氧化微晶纖維素-殼聚糖接枝物的制備及表征*

陳淑花，于 馳，趙啟成，許利麗，孫婷婷，詹世平，王景昌

(大連大學 環境與化學工程學院，遼寧 大連 116622)

0 引 言

殼聚糖和氧化微晶纖維素由于其自身的優異性能，比如生物降解性及相容性，對細胞無毒害等，引起了人們對生物高分子材料的極大興趣，主要關于在醫學領域的發展如：醫用敷料、創傷修復、藥物控釋等[1-2]。

作為甲殼類動物骨架中最豐富的多糖之一，殼聚糖的來源十分廣泛，通常存在于幾種真菌和藻類的細胞壁中[3]，殼聚糖具有無毒性，無致敏性，無致突變性；生物降解性較好，具有抗菌性；還具有資源豐富，廉價易得易貯存等特點[4-6]。由于純殼聚糖膜具有較差的機械性能，這對其在醫用敷料方面的應用有一定的限制。因此，已有實驗將殼聚糖與天然或合成聚合物如纖維素等混合或交聯等來改變其力學性能[7-10]。

通過對微晶纖維素本身化學結構的研究，發現纖維素分子結構中葡萄糖基環含有3個醇羥基，纖維素自身的分子與分子之間通過氫鍵結合，因此纖維素的物理性能十分穩定，具有結晶度較高以及機械性能較好等特點[11-12]。纖維素還具有良好的生物可降解性和生物相容性。但作為傷口敷料，它在生理液體中的溶解性受到一定的阻礙。因此，人們通過TEMPO三元復合氧化體系對微晶纖維素上的伯羥基改性，使其具備較大的比表面、高強度，低密度等特性，同時其氧化后的產物在溶液中具有良好的分散性，此外，它無毒，具有優良的生物相容性、血液相容性和生物降解性。同時，發現使用其氧化體系制備出的氧化微晶纖維素的羧基含量為16%～24%，止血性能最好[13]。

為了得到一種性能更好的生物材料，將CS與MCC(O)進行接枝，通過改變原料和EDC/NHS的質量比和反應溫度，得到接枝率更高的產物，然后進行性能測定，以期得到一種新型生物醫用材料。

1 實 驗

1.1 實驗原理

本實驗的原理主要是將TEMPO自由基在NaClO的氧化作用下先生成一種亞硝翁離子，使亞硝鎓離子與纖維素結構單元上的伯羥基發生了親核反應，從而選擇性的使伯羥基變為了C6羧酸鈉[14]。

圖1 氧化微晶纖維素的制備原理Fig 1 Preparation principle of oxidation microcrystalline cellulose

使用EDC作為交聯劑，NHS作為催化劑，將氧化微晶纖維素上的羧基與殼聚糖上的氨基形成酰胺鍵而結合。EDC/NHS組合在酰胺化反應過程中經常被使用，并且這兩種試劑無毒，可以通過透析或沖洗輕松去除[15-16]。

1.2 實驗試劑及儀器

微晶纖維素，分析純，山東瑞泰化工有限公司；2，2，6，6四甲基哌啶-1-氧自由基，98%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；殼聚糖(5萬)，分析純，南京奧多福尼生物科技有限公司；殼聚糖(20萬、100萬)，DD≥95%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；1-乙基- ( 3-二甲基氨基丙基)碳酰二亞胺鹽酸鹽(EDC)，分析純，上海共價化學科技有限公司；N-羥基琥玻酰亞胺(NHS)，分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

電子天平，BS200S，d=0.001 g，北京賽多利斯天平有限公司；數顯恒溫水浴鍋，DF-101D，鞏義市予華儀器有限責任公司；離心機，80-2，金壇市城西春蘭實驗儀器廠；循環水式真空泵，SHZ-D(Ⅲ)，鞏義市英峪儀器廠；真空干燥箱，DZF-6020，上海精宏實驗設備有限公司；冷凍干燥箱，FD-1A-50，北京博醫康實驗儀器有限公司；紅外光譜儀，Nicolet 560，美國尼高麗紅外有限公司。

