（环境工程专业论文）有机钛交联壳聚糖凝胶的流变性能及其应用研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 壳聚糖( c h i t o s a n ，简称c t s ) 是一种天然高分子多糖，具有良好的可生物 降解性、无毒性和生物相容性。壳聚糖分子链上有丰富的氨基和羟基，可以和 其他物质通过物理或化学交联改性形成凝胶。本研究就是利用壳聚糖这种性质， 期望制备出一种具有优良稳定性的离子型凝胶，并用作污水处理中的重金属离 子吸附剂。本论文的主要研究结果及结论如下： ( 1 ) 以有机钛( o t ) 为交联剂，用内源法制备了一系列壳聚糖( c t s ) 基复合凝 胶，其机理为有机钛分子中的自由钛酸根离子与壳聚糖分子链上羟基发生交联 反应。钛酸根离子需要摆脱有机配体的束缚才能与羟基发生交联，使得壳聚糖有 机钛体系的凝胶化过程体现出动力学特征，表现为延迟交联特性。 ( 2 ) 用动态粘弹仪对不同配比的复合凝胶进行了流变性能的测试，以储能模 量g 7 和损耗模量g ”为参数，研究了凝胶过程中复合凝胶的动态粘弹行为，并运 用w i n t c r - c h a m b o n 理论准确界定了不同浓度体系溶胶凝胶转变点。研究发现， 2 5 壳聚糖浓度为1 7 5 酽l 1 ，有机钛浓度为0 5 时，凝胶点出现在1 7 5 1s ；增大 壳聚糖和有机钛浓度，均会缩短溶胶一凝胶转变的时间，并增大凝胶网络的弹性。 同时还研究了凝胶的剪切应变依赖性，结果发现：当有机钛浓度较低( 小于1 5 ) 时，凝胶网络抗外力的性能较弱，储能模量基本没有线性应变的响应区，但 增大有机钛的浓度可以使得储能模量明显增大，凝胶网络被破坏所需的应力也 增大。 ( 3 ) 采用外源法制备了壳聚糖有机钛凝胶球，用正交实验和单因素实验确定 成球优化条件为：壳聚糖浓度为3 5g l - 1 ，交联剂浓度最低为7 ，常温下交联反 应l h 。s e m 研究表明：采用有机钛交联剂可获得外形规整而表面带有皱褶和孔隙 的凝胶球，粒径分布在1 o 1 2 m m 之间。热重分析结果表明凝胶球具有较好的热 稳定性。溶胀实验表明凝胶球的溶胀性能依赖于缓冲溶液的p h 值。总体上，壳 聚糖有机钛凝胶球具有较好的机械性能和抗酸碱能力，并易于存放、收集和使 用。 ( 4 ) 以5 0m g l 1 的金属离子溶液为吸附质，用静态法研究了壳聚糖凝胶球 对三种重金属离子( c d 2 + 、c u 2 + 和n i 2 + ) 的吸附性能，考察了吸附时间、温度、 武汉理工大学硕士学位论文 介质p h 值以及制备所用有机钛浓度等因素对吸附效果的影响。结果表明吸附时 间越长，去除效果越好，但是在4 h 后均可达到平衡。壳聚糖凝胶球对c d 2 + 的吸 附去除效果最明显，最大去除率可达9 6 ，对c u 2 + 和n i 2 + 去除效果一般，这种现 象可能与金属离子的结构以及络合反应的形式有关，吸附过程是放热反应，吸 附由表面孔隙扩散和金属螯合作用共同控制。 关键词：壳聚糖，流变学性质，凝胶球，重金属离子，吸附 i i 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t c h i t o s a n ( c t s ) ，an a t u r a lp o l y s a c c h a r i d ew h i c hh a sf a v o r a b l eb i o d e g r a d a b i l i t y w a t e r - p r e s e r v i n g ，n o n t o x i c a n db i o c o m p a t i b i l i t y w i t ht h ee x i s t e n c eo fp l e n t i f u l a m i n oa n dh y d r o x y lg r o u p s ，c h i t o s a nb a s e dg e li sp o s s i b l yf o r m e dt h r o u g hp h y s i c a l ( i o n o t r o p i c ) o rc h e m i c a l ( c o v a l e n tb o n df o r m i n g ) c r o s s l i n k i n gp r o c e s s e s t h ep r e s e n t s t u d ya i m st op r e p a r ean o