殼聚糖/N-乙烯基吡咯烷酮接枝共聚物的制備及其性能

劉旭光，辛梅華，李明春，許軍凱，王林

（華僑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，環(huán)境友好功能材料教育部工程中心，福建廈門361021）

殼聚糖（CS）是自然界中唯一的堿性多糖，其儲量僅次于纖維素[1-2]。殼聚糖具有無毒、生物相容性、生物可降解性和廣譜抗菌性等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于醫(yī)用材料、生物農(nóng)藥、保健食品等領(lǐng)域[3]。但殼聚糖只溶于酸性水溶液中，限制了其應(yīng)用。因此，如何改善殼聚糖的溶解性是研究的熱點之一。Layek 等[4]將聚乙二醇接枝于殼聚糖側(cè)鏈，合成了具有親水性的殼聚糖衍生物，再通過殼聚糖的羥基與己酰氯反應(yīng)，制備具有雙親性的殼聚糖衍生物作為DNA 載體。Hattori 等[5]采用碳二亞胺做催化劑，利用乳糖酸的羧基與殼聚糖的氨基反應(yīng)，制備了具有良好水溶性的乳糖化殼聚糖，作為藥物吸收助劑能夠顯著提升胃黏膜的藥物吸收效果。

聚乙烯基吡烷酮（PVP）是一種非離子型水溶性高分子化合物，具有優(yōu)良的溶解性能，能溶于水和多種有機溶劑[6]。PVP 的分子鏈結(jié)構(gòu)與簡單蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)類似，具有良好的生理惰性和生物相容性，不參與人體代謝，對人體不產(chǎn)生明顯刺激，無口服毒性[7-8]，因此被廣泛用于高分子材料改性及藥物助劑等領(lǐng)域。Park等[9]采用卡托丙酸作為鏈轉(zhuǎn)移劑，通過自由基聚合得到具有端羧基的PVP，再用碳二亞胺作催化劑，制備了聚乙烯基吡咯烷酮接枝殼聚糖衍生物，作為DNA 運輸載體。Zhang 等[10]將殼聚糖與PVP 的乙酸溶液混合，通過紫外光照射使其紫外交聯(lián)，制備殼聚糖-聚乙烯基吡咯烷酮共混膜，作為蒸汽分離膜，對乙醇水蒸氣有明顯的分離效果。Sizílio 等[11]將殼聚糖與PVP 溶液混合，通過溶劑蒸發(fā)法制備殼聚糖-聚乙烯基吡咯烷酮共混膜，研究了不同配比對聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的影響。最后將不同藥物加入共混材料中，研究藥物釋放行為，結(jié)果表明共混材料中的藥物釋放曲線遵循Korsmeyer 和Peppas 模型，具有良好的藥物釋放功能。目前，PVP改性殼聚糖主要存在以下問題：一是殼聚糖與PVP只進行簡單的溶液共混，利用PVP的成膜能力來制備共混膜材料，進行簡單的應(yīng)用；二是通過化學(xué)反應(yīng)將殼聚糖與PVP 結(jié)合，通常反應(yīng)過程長，反應(yīng)條件有限制，難以工業(yè)化。為了改善上述殼聚糖與PVP 結(jié)合的問題，本文采用抗壞血酸/過氧化氫共引發(fā)劑引發(fā)殼聚糖，再通過自由基反應(yīng)將N-乙烯基吡咯烷酮接枝共聚于殼聚糖側(cè)鏈，制備PVP 接枝共聚殼聚糖，改善了殼聚糖的溶解性能，合成路線如圖1所示，系統(tǒng)研究了引發(fā)劑配比、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間等因素對接枝共聚反應(yīng)程度以及產(chǎn)物吸濕性和親水性能的影響。改性后的殼聚糖還具有大量未反應(yīng)的活性基團，可以通過進一步的化學(xué)改性提高材料的功能性，將其應(yīng)用于醫(yī)療器械、食品等行業(yè)。

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

IS 50 傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR，美國Nicolet 公司），AVANCEⅢ500M 核磁共振波譜儀（1H NMR，德國BRUKER 公司），TGA-50H熱分析儀（TG，日本島津制作所），JC2000DS 光學(xué)視頻接觸角測定儀（德國Kruss 公司），F(xiàn)D-1B-50 真空冷凍干燥機（北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司）。

