（材料学专业论文）磁性壳聚糖复合材料的制备及性能研究.pdf

摘要 摘要 壳聚糖( c h i t o s a n ，以下简称c s ) 具有生物相容性好、易生物降解、无 毒、环境友好等特性；壳聚糖及其衍生物有着广泛的用途，特别是在生物医 学领域，可用作药物载体、人工软组织材料( 如人工皮) 等。在众多实验研 究中，通常把壳聚糖制备成微球或者水凝胶，以此为载体包覆药物或者直接 加以应用。作为缓释药物系统载体的微球要求具有较小的粒径( 用作注射用 缓释制剂时，微球粒径必须符合药典规定，即粒径大于1 51 1m 的微球数目不 能超过1 0 ，而当微球粒径处于纳米级时，其性能更加优越，应用更广泛) ， 而且分布要窄。作为人工软组织材料，尤其是人工软骨的替代材料，要求制 备的水凝胶不但要有一定的吸水性能，而且要有较高的力学性能。有文献报 道，在制备微球或水凝胶材料时，加入磁性颗粒，能更好的改善材料的性能， 且引入磁性能，有望制备新型的智能材料。针对以上目标，本论文以自制纳 米f e 3 0 4 为基础，主要研究内容和结论如下： 1 采用超声波辅助化学共沉淀法制备纳米f e 3 0 4 以f e c l 3 6 h 2 0 和f e s 0 4 7 h 2 0 为铁源，n h 3 h 2 0 为碱，用化学共沉 淀法制备纳米f e 3 0 4 时，引入超声波的作用。结果表明，控制超声时问为 6 0 m i n ，铁离子浓度为0 1 m o 儿，氨水浓度为0 1 5 m o l l ，反应温度为5 0 ， 制得的微粒粒径最小，为1 1 8 n m 。用该方法制备的纳米f e 3 0 4 微粒与采用搅 拌方式进行制备的纳米f e 3 0 4 微粒相比，超声方式制备的纳米f e 3 0 4 微粒粒 度分布范围更窄，粒径更小，而且成球性较好，无明显团聚现象。 2 采用单凝聚法制备壳聚糖磁性微球。 以自制的纳米f e 3 0 4 为磁源，以三聚磷酸钠( t r i m e r i cs o d i u mp h o s p h a t e ， 以下简称t p p ) 为凝聚剂，与壳聚糖之间通过离子凝胶反应制备壳聚糖磁性 微球。在确定壳聚糖溶液浓度为1 5 m g m l 时，通过正交实验法得出最佳实 验条件为：m ( f e 3 0 4 ) m ( c s ) = 1 ：2 ，m ( c s ) m ( t p p ) = 4 ：l ，反应时 间为8 h ，反应温度为6 0 和搅拌速率为8 0 0 r m i n 。通过x 射线衍射、t e m 、 红外和v s m 四种表征方法对最佳实验条件下制备的样品进行表征，得出微 球平均粒径为1 3 2 n m ，粒度分布为5 n m 4 0 n m ，大部分微球粒径为十几个纳 米，且粒子形貌基本为球状。微球具有较强的磁性，且其磁性能接近超顺磁 性，纳米f e 3 0 4 与c s 之间发生了交联作用。单凝聚法简捷易行，所需设备 简便，有利于大批量生产。 3 为改善水凝胶的力学性能，把壳聚糖( c s ) 与聚乙烯醇( p o l y v i n y l h 摘要 a l c o h 0 1 以下简称p v a ) 结合，制备了系列水凝胶。 采用直接将p v a 与c s 共混制备了a 系列水凝胶；采用把p v a 与c s 共混后，加入t p p 进行交联反应制备了b 系列水凝胶；采用把p v a 与c s 共混后，再加入市售微米级f e 3 0 4 颗粒，然后才加入t p p 进行交联反应制备 了c 系列水凝胶；采用先制备壳聚糖磁性微球，然后再把自制壳聚糖磁性微 球作为磁性颗粒直接与p v a 共混制备了d 系列水凝胶。 水凝胶的溶胀性能、再溶胀性能和力学性能皆受制备方式、冻融次数和 磁性颗粒含量的影响。制备方式、冻融次数和磁性颗粒含量对溶胀性能、再 溶胀性能的影响具有一致性，而对力学性能的影h 向刚好与对溶胀性能、再溶 胀性能的影响相反。所有水凝胶样品的溶胀率介于2 5 4 - - 1 3 7 ，拉伸模量介 于0 3 0 m p a - - 3 3 2 m p a ，弹性模量介于0 5 6 m p a - 5 0 2 m p a ，改变水凝胶制备 条件，水凝胶的溶胀率和力学性能可以在上述范围内调节。水凝胶的磁性能 受磁性颗粒含量、磁性颗粒种类和冻融次数的影响，其中磁性颗粒含量的影 响最大，磁性颗粒的种类和冻融次数的影响较小。磁性水凝胶样品皆剩磁很 少、矫顽力很小，且其大小主要取决于磁性颗粒掺量的大小和磁性颗粒种类， 与冻融次数基本没有关系，磁性颗粒掺量越大，剩磁越多，矫顽力越大。磁 性颗粒为壳聚糖磁性微球的水凝胶具有接近超顺磁性的磁性能。 