温敏性羟丁基壳聚糖的制备及性能

2019-03-15刘思佳张宝莲李珊珊王远福费学宁

天津城建大学学报 2019年1期

刘思佳，张宝莲，李珊珊，王远福，费学宁

（天津城建大学材料科学与工程学院，天津 300384）

壳聚糖季铵盐是一种从海洋生物身上提取的天然碱性多糖，它本身具备无毒、可降解的优点，与机体之间有良好的生物相容性.壳聚糖与细菌细胞壁上的肽聚糖在结构上有非常相似之处，两者都是以β-1，4-糖苷键连接起来的多糖聚合物，能被溶菌酶、水解酶等降解成低分子壳寡糖和葡萄糖胺，其分解产物对人类健康无害[1-2]，在医用注射植入、医药缓释材料上具有很大的发展潜力.目前，需要解决的问题是由于分子内和分子间氢键所导致的结晶度高、水溶性差.通过对壳聚糖进行改性，引入亲水基团，破坏其分子结构规整性，可以制备得到具有水溶性的壳聚糖衍生物[3].

羟丁基壳聚糖（HBCS）具有一定的温敏性，此外它的生物活性较高，引起了人们广泛关注[4-9].本文以壳聚糖为原料，1，2-环氧丁烷为醚化剂，研究了不同碱化条件以及反应温度对羟丁基壳聚糖制备的影响，并研究了羟丁基壳聚糖水溶液的成胶性.

1 实验部分

1.1 实验主要原料和仪器设备

壳聚糖（脱乙酰度（85%，CPS：400），济南海得贝海洋生物工程有限公司；1，2-环氧丁烷，分析纯，广东翁江化学试剂；异丙醇，氢氧化钠，盐酸，乙醇，丙酮，分析纯，天津市科威玻璃仪器有限公司.

差示扫描量热仪，Q20，美国TA公司；傅里叶变换红外光谱仪Bruker tersor27，德国布鲁克光谱仪器公司；冷冻干燥机LGJ-10，北京四环科学仪器厂.

1.2 羟丁基壳聚糖的制备

壳聚糖在NaOH的作用下，形成碱化的壳聚糖.碱化的壳聚糖结晶度下降，钠离子使壳聚糖形成更多的活性中心，有利于与1，2-环氧丁烷发生亲核取代反应，形成羟丁基壳聚糖（HBC）[4，6].

1.3 测试与表征

1.3.1 羟丁基壳聚糖溶解性测试

称取250 mg产物，冰浴条件下溶解于5 mL蒸馏水中，观察不同产物的溶解情况.

1.3.2 羟丁基壳聚糖凝胶性能测试

冰浴下配制 2.5，5，7，10 wt%的羟丁基壳聚糖溶液，放入冰箱中，4℃条件下静置过夜，使其充分溶解和消除溶液中的气泡.采用倒置法，在37℃水浴条件下观察其凝胶现象并记录下凝胶时间.

1.3.3 红外表征

选取55℃反应产物和壳聚糖样品真空干燥过夜，在室温环境、相对湿度＜70%的条件下，将一定量产物与KBr粉末一起研磨后装入样品杯，压片，采用傅立叶变换红外光谱仪500～4 000 cm-1范围内扫描.

1.3.4 羟丁基壳聚糖差示扫描量热检测

在N2气氛下，以10℃/min的升温速率，从25℃最终升到350℃的条件下.对壳聚糖和羟丁基壳聚糖进行差示扫描量热检测.

2 结果与讨论

2.1 羟丁基壳聚糖的制备工艺优化

2.1.1 碱化和后处理条件对产物在水中溶解性的影响

本文对壳聚糖进行了各种碱化和后处理方法，对反应现象及反应产物在水中溶解性进行观察，结果如表1所示.

表1 各实验方案实验现象情况

（1）壳聚糖直接分散法.此实验方案是采用异丙醇作为分散相，在NaOH催化下，用1，2-环氧丁烷对壳聚糖进行改性，反应结束，抽滤，洗涤、干燥，得到不溶于水的褐色油状物质和褐色固体，且二者均不溶于水.这是因为碱催化下，1，2-环氧丁烷与壳聚糖接枝反应与自聚反应是一对竞争反应，催化自聚反应机理如图1所示.壳聚糖、NaOH直接在异丙醇中分散，壳聚糖很难发生碱化，在此条件下主要进行碱引发1，2-环氧丁烷自聚反应，产生褐色油状物质.

（2）壳聚糖碱化-洗涤-分散法.壳聚糖碱催化接枝反应必须首先在壳聚糖上形成碱性活性位点，为尽量减少碱引发的1，2-环氧丁烷自聚反应需减少体系内自由碱的浓度，尝试壳聚糖首先在浓的氢氧化钠水溶液中碱化一段时间，过滤挤出多余碱液，用去离子水洗涤至中性，然后分散在异丙醇中进行反应.反应结束过滤、洗涤、干燥得白色粉末.对其产物进行水溶性试验时发现不溶于水，说明接枝反应失败.这是因为壳聚糖虽然通过碱化结晶度有所下降，但是洗涤至中性，缺乏接枝反应条件——碱催化，导致1，2-环氧丁烷未能与之发生亲核取代反应.

（3）壳聚糖碱化-分散法一.改进试验方案后，先将壳聚糖碱化，然后用水和异丙醇（1∶1 V∶V）为分散相进行反应.反应完成后用10%HCl溶液中和反应溶液到中性，然后用醇沉、离心、烘箱干燥得到产物，产物溶于水，证明接枝反应成功.但是中和反应溶液时，盐酸溶液用量较大，导致醇沉淀时需消耗大量乙醇，且反应产物沉淀不完全，从而产物产量低，在后续干燥中产物易块状，溶解缓慢.

