（高分子化学与物理专业论文）壳聚糖接枝共聚物的合成及其功能化自组装研究.pdf

中国科学技术大学博士学位论文摘要 摘要 壳聚糖是一种来源丰富的天然高分子，它具有良好的生物相容性、生物降解 性和生物活性。但是由于分子问的氢键相互作用，其具有难融难溶的性质，大大 限制了壳聚糖这一天然资源的有效利用。接枝改性是改善壳聚糖性能的有效途 径。本论文通过分子设计，合成了三种新的壳聚糖衍生物中间体，分别是n m a c s 、 p h c s m a 、p h c s s a 。建立了两种新的接枝方法，一是在壳聚糖分子上引入双键，再 与带双键的单体反应得到接枝共聚物。二是在邻苯二甲酰化壳聚糖的羟基上引入 羧基，再与带羟基的大单体进行定位接枝改性，通过以上方法获得了一系列壳聚 糖的接枝共聚物： c h i t o s a n g p b a ，c h i t o s a n g - p a a ，c h i t o s a n g p v a ， c h i t o s a n - g p e g ，c h i t o s n a g p b g a ，c h i t o s a n g p c l 研究了接枝共聚物的化学结 构和聚集形态，探讨了有关性能。主要内容和成果如下： 1 用新方法在壳聚糖氨基上引入双键，得到水溶性壳聚糖衍生物n m a c s 中间 体。利用y 射线辐射引发，以马来酰化壳聚糖为反应中间体，实现了壳聚糖和 丙烯酸丁酯的接枝共聚。 2 在邻苯二甲酰化壳聚糖的羟基上引入马来酸，得到新的壳聚糖衍生物 p h c s g a 中间体。利用y 射线辐射引发，以p h c s m a 为反应中间体，实现了壳聚 糖和丙烯酸丁酯的接枝共聚。接枝率与辐射剂量、单体浓度有依赖关系。 3 利用马来酰化壳聚糖和丙烯酸接枝共聚，得到p h 敏感的接枝共聚物 c h i t o s a n - g - p a a ，表征了结构与性能及接枝共聚物的溶胀率和p h 敏感性。 4 在邻苯二甲酰化壳聚糖的羟基上引入丁二酸，得到新的壳聚糖衍生物 p h c s s a 中间体。 5 通过p h c s s a 上羧基与p v a 羟基的酯化反应，得到了壳聚糖与p v a 的接枝 共聚物c h i t o s a n g p v a ，表征其结构号i 生能，自组装形成多孔材料。 6 通过p h c s s a 上羧基与具有端羟基p e g 、p b g a 的酯化反应，制备了高接枝 率i 拘c h i t o s a n g p e g 、c h i t o s n a g p b g a 接枝共聚物，表征其结构与性能，并自组 装得到直径分别大约为5 0 0n m 和7 0 0n m 的球形粒子。 7 通过p h c s s a 上羧基与具有端羟基的p c l 的酯化反应制备c h i t o s a n - g - p c l 接枝共聚物，表征其结构与性能，自组装得到直径约为5 0 0 n m 空心球。 v i 中国科学技术大学博士学位论文摘要 关键词：马来酰化壳聚糖，邻苯二甲酰化壳聚糖，p h c s m a ，p h c s s a ，壳聚糖接枝 共聚物，p b a ，p a a ，聚乙烯醇，聚乙二醇，聚己二酸丁二醇酯，聚己 内酯，多孔结构，纳米粒子，空心纳米球。 v i i 中国科学技术大学博士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t c h i t o s a ni saw e l l - k n o w na b u n d a n tn a t u r a lp o l y m e rw i t hg o o db i o d e g r a d a b i l i t y ， b i o c o m p a t i b i l i t ya n db i o a c t i v i t y b u tt h ei n s o l u b i l i t yi nc o m m o no r g a n i cs o l v e n t sa n d n o n - t h e r m a l p l a s t i c i t yo fc h i t o s a nh a v ed e l a y e di t su t i l i z a t i o na n db a s i cr e s e a r c h g r a f t c o p o l y m e r i z a t i o no fc h i t o s a ni sm o r ea t t r a c t i v et oe x p a n dt h ea p p l i c a t i o n sa sf u n c t i o n a l m a t e r i a l s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，af e wo fg r a f tc o p o l y m e r sb a s e do nc h i t o s a nw e r e s y n t h e s i z e d v i an e w p r o c e d u r e w i t h