羧甲基壳聚糖水凝胶的制备研究

谭福能

（文山学院 化学与工程学院，云南 文山 663099）

羧甲基壳聚糖水凝胶的制备研究

谭福能

（文山学院 化学与工程学院，云南 文山 663099）

以壳聚糖为原料，通过改性制得亲水性的羧甲基壳聚糖，并对改性条件进行了研究。采用戊二醛交联法制备羧甲基壳聚糖水凝胶(CMCS-GA)。对该凝胶的成胶条件、pH敏感性和温度敏感性进行了研究。结果表明：羧甲基壳聚糖水凝胶的成胶过程受到了羧甲基壳聚糖浓度、温度、时间、交联剂浓度的影响。所制得的羧甲基壳聚糖水凝胶具有良好的温度和pH响应性。

壳聚糖；羧甲基壳聚糖；水凝胶；溶胀率

壳聚糖（CS）是经甲壳素脱乙酰化而得到的多糖，而甲壳素是由自然界中含量仅次于纤维素的天然高分子化合物，储量丰富[1]。由于壳聚糖分子之间的氢键作用而影响了壳聚糖的水溶性，只能溶于酸性溶液中，在水中和碱性溶液中溶解度非常小，这对壳聚糖的应用造成了不利影响[2-4]。近年来，人们利用壳聚糖上氨基和羟基进行了接枝共聚改性以提高其水溶性，从而扩宽了壳聚糖的应用范围。

天然高分子化合物凝胶体系由于具有无毒和可改进治疗效果的性质，在作为药物、蛋白质、抗原基因和基因的运输载体方面有很多的应用[5]。近年来，随着高分子医用材料研究的深入，高分子水凝胶越来越受到人们的重视[6]。高分子水凝胶能够根据外界环境的变化而迅速响应，如电解质敏感性凝胶、温度敏感性凝胶、pH值敏感性凝胶等，在各个领域的应用十分广泛，特别是在药物释放方面的应用已经得到人们的广泛关注[7-8]。现在，天然高分子凝胶聚集物一个吸引人的应用是作为药物运输载体，用于治疗很多由各种原因导致的疾病。天然高分子凝胶还可以运载对人体器官有刺激性的药物，由于其具有无毒和在生物体内可降解的优点，是作为药物最理想的载体[9]。

本文壳聚糖是在壳聚糖的羟基上进行接枝共聚物，通过改性制得亲水性的羧甲基壳聚糖（CMCS），其不仅保留了壳聚糖固有的无毒可降解、生物相容性良好等优良特性，且具有良好的水溶性，应用领域更为广泛。同时以羧甲基壳聚糖（CMCS）选用戊二醛作为交联剂，通过化学交联法制备羧甲基壳聚糖水凝胶（CMCS-GA）。并对该凝胶的pH敏感性和温度敏感性进行了研究。

1 实验部分

1.1 试剂及仪器

壳聚糖（国药集团化学试剂有限公司，脱乙酰度90%）；二甲基甲酰胺（DMF）、戊二醛（巴斯夫化学试剂有限公司，分析纯）；氢氧化钠、异丙醇、丙酮、乙醇、氯乙酸（天津市风船化学试剂科技有限公司，分析纯）；真空干燥箱（上海跃进医用光学器械厂）；DHG-9076A型傅立叶红外变换光谱仪（日本岛津公司）。

1.2 羧甲基壳聚糖的制备

称取5 g壳聚糖分散于50 mL异丙醇中，置于磁力搅拌器上室温搅拌溶胀30 min后，加入二甲基甲酰胺10 mL，然后加入40 %的NaOH溶液15 mL，于45 ℃搅拌3 h后，缓慢滴入6.0 mL氯乙酸，转为60 ℃水浴中恒温回流10 h后，倒入烧杯中，冷却。取少量溶液，看其是否能完全溶解，如不能溶解，则让其继续反应直至完全溶解。反应完全后，分别用无水乙醇和丙酮溶液洗涤三次、抽滤，60 ℃下真空干燥12 h得白色CMCS产品。

图1 羧甲基壳聚糖的合成过程

1.3 羧甲基壳聚糖水凝胶的制备

取上述CMCS产品适量，配制质量浓度为3%的水溶液50 g，高速搅拌溶解后，加入50 mL 50%的戊二醛溶液，继续搅拌至粘稠，然后置于水浴中反应，得CMCS水凝胶。将所得CMCS水凝胶在50 ℃真空干燥12 h，得到干凝胶。