（4）壳聚糖碱化-分散法二.总结之前的实验方案，优化实验方案，即先碱化壳聚糖，减压抽滤除去多余碱液，然后用水和异丙醇（1∶1 V∶V）为分散相进行反应.反应结束用10%HCl溶液中和至中性，蒸馏水透析去除小分子试剂，抽滤去除不溶物，滤液冷冻干燥得到白色絮状固体HBC.减压抽滤去出多余碱液，一方面减少了体系中游离碱存在导致的1，2-环氧丁烷自聚反应，使接枝反应优势进行，另一方面减少了中和溶液时盐酸的用量.透析以后的抽滤是为了去除未反应的壳聚糖，冷冻干燥法得到的产物为絮状多孔材料，溶解时溶剂分子容易进入，溶解迅速.因此，此方法是羟丁基壳聚糖的优化制备工艺，后续反应均采用此工艺.

图1 环氧丁烷碱催化自聚反应机理

2.1.2 反应温度对接枝反应的影响

壳聚糖碱化-分散法二工艺，改变反应温度，研究不同温度对反应的影响，实验现象见表2.

表2 反应温度对接枝产物性能的影响

从表2还可以看出，羟丁基壳聚糖形成水凝胶的能力取决于反应温度和浓度.2.5%的溶液均不能形成凝胶，5%～7%浓度范围内能否形成水凝胶和能否形成温敏水凝胶与其反应温度有关.这是因为低浓度时，羟丁基壳聚糖分子在羟丁基亲水基团的作用下，分子链得到充分的舒展，羟丁基壳聚糖分子内和分子之间的作用力极小.当浓度变大时，溶液内的羟丁基壳聚糖分子增多，分子内和分子间的氢键作用增强，分子链上有大量正电荷中心和羟基，他们之间的静电作用也增强.达到一定浓度后，升高溶液温度，分子的活性增强，在疏水基团的作用下，与亲水基团结合的水分子相继脱去，或者被大分子链络合而成的三维网状包围在里面，从而形成凝胶态.当然，浓度过高时，不需要太高的温度，由于体系内疏水基团、氢键等相互作用，溶液也能成为凝胶（10%时冰浴下即可形成凝胶）.温度越高，反应速率越快，羟丁基接枝率越高，因此产物在同样浓度的条件下更容易形成凝胶.40℃虽然能够进行接枝反应（产物可以溶于水），但是由于反应速率慢，羟丁基接枝率低，疏水相互作用强度不足，因此不能形成水凝胶.50℃反应产物虽然可以形成水凝胶，但是强度不足，呈半流动状态.55～60℃反应产物在浓度5%～10%范围内可以形成水凝胶，且55℃反应产物在5%～7%浓度范围内可形成温敏水凝胶.60℃反应产物仅在5%浓度方可形成温敏水凝胶，且1，2-环氧丁烷沸点为63℃，温度升高环氧丁烷容易挥发.因此，选择55℃为反应温度较为合适，或者降低反应温度延长反应时间.

2.2 羟丁基壳聚糖红外分析

将制备后的羟丁基壳聚糖与壳聚糖分别进行红外分析，结果如图2所示.

图2 壳聚糖（CS）和羟丁基壳聚糖（HBC）红外光谱

由得到的壳聚糖和羟丁基壳聚糖红外光谱图可以看出，接枝羟丁基后的羟丁基壳聚糖保留了3 400 cm-1左右的强吸收峰，这是由于—OH和—N—H的振动吸收峰叠加的结果.在2969，2931，2 874 cm-1这三个新的吸收峰，是C—H的振动吸收峰，且整个峰带相对原壳聚糖的吸收峰带，其吸收强度有所增强，在1 460 cm-1处也有新的吸收峰出现.从而说明羟丁基壳聚糖有—CH3基团的引入，也就是说，羟丁基成功的接枝在壳聚糖上，形成羟丁基壳聚糖.壳聚糖C6—OH上的C—O吸收峰为1 030 cm-1，改性后移至1 073 cm-1，且明显增强，这说明羟丁基在C6上取代效果明显.

2.3 羟丁基壳聚糖差示扫描量热检测

将制备后的羟丁基壳聚糖与壳聚糖分别进行红外分析，结果如图3所示.

图3 壳聚糖和羟丁基壳聚糖DSC

图3是壳聚糖粉末和HBC的DSC曲线，在87.2℃处，壳聚糖有一个吸热峰，这个吸热峰主要由于壳聚糖游离水和结晶水蒸发引起的；199.3℃处有一个小的放热峰，可能是壳聚糖晶型转变峰；212.2℃的吸热峰是壳聚糖结晶态向无定形态转变的吸热峰；281℃处较大的吸热峰是壳聚糖熔融峰；308.1℃处一个较大的放热峰是壳聚糖分解峰.

因为在进行差热扫描前，羟丁基壳聚糖进行过冷冻干燥，并保存在干燥器中，所以羟丁基壳聚糖中游离水和结晶水的吸热峰并不明显.另外，接枝反应破坏了壳聚糖结构的规整性，因此羟丁基壳聚糖上没有结晶转变峰.另外，接枝反应后热稳定性下降，在250.2℃即分解，因此没有熔融峰.

由图3差热分析图表明，当壳聚糖引入羟丁基形成羟丁基壳聚糖后，壳聚糖的热稳定性能有所下降.这是因为羟丁基壳聚糖分子内和分子间的氢键作用减弱，羟丁基取代后破坏了壳聚糖分子的规整性，使壳聚糖的结晶度降低，从而导致热降解所需的能量变低，降解温度变低.