（化学工程专业论文）乳液法制备不同形态壳聚糖微球的研究.pdf

北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：铂闺振 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名：麴 垫担 日期： 导师繇雄魁饯 御7 岁弘 日期：立华耻 学位论文数据集 中图分类号 丫及 学科分类号 p t 址粕 论文编号缈pz 加7 护。了7密级 7 苌彳【 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名刘国根学号 2 0 0 4 0 0 0 0 3 9 获学位专业名称化学工程获学位专业代码 0 万7 0 课题来源自筹研究方向纳米材料 论文题目乳液法制备不同形态壳聚糖微球的研究 关键词壳聚糖微球，模板法，微乳液法，制备 论文答辩日期2 0 0 7 5 3 0木论文类型基础研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师 邵磊 教授北京化工大学 评阅人l刘晓林教授 北京化工大学 评阅人2张鹏远副教授北京化工大学 评阅人3宋云华副教授北京化工大学 评阅人4 评阅人5 答辫委员蝴 文利雄 教授 北京化工大学 答辩委员1刘晓林教授北京化工大学 答辩委员2张鹏远副教授北京化工大学 答辩委员3宋云华副教授北京化工大学 答辩委员4 答辩委员5 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b i t1 3 7 4 5 - 9 ) 学科分类与代码中 查询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 一 一 产 北京化工大学硕士学位论文 乳液法制备不同形态壳聚糖微球的研究 摘要 本文首先概述了国内外近年来壳聚糖的制备、物理化学性质及应 用等方面的研究进展。壳聚糖作为优良的天然聚阳离子材料，具有良 好的可生物降解、生物相容等性能，己被用于药物控释、靶向、智能 给药等多种药物载体的研究。 微乳液是表面活性剂、油相和水相形成的热力学稳定的各向同性 的单分散体系，其分散质点为纳米量级，它为超细材料的制备提供了 理想的模板和微环境，能有效地控制粒子的粒径。模板技术是目前制 备空心粒子的最佳方法之一。 本文考察了在不同体系中使用各种模板，如c a c 0 3 、s i 0 2 、f 1 2 7 和油滴，制备不同形态的壳聚糖微球，并采用微乳液和模板法成功制 备了粒径可控的壳聚糖微球和壳聚糖空心微球。并对壳聚糖浓度，反 应温度，水油比，s d s 的含量等影响因素进行了考察。 关键词：壳聚糖微球，模板法，微乳液法，制备 北京化工大学硕士学位论文 p r e p a r a r i o no fc h i t o s a nm i c r o s p h e i s o fv 伽o u sm o l 冲h o l o g i e s b ye m u l s i o nm e t h o d s a b s t r a c t c h i t o s a ni san a t u r a lc a t i o n i cp o l y s a c c h a r i d e a sa b i o c o m p a t i b l ea n d s l o w l yd e g r a d i n gp o l y m e r ， c h i t o s a nh a sb e e n w i d e l yu s e di nd r u g d e l i v e r ys y s t e m se s p e c i a l l yi nd r u g c o n t r o l l e dr e l e a s e ，t a r g e t i n g ，a n d i n t e l l e c t u a l i z e dd e l i v e r ys y s t e m s am i c r o e m u l s i o ni sd e f i n e da sam o n o d i s p e r s e ds y s t e mo fw a t e r ， o i la n ds u r f a c t a n t ， w h i c hi sa s i n g l e- p h a s e ， i s o t r o p i c a n d t h e r m o d y n a m i c a l l ys t a b l el i q u i ds o l u t i o n i tp r o v i d e sas u p e r i o rt e m p l a t e a n dm