m a l e o y i c h i t o s a n ，p h c s m a ，p h c s s a a s i n t e r m e d i a t e ，s u c ha sc h i t o s a n - g p o l y ( b u t y la c r y l a t e ) ，c h i t o s a n g p o l y ( a c r y l i ca c i d ) ， c h i t o s a n g p o l y ( v i n y la l c o h 0 1 ) ，c h i t o s a n g - p o l y ( e t h y l e n eg l y c 0 1 ) ，c h i t o s a n g p o l y ( b u t y l e n eg l y c o la d i p a t e ) a n dc h i t o s a n - g p o l y c a p r o l a c t o n e t h es t r u c t u r e sa n dp r o p e r t i e s o ft h e s ec h i t o s a n g r a f tc o p o l y m e r s w e r e i n v e s t i g a t e d ，a n d a l s os o m e g r a f t i n g m e c h a n i s m s 1 w a t e r - s o l u b l em a l e o y l c h i t o s a nw a sa c h i e v e db yt h er e a c t i o no fm a l e i ca n h y d r i d e a n dc h i t o s a n t h eg r a f tc o p o l y m e r i z a t i o no fb ao n t oc h i t o s a nw a sc a r r i e do u tw i t h m a l e o y l c h i t o s a na si n t e r m e d i a t ea n di n i t i a t e db y ，一i r r a d i a t i o n 2 p h t h a l o y l a t i o no fc h i t o s a nw a sa c h i e v e db yt h er e a c t i o no fc h i t o s a na n dp h t h a l i c a n h y d r i d e p h c s m aw a ss y n t h e s i z e db yt h er e a c t i o no fp h c sa n dm a l e i ca n h y d r i d e t h eg r a f tc o p o l y m e r i z a t i o no fb ao n t oc h i t o s a nw a sc a r r i e do u tw i t hp h c s m aa s i n t e r m e d i a t ea n di n i t i a t e db y 丫一i r r a d i a t i o n t h eg r a f tp e r c e n t a g ee x t e n tw a sd e p e n d e n to n t h ei r r a d i a t i o nd o s ea n dt h ec o n c e n t r a t i o no fb am o n o m e r 3 t h ep h s e n s i t i v eg r a f tc o p o l y m e rc h i t o s a n g - p a aw a sa c h i e v e db yt h er e a c t i o no f m a l e o y l c h i t o s a na n da c r y l i ca c i d 4 p h c s s aw a so b t a i n e dv i a t h er e a c t i o nb e t w e e np h c sa n dm a l e i ca n h y d r i d e p h c s s ah a si m p r o v e ds o l u b i l i t yi no r g a n i cs o l v e n t s ，s u c ha sd m fa n dd m s o 5 t h eg r a f tc o p o l y m e r so fp h c s s a g p v aw e r ep r e p a r e db yt h ee s t e r i f i c a t i o n r e a c t i o no fp v aa n dp h c s s aa n dt h ep o r o u ss t r u c t u r ew a so b t a i n e d 6 