v e li o n c r o s s l i n kg e l ，w h i c hh a so u t s t a n d i n gs t a b i l i t ya n d c a nb eu s e da saa d s o r b e n tf o rr e d u c t i o no fh e a v ym e t a li o n si nw a s t ew a t e r t h em a i n c o n c l u s i o n sc a nb ed r a w na sf o l l o w s ： as e r i e so fc h i t o s a ng e l sc r o s s l i n k e db yo r g a n i ct i t a n i u m ( o dw e r ep r e p a r e d t h e g e ln e t w o r kw a sf o r m e dt h r o u g ht h ec r o s s l i n k i n gr e a c t i o nb e t w e e nt i t a n i u mi o n s d i s s o c i a t e df r o mo r g a n i ct i t a n i u ma n dt h eh y d r o x y lg r o u p so nt h em a n n o s eu n i t so f p o l y s a c c h a r i d ec h a i n s t h eg e l l i n gp r o c e s sw a sad e l a yc r o s s l i n k i n gp r o g r e s s t h et h e o l o g i c a lp r o p e r t yo ft h eg e l sw a ss t u d i e d t h ee f f e c t so ft h ec o n c e n t r a t i o n a n df e e dr a t i oo nt h es h e a rs t o r a g em o d u l u s ( g 9 ，t h el o s sm o d u l u s ( g ”) a n dc r i t i c a l g e l a t i o np o i n t sw e r ea l s oi n v e s t i g a t e d a n dt h es o l g e lt r a n s i t i o np o i n t sw e r ee x a c t l y d e t e r m i n e db yt h ew i n t e r - c h a m b o nc r i t e r i o n t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eg e l l i n g p r o c e s si sad e l a yc r o s s l i n k i n gp r o c e s s t h eg e lp o i n ta p p e a r sa t17 51sw h e nt h e c o n c e n t r a t i o no fc t sa n do ta r e17 5 g l - 1a n d0 5 ，r e s p e c t i v e l y a t2 5 0 c i n c r e a s i n gt h ec o n c e n t r a t i o no ft h er e a c t a n tw i l la c c e l e r a t et h eg e l a t i o np r o c e s sa n d t h u ss h o r t e nt h es o l - g e lt i m e t h ee l a s t i c i t yo ft h eg e ln e t w o r kw i l lb ee n h a n c e da s w h i l e t h es h e a rs t r a i nd e p e n d e n c eo ft h eg e l sw a sa l s os t u d i e di nt h i sp a p e r n o t e t h a tn ol i n e rr e s p o n s eo nt h ec u r v eo fg 