i c r o e n v i r o n m e n tf o rp r e p a r i n gu l t r a f i n ep a r t i c l e sa n dt h es h a p ea n d s i z eo fs u c hp a r t i c l e sc a nb ee f f e c t i v e l yc o n t r o l l e di nm i c r o e m u l s i o n s t h et e m p l a t et e c h n i q u ei so n eo ft h eb e s tm e t h o d so f f a b r i c a t i n gh o l l o w p a r t i c l e s i nt h i st h e s i s ，d i f f e r e n tt e m p l a t e s ，i n c l u d i n gc a c 0 3 、s i 0 2 、f 12 7 a n do i ld r o p l e t s ，w e r ee m p l o y e dt op r e p a r eh o l l o wc h i t o s a nm i c r o s p h e r e s i nv a r i o u se m u l s i o ns y s t e m s c h i t o s a nh o l l o wm i c r o s p h e r e sa n dc h i t o s a n m i c r o s p h e r e sb yt e m p l a t et e c h n i q u e a n de m u l s i o nm e t h o dw e n l 一 北京化工大学硕士学位论文 s u c c e s s f u l l yp r e p a r e d w ea l s os t u d yt h er e a c t i o nc o n d i t i o ni n c l u d i n gt h e n f lo fc h i t m t r a t i o n 、r e a c t i l p e r a t u r e 、sdsinfluence o rc l a i t o s a nc o n c e n t r a t i o n r e a c t i o nt e m v e m t u r ew o ， ， w e i g h ta n ds oo n k e yw o r d s ：c h i t o s a n m i c r o s p h e r e s ，t e m p l a t et e c h n i q u e ， m i c r o e m u l s i o nm e t h o d ，p r e p a r a t i o n 1 1 i 北京化工大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t 】 i 第一章文献综述1 1 1 乳液法及其应用1 1 1 1 半导体超细粒子的制备1 1 1 2 空心微球材料的制备2 1 1 3 磁性无机有机复合微球材料的制备3 1 1 4 聚合物半导体复合微球材料的制备3 1 2 壳聚糖的简介4 1 3 壳聚糖的性质6 1 3 1 壳聚糖的物理性质6 1 3 j2 壳聚糖的化学性质7 1 4 壳聚糖微球的制备方法及其应用7 1 4 1 凝聚法7 1 4 2 交联法1 l 1 4 3 喷雾干燥法1 3 1 4 4 壳聚糖微球的应用1 3 第二章研究方法及目的1 5 2 1 空心纳微粒子的模板法制备技术1 5 2 1 1 硬模板法1 5 2 1 2 软模板法1 8 2 2 本文研究的研究目的和意义2 0 2 3 试剂与仪器2 1 第三章模板一乳液法制备壳聚糖空心微球2 3 3 1 以c a c o 。为模板制备壳聚糖空心微球2 3 3 1 1 引言2 3 3 1 2 实验方法2 4 3 1 3 结果与讨论2 4 3 2 以s i 0 2 为模板制备壳聚糖空心微球2 4 3 2 1 引言2 4 3 2 2 实验方法2 5 w 北京化工大学硕士学位论文 3 2 3 结果与讨论2 6 3 3 以f 。盯为模板的制备壳聚糖空心微球2 6 3 3 1 引言2 6 3 3 2 实验方法2 7 3 3 3 结果与讨论2 8 3 4 本章结论2 8 第四章模板一复合乳液法制备壳聚糖空心微球2 9 4 1 以c a c o 。