（应用化学专业论文）壳聚糖马来酰化衍生物接枝共聚水凝胶的制备及其性能研究.pdf

k 海大学硕士学位论文 摘要 智能水凝胶是目前国际上热门的研究课题，其中温度敏感性及p h 敏感性水 凝胶方面的研究报道较为集中。壳聚糖是一类重要的多糖类天然高分子，具有一 定的p h 敏感性，同时具有较好的生物相容性及生物可降解性，备受人们的关注。 采用马来酸酐( m a n ) 对壳聚糖( c s ) 进行改性，制备了马来酰化壳聚糖衍生物 ( n m c s ) ，改善了其在有机溶剂的溶解性，有利于接枝反应的进行。利用电子束 为辐射源，以马来酰化壳聚糖( n m c s ) 为中间体，分别采用丙烯酸( a a ) 和n 一异丙 基丙烯酰胺( n i p a a m ) 为接枝单体，在n ，n 一二甲基甲酰胺( d m f ) 溶液中进行共辐 照接枝共聚，制备- p h 敏感性的n m c s g p a a 接枝共聚水凝胶以及温度和p h 双 重敏感的n m c s g p n i p a a m 接枝共聚水凝胶。研究了组分配比、吸收剂量等对 a a 及n i p a a m 相对n m c s 接枝率和接枝效率的影响；采用傅立叶红外光谱仪 ( f t - i r ) ，x 射线衍射( x r d ) 和热失重分析( t g a ) 等方法分析了接枝共聚物的结构， 晶型和热性能等特点。结果表明，对于n m c s g p a a 接枝共聚水凝胶，在组分配 比w 从：w n m c s 为4 ，吸收剂量为1 2 0 k g y 时接枝率和接枝效率最大。同样在 n m c s g p n i p a a m 接枝共聚水凝胶中，组分配比w n i p a a m ：w n m c s 为2 ，吸收剂量 为1 6 0 k g y 时接枝率和接枝效率最大。通过对两种水凝胶的溶胀率测定， n m c s g p 从接枝共聚水凝胶具有一定的p h 敏感性，在p h 3 时，水凝胶的溶胀 率较小，p h3 - 6 时，溶胀率快速上升，最后趋于平稳。n m c s g p n i p a a m 接枝共 聚水凝胶具有p h 和温度的双重敏感性，水凝胶的溶胀率在p h1 1 2 范围内呈“v 字形的响应特性，p h4 5 表现出相对较小的的溶胀率，并且由于p n i p a a m 的引入， 共聚物水凝胶在3 2 附近表现出显著的温度敏感性。 采用溶液共混法制备了不同比例配比的壳聚糖聚乙烯醇( p v a ) 水凝胶膜，用 傅立叶红外光谱仪( f t - i r ) ，x 射线衍射( ) ( 1 m ) 和热失重分析等表征了水凝胶膜结 构，晶型以及热性能等，并对c s p v a 水凝胶膜的接触角、溶胀率、透光率以及 相关力学性能进行了研究。结果表明，c s p v a 水凝胶膜呈现出c s 膜和p v a 膜的 v 卜海大学硕上学位论文 共有的特性，由于壳聚糖结构中氨基和聚乙烯醇的羟基之间氢键的相互作用，水 凝胶膜在热水及酸性水溶液中均不溶解，含水量可以根据壳聚糖和聚乙烯醇共混 比例调节，光学性能良好。 关键词：壳聚糖；聚乙烯醇；水凝胶；辐射接枝；温度敏感性；p h 敏感性 v i 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sac a n d i d a t eo fb i o m a t e r i a la n dd r u gc a r r i e r , i n t e l l i g e n th y d r o g e l s ，s u c ha s t e m p e r a t u r e ，p h ，l i g h t ，e l e c t r i c ，p r e s s u r ee t c ，a r ev e r yi m p o r t a n ta n di n t e r e s t i n g p o l y m e r sa n dw e r es t u d i e dw i d e l y al a r g ea m o u n to fr e s e a r c hw o r ki sc o n c e n t r a t e d o nt e m p e r a t u r e a n dp h s e n s i t i v eh y d r o g e l s ，w h i c ha r et h em o s ti n t e r e s t i n gh y d r o g e l s a m o n gt h e m c h i t o s a n ( c s ) i sak i n do fi m p o r t a n tp o l y s a c c h a r i d en a t u r a lp o l y m e r i t h a sag r e a td e a lo fa d v a n t a g e so fb i o d e g r a d a t i o na n d b i o l o g i c a lc o m p a t i b i l i t y i nt