7 一s t r a i nc o u l db ef o u n du n t i lt h ec o n c e n t r i o n o fo r g n ct i t a n i u mw a su pt o1 5 h i g h e ri n t e n s i t yo fg e ls t r u c t u r ec a r lb eo b t a i n e d w i t hi n c r e a s i n gc o n c e n t r a t i o no ft h er e a c t a n tp r e c u r s o r s c h i t o s a ng e lb e a d sw e r ep r e p a r e db yt h ec h i t o s a nw i t ht h eo u t s i d er e s o u r c e t e c h n i q u e t h eo p t i m a lc h i t o s a nb e a d sc o u l db ep r e p a r e da f t e rlhr e a c t i o na tr o o m t e m p e r a t u r eb e t w e e n3 5g o l 。1 c h i t o s a na n d7 o r g a n i ct i t a n i u m t h es e md a t a i n d i c a t e dt h a tt h eg e lb e a d sh a ds p e c i a ls h a p ew i t hr o u g ha n dp o r i f e r o u ss u r f a c e t h e e f f e c t i v eg r a i ns i z er a n g ew a s1 0 - 1 2 m m t h eo u t s t a n d i n gt h e r m a ls t a b i l i t yo ft h ea s i i i 武汉理 二大学硕士学位论文 p r e p a r e dg e lb e a d sw a sc o n f i r m e db yt gd a t a s w e l l i n ge x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tt h e s w e l l i n ga b i l i t yo fg e lb e a d si ss t r o n g l yd e p e n d e n to nt h ep hv a l u eo fb u f f e rs o l u t i o n o nt h ew h o l e ，t h em o d i f i e dc t s o t g e lb e a d ss h o w e dh i g ha d s o r p t i o nc a p a c i t y , g o o d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n ds t r o n ga c i d i ca n da l k a l ir e s i s t a n c e s t h ea d s o r p t i o np r o p e r t i e so ft h ec h i t o s a nb e a d sw e r es t u d i e db yt h es t a t i c a d s o r p t i o ne x p e r i m e n ta sc d 2 + 、c u 2 + a n dn i 2 + a st a r g e ta b s o r b a t e t h ee f f e c to f t e m p e r a t u r e ，t i m e ，p ha n dc o n c e n t r a t i o no fo r g a n i ct i t a n i u mo nt h ep e r f o r m a c eo f a d s o r p t i o nw e r ec o m p r e h e n s i v e l ys t u d i e d m a n ye f f o r t sw e r ea l s om a d et oo p t i m i z e t h ee f f e c tf a c t o r s t h