为模板制备壳聚糖空心微球2 9 4 1 1 引言2 9 4 1 2 实验方法2 9 4 1 3 结果与讨论3 0 4 2 以s i 0 2 为模板制备壳聚糖空心微球3 l 4 2 1 引言3 1 4 2 2 实验方法3 1 4 2 3 结果与讨论3 1 4 3 用o w o 制备壳聚糖空心微球3 2 4 3 1 引言3 2 4 3 2 实验方法3 2 4 3 3 结果与讨论3 3 4 4 本章结论3 6 第五章模板一微乳液法制备壳聚糖空心微球3 7 5 1 引言：3 7 5 2 以c a c o 。为模板的制备壳聚糖空心微球4 0 5 2 1 实验方法4 0 5 2 2 结果与讨论4 l 5 3 本章结论4 3 第六章微乳液法制备纳米壳聚糖微球4 4 6 1 引言4 4 6 2 实验部分4 4 6 2 1 实验方法4 4 6 2 2 产品表征4 5 6 3 结果与讨论4 7 6 3 1 壳聚糖浓度的影响4 7 6 3 2 水油比的影响4 8 6 3 3s d s 含量的影响4 9 6 3 4 温度的影响5 l 6 3 5 交联剂的影响5 1 v ! ! 塞垡三奎堂堡主堂垡丝奎 6 4 本章结论5 l 第七章总结论5 2 参考文献5 3 致谢5 8 研究成果及发表的学术论文5 9 v i 北京化工大学硕士学位论文 1 1 乳液法及其应用 第一章文献综述 乳液法是以非极性介质为连续相，溶有反应物的水为分散相，形成可以作为 微胶束反应器或称为纳米反应器的隔离微细水池( 或称水核) ，通过对反应体系 中水和表面活性剂的浓度及种类等因素的控制，可方便调节所形成的分散粒子的 结构形态。 1 1 1 半导体超细粒子的制备 近年来，用反胶束或w o 微乳制备半导体超细粒子的研究已有大量报道n 棚。 此法能得到均匀细小的纳米级粒子，但其工业应用受到限制，原因是：( 1 ) 形成 w o 微乳要使用大量的表面活性剂，成本太高；( 2 ) 微乳中加溶的水量太少，故 产量很低。解决这些问题的一个途径是利用常规的w o 乳状液代替微乳状液作 为反应介质。已有在常规的w o 乳状液中制备球形陶瓷粉粒子的报道h 删，但所 得的粒子粒度均在亚微米级。与微乳液体系不同的是，乳液是热力学不稳定体系， 乳液中呈分散相的微液滴的体积较大。w o 型乳液制备超细粒子的原理是：连续 的油相将含有反应物的水相分散成微小的液滴，化学反应就在此无数个微液滴内 进行( 成核和生长) ，由于液滴的体积小且被固定，因而液滴内生成的粒子的尺 寸得到了控制，产物粒子的最终粒径由微液滴的体积决定。超细粒子形成后，洗 涤去除乳化剂、干燥后即得到超细粒子样品。 北京大学的马季铭n 伽等研究了在水s p a n 8 0 t w e e n 8 0 甲苯反相乳液体系中 纳米z n s 粒子的制备。他们利用t 从在常温下比较稳定，但在6 0 以上则迅 速分解出h ：s 这一性质，将乙酸锌与t 从的等摩尔混合液作为乳状液的内相， 使每个液滴中都含有等摩尔的反应物，以增强反相乳液液滴的间隔化效果。当 s p a n t w e e n 混合乳化剂浓度分别l o g l 和2 5 9 l 时在反相乳液中形成的z n s 粒子呈球形，基本上不团聚，粒度约在o 1 至o 3 pm 的范围，随表面活性剂 浓度的增加粒度有所减小。同样条件下在体相水溶液中形成的z n s 粒子则为粒 度约1 - 2um 的形状不规则的大粒晶体，这充分显示了反相乳液作为反应介质 的间隔化作用。但是，上述反相乳液中各液滴之间仍存在频繁的物质交换，水相 液滴内的反应物离子会穿过界面膜扩散，从而造成了粒子的聚集和大粒子的形 成。为进一步制得纳米级小粒径z n s 粒子，他们将掺有阳离子表面活性剂氯化 十二烷基苄基二甲胺( d d b a c ) 和溴化十六烷基吡啶( c p b ) 的s p a n 8 0 t w e e n 8 0 混 北京化工大学硕士学位论文 合物作为乳化剂，得到了绝大多数粒子的粒径在2 0 n t o 以下的z n s 粒子。他们 的研究结果表明，d d b a c 和c p b 的加入均可使形成的粒子的粒度显著降低，实 现了用常规的w o 型乳状液制备纳米级z n s 粒子。粒度测量表明，掺杂d d b a c 和c p b 后，水甲苯反相乳液本身的液滴大小并无明显变化。z n s 粒子粒度的减 小并不是乳状液粒度减小的直接后果。原因是阳离子表面活性剂掺入后形成的界 面膜抑制了z n 2 + 离子穿过膜的扩散，从而增强了乳状液的间隔效果。另外，阳离 子表面活性剂的加入可以提高界面膜的强度和反相乳液的热稳定性，从而有利于 小粒子形成。 1 1 2 空心微球材料的制备 空心微球与普通粒子相比具有许多特殊的性能，例如：密度低、有效表面积 大、稳定且具有表面渗透性。因此，近年来无论是在科学还是技术领域，空心微 球的制备研究越来越引起人们的关注。空心微球在化妆品、催化、核壳与复合材 料、染料、墨水、人造细胞以及活性物质( 酶和蛋白质) 的保护等领域都有着极 为广泛的应用。