（高分子化学与物理专业论文）聚合物辅助倒相法制备壳聚糖微孔膜的研究.pdf

浙江大学博士学位论文 摘要 壳聚糖是天然高分子甲壳质脱去n 乙酰基的衍生物，由于具有优异的生物 相容性和可降解性，并且易于成膜，经常被制成各种功能材料，正受到越来越多 的关注。在很多情况下，壳聚糖基高分子膜要求具有开放型的多孔结构。本论文 围绕“制备一结构一性能”这一核心问题开展研究工作，发展了一种制各具有亚 微米级多孔结构的壳聚糖膜的新方法，并对影响多孔膜结构与性能的因素进行了 系统研究。 选择了三种水溶性高分子( 聚乙烯毗咯烷酮，聚乙烯醇，聚乙二醇) 与壳聚 糖进行共混，壳聚糖和他们之间皆有一定的相互作用，共混时能够得到比较好的 相互分散，壳聚糖聚乙烯毗咯烷酮和壳聚糖聚乙烯醇共混体系相容性好，而壳 聚糖，聚乙二醇体系相容性相对较差，有明显的相分离，相应地，其综合力学性 能也较其他两个体系为差。 。 相容性上的差异，决定了抽提后得到的膜的孔结构与性能上的差异。通过热 水处理，共混膜中水溶性高分子都能得到有效的抽提，但是都不能被完全抽提， 壳聚糖与聚乙二醇之间的相互作用最弱，最容易被抽出，壳聚糖与聚乙烯吡咯烷 酮之间的相互作用最强，最不容易被抽出，壳聚糖与聚乙烯醇的相互作用强度则 介于两者之间。抽提后得到的多孔膜的孔结构受聚合物对的相容性控制，壳聚糖 和聚乙二醇的相容性差，抽提后留下了具有高度孔隙率的多孔膜，孔径尺寸和孔 隙率可由聚乙二醇投料比进行调控，并且有很好的水通性能；虽然经过热水处理 聚乙烯吡咯烷酮组分也得到了比较有效的抽提，但是由于主要起占孔作用的聚乙 烯吡咯烷酮相尺寸小，在分子级别，壳聚糖聚乙烯吡咯烷酮共混膜抽提后没有 留下亚微米级的多孔；壳聚糖与聚乙烯醇的相容性和相互作用均介于上述两者之 间，经过热水的有效抽提，得到不对称的多孔结构，这主要是由于制备共混膜过 程中两相有不同的表面富集状态所引起的。 在利用选择性抽提壳聚糖聚乙二醇共混膜制各壳聚糖基多孔膜时，除了投 料比外，聚乙二醇分子量的选择对多孔膜的形态与结构也有重要影响，分子量越 小，与壳聚糖的相互作用越强，在壳聚糖基体中的分散更均匀，分散相尺寸更小， 浙江大学博士学位论文 得到的多孔膜孔径越小，孔径分布越窄。也就是说，通过改变聚乙二醇分子量可 以对多孔膜的结构与性能进行裁剪。 通过对壳聚糖聚乙二醇半互穿共混网络膜的抽提，可以制得综合性能更好 的壳聚糖基多孔水凝胶。改变聚乙二醇和交联剂的用量可实现对最终得到的多孔 水凝胶的结构与性能的调控，包括孔结构、溶胀性能、力学性能等。多孔水凝胶 能在较宽p h 的环境中保持稳定，对p h 的变化具有快速灵敏的刺激响应，它的 溶胀一收缩过程重复可逆。干、湿态的力学性能较从直接抽提壳聚糖聚乙二醇得 到的多孔膜有了明显提高。 关键词：壳聚糖，聚乙烯吡咯烷酮，聚乙烯醇，聚乙二醇，相容性，多孔膜 a b s t r a c t c h i t o s a n ( c s ) i sa nn d e a c e t y l a t e dp r o d u c to f c h i t i nt h a ti so n eo ft h em o s t a b u n d a n t p o l y s a c c h a r i d e s i nn a t u r e a n dh a s g o o dp h y s i c a l ，b i o l o g i c a l a n d b i o d e g r a d a b l ep r o p e r t i e s i ti sr e a d i l yp r o c e s s a b l ei n t om e m b r a n e s f r o ma q u e o u sa c i d s o l u t i o n s t h em e m b r a n e so b t a i n e db yc h i t o s u na n di t sb l e n dh a v eb e e nr e p o r t e dt ob e s u i t a b l ef o rv a r i o u sa p p l i c a t i o n s i nm a n yc a s e so fs u c ha p p l i c a t i o n s ，i ti sn e c e s s a r y t o h a v ea no p e np o r o u ss t r u c t u r e i nt h i sw o r k ，w e v ed e v e l o p e dan o v e lm e t h o dt o p r e p a r e c h i t o s m ab a s e p o r o u s m e m b r a n e i tc o n s i s t so fc a s t i n gas u s p e n s i o no f c s c o u n t e r p a r tp o l y m e rb l e n ds o l u t i o n ，r e m o v i n g t h es o l v e n t b ye v a p o r a t i o n ， n e u t r a l i z