关键词：壳聚糖；四氧化三铁；磁性微球；磁性水凝胶；冷冻熔融 i i i a b s t r a c t a b s t r a c t d u et ot h eb i o c o m p a t i b i l i t y , b i o d e g r a d a b l en a t u r e ，n ot o x i c i t ya n dt h ep r o p e r t yo f b e i n ge n v i r o n m e n tf r i d e n d l y , c h i t o s a n ( c s ) a n di t s r a m i f i c a t i o n sa r ep o t e n t i a l l y w i d e l ye m p l o y e de s p e c i a l l yi nb i o m e d i c a la p p l i c a t i o n ss u c ha si nd r u gd e l i v e r y s y s t e ma n da r t i f i c i a ls o f tt i s s u e sa n ds oo n i nal a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t a ls t u d i e s ， c sa r e0 f t e nm a d ei n t om i c r o s p h e r e so rh y d r o g e l sa sd r u g c o a t e d o ru s e dd i r e c t l y t h em i c r o s p h e r e su s e di n d r u gd e l i v e r ys y e t e mm u s th a v es m a l lp a r t i c l e s i z e ( m i c r o s p h e r e su s e d a s i n j e c t i o ns u s t a i n e d r e l e a s ep r e p a r a t i o nm u s tb e i n a c c o r d a n c ew i t hp h a r m a c o p o e i a i e 1 e s st h a nl0p e r c e n to ft h e mh a v et h es i z e s a m l l e rt h a n15 m ，a n di fh a v et h en a n o s i z e ，t h e yw i l lh a v eb e t t e rp r o p e r t i e sa n dc a n w i d e l ya p p l i e d ) ，a n dn a r r o wd i s t r i b u t i o n t h eh y d r o g e l su s e da sa r t i f i c i a ls o f tt i s s u e s ， e s p e c i a l l ya r t i f i c i a lc a r t i l a r g e ，m u s th a v eh y d r o s c o p i ca n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s r e f e r e n c e sh a v er e p o r t e dt h a ti nt h ep r e p a r a t i o no fm i c r o s p h e r e so rh y d r o g e l s ，i t s i m p r o v et h e i rp e r f o r m a n c e sw h i c ha d d e dm a g n e t i cp a r t i c l e si n ，a n dt h e ya r ee x p e c t e d t ou s e da san e wt y p eo fs m a r tm a t e r i a lb e c a u s eo ft h e i rm a g n e t i c a lp r o p e r t y i nt h i s t h e s i s f e s 0 4n a n o a n dm i c r o p a r t i c l e sw e r ea d d e dt oc h i t o s a na n dc h i t o s a n p o l y v i n y l a l c o h o l ( p v a lc o m p o s i t e st of o r n lm a g n e t i ch y d r o g e l s 1 f e 3 0 4n a n o p a r t i c l e sp r e p a r e db yc h e m i c a lc o p r e c i p i t a t i o nm e t h o da s s i s t e db y u l t r a s o n i cw a v e f e 3 0 4n a n o p a r t i c l e sw e r ep r e p a r e db yt h ec h e m i c a lc o - p r e c i p i t a t i o nm e t h o d a s s i s t e db yu l t r a s o n i cw a v eo ff e c l l 6 h 2 0 f e s 0 4 7 h 2 0a n dn h 3 h 2 0 t h e a v e r a g es i z ew a