h i s p a p e r , n m a l e o y lc h i t o s a n ( n m c s ) w e r ep r e p a r e db yr e a c t i o no f c h i t o s a nw i t hm a l e i ca n h y d r i d e ( m a n ) b e c a u s eo ft h es o l u b i l i t yi m p r o v e m e n t ，t h e g r a f t i n gr e a c t i o no fc h i t o s a nb e c o m e se a s y i tc a nb eu s e di nl o c a l i z a t i o ng r a f t i n go f c h i t o s a n t a k en - m a l e o y lc h i t o s a n ( n m c s ) a sa n i n t e r m e d i a t e ，p h s e n s i t i v e n - m a l e o y l - c h i t o s a n - g r a f t - - p o l y ( a c r y l i ca c i d ) ( n m c s g - p a a ) a n dp h - a n dt h e r m o - - s e n s i t i v e n - m a l e o y l c h i t o s a n - g r a f t - p o l y ( n - i s o p r o p y l a c r y l a m i d e ) ( n m c s - - g - p n i p a a m ) c o p o l y m e rh y d r o g e l s w e r e p r e p a r e d v i af r e er a d i c a l p o l y m e r i z a t i o nb ye l e c t r o nb e a m ( e b ) i r r a d i a t i o ni nt h ed m f s o l u t i o n t h eg r a f t i n g y i e l da n dg r a f te f f i c i e n c yw i t hd i f f e r e n ti r r a d i a t i o na b s o r p t i o nd o s e sa n dm o n o m e r a m o u n t sw e r es t u d i e d t h ec o p o l y m e rh y d r o g e l so b t a i n e dw e r ec h a r a c t e r i z e db y f t - i r , x r da n dt g ae t c f o rn m c s g p a ac o p o l y m e rh y d r o g e l ，t h eg r a f t i n gy i e l d a n dg r a f te f f i c i e n c yb e c o m em a x i u mw h e nf ? w n m c se q u a l st o4a n di r r a d i a t i o n a b s o r p t i o nd o s e sa r r i v e s12 0k g y e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o p o l y m e r h y d r o g e l sd i d n o ts h o wa n yn o t i c e a b l ec h a n g ei ns w e l l i n ga tl o w e rp hr a n g eo h 3 ) h o w e v e r ，t h ec o p o l y m e rh y d r o g e l ss h o w e da l la b r u p ti n c r e a s ei ns w e l l i n ga th i g h e r p hr a n g eq h4 10 ) d u e t ot h ei o n i z a t i o no f c a r b o x y lg r o u p s f o r n m c s g p n i p a a mc o p o l y m e rh y d r o g e l ，w h e nw h p a a m ：w n m c s = 2a n di r r a d i a t i o n a b s o r p t i o nd o s er e a c h e s16 0k g y , t h eg r a f t i n gy i e l da n dg r a re f f i c i e n