壳聚糖基聚电解质复合膜的制备及性能

陶蕾，石刚，倪才华

（江南大学化学与材料工程学院，食品胶体与生物技术教育部重点实验室，江苏 无锡 214122）

壳聚糖是甲壳素脱乙酰得到的天然聚阳离子多糖，具有生物相容性好、抑菌止血、促进组织再生、细胞黏附性强和可生物降解等优点[1]。为了扩大壳聚糖的应用范围，人们常常通过接枝、交联、共混等方法对其改性以满足应用需求。由于壳聚糖成膜性好，具有抗菌、药物控释及促进伤口愈合作用[2]，因而引起人们青睐。例如谷里鹏等[3]以正硅酸四乙酯为交联剂，制备壳聚糖分离膜；王军等[4]利用席夫碱反应制备季铵化壳聚糖-聚乙二醇单甲醚接枝共聚物；Jiang 等[5]采用双层溶液浇铸法制备纳米羟基磷灰石增强改性的CS/CMC 复合膜；Meng 等[6]采用溶剂挥发法制备了CS/SA 复合膜，将其用于伤口敷料或药物释放领域。

虽然有关改性壳聚糖薄膜有了一些报道，但是将壳聚糖基薄膜植入人体内，起到手术后防组织粘连作用，尚有许多科学问题没有解决。一是壳聚糖膜性脆，缺乏一定柔韧性和力学强度；二是壳聚糖膜在体液中溶解和降解过快，易于从伤口部位流失，导致防粘效果降低，因此壳聚糖膜作为体内植入材料的应用受到一定限制。为了克服上述缺陷，本工作首先制备了乳酸和苹果酸的共聚物（PML），然后将该共聚物与壳聚糖复合制成薄膜，利用聚苹果酸结构单元上的悬挂羧基，通过聚电解质之间的相互作用使共聚物与壳聚糖均匀有效复合；共聚物中的聚乳酸结构单元具有疏水性和一定的力学性 能[7]，与壳聚糖性能互补，因而可以改善壳聚糖的结构，增强复合物的柔韧性和力学强度，另外疏水性组分的引入将减缓壳聚糖的降解速度，维持复合膜在伤口部位的稳定性，增强防组织粘连效果。通过投料及合成工艺可以调节复合物中聚乳酸和聚苹果酸结构单元的比例，从而达到控制复合膜综合性能之目的。本工作所用材料全部具有良好的生物相容性和降解性。

1 实验部分

1.1 主要原料

壳聚糖（CS），脱乙酰度为96.4%，黏均相对分子质量（Mv）为5.3×105，青岛金湖甲壳制品有限公司；L-苹果酸（MA），纯度95%，重结晶提纯，上海易蒙斯化工科技有限公司；D,L-乳酸（LA），AR，国药集团化学试剂有限公司；辛酸亚锡，AR，国药集团化学试剂有限公司。

1.2 乳酸与苹果酸共聚物的合成

在反应瓶中投入一定比例的MA 与LA，按单体质量的0.5%添加辛酸亚锡，加热到130℃，搅拌并减压（0.1MPa）反应 24h，制备3 种乳酸/苹果酸共聚物（PML，表1），用无水乙醇配成0.4%溶液备用。

1.3 壳聚糖与共聚物复合膜（CS-PML）的制备

将CS 溶于1%乙酸中配成0.4%的溶液，按壳聚糖溶液体积的30%分别加入3 种共聚物溶液，磁力搅拌均匀，用0.01%的NaOH 溶液调节共混溶液的pH 值至5.0，将铸膜液倒入到12cm×12cm 的培养皿中，于 60 ℃烘箱中烘干至恒重，得到CS-PML-A、CS-PML-B、CS-PML-C 共3 种复合膜，用同样方法制备纯壳聚糖膜作比较。用CH-1-S 千分手式测厚仪测量膜厚度为(20.0 ± 0.5)μm。

1.4 复合膜的力学性能测试

按照标准GBT 1040.3—2006 将复合膜制成样条（10mm×150mm），用电子拉力机测试力学性能，条件：25℃，空气相对湿度RH 50%，拉伸速度5mm/min。

