的增加，凝胶交联程度增加，凝胶网络孔隙减小强度增大，在外力拉伸作用下形变较小，凝胶膜的抗拉伸能力增强塑性减弱。但交联过多时大分子链在外力作用下不易取向，由塑性向脆性转变，水凝胶的拉伸强度呈下降趋势。TMCG的断裂伸长率随交联剂浓度的增加而下降。并且随着 TMCG中含水量的增加，TMCG的拉伸强度下降，而断裂伸长率升高。此外，在不同含水量的TMCG中，交联剂浓度对 TMCG的拉伸强度和断裂伸长率的影响规律相似。

3 结 论

以二乙烯基砜为交联剂制备N,N,N-三甲基壳聚糖季铵盐水凝胶（TMCG）并考察了溶胀性能、水的状态和力学性能等，制备条件温和，操作简便。研究结果表明，TMCG不但能快速达到溶胀高的平衡溶胀度，还有离子响应性，其溶胀度随着离子强度的增加而减小，相同离子强度下，TMCG的溶胀度随着金属离子价态的升高而降低；水分子在TMCG中以自由水、可冻结的结合水和非冻结的结合水三种形式存在；并且TMCG具有良好的力学性能，有望用于生物医学领域。

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Preparation and properties ofN,N,N-trimethyl chitosan quaternary ammonium hydrogel

LIN Jiafu，XIN Meihua，LI Mingchun，ZHU Erbin
（College of Materials Science and Engineering，Huaqiao University，Engineering Research Center of Environment-Friendly Functional Materials，Ministry of Education，Xiamen 361021，Fujian，China）

N,N,N-trimethyl chitosan quaternary ammonium hydrogel（TMCG）was prepared in the mild condition by using reactive divinyl sulfone（DVS）as a cross-linking agent. The swelling behavior and mechanical properties of TMCG were investigated，together with the water state and distribution in swelling TMCG. The results show that TMCG is an ionic responsive hydrogel with fast swelling rate and high swelling ratio，the maximum equilibrium swelling ratio approaches to 40 times. TMCG has significant ionic responsiveness. Water molecules exist in the TMCG by three different forms of state as free water，freezing bound water，non-freezing bound water，and non-freezing bound water content increases with the increase of cross-linking agent. TMCG has good mechanical properties，the maximum tensile strength is up to 13.82 MPa，and the highest elongation at break is up to 135.3%.

chitosan；quaternary ammonium；hydrogel；mechanical property

O 636.1

A

1000–6613（2011）10–2266–05

2011-05-26；修改稿日期2011-06-14。

福建省重点科技项目（2009H0030）、福建省自然科学基金（2009J01029和2011J01312）及科技部科技人员服务企业项目。

林佳福（1985—），男，硕士研究生。联系人：李明春，教授，博士生导师，从事功能高分子材料研究。E-mail mcli@hqu.edu.cn。