羧甲基殼聚糖水凝膠的制備研究

譚福能

（文山學(xué)院 化學(xué)與工程學(xué)院，云南 文山 663099）

羧甲基殼聚糖水凝膠的制備研究

譚福能

（文山學(xué)院 化學(xué)與工程學(xué)院，云南 文山 663099）

以殼聚糖為原料，通過改性制得親水性的羧甲基殼聚糖，并對(duì)改性條件進(jìn)行了研究。采用戊二醛交聯(lián)法制備羧甲基殼聚糖水凝膠(CMCS-GA)。對(duì)該凝膠的成膠條件、pH敏感性和溫度敏感性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：羧甲基殼聚糖水凝膠的成膠過程受到了羧甲基殼聚糖濃度、溫度、時(shí)間、交聯(lián)劑濃度的影響。所制得的羧甲基殼聚糖水凝膠具有良好的溫度和pH響應(yīng)性。

殼聚糖；羧甲基殼聚糖；水凝膠；溶脹率

殼聚糖（CS）是經(jīng)甲殼素脫乙?；玫降亩嗵牵讱に厥怯勺匀唤缰泻?jī)H次于纖維素的天然高分子化合物，儲(chǔ)量豐富[1]。由于殼聚糖分子之間的氫鍵作用而影響了殼聚糖的水溶性，只能溶于酸性溶液中，在水中和堿性溶液中溶解度非常小，這對(duì)殼聚糖的應(yīng)用造成了不利影響[2-4]。近年來，人們利用殼聚糖上氨基和羥基進(jìn)行了接枝共聚改性以提高其水溶性，從而擴(kuò)寬了殼聚糖的應(yīng)用范圍。

天然高分子化合物凝膠體系由于具有無毒和可改進(jìn)治療效果的性質(zhì)，在作為藥物、蛋白質(zhì)、抗原基因和基因的運(yùn)輸載體方面有很多的應(yīng)用[5]。近年來，隨著高分子醫(yī)用材料研究的深入，高分子水凝膠越來越受到人們的重視[6]。高分子水凝膠能夠根據(jù)外界環(huán)境的變化而迅速響應(yīng)，如電解質(zhì)敏感性凝膠、溫度敏感性凝膠、pH值敏感性凝膠等，在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，特別是在藥物釋放方面的應(yīng)用已經(jīng)得到人們的廣泛關(guān)注[7-8]?，F(xiàn)在，天然高分子凝膠聚集物一個(gè)吸引人的應(yīng)用是作為藥物運(yùn)輸載體，用于治療很多由各種原因?qū)е碌募膊?。天然高分子凝膠還可以運(yùn)載對(duì)人體器官有刺激性的藥物，由于其具有無毒和在生物體內(nèi)可降解的優(yōu)點(diǎn)，是作為藥物最理想的載體[9]。

本文殼聚糖是在殼聚糖的羥基上進(jìn)行接枝共聚物，通過改性制得親水性的羧甲基殼聚糖（CMCS），其不僅保留了殼聚糖固有的無毒可降解、生物相容性良好等優(yōu)良特性，且具有良好的水溶性，應(yīng)用領(lǐng)域更為廣泛。同時(shí)以羧甲基殼聚糖（CMCS）選用戊二醛作為交聯(lián)劑，通過化學(xué)交聯(lián)法制備羧甲基殼聚糖水凝膠（CMCS-GA）。并對(duì)該凝膠的pH敏感性和溫度敏感性進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑及儀器

殼聚糖（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，脫乙酰度90%）；二甲基甲酰胺（DMF）、戊二醛（巴斯夫化學(xué)試劑有限公司，分析純）；氫氧化鈉、異丙醇、丙酮、乙醇、氯乙酸（天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司，分析純）；真空干燥箱（上海躍進(jìn)醫(yī)用光學(xué)器械廠）；DHG-9076A型傅立葉紅外變換光譜儀（日本島津公司）。

