O-季铵化-N,N-双烷基壳聚糖的单分子膜性质研究

关品燊，辛梅华，李明春，詹光耀

（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）

O-季铵化-N,N-双烷基壳聚糖的单分子膜性质研究

关品燊，辛梅华，李明春，詹光耀

（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）

采用自制的季铵化试剂环氧丙基乙基三甲基氯化铵醚，制备3个不同烷基化长度的O-季铵化-N，N-双烷基壳聚糖（QADCS），用FTIR、EA和1H NMR对产物进行表征，并试验其单分子膜性质。结果表明，所制得的QADCS可以形成稳定的单分子膜，并且QADCS单分子膜的崩溃压、极限分子面积及最大压缩模量随着侧链长度的增长而增大，其中O-季铵化-N,N-双十二烷基壳聚糖单分子膜的凝聚力最强。为进一步研究QADCS的自组装性质及载药性能提供依据。

壳聚糖；季铵化；双烷基化；单分子膜

壳聚糖是安全无毒、可生物降解、并具有良好生物相容性的天然阳离子多糖，在生物医用材料方面有广阔的应用前景，但由于其溶解性差限制了其应用范围，因此近年来对其进行改性制备双亲性壳聚糖衍生物的研究非常活跃。Langmuir Blodgett（LB）膜技术是在分子水平上精确控制膜厚与分子排列实现分子水平上组装的技术，可以在分子水平上研究有机分子的成膜性能。通过单分子膜π-A等温线的研究可以获得有序排列状态下有机分子间距离等主要参数，为进一步研究其自组装性能提供依据。Tong等[2]制备了O,O′-双十六酰壳聚糖并研究其单分子膜性质，结果表明其与胆固醇有良好的相容性，当与胆固醇的质量比例为75/25时，单分子膜崩溃压与极限分子占据面积达到最大。Wu等[3]研究了O,O-双辛酰-N-肉桂酰壳聚糖的单分子膜性质，表明其源于O,O-双辛酰-N-肉桂酰壳聚糖的螺旋骨架的内在手性在LB膜上得到了良好的保持，螺旋构象也无明显的改变，主链的二维LB膜也有选择性的取向。本课题组[4-5]曾制备了N,N-双烷基化壳聚糖衍生物，研究表明随着疏水碳链的增长，单分子膜的崩溃压、极限分子占据面积与压缩模量都随之增长。本工作在此基础上进一步制备了双亲性更为均衡的O-季铵化-N,N-双烷基壳聚糖（QADCS），合成路线见图1，并研究了QADCS的单分子膜性质，为进一步研究QADCS的自组装性能提供依据。

图1 O-季铵化-N,N-双烷基壳聚糖的合成路线（n=6，8，10）

1 实验部分

1.1 主要仪器及试剂

JML04S 型双驱动膜天平（上海中晨数字技术设备有限公司）；Milli-Q Gradient纯化系统（美国Millipore公司）；NEXUS-470型傅里叶变换红外光谱仪（美国Nicolet公司）；Vario Micro元素分析仪（德国Elementar公司）；Bruker核磁共振分析仪（德国Bruker公司）。

壳聚糖（CS，Mw=1×106，DD=85.6%），山东海得贝海洋生物工程有限公司；邻苯二甲酸酐、十二烷基磺酸钠（SDS）、NaBH4、氯化胆碱、环氧氯丙烷均为上海化学试剂公司；辛醛、癸醛、月桂醛，Alfa Aesar。

1.2 O-季铵化-N,N-双烷基壳聚糖（QADCS）的制备

1.2.1 环氧丙基乙基三甲基氯化铵醚的制备

将10 g氯化胆碱、10 mL环氧氯丙烷加入20 mL乙醇中，25 ℃搅拌反应48 h，用丙酮析出产物，抽滤后得环氧丙基乙基三甲基氯化铵醚。

1.2.2O-季铵化壳聚糖的制备

取10 g壳聚糖在200 mL DMF/H2O（体积比95/5）溶液中溶胀过夜，加入27.6 g邻苯二甲酸酐，在N2保护下100 ℃反应8 h，冷却至室温，倒入冰水中，抽滤、甲醇洗涤、干燥得N-邻苯二甲酰壳聚糖（PhCS）[6]。

取2 g PhCS加入环氧丙基乙基三甲基氯化铵醚的DMF溶液中，加入4 g NaOH与10 mL水。80℃反应24 h，抽滤、乙醇洗涤，干燥得O-季铵化-N-邻苯二甲酰壳聚糖（QAPhCS）。