a t i o n , a n dd i s s o l v i n gt h ec o u n t e r p a r tp o l y m e rb yh o t w a t e ra f t e r w a r d t h r e ek i n d so fw a t e rs o l u b l e p o l y m e r s ( i e p o l y v i n y lp y r r o l i d o n e ( p v p ) p o l y v i n y la l c o h o l ( p v a ) ，p o l y e t h y l e n eg l y c o l ( v z g ) ) w e r e c h o s e na st h ec o u n t e r p a r t p o l y m e r s r e s u l t ss h o w e d t h a tt h e r ea r em o r eo rl e s si n t e r a c t i o n sb e t w e e nc sa n dt h e c o u n t e r p a r tp o l y m e r s i nt h ec s c o t m t e r p a r tp o l y m e rb l e n d s ，t h ec r y s t a l l i n es t r u c t u r e o fe a c hc o m p o n e n ti sd e s t r o y e du p o nb l e n d i n g t h ec o m p a t i b i l i t yb e t w e e nc sa n d p e gi sm u c hw o r s et h a nt h eo t h e rt w ob l e n d p a i r s p h a s es e p a r a t i o no c c u r r e di nc a s e o fc s p e gb l e n ds y s t e m h e n c e ，t h e i rb l e n d sh a dp o o rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s t h e p o r es t r u c r l r ei n d u c e db yt h i sm e t h o di sc o n t r o l l e db y t h ec o m p a t i b i l i t yo f c sa n dt h ec o u n t e r p a r tp o l y m e r s t h ep o r es i z er e f l e c t st h ep h a s es i z ea n dp h a s e c o n t i n u i t yo f t h eb l e n d n op o r es t r u c t u r ew a si n d u c e di nt h ec a s eo fc s p v pd u et o t h e i rm o l e c u l el e v e l m i s c i b i l i t y a n dt h e s t r o n g e s ti n t e r a c t i o n h i g h l yp o r o u s m e m b r a n e sw i t h g o o d w a t e r p e r m e a b i l i t y w e r e p r e p a r e d f r o mc s p e gb l e n d m e m b r a n e sf o ri t s p h a s e - s e p a r a t e ds t r u c t u r ec a u s e db yt h ep o o rc o m p a t i b i l i t y t h e c o m p a t i b i l i t y a n dm e m b r a n es t r u c t u r eo fc s p v ai si nb e t w e e no ft h e m t h e a s y m m e t r i cs t r u c t u r eo b t a i n e df r o mc s p v a b l e n dm e m b r a n ew a sm a i n l yb e c a u s ei t s s u r f a c es t a t ed u r i n gb l e n dm e m b r a n e s p r e p a r a t i o n t h ep o r es t r u c t u r ea n dh e n c et h e p r o p e r t i e s o ft h em e m b r a n ec a r la l s ob e c o n t r o l l e db ya l t e r i n gt h em o l e c u l a rw e i