ec h i t o s a nb e a d ss h o w e de x c e l l e n ta d s o r p t i o nc a p a c i t i e sf o rt h e c d 口t h ea d s o r p t i o nr a t ec o u l dr e a c h9 6 i nc o n t r a s t ，t h eg e lb e a d sh a dac o n l n l o n a d s o r p t i o ne f f e c tf o rc u 2 十a n dn i 2 + i tc o u l db ea s c r i b e dt ot h ed i f f e r e n ts t m c t i 叩eo f t h ei n o n s t h ea d s o r p t i o np r o c e s si se x o t h e r m i cr e a c t i o n t h ea d s o r p t i o nr a t ew a s c o n t r o l l e db yb o t hs u r f a c ed i f f u s i o np r o c e s sa n dm e t a lc h e l a t i o n k e yw o r d s ：c h i t o s a n ；r h e o l o g i c a lp r o p e r t i e s ；g e lb e a d s ；h e a v ym e t a li o n s ；a d s o r p t i o n i v 独创性声明 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及取得的研究 成果。尽我所知，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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我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了谢意。 签名：邋日期：鲨2 ：业 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，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，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 师签名：f 彩蹦、日师签名：l 鲨兰三1 日 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 壳聚糖概述 1 1 1 壳聚糖的结构 第1 章绪论 甲壳素( c h i t i n ) ，学名为p ( 1 ，4 ) 2 乙酰氨基2 脱氧d 葡萄糖，又名甲壳质、 几丁质、壳多糖。在自然界中，广泛存在于海洋节肢动物( 如虾、蟹等) 外壳中， 也存在于低等动物菌类、昆虫、藻类细胞膜中。是地球上仅次于纤维素具有第 二丰富生物来源的天然含氮高分子化合物，同时也是一种线性阳离子聚合物【l 捌。 壳聚糖( c h i t o s a n ) ，学名为2 氨基2 脱氧b d 葡聚糖，是由甲壳素脱去乙酰 氨基得到的天然碱性多糖。壳聚糖又名壳多糖、脱乙酰甲壳素、甲壳胺等。壳 聚糖中含有游离氨基，反应活性和溶解性能均比甲壳素强，其化学结构如图1 1 所示【3 4 】。 1 1 2 壳聚糖的性质 。 图1 1 壳聚糖的单元结构式 o 壳聚糖是白色无定型、半透明、无毒无味且略带珍珠光泽的固体，分子量 一般从数十万到数百万不等，n 脱乙酰度和粘度是壳聚糖的两个主要性能指标， 通常粘度在1 0 0 0 x 1 0 一p a s 以上的被定义为高粘度壳聚糖，( 1 0 0 0 1 0 0 ) x 1 0 一p a s 的被定义为中粘度壳聚糖，而1 0 0 x 1 0 一p a s 以下的被定义为低粘度壳聚糖【5 1 。 作为有实用价值的工业级壳聚糖，n 脱乙酰度必须为7 0 以上。当脱乙酰 度大于7 0 时，壳聚糖可以溶于甲酸、乙酸、水杨酸等有机酸，以及盐酸等部 分无机酸中。不过壳聚糖酸性溶液在放置过程中，会发生酸催化水解，主链降 武汉理工大学硕士学位论文 解，粘度降低，最终水解成氨基葡萄糖。因此，壳聚糖溶液一般是随用随配。 壳聚糖的糖残基在c 2 上有一个乙酰基或氨基，在c 3 上有一个羟基，容易形 成季铵盐，可以通过离子交换、吸附和螯合等作用结合金属离子。