殼聚糖/環(huán)糊精復(fù)合體系水溶液性質(zhì)和流變行為

羅國航，上官勇剛，鄭 強

(高分子合成與功能構(gòu)造教育部重點實驗室 浙江大學高分子科學與工程學系，浙江 杭州 310027)

1 引 言

表面活性劑、環(huán)糊精(Cyclodextrin，CD)等含締合基團的小分子常被用于與聚電解質(zhì)(Polyelectrolytes, PEs)、締合型高分子進行復(fù)合[1]。由此得到的復(fù)合體系通常結(jié)構(gòu)復(fù)雜，除兼具兩組分的特性外，還可表現(xiàn)出單一組分所不具備的特殊性能，例如粘度上升、發(fā)生sol-gel轉(zhuǎn)變等。近年來，關(guān)于以表面活性劑作為第二組分的聚電解質(zhì)復(fù)合體系的研究已有較多報道。表面活性劑均含有疏水基團，可參與溶液中聚合物疏水基團的締合，形成復(fù)合膠束[2-4]。某些帶電荷的表面活性劑可通過靜電作用與帶相反電荷的聚電解質(zhì)形成復(fù)合物[5-7]。以CD作為第二組分的高分子復(fù)合體系近年來受到較多關(guān)注[8]，其中以疏水體系與CD復(fù)合的研究最多。

CD為環(huán)狀結(jié)構(gòu)，環(huán)內(nèi)側(cè)疏水性較強，在疏水聚合物/CD復(fù)合體系中可通過特有的包合作用將含疏水基團的高分子包合其中，導(dǎo)致大分子本體間的疏水締合被破壞[9]。以上特點使得通過改變CD含量來實現(xiàn)復(fù)合體系的粘度調(diào)節(jié)成為可能。同時，CD環(huán)外含有大量羥基，可形成分子間氫鍵。在臨界濃度以上，CD分子之間可形成自締合[10-11]。與內(nèi)環(huán)的包合作用相比，通過環(huán)外側(cè)氫鍵締合形成的復(fù)合體系很少受到重視。在殼聚糖/β-環(huán)糊精(CS/β-CD)復(fù)合體系的初步實驗中發(fā)現(xiàn)，β-CD的加入可顯著改變CS的流變行為，說明CD可與CS產(chǎn)生復(fù)合效應(yīng)，這種復(fù)合效應(yīng)及其體系的流變行為值得深入探索。因此，本研究成功制備了CS/β-CD的復(fù)合溶液，通過對其溶液性質(zhì)、締合結(jié)構(gòu)及流變行為的表征，探索其水溶液的流變特性及相關(guān)因素的影響規(guī)律。

2 實 驗

2.1 實驗原料

殼聚糖(Chitosan，CS)(Mw=1,000 kDa，DDA=61.5%，分析純)；β-CD(Mw=1,135 Da，分析純)；乙酸(Acetic acid，分析純)；醋酸銨(Ammounium acetate，分析純)，實驗前未經(jīng)進一步提純，水均為自制高純?nèi)ルx子水(電導(dǎo)率<5μS/cm)。

2.2 樣品制備

稱取一定量的CS和CD固體粉末，以1%(w/w)的醋酸溶液為溶劑，在室溫下用磁力攪拌器緩慢攪拌(1 r/s左右)進行共溶解。所得樣品靜置1天后方可進行測試，且同一批次樣品測試在1～2天之內(nèi)完成。

2.3 測試表征

2.3.1流變測試 采用AR-G2旋轉(zhuǎn)流變儀進行流變測試。其中，穩(wěn)態(tài)測試選擇φ=40 mm，2°夾具進行，動態(tài)測試選用φ=40mm的鋁制平板夾具，gap值均設(shè)為500 μm。為避免額外剪切或引入氣泡，測試樣品被直接緩慢傾倒至熱臺并靜置5 min左右，測試溫度設(shè)定為20 ℃。

2.3.2透射電鏡測試 采用冷凍干燥方法抑制CD小分子的結(jié)晶。將銅網(wǎng)放置在載玻片上，然后把樣品溶液滴加到銅網(wǎng)上，用濾紙吸干溶液形成一層薄薄的液膜，最后將樣品進行冷凍干燥處理。所得樣品在JEM-1200EX(TEM)透射電子顯微鏡上進行觀測。