1.2 羧甲基殼聚糖的制備

稱取5 g殼聚糖分散于50 mL異丙醇中，置于磁力攪拌器上室溫?cái)嚢枞苊?0 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 ℃攪拌3 h后，緩慢滴入6.0 mL氯乙酸，轉(zhuǎn)為60 ℃水浴中恒溫回流10 h后，倒入燒杯中，冷卻。取少量溶液，看其是否能完全溶解，如不能溶解，則讓其繼續(xù)反應(yīng)直至完全溶解。反應(yīng)完全后，分別用無水乙醇和丙酮溶液洗滌三次、抽濾，60 ℃下真空干燥12 h得白色CMCS產(chǎn)品。

圖1 羧甲基殼聚糖的合成過程

1.3 羧甲基殼聚糖水凝膠的制備

取上述CMCS產(chǎn)品適量，配制質(zhì)量濃度為3%的水溶液50 g，高速攪拌溶解后，加入50 mL 50%的戊二醛溶液，繼續(xù)攪拌至粘稠，然后置于水浴中反應(yīng)，得CMCS水凝膠。將所得CMCS水凝膠在50 ℃真空干燥12 h，得到干凝膠。

1.4 紅外光譜表征

將制得的CMCS產(chǎn)品充分干燥后研成粉末狀，與KBr混合壓片，置于傅里葉紅外光譜儀上，在4000～400 cm-1范圍內(nèi)掃描，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1.5 溶脹率的測(cè)定

通過稱量法測(cè)定CMCS水凝膠的溶脹率（SR），把干凝膠先稱重，然后置于蒸餾水中，浸泡24 h后取出，用濾紙吸干其表面水份，稱重，按以下公式計(jì)算其溶脹率：

式中W為吸水溶脹后水凝膠的總質(zhì)量（g），W0為溶脹前干凝膠的質(zhì)量（g）。

1.6 羧甲基殼聚糖水凝膠的pH敏感性的測(cè)定

配置pH值為1、3、5、7、9、11的緩沖溶液，將制得的CMCS分別浸泡于不同pH值的緩沖溶液中，保持在25 ℃下放置24 h后，測(cè)定其溶脹度。

1.7 羧甲基殼聚糖水凝膠的溫度敏感性的測(cè)定

將制得的CMCS分別浸泡蒸餾水中，將其分別置于溫度為25 ℃、35 ℃、45 ℃、55 ℃、65 ℃的條件下，測(cè)定其溶脹率。

2 結(jié)果與討論

2.1 合成CMCS中各反應(yīng)條件的影響

以CMCS的水溶性和CMCS的產(chǎn)量為考察指標(biāo)，研究了氫氧化鈉用量、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度的影響，結(jié)果見表1。由表1可知，當(dāng)反應(yīng)溫度為50 ℃，氫氧化鈉用量為1 g，反應(yīng)時(shí)間為12 h時(shí)，CMCS的產(chǎn)量最高，水溶性最好。

2.2 紅外光譜分析

對(duì)CS和CMCS分別進(jìn)行了紅外光譜分析，結(jié)果如圖2所示。由圖2可見，相對(duì)于CS，CMCS在3338 cm-1處出現(xiàn)較強(qiáng)的-OH 吸收峰，在2989 cm-1處出現(xiàn)C-H伸縮振動(dòng)峰，在1325.1 cm-1處出現(xiàn)了明顯的新的吸收峰，這是-CH3的對(duì)稱彎曲引起的。由此證明了羧甲基基團(tuán)已接枝到了殼聚糖分子上。

2.3 反應(yīng)條件對(duì)CMCS凝膠形成的影響

通過試驗(yàn)得到研究了最佳試驗(yàn)工藝，并考察了戊二醛用量、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度對(duì)對(duì)凝膠成膠效果和成膠時(shí)間的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2，從結(jié)果可以看出，交聯(lián)劑戊二醛用量、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度都會(huì)對(duì)CMCS凝膠的成膠效果和成膠時(shí)間造成影響。

圖2 紅外分析譜圖

表1 反應(yīng)條件對(duì)CMCS產(chǎn)量和水溶性的影響

表2 反應(yīng)條件對(duì)凝膠形成的影響

由表2可見交聯(lián)劑用量較小時(shí)成膠時(shí)間很長(zhǎng)，而當(dāng)交聯(lián)劑用量多時(shí)成膠時(shí)間顯著減少。且交聯(lián)劑的濃度對(duì)凝膠的成膠效果也有一定的影響。這是由于隨著交聯(lián)劑用量的增加，交聯(lián)結(jié)合點(diǎn)更多，所以成膠時(shí)間減少，同時(shí)由于網(wǎng)絡(luò)凝膠的結(jié)合點(diǎn)更多，凝膠結(jié)構(gòu)越緊密，成膠效果越好。