s1 1 8 n m i tw a sf o u n dt h a tt h eb e s tp r e p a r a t i o nc o n d i t i o n sa r e c o n c e n t r a t i o no ff e 什，f e 圹w a sa t0 1 m o l l c o n c e n t r a t i o no fn h 3 h 2 0w a sa t o 15 m o l la n dt e m p e r a t u r ew a sa t5 0 t h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nb yu l t r a s o n i c w a v ea n db ys t i r r i n gw e r ec o m p a r e d t h et e mp i c t u r e ss h o w e dt h a tf e 3 0 4 n a n o p a r t i c l e sp r e p a r e db yu l t r a s o n i cw a v eh a ds m a l l e rs i z e sa n dd i s t r u b u t i o n ，m o s t o ft h e mw e r es p h e r e sw i t hn oo b v i o u sa g g l o m e r a t i o n 2 t h em a g n e t i cc h i t o s a nm i c r o s p h e r e sw e r ep r e p a r e db ys i m p l ec o a c e r v a t i o n t h em a g n e t i cc h i t o s a nm i c r o s p h e r e sw e r ep r e p a r e db ys i m p l ec o a c e r v a t i o no f f e 3 0 4n a n o p a r t i c l e s ，t r i m e r i c s o d i u mp h o s p h a t e ( t p p ) a n dc s w ，h e nt h e c o n c e n t r a t i o no fc ss o l u t i o ni sa t1 5 m g m 1 a l lo r t h o g o n a le x p e r i m e n tw a sc a r r i e d o u ti no r d e rt oo p t i m i z et h ep r e p a r a t i o nc o n d i t i o n s ，w h i c hw e r ef o u n dt ob e ：m ( f e 3 0 4 ) m ( c s ) = 1 ：2 ，m ( c s ) m ( t p p ) = 4 ：1 ，r e a c t i o nt i m e8 h ，r e a c t i o n t e m p e r a t u r e6 0 a n ds t i r r i n gr a t ea t8 0 0 r m i n t h em i c r o s p h e r e so fp r e p a r e d u n d e rt h eo p t i m a lc o n d i t i o n st o k e n e db yx r d t e m ，i ra n dv s m t h e m i c r o s p h e r e sa v e r a g es i z ew a s13 2 n m ，i nas i z ed i s t r i b u t i o nr a n g ef r o m5 n mt o 4 0 n m ，a n dm o s to ft h e mw e r es p h e r i c a l t h em a g n e t i cp r o p e r t yo ft h e s e m i c r o s p h e r e sw a sv e r yc l o s et os u p e r p a r a m a g n e t i s m c r o s s - l i n k i n gm a yb e i n t r o d u c e db e t w e e nf e 3 0 4a n dc s c o a c e r v a t i o ni sas i m p l em e t h o d ，a n dc a nb e e a s i l yu s e df o r1 a r g ev o l u m ep r o d u c t i o n 3 i no r d e rt oi m p r o v et h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo fh y d r o g e l ，p v aw a sa d d e dt oc s ， i v a b s t r a c t a n ds e v e