有许多文献报道了关于空心微球的制备方法，可概括为乳液相 分离法( 通常与溶胶一凝胶法相结合) 和去核法两种。由于许多空心微球的制备 方法都涉及复杂的制备过程和工艺，因此其应用和商品化受到很大限制。 s e o n g g e u no h u u 等报导了一种将聚乙二醇( p e g ) 或聚乙烯吡咯烷酮( p v p ) 和羟基纤维素( h p c ) 作为反应基质，通过溶胶一凝胶法在水s p a n 8 0 辛醇反 相乳液体系中制备氧化硅空心微球简便而有效的方法。为了得到稳定的反相乳液 结构，他们将h p c 加入到油相( 辛醇) 中；将p e g 或p v p 加入到了水相中。研究 中发现h p c 的作用不仅仅是稳定反相乳液，它还具有控制氧化硅粒子形态的作 用。当体系中没有羟基纤维素时，氧化硅是无规的形态几乎得不到球形结构；当 羟基纤维的浓度从0 8 w t 提高到1 4 w t 时，氧化硅微球的尺寸从1 0l lm 降低 到lum ，但是当其浓度提高到1 4 w t 以上时体系的粘度太大反应不易控制。这 是因为加入h p c 后提高了体系的粘度，外相粘度的提高降低了水滴的淌度、限制 了水滴间的聚并，因此提高了反相乳液的稳定性。同时，油相中的h p c 还能够使 最初形成的3 0 - - 4 0 h m 大小的氧化硅粒子长大到2 7 | lm 。因此，h p c 不仅能够提 高反相乳液的稳定性而且还可以抑制最初形成的氧化硅粒子的聚集使之形成球 状形态。 2 北京化工大学硕士学位论文 1 1 3 磁性无机有机复合微球材料的制备 将无机物用封装的办法包覆到聚合物内部来实现杂化材料的制备为材料科 学中固体粒子的合成开辟了新的途径。所制备的这些复合粒子在化妆品、墨水、 油漆涂料的改良、生物制药工业中药物缓释剂的生产等领域具有相当的应用价 值。然而，目前该领域研究、开发的主要难点是将无机粒子，特别是磁性粒子， 均一的封装在聚合物基质中。 c h r i s t i n em e n a g e r u 习等开发了一种利用反相乳液技术将磁性粒子均一的包 裹到水溶胶或水凝胶中的方法。制备磁性聚合物粒子传统的方法是首先将表面活 性剂包覆在磁性粒子的表面，然后再采用悬浮、乳液或沉淀聚和方法使磁性粒子 埋入聚合物基质中。但是，前期用于处理磁性粒子的表面活性剂或聚合物分子容 易与聚合物基质发生相互作用或者可能会影响乳液聚合过程中乳化阶段所选用 的表面活性剂的作用。因为磁性粒子本身就具有亲水性，基于此，c h r i s t i n e m e n a g e r 等巧妙的利用反相乳液技术，将磁性流体和水溶性单体在乳液聚合前就 定位于水滴内部并均匀分散好。因此在实现聚合物包覆前无需将磁性粒子用表面 活性剂处理。他们用光学显微镜详细的研究了磁性微凝胶的溶胀动力学。研究结 果表明，聚合反应前无机粒子在介质中的良好分散是成功包覆的先决条件，这也 是磁性聚合物复合材料得以广泛应用的必要条件。 他 1 1 4 聚合物半导体复合微球材料的制备 近年来，模板法在制备具有复杂形态的微、纳米材料的应用研究受到了人们 广泛的关注n 町，模板法的优点在于利用模板的空间限域和调控作用可以控制合 成材料的大小、形貌、结构等性质。微凝胶是一类具有三维网络结构，尺寸在微 纳米量级的球形胶乳粒子n l 删。微凝胶的大小、内部结构和所包含功能基团的种 类等性质都可以通过改变单体、交联剂类型和制备条件等进行控制。因此，微凝 胶作为球形微纳米材料的制备模板，具有天然模板所无法比拟的优点，应用潜力 巨大m 1 。 房喻啪1 等人利用反相乳液聚合法制备了包含镉离子的聚甲基丙烯酸( p m a a ) 微凝胶，通过外源导入h ：s 使镉离子在微凝胶内逐步沉积，得到了粒径大小近 乎单分散，表面结构比较均一的p m a a c d s 有机无机复合微球。他们首先通过 反相乳液聚合得到稳定性和单分散性都比较好的p m a a 微凝胶，显然，这种微凝 胶有可能用作各种无机反应的微反应器和制备有机无机复合微球材料的模板。 实验中发现微凝胶的溶胀度和大小可通过改变交联剂和聚合单体的相对比例，调 3 北京化工大学硕士学位论文 节搅拌速度等条件进行控制。微凝胶中所包含官能团的种类也可以经由选取不同 单体而改变。微凝胶制备的关键在于选取适当的稳定剂，以防止微凝胶之间的粘 连。同时，反相乳液体系中有机连续相选择的不同对复合微球表面结构的影响较 大。这说明，油、水相界面的性质对复合微球的形成和表面结构也有很大影响。 可以想象，外源气体的导入必然诱发处于油水相界面附近的c d 2 + 首先沉淀，沉淀 的结果使得微凝胶内部金属离子浓度分布不均匀，因此，处于微凝胶内部的c d 2 + 必然要向油水相界面处扩散，这一过程不断重复直至c d 2 + 沉积完全。因此，所得 到的复合微球的内外组成和结构可能不同，微球中心成分主要为密度很小的高分 子三维网络，外围主要为无机沉积物及包埋在其中的高分子链。