3 結(jié)果與討論

3.1 CS溶液的流變行為與溶液性質(zhì)

圖1給出了不同質(zhì)量濃度的CS溶液的穩(wěn)態(tài)流變曲線。從圖可見，隨溶液濃度的降低，CS樣品的穩(wěn)態(tài)流變行為逐漸從高分子溶液的剪切變稀轉(zhuǎn)變?yōu)槠胀ǖ呐ｎD流體行為。高分子溶液發(fā)生剪切變稀的穩(wěn)態(tài)剪切過程通常包括一個較低剪切速率下的牛頓平臺和隨后的粘度迅速下降階段，而普通牛頓流體只呈現(xiàn)牛頓平臺[12]。當CS溶液稀釋至0.005 wt%濃度以下時，溶液的剪切流變曲線在高剪切速率下甚至會往上翹曲，此時，CS溶液的粘度幾乎與純水的粘度一致。

圖1 不同濃度下CS的穩(wěn)態(tài)流變曲線

此外，CS溶液發(fā)生臨界剪切變稀的臨界剪切速率(γc)受到濃度影響。根據(jù)之前的研究結(jié)果[13,29,35]，對于純CS而言，未脫乙酰化的葡萄糖單元組成的疏水締合鏈段在溶液中塌縮成疏水的締合體核，而脫乙酰化的氨基葡萄糖單元則在核的外面形成親水的殼層結(jié)構(gòu)。溶液濃度越高，CS鏈間締合作用點越多，越容易受到剪切的破壞，γc則越小[14-15]。理論上，當實驗觀察時間尺度小于松弛時間，就可觀測到分子鏈的松弛過程。換言之，當1/γ小于特征松弛時間1/γc，即γ>γc即可觀察到剪切變稀。

3.2 CS/CD復(fù)合溶液的流變行為

圖2給出了在1 wt% CS 溶液中添加不同含量CD的復(fù)合溶液穩(wěn)態(tài)流變曲線。如前所述，隨剪切速率增大，純CS溶液首先在低剪切速率下呈現(xiàn)出一個較寬的牛頓平臺，然后在高剪切速率下出現(xiàn)顯著的剪切變稀。與純CS溶液不同，CS/CD復(fù)合溶液的穩(wěn)態(tài)流變曲線呈現(xiàn)出完全不同的粘度對于剪切速率依賴性，且呈現(xiàn)出明顯的CD濃度依賴性。當CD濃度為0.2 wt%時，CS/CD復(fù)合溶液樣品的初始表觀粘度和穩(wěn)態(tài)流變曲線與純CS樣品幾乎一致，隨CD含量的增加，CS/CD復(fù)合溶液的穩(wěn)態(tài)流變曲線在低剪切速率(≤1 s-1)下表現(xiàn)出明顯的剪切變稀。當CD濃度達到0.5 wt%時，復(fù)合溶液粘度在低剪切速率下出現(xiàn)明顯上升，高CD含量樣品由于具有更高的初始粘度，其流變曲線在低剪切速率下的剪切變稀更加明顯。通常，這種初始表觀粘度的明顯提高與分子間相互作用形成的新的締合結(jié)構(gòu)有關(guān)[20-22]，這種分子間相互作用在較低的剪切速率下即被破壞且回復(fù)緩慢，因此在低剪切速率下表現(xiàn)出額外的剪切變稀。當CD濃度為1.5 wt%時(此時CD在溶液中的含量與其在25 ℃水中的溶解度接近)，溶液初始粘度不升反降，這可能與CD在水溶液中的溶解度低有關(guān)[23]。隨著剪切速率增大，在1.0至100 s-1間體系的粘度下降驟然減緩，隨著剪切速率繼續(xù)增大，100 s-1后體系粘度再次迅速下降。此時，所有樣品的流變曲線相互接近甚至重合，說明CS/CD形成的締合結(jié)構(gòu)對剪切很敏感。