壳聚糖对重 金属离子的螯合作用与p h 值、金属离子半径等因素有关。另外，壳聚糖还能除 去水中e h 某些过渡金属形成的含氧阴离子，如c r 0 4 2 , m 0 0 4 3 - 掣6 1 。 壳聚糖还具有良好的成膜性能，壳聚糖在稀酸中溶解后形成的带正电荷的 聚电解质，能与带负电荷的聚电解质形成复合物，这种复合物可制成反渗透膜， 具有极好的脱盐性能。在渗透汽化和蒸发渗透领域，壳聚糖已成功地用来制备 醇水混合物分离膜。与传统的蒸馏工艺相比，采用这种工艺后能耗和建厂投资 可减少一半【7 】。 此外壳聚糖还具有一定的吸水保湿能力，但能力不是很大，只有将其氨基 和羟基进行醚化改性，甚至交联后才能提高其吸水保湿的能力，其中最常见的 是羧甲基化或羟烷基化改性，改性后的壳聚糖可用作化妆品中的保湿剂【8 一】。 1 1 3 壳聚糖的改性 由于分子中大量羟基和氨基的存在，壳聚糖还可以进行各种化学改性使其 性能进一步优化，常见的有酰化反应、酯化反应、醚化反应、降解反应和一些 其他反应( 氧化、接枝共聚、重氮化、螯合等) 。 壳聚糖的酰化反应是研究较多的一种改性反应。壳聚糖可以与多种有机酸 的衍生物如：酸酐、酰卤( 主要是酰氯) 等反应，通过导入不同分子量的脂肪族或芳 香族酰基，破坏大分子间的氢键，改变其晶态结构，提高其溶解性和成型加工 性能1 0 1 。 当采用含氧无机酸做酯化试剂时，可使甲壳素和壳聚糖中的羟基形成有机 酯类衍生物，常见的反应有硫酸酯化和磷酸酯化。壳聚糖或甲壳素的硫酸酯化 反应制备的肝素类似物具有较高的抗凝血活性，抗免疫活性等，也是研究得较 多的壳聚糖衍生物之一l 。 醚化改性也是壳聚糖常见的改性反应，用甲壳素和壳聚糖的羟基与氯代烷 酸反应，在甲壳素或壳聚糖的c 6 羟基、c 3 羟基或氨基上引入羧烷基基团。其中 研究最多的是羧甲基化反应【l2 1 ，其相应产物为羧甲基甲壳素、o 羧甲基壳聚糖、 n 羧甲基壳聚糖和n ，o 羧甲基壳聚糖。甲壳素和壳聚糖的羟基或氨基与还可以 烃化试剂( 卤代烷烃，环氧等) 生成醚，如甲基醚、乙基醚、苄基醚、羟乙基醚、 2 武汉理工大学硕士学位论文 羟丙基醚、氰乙基醚，壳聚糖季铵盐等。 此外，壳聚糖主链上的p ( 1 ，4 ) 糖苷键分解断裂，会生成各种低分子量的多聚 糖、葡胺糖的衍生物及葡胺糖。其产物具有良好的水溶性和生物活性，在许多 领域都可以得到应用【1 3 】。 除上面总结的几种改性反应以外，壳聚糖还有接枝共聚和交联反应，以及 氧化反应等，都得到了广泛的研究应用。 1 1 4 壳聚糖的应用 近年来，有关壳聚糖的研究开发已成为基础研究前沿学科及高新技术产业 热点之一，每年发表论文可达数万篇，仅在日本每隔三天就会申报一项甲壳素 壳聚糖应用专利【l4 1 。壳聚糖具有良好的生物可降解性，生物相容性，低细胞毒 性以及吸附性、保湿性和抗茵性能，是一种新型的环境友好材料，因此其应用 领域十分广泛。在医学上可作为手术缝合线、抗凝血剂、药物缓释剂：在环境 化工上可以用作絮凝剂、吸附剂、保湿剂；在农业上则可以制成可降解地膜、 植物的种衣剂等【m 埔】。 一、在生物医学中的应用 壳聚糖是天然多糖中唯一的碱性多糖，具有许多独特的物理化学特性和生 物功能。壳聚糖及其分解产物无毒性，具有良好的生物相容性和生物可降解性， 可起到抗菌消炎、促进伤口愈合、抗酸、抗溃疡、降血脂和降胆固醇等多种作 用。经硫酸化后，能转变成肝素类似物质从而起到抗凝血作用。还可用于制造 人造皮肤和手术缝合线，此外还具有杀菌抑菌作用，能防止伤e l 的感染【1 9 】。王 秀文等【2 0 】将壳聚糖和胶原按一定比例混合冷冻干燥制备冻干海绵，用创伤、烧 伤常见病原菌做抑菌实验，结果表明其对金黄色葡萄球菌、绿脓杆菌、大肠杆 菌均有抑菌作用。吴鸿昌掣2 1 】研制出的壳聚糖人工皮肤不致敏、无吸收中毒及 占位排斥现象，对上皮细胞生长有利，且透气透湿性能均高于其他生物性烧伤 敷料( 异种猪皮、异体人皮等) 。而等将壳聚糖制成微球后包封药物还能用于药物 控制释放【2 2 。2 4 】。 二、在环境工程中的应用 壳聚糖因其天然、无毒和安全性被美国食品药物管理局( f d a ) 批准作为食品 添加剂，被美国环保局批准作为饮用水的净化剂，在给水及饮用水处理中显示 了独特的优越性【2 5 1 。壳聚糖具有很好的吸附性能，能有效降低自来水中的色度、 武汉理工大学硕士学位论文 臭味物质及二卤甲烷等有害物质。壳聚糖能通过分子链中的氨基和羟基与许多 重金属离子形成稳定的螯合物，因此可作为絮凝剂直接用于废水处理、溶液中 重金属离子( h 矿+ ，c u 2 + ，p b 2 + ，烷基土金属、钢系元素等) 的分离等【2 6 1 。 