Ca/Zn-納米羧甲基殼聚糖的光譜分析

孫 雙， 董麗丹, 魏長(zhǎng)平， 李 靜

(長(zhǎng)春理工大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130022)

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Ca/Zn-納米羧甲基殼聚糖的光譜分析

孫 雙， 董麗丹, 魏長(zhǎng)平*， 李 靜

(長(zhǎng)春理工大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130022)

以殼聚糖為原料，經(jīng)羧甲基化、納米化與Ca2+、Zn2+復(fù)合制備出納米羧甲基殼聚糖含鈣、鋅復(fù)合物，采用紅外光譜、X射線衍射光譜、掃描電鏡等光學(xué)手段對(duì)樣品進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征，考察了復(fù)合物的凝血、止血性能。結(jié)果表明：納米羧甲基殼聚糖結(jié)構(gòu)中含有磷酸鹽結(jié)構(gòu)，Ca/Zn-納米羧甲基殼聚糖結(jié)構(gòu)中含有Ca2+與Zn2+，Ca2+和Zn2+與納米羧甲基殼聚糖成功復(fù)合；復(fù)合物的結(jié)晶性下降、溶解性提高、形貌均勻圓整，且凝血、止血時(shí)間明顯縮短；Ca-納米羧甲基殼聚糖比Zn-納米羧甲基殼聚糖結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，凝血、止血效果更好。

殼聚糖； 殼聚糖衍生物； 納米羧甲基殼聚糖； 納米化

1 引 言

有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合材料兼具有機(jī)物的柔性、易修飾和無(wú)機(jī)物的剛性、穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)，此類材料的研究受到了越來(lái)越多的關(guān)注[1]。殼聚糖(CTS)作為唯一帶陽(yáng)離子的高分子堿性多糖聚合物[2]，具有獨(dú)特的理化性能和良好生物降解性及組織相容性等生物活化性能，已被廣泛研究[3-4]。但殼聚糖不溶于水，對(duì)創(chuàng)面的粘附力較弱，從而限制了其應(yīng)用[3,5]。羧甲基殼聚糖(CMCS)作為殼聚糖的衍生物，同時(shí)含有羧基和氨基，比殼聚糖具有更好的免疫性、組織相容性及生物降解性等生物學(xué)特性[5-8]，是能促進(jìn)創(chuàng)面愈合、有效與Ca2+絡(luò)合的新型生物材料[9-10]。O-羧甲基殼聚糖止血海綿通過(guò)增加凝血途徑，提高了止血材料的止血效果，曾被廣泛研究。本實(shí)驗(yàn)組李靜曾研究羧甲基殼聚糖交聯(lián)Ca2+與Zn2+的復(fù)合物的制備及結(jié)構(gòu)分析，復(fù)合物具有更好的溶解度及凝血、止血效果[11]。但羧甲基殼聚糖的水溶性仍很差。納米羧甲基殼聚糖不僅能自由地在血管和人體組織內(nèi)運(yùn)動(dòng)，還能改善殼聚糖水溶性，促進(jìn)在醫(yī)藥方面的應(yīng)用發(fā)展，但關(guān)于納米羧甲基殼聚糖在止血方面的研究還較為少見。

納米技術(shù)及納米醫(yī)學(xué)研究的應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)、疾病診斷和治療方面顯示出了巨大的潛力[12]。本實(shí)驗(yàn)在前期研究基礎(chǔ)上，將制備的N/O-羧甲基殼聚糖納米化，保留了氨基，再與Ca2+、Zn2+復(fù)合制備了Ca/Zn納米羧甲基殼聚糖粉體，使用光學(xué)測(cè)試手段對(duì)樣品結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并采用成年雄性昆明鼠進(jìn)行了凝血、止血性能分析。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 主要試劑

殼聚糖(BR)購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。異丙醇、氯乙酸、甲醇、氯化鈣、氯化鋅、三聚磷酸鈉等均為分析純。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 納米羧甲基殼聚糖(nmCMCS)的制備

2.2.2 Ca/Zn-納米羧甲基殼聚糖的制備

向含有0.3 g納米羧甲基殼聚糖的溶液中分別滴加過(guò)量飽和CaCl2溶液與ZnCl2溶液，水浴攪拌。反應(yīng)結(jié)束后，混合液經(jīng)洗滌、過(guò)濾、真空干燥，即制得Ca/Zn-納米羧甲基殼聚糖白色粉體。