1.3 氧化微晶纖維素的制備

1.3.1 微晶纖維素的預處理

將5.0 g的微晶纖維素放入100 mL的NaOH溶液(質量分數為15%)中，在60 ℃下磁力攪拌2 h。然后將其冷卻，抽濾，并用大量去離子水清洗，直至中性。將產物放在真空干燥箱中，在40 ℃下烘干備用。

1.3.2 微晶纖維素在TEMPO三元氧化體系中的改性

將2.0 g預處理的微晶纖維素放入Na2CO3/NaHCO3緩沖溶液(pH約為10.83)中，在40 ℃下高速攪拌使其溶解。隨后按順序加入40 mg TEMPO，0.6 g NaBr，繼續攪拌，攪拌速度調為2 500 r/min，直至完全溶解。隨后加入8 mL NaClO溶液(用HCL調節pH為10.0)，然后每隔0.5 h加入一次NaClO溶液，控制速率，保持pH在10.0左右，反應5 h[17]。結束后將其倒入燒杯中，加入過量乙醇，得到白色析出物，用無水乙醇清洗數次，抽濾[18]。將產物在60 ℃下真空干燥，得到產物氧化微晶纖維素。

1.4 殼聚糖溶液的配制

移取50.00 mL 2%的HAC溶液，稱取0.5 g殼聚糖放入其溶液中，在65 ℃下持續攪拌，使其完全溶解。

1.5 殼聚糖-氧化微晶纖維素接枝物的制備

在三頸燒瓶中分別加入0.5 g氧化微晶纖維素和50.00 mL去離子水，充N2除氧30 min，磁力攪拌使其充分溶解。隨后加入一定質量比的EDC·HCL和NHS，在N2保護下攪拌活化30 min。然后向溶液中緩慢加入配好的殼聚糖溶液，使其充分混合，在一定溫度下攪拌24 h，隨后將溶液倒出，在溶液中緩慢滴加NaOH溶液，析出產物。然后，用去離子水洗滌至溶液為中性，離心干燥得到產物。

1.6 樣品表征

1.6.1 產物的結構表征

紅外光譜分析：使用傅里葉變換-紅外光譜儀(FTIR)測定殼聚糖-氧化微晶纖維素接枝物的紅外光譜圖。采用溴化鉀(KBr)壓片法進行測試，波數范圍為400～4 000 cm-1。

1.6.2 產物的接枝率檢測

氧化微晶纖維素接枝物的接枝率為接枝支鏈占氧化微晶纖維素基質的質量百分數，按以下公式計算：

GR/%=(mG-mo)/mo×100%[19]

(1)

式中，GR為接枝率，mG為接枝產品的質量，mo為接枝前氧化微晶纖維素的質量。

1.6.3 產物的靜態水接觸角檢測

將CS、MCC、CS-g-MCC(O)溶于2%的醋酸溶液中，加熱攪拌使其充分溶解。然后將少量溶液均勻滴在載玻片上并干燥形成薄膜。取3 μL去離子水通過微量移液器滴加在待測膜的表面，使用儀器迅速拍下樣品膜的接觸角照片，并測量接觸角的大小。

1.6.4 產物的熱性能檢測

產物的熱性能通過差式掃描量熱儀進行檢測。首先分別準確稱量10.0000 mg的CS、MCC、CS-g-MCC(O)，小心放入坩堝內，設定初始溫度為100 ℃，終止溫度為350 ℃，升溫速率為5 ℃/min。

1.6.5 產物的結晶性檢測

使用X-Xay Diffraction對CS、MCC、CS-g-MCC(O)的結晶性能進行檢測。使用Cu靶X射線管，掃描角度范圍為5°～40°，掃描速度為1°/min。