c ya r r i v e d m a x i m n m c s g p n i p a a mc o p o l y m e rh y d r o g e lp h a n dt h e r m o s e n s i t i v i t y w i t h i nt h el i m i to fp h1 12 ，t h en m c s - g p n i p a a mc o p o l y m e rh y d r o g e l se x h i b i t e d v 卜海大学硕士学位论文 e v i d e n tp hs e n s i t i v i t yl i k e v ”s h a p e ，t h es w e l l i n gr a t i oo ft h ec o p o l y m e rh y d r o g e l s w a sl o w e ra tp h 年- 5r e l a t i v e l y t h el o w e rc r i t i c a ls o l u t i o nt e m p e r a t u r e ( l c s t ) o f t h ec o p o l y m e rh y d r o g e l sw a sa r o u n d3 2 0 c u s i n gt h em e t h o do fp h y s i c a lb l e n d i n g ，w ec a ng e tas e r i e so fc s p v ah y d r o g e l f i l m sw i t hd i f f e r e n tb l e n d i n gr a t i o s t h ec h e m i c a ls t r u c t u r e so ft h ec s p v a h y d r o g e l f i l m sw e r ec h a r a c t e r i z e db yf t - i r , x r da n d t h e r m o g r a v i m e t r i ca n a l y s i s ( t g a ) a l s o ， w es t u d i e dt h es w e l l i n gr a t i o s ，c o n t a c ta n g l e ，t r a n s m i t t a n c e s ，t e n s i l es t r e n g t ha n d e l o n g a t i o nr a t i o so ft h eh y d r o g e lf i l m s a sr e s u l to ft h ei n t e r m o l e c u l a rf o r c e sb e t w e e n t h e 旬hg r o u p so fp v ac h a i n sa n dt h e - n h 2g r o u p so fc h i t o s a n c h a i n s ，t h e p e r f o r m a n c eo fc s p v ah y d r o g e lf i l mh a sb e e ng r e a t l yi m p r o v e d c s p v ah y d r o g e l f i l m sw e r en o td i s s o l v e di na q u e o u sa c i ds o l u t i o na n dh o tw a t e r t h ew a t e rc o n t e n to f t h eh y d r o g e lf i l m sc a na d j u s ta c c o r d i n gt ot h er a t i o so fc s p v a k e y w o r d s ：c h i t o s a n ；p o l y ( v i n y la l c o h 0 1 ) ；r a d i a t i o ng r a f t ；h y d r o g e l ；t e m p e r a t u r e s e n s i t i v e ；p hs e n s i t i v e 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特另l l d l l 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：泐陋日 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：掣：堡：d 上海大学硕上学位论文 1 1 甲壳素与壳聚糖 第一章前言 甲壳素( c h i t i n ) 和壳聚糖( c h i t o s 卸) 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，一般而言，n 乙酰基 脱去5 5 以上的就可以称之为壳聚糖，反之则称为甲壳素。