g h to fp e gi t i sw e l lk n o w nt h a tt h e i i i 浙江大学博士学位论文 p e r m e a b i l i t yo f ap o r o u sm a t e r i a li sd e t e r m i n e db yi t sp o r es i z ea n dp o r o s i t y t h e h i g h e s tw a t e rp e r m e a b i l i t yo ft h ee x t r a c t e dc s p e g 2 0 0 0 0c a l l b ea t t r i b u t e dt oi t s b i g g e s tp o r es i z ea n dh i g hp o r o s i t y a n dt h eh i 曲w a t e rp e r m e a b i l i t yo f t h ee x t r a c t e d c s p e g 2 0 0 0b l e n dm e m b r a n e sc a r lb em a i n l ya t t r i b u t e dt oi t sh i g h e s tp o r o s i t y t h e l o ww a t e r p e r m e a b i l i t y o f t h eo t h e rt h r e ec a s e s ( p e g 4 0 0 0 ，p e g 6 0 0 0 ，a n dp e g l 0 0 0 0 ) i n d i c a t e dt h a tt h e yh a v er e l a t i v e l ys m a l l p o r es i z ea n dl o wp o r o s i t y t op r e v e n td i s s o l u t i o ni na c i d i cs o l u t i o n ，c sm e m b r a n e sw e r ec r o s s l i n k e d t h e p e ge m b e d d e dw i t h i nt h ec s p e gs e m i i p nh a sb e e ne x t r a c t e de f f e c t i v e l yb yh o t w a t e rt oi n d u c e p o r o u ss t r u c t u r e t h ec o n t e n to f p e ga n dt h ec m s s l i n k i n g a g e n th a sa s i g n i f i c a n te f f e c to nt h ep o r es t r u c t u r e t h ep o r es i z ew a si ns u b - m i r c o m e t e rl e v e l ( 3 m ) h e n c e ，i ti sh e l pt ot h ea v a i l a b i l i t yo f al a r g er a n g eo f p o r es i z e sp r o v i d e s m o r e f l e x i b i l i t y t os u b m i tt oaw i d e r s p e c t r u m o f a p p l i c a t i o n s ，e s p e c i a l l yf o rt h o s e t h a t r e q u i r ep o r es i z ei ns u b - m i c r o m e t e rl e v e l t h em e m b r a n ei sp hs e n s i t i v e ，e x h i b i t i n g r e v e r s i b i l i t ya n d r a p i dr e s p o n s e i n s w e l l i n g t o p hc h a n g e s t h es w e l l i n g r a t i o o s c i l l a t e db e t w e e nc a 1 2 0t oc a 2 2 0w h e n p h w a sa l t e r n a t e db e t w e e n3 2a n d1 1 i t a l s oh a sf a i r l yw e l lm e c h a n i c a ls t r e n g t hb o t l li nd r ya n ds w o l l e ns t a t e t h u s i tw a s e x p e c t e da sp o t e n tc a n d i d a t e sf o rb i o m e d i c a l u s ea se n v i r o n m e n t a lp hc o n d i t i o n a l t e r e d k e y w o r d s ：c h i