1.5 复合膜的溶胀性

将膜剪成3cm×3cm 的正方形状，分别浸入20mL pH 值为7.4 的PBS 溶液及生理盐水中，恒温37℃振荡24h 后，用滤纸轻沾表面水分后称重，测量3 次取平均值。平衡溶胀度SE的计算如式（1）。

式中，W0和W1分别为溶胀前后复合膜的质 量，g。

1.6 复合膜的降解行为分析

将膜剪成大小为3cm×3cm 的正方形，烘干称重，浸入到30mL 模拟体液中，在37℃下恒温震荡，每24h 取出样品，经水洗、烘干后称重，记录膜片残留质量分数。

1.7 复合膜的体外细胞毒性

将对数期生长的 3T3 细胞用RPMI-1640 完全培养基稀释成浓度为6×104/mL 的细胞悬浮液，并接种于 96 孔培养板。将 6cm2复合膜样品（CS-PML-B） 经过高温灭菌后置于1mL 生理盐水中（37℃）浸提24h，浸提液经RPMI-1640 完全培养基稀释至0.1μL/μL，稀释后的浸提液作为样品组。以RPMI-1640 完全培养基为阴性对照组，含0.64%苯酚的RPMI-1640 培养基为阳性对照组，每组5 个平行样，采用MTT 法进行细胞毒性实验。

2 结果与讨论

2.1 共聚物PML 的表征

图1 是MA 与LA 共聚物的核磁图谱，可以看到：聚苹果酸结构单元中 CH2和CH 的质子峰分别出现在δ 2.7～3.2 和δ 5.4～5.5 处；在聚乳酸结构单元中，CH3和CH 的质子峰分别在δ 1.5 左右和δ 5.2处。依据积分面积计算出聚苹果酸与聚乳酸的组分比，结果示于表1。共聚物中LA 结构单元较投料比的组分高，说明LA 在共聚反应中活性较高。

通过差示扫描量热分析（DSC）发现：随着LA组分增加，得到共聚物的Tg提高，这是因为聚乳酸链段不含支链，较聚苹果酸容易规整排列，链段运动受阻，因而Tg较高。

2.2 复合膜的红外光谱

图1 乳酸/苹果酸共聚物的1HNMR 图谱

表1 乳酸/苹果酸共聚物的合成结果

图2 复合膜的全反射红外光谱图

图2 中曲线c、d、e 是壳聚糖与3 种共聚物复合物的红外光谱图，可以看到：在1750cm-1处出现聚苹果酸及聚乳酸中酯键的C=O 对称伸缩振动 峰，而在CS 样品(a)中没有此特征峰；图2 中a 为3337cm-1处CS 分子链上O—H 与N—H 伸缩振动形成的强而宽的重叠峰，而在复合膜中，N—H 的特征峰峰形及强度均有所变化，且向低波数偏移，说明了NH3+与COO-之间形成复合结构。

2.3 复合膜的力学性能

表2 所示是复合膜的物理性质测量结果。可以看出：复合膜较纯壳聚糖膜拉伸强度增加，其中复合膜CS-PML-B 获得最大增加百分数，为92%，这是因为复合物中两组分存在离子相互作用，加固了链段之间的吸引力。复合膜两个样品的断裂伸长率较纯壳聚糖膜也有增加，因为共聚物的主链为碳碳链，容易发生构象变化，比起壳聚糖的六元环结构要柔软，因此增加了复合膜的柔顺性，CS-PML-C样品断裂伸长率有所下降，这是因为共聚物中聚乳酸含量过高，发生自身团聚，与壳聚糖离子相互作用不够所致。

2.4 复合膜的溶胀性及热性能分析

复合膜溶胀性能的测试结果见表2。结果表明：当加入30%的共聚物后，薄膜在0.9%NaCl 溶液中的溶胀度较纯壳聚糖薄膜增加很多，这是因为复合后共聚物破坏了壳聚糖的结晶性，使得水分子容易进入膜内部，使溶胀度增大；但是随着共聚物中疏水组分LA 的增加，复合膜的疏水性增加，溶胀度又下降；受离子强度及pH 值的影响，复合膜在弱碱性PBS 中的溶胀度较其在0.9%NaCl 溶液中的溶胀度小。