t h eg r a f tc o p o l y m e r so fp h c s s a g p e ga n dp h c s s a - g p b g aw e r ep r e p a r e d b yt h er e a c t i o no fp e go rp b g at e r m i n a t e dw i t hh y d r o x y lg r o u p sw i t hc a r b o x y l i c g r o u p so fp h c s s a a n dt h en a n o s p h e r ew a so b t a i n e d t h eg r a f tr e a c t i o ny i e l d e d c o p o l y m e r sw i t hh i g hg r a f t i n gc o n t e n t v i i i 中国科学技术大学博士学位论文a b s t r a c t 7 t h eg r a f tc o p o l y m e r so fa n dp h c s s a g - p c lw e r ep r e p a r e db yt h ee s t e r i f i c a t i o n r e a c t i o nb e t w e e np c la n dp h c s s a t h eg r a f tr e a c t i o ny i e l d e dc o p o l y m e r sw i t hh i g h g r a f t i n gc o n t e n ta n dh o l l o wn a n o s p h e r e sw e r eo b t a i n e d k e y w o r d s ：m a l e o y i c h i t o s a n ，p h t h a l o y i c h i t o s a n ，p h c s m a ，p h c s s a ，g r a f tc o p o l y m e ro f c h i t o s a n ，p o l y ( b u t y la c r y l a t e ) ，p o l y ( a c r y l i ca c i d ) ，p o l y ( v i n y la l c o h 0 1 ) ，p o l y ( e t h y l e n eg l y c 0 1 ) ，p o l y ( b u t y l e n eg l y c o la d i p a t e ) ，p o l y c a p r o l a c t o n e ，p o r o u s s t r u c t u r e ，n a n o p a r t i c l e s ，h o l l o wn a n o s p h e r e s i x 中国科学技术大学博士学位论文第一章 第一章前言 1 1 甲壳素与壳聚糖 甲壳素( c h i t i n ) 和壳聚糖( c h i t o s a n ) 是一类在动植物体内经过生物合成的 独特的多糖类生物高分子。壳聚糖通常也被称为脱乙酰甲壳素，因为虽然壳聚糖 是一种天然存在于某些真菌的生物高分子化合物，但它的工业生产更多的是基于 对动物来源的甲壳素资源的处理。 1 1 1 甲壳素壳聚糖的来源 甲壳素广泛存在于生物体中：它是许多低等动物特别是节肢动物，如虾、蟹、 昆虫等外壳的重要成分；也存在于低等植物，如菌类、藻类的细胞壁中。甲壳素 是在地球上仅次于纤维素的第二种丰富的多糖，每年仅仅水圈中的甲壳动物合成 的甲壳素估计就有2 3 1 0 9 n 屯n2 o 不过，生物体之间的相对甲壳素含量，以及 在这些生物体的器官和结构中的甲壳素相对生物体的含量，有着很大的变化。甲 壳素含量特别丰富的是真菌和节肢动物，其中真菌中的含量超过4 5 ，而在去钙 f 1 1 化的甲壳纲有机体中，含量则高i 盘8 0 。而壳聚糖只存在于某些真菌中，如从 毛霉菌中可以分离得到壳聚糖，在黑曲霉、藤黄腐质霉菌和烟曲霉菌丝体中存在 4 1 壳聚糖一葡聚糖复合物一。 目前，甲壳素和壳聚糖的最主要来源是用贝类工业的废弃物进行化学加工生 产。每年全世界甲壳类动物加工后得到的废物干重估计在1 4 4 x1 0 6 吨左右，因 1 5 1 此甲壳素生产的潜能约为2 1 0 5 吨。近年来，还发展了一些新兴的绿色技术应 用于甲壳素和壳聚糖的生产，例如利用微生物发酵技术来去除矿物质和蛋白制备 1 4 1 甲壳素，可以避免生产中大量使用酸碱带来的污染；在微波辐射作用下进行甲 壳素的脱乙酰化反应，较常规的加热作用大大加速了反应进程，并且引起的分子 f 6 1 链的降解要少得多一。 1 1 2 甲壳素壳聚糖的结构与性能 中国科学技术大学博士学位论文第一章 1 化学结构 甲壳素、壳聚糖的化学结构与纤维索极为相似，它们的结构式分别示意如下： h h 甲壳素的结构式 2 性质 ( 1 ) 理化性能 壳聚糖的结构式 h h 甲壳素由于链的规整性和刚性，而且分子内和分子间容易形成很强的氢键， 具有较高的结晶度。因此，甲壳素不溶于水、稀酸、稀碱和一般的有机溶剂。