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壳聚糖与衣康酸接枝共聚物的制备及性能研究 摘要 本论文报导了壳聚糖与衣康酸接枝共聚反应的研究，在6 0 c o 源的辐照 下，壳聚糖可与某些单体发生接枝反应，该方法操作简单、高效无毒，目 前已成为研究壳聚糖改性的一种新途径。本文的主要工作如下： 1 研究了壳聚糖和衣康酸接枝共聚反应的工艺条件，考察了几种因素 对接枝反应的影响，并用均匀设计法选择最佳反应条件。实验结果表明： 壳聚糖与衣康酸的质量比、辐照剂量对接枝反应影响较大，其最佳反应条 件：m 宪曩- 府订衣聃= 1 ：4 3 ，辐照剂量为1 3 0 0 居里，醋酸浓度为4 。 2 对接枝共聚物进行结构表征。分别用i r 、x 一衍射、扫描电镜、热分 析和元素分析等进行表征，从红外谱图显示接枝产物在17 2 4 c m 一处有明显 的吸收峰，从x 一衍射图显示壳聚糖接枝后其分子中有序的晶体结构被破坏， 扫描电镜显示接枝物的表面外观与壳聚糖明显不同。以上结果和热分析、 元素分析数据表明：衣康酸在y 射线辐射下可接枝在壳聚糖链上。 3 研究了接枝共聚物对金属离子的吸附作用，考察了时间、温度、浓 度和溶液的p h 值对其吸附陛能的影响。结果表明：接枝物对金属离子的吸 附较快，约1 2 0 m i n 既可达到吸附平衡；温度对其影响较小，浓度和溶液的 p h 值对吸附容量和吸附效率影响较大；在对五种离子的混合溶液吸附时， 接枝产物对c u 2 十离子的吸附选择性最好，吸附容量最大。 4 研究了接枝产物对非诺洛芬钙药物的缓释效果，分别考察了其在人 工模拟胃液和肠液中的缓释情况。实验结果表明：在人工模拟胃液和肠液 中，壳聚糖和其接枝产物均对非诺洛芬钙药物有较好的缓释效果，可作为 非诺洛芬钙药物缓释载体材料使用。 5 研究了接枝共聚物在c h 3 c o o h - h 2 0 2 体系的降解情况。实验结果显 示接枝物可被h 2 0 2 降解，其可降解性也证明该产物不是衣康酸均聚物，并 为进一步研究接枝反应提供了一条新途径。 关键词：壳聚糖衣康酸接枝共聚物辐射吸附药物缓释降解 i i s t u d i e s0 nt h ep r e p a ra t i o na n dp r o p e r t y o ft h ec h i t o s a nan di t o n i ca c i d g r a f tc o p o i ，y 匝r a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h er e a c t i o nb e t w e e nc h i t o s a na n di t o n i ca c i dw e r er e p o r t e d u n d e ri r r a d i a t i o no f6 0 c o ，c h i t o s a nc o u l dg r a f tw i t hs o m em o n o m e r s ，t h i s m e t h o di ss i m p l eb u th i g h l ye f f i c i e n t ，a n di ti sn o n t o x i ct ot h ee n v i r o n m e n t i t h a sb e c o m ean e wm e t h o dt os t u d yt h em o d i f i c a t i o no fc h i t o s a n t h em a i n r e s u l t sw e r ej u s ta sf o l l o w s ： 1t h eo p t i m a lc o n d i t i o n so f t h er e a c t i o nw e r es t u d i e d ，t h ei n f l u e n c eo f e a c h f a c t o rw a si n v e s t i g a t e d 。t h eo p t i m a lc o n d i t i o n sa r ec h o o s e nb yu n i f o r md e s i g n i ts h o w st h a tt h eo p t i m a lc o n d i t i o n sw e r e t h ep r o p o r t i o nb e t w e e nc h i t o s a na n d i t o n i ca c i di s1 ：4 3 t h er a d i a t i o nd o s a g ei s1 3 0 0 g y ，t h ec o n c e n t r a t i o no fa c e f i c a c i d i s 4 2t h ep r o p e r t yo f c o p o l y m e rw a sc h a r a c t e r i z e d ，t h ei r ，x - r a yd i f f r a c t i o n ， s e m ，t h e r m a la n a l y s i sa n de l e m e n ta n a l y s i si n d i c a t e dt h a tt h eg r a f t e dr e a c t i o n w a so c c u r r e d i rs h o w e dt h a tt h e r ei s s t r o n g c h a r a c t e r i s t i ca b s o r p t i o na t 17 2 4 c m 一，t h ex - r a yd i f f r a c t i o ns h o w e dt h a tt h er e g u l a rs t r u c t u r eo fc h i t o s a n w a sd e s t r o y e dw h e nt h er e a c t i o no c c u r r e d ，s e ms h o w e dt h a tt h es u r f a c eo f c h i t o s a nw a sd i f f e r e n tf r o mt h ec o p o l y m e r t h e r m a la n a l y s i s ，e l e m e n ta n a l y s i s a n da l lt h o s ea b o v ec o n f i r m e dt h a tt h ei t o n i ca c i dc o u l dg r a f tt ot h eb r a n c ho f c h i t o s a nu n d e ryi r r a d i a t i o n 3t h ea d s o r p t i v ec a p a c i t yo fc h i t o s a nw a st e s t e d ，t h ef a c t o r st h a tc o u l d 1 1 1 e f f e c tt h ea d s o r p t i o nw f l sc o n s i d e r e d i ts h o w e dt h a t ：t h ea d s o r p t i o nc o u l dr e a c h t h ee q u i l i b r i u ms t a g el a s t l y , i tw a sa b o u t1 2 0m i n u t e s ，t h et e m p e r a t u r eh a dl i t t l e e f f e c to nt h ea d s o r p t i o n ，t h ec o n c e n t r a t i o no ft h es o l u t i o na n dt h ea c i d i t yh a d m u c he f f e c to nt h ea d s o r p t i o n i nt h e s y s t e mo fs e v e r a li o n sc o e x i s t , t h e a d s o r p t i o nw a se f f i c i e n tt ot h ec u 2 + c o m p a r e dw i t ho t h e rm e t a li o n s 4t h ed r u gr e l e a s ed e l i v e r ye x p e r i m e n to ft h ec h i t o s a na n di t sc o p o l y m e r w a st e s t e d ，t h ee x p e r i m e n ti nt h ea r t i f i c i a ls o l u t i o no fi n t e s t i n ea n dt u m m yw a s o p e r a t e d ，i ts h o w e dt h a ti nt h ea r t i f i c i a ls o l u t i o no fi n t e s t i n ea n dt u m m y , b o t ho f t h e mw e r ee f f i c i e n ta n dc o u l db eu s e da sd r u gr e l e a s ed e l i v e r ym a t e r i a l sf o r f e n o p r o f e nc a l i c i u m 5t h ed e g r a d a t i o no ft h ec o p o l y m e rw a si n v e s t i g a t e di nt h es y s t e mo f a c e t i ca c i da n dh y d r o g e np e r o x i d e ，i