他们的这一推测 得到了s e m 对微球断面观察结果的初步证明。所制备的复合微球的大小取决于 所使用的微凝胶模板，而微球的表面结构则与许多因素有关，例如沉积试剂是外 ：源导入还是内源产生，微凝胶所在连续相的本性，无机沉积反应进行时的搅拌速 度等。因此，通过改变微凝胶合成时的连续相的种类，调节搅拌速度，选择适当 的无机物沉积方式，就可以得到尺寸不同、表面和内部结构各异的有机无机复 合微球材料。他们的研究结果进一步表明，将微凝胶模板法与反相乳液技术结合 并利用高分子微凝胶的限域和导向作用可以制备表面具有微纳米结构、大小基本 均一的有机无机复合微球材料。通过选用不同的连续相，可制备得到具有不同 表面结构的复合材料。实际上，若选择不同的单体、单体与交联剂的比例，改变 搅拌速度、连续相和其它反应条件，可以得到大小不同、交联密度不同、所含官 能团不同的各种高分子微凝胶。再以这些以不同的微凝胶为模板，选取适当的无 机物及其沉积方式和后处理方式，有可能得到多种具有复杂结构的有机无机复 合微球材料。这些材料极有希望在吸附分离、吸波减震、催化剂担载和药物缓释 等方面获得应用。 综上所述，虽然目前该领域的研究还仅限于少数的反相乳液体系，各种新材 料的合成多数尚处于实验阶段，但是利用反相乳液技术设计具有特定性能的微环 境，来制备各种特定性能的纳米颗粒确实是一种简单、快捷、有效的方法，反相 乳液技术为新材料的制备合成开辟了一条新的途径。 1 2 壳聚糖的简介 壳聚糖( c h i t o s a n ) 是甲壳素部分脱乙酰化而得到的一种直链大分子生物多 糖。壳聚糖的结构与纤维素很相似，不同的是纤维素上2 位碳的一o h 被一m 取代，但它的性质却不同于纤维素。它们的结构如图1 - 1 。 4 北京化工大学硕士学位论文 一一喻o i 甲壳索壳聚铸纤维素 图1 - 1 壳聚糖的结构 f i g1 - 1t h ec h i t o s t m $ 1 1 u c t u r e 壳聚糖是一种天然的可再生资源( 像蟹和虾壳等) ，它可以通过人工养殖得以 增长。目前，实际应用的壳聚糖主要来源于甲壳素。甲壳素( c h i t i n ) ，又名甲壳 质、壳多糖、几丁质，壳蛋白，是自然界中储量仅次于纤维素的第二天然有机化 合物。甲壳素是壳聚糖最实用的资源。壳聚糖的来源丰富，而且具有优良的生物 相容性、生物可降解性和无毒性等特性，因此大大地推动了壳聚糖应用的发展。 此外，壳聚糖分子中的活性氨基可与许多功能基反应，生成多种衍生物，这些衍 生物具有更优良的性能。 - 。脱乙酰度( d e g r e eo fd e a c e t y l a t i o n ，缩写d d ) 是壳聚糖的一个重要性质， 它决定了多糖中自由氨基的含量。壳聚糖脱乙酰度高低，直接关系到它在稀酸中 的溶解能力，粘度，离子交换能力，絮凝性能和与氨基有关的化学反应能力，以 及许多方面的应用。测定壳聚糖脱乙酰度的方法有红外光谱法、酸碱电导滴定法、 气相色谱法和折光指数增量法。在这些方法中，紫外光谱法是既不破坏样品又能 精确测定壳聚糖脱乙酰度的方法心阍3 ，而酸碱电导滴定法是最简单而又不需特殊 仪器设备的方法。 天然甲壳素分子量通常大于l ，0 0 0 ，0 0 0 ，商业用的壳聚糖产品分子量一般 在1 0 0 ，0 0 1 ，2 0 0 ，0 0 0 。这是由于在加工过程中，激烈的反应条件能导致壳聚 糖降解。壳聚糖分子量测定方法有凝胶渗透色谱法( e pg p c ) ，光散射法和粘度法 等。最常用的方法是粘度法，粘度法是测定壳聚糖分子量最简单和快速的方法。 分子量高布范围宽或窄，对材料物理机械性能影响很大。这是由于天然存在的甲 壳素有一定的分子量分布，另一方面，制备过程中各种因素也会影响分子量分布， 尤其是脱乙酸化时强碱和高温影响最大。 壳聚糖为阳离子聚合体，不溶于普通有机溶剂，在碱液中稳定，有很强的亲 水性，可在稀盐酸、稀醋酸溶液中膨胀并形成凝胶，依此特性可制成各种缓释和 控释制剂。壳聚糖因含有游离氨基，在酸性条件下能结合氢离子，从而使壳聚糖 成为带正电荷的电解质。其氨基亦能与芳香醛或脂肪醛反应生成希夫碱 ( s c h i f f b a s e ) ，因此可用具有双官能团的醛或酸酐与其交联，交联产物不易溶 5 北京化工大学硕士学位论文 解，溶涨也小，性质较稳定。最近研究表明，壳聚糖具有生物粘附性和多种生物 活性，且其生物相容性好，可被体内多种酶类降解，降解产物安全无毒，并能被 生物体完全吸收，具有抗菌消炎、促进伤口愈合、抗酸、抗溃疡、降血脂和降血 糖的作用，同时还有很强的凝血、免疫调节及抗肿瘤作用。壳聚糖具有良好的生 物粘附性，使其在结肠定位系统、鼻腔给药以及蛋白多肽类药物口服中具有的广 泛应用哺】。 