r a ls e r i e so fh y d r o g e l sw e r em a d e s e r i e saw a sm a d eb yb l e n d i n gp 溺a n dc sd i r e c t l y ；s e r i e sbw a sm a d eb y b l e n d i n gp v aa n dc sf i r s t f o l l o w e db ya d d i n gt p p ；s e r i e scw a sm a d eb y b l e n d i n gp v aa n dc sf i r s t ，f o l l o w e db ya d d i n gc o m m e r c i a lm i c r o n s i z e df e 3 0 4 p a r t i c l e sa n dt h e na d d i n gt p p a tt h el a s ts t e p ；s e r i e sdw a sm a d eb yb l e n d i n gp v a a n dm a g n e t i cc h i t o s a nm i c r o s p h e r e s t h es w e l l i n gr a t e r e s w e l l i n gr a t ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r ef o u n dt ob e 1 d e p e n d e n to nt h ep r e p a r a t i o nm e t h o d s ，f r e e z i n g - t h a w i n gc y c l e sa n dt h ec o n t e n to f m a g n e t i c p a r t i c l e t h ep r e p a r a t i o nm e t h o d s ，f r e e z i n g t h a w i n gc y c l e sa n dt h e c o n t e n to fm a g n e t i c p a r t i c l eh a v eac o n s i s t e n te f f e c to ns w e l l i n gr a t e sa n d r e s w e l l i n gr a t s e 。b u th a v ea l lo p p o s i t ee f f e c to nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a uo f h y d r o g e l sh a das w e l l i n gr a t eb e t w e e n2 5 4a n dl3 7 t h et e n s i l em o d u l u sw a s b e t w e e n0 3 0 m p a 3 3 2 m p a a n dt h ee l a s t i c i t ym o d u l u sw a sb e t w e e n0 5 6 m p a - 5 0 2 m p a d i f f e r e n tp r e p a r a t i o nm e t h o d s f r e e z i n g t h a w i n gc y c l e sa n dc o n t e n t so f t h em a g n e t i cp a r t i c l e sc a ni m p a c tt h es w e l l i n gr a t e s t e n s i l em o d u l ia n de l a s t i c i t y m o d u l i t h em a g n e t i cp r o p e r t i e sw e r ee f f e c t e db yt h ec o n t e n to fm a g n e t i cp a r t i c l e s t h et y p eo fm a g n e t i cp a r t i c l e sa n dt h ef r e e z i n g t h a w i n gc y c l e s t h em o s ti n f l u e n c e d f a c t o rw a st h ec o n t e n to fm a g n e t i cp a r t i c l e s a n dt h eo t h e r sh a v eal i t t l ei n f l u e n c e a l lt h em a g n e t i ch y d r o g e l sh a das m a l lr e m a n e n c ea n dc o e r c i v ef o r c e a n d t h e y w e r em o s ti n f l u e n c e db yt h ec o n t e n to f m a g n e t i cp a