Ca/Zn-纳米羧甲基壳聚糖的光谱分析

孙 双， 董丽丹, 魏长平， 李 静

(长春理工大学 化学与环境工程学院， 吉林 长春 130022)



Ca/Zn-纳米羧甲基壳聚糖的光谱分析

孙 双， 董丽丹, 魏长平*， 李 静

(长春理工大学 化学与环境工程学院， 吉林 长春 130022)

以壳聚糖为原料，经羧甲基化、纳米化与Ca2+、Zn2+复合制备出纳米羧甲基壳聚糖含钙、锌复合物，采用红外光谱、X射线衍射光谱、扫描电镜等光学手段对样品进行结构表征，考察了复合物的凝血、止血性能。结果表明：纳米羧甲基壳聚糖结构中含有磷酸盐结构，Ca/Zn-纳米羧甲基壳聚糖结构中含有Ca2+与Zn2+，Ca2+和Zn2+与纳米羧甲基壳聚糖成功复合；复合物的结晶性下降、溶解性提高、形貌均匀圆整，且凝血、止血时间明显缩短；Ca-纳米羧甲基壳聚糖比Zn-纳米羧甲基壳聚糖结构更稳定，凝血、止血效果更好。

壳聚糖； 壳聚糖衍生物； 纳米羧甲基壳聚糖； 纳米化

1 引 言

有机/无机复合材料兼具有机物的柔性、易修饰和无机物的刚性、稳定性等优点，近年来，此类材料的研究受到了越来越多的关注[1]。壳聚糖(CTS)作为唯一带阳离子的高分子碱性多糖聚合物[2]，具有独特的理化性能和良好生物降解性及组织相容性等生物活化性能，已被广泛研究[3-4]。但壳聚糖不溶于水，对创面的粘附力较弱，从而限制了其应用[3,5]。羧甲基壳聚糖(CMCS)作为壳聚糖的衍生物，同时含有羧基和氨基，比壳聚糖具有更好的免疫性、组织相容性及生物降解性等生物学特性[5-8]，是能促进创面愈合、有效与Ca2+络合的新型生物材料[9-10]。O-羧甲基壳聚糖止血海绵通过增加凝血途径，提高了止血材料的止血效果，曾被广泛研究。本实验组李静曾研究羧甲基壳聚糖交联Ca2+与Zn2+的复合物的制备及结构分析，复合物具有更好的溶解度及凝血、止血效果[11]。但羧甲基壳聚糖的水溶性仍很差。纳米羧甲基壳聚糖不仅能自由地在血管和人体组织内运动，还能改善壳聚糖水溶性，促进在医药方面的应用发展，但关于纳米羧甲基壳聚糖在止血方面的研究还较为少见。

纳米技术及纳米医学研究的应用在生物医学、疾病诊断和治疗方面显示出了巨大的潜力[12]。本实验在前期研究基础上，将制备的N/O-羧甲基壳聚糖纳米化，保留了氨基，再与Ca2+、Zn2+复合制备了Ca/Zn纳米羧甲基壳聚糖粉体，使用光学测试手段对样品结构进行了分析，并采用成年雄性昆明鼠进行了凝血、止血性能分析。

2 实 验

2.1 主要试剂

壳聚糖(BR)购自国药集团化学试剂有限公司。异丙醇、氯乙酸、甲醇、氯化钙、氯化锌、三聚磷酸钠等均为分析纯。

2.2 实验方法

2.2.1 纳米羧甲基壳聚糖(nmCMCS)的制备

2.2.2 Ca/Zn-纳米羧甲基壳聚糖的制备

向含有0.3 g纳米羧甲基壳聚糖的溶液中分别滴加过量饱和CaCl2溶液与ZnCl2溶液，水浴搅拌。反应结束后，混合液经洗涤、过滤、真空干燥，即制得Ca/Zn-纳米羧甲基壳聚糖白色粉体。

2.2.3 性能测试

选用18～26 g之间的成年雄性昆明鼠。

凝血试验：加入草酸钾溶液于试管中，取小白鼠眼部血液5 mL，加入样品(0.2 g样品/mL血液)，观察并记录凝血时间。

止血试验：于小白鼠尾尖3 cm处切割，在出血点处敷0.2 g样品，观察并记录止血时间。

设置空白对照组即自然状态下体外凝血及小白鼠自身止血所用时间。每组平行测试3次，取平均值。

2.3 样品表征

6）6—9月份，田间卵果率达到1%时，及时喷25%灭幼脲1 000倍液或2.5%溴氰菊酯乳油3 000倍液。

采用傅里叶变换红外光谱仪在室温下测试样品的红外光谱，测量范围为4 000～400 cm-1。采用X射线衍射光谱仪分析样品结构，辐射源为Cu Kα线，测试范围为10°～90°。采用扫描电子显微镜观察样品表面形貌。