圖2 不同CD濃度的CS/CD復(fù)合溶液的穩(wěn)態(tài)流變曲線

CD內(nèi)環(huán)疏水性較強，可與尺寸較小的疏水基團產(chǎn)生疏水締合，形成包合結(jié)構(gòu)。LIU等[24]綜述了形成CD包合大分子的三個條件：(1)包合過程產(chǎn)生的熱焓為負值，即形成包合物的能量要低于未發(fā)生包合前的能量；(2)大分子鏈的橫截面直徑要與CD的內(nèi)環(huán)直徑吻合，一般而言兩者比值在0.9～1.4；(3)客體大分子能夠均勻分散在水中(一般為親水或者兩親性大分子)。而CS主鏈為環(huán)狀大分子，分子鏈橫截面直徑尺寸在0.85 nm左右[25]，β-CD的內(nèi)環(huán)直徑在0.6 nm左右[23]，兩者比值φ>1.4，可見CD無法將CS主鏈套在其中的。因此復(fù)合溶液中CS與CD的相互作用只能是CD外環(huán)基團與CS官能團的分子間相互作用。

圖3 給出了不同CD濃度的CS/CD復(fù)合溶液與純CS溶液的表觀粘度比值ηa’/ηa。在低剪切速率區(qū)(≤1 s-1)，隨著CD濃度的增大，ηa’/ηa逐漸增大，表明CS/CD的復(fù)合效果逐漸增強，較高CD濃度下，CS-CD之間的氫鍵相互作用顯著增多。另一方面，隨剪切速率增大，CS/CD復(fù)合體系的ηa’/ηa快速下降，CD濃度越高，ηa’/ηa的下降速率越快。在高剪切速率區(qū)(≥1 s-1)，不同CD濃度的ηa’/ηa差異逐漸消失，表明由CS/CD形成的氫鍵締合結(jié)構(gòu)對剪切十分敏感，只存在于低剪切速率下，強剪切即能使復(fù)合結(jié)構(gòu)完全破壞。

圖3 不同CD濃度各剪切速率下CS/CD復(fù)合溶液與CS溶液的表觀粘度比值

穩(wěn)態(tài)剪切實驗結(jié)果說明CS與CD之間能發(fā)生復(fù)合作用。為進一步考察復(fù)合溶液中的締合結(jié)構(gòu)[19,26，27]，圖4給出了不同CD濃度下的CS/CD復(fù)合溶液的動態(tài)應(yīng)變掃描結(jié)果。純CS和0.2 wt% CD的CS/CD復(fù)合樣品擁有較寬的線性區(qū)，隨著CD濃度的增加，CS/CD復(fù)合溶液的儲能模量(G’)增加，且低應(yīng)變下的線性區(qū)明顯縮短。0.5和1.0 wt% CD的CS/CD復(fù)合樣品，在相同頻率(6.283 rad/s)下應(yīng)變大于0.2 wt%時即偏離線性區(qū)。偏離線性區(qū)通常說明溶液中的結(jié)構(gòu)已發(fā)生了顯著破壞且無法在短時間內(nèi)回復(fù)或重建[28]，該條件下呈現(xiàn)出的極短的線性區(qū)可能與溶液中存在顯著的由氫鍵作用導(dǎo)致的CS/CD復(fù)合締合結(jié)構(gòu)有關(guān)，這也使得其G’明顯升高。適量CD的加入可使溶液中的締合體形態(tài)發(fā)生改變，從無纏結(jié)的單一松弛轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿娱g氫鍵相互作用導(dǎo)致的多重松弛。然而這種松弛行為的轉(zhuǎn)變并不會在低CD濃度時發(fā)生，所以當CD濃度為0.2 wt%時，樣品的應(yīng)變掃描曲線并沒有出現(xiàn)明顯的變化。隨著CD濃度的增加，CS/CD復(fù)合溶液的應(yīng)變掃描曲線發(fā)生了顯著變化，G’隨應(yīng)變增加呈現(xiàn)出多階段的連續(xù)減小，表明此時的復(fù)合體系存在多重締合結(jié)構(gòu)。