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 甲壳素的结构 甲壳素( c h i t i n ) 又名甲壳质，几丁质，由c 、h 、o 、n 四种元素组成，化学 式为 ( c 8 j - 1 1 3 n 0 5 ) n 】。甲壳素是由肛乙酰2 氨基2 脱氧d 葡萄糖以一( 1 ，4 ) 糖苷 键形式连接而成的多糖，按系统命名法甲壳素称为 ( 1 ，4 ) 一2 乙酰氨基2 一脱氧 j 伊d 葡萄糖】，结构式见图1 1 。它是许多低等动物，特别是节肢动物( t a 虾、蟹 等) 外壳的重要成分，同时也存在于低等植物如真菌的细胞壁中，分布十分广泛， 是地球上仅次于纤维素的、数量最丰富的有机化合物之一。每年仅仅水圈中的甲 壳动物合成的甲壳素估计就有2 3 x 1 0 9 吨【i 。5 】。 o h 3 c o d 0 叭 l - jn 图l l 甲壳素结构式 f i g 1 - 1 t h es t r u c t u r a lf o r m u l ao f c h i t i n 1 1 2 壳聚糖的结构 壳聚糖( c h i t o s a n ) ，简写作c s ，又名壳多糖、甲壳胺、甲壳糖、聚氨基葡萄 糖等，化学式为 ( c 6 h l 。n 0 4 ) n ，结构式见图1 2 。壳聚糖由大部分d - 氨基葡萄糖 和少量的n 乙酰一d 氨基葡萄糖组成，是以p - o ，4 ) 糖苷键连接起的直链多糖， 其结构类似于纤维素。 e 海大学硕上学位论文 o 图l 一2 壳聚糖结构式 f i g 1 - 2 t h es t r u c t u r a lf o r m u l ao fc h i t o s a n 1 1 3 壳聚糖的制备 采用浓碱热解脱去甲壳素中的乙酰基：配制4 5 5 0 氢氧化钠溶液，待 冷却后加入甲壳素。在恒温8 0 条件下，持续搅拌反应一段时间后过滤，用去 离子水反复洗涤，至洗出液呈中性。再将滤出物倒入同样的4 5 5 0 氢氧化钠 溶液中，在相同条件下再反应一段时间后过滤，用大量去离子水冲洗，直至洗出 液呈中性，放入5 0 恒温烘箱中干燥，即可得到壳聚糖。反应式见图1 3 。 弋n 甲壳素 壳聚糖 图1 3 壳聚糖的制备反应式 f i g 1 - 3 t h ep r e p a r a t i o np r o c e s so f c h i t o s a n 1 1 4 壳聚糖的性能 甲壳素由于乙酰基的存在，分子间的氢键作用很强，形成了有序的大分子结 构，溶解性很差，不溶于水、普通有机溶剂、稀酸和稀碱，但溶解于某些特殊溶 剂中，溶于浓有机酸并有降解作用。壳聚糖则易溶于甲酸、乙酸、水杨酸等有机 酸中，脱乙酰度在5 0 左右的壳聚糖能溶于水。而脱酰度高于6 0 或低于4 0 的产物以及在非均相条件下脱乙酰反应得到的产物均不溶于水。 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。壳聚糖的结构与纤维素十分相似， 作为一种天然多糖衍生物，具有优良的生物亲和性，其分子链上丰富的羟基和氨 基，可发生多种化学反应【6 8 1 。 2 一 11j 上海大学硕士学位论文 1 1 5 壳聚糖的应用 壳聚糖资源丰富、制备工艺简单、价格低廉、应用面广，广泛应用在生物工 程、医药卫生、化学化工、农业、食品、化妆品、环保、纺织、印染、造纸、废 水处理、重金属回收等工业领域。 1 , 1 5 1壳聚糖在医药领域中的应用 壳聚糖作为包含生物信息的天然高分子材料，它及其衍生物兼具生物相容性 和生物可降解性，可被生物体内的溶菌酶分解。当壳聚糖应用于相关医药领域时， 其安全性较其它合成材料更为可靠。壳聚糖作为生物医用材料的潜力来源于其阳 离子特征和在溶液中的高电荷密度【9 】，该特征使壳聚糖能与许多阴离子聚合物发 生凝聚而形成配合体。由于壳聚糖电荷密度具有p h 依赖性，配合体被转运到一 定的生理环境下将导致壳聚糖固定的聚阴离子的解离，医药工业上用于制造抗癌 药、人造皮肤、人工肾、外科手术缝合线、降胆固醇药、止血海绵、医用纤维和 敷膜、药物载体等方面 1 0 , i t 】。 例如，壳聚糖具有较好的吸湿性、保湿性，其吸湿性很强，仅次于甘油，比 聚乙二醇、山梨醇高。壳聚糖及其衍生物具有良好的生物相容性和生物降解性， 降解产物对人体无毒副作用，体内不积蓄，无抗原免疫性；具有抗菌杀菌、抗肿 瘤作用；具有加快伤口愈合、促进组织修复及止血能力，对受损伤的生物体能诱 生特殊细胞加快创伤愈合；壳聚糖作为天然抗酸剂，具有中和胃酸、抗溃疡作用， 还可以降低肾病患者血清胆固醇、尿素及肌酸水平。壳聚糖和甲壳素混合后可以 制成高强度的丝状纤维，用作手术线。这种手术线能被生物体内的溶菌酶降解， 伤口愈合后不需要拆除就能被机体充分吸收，这样就不会产生过敏反应。 1 1 5 2 壳聚糖在食品、农业、纺织等领域中的应用 壳聚糖分子链上丰富的羟基和氨基，使其易于进行化学修饰而赋予多种功 能。