ts h o w e dt h a tt h eg r a f tc o p o l y m e rw a s d e g r a d e di nt h ec h 3 c o o h l 屯0 2 c o e x i s ts y s t e m t h ep r o p e r t yo fd e g r a d a t i o n c o u l dc o n f n mt h a tt h e p r o d u c tw a st h eg r a f tc o p o l y m e r , b u tn o tt h e h o m o p o l y m e r f u r t h e rm o r et h i se x p e r i m e n tp r o v i d e dan e ww a yt os t u d yt h e g r a f t e dr e a c t i o na n di t sm e c h a n i s m k e y w o r d s ：c h i t o s a n ；i t o n i ca c i d ； g r a f tc o p o l y m e r ；i r r a d i a t i o n ； a d s o r p t i o n ；d r u g - r e a l e s e ；d e g r a d a t i o n 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 鄂德森 学位论文使用授权说明 z 伽7 年石月5 同 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 囱即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者躲却德款新签名涮叩年占月6 日 曩l j k 翱卜与衣康膏口妻枝共，0 物的制鲁a a j 嗡兜 1 1 壳聚糖概述 第一章绪论 壳聚糖是世界上第二大天然高分子产物，是甲壳素部分或全部脱乙酰基后产物，其 结构式为： 翰c t “o h 。傩。喻。恼 o h n 图1 - 1 壳聚糖的结构式 f i g l 一1s t r u c t u r eo f c h i t o s a n 甲壳素壳聚糖虽然大量存在于自然界中，然而直到1 8 1 1 年，才首先被法国的科学家 b r a c o n n o t 发现并从磨菇中提取出来，当时取名为蕈( f u n g i n e ) 。1 8 2 3 年，另一位法国科学 家o d i e r 从甲壳昆虫表面坚硬角皮部分中也分离出同样物质，并用希腊语命名为c h i t i n 。 1 8 5 9 年，法国r o u i z e t 将甲壳素置于氢氧化钠溶液中加热后得到一种可溶于有机酸的新物 质。1 8 9 4 年，h o p p es e l e r 为这种修饰过的甲壳素取名为壳聚糖。1 9 0 9 年，v o n f u r t h 与r u s s o 的研究表明，壳聚糖与酸形成结晶盐类，并可由生物碱沉淀剂从酸溶液中沉淀出来。此 后，甲壳素和壳聚糖研究逐渐增多，5 0 年代后已有专著出版。 2 0 世纪7 0 年代以前，在甲壳素方面开创性研究工作，主要由法国人来完成，甲壳素 及其衍生物的研究重心主要在欧美国家。1 9 3 4 年，在美国首次出现了关于它们的专利f l 】。 2 0 世纪7 0 年代后，研究重心转移到了日本。自1 9 7 7 年在美国波士顿首次召开国际甲壳 素科学会议以来，各国加大了对甲壳素研究与开发的投入，其中尤以日本最为突出，现 已取得大量科技成果，并在甲壳素研究与开发方面处于国际领先地位。从8 0 年代后，全 世界范围内掀起了研究高潮。 我国在壳聚搪方面真正深入的研究，是从2 0 世纪8 0 年代才开始的，到9 0 年代进入全 盛时期，全国有上百家大专院校和科学院所投入到研究工作中。在1 9 9 9 年武汉召开的中 国化学会第二届甲壳素研讨会中，有关的研究已经涉及到化工、纺织、造纸和颜料、食 品、环保、医疗、药物等诸多领域。但是，国内的甲壳素化学技术还存在很多的空白， 因此，进一步研究和开发是非常有必要的【2 】。 囊慊糟与辛u t 喇【| 触共景物的制j r a 性能习 宅 甲壳素，壳聚糖分子链结构与纤维素极其相似，由于它们分别具有酰胺基和氨基而赋 予它们特殊的性质，将它们进行各种改性后在纺织，印染造纸，水处理，生物工程， 日用化工医药等方面可得到更好的应用p 4 l 。甲壳素和壳聚糖分子由于内外强大的氢键 作用，形成了有序的大分子结构结晶体，溶解性极差，极大地限制了其在上述各领域中 的应用。因此，对两者的改性研究是近年来较为活跃的热点之一。其中，从纤维素能接 枝共聚的思路出发将其用在甲壳素和壳聚糖上以求改善它们的性能的方法相对地更完 美些，其接枝共聚物以多糖链为主，以合成聚合物为侧链，从而同时拥有天然高分子和 合成高分子的某些性质而满足了一些特殊方面的应用。 