殼聚糖（CS，-Mw=5×104，DD=89%，浙江澳興生物科技有限公司），聚乙烯基吡咯烷酮（PVP，-Mw=3×103，上海阿拉丁試劑有限公司），N-乙烯基吡咯烷酮（NVP，上海阿拉丁試劑有限公司），抗壞血酸（Vc）、過氧化氫（AR，上海國藥集團有限公司），冰乙酸、丙酮、乙醇等均為市售分析純。

圖1 接枝共聚物的合成路線

1.2 殼聚糖/N-乙烯基吡咯烷酮接枝共聚物的制備

稱取0.5g 殼聚糖于100mL 圓底燒瓶，加入45mL 1%乙酸水溶液，磁力攪拌下使其完全溶解。待溶解后通N230min，加入抗壞血酸，溶解完全后加入過氧化氫引發(fā)劑，在室溫下引發(fā)30min[12]。加入5g N-乙烯基吡咯烷酮，60℃反應(yīng)12h，反應(yīng)液用8000kDa透析袋于蒸餾水中透析兩天，透析液冷凍干燥，稱重。接枝率、接枝效率、單體轉(zhuǎn)化率分別由式(1)～式(3)計算[13]。

式中，GP為接枝率，%；GE為接枝效率，%；W1為殼聚糖用量，g；W2為接枝共聚產(chǎn)物質(zhì)量，g；W3為N-乙烯基吡咯烷酮用量，g。

1.3 表征及性能測試

1.3.1 FTIR

采用IS 50 型傅里葉變換紅外光譜儀測定原料和產(chǎn)物的紅外光譜。用ATR 附件對殼聚糖和接枝共聚產(chǎn)物的粉末進行分析，在400～4500cm-1的中紅外區(qū)掃描，掃描次數(shù)32次。

1.3.2 1H NMR

分別稱取25mg 殼聚糖溶于0.5mL 10%的氘代鹽酸，25mg 接枝共聚產(chǎn)物溶解于0.5mL 氘代水。用BRUKER AVIII 500 M 核磁共振波譜儀測定原料和產(chǎn)物的1H NMR，測定溫度22℃，采樣次數(shù)64，空掃1次，弛豫時間2s。

1.3.3 分子量測定

取0.15g不同反應(yīng)條件下制得的產(chǎn)物溶于20mL蒸餾水中，3 號垂熔玻璃漏斗過濾，移取15mL 濾液注入到干燥潔凈的烏氏黏度計粗管中，25℃的水浴恒溫15min，用秒表準確測量溶液在烏氏黏度計中的下落時間，重復(fù)3 次，每次誤差不超過0.2s，取平均值[14]。

1.3.4 殘留單體的測定

根據(jù)美國藥典第21版的方法，取10g產(chǎn)物溶于80mL 蒸餾水中，加入1g 乙酸鈉，用0.1mol/L 碘溶液滴定至溶液不再褪色，再另加入3mL 0.1mol/L碘溶液，放置10min，然后用0.1mol/L 的硫代硫酸鈉溶液滴定過量的碘，當接近終點時加3mL 淀粉指示劑，繼續(xù)滴加至溶液顏色褪去，并與空白試驗對照，通過式(4)計算單體殘留量。

式中，V1為空白樣品消耗碘溶液量，mL；V2為樣品消耗碘溶液量，mL；N為碘溶液濃度，mol/L；m為樣品質(zhì)量，g；1mmol NVP的質(zhì)量為0.106g。

1.3.5 TG

采用TGA-50H 熱分析儀對殼聚糖和接枝共聚產(chǎn)物進行熱重分析。分別稱取干燥至恒重的樣品5～10mg，在Ar氣保護下，以10℃/min的升溫速率，從30℃升溫至600℃。

1.3.6 吸濕性能

分別稱取0.5g殼聚糖、聚乙烯基吡咯烷酮和接枝共聚產(chǎn)物碾磨成粉末，烘干后平鋪于3cm直徑的表面皿中，置于裝有飽和硫酸銨水溶液（相對濕度81%）與飽和氯化鈣水溶液（相對濕度31%）的干燥器中，放置24h后稱重[15]。由式(5)計算吸濕率。

式中，mo與mn分別為吸濕前后的樣品質(zhì)量。

1.3.7 接觸角

將接枝共聚殼聚糖的黏稠液均勻涂布在載玻片上，室溫烘干成膜。在不同時間內(nèi)采用光學(xué)視頻接觸角測定儀JC2000DS在涂膜表面測定其水接觸角。

1.3.8 溶解性能

稱取0.1g殼聚糖、聚乙烯基吡咯烷酮和接枝共聚產(chǎn)物，分別加入10mL 去離子水、1%HAc 溶液、甲醇、乙醇、異丙醇、氯仿、丙酮、二甲基亞砜（DMSO）等溶劑，室溫下觀察其溶解情況。