而 1 7 1 一些多卤溶剂如六氟异丙醇、六氟丙酮等，和一些复合溶剂如含5 l i c l 的二甲 r 1 基乙酰胺溶液、氯代醇一无机酸的水溶液等可以溶解甲壳素。 壳聚糖是白色半透明而略带珍珠光泽的固体，其分子量取决于生物材料的来 源以及脱乙酰化条件，从数十万至数百万不等。壳聚糖分子中也存在有链内和链 间氢键，易于形成结晶区。这使得壳聚糖也不溶于水和一般的有机溶剂，最近报 中国科学技术大学博士学位论文第一章 道的可溶解壳聚糖的有机溶剂由d m s o 、对甲苯磺酸或1 0 一樟脑磺酸组成。但壳 聚糖可溶于稀的无机酸和某些有机酸，因为它的分子链上有许多游离氨基，氨基 呈现弱碱性，能从酸性溶液中结合一个氢质子，从而使壳聚糖成为带阳离子的聚 电解质溶于水中，其p k a 值约为6 5 。 由于壳聚糖含有一级和二级羟基基团以及p k a 值相当低的一级氨基基团，它 能进行多种衍生化反应生成数目众多的壳聚糖衍生物。作为一种多聚阳离子，壳 聚糖可以与多聚阴离子如，硫酸葡聚糖、硫酸软骨素和透明质多糖等形成多聚电 1 1 ni i i 解质复合物一。；它还具有脂肪结合的特性，可以与脂肪酸、甘油二酯、甘油 f 1 213 1 三酯以及甾体等结合一。除此之外，壳聚糖还具有很好的成膜性、成纤性、 通透性、吸附性、吸湿性和保湿性。 ( 2 ) 生物学性质 甲壳素及壳聚糖具有生物降解性，因为甲壳素和壳聚糖都是由生物体合成 的，以其为能源的微生物会将多糖降解。 壳聚糖和n ，n 一二羧甲基壳聚糖具有显著的促进骨骼再生和伤口愈合活性。 4 1 7 1 实验发现。：壳聚糖包裹的表面能够促进人成骨细胞和软骨细胞的生长，增加 细胞外基质蛋白的表达；而且壳聚糖还可以抑制活化的巨噬细胞产生一氧化氮， 在伤口愈合的炎症反应过程中降低对细胞增殖的细胞毒性。 抗菌抑菌活性：壳聚糖对一些常见菌，如大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、枯草 杆菌、绿脓杆菌等均显示出一定的抑制作用，其抑菌效果与壳聚糖的脱乙酰化程 8 2 】1 度、分子量及环境p h 等因素有关 。有研究表明聚合度3 0 的壳聚糖具有抗多 r 1 1 种革兰阴性菌、革兰阳性菌和乳酸菌的活性，而低聚合度的则没有 。 2 4 1 t o k u r a 等认为小分子量的壳聚糖寡聚物是作为细菌的营养物质，而大分子量 的壳聚糖寡聚物则可以通过电荷介导吸附至细菌细胞膜，阻止了细菌通过细胞壁 对营养物质的摄取，因此对细菌具有毒杀作用；还有人提出以细菌细胞中d n a 为 作用靶的抗菌机理。 壳聚糖、n ，0 一羧甲基壳聚糖以及壳聚糖乙酸酯还具有止血功效。目前壳聚糖 止血机理的研究指出，它不是常规的依赖于血小板和凝血因子的瀑布机制，而是 中国科学技术大学博士学位论文第一章 通过对红细胞作用，使血细胞发生粘附聚集使血液凝固闯。 此外，壳聚糖还表现出抗肿瘤26 1 、抗病毒t 2 7 j 等、活性。对于壳聚糖的这些优 异的生物学活性，现在的研究对其中许多分子机制还不甚明了，不过一些实验现 象表明这与壳聚糖独特的碱性多糖结构和大分子阳离子特性关系密切。 1 1 3 壳聚糖及其衍生物的应用 由于壳聚糖是天然碱性多糖，含量如此丰富，且含有- - n h 2 ，- - o h 官能团， 易修饰改性，形成各种各样的衍生物，所以广泛地应用于医学、农业、食品、环 境污水处理等领域。 1 在医学上的应用 ( 1 ) 在治疗癌症中的作用 日本鸟取大学实验证明，壳聚糖物质可以预防和抑制癌细胞转移它的抗肿 瘤活性被认为主要是它可活化巨噬细胞、细胞毒t 淋巴细胞、n k 细胞和l a k 细 胞2 8 1 。壳聚糖与胆汁酸结合使人体内p h 偏向于碱性为淋巴细胞攻击癌细胞创 造适宜环境，从而增强人体免疫功能。癌细胞表面比正常细胞具有更多的阴性电 荷，造成细胞表面电荷不平衡，使癌细胞的表面粘附力降低。易通过血管发生转 移剀，而壳聚糖的衍生物与细胞接触分子结合封闭毛细血管内壁，使癌细胞 不能结合受体，抑制癌细胞转移。 ( 2 ) 在防治心脑血管疾病中的作用 体内胆固醇贮积太多是大多数心脑血管疾病发病的一个重要原因。壳聚糖是 带正电荷的纤维质，不仅能抑制肠内胆固醇的吸收，降低血液中胆固醇的浓度， 而且能抑制胆固醇囤积在肝脏。 ( 3 ) 用于伤口愈合材料 壳聚糖及其衍生物是一类应用前景广阔的伤口愈合材料跚，这得益于它们 对伤口愈合有促进作用、其独特的杀菌性、可降解性和能够为细胞的生长提供一 定的养分等优点。l e n o 等人的实验得出壳聚糖对伤口愈合早期的两个阶段即发炎 阶段和新组织的形成阶段，都具有非常好的促进作用【3 1 】。 中国科学技术大学博士学位论文第一章 ( 4 ) 在组织工程中的应用 壳聚糖可用作软骨组织细胞附着的骨架材料。s u h 等对此作了比较全面的论 述 3 引。壳聚糖还可用作皮肤组织【3 3 】和骨组织的骨架材料。 如m u z z a r e l l i 3 4 】等人报 道一种骨生长因子b m p 8 与改性的壳聚糖形成杂化材料时，由于机体壳聚糖的降 解，释放出的b m p 8 促进了骨缺损的骨组织的再生。