表2 壳聚糖/共聚物复合膜的物理性能

在表2 中还看到，随着共聚物PML 中疏水组分的增加，复合物的热分解开始温度依次升高，这可能是因为随着PLA 链段的增加，共聚物的结构规整，导致热降解温度升高。

2.5 复合膜的体外降解

复合膜在模拟体液（SPF）中的降解曲线如图3所示。纯CS 膜有较快的降解速率，7 天后质量仅余50%，降解周期短。而复合膜的降解速率较CS 平缓，降解周期得到有效延长，这是由于共聚物中含有一定量疏水性的聚乳酸链段，同时壳聚糖与共聚物复合后，聚电解质的电荷相互作用形成较多的物理交联点，增强了膜的结构稳定性，因此降解时间适当延长，提高了薄膜作为防粘连剂在体内应用的有效性。

图3 复合膜在模拟体液中的降解行为

2.6 复合膜的细胞毒性实验

图4 显示3T3 细胞分别与阳性对照组、阴性对照组、复合膜样品组（复合膜CS-PML-B 浸提液）相互作用后的显微镜照片，可知阳性对照组(a)样品大部分圆缩死亡，而阴性对照组(b)和复合膜样品组(c)的细胞形态正常，贴壁生长良好。用MTT 法测算细胞的相对增值率RGR，复合膜样品组5 个平行样品的 RGR 平均值为98.7%，反应等级为1 级，根据细胞毒性判断标准，RGR>75% 时为细胞无毒，因此所制备的复合膜无细胞毒性。

3 结 论

图4 在不同介质中培养的3T3 细胞的显微镜照片

用所合成的苹果酸/乳酸共聚物与壳聚糖复合，成功制备了结构均一、性能改善的复合薄膜，与纯 壳聚糖膜相比较，复合膜的拉伸强度最大增加92%， 断裂伸长率最大增加35 %，降解残留50%由纯壳聚糖膜的7天延长到复合膜的28天；薄膜无细胞毒性，生物相容性好，在医疗领域作为组织防粘连剂具有应用前景。

符 号 说 明

Mv——黏均分子量

Mn——数均摩尔质量，g/mol

Mw——质均摩尔质量，g/mol

PDI——分子量分布指数，量纲为1

Tg——玻璃化转变温度，℃

[1] Jayakumar R， Menon D， Manzoor K，et al. Biomedical applications of chitin and chitosan based nanomaterials——A short review[J]. Carbohydrate Polymers，2010，82（2）：227-232.

[2] Bagheri-Khoulenjani S，aghizadeh S M，Mirzadeh H，et al. An investigation on the short-term biodegradability of chitosan with various molecular weights and degrees of deacetylation[J]. Carbohydrate Polymers， 2009，78（4）：773-778.

[3] 谷里鹏，金志卓. 壳聚糖富氧膜的研究[J]. 化工进展，2009，28（s1）：149-151.

[4] 王军，李明春，辛梅华，等. N-mPEG-O-季铵化壳聚糖微球的制备及其载药性能[J]. 化工进展，2013，32（1）：140-144.

[5] Jiang Liuyun，Li Yubao， Xiong Chengdong，et al. A novel composite membrane of chitosan-carboxymethyl cellulose polyelectrolyte complex membrane filled with nano-hydroxyapatite Ⅰ . Preparation and properties[J]. Journal of Membrane Science，2009，20（8）：1645-1652.

[6] Meng Xin，Tian Feng，Yang Jian，et al. Chitosan and alginate polyelectrolyte complex membranes and their properties for wound dressing application[J]. Journal of Membrane Science，2010，21（8）：1751-1759.

[7] 陈卫丰，居学成，翟茂林. 完全生物降解聚乳酸共混复合材料的研究进展[J]. 高分子材料科学与工程，2011，27（2）：171-174.