壳聚糖膜具有透明、透气的特性，半刚性高分子骨架和优良的成膜能力，它 在食品、农业、纺织、污水处理等领域也得到了广泛的应用。如在纺织、印染工 业用作涂料染花粘合剂，织物防缩整理剂；在环保、饮用水、饮料、食品工业中 用作水处理剂、絮凝剂、重金属脱除剂1 2 】；在保健食品方面，具有提高人体免 上海大学硕士学位论文 疫力、抗衰老、增强机体活力的作用1 3 】；在烟草、造纸、人造板等工业用作胶 粘剂；在农业方面用于农药缓释材料、生物农药、农作物生长促进剂、水果保鲜 剂等。 1 1 5 3 壳聚糖在生物方面的应用 壳聚糖是一种网状载体，具有机械性能良好、化学性质稳定、耐热性强等优 点，可作为固定化酶的载体；壳聚糖来自于生物体，细胞毒性极低、亲和性好、 安全性高，是制造细胞培养用微载体的好材料；壳聚糖可诱导植物组织产生甲壳 素酶，从而阻碍植物病原菌的增殖，可以作为植物生理剂等等。 例如，阳离子的壳聚糖溶液与阴离子的藻酸溶液可相互作用形成不溶于水的 生物膜，这种生物膜的相容性好，能渗透细胞产物胰岛素，如将其移植到切除了 胰脏的动物体内，可成功地控制血糖浓度【i6 】。 1 1 5 4 壳聚糖在环境方面的应用 在环境保护方面，壳聚糖可以作为絮凝剂、污泥脱水剂、分离树脂等。壳聚 糖对许多物质具有螯合吸附作用，其分子中的氨基和与氨基相邻的羟基与许多金 属离子( 如h 矿+ 、n i ”、c u 2 + 、p b 2 + 、c d 2 + 、a g + 等) 1 4 - 1 7 1 能形成稳定的螯合物，用 于治理重金属废水、净化自来水及在湿法冶金中分离金属离子等。 此外，壳聚糖能通过络合及离子交换的作用，对染料、蛋白质、氨基酸、核 酸、酶、卤素等进行吸附，用于染料废水、印染废水、食品工业废水的处理 18 1 ， 从而净化环境，保护人类健康。 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。 1 2 1 主链的水解反应 低聚壳聚糖的制备主要通过壳聚糖主链的水解反应获得。壳聚糖的降解方法 主要有三大类，包括酸解法 1 9 - 2 1 】、酶解法 2 2 - 3 0 】、氧化降解法 3 1 , 3 2 和辐射降解 3 3 , 3 4 1 等。其中，酶降解法通过特异地断裂壳聚糖的f l - ( 1 ，4 ) 糖苷键来达到降解的目的， 4 e 海大学硕士学位论文 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，可以在壳聚糖上引入不同 的脂肪族或芳香族酰基 3 5 - 3 8 】，产物在有机溶剂中的溶解性将大大改善。壳聚糖的 酰化反应在氨基或羟基上均可进行，而氨基的酰化更为优先。 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 乙酰化度为5 0 的水溶性壳聚糖。而以吡啶为溶剂和催 化剂的存在下，可以得到完全乙酰化的壳聚糖【3 9 4 1 1 。 若控制壳聚糖的酰化反应仅在羟基上进行，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。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 研究【4 2 4 5 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 o 一三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q - 甘露糖或1 3 一g l c n a 支链的壳聚糖，这种带有支化的 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 4 8 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 4 9 , 5 0 ，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 6 一羟基能被各种酸和酸的衍生物酯化，常用的酯化试剂 有浓硫酸、氯磺酸、磷酸、乙酸、苯甲酸等。如果将壳聚糖的c 6 羟基氧化成羧 基，再进行硫酸酯化，可制得与抗凝血剂肝素的结构非常相似的产物，受到人们 的极大重视【5 1 5 4 1 。 壳聚糖还可以与二硫化碳在碱性条件下反应，得到n 黄原酸酯化壳聚糖。这 5 上海大学硕士学位论文 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 水，可通过过滤除去，因此是一种有效的重金属去除剂5 5 1 。 1 2 4 烷基化反应 壳聚糖的单元上有c 3 、c 6 位的羟基以及c 2 位的一级氨基，尤其是其氨基有一 对孤对电子，具有很强的亲核性，因此可与许多烷基化试剂反应。 如壳聚糖与卤代烃反应，首先发生的是n 烷基化，o 烷基化次之，所得烷基 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 5 6 , 5 7 。