3 结果与讨论

3.1 红外光谱分析

图1为羧甲基壳聚糖与纳米羧甲基壳聚糖的红外光谱图，测量波长范围为4 000～400 cm-1，分辨率为4 cm-1。羧甲基壳聚糖羧基在3 176.54 cm-1和2 923.88 cm-1处的吸收峰是—COOH中O—H伸缩振动吸收峰。纳米化后，2 923.88 cm-1处的峰消失，3 176.54 cm-1处的峰变宽且偏移到3 184.26 cm-1，说明磷酸盐与羧基发生了作用。1 323.08 cm-1与1 257.50 cm-1的吸收峰是C3—OH的伸缩振动峰，经纳米化后两峰均消失，说明磷酸盐取代了C3位置上的—OH。1 081.99 cm-1的吸收峰是羧甲基壳聚糖吡喃环中醚键的特征峰，纳米化后的纳米羧甲基壳聚糖峰型发生变化且偏移，说明磷酸盐还与醚键发生反应。因此，羧甲基壳聚糖在纳米化过程中，磷酸盐与羧甲基壳聚糖的—COOH、C3—OH及吡喃环中的—O—发生作用，生成纳米羧甲基壳聚糖。

纳米羧甲基壳聚糖、Ca-纳米羧甲基壳聚糖与Zn-纳米羧甲基壳聚糖的红外光谱如图2所示。纳米羧甲基壳聚糖在3 184.26 cm-1处的吸收峰是—COOH中的—OH伸缩振动峰，与Ca2+、Zn2+复合后两峰均发生偏移且峰型发生变化，说明Ca2+、Zn2+取代了纳米羧甲基壳聚糖的羟基。经对比，Ca-纳米羧甲基壳聚糖的峰偏移程度更大，说明Ca2+与—COOH的作用更强。Ca-纳米羧甲基壳聚糖在1 249.79 cm-1处出现新峰，是纳米羧甲基壳聚糖分子中的醚键伸缩振动峰，说明Ca2+与纳米羧甲基壳聚糖的—O—也发生作用。而Zn-纳米羧甲基壳聚糖未出现该峰，说明Zn2+与醚键没有发生作用。纳米羧甲基壳聚糖与Ca2+、Zn2+复合后，经对比，Ca2+与纳米羧甲基壳聚糖作用更强，说明Ca-纳米羧甲基壳聚糖的结构比Zn-纳米羧甲基壳聚糖更稳定。

3.2 XRD分析

样品的X射线衍射图谱如图3所示。壳聚糖衍生物X射线衍射图谱峰的强度与其结晶性有关，结晶性越强则峰的强度也越高。纳米羧甲基壳聚糖及其与Ca2+、Zn2+复合物的结晶性均较差，与溶解度提高相对应。经对比，纳米羧甲基壳聚糖在2θ为20.02°及22.18°处出现了与结晶有关的衍射峰，说明纳米羧甲基壳聚糖分子内一定有结晶区，这是分子内氢键造成的。

钙离子复合后衍射峰变弱，说明结晶性下降。这是由于钙离子取代氢离子后，氢键作用降低，导致结晶性下降。锌离子复合后，纳米羧甲基壳聚糖的两处衍射峰消失，而在32.72°处出现新的衍射峰，说明锌离子的作用降低了纳米羧甲基壳聚糖的结晶性，有新物质产生，可能是未参加反应的锌或磷酸盐与锌形成的结晶体。Ca-纳米羧甲基壳聚糖与Zn-纳米羧甲基壳聚糖对比，后者衍射峰更尖锐，结晶性优于前者，说明纳米羧甲基壳聚糖经过复合，比Zn-纳米羧甲基壳聚糖的结晶性下降更多，这也是Ca-纳米羧甲基壳聚糖水溶性提高的原因。

Fig.3 XRD patterns of nmCMCS, Ca-nmCMCS and Zn-nmCMCS.

3.3 扫描电子显微镜分析(SEM)

纳米羧甲基壳聚糖,Ca-纳米羧甲基壳聚糖和Zn-纳米羧甲基壳聚糖的扫描电镜图如图4(a)、(b)、(c)所示。纳米羧甲基壳聚糖颗粒成球状，粒径约为80 nm，发生粘连。Ca-纳米羧甲基壳聚糖呈规则的球状，粒子大小均匀，粒径约为27.4 nm。由于纳米羧甲基壳聚糖浓度太高、颗粒粒径较小致使复合物发生轻微粘连。Zn-纳米羧甲基壳聚糖也呈球状，粒径约为15.5 nm，还有厚度约为31.3 nm的片状物质。球状物质为所制备的Zn-纳米羧甲基壳聚糖粉体，片状物质为粉体中未参加反应的ZnCl2。经对比，复合Ca2+与Zn2+的复合物形貌更规则，Ca-纳米羧甲基壳聚糖的纯度、形貌均优于Zn-纳米羧甲基壳聚糖。