k l o k k e v o l d 【3 5 】等将间质干细 胞种植在2 m g m l 的壳聚糖的培养池中，并与不含壳聚糖的参照池作对比，1 4 天 后，壳聚糖处理的培养池，每池含有6 2 1 2 菌落，其他却仅为3 6 0 6 菌落， 说明壳聚糖增强了原骨细胞的分化和促进骨的形成。 ( 5 ) 在药物释放体系中的应用 壳聚糖已广泛用于药物释放体系的研究。如在包覆有亲脂性药物的海藻酸微 球上形成一层壳聚糖的薄膜，不但提高了该微球的机械强度和模拟的肠液介质下 的稳定性，且能形成肠液处的定点释放系统。t o z a k i 3 7 】等报道了含有抗炎症药 物5 一氨基水杨酸的壳聚糖微球在结肠处的定点释放，实验证明该药物对由2 ，4 ，6 一三硝基苯磺酸诱导的结肠炎有治愈作用。而用涂有一层3 ：1 ：l 的果胶壳聚 糖羟丙基甲基纤维素薄膜的标记药片( t c - - 9 9 m ) 在人体上实验得出：该药片能顺 利通过胃、肠而不被破坏，却在结肠处释放。用壳聚糖或与胶原形成的复合 膜吲还可构建渗透控制的皮下释放系统。根据实际需要，与壳聚糖相关的缓释 系统可做成水凝胶、药丸、胶囊( 微球) 或薄膜。作为包覆材料的壳聚糖微球和 胶囊的制备，除了涂层法和机械法外，还有悬浮交联法和凝聚法 4 1 , 4 2 。采用方法 不一样，制备条件女l l p h 、温度、离子强度等不一样，都会对所形成的微球尺寸、 形态有很大的影响，形成多孔性的交联微球对药物的吸收量大而释放速率较低 4 3 】 o 2 在农业上的应用 壳聚糖能够提高农作物免疫力，提高校物体抗倒伏能力等、使农作物体各器 官生长旺盛，从而提高产量和质量f 4 4 】。可诱导植物产生酶系，提高农作物抗病 能力、保证农作物丰产丰收；可促进土壤中自生的固氮菌、乳酸菌、纤维分解菌、 放线菌等有益菌群的增加，调节土壤中有益酶的活性，保证其在良好的土壤环境 中生长。 中国科学技术大学博士学位论文第一章 3 在食品工业的应用 ( 1 ) 在保健食品中的应用 壳聚糖具有免疫调节功能及抑制肿瘤生成的功能，它既可制成医药制剂供口 服，也可作为保健食品添加剂添加到各种食品中。 ( 2 ) 在食品保鲜中的应用 壳聚糖特别是甲壳低聚糖具有很好的抗菌活性，其抗菌机理与结构中的氨基 有关。将其添加到液体食品中，即对汁液有一定的澄清作用，又可起到防腐保鲜 作用，特别适合于酸性或低酸性的食品保鲜。 ( 3 ) 其它用途 壳聚糖与酸性多糖络合或反应，能够形成肉状组织似的纤维材料，可以用作 食品增稠剂。可以与天然肉、鱼和禽肉等混合制成优质和低热量的填充食品，也 可以添加香料和色素等制成各种人造肉。 壳聚糖还可以作为澄清糖液的凝结剂，可以使用它的乙酸水溶液、盐酸水溶 液和酒石酸水溶液等；壳聚糖也能有效地用作食品工业废水的絮凝剂，不但可以 澄清废水，而且能够回收废水中的粗蛋白和淀粉，用作动物饲料。 4 在环境保护方面的应用 壳聚糖分子中有游离氨基，在酸性条件中成为质子带正电荷，既是一种天然 的阳离子絮凝剂，又是一种天然的高分于螯合剂、可使水中的悬浮物凝聚而沉降 4 5 1 a ， 壳聚糖能通过分子中的氨基、羟基与h 9 2 + 、n i 2 + 、c u 2 + 、a 矿等重金属离子 形成稳定的螯合物，从而减少重金属的污染。壳聚糖及其衍生物能与c u 2 + 形成多 种结构的螯合物，其结构的改变与体系的p h 有关。 1 2 壳聚糖的改性研究 由于存在可反应的羟基和氨基，壳聚糖容易进行如酰基化、羧基化、醚化、 n 一烷基化、酯化、水解、共混、接枝及形成聚电解质复合物等许多衍生化反应。 中国科学技术大学博士学位论文第一章 1 2 1 主链的水解反应 近年来，低聚壳聚糖( 也称壳寡糖) 的制备成为当今国内外壳聚糖研究开发 的重点领域，它主要通过壳聚糖主链的水解反应获得。壳聚糖的降解方法主要有 4 6 4 8 1f 4 9 5 7 1f 5 8 ，5 9 1f 6 0 ，611 三大类，包括酸解法。、酶解法1 、氧化降解法一和辐射降解法1 。 其中，酶降解法通过特异地断裂壳聚糖的b 一( 1 ，4 ) 糖苷键来达到降解的目的， 副反应少，产物质纯，但由于效率较低，尚难实现大规模生产。 1 2 2 酰化反应 常用的酰化试剂有酸酐、酰氯。通过酰化反应，可以在壳聚糖上导入不同 f 6 2 6 5 1 的脂肪族或芳香族酰基。，产物在有机溶剂中的溶解性将大大改善。壳聚糖的 酰化反应在氨基( n 一酰化) 或羟基( 0 一酰化) 上均可进行，而氨基的酰化更为优 先。 壳聚糖的邻苯二甲酰化反应如下： o oo o 在醋酸水溶液或甲醇的反应介质中控制反应可以得到n 一乙酰化壳聚糖，利用这一 反应可以制备具有n 一乙酰化度为5 0 的水溶性壳聚糖6 6 棚1 。而以吡啶为溶剂和催 中国科学技术大学博士学位论文第一章 化剂的存在下，可以得到完全乙酰化的壳聚糖。 若控制壳聚糖的酰化反应只在羟基上进行，则可先将壳聚糖分子链上的氨基 保护起来，再进行温和条件下的酰化，酰化反应结束后再脱掉保护基，得到0 一 酰化的产物。一种保护壳聚糖氨基的有效方法是利用壳聚糖与邻苯二甲酸酐的酰 化反应得到邻苯二甲酰化壳聚糖。日本的k u r i t a 教授等人对此进行了较为深入的 研爿6 9 垅1 。该反应一方面可以保护壳聚糖的活性氨基，另一方面邻苯二甲酰化壳 聚糖在有机溶剂中可溶。 