而壳聚糖在碱 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【5 黏删在保护氨基的 情况下，利用c 6 位的羟基的亲核性将壳聚糖与二苯并1 6 冠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 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 6 1 , 6 2 。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【6 3 】，可用于制备蒙脱土纳米插层复合材料酬。 1 2 5 生成席夫碱 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 6 5 , 6 6 。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 观察到了壳聚糖本 身所没有的玻璃化转变现象【6 7 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 对壳聚糖的氨基进行保护，然后只定位在羟基基上进行其他的化学修饰【6 8 1 ，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，经硼氢化钠等将之还原，可转化成n 烷基化壳聚糖衍生物【6 9 1 。 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 6 上海大学硕士学位论文 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 析的载体或固定化酶的载体【7 0 1 。壳聚糖的交联程度对壳聚糖的金属离子吸附能 力有较大影响 7 1 , 7 2 】。而且交联反应对制备壳聚糖膜材料来说几乎是必须的，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陟7 5 1 。 1 2 6 胺甲基化 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7 6 1 。而壳聚糖在此条件下反应，则生成 n ，o 一羧甲基壳聚糖旧。采用还原壳聚糖席夫碱的方法则可以得到n 一羧甲基壳聚 糖【7 8 】，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，另一种组分的高分子 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己 被广泛地应用于制各许多具有特定性能的新材料7 9 捌】。 1 3 水凝胶概述 水凝胶是能显著地溶胀于水但不溶解于水的一类亲水性高分子网络，由于水 和水凝胶网络中某些官能团的亲和性，水可能以键合水、束缚水和自由水等形式 存在于高分子网络之中而失去流动性，因此水凝胶能够保持一定的形状。根据水 凝胶对外界刺激的响应情况可分为传统的水凝胶和环境敏感性水凝胶。传统的水 凝胶对外界环境如温度或p h 等的变化不敏感，而环境敏感性水凝胶又常被称为 智能水凝胶，是指自身能感知外界环境如温度、p h 、光、电、压力等微小的变 化或刺激，并能产生相应的物理结构和化学性质变化的一类高分子水凝胶，主要 表现在其含水量会发生变化甚至发生相变，从溶胀的亲水状态变成消溶胀的疏水 状 8 2 】。敏感性水凝胶随环境变化而体积变化( 或亲水疏水变化) 的特性有可能在众 7 上海大学硕士学位论文 多领域得以应用，尤其是在药物的缓释、蛋白质的分离提纯、活性酶的包埋和人 工肌肉等方面有着广阔诱人的应用前景8 3 培7 1 ，其研究受到了国内外学者的广泛关 注。近年来，有关环境敏感性水凝胶的理论和应用研究都取得了很大的进展。 制备水凝胶的常见方法是热化学交联聚合，反应过程需要加入引发剂、交联 剂，并在一定的温度下才可以进行。聚合中常用的化学引发剂有：( 1 ) 热不稳定 的过氧化物，如过硫酸钾；( 2 ) 氧化还原体系，氧化剂如过硫酸铵，还原剂有亚 铁盐、四甲基7 , - 胺( t e m e d ) 等。交联剂常选用n ，n 一亚甲基双丙烯酰胺。由于 水凝胶的制备受到引发剂、反应温度等条件的影响，所以热化学交联聚合法制备 水凝胶受到了一定程度的限制。 辐射交联聚合是应用电离辐射能来引发有机单体( 主要是乙烯基单体) 的聚 合反应，与热化学交联聚合相比，辐射聚合有如下几个特征： 1 ) 反应过程中不需要加入化学引发剂，所得到的聚合物更加纯净，没有引发剂 的残渣。这对合成生物医用高分子材料尤为重要。 2 ) 聚合反应易于控制，用穿透性大的v 射线，聚合反应可均匀连续进行，防止了局 部过热和不均一的反应。 3 ) 可在常温或低温下进行。在辐射聚合反应中链引发活化能( e i ) 很低，与反应温 度无关。这在制备包埋生物分子的水凝胶时独具优势，能使生物分子在低温 下固定而仍保持活性。 4 ) 生成的聚合物分子量和分子量分布可以用剂量率等聚合条件加以控制。 5 ) 辐射聚合能有效改性原聚合物，如进行两步反应可制备具核一壳结构的互穿网 络型的水凝胶。 