羧甲基壳聚糖在不同介质中的降解性能

唐四叶，张 丽，曹欣祥，李 晏

(洛阳师范学院 化学化工学院，河南 洛阳 471934)

0 引 言

壳聚糖具有独特的性质，如生物可降解性、生物相容性、生物黏合性、无毒性等，这些优良的性质使得壳聚糖及其衍生物被广泛应用于生物医药、组织工程、药物释放、农用薄膜、化妆品、食品、工业等各种领域[1].羧甲基壳聚糖(carboxymethyl chitosan,CMCS)是壳聚糖羧甲基化的产物，既保留了壳聚糖的优点，又具有良好的水溶性，因此，CMCS在众多壳聚糖衍生物中用途最为广泛，一直备受关注[2-5].CMCS可制备手术缝合线、人工皮肤、止血贴、人造血管、缓释药物等[6].作为药物载体，CMCS具有水溶性、胶凝性、促渗性、生物相容性和可降解性的特点，能够延长药物在体内特定部位的滞留时间，提高药物的生物利用度[7].在医学领域，其生物降解性能尤其重要，医用功能达到后不必从体内取出[8].在其他行业，降解性能有利于可持续发展.因此，研究CMCS的降解性能具有非常重要的意义.

目前，对CMCS在过氧化氢中氧化降解的研究居多，如文献[1,9-10]研究了CMCS在过氧化氢中的降解，探讨了温度、反应时间以及过氧化氢用量对降解作用的影响.周贵等[11]研究了在大鼠体内CMCS的降解.陈浩凡等[7]研究了CMCS在溶菌酶存在下的降解过程，探讨了酶浓度、CMCS取代度对降解的影响.在非生物体内降解过程中，以上文献研究的时间都比较短，分别为28 h、7 h、24 h和96 min[1,7,9-10].为了全面了解CMCS的降解性能，有必要拓展降解介质，延长降解时间.目前为止，CMCS在pH=7.4的生物体外和碱性介质中的降解性能，在公开文献中鲜有报道.因此，本文的目的是研究CMCS在pH=7.4磷酸盐缓冲溶液和0.01 mol/L NaOH水溶液中的降解性能，降解时间为10 d，考察分子量、质量、熔点、分子结构的变化规律，建立降解动力学方程，为CMCS的进一步应用提供理论基础.

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

主要原料：CMCS，羧化度80%，从麦克林试剂公司购买.

主要试剂：磷酸二氢钾(99.8%)、氢氧化钠(99.7%)、磷酸氢二钠(98%)、丙酮(99.5%)、氯化钠(99%)，分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司生产.

主要仪器：Q2000差示扫描量热仪，美国TA公司生产；FA1004型电子天平，上海上平仪器有限公司生产；DHG-9070A型电加热恒温鼓风干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司生产；76-1恒温玻璃水槽，常州国华电器有限公司生产；IR spirit-T红外光谱仪，日本岛津生产；乌氏黏度计，毛细管内径为0.5～0.6 mm，上海宝山启航玻璃仪器厂生产；秒表，分度值0.01 s.

1.2 降解实验

1.2.1 降解溶液的配制

1)0.01 mol/L NaOH水溶液的配制

称取0.4 g NaOH固体溶解于1 L蒸馏水中，1 000 mL容量瓶定容，得到浓度为0.01 mol/L NaOH水溶液.

2)pH=7.4磷酸盐缓冲溶液的配制

将0.19 g磷酸二氢钾、1.38 g十二水磷酸氢钠和8 g氯化钠溶解于1 L蒸馏水中，用 1 000 mL容量瓶定容.用0.01 mol/L NaOH水溶液调节pH值，得到pH=7.4磷酸盐缓冲溶液.

1.2.2 CMCS降解实验

将0.5 g CMCS样品分别溶解于30 mL pH=7.4磷酸盐缓冲溶液和0.01 mol/L NaOH水溶液中.将样品溶液放入恒温干燥箱中，温度控制在37±1 ℃.间隔一天将样品溶液从干燥箱中取出，用丙酮洗涤样品至少3次，剩余沉淀即为降解后的CMCS.将降解后的CMCS干燥至恒重，测量样品的质量、分子量、熔点和分子结构.