在保护氨基的前提下对壳聚糖的羟基进行甲基硅烷化，得到的6 0 - - - 甲基甲 硅烷化壳聚糖可溶于四氢呋喃、氯仿及甲苯等有机溶剂，然后可以进一步修饰得 到含有一甘露糖或b g i c n a 支链的壳聚糖，这种带有支化糖苷的壳聚糖在中性 水溶液中有良好的溶解性而且具有较好的抗微生物性【7 3 7 5 1 。他们还利用邻苯二甲 酰化壳聚糖为媒介在有机溶剂中成功地将抗癌药物多肽y i g s r 固定到壳聚糖分子 上，从而避免了酶对药物的消化，此复合物对实验鼠的黑素瘤细胞向肺的转移显 示出很强的抑制作用7 6 7 7 ，这一结果表明壳聚糖用于活性药物的控制传输释放 和固相酶的合成有很大的潜力。 1 2 3 酯化反应 甲壳素和壳聚糖的c 。一羟基能被各种酸和酸的衍生物酯化，常用的酯化试剂 7 8 8 0 1 有浓硫酸、氯磺酸、磷酸、乙酸、苯甲酸等 。 如果将壳聚糖的c 。氧化成羧基，再进行硫酸酯化，可制得与抗凝血剂肝素 r r l l 的结构非常相似的产物一，受到人们的极大重视。 壳聚糖还可以与二硫化碳在碱性条件下反应，得i u n - 黄原酸酯化壳聚糖。这 实际上又是一种黄原酸盐，对重金属离子有很强的螯合能力，且螯合产物不溶于 r 8 2 1 水，可通过过滤除去，因此是一种有效的重金属去除剂。 1 2 4 烷基化反应 壳聚糖的单元上有c 3 一、c 6 一位的羟基以及c 2 一位的一级氨基，尤其是其氨基有 中国科学技术大学博士学位论文第一章 一对孤对电子，具有很强的亲核性，因此可与许多烃基化试剂反应。 如壳聚糖与卤代烃反应，首先发生的是n 一烷基化，o 一烷基化次之，所得烷基 r r r 4 1 化壳聚糖膜在乙醇一水溶液的膜渗透汽化分离方面应用较多一。而壳聚糖在 r r s 9 7 1 碱性条件下可以与硫酸二甲酯反应生成壳聚糖甲基醚。汪玉庭等。在保护氨基 的情况下，幂u m c , - 羟基的亲核性将壳聚糖与二苯并1 6 一冠一5 氯代乙酸酯冠醚反应 制得壳聚糖乙酸酯冠醚衍生物；与4 ，4 一二溴二苯并1 8 - 冠一6 冠醚反应制得冠 醚交联壳聚糖；与环氧丙基中环二胺反应制得全氮冠醚接枝壳聚糖，所制得的这 一系列冠醚接枝壳聚糖兼有壳聚糖与冠醚的双重结构与功能，在金属的富集分 离、废水处理中有广泛的应用前景。 壳聚糖与环氧衍生物的亲核开环加成反应，也可以得到烷基化衍生物。不过， 在碱性条件下壳聚糖与环氧丙烷的反应发生在羟基上，在酸性条件下则发生在氨 r r r8 9 1 基上，所得壳聚糖的羟丙基化衍生物具有水溶性，可用于化妆品一。还有类 似的烷基化反应，如壳聚糖与环氧丙基三甲基氯化铵反应可生成水溶性的n 一季 铵盐【9 0 】，可用于制备蒙脱土纳米插层复合材料。 1 2 5 生成席夫碱 1 9 2 壳聚糖中的游离氨基很容易与芳香醛( 酮) 、脂肪醛反应生成相应的席夫碱 1 。通过这一反应，可以在壳聚糖中方便地引入长的烷基链，改善壳聚糖在有机 溶剂中的溶解性。例如壳聚糖与葵醛反应的产物，在1 2 6 。c 观察到了壳聚糖本身 所没有的玻璃化转变现象9 4 1 。反应生成的席夫碱在中性和碱性环境下相当稳定， 但是在酸性环境中则迅速水解，又恢复为游离的氨基。所以这一反应可用于对壳 r o s l 聚糖的氨基进行保护，然后只定位在羟基上进行其他的化学修饰一，这在壳聚 糖的改性研究中是非常有用的。另一方面，由壳聚糖与醛基反应形成的席夫碱， r 9 6 1 经硼氢化钠等将之还原，可转化成n 一烷基化壳聚糖衍生物“。 如果用二醛反应，则可使壳聚糖发生交联或用于酶的固定化，通常使用的是 戊二醛。交联后的产物性质稳定，不溶解，甚至较难溶胀，这有利于它们用作层 中国科学技术大学博士学位论文第一章 析的载体或固定化酶的载体。壳聚糖的交联程度对壳聚糖的金属离子吸附能 r o r 0 0 1 力有较大影响一。而且交联反应对制备壳聚糖膜材料来说几乎是必须的 n n 1 n 1 1 ，所得的壳聚糖交联膜在醇水分离的应用中显示出更好的渗透力和分离效 果。 1 2 6 羧甲基化 甲壳素与氯乙酸在碱性条件下反应，得到羧甲基甲壳素。由于在反应过程 中伴随着脱乙酰反应，因此有相当多的氨基存在，产物为可溶于水的聚两性电解 质，其在生物材料方面具有潜在的应用价值1 。引。而壳聚糖在此条件下反应，则 1 0 4 1 生成n ，o 一羧甲基壳聚糖。1 。采用还原壳聚糖西佛碱的方法则可以得到n 羧甲基 1 0 5 1 壳聚糖。4 ，它可用于螯合金属离子，且螯合后可用e d t a 洗脱。 1 2 7 壳聚糖的接枝改性 高分子接枝共聚物一般由一种组分的高分子作为主链，另一利，组分的高分子 形成数目众多的支链( 侧链) 连接于主链上构成。接枝共聚物的合成，与高分子 共混以及嵌段、星型聚合物一样，都是获得高分子复合材料的有效手段。它将具 有不同结构和性能的聚合物通过共价键结合在大分子主链上，相互取长补短，有 望获得性能更加优异的新型高分子复合材料。接枝改性作为一种有效的改性方法 1 n 一l n r l 已被广泛地应用于制备许多具有特定性能的新材料 。 壳聚糖是一类非常重要的多糖类生物高分子，具有可生物降解以及生物相 容性好等诸多优点，但它也一样具有其它天然高分子的弊端，结晶度高，溶解性 差，难于加工等，大大限制了它的广泛应用。