1 3 壳聚糖的性质 1 3 1 壳聚糖的物理性质 一般物理性质：甲壳素是白色或灰白色无定型、半透明固体嘲，相对分子质 量因原料不同而有数十万至数百万。壳聚糖系白色或淡黄色片状固体，或青白色 粉粒子，略有珍珠光泽，半透明，干燥条件下可长期保存咖1 。因原料不同和制 备方法不同，相对分子质量也从数十万至数百万不等。 溶解性：甲壳素不溶于水、稀酸、稀碱、浓碱、一般有机溶剂，可溶于浓的 盐酸、硫酸和无水甲酸，但同时主链发生降解。壳聚糖不溶于水和碱溶液，可溶 于稀的盐酸、硝酸等无机酸和大多数有机酸，不溶于稀的硫酸、磷酸。溶于稀酸 时呈粘稠状，在稀酸溶液中，壳聚糖中l ，4 连结的键也会缓慢水解，溶液的粘 度逐渐降低，所以壳聚糖溶液一般是随用随配。壳聚糖的溶解度因分子量、脱乙 酰度和酸的种类不同而有些差别，一般说，分子量越小，脱乙酰度越大，溶解度 就越大。 溶液性质：壳聚糖完全水合后，其分子主链由于布朗运动可形成球状胶束， 其1 的溶液粘度在0 1 p a s , - 一l o p a s 时流动呈非牛顿型，但随温度升高，布朗 运动加快使分子链间的氢键减弱使流动呈牛顿型。其溶液因酸的种类、p h 、浓度、 温度及溶液中离子强度不同而表现出不同的粘度。当溶液的p h 增高，球状分子 可变成线状分子，使粘度增加，反之，p h 降低则粘度减小。壳聚糖的溶液性质 对于壳聚糖的应用研究也是十分重要的一个方面。李德鹏等人m 1 的研究表明：壳 聚糖溶液的粘度与浓度有直接关系，随壳聚糖浓度的增加而迅速增加：壳聚糖浓 度相同时，其粘度随溶液的酸性的增强面降低，降解也就相对越快：因壳聚糖溶 液中加入低分子物质，可使其粘度降低：壳聚糖溶液的粘度也随存放时间的延长 而逐渐下降，常温下温度对溶液粘度变化的影响较小，但也会影响其分子量的降 解速度。 吸湿、透气性和渗透性：甲壳素、壳聚糖及其衍生物有极强的吸湿性。甲壳 6 北京化工大学硕士学位论文 素的衍生物吸湿率可达4 0 0 5 0 0 ，是纤维素的2 倍多，壳聚糖的衍生物吸湿 率更高，仅次于甘油，高于聚乙二醇、山梨醇等，所以可用于化妆品。由甲壳素、 壳聚糖及其衍生物制成的膜有优良的透气性，如壳聚糖膜的透氧率可达7x l o q l ( c d s ) 。这种特性很适合制成隐形眼镜片。甲壳素、壳聚糖及其衍生物的膜 或中空纤维具有良好的渗透性。壳聚糖膜的渗透性能比纤维素膜好，低分子量( 小 于2 9 0 0 ) 化合物都可以通过。用不同的衍生物，不同的交联方法，或在制膜时用 不同的凝胶化介质，可以制成性能不同的渗透膜，如化合物分离膜、超滤膜、人 工肾膜、药物缓释膜等。 成膜、成丝性：甲壳素及其衍生物可以很容易地制成膜、拉成丝。把它们溶 解在溶剂中进行涂布、喷丝很容易加工成需要的形式。壳聚糖易溶于弱酸稀溶液 中，使其加工更加方便。这种膜或丝具有透气性、透湿性、渗透性、有一定的拉 伸强度和防静电作用。壳聚糖浇注成的柔性无色透明薄膜具有良好的粘附性，可 粘附在玻璃、纸张、橡胶上，它有一定的抗拉强度。低分子量壳聚糖制的膜强度 比纤维素腊差，而高分子量壳聚糖或聚乙烯醇混合制的膜强度大大提高，甚至超 过纤维素膜。 1 3 2 壳聚糖的化学性质 壳聚糖化学性质的研究内容十分广泛，是认识壳聚糖的本质，开发产品的重 要基础。一般研究壳聚糖的化学性质都是基于两个目的：一是解决它在水中或溶 剂中的溶解性：二是获得性能很好甚至是独特性能的产品。壳聚糖分子中的活性 侧基- n h ：，可酸化成盐类，导入羧基官能团，取代合成侧链按盐、混合醚、聚氧 乙烯醚，制备具有水溶性、醇溶性、有机溶剂溶解性、表面活性以及纤维性等各 种衍生物：壳聚糖分子中一o h 和一洲：具有配位鳌合功能，且均可与交联剂进行交 联接枝改性成网状聚合物：壳聚糖分子中n h 。先与过渡金属离子形成配合物，再 与交联剂进行交联，具有“模板剂 的“记忆力一和选择吸附性能嘲：壳聚糖在 适当条件下进行酰基化，可制备具有低碳数水溶性衍生物和高碳数疏水性衍生 物。 o - 酰化和n 一酰化：甲壳素和壳聚糖可与多种有机酸的衍生物如酸配、酰卤 ( 主要是酰氯) 等反应，导入不同分子量的脂肪或芳香族酰基。这是壳聚糖的化学 反应中研究得最多的一种反应。通过导入不同分子量的脂肪族或芳香族酰基，使 所得产物在水和有机溶剂中的溶解性可大大改善。酰化反应可在轻基( ( o - 酰基) 或氨基( n - 酰化) 上进行，己见报道的反应实施方法有十余种之多，各种方法的主 要差别在于使用不同的溶剂及催化条件。 7 北京化工大学硕士学位论文 含氧无机酸酷化：甲壳素和壳聚糖的轻基，尤其是c 6 o h 可与一些含氧无机 酸发生化学反应，这类反应类似于纤维素的反应。在壳聚糖的氨基上也可能发生 反应。 醚化：甲壳素和壳聚糖的经基可与烃基化试剂反应生成醚，如甲基醚、乙基 醚、节基醚、轻乙基醚、轻丙基醚、氰乙基醚、梭甲基醚等。