将QAPhCS溶于水中，加入水合肼，100 ℃反应15 h[6]，倒入乙醇析出产物。将产物加入水中搅拌直至完全溶解，水透析3天，冷冻干燥得O-季铵化壳聚糖（QACS）。

1.2.3 O-季铵化-N,N-双烷基壳聚糖的制备

将2 g QACS 加入水中搅拌至完全溶解，加入5倍物质的量的醛（月桂醛、辛醛、癸醛）和少量SDS，在 98 ℃下反应 10 h，冷却至约 40 ℃，调pH值至中性，NaBH4还原至pH≥13。用冰乙酸调节pH值至4.5，二次加入醛，重复以上步骤。反应结束后，过滤、洗涤、干燥，氯仿萃取得O-季铵化-N,N-双辛基壳聚糖（QADOCS）、O-季铵化-N,N-双癸基壳聚糖（QADDCS）和O-季铵化-N,N-双十二烷基壳聚糖（QADLCS）。

1.3 QADCS单分子膜的π-A等温线测定

分别将QADOCS、QADDCS和QADLCS配成10－3g/mL的氯仿溶液，用微量进样器取30 μL溶液铺展在亚相上，亚相为 Milli-Q Gradient 纯化的二次水。待氯仿溶液在亚相表面上铺展并挥发约 30 min后进行压膜，用Wilhelmy吊片法测定π-A等温线。压膜速率为20 mm/min，温度（18±1）℃。

2 结果与讨论

2.1 产物的表征

1）患者有阑尾炎手术史，且炎症较重，门静脉系手术或脾切除病史；2）患者在上述手术史后出现厌食，腹泻，便秘，恶心，呕吐，持续高热；3）患者术后腹痛持续，或间断发作，定位不准确，超声检查手术区未见明显异常，症状和体征明显不符合；4）患者出现黄疸症状，抗炎治疗后可轻微好转，考虑会有细菌性血栓形成，要仔细探查门静脉系统；5）腹腔肠间隙或肝下有包裹性积液，穿刺抽出不凝血或黄染性液体；6）肝内出现低回声炎性改变，严重者可形成脓肿；7）受累肠壁增厚，肠腔积液，蠕动减慢，小肠扩张大于4cm者。总结以上情况均应及时考虑门静脉-肠系膜上静脉的问题。

2.1.1 产物的红外光谱分析

采用KBr压片法，测得各中间产物及终产物的红外光谱如图2和图3所示。

图2为环氧丙基乙基三甲基氯化铵醚的红外光谱图。图中1481 cm－1的吸收峰是季铵基团的CH3、CH2的C—H弯曲振动峰，1641 cm－1处的吸收峰是季铵基团的反对称伸缩振动峰[7]。

图3中曲线a为CS的红外谱图，曲线b为PhCS的红外谱图，与曲线a相比，曲线b在1774 cm－1、1712 cm－1的吸收峰是C=O的伸缩振动，1391 cm－1出现的吸收峰是C=C的伸缩振动峰，721 cm－1出现的吸收峰是苯环的面外弯曲振动峰，由红外光谱说明了苯甲酰基团的引入[8]。图3中曲线c为QAPhCS的红外谱图，与曲线b相比，曲线c在1641 cm－1处的吸收峰是季铵基团的反对称伸缩振动，说明了季铵基团的引入。图3中曲线c为QAPhCS的红外谱图，与曲线b相比，曲线c在1641 cm－1处的吸收峰是季铵基团的反对称伸缩振动，也证实了季铵基团的引入。图3中曲线d为QACS的红外谱图，与曲线c相比，曲线d在1774 cm－1、1712 cm－1、721 cm－1处的吸收峰消失，说明保护基团苯甲酰已脱掉。曲线e为QADCS的红外谱图，与曲线d相比，曲线e在 2923 cm－1、2854 cm－1处的吸收峰是 CH3、CH2的C—H 伸缩振动峰，1641 cm－1处的吸收峰是季铵基团的反对称伸缩振动峰，说明烷基长链及季铵基团已接到壳聚糖上，产物为O-季铵化-N,N-双烷基壳聚糖。