采用濁度法測定不同pH 下殼聚糖和接枝共聚產(chǎn)物的水溶性。分別稱取0.1g樣品于20mL 1%HAC溶液中，緩慢滴加2%NaOH 溶液調(diào)節(jié)溶液的pH。采用pH 計測定溶液的pH，待穩(wěn)定后，用UV-3100 PC 型可見分光光度計于600nm 處測定溶液在pH為1～14內(nèi)的透光率，以pH為3的澄清溶液作為參比[16]。

2 結(jié)果與討論

2.1 接枝共聚條件對反應(yīng)的影響

2.1.1 引發(fā)劑配比

殼聚糖的質(zhì)量為0.5g，N-乙烯基吡咯烷酮用量為5g，過氧化氫用量為0.1mL，反應(yīng)時間為6h，反應(yīng)溫度為60℃，通過改變抗壞血酸的用量考察引發(fā)劑配比對接枝共聚反應(yīng)的影響，結(jié)果見圖2。從圖中可見，隨著抗壞血酸用量的增加，接枝率、接枝效率及單體轉(zhuǎn)化率先增加后降低，在引發(fā)劑配比為等摩爾比時達到最大。這是因為抗壞血酸與過氧化氫為等摩爾反應(yīng)，當抗壞血酸用量小于過氧化氫時，過氧化氫沒有完全反應(yīng)，無法產(chǎn)生足夠的自由基來引發(fā)殼聚糖；而當抗壞血酸用量大于過氧化氫時，過多的抗壞血酸會與產(chǎn)生的自由基反應(yīng)，從而降低了引發(fā)效率，導(dǎo)致接枝率與接枝效率降低[17]。

圖2 引發(fā)劑配比對接枝共聚反應(yīng)的影響

圖3是不同引發(fā)劑配比下接枝共聚產(chǎn)物的紫外吸收光譜。從圖中可以看出，隨著抗壞血酸用量的增加，紫外吸收強度先升高后降低，當引發(fā)劑配比為等摩爾比時產(chǎn)物的紫外吸收強度最高，進一步說明此時產(chǎn)物的接枝率、接枝效率及單體轉(zhuǎn)化率最大。本文選擇抗壞血酸/過氧化氫的摩爾比為1∶1進行實驗。

圖3 不同引發(fā)劑配比下接枝共聚產(chǎn)物的UV譜圖

2.1.2 反應(yīng)溫度和時間

圖4 反應(yīng)溫度和時間對接枝共聚的影響

殼聚糖的質(zhì)量為0.5g，N-乙烯基吡咯烷酮用量為5g，過氧化氫用量為0.1mL，抗壞血酸用量為0.1635g，改變反應(yīng)時間和反應(yīng)溫度，試驗兩者對接枝共聚反應(yīng)的影響結(jié)果如圖4。從圖中可見，隨著反應(yīng)時間與反應(yīng)溫度的增加，接枝率、接枝效率及單體轉(zhuǎn)化率增加。在相同反應(yīng)時間下，80℃下N-乙烯基吡咯烷酮的接枝量比60℃高。這是因為隨著溫度的升高，引發(fā)劑引發(fā)能力增強，接枝聚合反應(yīng)加快。同時隨著反應(yīng)時間的增加，更多單體發(fā)生聚合反應(yīng)。

對不同條件下制得的產(chǎn)物進行水溶性實驗，結(jié)果60℃下的產(chǎn)物能完全溶于水中，溶液透明，而80℃下的產(chǎn)物其水溶液中含有許多不溶的絮狀物和溶脹物，溶解性能不好。這可能是因為隨著反應(yīng)溫度的升高，殼聚糖自由基交聯(lián)的幾率增大，發(fā)生了自由基交聯(lián)產(chǎn)生不溶的交聯(lián)產(chǎn)物[17]。為了進一步證明自由基交聯(lián)的存在，進行了空白對照試驗，在引發(fā)結(jié)束后，不加入單體直接進行升溫反應(yīng)。在加熱一定時間后燒瓶底部出現(xiàn)白色細沙狀沉淀，不溶于水，F(xiàn)TIR 測試，表明為殼聚糖，證明反應(yīng)過程中有發(fā)生殼聚糖自由基交聯(lián)的可能性。為保證反應(yīng)具有高的接枝率與接枝效率，同時考慮產(chǎn)品的水溶性，本文選擇反應(yīng)溫度為60℃、反應(yīng)時間為12h進行實驗。