t o s a n ，p o l y v i n y lp y r r o l i d o n e ，p o l y v i n y la l c o h o l ，p o l y e t h y l e n eg l y c o l ， c o m p a t i b i l i t y , p o r o u sm e m b r a n e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得迸姿盘茔或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的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谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堑姿盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 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，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盘姿盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密自q 学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 导师签名 签字日期：年月日 签字日期：年月日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 浙江大学博士学位论文 1 i 概述 第一章文献综述 1 1 1 甲壳素和壳聚糖 甲壳素( c h i t i n ) 1 又名甲壳质、壳多糖、几丁质，化学结构式为直链1 3 ( 1 - 4 ) 2 乙酰胺基- 2 - 去氧一d 葡聚糖，是一种天然的有机高分予多糖，广泛分布于自然界 甲壳纲动物的虾蟹的甲壳( 约含1 5 2 0 ) 、昆虫的甲壳、真菌的细胞壁和植物 的细胞壁中。蕴藏量在地球上的天然有机高分子物质中占第二位，仅次于纤维素， 每年地球上自然生成量高达百亿吨。甲壳质分子间有强烈的氢键作用，溶解性能 差，实际应用较多的是其衍生物，最重要的是壳聚糖。 c h i t o s a n f i g 1 1m o l e c u l a rs t r u c t u r eo f c h i t i na n d c h i t o s a n h 邋 q 、z h 远 浙江大学博士学位论文 壳聚糖( c h i t o s a n ，c s ) 是由甲壳素脱乙酰基得到的( 图1 - 1 ) ，又名脱乙酰 甲壳质、甲壳胺、可溶性甲壳质。化学结构式为直链d ( 1 - 4 ) 2 氨基一2 去氧d 一 葡聚糖。甲壳质和壳聚糖在结构上的实际区别在于脱乙酰的程度。壳聚糖分子中 仍有部分n 一乙酰基存在。壳聚糖分子本体仍有立构规整性和较强的分子间氢键， 在多数有机溶剂、水、碱中难以溶解。但由于壳聚糖中含有氨基，在稀酸中当 h + 活度足够时，使一n h 2 质子化成一n h 3 + ，破坏原有氢键和晶格，使- - o h 与水 分子水合，分子膨胀并溶解。所以壳聚糖可以溶解在稀酸中，如水杨酸、酒石酸、 乳酸等有机酸和弱酸的稀溶液，也能溶于一些无机酸，如硝酸、盐酸、高氯酸等。 此外它也能溶于一些混合溶剂如d m f n 2 0 。等。 1 1 2 壳聚糖的基本物化性质 壳聚糖具有可再生与亲水性、生理适应性、可完全分解性、多功能反应性和 立体结构与手征性。表征壳聚糖的物化参数主要有以下三个： 1 ) 乙酰度：乙酰度( 或脱乙酰度) 是表征乙酰化与脱乙酰化部分之间的平衡 程度。通过选择适当的脱乙酰度，可得到诸多不同的物理化学性质2 - 3o 如在溶 解度方面，乙酰度决定了壳聚糖在稀酸中的溶解性，在5 0 脱乙酰度附近，其 溶解性为最佳态。 2 ) 分子量与分子量分布：壳聚糖分子量高低和其分散程度的大小，对材料 的物理机械性能如成膜性、成纤性与强度以及对生理活性的影响都至关重要。壳 聚糖的分子量测定通常用粘度法、光散射法和凝胶渗透色谱法( g p c 法) 。用粘 度法测定分子量的一个经验式为m a r k h o u w i n k 方程：m = 足胪，式中置和碹与 脱乙酰度有关，脱乙酰度越大，k 值越大，口值越小4 。 3 ) 结晶度：天然态的甲壳素是以旺和b 晶型存在，c c 甲壳素经化学处理可转 变成b - 甲壳素。岱- 甲壳素具有紧密的组成，大多数的晶区是逆平行链状态排列， 成片层状结构，它的重复距离为o 9 6 n m 5 o b 甲壳素的晶区是平行链状排列。不 同晶型的甲壳素具有不同的功能，a 一甲壳素通常与矿物质沉淀在一起，形成坚硬 的外壳，而d 甲壳素与胶原蛋白相联结，表现出一定的硬度、柔韧性和流动性， 还具有与支撑体不同的许多生理功能。不论壳聚糖来源如何、脱乙酰度高低，或 者再生与天然的，其结晶度几乎都在3 0 3 5 之间。 