一般来说，接枝共聚物有如下结构： 一 一a m a - - a a a a a a iii 早早早 ： ： ： 吉6占 1 2 壳聚糖的物理性质 图卜2 接枝共聚物结构式 f i g l 一2s t r u c t u r eo f g r a f tc o p o l y m e r 壳聚糖的外观为白色或淡黄色半透明片状固体或青白色粉粒，略有珍珠光泽。因原 料和制备方法的不同，其分子量从几万到几百万不等。壳聚糖可溶于盐酸、醋酸、乳酸、 苯甲酸、甲酸等稀的酸性溶液中，并会发生缓慢的水解。壳聚糖不溶于水及碱溶液中。 壳聚糖的主要质量指标是粘度，目前国内外根据产品粘度不同分为三大类：( 1 ) 高粘 度壳聚糖：l 壳聚糖溶于1 醋酸水溶液中，粘度大于1 0 0 0 厘泊；( 2 ) 中等粘度壳聚 糖：l 壳聚糖溶于l 醋酸水溶液中，粘度在1 0 0 2 0 0 厘泊；( 3 ) 低粘度壳聚糖：2 壳聚 糖溶于2 醋酸水溶液中，粘度为2 0 5 0 厘泊。 壳聚糖的主要性质指标是n 脱乙酰度。壳聚糖的溶解性与脱乙酰度密切相关。脱 乙酰度6 0 以下的壳聚糖只有部分离析溶解于稀醋酸溶液；脱乙酰度为6 0 8 0 的呈 絮凝状悬浮于稀醋酸溶液；脱乙酰度为8 0 以上则以油性状清澈地溶于稀醋酸溶液中1 5 l 。 1 3 壳聚糖的化学性质 在壳聚糖的分子结构中，由于存在化学活性较强的羟基和氨基，所以很容易对壳聚 糖进行如酰基化、羧基化、s h i f 蹴化、n 烷基化，酯化、水解、交联和接枝等化学改性， 2 a 妇曩糖与年嚏政接植共聚物的制反性阿究 以达到更加广泛地利用壳聚糖的目的。 1 3 1 壳聚糖的酰基化反应 壳聚糖的酰基化是近几年甲壳素化学中研究较多的反应。将不同分子量的脂肪族或 芳香族酰基导入壳聚糖分子骨架后，所得产物在有机溶剂中的溶解性能得到很大改善。 通常的酰化试剂为酸酐或酰氯，酰化反应可在羟基( 0 酰化) 或氨基( n 酰化) 上进行。 k e i s u k ek m i m 6 】等人通过壳聚糖的酰化( n 乙酰化反应制备脱乙酰度较低的壳聚糖) 反应 在均相条件下进行，制得水溶性较好的壳聚糖。经过酰基化后，壳聚糖衍生物的溶解性 能得到很大的提高，如琥珀酰基壳聚糖能溶于水、稀酸和稀碱溶液 7 1 。 1 3 2 壳聚糖的n 一烷基化反应 - 烷基化壳聚糖衍生物的合成，通常是采用醛与壳聚糖分子中的| n h 2 反应形成西 佛碱，然后用n a b h 3 c n 或n a b i - h 还原得到。用该方法引入甲基、乙基、丙基和芳香化 合物的衍生物，对各种金属离子有很好的吸附或螯合能力【引。董严明等人用苯甲醛和壳 聚糖反应，硼氢化钠还原得到苄基壳聚糖，研究了它的溶致液晶行为【9 】，并提出若壳聚 糖羟基苄基化可形成热致液晶，有可能成为有用的液晶材料。 1 3 3 壳聚糖的羟基化反应 羟基甲壳素和壳聚糖衍生物的合成，一般是在碱性介质中进行的。用碱性甲壳素和 环氧乙烷进行羟乙基化反应可得到羟乙基甲壳烈1 0 1 ，但由于反应是在强碱中进行，同时 也伴随着- 脱乙酰化反应的发生。此外，环氧乙烷在氢氧根阴离子作用下会发生聚合反 应，因而得到的衍生物结构具有不确定性。用2 氯乙醇替代环氧乙烷也可得到相同产物。 羟乙基甲壳素脱除乙酰基后得i ) l o 一位取代的羟乙基壳聚糖。采用同样方法，用环氧 丙烷反应可得到羟丙基甲壳素和壳聚糖。在碱性条件下，壳聚糖也可与环氧乙烷和环氧 丙烷直接反应，但得到的是 ，、d 位取代的衍生物。 1 3 4 壳聚糖的羧化、氰乙基化反应 羧基化反应是指用氯代烷酸或乙醛酸，在壳聚糖的6 羟基或氨基上引入羧烷基基 团。研究最多的是羧甲基化反应，其相应的产物为羧甲基甲壳素( c m c h i t i n ) 、0 羧甲基 壳聚糖( o = c m c h i t o s a n ) 、n - 羧甲基壳聚糖 壳聚糖 甲基纤维素 羧甲基纤维素钠 4 0 , 4 。 6 ，。i ，叫明曩j e 支a 慊糟与审u k 胃h 蛾共聚物的4 鲁a r a r j i l , , 句l - j i 巴 1 4 i 3 在皮肤及组织工程中的应用 用于皮肤组织工程的支架材料除了应具有良好的生物相容性和可降解性外，还要求 具有优良的韧性、弹性、透气性、保湿性、抑菌性等特性，壳聚糖材料由于具有上述特 点，在构建人工皮肤【4 2 1 的研究中显示出巨大的应用前景。由壳聚糖制成的人工皮肤透气 性好，渗出性好，可以止痛、止痒、消肿化瘀，并且能促进皮肤生长，加快创面愈合， 还具有一定抗菌性，对创面无刺激、不过敏、不致癌，结痂后可自行脱落，不留疤痕【4 3 】。 k l e i n m a n 等 4 4 1 用不同胺化合物分别制成壳聚糖接枝阿拉伯半乳糖，并将它们制成支架材 料。研究表明该类材料多孔，并能在水中快速凝成胶状。且可在水环境3 7 下稳定l1 周 以上，是理想的组织工程支架材料。 1 4 2 在环境保护方面的应用 现代工业的飞速发展在给人们带来物质文明的同时，也带来了一系列环境问题。环 保问题已成为当今世界关注的焦点。天然高分子壳聚糖因其独特的性能而为解决环保问 题提供了一条重要的方法与途径。壳聚糖在环保领域中的应用主要是用作絮凝剂和吸附 剂处理废水、重金属吸附剂等。 