成膠時(shí)間隨溫度的升高而降低。當(dāng)50℃時(shí)反應(yīng)速度最快，室溫條件下反應(yīng)最慢。這是因?yàn)樵诘蜏叵掠捎谄涓叻肿渔湺芜\(yùn)動(dòng)受限制，反應(yīng)不夠完全，高溫時(shí)由于其分子運(yùn)動(dòng)較快交聯(lián)很快完成。因此，在合成過程中適當(dāng)升高溫度有利于縮短反應(yīng)的時(shí)間。

2.4 CMCS水凝膠的pH敏感性

分別配置pH值為1、3、5、7、9、11的緩沖溶液，將制得的CMCS分別浸泡于不同pH值的緩沖溶液中，保持在25 ℃下放置24 h后，測(cè)定其溶脹度。

圖3 不同pH值下凝膠的溶脹性

由圖3可看出，其溶脹行為具有較高pH值敏感性，凝膠在酸性介質(zhì)下的溶脹度比在堿性下的要大，隨著pH的增大凝膠的溶脹度逐漸變小。這是由于CMCS中都含有大量的羧基 氨基等基團(tuán)，這就形成了一種不同電荷相互作用形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在不同pH 值下，這些網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中的基團(tuán)有不同的帶電情況。在pH 較小時(shí)，凝膠中的主要帶電基團(tuán)是質(zhì)子化的氨基- NH3+，靜電斥力和親水性增加，導(dǎo)致溶脹率增加。隨著pH的增大，-NH3+與-OH之間離子鍵合，形成一種較緊密結(jié)構(gòu)，因而不易溶脹，但超過CMCS的等電點(diǎn)時(shí)，溶脹又變得容易。

2.5 CMCS水凝膠的溫度敏感性

將制得的CMCS浸泡蒸餾水中，將其分別置于溫度為25 ℃、35 ℃、45 ℃、55 ℃、65 ℃的條件下，測(cè)定其溶脹度。結(jié)果如下所示。

圖4 不同溫度下凝膠的溶脹性

由圖4可見：隨著溫度的升高，CMCS水凝膠的溶漲率先減小后增大。這是由于當(dāng)溫度處于較低范圍時(shí)，CMCS水凝膠網(wǎng)絡(luò)中高分子鏈的疏水作用會(huì)隨著溫度的升高而增強(qiáng)，從而使凝膠產(chǎn)生內(nèi)部收縮，導(dǎo)致水凝膠溶脹率降低，但隨著溫度的不斷上升，CMCS水凝膠中高分子鏈的氫鍵作用被減弱，使得相互纏繞聚集的高分子鏈逐漸被拆散而分散到水中，使水凝膠的溶脹性能增強(qiáng)。

3 結(jié)論

本文殼聚糖是在殼聚糖的羥基上進(jìn)行接枝共聚物，通過改性制得親水性的羧甲基殼聚糖，研究了氫氧化鈉的用量，反應(yīng)時(shí)間和溫度對(duì)羧甲基殼聚糖的產(chǎn)量和水溶性的影響，以羧甲基殼聚糖為原料選用戊二醛作為交聯(lián)劑，通過化學(xué)交聯(lián)法制備羧甲基殼聚糖水凝膠。并研究了該凝膠的溫度敏感性和pH敏感性。結(jié)果表明，在制備化學(xué)凝膠的過程中受諸多因素的影響，羧甲基殼聚糖濃度、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、交聯(lián)劑濃度等都會(huì)對(duì)羧甲基殼聚糖水凝膠的溶脹性能有影響。所制得的凝膠具有良好的溫度和pH響應(yīng)性。

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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

（責(zé)任編輯 張 鐵）

2016-05-31

云南省科技廳應(yīng)用基礎(chǔ)研究青年項(xiàng)目“新型殼聚糖衍生物智能凝膠的制備技術(shù)研究”（2012FD058）。

譚福能，男，云南文山人，文山學(xué)院化學(xué)與工程學(xué)院講師，碩士，主要從事天然高分子材料化學(xué)研究。