浙江大学博士学位论文 1 2 壳聚糖在功能材料方面的应用 壳聚糖具有良好的生物相容性和生物可降解性，可以被壳聚糖酶等水解，酶 解产物是氨基葡萄糖，是生物体内大量存在的一种成分，因此无毒，也不会有积 蓄作用，产物不与体液反应，对组织无排异反应。由于这些特性，壳聚糖在生物 医用功能材料方面得到了广泛的应用。如医用纤维1 、药物控释体系1 、创伤敷 料1 2 - 1 9 组织工程用生物支架材料2 0 - 2 6 色谱分离膜2 7 。3 1 等。 把甲壳素溶于溶剂，经喷丝、凝固、纺丝制成的缝合线已应用于临床。甲壳 素溶于d m a l i c i ，经喷丝，在异丁醇中凝固，绕丝、捻丝，这种丝再在o 。5 的甲壳素溶液中浸渍，予甲醇浴中凝固，就可制成o 5 2 0 支单根甲壳素纤维。 与传统的羊肠线相比，用壳聚糖制成的外科手术缝合线材料柔软，易打结，机械 强度高、易被吸收，同时不改变皮肤胶原蛋白中羟脯氨酸含量，无炎症反应，还 可用常规方法消毒，增加伤口的抗张强度3 2 ，加速伤口愈合。在使用的初始1 0 一1 5 天中有很大的强度，而后强度迅速下降，可被酶分解，因此术后可免拆线痛苦。 对药物的控制释放解决了常规给药方式导致的药物浓度难以控制在有效范 围，从而产生毒副作用、不易到达病变部位、药物利用率低等缺陷。释放模式包 括：定位释放( 导向药物) 、恒速释放( 缓释药物) 、脉冲释放( 智能释放) 。在 诸多的天然聚合物凝胶种类中，作为一种聚阳离子水凝胶，壳聚糖基功能性水凝 胶的研究一直十分活跃，特别地，壳聚糖基水凝胶以其具有良好的p h 敏感性而 备受关注。姚康德等3 3 串对壳聚糖基智能凝胶进行了较为系统的研究，设计、制 备和研究了以下几种典型的p h 敏感性壳聚糖基水凝胶：壳聚糖与交联壳聚糖， 交联壳聚糖聚醚半互穿网络凝胶、壳聚糖果胶聚电介质配合物凝胶、壳聚糖 明胶聚电介质配合物凝胶、壳聚糖明胶杂混聚合物网络凝胶。他们利用差示量 热扫描量热法( d s c ) 、核磁共振( h - n m r ) 、正电子湮没( p a l s ) 、原子力显微 镜( a f m ) 对上述各种壳聚糖基水凝胶分别研究了：凝胶中水的状态，溶胀过 程中水质子和聚合物网络大分子链上质子的总变化趋势，溶胀过程中凝胶自由体 积变化的分析，跟踪水凝胶在酸碱介质中表面形貌的变化以及弹性模量的变化。 得到了壳聚糖基水凝胶溶胀动力学方面很多规律性的结果。a c a l b e r t s s o n 等 4 ”8 将l ，d - - 孚l 酸接枝在壳聚糖的氨基上，研究了支链长度和接枝率对水凝胶结 构与性能的影响，结果表明，l ，d - - 孚l 酸接枝壳聚糖基水凝胶具有良好的d h 值 浙江大学博士学位论文 敏感性，在p h 值4 到8 之间有最高的溶胀度，在不同缓冲溶液中的溶胀速率大 小次序为：中性 酸性 碱性。利用壳聚糖及其衍生物制备颗粒剂4 9 、片剂”、膜 剂“、凝胶”、微球”等形式的控制释放剂取得比较好的效果。朱康杰等5 4 用乳 化法制备了粒径小于2 0 0j a m 可注射用壳聚糖一海藻酸钠微囊，在壳聚糖海藻酸 钠微囊表面复合的牛血清蛋白持续释放时间从几小时延长到半个月以上。此外， 以壳聚糖和羧甲基纤维素钠为主要辅料，采用复凝法和乳液相分离法相结合的工 艺，可以制备水溶性药物头孢氨苄的缓释微囊5 5 0 l o r e n z o l a m o s a a 等5 6 研究了 核壳型结肠定位释放微球的制备及缓释效果。释药机制为：e u d r a g i t ( 丙烯酸树 脂) 壳的溶解、壳聚糖层的膨胀、药物的溶解和通过胶层的扩散。c s 的氨基和 丙烯酸树脂的羰基之间存在离子作用，这种c s 核一e u d r a g i t 壳的多层载药系统在 偏碱性环境下可以维持较长时间的释放，并可以在制备微球的过程中通过改变溶 剂种类、壳聚糖的分子量和浓度等调节药物释放。 壳聚糖和甲壳素是制造人造皮肤5 7 的理想材料，以壳聚糖为主要原料制备的 人造皮肤质地柔软、舒适，与创面的贴合性能好，既透气、又吸水，不仅有抑菌 消炎作用，而且具有抑制疼痛、止血和促进伤口愈合的功能。随着患者创伤的愈 合与自身皮肤的生长，壳聚糖人造皮肤能自行溶解并被机体吸收，不但不会留下 碎屑而延缓伤口的愈合，相反还会促进皮肤再生。壳聚糖人造皮肤的使用免除了 常规揭除时流血多及病人的痛苦，对治疗高热创伤特别有效。 根据组织工程的原理5 8 - 6 1 作为组织修复的基本构件的三维支架必须易于形 成；具有一定的孔径和孔隙率，提供足够的细胞生长空间；一定的力学强度满足 不同受损器官对力学性能的要求；植入病损部位后应有良好的生物相容性和无免 疫排斥反应，与新的组织生成速率相适应的降解速率：以及能承载并释放有利于 组织生长的药物及生物活性物质如生长因子等。从材料学与工程的观点，组织可 视同细胞复合材料，它由起功能作用的细胞和其分泌的细胞外基质组成。细胞外 基质提供细胞信息，细胞则指导细胞外基质的合成。细胞外基质是由蛋白质和糖 胺聚糖构建的物理和化学交联网络。壳聚糖的结构与糖胺聚糖有相似之处，具有 良好的生物相容性，可调节的生物降解性能，还能通过各种途径如相分离、纤维 连接和溶液浇注等方法制备成具有不同微观形貌和宏观形状。并且具有一定力学 强度适应不同部位的组织缺损修复要求的三维多孔支架，此类壳聚糖支架可用作 浙江大学博士学位论文 生物活性物质的载体，使其缓慢释放；能支持种子细胞如成纤细胞、角质形成细 胞、内皮细胞、成骨细胞、软骨细胞和肝细胞等的粘附和分化。 