1 3 1 智能水凝胶的应用 1 3 1 1 药物控制释放系统 药物的固定化和可控释放是智能水凝胶在生物医学上应用的一个主要研究 领域。药物分子可以通过物理的或者化学的方法包埋于敏感性水凝胶中，如将干 的水凝胶浸泡于药液中而使药液渗入水凝胶( 物理方法) ，或者通过酶与水凝胶骨 架上的活性基团之间的反应而将酶固定于水凝胶中( 化学方法) 。被包埋的药物通 过水凝胶对外界环境的响应来实现控制释放。有许多研究者将水凝胶在低温下放 8 - 卜海大学硕士学位论文 入药物溶液中溶胀以吸附药物，然后在高温时收缩排斥水和释放药物，这种模式 的缺点是溶胀时药物也扩散，收缩时释放药物又太快，很难达到所希望的缓释、 长效和零级释放的要求。当聚合物中引入疏水组分之后，聚n 一异丙基丙烯酰胺 ( p n i p a a m ) 水凝胶便具有另一种释药模式：当环境温度升到其低临界相变温度 ( l c s t ) 以上时，水凝胶表面形成一个薄而致密的皮层，阻止凝胶内部的水和药 物向外释放，此时水凝胶处于“关 的状态；当温度低于l c s t 时，皮层溶胀消 失，水凝胶处于“开”的状态，内部的药物以自由扩散的方式向外快速释放，此 即药物控释的“开关模式。h o f f m a n 等 8 8 1 人合成了p n i p a a m 及 p ( n i p a a m 一0 0 m a a ) ，利用此模式研究了v b l 2 和肌红蛋白的控释，结果表明，这 种模式较好地满足了药物控释的要求。o k a n o 8 9 】将疏水性的药物填充于p n i p a a m 水凝胶中，温度低于l c s t 时，疏水性药物以慢速自由扩散方式释放，温度高于 l c s t 时，疏水性药物由于与疏水性的p n i p a a m 分子链的亲合性好而终止扩散。 此外，敏感性水凝胶还可以直接制备成水凝胶膜或接枝于高分子膜的表面，制成 刺激响应性膜材料，由环境的变化来改变膜的通透性从而控制药物的释放。 图1 4 是一种具阀给药装置，药物贮库由没有渗透性的聚四氟乙烯组成，在 具有释药孔的阀门里，温敏水凝胶作为控释膜。当温度 l c s t 时，水凝胶收 缩，阀门区有很大的自由空间，阀门处于开放状态，药物释放。这种给药装置的 优点是可以通过改变阀门和释药孔的数目来调节药物的释放速率和释放量。 阀门区- 图l _ 4 温敏具阀给药装置示意图 f i g 1 _ 4 s k e c t ho fd r u gd e l i v e r ys y s t e mo f t h e r m o - s e n s i t i v es y s t e m 9 工 l 墨l 眍 骷 蔫 。f 上海大学硕士学位论文 1 3 1 2 物料分离 分离过程是化学工业的一个关键过程，以往这个过程都是通过蒸馏、结晶等 方法来实现的。尽管膜分离和超滤等技术也广泛应用到这一领域，但存在着设备 复杂、成本高等缺点，尤其表现在分离有机物质或生物物质的稀溶液上。而将敏 感性水凝胶应用在分离领域，则具有很多优点【9 0 】：1 ) 操作条件温和，无需高温 高压，耗能少。而且也不会使活性分子失活，特别适用于生物大分子的分离和浓 缩。2 ) 可根据要求浓缩和分离的生物物质的分子尺寸或分子性质来设计凝胶的交 联密度和单体单元结构。3 ) 敏感性水凝胶对环境的智能响应具有可逆性，可以方 便地再生，反复使用，具有很好的应用前景。 例如我们可以使用温度敏感性水凝胶来分离大小不同的生物分子，如图1 5 所示。这种分离过程只需在水凝胶的最低相转变温度( l c s t ) 附近反复升温、降 温，使水凝胶对生物分子选择性吸收、解吸，就可以达到分离目的，方法简单、 经济，无需特殊的设备。 图1 - 5 温度敏感性水凝胶分离洛液中大小不i 司生物分子的不意图 f i g 1 - 5 s e p a r a t i n gb i o l o g i c a lm o l e c u l e so f d i f f e r e n ts i z e sf r o mt h em i x t u r es o l u t i o nb yt h e t e m p e r a t u r e - s e n s i t i v eh y d r o g e l 金曼蓉等 9 1 1 用p n i p a a m 对牛血清蛋白、碱性蛋白以及人体激素溶液进行浓 缩萃取实验，结果表明凝胶萃取对于浓缩和制备贵重生化制品很有效，尤其有利 于保持被处理药物的生物活性。王锦堂等【8 5 】通过用p n i p a a m 凝胶对蛋白质和酶 的分离研究表明，p n i p a a m 的分离效率在相转变温度附近发生突跃，显示出很 好的分离能力。h o f f m a n 9 2 。9 5 1 研究组曾合成了p n i p a a m 与蛋白质a ，链酶抗生 物素蛋白突变体n 4 9 c 、e 1 1 6 c 等的耦合物，应用p n i p a a m 的热响应性来控制 1 0 上海大学硕士学位论文 亲和分离人体免疫球蛋白，生物素等。 1 3 1 3 酶的固定与免疫分析 敏感性水凝胶在酶的固定与免疫分析上得到了广泛应用。