2 結果與討論

2.1 氧化微晶纖維素

2.1.1 氧化微晶纖維素取代度分析

在30 mL的丙酮中放入0.5 g氧化微晶纖維素，攪拌10 min，加入7.5 mL二甲基亞砜，以同樣的轉速攪拌1 h，充分溶解樣品。以酚酞作為指示劑，用NaOH(0.1 mol/L)溶液標定，溶液變粉紅色且不變色，記錄消耗的NaOH溶液體積V0。持續攪拌，加入10 mL的NaOH溶液(1 mol/L)，主要促進氧化纖維素醋酸酯水解，攪拌2 h，然后加入50 mL熱水，使瓶壁周圍沖洗干凈，持續攪拌2～3 min。接著再加入2～3滴酚酞指示劑，用1 mol/LH2SO4溶液標定，溶液逐漸變為無色，再多滴加4滴H2SO4標準溶液，記錄所消耗的H2SO4標準溶液的體積C。持續攪拌，保持溶液充分混合，5 min后，用0.1 mol/L的NaOH溶液標定，當溶液呈粉紅色，并在1 min中內不褪色，將所消耗的NaOH體積記為A。同時按相同的步驟做空白試驗。

取代度DS=[(D-C)Na+(A-B)Nb]×6.005/W[20]

(2)

式中：A為滴定樣品所消耗的NaOH的體積，mL；B為滴定空白所消耗的NaOH的體積，mL；Nb為NaOH的濃度，mol/L；C為滴定樣品所消耗的H2SO4的體積，mL；D為滴定空白所消耗的H2SO4的體積，mL；Na為H2SO4的濃度，mol/L；W為所用樣品質量，g。

通過實驗數據：W=0.200 g，D=6.68 mL，C=1.95 mL，A=4.52 mL，B=13.76 mL求出取代度DS=16.98%，因此本實驗采用的氧化微晶纖維素平均取代度在16.98%左右。根據相關文獻報道，當羧基的含量保持在16%～24%范圍內的時候，氧化纖維素便具有十分優異的止血性能。因此，此實驗所選用的氧化微晶纖維素具有十分優良的止血能力。

2.1.2 氧化微晶纖維素羧基含量分析

將0.3 g氧化微晶纖維素放入到5 mL的NaCl溶液(0.01 mol/L)與55mL的去離子水混合溶液中，用0.1 mol/L的HCL溶液調pH值，介于2.5～3.0之間，再用0.1 mol/L的NaOH溶液進行標定，用電導率儀器對滴定的曲線進行記錄。

羧基含量(mmol/g)=C(V1-V2)/M×1 000[21]

(3)

式中：C為NaOH溶液濃度；V1為曲線平穩初期消耗的NaOH標液體積；V2為曲線平穩后期消耗的NaOH標液體積；M為氧化微晶纖維素的質量。

圖3 電導率的滴定曲線圖Fig 3 Conductivity titration curve

據文獻報道，采用TEMPO氧化體系在pH為10時進行氧化反應，其氧化后的纖維素羧基含量可達到1.4～1.7 mmol/g[22]。結合圖3和公式(3)，可以求得氧化微晶纖維素羧基含量為1.56 mmol/g，和研究結果相符合。

2.2 殼聚糖-氧化微晶纖維素接枝物

2.2.1 紅外光譜(FT-IR)分析

MCC(O)在1 740、1 638.05和1 414.33 cm-1出現-COOH的非對稱伸縮和對稱伸縮振動峰，在3 450 cm-1處出現O-H的伸縮振動吸收峰[22]。在上述CS光譜中，在3 432 cm-1處出現吸收峰，即為氫鍵締合的O-H和N-H的伸縮振動吸收峰，1 638.18cm-1吸收峰歸屬為C=O的伸縮振動吸收峰[23]。而在MCC(O)-CS譜圖中，在1 616.06、1 542cm-1處出現吸收峰，歸屬于酰胺鍵的酰胺I、II譜帶，說明微晶纖維素氧化物和殼聚糖在羧基和氨基位置處通過形成酰胺鍵結合[24]。

圖4 接枝共聚物的紅外譜圖：(a)CS,(b)MCC(O)-CS,(c)MCC(O)Fig 4 FT-IR spectra of CS,MCC(O)-CS and MCC(O)