p a u l i n oa t 等【2 7 】用蚕蛹制备了壳聚糖，并将其用于电池废水中p b 2 + ，c u 2 + 的 去除取得了很好的效果，且结果发现，去除p b 2 + 和c u 2 + 的壳聚糖最佳脱乙酰度分 别为9 2 和8 0 ，最佳p h 值为5 0 ，最大吸附量能分别达到0 4 2 4 7 m m o l g - 1 和 1 5 9 5 3 m m o l 岔1 ，常温下的吸附曲线可以用朗缪尔方程拟合。 h oy s 等【2 鄙人研究了甲壳素对酸性染料、直接染料、媒染料和预金属络合酸 性染料的吸附性能，实验结果表明，甲壳素对前三种染料都具有一定的吸附能 力，但吸附能力有强弱的差别。这与染料中发色基团的含量、甲壳素与染料之 间氢键作用力的大小、染料的空间结构和平面结构等因素有关。 另外，壳聚糖还可用作絮凝剂、杀菌剂、离子交换剂、用于染料废水的脱 色、饮用水的净化、重金属离子的回收、阻垢缓释剂、硬水软化、工业废水的 处理、氨基酸、蛋白质的分离和回收等，是一种性能优良、开发应用前景广阔 的新型水处理材料【2 。 三、在工、农业中的应用 在食品工业中，利用壳聚糖的絮凝作用，可用于饮用水的纯化，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【3 2 1 。壳聚糖还具有良好的成膜性、选择性、透过性，并具有较好 的机械强度可作为食品保鲜膜。可食壳聚糖薄膜具有抑菌、保鲜作用，可以用 于水果的长期保存【3 3 】；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，可将其用作织物的整理剂、上浆剂、印染助剂等。 此外壳聚糖已广泛用作种衣剂，即在种子外包裹一层壳聚糖膜。经过上述 处理，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 可起到植物生长调节剂的作用【3 6 1 。 1 2 壳聚糖凝胶体系研究进展 1 2 1 壳聚糖凝胶的制备 交联是壳聚糖最具吸引力的化学改性之一。壳聚糖能溶于一些稀酸，在酸 性条件下容易软化流失，不能直接作螯合树脂使用。交联改性的主要目的是生 4 武汉理工大学硕士学位论文 成不溶解的凝胶。凝胶是一类介于液体和固体之间的一种中间状态，这是因为 凝胶的8 0 组成部分是水或者其他溶剂，其固体部分的行为是由于网络结构的 形成所造成的【3 7 】。壳聚糖的交联可发生在分子间，也可发生在分子内部。根据 其凝胶的形成过程和机理，可分为原位物理凝胶和化学凝胶。具体制备方法有 ( 1 ) 物理交联制备凝胶，( 2 ) 用化学交联剂制备凝胶，( 3 ) 光照或辐射交联制 备壳聚糖水凝胶，( 4 ) 加入聚电解质形成壳聚糖凝胶。 1 2 1 1 物理法制备壳聚糖凝胶 壳聚糖由于其分子间的氢键作用，其酸性水溶液具有一定粘度，而遇到碱性 试剂，壳聚糖能立即形成凝胶，这种凝胶受环境p h 影响较大，且凝胶强度不够，在水 中的溶胀度也不大。其中，由壳聚糖( c h i t o s a a , c s ) 和甘油磷酸盐( g l y c e r p h o s p h a t e ， g p s ) 形成的温敏型物理交联水凝胶作为原位形成凝胶体系近年来得到了广泛关 沣【3 8 3 9 】 f 上o c h e n i t ea 等【删首次报道了壳聚糖甘油磷酸盐( c s g p s ) 体系的温敏性能，作 为可注射材料可用于软骨组织工程。该体系中的甘油磷酸盐也是公认的无毒的 生物相容性物质，故c s g p s 体系具有良好的应用前景。 王芹等【4 1 】研究了一种快速凝胶化壳聚糖甘油磷酸盐( c s g p s ) 凝胶及其温 敏、释药性能。探讨了不同浓度的壳聚糖和甘油磷酸钠、混合溶液的p h 值等因 素对c s g p s 溶液凝胶化性能的影响。用黏度法表征c s g p s 的溶胶凝胶转变。 研究了在3 7 形成凝胶的体系负载模型药物扑尔敏的释药性能。结果发现壳增 大甘油磷酸钠的浓度和提高溶液的p h 值，可得到在3 7 0 c 下快速凝胶化的c s g p s 凝胶。该凝胶具有温敏性，对药物具有缓释性。 1 2 1 2 化学交联剂制备壳聚糖凝胶 常用的交联剂有醛类、聚阴离子类和环基烷烃类。其中，常见到作为交联 剂的醛基类化合物有戊二醛、甲醛、乙二醛、水杨醛等。壳聚糖链的聚糖残基 中的氨基为交联点，能和醛类物质反应使线性壳聚糖链间由碳氮双键交联成凝 胶。 