2.2 接枝共聚物的分子量測定

按照1.3.3 節(jié)的方法測得60℃下不同反應(yīng)時間所得產(chǎn)物的黏度，見表1。由表1 可見，隨著反應(yīng)時間的延長，產(chǎn)物溶液的流出時間增加，相對黏度相應(yīng)增加。說明隨著反應(yīng)時間的增加，產(chǎn)物的分子量增大。

2.3 單體殘留量的測定

按照1.3.4 節(jié)的方法測定不同反應(yīng)條件下透析產(chǎn)物的單體殘留量，結(jié)果見圖5。由圖可見，通過透析處理后，產(chǎn)物中小分子物質(zhì)被很好的除去，不同條件下產(chǎn)物的單體殘留量均小于0.1%，說明透析處理能夠很好除去未反應(yīng)的NVP 單體。

2.4 接枝共聚物的FTIR分析

圖5 60℃下，不同反應(yīng)時間下產(chǎn)物的單體殘留量

采用IS50 傅里葉變換紅外光譜儀測得殼聚糖和產(chǎn)物的紅外光譜如圖6。由圖中可見，與殼聚糖相比，產(chǎn)物的紅外光譜圖出現(xiàn)了5 個新的吸收峰， 分 別 是2960cm-1、 2920cm-1、 1648cm-1、1422cm-1 和1290cm-1。2960cm-1 和2922cm-1 處 是 接枝聚合到殼聚糖分子鏈上的聚乙烯基吡咯烷酮的烷烴鏈C—H 伸縮振動吸收峰，1648cm-1處是聚乙烯基吡咯烷酮的—C==O 伸縮振動吸收峰[18]，說明乙烯基吡咯烷酮已接枝共聚到殼聚糖側(cè)鏈。而1422cm-1附近的峰是C—O—C 的伸縮振動吸收峰，1290cm-1處為仲胺的—C—N 伸縮振動吸收峰，說明N-乙烯基吡咯烷酮已接枝共聚到殼聚糖的羥基和氨基上。

2.5 接枝共聚物的1H NMR分析

圖6 殼聚糖和接枝共聚產(chǎn)物的FTIR圖

表1 不同產(chǎn)物的黏度測定結(jié)果

將接枝共聚產(chǎn)物溶于氘代水，殼聚糖溶于10%的氘代鹽酸，測定其1H NMR，結(jié)果見圖7。圖7(a)中3.71～3.90 處為殼聚糖H3、H4、H5 和H6的質(zhì)子峰，3.1為殼聚糖骨架上H2的質(zhì)子峰，2.00為殼聚糖乙?；鶊F的甲基質(zhì)子峰[19]。圖7(b)中1.50～1.60 是N-乙烯基吡咯烷酮上β-亞甲基的質(zhì)子峰；1.90 是H4 處的質(zhì)子峰；2.30～2.40 是吡咯環(huán)酮結(jié)構(gòu)中O==C—CH2的質(zhì)子峰；3.27 是吡咯環(huán)酮結(jié)構(gòu)中N—CH2的質(zhì)子峰；3.61～3.75 是PVP 上α-亞甲基的質(zhì)子峰[8]。由1H NMR 進一步證明N-乙烯基吡咯烷酮已接枝共聚到殼聚糖側(cè)鏈。

圖7 殼聚糖和接枝共聚產(chǎn)物的1H NMR圖

2.6 接枝共聚物的TG分析

分別稱取殼聚糖、PVP和60℃、12h下產(chǎn)物5～10mg，測得TG、DTG 曲線如圖8。圖8 中曲線a 為殼聚糖的TG 與DTG 曲線，在100℃以下和268℃處分別出現(xiàn)兩個失重，第一階段失重為殼聚糖中結(jié)合水與自由水的丟失，而第二階段為殼聚糖的主鏈分解[20]。曲 線b 為PVP 的TG 與DTG 曲 線，同 樣 在100℃以下出現(xiàn)了失水峰，在395℃開始發(fā)生熱分解。曲線c 為接枝共聚物的TG 與DTG 曲線，在100℃以下的結(jié)合水與自由水的失重高于殼聚糖，這是因為接枝N-乙烯基吡咯烷酮后，產(chǎn)物比殼聚糖具有更好的吸水性能，能從環(huán)境中吸收更多的水分。在100℃的失水階段結(jié)束后，產(chǎn)物在150℃左右開始分解，并且沒有明顯的熱分解平臺，其熱穩(wěn)定性不如殼聚糖。這是因為接枝共聚了N-乙烯基吡咯烷酮后破壞了殼聚糖的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致產(chǎn)物的耐熱性能下降。