2.2.2 氧化微晶纖維素的接枝率

由表1可知，當殼聚糖分子量為5萬，溫度為60 ℃，氧化微晶纖維素和殼聚糖的含量為1∶2，EDC和NHS的含量比為3∶1時，其接枝率最大。

表1 氧化微晶纖維素的接枝率

2.2.3 X射線衍射(XRD)分析

殼聚糖的衍射曲線在12.596°處具有弱的衍射峰,在19.947°處具有尖而強的衍射峰，峰形尖銳，結晶度高[25]；在12.105°、19.621°、21.619°處，氧化微晶纖維素顯示不同強度的衍射峰。殼聚糖/氧化纖維素接枝物的衍射曲線在12.576°、19.866°、21.459°處顯示不同強度的衍射峰，說明氧化纖維素的接入改變了殼聚糖原有的結晶性能，同時說明殼聚糖與氧化纖維素接枝聚合物的形成。圖5中，殼聚糖/氧化微晶纖維素接枝聚合物的衍射峰變寬，強度明顯減弱，說明其結晶性能減弱，無定形程度增大。這可能是因為殼聚糖的—NH3+與氧化微晶纖維素的-COO-之間發生靜電作用，同時兩者形成分子間氫鍵，限制了分子鏈的運動，在凝固再生過程中很難發生結晶[26]。

圖5 接枝共聚物的XRD圖譜：(a) CS, (b)MCC(O),(c)MCC(O)-CSFig 5 XRD spectra of CS,MCC(O) and MCC(O)-g-CS

圖6 接枝共聚物DSC曲線圖：(a)MCC(O)-CS, (b) MCC(O),(c) CSFig 6 DSC spectra of MCC(O)-CS,MCC(O) and CS

2.2.4 熱穩定性測試

由圖6可發現，殼聚糖、氧化微晶纖維素、殼聚糖/氧化微晶纖維素的最高分解溫度分別為260、310、310 ℃；接枝物的熱流量高于氧化纖維素的熱流量，說明接枝物在分解的過程中需要吸收的能量越多，這表明接枝物的熱穩定性能更強。這表明在氧化微晶纖維素/殼聚糖接枝物中的兩種組分間的相互作用使得分解氧化微晶纖維素和殼聚糖分子中的糖苷鍵、C—H鍵、C—O鍵和C—C鍵更加困難，使其脫水、脫羧和脫羰難以進行，從而提高了熱分解溫度，熱穩定性能得到改善。

2.2.5 靜態接觸角測試

接觸角主要反映材料本身的親水性，其大小表明膜材料是否具有親水性。如果接觸角越小，表示親水性較好，制備的膜具有優異的親水性，更好地吸收傷口滲出物，減少傷口表面細胞的粘連，傷口愈合加速。

圖7 接枝共聚物的接觸角液相圖Fig 7 Contact angle liquid phase diagram of CS, MCC(O)-CS and MCC(O)

圖7即為殼聚糖、氧化微晶纖維素/殼聚糖接枝物、氧化微晶纖維素的接觸角圖片，其都具有親水性，通過將殼聚糖接枝到氧化微晶纖維素上，提高了其親水性能，使性能得到了一定的改善，有利于傷口敷料的使用。

3 結 論

(1)為了優化CS與MCC作為單體的性質，通過EDC/NHS縮合體系制備CS-g-MCC(O)接枝共聚物，通過紅外和XRD測試，證實了殼聚糖-氧化纖維素接枝聚合物的形成。

(2)由XRD測試結果可知，氧化纖維素的接入改變了殼聚糖原有的結晶性能，其結晶性能減弱，無定形程度增大。

(3)通過DSC測試，發現接枝物的熱流量高于氧化纖維素的熱流量，表明其接枝物的熱穩定性能更強。

(4)通過接觸角分析，發現接枝物的親水性能得到提升，可以更好的吸收傷口滲出物，利于傷口愈合。

(5)通過以上測試結果可知，將生物相容性良好的殼聚糖和氧化微晶纖維素進行接枝，改善兩者的不足，生成性能更為優異的生物醫用材料，促進了生物醫用材料的發展。