t a n gz h e n x i n g 等【4 2 】以壳聚糖为原料，将其溶于稀酸，确定了碱性介质固化，洗 涤至中性，再在中性介质中交联的工艺路线。对壳聚糖的脱乙酰度和质量浓度、 交联剂戊二醛的用量、交联时间，以及反应介质等工艺条件进行了优化，最佳工 艺条件为：壳聚糖的脱乙酰度为9 0 2 4 ，质量分数为2 0 ；交联剂戊二醛质量 武汉理工大学硕士学位论文 分数为0 6 ；交联时间为6 h ；以水为反应介质。在此工艺条件下制备的凝胶在 p h - - i 5 的介质中稳定，并可用作蛋白酶的载体。 温燕梅等【4 3 】以戊二醛为交联剂，由聚乙烯醇和壳聚糖混合交联得到一种水 凝胶，考察了聚乙烯醇和壳聚糖的配比、交联剂用量和反应时间对聚乙烯醇壳 聚糖凝胶吸水率的影响。通过单因素实验，得出了聚乙烯醇壳聚糖凝胶具有最 佳溶胀性能时的条件；测定了该凝胶在不同p h 值下的吸水率和吸附铜离子的性 能，发现聚乙烯醇壳聚糖凝胶在酸性介质的吸水率远远大于碱性介质，对铜离 子( c u 2 + ) 的吸附量相比壳聚糖提高了3 3 7 ，该凝胶吸附剂在工业废水处理重 金属离子方面具有一定的优越性。 m a h d a v i n i a 删等以过二硫酸钾作为自由基引发剂，亚甲基二丙烯酰胺作交联 剂，将丙烯酸和丙烯酰胺共聚接枝到壳聚糖上，得到的水凝胶不仅是两性的， 而且对p h 的响应具有可逆性，并且该凝胶还表现出对盐的敏感性和阳离子交换 的性质。 赵育【4 5 】等用氯乙醇对甲壳素进行醚化改性，得到水溶性甲壳素衍生物羟乙 基甲壳素( h e c h ) ，用丙三醇三缩水甘油醚( p t g e ) 对羟乙基甲壳素进行交联，制 得了新型p h 敏感性水凝胶。在p h 6 9 8 的缓冲溶液中，凝胶的溶胀度随着p h 的下降而迅速增大，在p h = 1 0 0 的缓冲溶液中，凝胶的溶胀度达到了最大值； 在蒸馏水中凝胶的溶胀度随着温度的升高而增大，因而也是“热胀型凝胶”。 以交联剂化学交联壳聚糖制备水凝胶，方法简单，对实验设备要求不高， 但在交联的过程中往往会引入有毒的产物，这使得其应用受到了限制。因此要 选择合适的具有良好生物相容性的交联剂。 1 2 1 3 光照或辐射交联制备壳聚糖水凝胶 y o s h i i 4 6 】等用电子束和伽马射线分别辐射多糖衍生物羧甲基纤维素( c m c ) 、 羧甲基淀粉( c m s ) 以及羧甲基甲壳素( c m c h i t i n ) 和羧甲基壳聚糖( c m c h i t o s a n ) 时发现，在高浓度的糊状水溶液中，多糖衍生物能通过辐射交联成水凝胶，且 全部具有良好的溶胀性和生物降解性。并且羧甲基壳聚糖还表现出对埃希氏菌 属的大肠杆菌有较好的抗菌性。 d e r g u n o v l 4 7 】等用伽马射线辐射的方法制备出壳聚糖p v p 的水凝胶。该水凝 胶的溶胀性对溶液的p h 具有依赖性，同时还表现出对表面活性剂的吸收性。在 十二烷基磺酸钠的溶液中，水凝胶会由于络合作用而萎缩，但当十二烷基磺酸 6 武汉理工大学硕士学位论文 钠的浓度为胶束临界浓度( c m c ) 时，凝胶先萎缩后溶胀。 f u j i t a r 4 8 】等用紫外光辐射含有纤维原细胞增长因子2 ( f g f 2 ) 的壳聚糖基水 凝胶，并将其固定在慢性心肌梗死的兔子的缺血性心肌表面。研究发现具有生 物活性的f g f 2 分子从f g f 2 壳聚糖水凝胶中控制释放，导入到脉管源并可能 在缺血性心肌的侧枝循环，从而可以保护心肌。 光照或辐射交联法制备水凝胶不一般需要用引发剂或其他有潜在危害的化 学试剂，因此得到的水凝胶产品比较纯净。另外该反应可在室温下进行，因此 通过控制制备过程，能够精确控制交联密度，从而得到不同微观结构的水凝胶， 可用于制备水凝胶纳米微球和微米球，用作药物载体。但是光照辐射所用的射 线会对细胞和组织造成损伤，所以一般不用于体内组织工程。 1 2 1 4 加入聚电解质形成壳聚糖凝胶 聚电解质复合物( p e c ) 是由两种带有相反电荷的聚电解质在溶液中反应得 到的产物。通常是指由聚阳离子和聚阴离子相互作用形成的一类物质。p e c 智 能性水凝胶对环境刺激( p h 、温度等) 具有可感知、响应的能力。并且用这种方 法制备水凝胶，不需要任何化学反应，只需通过分子间相互作用力，在水中经 过简单的相转变( 溶胶凝胶转变) 就能形成水凝胶。选择合适的聚电解质，这类 水凝胶就可简单安全的用于体内。并且利用其对环境刺激的感知响应能力，可 用来制作药物缓释材料。 