近几年来对这类反 应比较重视，可以开发出一些新型材料。 n 一烷基化；壳聚糖的氨基是一级氨基，有一孤对电子，具有很强的亲核性， 能发生许多反应，n 一烷基化是除n 一酰化以外的另一类重要的反应。甲壳素的乙 酰基的n 上只有一个h ，很稳定，但在一些强烈的条件下，也能发生取代反应。 壳聚糖的烷基化反应可得到完全水溶性的衍生物。 氧化：甲壳素和壳聚糖可以被氧化剂氧化，氧化反应的机理很复杂。氧化剂 不同，反应的p h 值不同，氧化机理和氧化产物也不同，既可使c 6 一o h 氧化成醛 基或梭基，也可使c 3 - o h 氧化成羧基( 成酮反应) ，还可能发生部分脱氨基或脱乙 酸氨基，甚至破坏毗喃环及苷糖键。 对酸的吸附：壳聚糖是一种碱性多糖，其氨基能结合溶液中的h + ，许多无机 酸、有机酸和酸性化合物，甚至两性化合物，都能被壳聚糖吸附结合。壳聚糖的 这一特点，可应用于食品、药物、生物制品的脱酸，避免用碱中和而增加盐分， 或从溶液、发酵液中提取酸性化合物，如氨基酸、核营酸、青霉素等。 接枝共聚：甲壳素和壳聚糖分子链上的活性基团很多，可以进行接枝共聚反 应，从而改进它们的性能，满足特殊的需要。甲壳素和壳聚糖的接枝共聚始自 1 9 7 9 年，但其后的1 0 年进展不大，进入2 0 世纪9 0 年代，国内外的研究都多了 起来。接枝共聚反应一般有化学法、辐射法和机械法三种，甲壳素和壳聚糖的接 枝共聚至今只报道了化学法和辐射法两种。从反应机理来说，又可分为自由基引 发接枝和离子引发接枝。 交联：壳聚糖分子中一o h 和一州：具有配位鳌合功能，且均可与交联剂进行交 联接枝改性成网状聚合物，甲壳素和壳聚糖可通过双官能团的醛或酸配等进行交 联。交联的主要目的是使产物不溶解，甚至溶胀也很小，性质很稳定，这对于它 们被用作层析的载体或作固定化酶载体是十分重要的，尤其是壳聚糖常常需要交 联。戊二醛作交联剂时，反应能在均相条件下，及宽p h 范围内，于室温迅速进 行，因而被普遍使用。由于壳聚糖中存在氨基，可以与过硫酸盐形成氧化还原体 系，形成活性种引发自由基聚合反应，形成壳聚糖的交联共聚物3 蝤1 。此外，还 报道了壳聚糖用三氯乙酸酰化，成为光敏聚合物后再在紫外光照射下交联的方 法。 主链水解反应：。主链水解即使在稀的弱酸溶液中也能缓慢进行。提高酸的 8 北京化工大学硕士学位论文 强度和浓度及加热能促使反应快速进行。水解产物可为葡胺糖的衍生物或各种低 分子量的我聚糖，但充分水解时只得到葡胺糖一种产物。 鳌合与吸附：甲壳素及壳聚糖分子中有- o h 、- n h 。，从构象上来看，它们都 是平伏键，这种特殊结构，使得它们对具有一定离子半径的一些金属离子在一定 的p h 值条件下具有鳌合作用，尤其是壳聚糖，与金属离子的鳌合更广范一些， 更具特色，说明壳聚糖是一类新的天然高分子鳌合剂，而且无毒、无副作用。它 们也是良好的阳离子絮凝剂，可以与金属离子形成稳定的鳌合物，有效地捕集或 吸附溶液中的重金属离子。也可以凝聚溶液中带负电荷的悬浊物、有机物等。 ( 1 ) 对金属离子的鳌合作用 甲壳素和壳聚糖与金属离子的鳌合作用，有以下几个特点：壳聚糖与金属离 子鳌合后，本身的结构并没有改变，但产物的性质改变了：因为碱金属和碱土金 属不会被壳聚糖鳌合，因此壳聚糖可在存在这些离子的水溶液中鳌合分离过渡金 属离子：当有两种或两种以上的过渡金属离子共存于一种溶液中时，将是离子半 径合适的离子优先被壳聚糖鳌合聚糖结合：氧化价态不同，结合能力也不同：壳聚 糖对过渡金属离子的结合受到阴离子的影响，c 1 一会抑制金属离子的结合量，s o 2 。 会促进结合。 ( 2 ) 对非金属物质的吸附 甲壳素及壳聚糖能通过络和、离子交换等作用对染料、蛋白质、氨基酸、核 酸、酚、卤素等进行吸附。染料：带有磺酸基团的染料在硫酸水溶液中可通过离 子交换作用被甲壳素吸附，研究发现，若干种染料对甲壳素的亲和性随着染料分 子中苯核数增加而提高。同时，由于每个染料分子上只能有一个磺酸基在甲壳素 的阳离子位置进行离子交换，其余的磺酸基团位置的限制依然留在水中，因而染 料分子的进一步磺化反而使亲和性下降。 卤素：甲壳素、壳聚糖用碘一碘化钾水溶液处理时，因吸附作用，呈现明亮 的紫红色。壳聚糖不但吸附碘，也能吸附澳，在极性溶济中的吸附量比在非极性 溶济中大得多。壳聚糖用苯乙烯接枝后，对碘和溟的吸附量都增加，其中溟的增 加更明显。 酶：在甲壳素吸附酶的研究中，报道最多的是对溶菌酶的吸附。通过这种吸 附作用可进行溶菌酶的分离和精制。在吸附过程中甲壳素与溶菌酶形成固定组成 的络合物。 低级醇类：研究表明，壳聚糖对低级醇类的吸附作用包含物理吸附又有化学 吸附。物理吸附实质上是一种范德华引力作用的结果，而化学吸附实质上是一种 化学键作用。在低温时化学吸附的速度较低，因为此时具有足够能量的活化分子 少，所以主要是物理吸附。