通过酶与水凝胶骨 架上的活性基团之间的反应可以将酶固定于水凝胶中，在保证酶的一定活力的前 提下，反应产物易于分离，酶的稳定性增加且又能重复使用。卓仁禧等 9 6 , 9 7 将糜 蛋白酶、蜗牛酶、嗜热菌蛋白酶固定在p n i p a a m 上并在应用方面作了大量研究， 制备了一种温度敏感的溶解一沉淀固定化酶，既实现了相分离，避免酶的失活， 又可均相催化。 1 9 8 7 年，h o f f m a n 等【9 8 】通过聚异丙基丙烯酰胺( p n i p a a m ) 与抗体或抗原的 偶联，将它的温敏性应用于免疫分析当中，创建了一种新的分离分析方法，即沉 淀免疫分析法。其方法是通过p n i p a a m 与抗体或抗原的偶联，利用高聚物特有 的温敏性，在温度低于l c s t 时，免疫反应快速发生；当温度高于l c s t 时，利 用高速离心，分离出反应物，并进行测定。整个方法包括以下几个过程：1 一 抗连接到p n i p a a m 骨架上；2 二抗与标记物相连；3 在温度低于l c s t 时， 一抗高分子结合物、二抗探针结合物和生物体液样品混合反应；4 升温至l c s t 以上，使免疫复合物沉淀；5 分离测定。由于反应复合物与原料的分离，避免 了均相免疫分析中的相互干扰问题，而分析测定在分离之后进行，故其灵敏度与 其它的异相免疫分析相当。沉淀免疫分析法集中了均相与异相免疫分析的优点， 可在临床诊断、生物体液的分析等方面得到应用。周平等 9 9 】将单克隆抗体与 p n i p a a m 共价键合，对血清样品中的h b s a g 进行了检测，发现这种均相反应、 异相分离的模式具有均相免疫分析速度快，异相免疫分析灵敏度高的优点。 1 3 1 4 其它领域 智能水凝胶还在其它众多领域具有广阔的应用价值。如化学膜和化学阀、吸 水材料、化学机械器件、调光材料等。h a r u o 1 0 0 1 制作了一种智能玻璃，其机理就 是利用了水凝胶可逆热敏特性，达到可逆智能遮光目的。 上海大学硕士学位论文 1 4 智能水凝胶的研究进展 1 4 1 p h 敏感性水凝胶 1 9 8 0 年，t a n a k a 首次报导纯化后的丙烯酰胺凝胶具有p h 敏感性【l 叭】，引起 了人们极大的兴趣，随后有关p h 敏感性水凝胶的报导越来越多。p h 敏感性水 凝胶网络中一般含有可离子化的酸性或碱性基团，随着介质p h 值改变，这些基 团会发生电离，导致网络内大分子链段问氢键的解离，产生不连续的溶胀体积变 化。这类水凝胶根据敏感性基团的不同可分为阴离子、阳离子和两性离子三种类 型。 阴离子型p h 敏感性水凝胶的可离子化基团一般为c o o h ，对聚丙烯酸类水 凝胶而言，一般在p h 值较低的介质中处于收缩状态，在p h 值处于弱酸至弱碱之 间时，溶胀率急剧增大，当介质的碱性再大时，凝胶又处于收缩态。这主要是因 为在介质的p h 值较低时，此类水凝胶可离子化基团的离解度低，静电斥力对凝 胶的溶胀几乎没有贡献，此外在p h 值较低下，阴离子基团之间存在较强的氢键 使得凝胶缠绕在一起呈收缩态，水分子难以进入凝胶【1 0 2 】；随着p h 值升高，中和 作用增强，离解度迅速增大，静电斥力使网络形变加大，溶胀率逐渐增大；当p h 继续升高时，此时离解度趋于完全，而且随着胶内、外离子浓度基本相等，胶外 的渗透压趋于零，凝胶逐渐收缩 1 0 3 1 。此外，交联剂用量、单体浓度以及交联剂 的官能度数会直接影响网络的结构，对凝胶的溶胀率有很大的影响，国内的陆大 年等采用自由基水溶液聚合法合成了聚丙烯酸水凝胶，并较系统地探讨了原料配 比及交联剂对p h 敏感性的影响【1 0 4 1 。徐晖等 1 0 5 1 合成了具有p h 敏感性的甲基丙烯 酸一p o l o x a m e r 的共聚物水凝胶，研究了氢溴酸右美沙芬和维生素b 1 2 在其中的扩 散行为，表明该水凝胶可以控制药物在p h 值较低的介质中基本不释放，中性或 碱性介质中，药物以较快的速率释放，通过改变共聚物中单体的组成可以调节凝 胶的平衡溶胀率和凝胶中药物的扩散系数。 阳离子型p h 敏感性水凝胶的可离子化基团一般为氨基，如n ，n 一二甲基 乙基氨乙基甲基丙烯酸甲酯、乙烯基吡啶和丙烯酰胺，其p h 敏感性主要来自氨 基的质子化，氨基越多，水凝胶水化作用越强，平衡溶胀率越大。其溶胀机理与 阴离子型相似。s i e g e l ! 0 6 】等研究了阳离子型p h 敏感性聚胺共聚物水凝胶释放咖 1 2 上海大学硕士学位论文 啡因的实验，研究表明当p h 值降低时，聚合物中的氨基离子化，导致凝胶膨胀 释放出咖啡因。 两性p h 敏感性水凝胶同时含有酸碱基团，其p h 敏感性来源于高分子网络上 的两种基团离子化，酸性基团在高p h 时离子化，碱性基团在低p h 时离子化，故 两性水凝胶在高低p h 值处均有较大的溶胀率，而在中间p h 值处其溶胀率较小。 与前面两种不同，它在所有p h 范围均存在溶胀，同时它对离子强度的变化更敏 感。上海大学的陈捷老师等【1 0 7 】采用辐射法制备了壳聚糖n 烯酸