通过接枝改性的方法，在壳聚糖分 子中选择性地引入易于加工的、强度高的、亲水性的或具有某种特殊功能的合成 高分子，可有效地改善壳聚糖的性能，此举将极大拓宽壳聚糖的应用范围，提高 天然高分子的综合利用率，实现天然资源利用的良性循环。因此，壳聚糖的接枝 改性近年来越来越受到人们的重视。壳聚糖的接枝改性通常可分为壳聚糖膜的接 枝和分子水平上大分子链的整体接枝两大类。 中国科学技术大学博士学位论文第一章 对于壳聚糖膜的接枝，其特点是不会改变膜的基本结构和形状，而使其表面 f 1 0 9 1 1 1 1 性能获得改善。s i n g hdk 等人!报道了y 射线辐射引发下壳聚糖膜接枝甲 基丙烯酸一b 一羟乙酯，并考察了接枝率与其对葡萄糖渗透性的关系。本实验室也 r 1 1 2 1 曾经在这方面做过一些工作，研究发现壳聚糖膜经接枝甲基丙烯酸一b 一羟基 乙酯( h e m a ) 处理后，接枝膜的亲水性、血液相容性以及对尿素、肌酸、肌酐的 渗透性得到很大提高，有望作为人工肾的膜材料使用。 对于壳聚糖分子链的整体接枝的研究就更多了。壳聚糖的主链由结构相对复 杂的吡喃糖环构成，而且其糖单元的c 。位伯羟基、c 3 位仲羟基及c 2 位氨基都具有 较高的反应活性，这些位置皆可以成为接枝点。因此壳聚糖的接枝共聚反应可以 l1 1 1 在多种条件下，以不同的机理进行。较多的例子。是通过引发烯类单体如丙烯 酸、丙烯酰胺、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸羟乙酯、苯乙烯等的 接枝共聚反应，将聚烯烃链、聚醚链、聚酯链等引入到壳聚糖分子中，赋予壳聚 糖新的性能。 1 自由基聚合机理引发接枝 ( 1 ) 铈离子引发 在铈离子的引发下，丙烯酸、丙烯酸酯、丙烯酰胺、丙烯腈、醋酸乙烯酯、 1 4 1 2 0 1 苯乙烯等乙烯基单体可以被接枝到壳聚糖的葡胺糖单元结构上。典型的铈 离子引发反应通常在酸性条件下进行，而壳聚糖能溶解于稀酸水溶液，这就为接 枝反应的发生带来了便利。铈离子引发壳聚糖接枝共聚的机理与它引发纤维素接 l i1 14 + 枝的相似，l i 等人。认为是c e 先与糖残基的c ，一n h 和c 3 一o h 反应，形成 一种复合物，再使糖环打开歧化生成- - c h = n h ( i ) 和- - c h ( o h ) 自由基( i i ) 。当 反应温度高于4 0 c 时，( i i ) 被铈离子氧化成羰基自由基而引发接枝反应；当温度 高于9 0 。c 时，除( i i ) 被氧化成自由基外，( i ) 水解生成醛和铵离子，醛进一 步被氧化成羰基自由基，并以同样的方式来引发接枝反应。 ( 2 ) f e n t o n 试剂引发 壳聚糖与烯类单体的接枝共聚还可以采用f e n t o n 试剂来引发完成。利用 f e n t o n 试剂作引发剂，壳聚糖与甲基丙烯酸甲酯的接枝产物接枝率可达到4 0 0 中国科学技术大学博士学位论文第一章 5 0 0 m 1 ，壳聚糖与甲基丙烯酸接枝共聚物的接枝率能达到2 5 0 3 0 0 1 。 ( 3 ) 过硫酸盐引发 过硫酸盐( 铵盐、钾盐) 作引发剂引发元聚糖援枝乙烯基单体近年来研究较 1 2 5 ，1 2 6 1 。它经常与亚硫酸氢钠或硫酸亚铁配成氧化一还原体系，也可以认为是 f e n t o n 试剂的一种发展。汪艺等坦刀认为壳聚糖中的氨基参与了引发过程，魏德 卿等1 2 8 1 提出了反应机理。y a z d a n i p e d r 锄m 等1 2 9 1 研究发现，在过硫酸钾作用下 壳聚糖接枝乙烯基吡咯烷酮，接枝率可达2 9 0 ；接枝乙烯基吡咯烷酮后，壳聚 糖的溶解度大大降低，不溶于常见的有机溶剂及稀的有机或无机酸，但吸附铜离 子后，可完全溶解于稀盐酸中。此外，他们还利用过硫酸钾和硫酸铁铵的共同引 发1 3 。1 将丙烯酸和丙烯酰胺接枝到壳聚糖上，丙烯酸的接枝率最高可达1 8 0 0 ， 丙烯酰胺的接枝率最高可达4 0 0 ，而接枝率的高低对壳聚糖的膨胀性能有较大 影响。 ( 4 ) 偶氮二异丁腈( a i b n ) 法 a i b n 在加热的时候会裂解产生自由基，也可以引发壳聚糖的接枝共聚反应 1 3 1 , 13 2 。在非均相体系中，丙烯腈、甲基丙烯酸甲酯通过a i b n 引发的接枝反应发 生在壳聚糖的氨基上；而醋酸乙烯酯的非均相接枝反应则发生在壳聚糖的羟基 上。 ( 5 ) 巯基引发 巯基的s h 键在加热时会发生均裂产生自由基，k u r i t a 等人利用6 一巯基甲壳 素衍生物引发了与苯乙烯的接枝共聚【1 3 3 1 。 ( 6 ) 光引发 有研究表明，羰基锰能被光活化并与三氯取代的烷基碳反应产生碳自由基， j e n k i n s 等人。1 3 4 1 利用这种三氯乙酰和羰基锰的共引发体系，制备了壳聚糖和甲基 丙烯酸的接枝共聚物。还有文献报道，利用含有光引发剂的壳聚糖与h e m a 的混合 溶液在紫外光下照射得到的接枝共聚物膜固载s o d 酶，应用于生物传感器检测 中国科学技术大学博士学位论文第一章 1 3 5 1f 1 3 6 一。t a k a h a s h i 等人一则研究了在低压汞灯的辐照下，甲基丙烯酸甲酯与甲壳 素及氧化甲壳素的接枝反应，认为体系中的自由基是由于甲壳素结构单元上c 。