2.2.3 性能測(cè)試

選用18～26 g之間的成年雄性昆明鼠。

凝血試驗(yàn)：加入草酸鉀溶液于試管中，取小白鼠眼部血液5 mL，加入樣品(0.2 g樣品/mL血液)，觀察并記錄凝血時(shí)間。

止血試驗(yàn)：于小白鼠尾尖3 cm處切割，在出血點(diǎn)處敷0.2 g樣品，觀察并記錄止血時(shí)間。

設(shè)置空白對(duì)照組即自然狀態(tài)下體外凝血及小白鼠自身止血所用時(shí)間。每組平行測(cè)試3次，取平均值。

2.3 樣品表征

6）6—9月份，田間卵果率達(dá)到1%時(shí)，及時(shí)噴25%滅幼脲1 000倍液或2.5%溴氰菊酯乳油3 000倍液。

采用傅里葉變換紅外光譜儀在室溫下測(cè)試樣品的紅外光譜，測(cè)量范圍為4 000～400 cm-1。采用X射線衍射光譜儀分析樣品結(jié)構(gòu)，輻射源為Cu Kα線，測(cè)試范圍為10°～90°。采用掃描電子顯微鏡觀察樣品表面形貌。

3 結(jié)果與討論

3.1 紅外光譜分析

圖1為羧甲基殼聚糖與納米羧甲基殼聚糖的紅外光譜圖，測(cè)量波長(zhǎng)范圍為4 000～400 cm-1，分辨率為4 cm-1。羧甲基殼聚糖羧基在3 176.54 cm-1和2 923.88 cm-1處的吸收峰是—COOH中O—H伸縮振動(dòng)吸收峰。納米化后，2 923.88 cm-1處的峰消失，3 176.54 cm-1處的峰變寬且偏移到3 184.26 cm-1，說(shuō)明磷酸鹽與羧基發(fā)生了作用。1 323.08 cm-1與1 257.50 cm-1的吸收峰是C3—OH的伸縮振動(dòng)峰，經(jīng)納米化后兩峰均消失，說(shuō)明磷酸鹽取代了C3位置上的—OH。1 081.99 cm-1的吸收峰是羧甲基殼聚糖吡喃環(huán)中醚鍵的特征峰，納米化后的納米羧甲基殼聚糖峰型發(fā)生變化且偏移，說(shuō)明磷酸鹽還與醚鍵發(fā)生反應(yīng)。因此，羧甲基殼聚糖在納米化過(guò)程中，磷酸鹽與羧甲基殼聚糖的—COOH、C3—OH及吡喃環(huán)中的—O—發(fā)生作用，生成納米羧甲基殼聚糖。

納米羧甲基殼聚糖、Ca-納米羧甲基殼聚糖與Zn-納米羧甲基殼聚糖的紅外光譜如圖2所示。納米羧甲基殼聚糖在3 184.26 cm-1處的吸收峰是—COOH中的—OH伸縮振動(dòng)峰，與Ca2+、Zn2+復(fù)合后兩峰均發(fā)生偏移且峰型發(fā)生變化，說(shuō)明Ca2+、Zn2+取代了納米羧甲基殼聚糖的羥基。經(jīng)對(duì)比，Ca-納米羧甲基殼聚糖的峰偏移程度更大，說(shuō)明Ca2+與—COOH的作用更強(qiáng)。Ca-納米羧甲基殼聚糖在1 249.79 cm-1處出現(xiàn)新峰，是納米羧甲基殼聚糖分子中的醚鍵伸縮振動(dòng)峰，說(shuō)明Ca2+與納米羧甲基殼聚糖的—O—也發(fā)生作用。而Zn-納米羧甲基殼聚糖未出現(xiàn)該峰，說(shuō)明Zn2+與醚鍵沒有發(fā)生作用。納米羧甲基殼聚糖與Ca2+、Zn2+復(fù)合后，經(jīng)對(duì)比，Ca2+與納米羧甲基殼聚糖作用更強(qiáng)，說(shuō)明Ca-納米羧甲基殼聚糖的結(jié)構(gòu)比Zn-納米羧甲基殼聚糖更穩(wěn)定。

3.2 XRD分析

樣品的X射線衍射圖譜如圖3所示。殼聚糖衍生物X射線衍射圖譜峰的強(qiáng)度與其結(jié)晶性有關(guān)，結(jié)晶性越強(qiáng)則峰的強(qiáng)度也越高。納米羧甲基殼聚糖及其與Ca2+、Zn2+復(fù)合物的結(jié)晶性均較差，與溶解度提高相對(duì)應(yīng)。經(jīng)對(duì)比，納米羧甲基殼聚糖在2θ為20.02°及22.18°處出現(xiàn)了與結(jié)晶有關(guān)的衍射峰，說(shuō)明納米羧甲基殼聚糖分子內(nèi)一定有結(jié)晶區(qū)，這是分子內(nèi)氫鍵造成的。

鈣離子復(fù)合后衍射峰變?nèi)?，說(shuō)明結(jié)晶性下降。這是由于鈣離子取代氫離子后，氫鍵作用降低，導(dǎo)致結(jié)晶性下降。鋅離子復(fù)合后，納米羧甲基殼聚糖的兩處衍射峰消失，而在32.72°處出現(xiàn)新的衍射峰，說(shuō)明鋅離子的作用降低了納米羧甲基殼聚糖的結(jié)晶性，有新物質(zhì)產(chǎn)生，可能是未參加反應(yīng)的鋅或磷酸鹽與鋅形成的結(jié)晶體。Ca-納米羧甲基殼聚糖與Zn-納米羧甲基殼聚糖對(duì)比，后者衍射峰更尖銳，結(jié)晶性優(yōu)于前者，說(shuō)明納米羧甲基殼聚糖經(jīng)過(guò)復(fù)合，比Zn-納米羧甲基殼聚糖的結(jié)晶性下降更多，這也是Ca-納米羧甲基殼聚糖水溶性提高的原因。