1.3 分子量测定

配制浓度为0.1 mol/L的NaCl水溶液，用作CMCS的溶剂.将0.05 g CMCS溶解于NaCl溶液中，50 mL 容量瓶定容，得到1 g/L的CMCS-NaCl溶液.向干燥的乌氏黏度计加入15 mL氯化钠溶液，将乌氏黏度计放置于30 ℃恒温水槽中，使刻度球浸没在水面之下，用胶管密封乌氏黏度计三个管口，以免溶液在恒温期间挥发造成浓度发生改变.恒温10 min后，用秒表记录溶液流经刻度球的时间，记为溶剂流下的时间t0，取3次测量的平均值，保证3次所测的时间相差在0.2 s以内.以同样的方法测量CMCS-NaCl溶液流下的时间t.CMCS的黏均分子量按文献使用方法计算[12]：

[η]=7.92×10-5×M

式中：[η]为特性黏数，mL/g；ηr为相对黏度，ηr=t/t0；ηsp为增比黏度，ηsp=ηr-1；C为羧甲基壳聚糖的浓度，g/mL.

1.4 熔点的测定

用差示扫描量热仪测定样品的熔点.将10 mg左右粉末状样品装入坩埚，密封坩埚，压片，放入仪器.根据样品熔点估计值设置仪器最高温度，升温速率10℃/min，由曲线图得到样品的熔点.

1.5 分子结构测定

用红外光谱仪测定CMCS降解前后分子结构的变化.溴化钾压片，扫描45次.

2 结果与讨论

CMCS在磷酸盐缓冲溶液和氢氧化钠水溶液中降解后的分子量、质量、熔点列在表1、表2中.

表1 CMCS在pH=7.4磷酸盐缓冲溶液中的降解结果

表2 CMCS在0.01 mol/L NaOH水溶液中的降解结果

2.1 样品分子量

从表1、表2中可以看出，随着降解时间延长，CMCS的黏均分子量逐渐减小.说明CMCS发生了降解.CMCS在0.01 mol/L NaOH水溶液中降解10 d后黏均分子量变化了81.17×105g/mol，在磷酸盐缓冲溶液中降解10 d后黏均分子量变化了78.71×105g/mol.由此说明，CMCS在0.01 mol/ L NaOH水溶液中降解程度比在磷酸盐缓冲溶液中大.

通过对实验数据的拟合，得到了样品分子量随时间变化的动力学方程，动力学方程符合线性函数.动力学方程和相关系数列在表3中，从相关系数可知，动力学方程准确度较高.

表3 样品分子量、质量和熔点随时间变化的动力学方程和相关系数

2.2 样品质量

从表1、表2中可以看出，CMCS质量随着降解时间的增加而逐渐减少.说明CMCS在pH=7.4磷酸盐缓冲溶液和0.01 mol/L NaOH水溶液中发生了降解.CMCS在0.01 mol/L NaOH水溶液中降解前后质量变化了0.341 7 g，在pH=7.4磷酸盐缓冲溶液中降解前后质量变化了0.101 0 g.很显然，CMCS在 0.01 mol/L NaOH水溶液中降解程度比在pH=7.4磷酸盐缓冲溶液中降解得快.

通过对实验数据的拟合，得到了样品质量随时间变化的动力学方程，动力学方程符合指数函数.动力学方程和相关系数列在表3中，从相关系数可知，动力学方程比较准确.

2.3 样品熔点

从表1、表2的熔点数据可以看出，CMCS的熔点随着降解时间的增加而逐渐降低，这与高分子分子量降低引起熔点降低的规律是一致的，从而说明发生了降解.对比不同溶液中降解后的熔点，CMCS在 0.01 mol/L NaOH水溶液中10 d，熔点降低了5.96 ℃，在磷酸盐缓冲溶液中降低了4.35 ℃.显然，CMCS在0.01 mol/L NaOH水溶液中均比在磷酸盐缓冲溶液中降解得快.

通过对实验数据的拟合，得到了样品熔点随时间变化的动力学方程，动力学方程符合指数函数.动力学方程和相关系数也列在表3中.从相关系数可知，动力学方程准确度较高.

图1 CMCS在磷酸盐缓冲液中降解红外光谱图Fig.1 IR spectroscopy of carboxymethyl chitosan in phosphate buffer solution

2.4 样品红外光谱图

对比CMCS样品的红外光谱图，降解过程中CMCS的分子结构没有发生变化.以CMCS在磷酸盐缓冲液中降解的红外光谱图为例，显示在图1中.

3 结 论

本文将两种羧化度的CMCS分别置于磷酸盐缓冲溶液和0.01 mol/L NaOH水溶液中进行降解.样品黏均分子量、质量和熔点均随着降解时间的增加逐渐减小，说明发生了降解.CMCS在0.01 mol/L NaOH水溶液中降解程度比在磷酸盐缓冲溶液中高.降解过程中，分子结构没有发生变化.建立了降解动力学方程，分子量-时间动力学方程符合线性函数，质量-时间和熔点-时间动力学方程均符合指数函数.