1.4 红外光谱表征

将制得的CMCS产品充分干燥后研成粉末状，与KBr混合压片，置于傅里叶红外光谱仪上，在4000～400 cm-1范围内扫描，记录实验结果。

1.5 溶胀率的测定

通过称量法测定CMCS水凝胶的溶胀率（SR），把干凝胶先称重，然后置于蒸馏水中，浸泡24 h后取出，用滤纸吸干其表面水份，称重，按以下公式计算其溶胀率：

式中W为吸水溶胀后水凝胶的总质量（g），W0为溶胀前干凝胶的质量（g）。

1.6 羧甲基壳聚糖水凝胶的pH敏感性的测定

配置pH值为1、3、5、7、9、11的缓冲溶液，将制得的CMCS分别浸泡于不同pH值的缓冲溶液中，保持在25 ℃下放置24 h后，测定其溶胀度。

1.7 羧甲基壳聚糖水凝胶的温度敏感性的测定

将制得的CMCS分别浸泡蒸馏水中，将其分别置于温度为25 ℃、35 ℃、45 ℃、55 ℃、65 ℃的条件下，测定其溶胀率。

2 结果与讨论

2.1 合成CMCS中各反应条件的影响

以CMCS的水溶性和CMCS的产量为考察指标，研究了氢氧化钠用量、反应时间、反应温度的影响，结果见表1。由表1可知，当反应温度为50 ℃，氢氧化钠用量为1 g，反应时间为12 h时，CMCS的产量最高，水溶性最好。

2.2 红外光谱分析

对CS和CMCS分别进行了红外光谱分析，结果如图2所示。由图2可见，相对于CS，CMCS在3338 cm-1处出现较强的-OH 吸收峰，在2989 cm-1处出现C-H伸缩振动峰，在1325.1 cm-1处出现了明显的新的吸收峰，这是-CH3的对称弯曲引起的。由此证明了羧甲基基团已接枝到了壳聚糖分子上。

2.3 反应条件对CMCS凝胶形成的影响

通过试验得到研究了最佳试验工艺，并考察了戊二醛用量、反应时间、反应温度对对凝胶成胶效果和成胶时间的影响。实验结果见表2，从结果可以看出，交联剂戊二醛用量、反应时间、反应温度都会对CMCS凝胶的成胶效果和成胶时间造成影响。

图2 红外分析谱图

表1 反应条件对CMCS产量和水溶性的影响

表2 反应条件对凝胶形成的影响

由表2可见交联剂用量较小时成胶时间很长，而当交联剂用量多时成胶时间显著减少。且交联剂的浓度对凝胶的成胶效果也有一定的影响。这是由于随着交联剂用量的增加，交联结合点更多，所以成胶时间减少，同时由于网络凝胶的结合点更多，凝胶结构越紧密，成胶效果越好。

成胶时间随温度的升高而降低。当50℃时反应速度最快，室温条件下反应最慢。这是因为在低温下由于其高分子链段运动受限制，反应不够完全，高温时由于其分子运动较快交联很快完成。因此，在合成过程中适当升高温度有利于缩短反应的时间。

2.4 CMCS水凝胶的pH敏感性

分别配置pH值为1、3、5、7、9、11的缓冲溶液，将制得的CMCS分别浸泡于不同pH值的缓冲溶液中，保持在25 ℃下放置24 h后，测定其溶胀度。

图3 不同pH值下凝胶的溶胀性

由图3可看出，其溶胀行为具有较高pH值敏感性，凝胶在酸性介质下的溶胀度比在碱性下的要大，随着pH的增大凝胶的溶胀度逐渐变小。这是由于CMCS中都含有大量的羧基 氨基等基团，这就形成了一种不同电荷相互作用形成的网状结构，在不同pH 值下，这些网状结构中的基团有不同的带电情况。在pH 较小时，凝胶中的主要带电基团是质子化的氨基- NH3+，静电斥力和亲水性增加，导致溶胀率增加。随着pH的增大，-NH3+与-OH之间离子键合，形成一种较紧密结构，因而不易溶胀，但超过CMCS的等电点时，溶胀又变得容易。