r t i c l e sa n dt h et y p eo fm a g n e t i c p a r t i c l e s t h eb i g g e rt h ec o n t e n to fm a g n e t i c - p a r t i c l ei s t h eb i g g e rt h er e m a n e n c e a n dc o e r c i v ef o r c ew i l lb e m a g n e i ch y d r o g e l sm a d eb ym a g n e t i cc h i t o s a n m i c r o s p h e r e sh a dan e a r l ys u p e r p a r a m a g n e t i s mm a g n e t i cp r o p e r t y k e yw o r d s ：c h i t o s a n ；f e 3 0 4 ；m a g n e t i cm i c r o s p h e r e s ；m a g n e t i ch y d r o g e l ； f r e e z i n g t h a w i n g v 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 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，也不包含为获得直昌太堂或其他教育机构 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 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：劫p 讳讳签字同期： 川年l 月归同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、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。本人授权南昌太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、汇编本学位论文。同时授权中 国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名( 手写) ： 叩蚪啼 导 签字e t 期：喇年f 、，月p 日 签字日期： 第一章引言 1 1 1 壳聚糖的结构 第一章引言 壳聚糖是由葡糖胺和n 一乙酰基葡糖胺( n - a c e t y l d g l u c o s a m i n e ) 组成的多 糖，是甲壳素( c h i t i n ) 脱乙酰基的产物，其结构式如下图1 1 ： 图1 1 壳聚糖化学结构式 f i g u r e1 1c h e m i c a ls t r u c t u r a lf o r m u l a o fc h i t o s a n 1 1 2 壳聚糖的性能 在酸性条件下，壳聚糖是一种线性高分子电解质，其溶液具有一定的粘度， 溶液的浓度越高分子量越大，粘度就越大。壳聚糖因含有游离氨基，其氮原子上 还有一对未结合的电子，使氨基呈弱碱性，能结合一个氢离子，从而使壳聚糖成 为带正电荷的电解质。壳聚糖的氨基属于一级氨基，氨基上的氢较活泼，在中性 介质中壳聚糖能与芳香醛或脂肪醛形成西佛碱( s c h i f f sb a s e ) 。壳聚糖可用具有双 官能团的醛或酸酐等交联，其交联产物不易溶解，溶胀也小，性质较稳定【i 】。 壳聚糖是天然多糖中唯一的碱性多糖【2 1 ，具有许多独特的物理化学特性。 首先，壳聚糖具有抗菌性1 3 i 。壳聚糖能抑制多种细菌的生长和活性，具有广 谱抗菌性，必须指出其抗菌效果也受一些条件的影响，如壳聚糖种类，分子量， 浓度以及细菌培养环境等。抗菌机理是在酸性条件下，壳聚糖链上质子化氨基可 以与带有负电荷的细菌通过静电吸引力作用，使细菌絮凝和聚沉，其细菌的生长 繁殖也随之减弱同时还使细菌细胞壁和细胞膜上负电荷分布不均，干扰细胞壁的 第一章引言 合成，打破了在自然状态下细胞壁合成和溶解平衡，使细胞趋向溶解，细胞膜因 不能承受渗透压而变形破裂。 其次，壳聚糖具有生物相容性。壳聚糖作为生物材料首先必须考察其生物相 容性。v a n d e v o r d 等【4 】采用冷冻干燥壳聚糖溶液法制备多孔的支架材料，然后切 成边长为1 5 c m 正方体小块在s b f 中清洗，并植入老鼠背部和腹部，分别在1 ， 2 ，4 ，8 ，1 2 周时观察炎症反应，组织学评价和细胞免疫学反应。试验结果为大 体观察没有炎症反应组织学评价有嗜中性细胞聚集在支架材料周围聚集，随着植 入时间增加逐渐消失支架孔中发现胶原，说明连接组织沉积在支架材料上支架材 料有非常低的细胞免疫反应。这些都说明c s 支架具有高的生物相容性，适合作 为支架材料和植入材料。s e n k o y l u 等【5 】用纺丝方法制备壳聚糖支架，并与新西兰 白兔关节部位截取的软骨细胞培养，结果发现软骨细胞很容易与支架形成紧密结 合。 另外，壳聚糖还具有生物可降解性和生物活性。壳聚糖降解在水介质中降解 比较慢。