壳聚糖分子中含有的氨基( - n h 2 ) 和羟基( - o h ) ，在酸性溶液中会形成弱阳离子聚电解 质，具有良好的络合性能，同时由于有机物及蛋白质大多带负电荷，壳聚糖可通过电中 和作用使胶体颗粒脱稳并形成细小的凝聚体。通过高分子架桥作用使这些凝聚体形成大 体积的絮团并聚集沉降下来。另外壳聚糖还具备抑菌杀菌作用，因此壳聚糖可作为无机 及有机絮凝剂的有效替代品。近年来壳聚糖及其衍生物在饮用水和工业废水处理中的应 用研究国内外已逐渐展开。曲荣君等h 5 1 用水杨酸改性壳聚糖，此衍生物对p b 2 + 、z n 2 + 具 有良好的吸附性能。张光华等【蛔以过硫酸铵为引发剂，在通n 2 条件下，使壳聚糖和丙烯 酰胺于7 0 8 0 。c 下发生接枝共聚反应，制得一类新型壳聚糖改性聚合物絮凝( c a m ) 。 弱酸条件下，c a m 具有很强的絮凝能力和对重金属离子很强的络合能力，与硫酸铝有很 强的协同作用，硫酸铝的存在可大大提高c a m 的絮凝能力。该絮凝剂特别适用于含有机 物和重金属离子的混合废水处理。吴根等1 4 7 1 利用壳聚糖与香草醛间的s c h i 御藏反应，对 壳聚糖的分子进行修饰，增加其支链数目与长度，制备出更为高效的天然高分子絮凝剂 v c g ，比较实验表明，v c g 比未改性的壳聚糖的絮凝效果好，c o d 去除率更高，且投 加量更低。e s l e l l ep i t o n 等研究了用壳聚糖吸附有放射性的金属元素2 3 8 p i l 及川a m 的最佳 条件，并得出壳聚糖对2 4 1 a m 有较好的吸附效果，且要好于对2 3 s p i l 的吸附【4 8 1 。应用壳聚 7 广西大掣嘎t 蚨 妇t 翱| 与彳u t h 羹枝共曩物的制鲁及档j 毫研兜 糖及改性产物从工业废水回收铜已达工业化。r a m n a n i 4 9 研究了交联壳聚糖在含c ，+ 废 水中的吸附情况，另外壳聚糖不吸附n a + 、k + 、h c 0 3 、s 0 4 2 不影响水的本底成份，适 用于饮用水的净化。 1 4 3 壳聚糖及其衍生物的其他应用 壳聚糖季铵盐不仅有较好的抑菌性能，它还可以作为优良的絮凝剂，在污水处理中 得到应用。控$ 1 j p h 值在9 一1 3 之间，三甲基氯化铵壳聚糖对谷氨酸钠生产废水c o d c r 的 去除能力达到8 0 以上【5 0 l ；而用壳聚糖作絮凝剂，去除能力只有7 0 。, 6 ，且只能在酸性环 境使用。壳聚糖季铵盐1 5 1 捌处理油田污水和炼油废水，既有絮凝作用，又可以有效杀灭 硫酸盐还原菌s r b 菌。季铵盐壳聚糖还是一种新型的性能优良的表面活性剂，唐有根等 人通过壳聚糖接枝二甲基十四烷基环氧丙基氯化铵，再磺化引入一s 0 3 h ，合成了一种吸 湿性极强、具有优异表面活性的新型壳聚糖两性高分子表面活性剂5 3 1 ，经测定在环境湿 度较大时，它的吸湿率超过了透明质酸。 壳聚糖不能直接溶于水，但溶于酸性水溶液后容易成膜，其膜具有良好的粘附性、 通透性和一定的弹韧性嗍，通过浸渍、喷洒、涂布等方法可在果蔬表面形成一层极薄、 均匀、透明且具多微孔通道的牢固壳聚糖膜。这层薄膜可阻碍果蔬水分蒸发和病菌侵入， 调节果蔬内外的气体交换，减少果蔬内物质转化和呼吸基质的消耗。同时壳聚糖对各种 病原菌也有较强的抑制作用【5 5 。7 】。近年来，壳聚糖在食品保鲜方面的开发应用也受到高 度重视。 1 5 本课题研究的内容和意义 1 5 i 壳聚糖辐射接枝反应的意义 辐射技术是壳聚糖接枝改性的方法之一，由于其操作简单、安全无毒目前已受到世 界上广泛重视。在此背景下，国际原子能机构( i e a e ) 也将“甲壳素壳聚糖的辐射加工” 这一项目列入亚太区域合作协议之中，在i e a e 的推动下，日本、中国、印度、马来西 亚、越南、韩国等国家开展了这一项目的研究，并已经取得了一些有意义的成果。中国 是世界上甲壳素产量最多的国家，世界上所用到的甲壳素约有一大半是中国生产的，如 果能成功利用辐射技术对壳聚糖进行改性将产生巨大的经济效益。 有关壳聚糖辐射接枝f 5 8 - 6 1 1 改性在国内外尚处于起步阶段，其中主要是应用方面。本 实验的主要工作是采用辐射法合成壳聚糖与衣康酸接枝共聚物，并对共聚物进行分离纯 8 ，西，o 煳哇每文 亮曩糟与衣毫馥接截共景物的御i a 性麓研究 化及其性能研究。其中的降解性能极具创意，若能对接枝产物彻底降解为低聚糖，并利 用实验室目前所有的分析仪器对该混合物进行有效分离，则能从质谱或核磁共振来说明 接枝反应位点及相应机理，为进一步研究辐射接枝反应及相关机理提供了一条新途径。 1 5 2 本课题的研究内容 研究了制备接枝共聚物的影响因素，主要考察辐射剂量、壳聚糖与衣康酸的质 量比、醋酸浓度等对反应的影响，并用均匀设计法选择最佳反应条件。 对接枝产物分离纯化，并用红外、元素分析、热分析、扫描电镜及x _ 衍射等对 纯化产物进行结构表征。 研究了接枝产物对离子的吸附性能，考察了时间、温度、浓度和溶液的p h 值对 五种单一离子( c u 2 + 、n i 2 + 、c d j 2 + 、z n 2 + 、c 吸附性能的影响，同时考察了接枝物对五 种离子混合体系中进行吸附时的选择性能。 