羧甲基殼聚糖水凝膠的制備研究

譚福能

（文山學院 化學與工程學院，云南 文山 663099）

羧甲基殼聚糖水凝膠的制備研究

譚福能

（文山學院 化學與工程學院，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，并對改性條件進行了研究。采用戊二醛交聯法制備羧甲基殼聚糖水凝膠(CMCS-GA)。對該凝膠的成膠條件、pH敏感性和溫度敏感性進行了研究。結果表明：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、時間、交聯劑濃度的影響。所制得的羧甲基殼聚糖水凝膠具有良好的溫度和pH響應性。

殼聚糖；羧甲基殼聚糖；水凝膠；溶脹率

殼聚糖（CS）是經甲殼素脫乙酰化而得到的多糖，而甲殼素是由自然界中含量僅次于纖維素的天然高分子化合物，儲量豐富[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，這對殼聚糖的應用造成了不利影響[2-4]。近年來，人們利用殼聚糖上氨基和羥基進行了接枝共聚改性以提高其水溶性，從而擴寬了殼聚糖的應用范圍。

天然高分子化合物凝膠體系由于具有無毒和可改進治療效果的性質，在作為藥物、蛋白質、抗原基因和基因的運輸載體方面有很多的應用[5]。近年來，隨著高分子醫用材料研究的深入，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外界環境的變化而迅速響應，如電解質敏感性凝膠、溫度敏感性凝膠、pH值敏感性凝膠等，在各個領域的應用十分廣泛，特別是在藥物釋放方面的應用已經得到人們的廣泛關注[7-8]。現在，天然高分子凝膠聚集物一個吸引人的應用是作為藥物運輸載體，用于治療很多由各種原因導致的疾病。天然高分子凝膠還可以運載對人體器官有刺激性的藥物，由于其具有無毒和在生物體內可降解的優點，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良特性，且具有良好的水溶性，應用領域更為廣泛。同時以羧甲基殼聚糖（CMCS）選用戊二醛作為交聯劑，通過化學交聯法制備羧甲基殼聚糖水凝膠（CMCS-GA）。并對該凝膠的pH敏感性和溫度敏感性進行了研究。

1 實驗部分

1.1 試劑及儀器

殼聚糖（國藥集團化學試劑有限公司，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（天津市風船化學試劑科技有限公司，分析純）；真空干燥箱（上海躍進醫用光學器械廠）；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攪拌溶脹30 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，則讓其繼續反應直至完全溶解。反應完全后，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產品適量，配制質量濃度為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，繼續攪拌至粘稠，然后置于水浴中反應，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范圍內掃描，記錄實驗結果。

1.5 溶脹率的測定

通過稱量法測定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，按以下公式計算其溶脹率：

式中W為吸水溶脹后水凝膠的總質量（g），W0為溶脹前干凝膠的質量（g）。

1.6 羧甲基殼聚糖水凝膠的pH敏感性的測定

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，測定其溶脹度。

1.7 羧甲基殼聚糖水凝膠的溫度敏感性的測定

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，測定其溶脹率。

2 結果與討論

2.1 合成CMCS中各反應條件的影響

以CMCS的水溶性和CMCS的產量為考察指標，研究了氫氧化鈉用量、反應時間、反應溫度的影響，結果見表1。由表1可知，當反應溫度為50 ℃，氫氧化鈉用量為1 g，反應時間為12 h時，CMCS的產量最高，水溶性最好。

2.2 紅外光譜分析

對CS和CMCS分別進行了紅外光譜分析，結果如圖2所示。由圖2可見，相對于CS，CMCS在3338 cm-1處出現較強的-OH 吸收峰，在2989 cm-1處出現C-H伸縮振動峰，在1325.1 cm-1處出現了明顯的新的吸收峰，這是-CH3的對稱彎曲引起的。由此證明了羧甲基基團已接枝到了殼聚糖分子上。

2.3 反應條件對CMCS凝膠形成的影響

通過試驗得到研究了最佳試驗工藝，并考察了戊二醛用量、反應時間、反應溫度對對凝膠成膠效果和成膠時間的影響。實驗結果見表2，從結果可以看出，交聯劑戊二醛用量、反應時間、反應溫度都會對CMCS凝膠的成膠效果和成膠時間造成影響。

圖2 紅外分析譜圖

表1 反應條件對CMCS產量和水溶性的影響

表2 反應條件對凝膠形成的影響

由表2可見交聯劑用量較小時成膠時間很長，而當交聯劑用量多時成膠時間顯著減少。且交聯劑的濃度對凝膠的成膠效果也有一定的影響。這是由于隨著交聯劑用量的增加，交聯結合點更多，所以成膠時間減少，同時由于網絡凝膠的結合點更多，凝膠結構越緊密，成膠效果越好。

成膠時間隨溫度的升高而降低。當50℃時反應速度最快，室溫條件下反應最慢。這是因為在低溫下由于其高分子鏈段運動受限制，反應不夠完全，高溫時由于其分子運動較快交聯很快完成。因此，在合成過程中適當升高溫度有利于縮短反應的時間。

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，這就形成了一種不同電荷相互作用形成的網狀結構，在不同pH 值下，這些網狀結構中的基團有不同的帶電情況。在pH 較小時，凝膠中的主要帶電基團是質子化的氨基- NH3+，靜電斥力和親水性增加，導致溶脹率增加。隨著pH的增大，-NH3+與-OH之間離子鍵合，形成一種較緊密結構，因而不易溶脹，但超過CMCS的等電點時，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，測定其溶脹度。結果如下所示。

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。這是由于當溫度處于較低范圍時，CMCS水凝膠網絡中高分子鏈的疏水作用會隨著溫度的升高而增強，從而使凝膠產生內部收縮，導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。

3 結論

本文殼聚糖是在殼聚糖的羥基上進行接枝共聚物，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，反應時間和溫度對羧甲基殼聚糖的產量和水溶性的影響，以羧甲基殼聚糖為原料選用戊二醛作為交聯劑，通過化學交聯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。結果表明，在制備化學凝膠的過程中受諸多因素的影響，羧甲基殼聚糖濃度、反應溫度、反應時間、交聯劑濃度等都會對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

（責任編輯 張 鐵）

2016-05-31

云南省科技廳應用基礎研究青年項目“新型殼聚糖衍生物智能凝膠的制備技術研究”（2012FD058）。

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