因此在生物体内壳聚糖主要是依靠体内环境中的酶降解【6 ，7 l ，如溶菌酶， 壳聚糖酶等可以很容易降解壳聚糖，降解产物为无毒的氨基葡萄糖，可被人体完 全吸收。外界条件如微波辐射和h 2 0 2 等1 8 , 9 1 ，也可以加速壳聚糖降解。壳聚糖对 机体细胞的影响表现在三个方面：粘附作用、激活和促进作用及抑制作用。文献 报道较多的是壳聚糖的细胞粘附作用，主要是指对成骨细胞和成纤细胞的粘附作 用。壳聚糖及其衍生物具有止血、止痛、抑制微生物生长、促进上皮细胞生长、 促进或抑制成纤维细胞增殖、激活和趋化巨噬细胞、促进成纤维细胞迁移、诱导 有序的胶原沉积和纤维排列、有利于新生组织的结构重塑和构建等活性，决定了 其对创面愈合的重要价值和在创面治疗中的重大意义。 1 1 3 壳聚糖及其衍生物的应用 因为壳聚糖及其衍生物具有抗菌性、可降解性、生物相容性和生物活性等特 性，且壳聚糖分子链上富含特殊的氨基、羟基功能团，因此也是一种功能高分子 化合物，它们被广泛应用于以下几个方面： 一、生物工程领域。交联的壳聚糖是一种网状载体，具有机械性能良好、化 学性质稳定、耐热性好等优点，特别是分子中存在的氨基易与蛋白质或酶结合， 可络合金属离子，使酶免受金属离子的抑制，同时它又易于通过接枝而改性，因 此是一种良好的蛋白质和酶的载体。有人成功地在壳聚糖上固定了淀粉酶、天冬 氨酸酶、尿素酶、纤维素酶等【1 0 l 。壳聚糖对酶的固定化技术的常用方法是将酶包 埋在载体上或通过醛桥将酶固定到载体上 1 1 - 1 8 i 。 二、工业领域。在食品工业中，利用壳聚糖的絮凝作用，用于饮用水的纯化， 新型发酵饮料的澄清，例如苹果汁、猕猴桃汁的澄清处理，葡萄酒、啤酒的除浊， 甘蔗汁的净化等【1 9 1 。壳聚糖的水溶液粘度较高，无毒性，可作为增稠剂和稳定剂， 2 第一章引言 在食品、饮料行业应用可改善食品的风味。由于壳聚糖具有良好的成膜性、选择 性、透过性，并具有较好的机械强度可作为食品保鲜膜，壳聚糖膜能控制食品与 周围环境之间水分的传递，降低氧气分压，控制抗氧化物质的释放，控制呼吸率， 还能控制养分和香气的释放；可食壳聚糖薄膜具有抑菌、保鲜作用，可用于水果 的长期保存 2 0 2 1 l ；作为减肥食品，壳聚糖进入体内可与甘油三脂、脂肪酸等脂类 物质结合形成络盐或复合物，减少人体对脂类物质的吸收，降低食品的热量，从 而起到减肥作用田1 ；在化妆品工业中，壳聚糖在稀弱酸中为可溶性阳离子型高分 子电解质，它无色无味、无臭、无毒副作用，有很高的吸湿和保温作用，因其含 有氨基，与毛、发、皮肤有很好的亲和、渗透作用，并且还有抗菌作用，因此是 一种理想的化妆品用高分子化合物，应用于固发剂、洗发香波、护肤剂等1 2 3 j ： 在纺织工业中，利用壳聚糖的粘合性、成膜性、耐水性较好的特点，可作为织物 的整理剂、上浆剂、印染助剂等。用壳聚糖处理的棉织物对大肠杆菌、白色念珠 菌等具有抗菌作用1 2 4 ；在化学工业中，壳聚糖具有氨基和羟基可以络合过渡金 属形成高分子金属配合物催化剂，该催化剂具有很好的稳定性、催化活性、选择 性和易从反应体系中分离等特点，因此已在氢化、氧化、异构化等基本有机合成 中广泛应用【2 5 1 ；在不对称有机合成中，含有不对称碳原子的相转移催化剂也许会 对不对称合成的相转移催化反应有特殊作用f 邳7 1 。 三、环境工程领域。壳聚糖能通过分子中的氨基、羟基和重金属离子形成稳 定的鳌合物，因此，可以用壳聚糖的这种鳌合性能除去污水中的h 9 2 + ，c u 寸， c d 2 + ，p b 2 + ，c 0 2 + 等离子【2 8 i 。例如，壳聚糖可以从3 0 c a c l 2 和6 0 p p m f e 3 + 溶液中 除去全部重金属离子，在0 0 2 m o l l 的c u s 0 4 溶液中除去8 0 的c u 2 + ，壳聚糖和 c s 2 反应制成的黄原酸盐，若用其的1 0 钠盐溶液1 8 m l 可使1 0 0 m l 的1 0 0 l - tg g 的c d 2 + 溶液或1 0 0l ag g 的h 9 2 + 溶液在p h = 3 5 的条件下处理3 0 m i n 后，溶液中 的c d 2 + 和h 9 2 + 含量降至o 0 5l ag 儋和o 5l ag g 2 9 , 3 0 l 。核工厂或放射性矿物开采， 冶炼，精制中有大量放射性废水，用壳聚糖可以从中捕获放射性c 0 6 0 ，p u 等而 去除污染【引1 。 壳聚糖和纤维素，活性碳混合，经处理后可以制成治理印染工业废水的良好 吸附材料，它过滤性好，不漏碳，流速大，其处理活性染料和酸性染料模拟废水 的量分别是椰壳粒状活性碳的2 2 倍和1 1 1 倍，而且对染料的吸附量也分别是其 5 倍和2 9 倍以上【3 2 l 。壳聚糖对蛋白质有很强的絮凝作用，不需要助凝剂就可以 从液体中较快地分离出蛋白质。壳聚糖对工业发酵液中蛋白质的絮凝作用的研究 结果表明，在发酵液中含有大量无机离子和有机离子的情况下，壳聚糖对其中的 蛋白质，菌丝体具有极强的絮凝作用。壳聚糖分子是一碱性多糖分子，它的胺基 极易形成正离子，使带有负电荷的活性污泥凝胶而沉淀。同时壳聚搪还具有一定 的杀菌作用。壳聚糖对蛋白质有很强的絮凝作用，不需要助凝剂就可以从液体中 较快地分离出蛋白质【3 3 1 。 