试验了壳聚糖和接枝产物对非诺洛芬钙的缓释性能，主要考察了其在人工模拟 胃液和肠液中的缓释行为。 研究了接枝产物的降解条件，并对降解产物进行初步表征。 9 亮曩；翱亭蒂u t 耐口奎杖共摹物的制萱r 夏佳能研究 第二章壳聚糖与衣康酸接枝共聚物的制备及结构表征 2 1 前言 在辐照的条件下，壳聚糖可与某些单体发生接枝反应，其反应机理尚处于理论研究 阶段，该过程中机理【6 2 1 可能如下，壳聚糖在y 一6 0 c o 辐射下产生壳聚糖自由基，壳聚糖 自由基进攻衣康酸的不饱和碳碳双键，将衣康酸接在壳聚糖碳链上，可能反应式如下； + h 0 0 6 - - c 心 c h 2 + n h o o g c h 2 c o o h 衣康酸在辐射作用下发生自聚副反应： 1 0 g - 西大掣蝎甄j 套文a 慊翱旧事u t 政封叫宣共象物的倒萱r & 性能研究 c o o h i nh 2 c = 9 9 h 2 c o o h 2 2 实验部分 2 , 2 1 实验试剂及仪器 壳聚糖工业级 衣康酸 c p h c la r 甲醇 a r n a o ha r 冰醋酸ar 真空干燥箱d z f 6 0 2 0 氮气罐 分析天平 索氏提取器 浙江玉环，脱乙酰度为9 5 ，分子量2 4 x 1 0 5 中国医药集团上海化学试剂有限公司，c p 广东光华化学厂有限公司 广东光华化学厂有限公司 广东光华化学厂有限公司 广东光华化学厂有限公司 上海精宏科学仪器有限公司 数显恒温水浴锅江西金坛市医疗仪器厂 高速万能粉碎机f w - 1 0 0天津市泰斯特仪器有限公司 点状辐射源( 2 5 0 0 0 c o 居里)广西大学辐照中心 n i c o l c t 傅立叶红外光谱仪美国n i c o l e t 公司 r i g a k ud m a x 2 5 0 0 v 型x 衍射仪 日本理学公司 n e t z s c h s t a 4 0 9 p c 综合热分析仪德国耐弛公司 p e - 2 4 0 0 i l 型元素分析仪美国p e r k n - e l m e r 公司 日立s ，5 7 0 扫描电镜日本日立公司 2 2 2 壳聚糖与衣康酸接枝共聚物的制备和纯化 2 2 2 1 接枝共聚物的制备 ( 1 ) 称取一定质量的壳聚糖、衣康酸置于规格为1 5 0 毫升的锥形瓶中，然后用1 0 0 毫升2 的醋酸溶液溶解，完全溶解后用n 2 除去瓶中的0 2 。将配置好的混合液置于不 囊慊糖与衣喇h 叁杖共聚物的制鲁曩目啊r 兜 f 司剂量下辐射接枝共聚。( 2 ) 改变壳聚糖和衣康酸的质量比，用1 0 0 毫升2 的醋酸溶液 溶解，充n 2 除0 2 ，在同一剂量下辐射接枝共聚。( 3 ) 其它条件固定不变，改变醋酸浓 度进行辐射接枝共聚。 2 2 2 2 接枝共聚物的分离与纯化 向接枝共聚租产物中一边搅拌一边滴加1 0 的n a o h 溶液，直至溶液的p h 值为7 ， 过滤，并用少量蒸馏水洗涤沉淀，置于真空干燥箱中5 0 ( 3 干燥至恒重，得粗产品。粗产 品用高速万能粉碎机破碎，甲醇进行索氏抽提4 8 h ，真空干燥箱中5 0 c 干燥至恒重。再 用1 的盐酸溶液浸泡1 2h ，过滤并水洗多次后干燥至恒重，得纯的接枝产物。 2 2 3 接枝产物的相关计算呻6 4 1 m p ( ) = 警 ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) g p 为接枝率，g e 为接枝效率，m p 为单体转化率，w l 为壳聚糖质量，单位g ； w 2 为均聚物和共聚物的质量，单位g ；w 3 衣康酸质量，单位g ；w 4 接枝产物质量，单 位g 。 2 2 4 均匀设计实验 均匀设计法【6 5 1 是我国数学家方开泰和王元共同发明的，适用于多因素、多水平的实 验方法，该方法的最大特点是“均匀分散性”，能有效减少实验次数并可获得所需的参数， 本实验所用均匀设计表【6 5 1 如下： 1 2 一 一 川一彬 川一川 吸一 职万 = i i 以 酞 g g a 妇t 糖与弗慷翻i 奎枝共景物的制j r a 性期啊f 究 表2 - 1 因素水平表 t a b l e2 - lt h el e v e lt a b l eo f f a c t o r s 因素 水平 l 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 abcd 壳聚糖质量g衣康酸质量g辐照剂量 醋酸浓度 产1 0 0 g v o 6 0 6 2 0 6 0 5 1 0 8 0 2 6 0 8 0 5 4 1 0 0 4 3 1 0 0 l l 1 2 0 3 4 1 2 0 2 8 1 4 0 0 l 1 4 0 2 1 2 2 6 接枝产物的结构表征 采用k b r 压片法，使用n i c o l e t 傅立叶红外光谱仪测定壳聚糖、接枝产物的红外光 谱；用r i g a k ud m a x 一2 5 0 0 v 型x 一衍射仪测定壳聚糖和接枝物粉末的x 一衍射图；使用德 国耐弛公司生产的n e t z s c h s t a 4 0 9 p c 型综合热分析仪对接枝产物进行热分析，测试 条件为：升温速率为1 0 0 。