壳聚糖多孔膜还可作为色谱分离膜。与传统的色谱柱相比，有很多优点”， 例如更低压力降，更高的流速，更快的结合和更高的收率。在蛋白质分离和纯化 方面有很好的效果。 1 3 壳聚糖基多孔膜的制备方法 在前面讲到的壳聚糖基高分子膜的这些应用中，在很多情况下，比如在组织 工程用支架材料以及作为蛋白质分离纯化膜时，要求壳聚糖基高分子膜具有开放 型的多孔结构。文献上和已工业化生产中提及的多孔膜的制各过程主要有6 2 ：烧 结法，拉伸法，径迹蚀刻法，相转化法，溶胶一凝胶法，模板浸出法。具体应用 到壳聚糖多孔膜的制备过程，从现有文献报道来看，主要有以下几种： 1 3 1 相转化法 相转化法是一种传统的制备多孔膜的方法6 3 - 7 8 , 主要有溶剂蒸发、控制蒸发 沉淀、热沉淀、蒸气相沉淀及浸没沉淀，大部分的相转化膜是通过浸没沉淀制得 的。铸膜液的组成、蒸发时间、凝结浴的选择、温度等对最终的膜结构与形态有 重要的影响。一般过程为：将壳聚糖溶液刮涂在适当的支撑体上，然后浸入含有 非溶剂的凝固浴( 一般为n a o h 水溶液) 中，由于溶剂和非溶剂的交换而导致沉 淀，最终得到多孔膜。用这种方法制得的多孔膜一般是不对称的，其表层是致密 的。方征平”等研究了凝结浴温度、组成对制备壳聚糖膜结构与性能的影响。在 一定的温度下，利用一定配比的乙醇、甘油、n a o h 混合溶液作凝结浴，可大大 缩短壳聚糖膜的制备周期，并且制备的壳聚糖膜有良好的力学性能和手感。z m o d r z e j e w s k a 等”7 2 利用湿相转化法制备了一系列壳聚糖超滤膜，在分离重金 属离子方面显示了很好的效果。利用不同溶剂配制得到的壳聚糖溶液降解性能不 同，对膜的分离效果有很大的影响，以甲酸为溶剂得到的膜分离效果最佳，膜的 分离效果受铸膜液粘度下降而下降。flm i 等7 3 刁5 利用浸没一沉淀相转化法制 备壳聚糖不对称膜，致密表层和多孔底层的厚度可以通过控制浸入凝结浴前的预 浙江大学博士学位论文 蒸发时间来进行控制，在进入n a o h - n a 2 c 0 3 组成的凝结浴之前，随预蒸发时间 的延长，膜的总厚度和孔隙率下降，同时致密表层的厚度增加，这种不对称膜可 用作人工皮肤材料。 1 3 2 冷冻诱导相分离法 此法是制备壳聚糖基组织工程用多孔支架最常用的方法，相关文献报道很多 7 6 - 8 4 。将室温难溶的高性能聚合物与稀释剂在升高温度下溶化均一。然后，降温 分相，脱除稀释剂，形成微孔结构。根据固液或液一液相分离。膜形成花边结构 或蜂窝结构。壳聚糖不存在熔点，不可能形成自身的液相，然而冷冻壳聚糖水溶 液，使水结晶与壳聚糖相分离，一旦脱除水，同样形成孔结构。得到的孔隙结构 受铸膜液组成、冷冻温度、冷冻速率等条件的影响。李文俊等7 蜘。采用此法制备 多孔膜的具体过程如下：室温下，将c s 溶于醋酸水溶液，配成不同浓度的c s 溶液，浇入模具或基板上，置入低温恒温室中淬冷，在此温度下恒温固化，用丙 酮萃取除水3 次，减压除去丙酮。制得的多孔膜从表面看膜为均质多孔结构，类 似于“花边”孔结构；从截面看，孔呈平行于基板的片层结构，说明膜是由多孔 片层堆积而成的三维立体结构。m a d i h a l l y 等”通过控制壳聚糖溶液和凝胶的冻 结和冷冻干燥条件，研制了不同类型的多孔壳聚糖支架。高长有等8 2 研究了制各 不同的铸膜模具对壳聚糖明胶生物支架孔隙结构的影响，不同的模具由于热导 率的不同，所得多孔支架的孔径差异很大，利用高热导率的模具( 不锈钢) 制得 的膜孔径尺寸小，在2 4 n m ( 从- - 6 0 。c 到- - 2 0 。c ) ：利用低热导率的模具得到的 膜孔径尺寸变化很大，随冷却温度的不同孔径从1 0 一2 0 i _ u n ( 从- - 6 0 0 c 到- - 4 0 。c ) 到2 6 5 k t m ( 从- - 6 0 。c 到- - 2 0 。c ) 。利用这种方法制备的多孔膜在药物缓释性能方 面要优于普通的致密膜8 3 副，m m a m i j i 等8 3 研究了不同制各方法得到的交联 壳聚糖聚氧乙烯杂混半互穿网络水凝胶的溶胀动力学和控释性能，利用冷冻干 燥法制备的多孔水凝胶比用直接空气中干燥法制备的致密水凝胶具有更优异的 抗生素控释性能。r r b h o n d e 等“对比了不同制备方法得到的壳聚糖聚乙烯吡 咯烷酮杂混半互穿网络水凝胶的溶胀性能和阿莫西林缓释性能，利用冷冻干燥法 制备的多孔水凝胶( 孔径尺寸在3 9 2 0 + _ 2 6 6 b m ) 比直接空气干燥法制备的无孔 水凝胶其溶胀行为有更佳的p h 依赖性，在p h 值为1 的环境中3 小时，多孔水 浙江大学博士学位论文 凝胶缓释了大约7 3 的阿莫西林，而致密水凝胶只有3 3 。 1 3 3 模板浸取法 将固体成孔剂加入高分子熔体或溶液中成为配料，然后将所得物进行挤压和 固化成为薄膜形式，最后再以膜基材的非溶剂把成孔剂优先浸出。填料可看作是 惰性的，它的分散作用主要属于物理的，在填料粒子和聚合物基材之间不要求发 生许多相互作用。