圖8 殼聚糖、PVP和接枝共聚產(chǎn)物的TG與DTG圖

2.7 接枝共聚物的吸濕性能

按照1.3.5 節(jié)的方法測得殼聚糖、聚乙烯基吡咯烷酮及60℃、12h 下產(chǎn)物的吸濕性能見表2。從表中可以看出，在飽和硫酸銨（相對濕度81%）的高濕度環(huán)境中放置24h 后，3 個樣品均吸收了一定的水分。接枝共聚產(chǎn)物的吸濕性能明顯大于殼聚糖，吸濕率為23.1%，但比具有良好水溶性能的聚乙烯基吡咯烷酮吸濕率低。在飽和氯化鈣（相對濕度31%）的低濕度環(huán)境下，3個樣品的吸濕率均較低，但產(chǎn)物的吸濕率仍高于殼聚糖，為3.60%。由以上可見，與殼聚糖相比，共聚產(chǎn)物的吸濕性能明顯提高，產(chǎn)物具有一定的親水性。

表2 原料與產(chǎn)物的吸濕率

圖9 不同時間下，接枝共聚殼聚糖的水接觸角

2.8 接枝共聚物的水接觸角分析

將60℃、12h下產(chǎn)物的溶液均勻涂布在載玻片上，室溫烘干成膜后，每間隔10s 測定其水接觸角，結(jié)果如圖9。從圖中可以看出，隨著時間的增加，水滴在薄膜表面逐漸鋪展開來，水接觸角逐漸減小，從65.09°下降至35.26°，顯示出良好的親水性。證明了接枝共聚產(chǎn)物具有良好的親水性能。

2.9 接枝共聚物的溶解性能

按1.3.6 節(jié)的方法測定殼聚糖、聚乙烯基吡咯烷酮和產(chǎn)物在幾種常用溶劑的溶解性能，結(jié)果見表3。由表中可見，殼聚糖除溶解于體積分數(shù)為2%乙酸溶液外，不溶于水和常見有機溶劑中；聚乙烯基吡咯烷酮溶解性能好，能夠溶解于水及大多數(shù)常見的有機溶劑中；而接枝共聚產(chǎn)物能夠溶解于水和2%乙酸溶液，但不能溶解于有機溶劑中。

表3 原料和產(chǎn)物的溶解性能

為了進一步考察接枝共聚產(chǎn)物的水溶性，試驗了不同pH 下產(chǎn)物的溶解情況，結(jié)果如圖10 所示。由圖可見，殼聚糖只溶于酸性水溶液，在中性或堿性條件下幾乎不溶，當pH＞6 時，殼聚糖溶液迅速沉淀渾濁，溶液透射率急劇下降；聚乙烯基吡咯烷酮在酸性或堿性條件下均有較好的水溶性；而接枝共聚產(chǎn)物與殼聚糖相比，其溶解性能有較大改善，能夠溶解于酸性和堿性水溶液中。

圖10 殼聚糖、PVP和產(chǎn)物在不同pH下的水溶性

3 結(jié)論

（1）以殼聚糖和N-乙烯基吡咯烷酮為原料，采用過氧化氫和抗壞血酸共引發(fā)劑引發(fā)，制備殼聚糖/N-乙烯基吡咯烷酮的接枝共聚物。實驗結(jié)果表明，接枝共聚反應(yīng)的最佳條件為：引發(fā)劑抗壞血酸/過氧化氫的摩爾比為1∶1、反應(yīng)溫度60℃、反應(yīng)時間12h。

（2）采用紅外光譜儀與核磁共振波譜儀對產(chǎn)物進行表征，證明產(chǎn)物為殼聚糖/N-乙烯基吡咯烷酮接枝共聚物。

（3）吸濕性和親水性能試驗結(jié)果表明，接枝共聚產(chǎn)物在高濕度和低濕度環(huán)境下吸濕率分別為23.1%和3.69%，與殼聚糖相比，產(chǎn)物的吸濕性能明顯提高，并且具有良好的親水性能，能夠溶解于酸性和堿性水溶液中，拓寬了殼聚糖在醫(yī)療器械、食品添加劑等領(lǐng)域的應(yīng)用。