c r a i n ，氩气氛，温度范围为3 0 8 0 0 。c ；使用美国p e 公司 的p e - 2 4 0 0i i 型元素分析仪测定壳聚糖和接枝产物的质量分数；分别取适量的壳聚糖和 接枝产物粉末贴于样品台上，然后对样品进行镀金导电，使用日立s - 5 7 0 扫描电镜仪， 扫描其表面形貌。 2 3 结果与讨论 2 3 1 影响接枝反应的因素 2 3 1 1 辐射剂量对接枝反应的影响 称取lg 壳聚糖和5g 衣康酸，用1 0 0 m l2 醋酸水溶液溶解，置于7 0 0 、9 0 0 、11 0 0 、 1 3 0 0 、1 5 0 0 居里嗍剂量下辐照接枝共聚反应，实验结果如图2 - 1 和2 2 ； 3 5 2 5 2 4 l 4 l 3 9 b 7 n b 7 n ：2 9 ”铉衄拍躬斜轧孔屹m殂毗 3 4 6 2 3 5 6 2 4 5 f - 西，“扛司| ：b 钝曙t 蔓慊糟与年u t 翻h 杖共景物的制j r a 性期陶f 究 1 4 1 2 1 蔷 。8 。6 0 4 述 曼 6 81 01 21 4 1 61 8 d o s a g e d 1 0 0 g y 图2 - 1 辐照剂量时接枝率的影响 f i 9 2 一le f f e c to f r a d i a t i o nd o s a g eo nt h eg r a f t i n gp e r c e n t a g e 述 o d o s a g e d x l 0 0 g y 图2 - 2 辐照剂量对接枝反应的影响 f i 9 2 2e f f e c to f r a d i a t i o nd o s a g eo nt h eg r a f t i n ge f f i c i e n c ya n dm o n o m e rc o n v e r s i o np e r c e n t a g e 由图2 一i 和2 2 可看出：在不同的辐射剂量下，在固定壳聚糖与衣康酸的比例下， 接枝率先增大后减小，接枝效率亦有相似的趋势，而单体转化率呈递增趋势。这是因为 在辐照的条件下，除发生接枝反应外，还存在其它一些副反应，如单体衣康酸的均聚反 应，此外在辐照的条件下，壳聚糖亦能降解。因此辐照剂量增大时，接枝反应和衣康酸 1 4 r l f 大聋u 曩j 电文 曩i ，e 囊卜l 可弗j t 豉接枝爿曛物的制鲁a 性舅p 井完 的均聚反应竞争加剧，在辐照剂量为1 1 0 0 居里时，接枝率达最大值。 2 3 1 2 农康酸质量对接枝反应的影响 分别称取2 、3 、4 、5 、6 9 衣康酸于五个锥形瓶中，各加入lg 壳聚糖，用l o o m l 2 醋酸水溶液溶解，置于辐射场下辐照1 1 0 0 居里，实验结果如图2 3 和2 - 4 ： 01 2345678 m a s so f i 【o n i ca c i d g 图2 - 3 衣康酸质量对接枝率的影响 f i 鲒一3e f f e c t o f i t o n i ca c i d o n t h e g r a f t i n g p e r c e n t a g e 1z345 m a s so f i t o m ca c i d g 图2 4 衣康酸对接枝反应的影响 f i 醇一4e f f e c to f i t o n i ca c i do i lt h eg r a f t i n ge f f i c i e n c ya n dm o n o m e rc o n v e r s i o np e r c e n t a g e 由图2 3 和2 _ 4 可看出：在固定壳聚糖质量为l g 和辐照剂量为1 1 0 0 居黾的情况下， 接枝率随衣康酸质量增加而呈增大趋势，大于5 9 后接枝率曲线趋于水平，即接枝率不 4 2 l 8 6 4 2 o l 1 0 o o 0 基d o 逞o 7 6 5 4 3 2 l 0 0 0 o o 0 0 0 7 6 5 4 3 2 1 o 0 0 o 0 o n n i 窭臼 曩慊辅。与声u t 膏l 接枝共，h 扫的徊j r 及性j 臣研究 再增加。接枝效率变化趋势与接枝率曲线类似，而单体转化率则呈递减趋势。这是因为： 辐照条件下，壳聚糖与单体衣康酸的反应与单体浓度有关，即随单体浓度的增加，壳聚 糖与单体接触机率增大，接枝率增加，同时衣康酸浓度增加时，其自聚反应机率亦增大。 因此，当衣康酸浓度达到一定浓度后，接枝共聚反应接近饱和，接枝率不再增加( 曲线 接近水平) ，自聚的增加使单体转化率下降。 