圖4 不同CD濃度的CS/CD復(fù)合溶液的動態(tài)應(yīng)變掃描曲線

3.3 CS/CD復(fù)合溶液的分子間相互作用及其締合結(jié)構(gòu)

CS在溶液中的締合形態(tài)可通過TEM直接觀察，已有較多關(guān)于CS締合形態(tài)的研究報道，其中最重要的結(jié)論是在相同的溶液環(huán)境(溫度、離子強度、pH值等一致)下締合體尺寸與分子量、濃度等條件無關(guān)[29]。從圖5(a)的TEM結(jié)果可知，在測試濃度下締合體均勻分布與溶液中，締合體形狀以球形為主，呈現(xiàn)出外層疏松內(nèi)核致密的核殼狀，尺寸在80～100 nm左右。需要指出的是，TEM制樣過程中存在溶劑揮發(fā)，可能使締合體存在一定程度塌縮，導(dǎo)致觀測結(jié)果明顯偏小。從圖5(b)中可見，相對于純CS樣品，含0.5 wt% CD的樣品中部分締合體尺寸和圖5(a)保持一致，但還有另一部分締合體尺寸明顯變大，約為200 nm左右，表明該樣品至少存在兩種不同類型的締合體，這與之前的流變結(jié)果保持一致。由以上TEM結(jié)果可知，當CD濃度達到0.5 wt%時，溶液中的CD分子可能同時以如下兩種形式存在：一部分CD分子附著在CS締合體表面；另一部分CD分子則作為一種交聯(lián)劑將更多的殼聚糖締合體或者單個殼聚糖分子連接起來，形成CS-CD-CS的復(fù)合締合體。前者無法改變CS締合體本身的尺寸，后者使得原本致密的締合體變得松散，締合體尺寸也隨之變大。

圖5 (a)1.0 wt% CS溶液和(b)1.0 wt% CS/0.5 wt% CD復(fù)合溶液的透射電鏡觀察結(jié)果

在含有氫鍵締合的體系中，加入氫鍵破壞劑是一種常見的評估締合體中氫鍵相互作用貢獻大小的有效辦法[30-33]。由于醋酸銨(AcONH4)只會破壞氫鍵而不影響疏水締合，因此選用AcONH4作為該體系測試用氫鍵破壞劑[32-33]。如圖6所示，AcONH4濃度對純CS溶液幾乎沒有影響，這是由于對CS溶液粘度貢獻最大的相互作用——疏水締合幾乎不受AcONH4的影響。然而，在低剪切速率下，隨AcONH4濃度增加，CS/CD復(fù)合溶液的粘度逐漸降低，這是因為新的質(zhì)子供體NH4+離子會取代復(fù)合結(jié)構(gòu)中原有的質(zhì)子供體(-NH2，CS和CD上的-OH)，進而破壞原有的CS/CD分子間氫鍵作用[34]。因此，分子間氫鍵相互作用是形成CS/CD復(fù)合締合結(jié)構(gòu)的主要驅(qū)動力。

圖6 氫鍵破壞劑AcONH4的加入對于CS/CD復(fù)合溶液和CS溶液的穩(wěn)態(tài)流變曲線影響對比

由于氫鍵會在溫度較高時被破壞，因此而發(fā)生的分子結(jié)構(gòu)變化會導(dǎo)致一些宏觀物化性質(zhì)的顯著改變，如粘度下降，可以用于證明氫鍵存在[34]。如上所述，足量CD的加入能使得復(fù)合體系內(nèi)部的氫鍵相互作用明顯增加?？紤]到溫度升高到一定程度能破壞氫鍵相互作用進而強烈影響CS/CD的復(fù)合結(jié)構(gòu)，圖7給出了CS/CD和1 wt%純CS在1%醋酸溶液中的溫度掃描結(jié)果。從圖可見，兩種樣品的粘度均隨著溫度升高出現(xiàn)不同程度降低。與純CS溶液相比，CS/CD復(fù)合溶液的粘度下降更快，這說明CS/CD復(fù)合溶液中存在比CS溶液更多的氫鍵相互作用，其結(jié)構(gòu)的破壞對溫度的依賴性更加明顯。

圖7 1.0 wt% CS溶液和1.0 wt% CS/0.5 wt% CD復(fù)合溶液在0.1%應(yīng)變下的的動態(tài)溫度掃描曲線

4 結(jié) 論

純CS溶液發(fā)生臨界剪切變稀的臨界剪切速率γc受濃度影響。濃度越高，越容易受到剪切的破壞，γc則越小。不同含量β-CD的加入使得CS/CD復(fù)合溶液呈現(xiàn)出不同的流變特征。相對于純CS溶液，隨著CD含量的增加，CS/CD復(fù)合溶液中形成了更大的CS-CD締合結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致復(fù)合體系表觀粘度和模量的上升。氫鍵破壞劑醋酸銨的加入，能顯著降低CS/CD的復(fù)合效應(yīng)，這表明CS-CD分子間氫鍵相互作用是形成CS/CD復(fù)合結(jié)構(gòu)的主要驅(qū)動力。與純CS溶液相比，CS/CD復(fù)合溶液的粘度隨溫度升高下降更快。