图4 nmCMCS(a)、Ca-nmCMCS(b)及Zn-nmCMCS(c)的扫描电镜图。

Fig.4 SEM picture of nmCMCS(a) and its complex composited Ca2+(b) and Zn2+(c)

3.4 样品的性能分析

空白试验、壳聚糖、羧甲基壳聚糖、纳米羧甲基壳聚糖、Zn-纳米羧甲基壳聚糖及Ca-纳米羧甲基壳聚糖的凝血、止血性能测试结果如图5所示，数据为平行3组测试的平均值。由图可知，空白试验、壳聚糖、羧甲基壳聚糖、纳米羧甲基壳聚糖、Zn-纳米羧甲基壳聚糖及Ca-纳米羧甲基壳聚糖的凝血、止血时间呈顺势缩短的趋势。羧甲基壳聚糖与壳聚糖相比，凝、止血时间缩短，而纳米羧甲基壳聚糖的凝、止血时间又比羧甲基壳聚糖分别缩短了18 s与64 s。纳米羧甲基壳聚糖与Ca2+、Zn2+复合后，Zn-纳米羧甲基壳聚糖的凝血时间为164 s，止血时间为345 s，比纳米羧甲基壳聚糖分别缩短了22 s与40 s，凝、止血效果有所提高。Ca-纳米羧甲基壳聚糖的凝血时间为143 s，止血时间为303 s，比纳米羧甲基壳聚分别缩短了43 s与82 s，比Zn-纳米羧甲基壳聚糖缩短了21 s与42 s，因此Ca-纳米羧甲基壳聚糖的凝、止血效果最佳，达到了快速止血的目的。

4 结 论

壳聚糖经过羧甲基化、纳米化、与Ca2+和Zn2+复合制备出Ca/Zn-纳米羧甲基壳聚糖粉体，样品的形貌规则，粒径变小。Ca2+和Zn2+均与纳米羧甲基壳聚糖的—COOH复合，Ca2+还与纳米羧甲基壳聚糖的醚键作用，结构更稳定。复合物的结晶性下降，溶解性提高。样品颗粒均呈球状，复合物颗粒更均匀，Ca/Zn-纳米羧甲基壳聚糖的平均粒径分别为27.4 nm与15.5 nm，但Zn-纳米羧甲基壳聚糖纯度较低。经对比，Ca2+与纳米羧甲基壳聚糖的作用比Zn2+作用更强，Ca-纳米羧甲基壳聚糖结构更稳定。纳米羧甲基壳聚糖、Ca/Zn-纳米羧甲基壳聚糖的凝血、止血效果明显提高。Ca-纳米羧甲基壳聚糖的凝、止血效果最好，平均凝血、止血时间为143 s与303 s，达到了快速止血的目的。

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孙双(1991-)，女，辽宁抚顺人，硕士研究生，2014年于渤海大学获得学士学位，主要从事医用基础功能材料的研究。E-mail: lemondave@sina.com

魏长平(1960-)，女，吉林长春人，教授，博士生导师，1999年于吉林大学获得博士学位，主要从事医用基础功能材料的研究。E-mail: changpingwei@hotmail.com

Spectral Analysis of Ca/Zn-nano Carboxymethyl Chitosan

SUN Shuang， DONG Li-dan, WEI Chang-ping*， LI Jing

(School of Chemistry and Environment Engineering, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China)*CorrespondingAuthor,E-mail:changpingwei@hotmail.com

With chitosan as raw material, Ca/Zn-nano carboxymethyl chitosan complexing was prepared through carboxymethylation, nanocrystallization and complexing with Ca2+, Zn2+. The structure was characterized by infrared spectroscopy, X-ray diffraction spectroscopy and scanning electron microscopy. The properties of coagulation and hemostatic were investigated. The results show that the polyphosphate structure is contained in nano carboxymethyl chitosan, as Ca2+and Zn2+are contained in Ca/Zn-nano carboxymethyl chitosan. Ca2+and Zn2+compound successfully with nano carboxymethyl chitosan. The composite has lower crystallization, higher solubility, more uniform round morphology and significant shorter coagulation and hemostasis time. Compared with Zn-nano carboxymethyl chitosan, Ca-nano carboxymethyl chitosan is possessed better structure and better properties of coagulation and hemostasis.

chitosan; chitosan derivatives; nano carboxymethyl chitosan; nanocrystallization

1000-7032(2016)12-1479-05

2016-06-03；

2016-07-14

O614.43+2

A

10.3788/fgxb20163712.1479