3 第一章引言 四、生物医学领域 3 4 - 4 5 】。随着高分子科学和生物医药工程的发展，壳聚糖在 医学方面的研究日益增多。壳聚糖是一种带j 下电荷的天然多糖，无毒、无刺激性、 无致敏性、无致突变作用、无溶血效应，无热源性物质，具有良好的生物相容性 和生物降解性。其极佳的安全性在医学领域的应用具有重要意义。壳聚糖在医学 临床应用中作为免疫吸附剂和脱毒剂，清除血液中的内源性或外源性致病物质， 对胆固醇、内毒素和重金属离子有选择吸附功能，通过对这些致病因子的吸附和 脱除，清除病原物或毒性物质，净化血液，治疗疾病，增强免疫力。肿瘤细胞表 面带负电荷，带正电荷的壳聚糖能吸附到肿瘤细胞的表面并使电荷中和，抑制肿 瘤细胞的生长和转移1 4 6 】。壳聚糖能有效地增强巨噬细胞的吞噬功能和水解酶的活 性，刺激巨噬细胞产生淋巴因子，启动免疫系统，同时不增加抗体的产生。甲壳 素及其降解产物都带有一定的正电荷，能从血液中分离出血小板因子，促进血小 板聚集或凝血素系统，有促进组织修复及止血作用。壳聚糖有许多生理和治疗功 能，概括如下：( a ) 三调节：免疫调节，增强免疫力，抑制癌细胞，减轻癌痛； p h 值调节，改善酸性体质，在胃肠道表面与胃酸作用形成胶状液保护膜，减少 外来物质对胃肠粘膜的刺激，对溃疡有修复功能；调节荷尔蒙及神经内分泌系统， 延缓衰老。( b ) 三排除：排除多余的胆固醇，排除体内重金属离子，排除农药、 化学色素、体内自由基等毒素。( c ) 三降：降血脂，降血糖，降血压【4 7 】。魏淘【4 8 1 等采用s d 大白鼠和昆明种小鼠对壳聚糖降血糖、降血脂及增强免疫作用进行了 研究，表明壳聚糖具有明显的降血糖、降血脂及增强免疫的作用。壳聚糖降血脂 的原因可能与其正电性有关，正电性的壳聚糖和负电性的胆汁酸结合排出体外， 重吸入肝脏中的胆汁减少胆囊排空，而胆囊中必须存有一定量的胆汁酸储备，这 就促进了肝脏将胆固醇转化为胆汁酸，使血胆固醇降低。壳聚糖对f e 2 + 吸附研究， 结果表明，在酸性条件下，选用分子量为2 1 0 5 的壳聚糖，选择合适的用量和 f e 2 + 初始浓度，壳聚糖对f e 2 + 吸附可达3 0 左右，人们对壳聚糖一亚铁络合物的 吸收远远高于传统的f e s 0 4 药物，有望成为治疗缺铁性贫血的良药。壳聚糖作为 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使 其易于进行化学修饰而被赋予多种功能。它的改性产品在医学上还有许多应用。 比如一酰基化壳聚糖可用于制造人工皮，保护大面积伤口，促进新皮生长甲壳素 与壳聚糖甲酰化和乙酰化物( 取代度分别为0 5 和2 5 ) 的混合物制成纤维后可 作为外科手术缝合线，非常结实，能在体内慢慢降解，无须拆线，也不会过敏：n 一顺丁烯二酰基壳聚糖与丙烯酞胺的共聚物在任何值下都稳定，能在水中膨胀形 成具有良好机械性能的凝胶，用这种材料固定的抗体能有效地减少血浆中肝炎病 毒抗原值羧甲基甲壳素在医药上用作免疫辅助剂，能有效地诱导细胞毒性巨噬细 胞和嗜中性白血球的积聚，还能作为药物载体，以控制药物和细胞激动素( 包括 疫苗) 的持续释放，将它溶于磷酸盐缓冲液形成的物质，还能作为药物载体，可 以代替眼中的晶状体；羧甲基的另一个应用是将它和卵磷脂等通过二步乳化技术 4 第一章引言 可制成体型人造血红细胞：n 一羧甲基壳聚糖的磺化产物具有抗凝血作用，它专 一性地作用内凝血因子，而不与体外及普通凝血因子反应，其作用机理与肝素不 同，n 一羧丁基壳聚糖对各种病原体具有抑菌、杀菌作用，可防止伤口感染，促 进伤口愈合；高脱乙酰化的壳聚糖与缩水甘油基三甲胺氯化物，可使壳聚糖季胺 化，产物可作为纤维及降胆固醇药剂使用：n 一甲壳化壳聚糖碘化物对革蓝氏阳 性菌具有很强的抗菌作用；甲壳素和壳聚糖低聚糖具有抗癌作用，可抑制癌细胞 转移，同时对中枢神经有镇静作用。此外，将壳聚糖制成微球，包封药物后具有 控制药物释放速度，降低药物的毒副作用，提高疏水性药物对细胞膜的通透性， 改善药物的稳定性和改变给药途径；通过控制微球的粒径，还可得到靶向给药的 功能【4 9 1 。壳聚糖作为药物载体可以控制药物释放、延长药物疗效、降低药物毒副 作用，提高疏水性药物对细胞膜的通透性和药物的控制释放、延长药物疗效、降 低药物毒副作用，提高疏水性药物对细胞膜的通透性和药物的稳定性及改变给药 途径，还可以大大加强制剂的靶向给药能力，近年来壳聚糖在靶向给药输送方面 受到人们的关注1 5 0 1 。 五、农业领域。甲壳素己广泛用于处理种子，在种子外包裹一层壳聚糖膜， 不但可以抑制种子周围霉菌病原体生长，增强植物对疾病的抵抗力，还可起植物 生长调节剂的作用。用甲壳素壳聚糖处理过的小麦、豌豆和小扁豆种子，产量 可增加1 0 一3 0 。在美国己采用此法处理小麦种子。此外，壳聚糖还可用作土 壤改良剂和病虫害防除剂。它和肥料、杀虫剂、除草剂等混合使用，可以控制多 种功能释放，达到长效的目的 5 1 - 5 3 l 。 1 2 四氧化三铁 四氧化三铁( m a g n e t i t e ，f e 3 0 4 ) 是一种重要的尖晶石型铁氧体f 5 4 1 。