k s c h o w 等8 5 用c a c 0 3 为致孔剂，将c a c 0 3 分散在甲壳质 溶液中，浇铸成膜，然后用h c l 将c a c 0 3 浸出，得到具有开放型孔结构的甲壳 质膜，改变c a c 0 3 的加入量可得到孔径1 0 0 1 0 0 0 p m 的多孔膜。x f z e n g 等8 6 用s i 0 2 作致孔剂通过这种方法制备得到了壳聚糖多孑l 膜，具体过程如下：先制 各混有s i 0 2 的壳聚糖醋酸溶液，然后把它们放置在玻璃板上蒸发脱去溶剂成膜， 接着放入到热的n a o h 溶液中将s i 0 2 浸取出得到壳聚糖多孔膜。通过调节s i 0 2 的粒径的大小、壳聚糖与s i 0 2 的共混配比，可以控s j i 孑l 结构，孑l 径尺寸在5 - 4 0 k u n 。 通过这种方法得到的壳聚糖基多孔膜在蛋白质和酶的纯化分离方面显示了很好 的效果”“。 1 3 4 聚合物辅助倒相法 以上三种制备壳聚糖多孔膜的方法各有优缺点。第一种方法制备的多孔膜是 不对称的，其表层是致密的，因此使用具有一定的限制。第二种方法制各的多孔 膜孔径较大，孔径尺寸在几十到几百微米之间，在制备壳聚糖基组织工程用多孔 支架时，往往采用此法。第三种方法制得的多孔膜虽然在纯化分离方面有很好的 应用，但在此过程中采用的是无机盐作为致孔剂，其主要问题是致孔剂不易在壳 聚糖溶液中得到均匀分散，假如控制不好会造成致孔粒子不易完全浸出，膜孔不 连通，而残留的无机粒子又会限制多孔膜的应用范围。 受上述的第三种方法的启发，本课题设想用有机高分子来替代无机盐粒子， 以具有“蛇笼结构”的半互穿网络聚合物为模板来解决这一问题。壳聚糖分子本 身有很多羟基和氨基，容易与带有极性基团的高分子发生一定的相互作用，这样 能更好的得到两相分散，再通过溶剂将其选择性的抽提，就可以制得多孔膜。水 溶性高分子，比如聚乙烯毗咯烷酮( p v p ) 、聚乙烯醇( p v a ) 以及聚乙二醇( p e g ) 浙江大学博士学位论文 等，分子链上带有极性基团，能够与壳聚糖分子形成一定的氢键作用，可与壳聚 糖共溶于酸性水溶液中，在壳聚糖基体中可以很好地分散，由于壳聚糖只在酸性 条件下溶解，所以可以用中性或弱碱性的水对共混膜进行抽提，使水溶性高分子 选择陆地溶解，就可得到多孔结构的壳聚糖膜。 这种以半互穿网络聚合物为模板通过抽提来制备多孔膜的方法，在r e k e s t i n g ”的专著( ( s y n t h e t i cp o l y m e r i cm e m b r a n e ) ) 中，将其与普通的模板浸取法 区分开来，归结为相转化法的一种聚合物辅助相转化法( p o l y m e r - a s s i s t e d p h a s ei n v e r s i o n ，p a p i ) 。利用含一种溶剂和两种物理互容的聚合物溶液铸制一种 致密膜，致密膜具互穿网络的聚合物形态，在溶剂完全( 干p a p i 法) 或部分蒸 发( 湿p a p i 法) 之后，将互穿网络膜浸入一种液体中，它对于一种聚合物是溶 剂，而对另一种是非溶剂，通常这种溶剂为水，在抽提之后留下的不溶解网络是 无皮的微孔p a p i 膜，各向同性，有一个窄孔分布，较高的孔隙率，并且具有优 异的机械性能。 1 4 壳聚糖与水溶性高分子的相容性 在利用聚合物辅助倒相法制各壳聚糖多孔膜的过程中，首先要制备壳聚糖 水洛性高分子共混致密膜，然后再对共混膜进行选择性抽提，抽提之后留下的多 孔网络的孔径大小实际上就反映了共混膜中分散相的尺寸大小。因此，壳聚糖与 水溶性高分子之间的相容性研究显得非常关键。 1 4 1 相容性判据 绝大多数聚合物的共混体系是不相容的，这是由他们的热力学的本质所决定 的，聚合物a 聚合物b 要均匀混合，必须满足a g = , 5 - 一t a s o ， 即共混时吸热，因此焓项一般不利于两者溶混。从熵项看，由于出 1 ，南 l ，故 t a s o ，有利于两者共混。对于小分子的混合过程，熵增是极大的，大分子因链 节与链节之间相互连接，每一链节要变动要牵涉到附近链节一起变化，故虽然比 单一体系的熵有明显增加，但增加幅度远小于两种低分子的混合，多数情况下， t i s 的贡献不足以克服掉日的贡献，所以，多数高分子体系是难以相容的，形 成多相结构。 水溶性高分子经常被用来共混改性壳聚糖膜，他们的共混膜与纯壳聚糖膜相 比，具有更佳的机械性能9 3 - 9 4 、表面性能9 5 、醇一水分离系数9 6 母7 等。壳聚糖与 几种合成的水溶性高分子的分子链上有很多极性基团，例如羟基、氨基等，分子 间能够形成各种形式的氢键，混合时产生的混合热日趋于零甚至小于零，体系 的混合自由能很可能小于零。但是a g o 仅仅是相容的必要条件，不能保证体系 不会发生相分离，当且仅当g 0 ，方为体系相容的充要条件。 1 4 2 壳聚糖与聚乙烯吡咯烷酮的相容性 k s a k u r a i 等”用示差量热扫描法( d s c ) 研究了壳聚糖与聚乙烯吡咯烷酮 之间的相容性，利用聚乙烯吡咯烷酮的玻璃化转变温度( 疋) 随共混物共混比例 的变化来表征相容性，共混物的疋随聚乙烯毗咯烷酮含量的增加而逐渐降低， 其变化规律符合f o x 理论，说明壳聚糖与聚乙烯吡咯烷酮是一个完全相容体系， 并且得到了广角x 衍射分析结果的证实。