图2 环氧丙基乙基三甲基氯化铵醚的FTIR图

图3 制备产物的FTIR图a—CS；b—PhCS；c—QAPhCS；d—QACS；e—QADCS

2.1.2 产物的核磁共振分析

QADCS和QADCS分别用D2O和CDCl3溶解，浓度为2%（质量分数），进行核磁共振测定，结果见图4和图5。

2.1.3 产物的元素分析

图4 QACS的1H NMR分析

图5 QADCS的1H NMR分析

制备产物的元素分析结果见表 1，由 C/N计算[8]得出各产物的取代度为：N-邻苯二甲酰壳聚糖取代度为 0.82，O-季铵化壳聚糖季铵化取代度为0.46，与核磁图中He与H1积分面积之比结果一致。双辛烷基、双癸烷基、双十二烷基的取代度分别为1.64、1.71、1.75。

2.2 QADCS的单分子膜性质

2.2.1 QADCS单分子膜的π-A等温线

按照1.3节的实验方法测得O-季铵化-N,N-双烷基化壳聚糖的π-A等温线如图6所示。从图中可以看出，所制备的QADCS可以形成稳定的单分子膜，并且不同侧链长度的QADCS其单分子膜的崩溃压与极限分子面积随着侧链长度的增长而增大，这可能是侧链长度增长使分子间的疏水作用力增强，所形成的单分子膜更紧密。

2.2.2 QADCS单分子膜的Cs－1-A曲线

为进一步研究单分子膜的成膜性能，对单分子膜的π-A等温线作一次微分，再乘以分子平均占据面积A，得到单分子膜的压缩模量（compressibility modulus，），作关系图如图7所示。单分子膜的最大压缩模量（C）越大，膜的凝聚性就越强[9]。表 2列出了不同QADCS单分子膜的崩溃压πc、极限分子占据面积Aex及最大压缩模量。

表1 产物元素分析及取代度

图6 QADCS单分子膜的π-A等温线

图7 QADCS单分子膜 的Cs－1-A 曲线

由图7和表2可知，QADCS单分子膜的最大压缩模量随着侧链长度的增长而增大，其中O-季铵化-N,N-双十二烷基壳聚糖单分子膜的凝聚力最强。QADLCS在压缩过程中曲线出现了2个极大值，而QADDCS和QADOCS只有1个最大值，说明 QADLCS出现了明显的液体扩张相到液体凝固相的转变（LE-LC相转变）。

表 2 QADCS 单分子膜的 πc 、Aex 及 Cs－1,max

3 结 论

使用自制的季铵化试剂制备3种新型O-季铵化-N,N-双烷基壳聚糖（QADCS），用 FTIR和1H NMR表征其为目标产物。单分子膜性质研究表明，所制得的QADCS可以形成稳定的单分子膜，并且QADCS单分子膜的崩溃压、极限分子面积及最大压缩模量随着侧链长度的增长而增大，其中O-季铵化-N,N-双十二烷基壳聚糖单分子膜的凝聚力最强。这些结果为进一步研究QADCS的自组装性质及载药性能提供了依据。

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Study on monolayer ofO-quaternary ammonium-N,N-dialkyl chitosan

GUAN Pinshen，XIN Meihua，LI Mingchun，ZHAN Guangyao
（College of Material Science and Engineering，Huaqiao University，Engineering Research Center of Environment-Friendly Functional Materials，Ministry of Education，Fujian 361021，Xiamen，China）

Three kinds ofO-quaternary ammonium-N,N-dialkyl chitosan（QADCS）with different alkylation lengths were prepared by a self-developed quaternary ammonium reagent，glycidyl ethyl trimethyl ammonium chloride ether. The products were characterized by FTIR，EA and1H NMR.The monolayers of the synthetic products were studied. It shows that QADCS can form stable monolayers. The collapse pressure（πc），limiting molecular area（Aex）and maximum compressibility modulus（Cs－1,max）of the QADCS monolayers increase with the hydrophobic side-chain length，and the monolayer ofO-quaternized ammonium-N,N-dilalkyl chitosan is the most cohesive. The research provides a basis for studying the self-assembly properties and drug-loading performances of QADCS.

chitosan；quaternized；dialkylated；monolayer

O 636.1

A

1000–6613（2011）12–2671–05

2011-06-03；修改稿日期2011-06-16。

福建省重点科技项目（2009H0030）、福建省自然科学基金（E0810019和2009J01029）及科技部科技人员服务企业项目。

关品燊（1987—），男，硕士研究生。联系人：李明春，教授，博士生导师，研究方向为功能高分子材料研究。E-mail mcli@hqu.edu.cn。