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

3.3 掃描電子顯微鏡分析(SEM)

納米羧甲基殼聚糖,Ca-納米羧甲基殼聚糖和Zn-納米羧甲基殼聚糖的掃描電鏡圖如圖4(a)、(b)、(c)所示。納米羧甲基殼聚糖顆粒成球狀，粒徑約為80 nm，發(fā)生粘連。Ca-納米羧甲基殼聚糖呈規(guī)則的球狀，粒子大小均勻，粒徑約為27.4 nm。由于納米羧甲基殼聚糖濃度太高、顆粒粒徑較小致使復(fù)合物發(fā)生輕微粘連。Zn-納米羧甲基殼聚糖也呈球狀，粒徑約為15.5 nm，還有厚度約為31.3 nm的片狀物質(zhì)。球狀物質(zhì)為所制備的Zn-納米羧甲基殼聚糖粉體，片狀物質(zhì)為粉體中未參加反應(yīng)的ZnCl2。經(jīng)對(duì)比，復(fù)合Ca2+與Zn2+的復(fù)合物形貌更規(guī)則，Ca-納米羧甲基殼聚糖的純度、形貌均優(yōu)于Zn-納米羧甲基殼聚糖。

圖4 nmCMCS(a)、Ca-nmCMCS(b)及Zn-nmCMCS(c)的掃描電鏡圖。

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

3.4 樣品的性能分析

空白試驗(yàn)、殼聚糖、羧甲基殼聚糖、納米羧甲基殼聚糖、Zn-納米羧甲基殼聚糖及Ca-納米羧甲基殼聚糖的凝血、止血性能測(cè)試結(jié)果如圖5所示，數(shù)據(jù)為平行3組測(cè)試的平均值。由圖可知，空白試驗(yàn)、殼聚糖、羧甲基殼聚糖、納米羧甲基殼聚糖、Zn-納米羧甲基殼聚糖及Ca-納米羧甲基殼聚糖的凝血、止血時(shí)間呈順勢(shì)縮短的趨勢(shì)。羧甲基殼聚糖與殼聚糖相比，凝、止血時(shí)間縮短，而納米羧甲基殼聚糖的凝、止血時(shí)間又比羧甲基殼聚糖分別縮短了18 s與64 s。納米羧甲基殼聚糖與Ca2+、Zn2+復(fù)合后，Zn-納米羧甲基殼聚糖的凝血時(shí)間為164 s，止血時(shí)間為345 s，比納米羧甲基殼聚糖分別縮短了22 s與40 s，凝、止血效果有所提高。Ca-納米羧甲基殼聚糖的凝血時(shí)間為143 s，止血時(shí)間為303 s，比納米羧甲基殼聚分別縮短了43 s與82 s，比Zn-納米羧甲基殼聚糖縮短了21 s與42 s，因此Ca-納米羧甲基殼聚糖的凝、止血效果最佳，達(dá)到了快速止血的目的。

4 結(jié) 論

殼聚糖經(jīng)過(guò)羧甲基化、納米化、與Ca2+和Zn2+復(fù)合制備出Ca/Zn-納米羧甲基殼聚糖粉體，樣品的形貌規(guī)則，粒徑變小。Ca2+和Zn2+均與納米羧甲基殼聚糖的—COOH復(fù)合，Ca2+還與納米羧甲基殼聚糖的醚鍵作用，結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。復(fù)合物的結(jié)晶性下降，溶解性提高。樣品顆粒均呈球狀，復(fù)合物顆粒更均勻，Ca/Zn-納米羧甲基殼聚糖的平均粒徑分別為27.4 nm與15.5 nm，但Zn-納米羧甲基殼聚糖純度較低。經(jīng)對(duì)比，Ca2+與納米羧甲基殼聚糖的作用比Zn2+作用更強(qiáng)，Ca-納米羧甲基殼聚糖結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。納米羧甲基殼聚糖、Ca/Zn-納米羧甲基殼聚糖的凝血、止血效果明顯提高。Ca-納米羧甲基殼聚糖的凝、止血效果最好，平均凝血、止血時(shí)間為143 s與303 s，達(dá)到了快速止血的目的。

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孫雙(1991-)，女，遼寧撫順人，碩士研究生，2014年于渤海大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事醫(yī)用基礎(chǔ)功能材料的研究。E-mail: lemondave@sina.com

魏長(zhǎng)平(1960-)，女，吉林長(zhǎng)春人，教授，博士生導(dǎo)師，1999年于吉林大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事醫(yī)用基礎(chǔ)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