当共混物中聚乙烯吡咯烷酮组分的含 量增加时”，壳聚糖的分解温度逐渐上升，说明壳聚糖和聚乙烯毗咯烷酮形成的 分子间氢键将两种不同的分子链键合在一起，使各自分子链的活动能力降低。运 用红外等手段进行表征“”壳聚糖与聚乙烯吡咯烷酮的相容性，结果表明他们 能在分子级别互容。壳聚糖与聚乙烯吡咯烷酮的共混膜旧3 还显示了很好的甲醇 9 浙江大学博士学位论文 甲基叔丁基醚的分离性能。 1 4 3 壳聚糖与聚乙烯醇的相容性 朱长乐等1 0 2 以f l o r y h u g g i n s 的高分子溶液理论为基础，通过w o o d 或f o x 方程，计算出不同共混比例的壳聚糖聚乙烯醇共混体系两相中二组分的表观质 量分率，进而计算出体系的聚合物一聚合物f l o r y h u g g i n s 相互作用参数，对体 系的相容性进行了验证，为部分相容体系。壳聚糖与聚乙烯醇分子间1 0 3 有强烈 的相互作用，共混膜中的聚乙烯醇的结晶完善性变差，结晶度和结晶熔融峰随壳 聚糖含量增加而降低。wy tc h u a n g 等“利用扫描电镜、d s c 、化学分析电子能 谱( e s c a ) 等手段研究了壳聚糖，聚乙烯醇共混体系的相容性，扫描电镜结果表 明共混膜在成膜过程中表面和本体的结构相差很大，d s c 结果说明壳聚糖与聚 乙烯醇并没有达到分子级互容，e s c a 结果表明在共混膜的表面n 原子浓度相对 较高，说明壳聚糖更容易富集在表面。ym l e e 等1 0 5 也用红外、热分析、x 衍 射等手段表征了聚乙烯醇和b 甲壳素之间的相容性，并且用四氧化钉作为染色剂 对共混膜进行了染色，用透射电镜( t e m ) 来表征共混膜的微结构和相容性，共 混比例7 0 3 0 的共混膜的透射电镜照片显示体系有相分离，但仍可将此体系归为 相容体系。 1 4 4 壳聚糖与聚乙二醇的相容性 韩世钧等1 0 6 1 0 7 利用粘度法预测壳聚糖聚乙二醇共混体系的相容性，重点考 察了混合溶液的h u g g i n s 相互作用参数和混合溶液的相互作用参数讲直共混 物组成的变化，k a b 和殖都大于零，说明两聚合物能形成氢键作用而使共混物 相容，而且他们随组成的变化呈抛物线状，在两聚合物质量比为l ：1 时其值皆为 最大，两者之间的相互作用最为强烈，原因可能是，聚乙二醇分子中含有羟基， 聚乙二醇的分子量越小，相同质量的聚乙二醇所含的分子越多，越易与壳聚糖形 成氢键，且较小的聚乙二醇分子易于填充壳聚糖的缝隙和空洞，因此其分子间的 相互作用越强，由此推测，表现在本体状态时，采用质量比为l ：l 的配比，越容 易形成共混物。在本体状态时，结果并非如此，x f z h a n g 等加8 利用不同分子 量的聚乙二醇与壳聚糖共混来改善壳聚糖膜的性能和生物相容性，聚乙二醇对共 浙江大学博士学位论文 混膜力学性能的有一定的改善效果，但当壳聚糖与聚乙二醇共混比例为2 ：1 时， 力学性能反而下降，红外和d s c 结果也表明当聚乙二醇含量较高时，他们之间 的相互作用反而弱化。s j l e e 等1 0 9 在研究基于聚乙二醇大分子单体和壳聚糖形 成的互穿聚合物网络的结构性能时，介电热分析( d e a ) 结果表明体系存在相分 离。 1 5 课题的提出 在p a p i 法中，膜聚合物和抽提的聚合物的选择都由聚合物对共混原则所支 配，而不幸的是，就目前的认识水平，主要只能凭大量经验。利用聚合物辅助相 转化法来制各壳聚糖基多孔膜的研究还鲜有文献报道。陈天等1 1 0 利用低分子量 的聚乙二醇为致孔剂，制各了一系列的n 酰化壳聚糖膜，聚乙二醇的加入提高 了膜的亲水性和渗透率，但对于聚乙二醇的抽提行为、膜的微结构等都没有作深 入的研究。l y a n g 等研究了致孔剂( 聚乙二醇) 含量、蒸发时间对利用湿法 p a p i 过程制备壳聚糖多孑l 膜的结构、形态的影响，蒸发时间越长，致孔效果越 差，所得到的膜孔数越少，孔径越小。在研究壳聚糖水溶性高分子共混体系时， 也只有少数研究者开始关注共混膜中水溶性高分子的选择性溶解行为，但是还缺 乏系统性的研究。在长时间用水连续抽提的情况下1 1 2 壳聚糖聚n 异丙基丙烯 酰胺的半互穿网络中的聚n 异丙基丙烯酰胺组分可被完全抽提掉，而壳聚糖聚 n 一异丙基丙烯酰胺全互穿网络中的聚n 一异丙基丙烯酰胺组分就很难被抽提掉。 a m i j i “3 在研究壳聚糖聚氧乙烯共混膜的时候发现，共混膜的表面呈多孔结构， 壳聚糖聚氧乙烯1 0 0 0 0 孔隙率最高，他把出现多孔的原因归结为在共混膜制备 过程中的碱中和和清水洗涤步骤中低分子量的聚氧乙烯齐聚体的溶出，但是在膜 的储存过程中( 将共混膜浸于p h 值为7 4 的p b s 缓冲溶液) ，共混膜中的聚氧 乙烯组分质量却没有损失。 本课题围绕“制备一结构一陡能”这一核心问题开展研究工作，主要包括以 下几个方面的研究内容： 1 壳聚糖秘求溶性高分子相容性的研究 壳聚糖与不同水溶性高分子的相容性，对最终得到的壳聚糖多孔膜的形态结 构有重要的影响。实用的p a p i 共混体需要物理相容性，但不是单个的玻璃化温 浙江大学博士学位论文 度。在利用p a p i 制备壳聚糖多孔膜的过程中，首先要制备壳聚糖水溶性高分子 共混致密膜，然后再对共混膜进行选择性抽提，抽提之后留下的多孔网络的孔径 大小实际上就是反映了共混膜中分散相的尺寸大小。