位 的c n 键断裂导致的。当体系中加入二甲基甲酰胺时，接枝度明显提高。 ( 7 ) y 射线引发 在高能y 射线的照射下，有机基质能够产生大量的自由基1 3 7 1 ，因而y 射线 经常被用于引发乙烯基单体的聚合反应。虽然它的机理复杂，但y 射线具有引发 过程简单、不需要加入其他引发剂、低温反应等优点。利用y 射线辐射引发，壳 聚糖同样能够与许多乙烯基单体进行接枝共聚反应，报道的接枝单体有苯乙烯 ( s t ) 、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯( m m a ) 、甲基丙烯酸一1 3 一羟基乙酯( h e m a ) 、 n ，n 一二甲氨基甲基丙烯酸乙酯( d m a e m a ) 等1 0 91 1 1 1 3 8 1 3 9 。 f 一 2 离子聚合机理引发接枝 甲壳素、壳聚糖可以通过离子引发接枝单体。4 04 2 1 ，如碘代甲壳素在路易斯 111 酸s n c l 。的催化下，与苯乙烯反应得到接枝共聚物的过程是遵循阳离子聚合机理 1 1 4 3 3 等离子体引发 本实验室曾采用等离子体引发壳聚糖膜接枝甲基丙烯酸一b 一羟基乙酯，获 得了具有良好的亲水性能、力学性能及渗透性能的膜材料1 。 n 4 4 1 4 其他接枝方法 通过官能团偶联反应也可对壳聚糖进行接枝改性。如利用一端改性为醛基的 聚7 , - - 醇与壳聚糖上氨基的席夫碱反应生成亚胺，然后再将之还原即可得到壳聚 1 4 5 1 4 6 1 糖一聚7 , _ - - 醇的接枝物7 。 y o s h i k a w as 等人1 4 7 3 的研究还发现，壳聚糖链上的氨基在非均相条件下可分 别与具有一定分子量大小及窄的分子量分布范围的活性聚合物离子聚异丁 基乙烯醚和聚2 一甲基一2 一嗯唑啉，发生反应获得接枝产物。o k a d a 等1 4 8 】还报道了 中国科学技术大学博士学位论文第一章 在水和催化剂辛酸亚锡的存在下，利用壳聚糖中氨基的活性氢作为大分子引发剂 的引发位点，引发己内酯开环聚合，制备了甲壳素壳聚糖与聚己内酯的接枝共 聚物。 1 3 壳聚糖衍生物的胶束化研究 高分子胶束指在溶液中，由非共价键驱动力( 如氢键、范德华力、配位键、 静电和亲疏水作用、溶剂效应、空间和疏水堆积效应等) 形成具有特定结构和功 能的自组装胶束体系。形成高分子胶束的条件，首先是高分子链上具有长的不对 称结构单元或支链结构，他们通常是由水溶性和脂溶性两种组分，通过嵌段、接 枝或其他形式共聚反应形成两亲性共聚物。另外，上述高分子链在环境条件改变 的刺激下，高分子链响应性的缔合实现高分子胶束化。 1 3 1 高分子胶束 高分子胶束按照溶剂不同可分为水溶性胶束和有机溶剂胶束。按胶束的结构 可分为“星型”胶束和“平头”胶束。嵌段共聚物和接枝共聚物由于不同嵌段或 接枝链之间产生相分离而出现各种结构。k i k u c h 4 95 0 。1 等报道具有多个短支链的 i ll 接枝共聚物在选择性溶剂中借助于分子内的聚集形成单分子胶束。改变溶剂的性 质，选用对主链或接枝链为选择性溶解的溶剂可分别得到花朵状和棒状的单分子 胶束。 1 3 2 高分子胶束的制备 1 在选择性溶剂中胶束化 将嵌段或接枝共聚物溶解在共同溶剂中，然后加入一种嵌段或接枝链的沉淀 剂，通过透析或蒸发除去原来的共同溶剂，使溶剂变为该嵌段的强不良溶剂。有 z h a 。j 等1 制备“c r e w c u t ，胶束就是将聚苯乙烯一b 聚丙烯酸( p s b p a a ) 先 共同溶解于d m f ，然后加入p s 嵌段的沉淀剂水，再透析出去d m f ，自组装成核 5 2 1 一壳结构的球型胶束。m o f f i tm 等。研究y p s b p a a 在非极性溶剂中自组装形 成反胶束化。 2 改变温度诱导胶束化 中国科学技术大学博士学位论文第一章 水溶性高分子聚( n 一异丙基丙稀酰胺) ( p n i p a m ) 、聚乙烯基甲基醚和聚( 甲基 l5 1 1 丙烯酸一n ，n - - - - - 烷基胺乙基酯) 等在水溶液中有温敏性。在水溶液中，w uq 等 报道了p n i p a m g - p e o 在水溶液中通过改变体系的温度和控制升温速度形成单 链核一壳胶束；z h a n gg 【1 5 4 】 i , - t t ：究- s i 0 2 - g - p n i p a m 的温敏效应；0 i ux 【1 5 5 】和 i 】5 6 l v i r t a n e nj 等。研究了p n i p a m 接枝聚环氧乙烷( p n i p a m g p e o ) 在水溶液中温 敏效应导致超分子组装形成高分子胶束。 3 改变p h 值或离子强度诱导胶束化 在嵌段共聚物或接枝共聚物的一个或两个嵌段上带有可质子化或可提供质 子的单元结构。m a r t i nt j 等报道，聚( 2 一乙烯基吡啶) - b 一聚环氧乙烷水溶液在 p h 值从1 变化到1 0 时，聚( 2 一乙烯基吡啶) 嵌段会从溶解状态变为不溶解，导致胶 1 5 7 1 束形成。 对于聚( 甲基丙烯酸一n ，n