2.5 CMCS水凝胶的温度敏感性

将制得的CMCS浸泡蒸馏水中，将其分别置于温度为25 ℃、35 ℃、45 ℃、55 ℃、65 ℃的条件下，测定其溶胀度。结果如下所示。

图4 不同温度下凝胶的溶胀性

由图4可见：随着温度的升高，CMCS水凝胶的溶涨率先减小后增大。这是由于当温度处于较低范围时，CMCS水凝胶网络中高分子链的疏水作用会随着温度的升高而增强，从而使凝胶产生内部收缩，导致水凝胶溶胀率降低，但随着温度的不断上升，CMCS水凝胶中高分子链的氢键作用被减弱，使得相互缠绕聚集的高分子链逐渐被拆散而分散到水中，使水凝胶的溶胀性能增强。

3 结论

本文壳聚糖是在壳聚糖的羟基上进行接枝共聚物，通过改性制得亲水性的羧甲基壳聚糖，研究了氢氧化钠的用量，反应时间和温度对羧甲基壳聚糖的产量和水溶性的影响，以羧甲基壳聚糖为原料选用戊二醛作为交联剂，通过化学交联法制备羧甲基壳聚糖水凝胶。并研究了该凝胶的温度敏感性和pH敏感性。结果表明，在制备化学凝胶的过程中受诸多因素的影响，羧甲基壳聚糖浓度、反应温度、反应时间、交联剂浓度等都会对羧甲基壳聚糖水凝胶的溶胀性能有影响。所制得的凝胶具有良好的温度和pH响应性。

[1] Kataoka K, Harada A, Nagasaki Y. Block copolymer micelles for drug delivery: design, characterization and biological significance [J]. Adv Drug Deliv Rev, 2001（1）：113-131.

[2] 李方，赵峰，尹玉姬，等. 壳聚糖基智能凝胶材料及其应用[J].化学通报，2001（3）：129-134.

[3] 孙立苹，杜予民，陈凌云，等.羧甲基壳聚糖水凝胶制备及其在药物释放中的应用[J]. 高分子学报， 2004 （2）：191-195.

[4] 唐振兴，钱俊青.壳聚糖凝胶的制备及应用研究[J].浙江工业大学学报，2005（6）：610-613.

[5] Shu X Z， Zhu K J， Controlled drug release properties of ionically cross-linked chitosan beads: the influence of anion structure[J]. Int. J. Pharm. 2002，233：217-225.

[6] Lorna N, Alexander I G, Lubna S, et al. A non-covalently cross-linked chitosan based hydrogel[J]. International Journal of Pharmaceutics, 1999, 192：173-182.

[7] 程丽鸿， 赵 静. 吡虫啉/羧甲基壳聚糖凝胶球的制备及释放性能[J]. 精细化工，2005（9）：653-657.

[8] 刘 峻， 原续波， 等. 离子凝胶反应法制备壳聚糖-羧甲基壳聚糖微球[J]. 高分子通报， 2005（6）：84-89.

[9] Yu H L, Hsiang F L, Ching K C, et al. Physically crosslinked alginate/N, O-carboxymethyl chitosan hydrogels with calcium for oral delivery of protein drugs[J]. Biomaterials，2005，26：2105-2113.

Study on Preparation of Carboxymethyl Chitosan Hydrogel

TAN Funeng
(School of Chemistry and Engineering, Wenshan University, Wenshan Yunnan 663099, China)

The hydrophilic carboxymethyl chitosan (CMCS) is obtained from chitosan and carboxymethylchitosan hydrogel is prepared by cross-linking of glutaral. The gelation conditions, pH-sensitivity and temperaturesensibility of CMCS hydrogel are studied. The results shows that gelation of CMCS hydrogel is under the influence of the concentration of CMCS, concentration of crosslinking agent, temperature and response time. The CMCS hydrogel shows good pH-sensitivity and temperature sensibility.

chitosan; carboxymethyl chitosan; hydrogel; swelling ratio

O648.17

A

1674-9200（2016）06-0021-04

（责任编辑 张 铁）

2016-05-31

云南省科技厅应用基础研究青年项目“新型壳聚糖衍生物智能凝胶的制备技术研究”（2012FD058）。

谭福能，男，云南文山人，文山学院化学与工程学院讲师，硕士，主要从事天然高分子材料化学研究。