当温度上升，物理吸附作用减弱，使吸附量减少，越 9 北京化工大学硕士学位论文 过最低点后，由于温度升高，活化分子数目增多，此时化学吸附逐渐成为主要吸 附过程，所以吸附量此时随着温度上升而增加。另外，饱和吸附量随温度变化并 不敏感。 1 4 壳聚糖微球的制备方法及其应用 壳聚糖是甲壳素脱乙酰化的衍生物，是一种天然碱性多糖，来源丰富，制备 简单，具有生物吸附性和生物相容性好、毒性低，在体内能被溶一菌酶等降解并 代谢，分解产物对人体健康无害等优点。壳聚糖在酸性溶液中质子化带正电荷， 与一定量多价阴离子交联而成球，利用这一性质可制备壳聚糖微球。近年来，国 内外有大量文献报道壳聚糖修饰脂质体、微球、微囊等应用于载药系统。目前国 内外制备壳聚糖微球的主要方法如下： 1 4 1 凝聚法 凝聚法包括单凝聚法和复凝聚法。 1 4 1 1 单凝聚法 单凝聚法也叫沉淀法，壳聚糖只溶于稀酸溶液中，壳聚糖的溶解性与溶液中 存在的其它阴离子密切相关，溶液中存在酷酸盐、乳酸盐和谷氨酸盐时壳聚糖的 溶解性很好，而当溶液中存在磷酸盐、聚磷酸盐和硫酸盐时则会降低壳聚糖的溶 解度使其沉淀析出，单凝聚法就是利用这个原理，向壳聚糖稀酸溶液中滴加沉淀 剂来制备的。其基本过程是：将壳聚糖溶于含乳化剂的稀酸溶液中，在搅拌和超 声条件下将沉淀剂( 如硫酸钠等) 滴加进壳聚糖溶液中，加入沉淀剂后继续搅拌和 超声一定时间，将所得微球离心、洗涤、冻干得成品微球。单凝聚法中所采用的 凝聚剂或沉淀剂主要有磷酸盐、三聚磷酸、硫酸盐和硬脂酸盐等。当采用单凝聚 法制备壳聚糖微球时，壳聚糖的浓度不宜太高，一般为0 2 5 ，浓度太高会导致 壳聚糖聚集体的产生；为了增加滴加沉淀剂后悬浮液的稳定性，有必要在壳聚糖 溶液中加入一定晕一的表面活性剂。所需要加入的沉淀剂的量与所使用的壳聚糖 的分子量有关，随着分子量的增加而增加。采用这种方法制备的载药微球的释药 速率随着壳聚糖与药物比例的升高而降低。 用单凝聚法制备壳聚糖微球的优点是制备过程不使用有机溶剂，对于包埋活 性药物来说有利于药物活性的保持，而且采用这种方法所制备的微球粒径可以达 到l o 微米以下，可以用于粘膜给药。但也正由于不使用有机溶剂，在沉淀微球 时，药物很容易扩散到微球外的水相，导致微球对药物的包理率不高。另外，由 1 0 北京化工大学硕士学位论文 于不使工月交联剂，药物的释放速率很快，很难实现民时问的缓释。 1 4 1 2 复凝聚法 复凝聚是利用两种带有相反电荷的高分子材料以离子间相互作用交联形成 复合微球，因体系接近等电点而使溶解度降低，自溶液中析出，共沉淀成微球。 由于壳聚糖的酸性水溶液带正电荷，因此一可以选用任何阴离一子聚合物来与壳 聚糖复凝聚成球。复凝聚法的优点之一是可以不使用有机溶剂，不使用化学交联 剂，可使被包埋的活性物质免受不良影响。另一重要的优点是，海藻酸盐和壳聚 糖的复合微球能够实现在酸性条件下不释放，而在中性条件下释放药物。这种特 性可有效地避免生物活性药物在胃中释放而失去活性，这是壳聚糖单组份微球难 以实现的，因为壳聚糖微球在酸性溶液中会溶胀释放出药物。缺点是工艺条件较 难控制。由于复凝聚法同时受p h 和浓度两个重要条件的影响，只有当复凝聚的 两物质的电荷相等时，才能获得最大的产率。 b e r t h o l d 等首次提出使用硫酸钠为沉淀剂制备了壳聚糖微粒。在壳聚糖 醋酸溶液中，加入吐温- 8 0 作为分散剂，将硫酸钠溶液滴入搅拌的壳聚糖溶液中， 超声处理，通过溶液的浊度来判定微粒的形成，所得微粒界于微球与纳米粒之间 ( 平均粒径：0 9 0 2pm ) 。t i a n 等啪1 对这种技术加以改进，获得6 0 0 8 0 0 舳 粒径的壳聚糖纳米粒。壳聚糖纳米粒也可以通过羧甲基纤维素钠( c m c ) 与壳聚糖 起复凝聚作用而制备洲。 “? 1 4 2 交联法 1 4 2 1 共价交联法 1 9 9 4 年，0 h y a 等侧首次进行了载药壳聚糖纳米粒的研究。采用水油( w 0 ) 型乳化剂进行乳化，以戊二醛为交联剂对壳聚糖的游离氨基进行交联，制备了 5 2 氟尿嘧啶( 5 2 f u ) 壳聚糖纳米粒( 平均粒径：0 8 0 1um ) 。由于制备过程中所 采用的5 2 f u 衍生物也含有氨基端，因此交联后药物被固定而不是被包裹。这种 先驱性的探索为制备具有良好稳定性、重现性的壳聚糖纳米粒提供了思路。但是， 戊二醛的细胞毒性以及对大分子药物的灭活作用使人们致力于采用更温和的方 法来制备纳米粒。 1 4 2 2 离子交联法 常用的阴离子交联剂可分为3 类：低分子质量反离子交联剂( 如焦磷酸盐、三 聚磷酸盐、四聚磷酸盐、八聚磷酸盐和六聚磷酸盐) 、疏水性反离子交联剂( 如 藻酸盐、k ：角叉菜胶等) 和高分子质量阴离子交联剂( 辛基硫酸盐、十二烷基硫 酸盐、十六烷基硫酸盐等) 。该方法的基本操作过程