2 2 1 3 壳聚糖质量对接枝反应的影响 分别称取0 6 、0 8 、1 o 、1 2 、1 4 9 壳聚糖于五个锥形瓶中，各加入5 9 衣康酸， 用l o o m l 2 醋酸水溶液溶解，置于辐射场下辐照1 1 0 0 居里，实验结果如图2 5 和2 6 ： 0 40 60 8l 1 2 1 4 i 6 m a s so f c h i t o s a n g 图2 - 5 壳聚糖对接枝率的影响 f i 9 2 5e f f e c to f c h i t o s a no nt h eg r a f t i n gp e r c e n t a g e 1 6 6 4 2 1 8 6 4 2 l l 1 0 o o o 摹、d 。 g - r ，叫擎司l 一晰文 壳曩糖与芾u t 嚷接技共聚物的劁j ，a 性能研究 图2 - 6 壳聚糖质量对接枝反应的影响 f i 9 2 - 6e f f e c to f c h i t o s a no nt h eg r a f t i n ge f f i c i e n c ya n dm o n o m e rc o n v e r s i o np e r c e n t a g e 由图2 - 5 和2 - 6 可看出：在固定衣康酸浓度和辐照剂量时，接枝率随壳聚糖质量增 加而减小( 开始变化缓慢) ，接技效率先增大后减小，单体转化率成下降趋势并在整个过 程当中变化不大。这是因为：在辐射条件下，接枝反应与壳聚糖浓度密切相关，即随壳 聚糖浓度增大其自由基浓度增大，对接枝共聚反应有益，但壳聚糖质量增加，衣康酸与 壳聚糖的质量比变小，并且壳聚糖浓度的增大时其溶液的粘度增大，农康酸分子在溶液 中的扩散速度减慢，更有利于自聚反应，而不利于接枝共聚反应，因此接枝率随壳聚糖 浓度的增加呈下降趋势，而接枝效率先增大后减小。 2 3 1 4 醋酸浓度对接枝反应的影响 称取1g 壳聚糖和5g 衣康酸，分别加入l o o m ll 、2 、3 、4 、5 醋酸的水 溶液溶解，置于1 1 0 0 居里辐照剂量下辐照接枝共聚反应，实验结果如图2 - 7 和2 8 ； 1 7 口皿o 8 7 6 5 4 3 2 l o 0 o 0 o o o o 0 4 5 3 5 2 5 1 5 0 n n 眦 m 叭 m 鲁 i 广西，v 擎硕j 电曙慊翱| 与希凛酸接杖黉d e 物的钠鲁a 佳能研究 1 4 1 - 2 莲 1 8 o 8 o 6 0 4 帆1 2 3 4 5 麟 a c e t i ca c i dc o n c e m a t i o n 鸬o 图2 - 7 醋酸浓度对接枝率的影响 f i 簖7 e f f e c to f a c e t i ca c i dc o n c e n t r a t i o no nt h eg r a f t i n gp e r c e n t a g e 莲 山 羔 莲 山 o lz345 a c e t i ca c i dc o n c e n t r a t i o n 图2 - 8 醋酸浓度对接枝反应的影响 f i 9 2 8e f f e c to f a c e t i ca c i dc o n c e n t r a t i o no nt h eg r a f t i n ge f f i c i e n c y a n dm o n o m e rc o n v e r s i o np e r c e n t a g e 从上图可以有出，晡殷揪，曼刈按仪厦膨古坝r 土月e 佰怀髟哪敬，j 、，仕拦，i 浓度变化范 围内，接枝率变化很小，接枝效率呈缓慢递减趋势，单体转化率呈相反趋势。这是因为 在该反应中醋酸起溶剂作用，并且该浓度范围内，壳聚糖粘度变化较小，但是当醋酸浓 度变化时，壳聚糖在溶液中存在形态【3 1 有差异( 壳聚糖在酸性环境中以壳聚糖盐形式存 在) ，因此对接枝反应影响较小。 1 8 广曩r 夫掣 硕t 蚨 a u 糖与弗漾蘸接杖共曩物的制r 及佳期l 研究 2 2 1 5 均匀设计实验 按均匀设计因素水平表进行实验，所得实验结果见表2 屯 表2 - 2 均匀设计实验结果 t a b l e2 - 2t h er e s u l t so f u n i f o r md e s i g n 接枝产物性能参数为接枝率、接枝效率及单体转化率，其中接枝率在相关文献中具 有严格的定义，且能有效反映接枝反应当中壳聚糖主链所能连接单体衣康酸的情况，本 文主要用接枝率来衡量该反应。 实验中含有四因素十水平，考虑各因素之间的相互作用，采用多次回 归分析后，得到的结果如下： i 一1b = 一4 0 1 2 9 7 9 f = 1 0 5 7 1 7 5 i 一3b = - 1 1 3 4 6 3 3 f 5 0 6 2 7 3 2 i - - 6 b = - 1 9 5 3 3 4 9 e 0 2f - - 3 0 0 5 5 9 6 卜7 1 3 - - 2 9 2 7 2 8 9 e 0 3f - 2 2 1 4 9 0 4 i = 1 1b = - 7 1 8 7 2 7 8 e 0 2p 6 3 5 5 1 6 5 i = 1 2b ：3 0 2 1 7 2 7 e 0 2f = 1 3 2 2 6 3 8 b o = 1 4 4 9 4 9 5f - - 1 3 0 0 9 8 2肛9 9 8 0 8 3 9s = 3 1 5 5 1 0 8