x 射线粉末 衍射测试结果表明f e 3 0 4 是f e ( i i ) f e ( i i i ) 混合氧化态的化合物或f e ( i i i ) 酸盐， f e ( i i ) f e ( i i i ) 【f e ( i i i ) 0 4 】，不能看成是f e o 和f e 2 0 3 的混合氧化物。f e 3 0 4 是由f e 2 + ， f e 3 + ，0 2 。通过离子键而组成的复杂离子晶体。离子间的排列方式与尖晶石构型相 仿。尖晶石的化学式为a b 2 0 4 。其晶体的基本结构是由0 压按等径圆球立方密堆 积( c c p ) 舫u 起来的，而a 2 + 、b 3 + 等正离子填充在负离子形成的空隙中。立方密 堆积的排列中密置层按a b c a b c 的方式叠加。在这种等径圆球的堆积中留下两种 不同类型的空隙一四面体空隙和八面体空隙。四面体空隙是由一层三个球和另一 层一个球形成。因四个球的球心指向正四面体的顶点，此四个球所包围的空隙就 称为四面体空隙。八面体空隙是由一层三个球与另一层三个球所形成。因六个球 的球心指向正八面体的顶点，此六个球所包围的空隙就称为八面体空隙。 1 2 1 纳米f e 3 0 4 的主要制备方法 5 第一章引言 由于纳米f e 3 0 4 的应用十分广泛，因此其制备方法也是多种多样，主要有机 械球磨法、水热法、微乳液法、化学共沉淀法等，每种方法都有其优缺点。下面 就主要的几种制备方法作简单介绍： 一机械球磨法。机械球磨法是在球磨机中加入粒度为几十微米的f e 3 0 4 粗 颗粒，通过钢球之间或钢球与研磨罐内壁之l 、日j 的撞击，使f e 3 0 4 产生强烈的塑性 变形并破碎，进而粗颗粒细化。直到形成纳米颗粒。机械球磨法制各纳米材料重现 性好，操作简单，但生产周期长，粒径细化难以达到纳米级要求【5 5 1 。 二水热法。水热法是指在密封的压力容器中，以水为溶剂，温度从1 0 0 - - 4 0 0 ，压力从大于o 1m p a 直至几十到几百m p a 的条件下，使前驱物( 即原料) 反应和 结晶。其基本原理是：在一定的高温高压下，一些氢氧化物在水中的溶解度大于 对应的氧化物的溶解度，于是氢氧化物溶于水中，同时析出氧化物。水热反应实 质上是化学传输反应，晶化时间、晶化温度及p h 值都对产物有影响。用水热法 制备的超微细粉最小粒径已经达到纳米级水平。 水热法具有如下优点：在水热反应中，粉体的形成经历了溶解一结晶的过程， 所制得的纳米晶体发育较为完整，粒径小，分布范围窄，团聚程度低，不需高温 燃烧预处理，从而避免了在高温预处理过程中可能形成的硬团聚、杂质和结构缺 陷等；粉体在烧结过程中表现很强的活性；易得到合适的化学计量比和晶粒形态； 可使用较便宜的原料，工艺较为简单。此法是低能耗、低污染、低投入的，且粉 体质量好，产量也较高。但水热法要求的原料纯度高、成本较高，反应中需要使 用高压釜，工艺较繁锁，而且还会产生其它相，情况比较复杂。 三微乳液法。微乳液是由表面活性剂、油相、水相及助溶剂等在适当比例 下混合自发形成的热力学稳定体系，具有透明( 或半透明) 、低勃度、各向同性、 分散相液滴极其微小和均匀等特点。油包水( w o ) 或水包油( o w ) 型微乳液中 的水核是一个“微型反应器”，化学反应被限制在水核内，故最终得到的微粒粒径 将受到水核大小的控制。利用该方法制备纳米粉操作简单，颗粒小，但晶型多样。 中南大学何秋星等【5 6 】利用a e 0 3 + t x l o 作为表面活性剂，工业级煤油作为油相，正 丁醇为助溶剂，分别在f e 2 + f e ”水溶液和n a o h 水溶液中形成w o 微乳液，采用 双乳液混合法制备纳米磁性f e 3 0 4 微粒。 四化学共沉淀法。采用化学共沉淀法制备纳米磁性四氧化三铁是将二价铁 盐和三价铁盐溶液按一定比例混合，将碱性沉淀剂快速加入至上述铁盐混合溶液 中，搅拌、反应一段时间即得纳米磁性f e 3 0 4 粒子，其反应式【5 7 l 如下： f e 2 + + 2 + + 8 0 h 一一f e 3 0 , + 4 h 2 0 ( 1 1 ) 由于共沉淀时采用搅拌的方式所得颗粒粒径难以控制，粒度分布范围较宽， 在生成f e 3 0 4 微粒的实验中，实际上经历了以下几步： 6 第一章弓l 言 心2 + 十凡3 + + 伽一一f e ( o h ) 2 f e ( o h ) 3 ( 形成共沉淀) f e ( o h ) 2 + f e ( o h ) 3 专f e o o h + f e 3 0 4 ( p h 7 5 ) f e o o h + f e2 + 一f e 3 0 4 + h + ( p h 9 2 ) ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) 由以上反应式可知，当实验条件控制不严格时，生成的最终产物中有可能夹 杂着f e o o h 。要制得纯度高，粒径小，粒度分布范围窄的纳米f e 3 0 4 微粒，控 制适当的反应物浓度、沉淀剂浓度、反应时间和反应温度等显得至关重要。共沉 淀法最大的难题是如何分散生成纳米f e 3 0 4 粒子并使其不团聚，王伟f 5 8 1 等研究表 明，酸性和强碱性环境对改性均不利，p h 在8 1 2 时效果最好，表面活性剂用量可 以通过理论计算。蒋新宇等【5 9 1 先通过化学反应生成f e 3 0 4 微粒，经充分洗涤后