阴离子果胶和阳离子壳聚糖可以形成聚电解质配合物，y j y i n e 4 9 】等人报道 了通过混合壳聚糖和明胶，使其成为p e c ，在醋酸溶液中可形成薄膜，具有较 强的网络结构，并且通过m 和x - r a y 分析，探讨了该混合凝胶的凝胶机理。分 析了壳聚糖对薄膜形成的影响。它在酸性介质中( p h 8 ) 的溶胀度，这和它的组成有关，同时也受果胶的脱乙酰度和 甲氧基度的影响。这种凝胶膜可以应用于食物保鲜或是药物释放等领域。 m i t s u m a t a 5 0 】等合成了壳聚糖、k 角菜胶和羧甲基纤维素钠盐的复合水凝胶。 该复合水凝胶在p h 为1 1 1 2 附近时显示出有最大溶胀度，且最大溶胀度随盐 浓度的增加而增大并最终达到一个常数，而溶胀的p h 不随盐浓度而变化。 l i ux i u d o n g t 5 1 】等考察了由不同钙源制备的褐藻酸壳聚糖水凝胶微囊，结果 发现由低分子量和高浓度的壳聚糖制备的微囊具有较低的体积溶胀度，中性p h 值和较短的凝胶化时间有利于维持药物活性及药物的负载。且由内凝胶化方法 7 武汉理工大学硕士学位论文 制备的微囊的体积溶胀度比外凝胶化方法制备的微囊要低。 1 2 2 壳聚糖凝胶形成机理研究 多糖为生物大分子物质，许多多糖，基于不同机理( 共价、离子、氢键) 可以形成水凝胶已经有不少相关报道。壳聚糖是自然界中唯一的阳性线性多糖， 在一定的条件下也可以形成水凝胶。壳聚糖与戊二醛等可以形成化学凝胶，而 壳聚糖和氢硫基乙酸、丙烯酸、草酸等可以形成物理凝胶。另外壳聚糖与金属 离子( 钼v i ) 或是其他生物聚合物( 例如：还原胶、卡拉胶等) 可以通过静电 作用或络合反应形成离子交联键【5 2 1 。图1 - 2 为壳聚糖交联的示意图，物理交联一 般通过分子间的缠结来实现，而化学交联则是通过交联剂与交联点发生反应最 终生成网络状结构来实现。 a 物理交联b 化学交联 图1 2 壳聚糖交联原理示意图 壳聚糖与醛类的交联机理如图1 3 所示，壳聚糖上的氨基与醛类发生s c h i f f 碱反应，从而形成交联网络结构。 o h c ( c h 2 ) 3 c b o 图1 3 壳聚糖戊二醛交联的机理 武汉理工大学硕士学位论文 h i r 锄o 【5 2 等人通过在醇、醋酸的水溶液中将壳聚糖与各种不同酸酐反应的乙 酰化过程得到了第一个真正的，不需要借助交联剂，而是通过分子网络结构得 到的凝胶。同时，m o o r e 和r o b e n s 【5 3 】研究了壳聚糖溶液与酸酐反应得到凝胶的 机理。认为，该凝胶过程是由于随着聚合物分子量和n 乙酰化的增长，使得壳 聚糖溶液溶解性的降低，在这个过程中，当达到平衡点时，凝胶形成。该结果 表明，在这一特殊的体系当中，当几乎7 0 的氨基基团被酰化时凝胶开始形成。 并且随着聚合物浓度的增加，用于开始形成凝胶所需要的n 乙酰度降低。 v a c h o u d 和d o m a r d 5 4 j 研究了在等量的水和1 ，2 丙二醇溶液中，壳聚糖和醋酸酐 凝胶的形成。他们认为，形成凝胶是由于疏水和亲水反应间达到平衡引起的， 这和许多参数有关。通过与疏水反应有关的n 乙酰基团和氢键共同作用形成的 物理性连接使得凝胶形成。 近年来，国内外不少文献报道了壳聚糖增稠、凝胶特性，并取得了很大进 展。a l e x a n d r a 5 5 j 等，在h i r a n o 等人的基础上，完善在醇、醋酸的水溶液壳聚糖 乙酰化得到n 乙酰壳聚糖凝胶的实验，并分别采用静态光散射仪测量各种不同 的影响因素对达到凝胶点的时间的影响；采用流变学测量方法探讨凝胶影响因 素和凝胶机理。认为壳聚糖物理性水凝胶的凝胶机理与疏水性和亲水性共同作 用有关，当两者作用达到平衡时，疏水作用和氢键共同作用形成网络结构，凝 胶形成。 也有人认为，壳聚糖分子与其他大分子化合物相似，本身具有的疏水基团 和亲水基团。在亲水基团( - n h 2 , - o h ) 邻近区域，亲水层形成。而疏水基团( - c h 2 ) 不能形成亲水层，隔离在亲水层之外。但是在某些条件下( 特别是随着壳聚糖 浓度的增加) ，壳聚糖化合物的自由区域不能被亲水膜保护，则引起区域间的 相互反应达到平衡点，与本身分子结构的共同作用，在特定的条件下，分子化 合物的网络结构形成，经过液态固态转变过程，凝胶形成。 e v s h u m i l i n a 【5 6 】等人将壳聚糖和卡拉胶混合，研究了其凝胶机理。认为壳 聚糖可以和卡拉胶形成凝胶。不过壳聚糖与不卡拉胶混合时，各自浓度要分别高 于0 1 ，0 3 才能形成凝胶，低于上述浓度，则发生沉淀。这与卡拉胶的结构有 关。墨l 卡拉胶c h i t o s a n 混合凝胶为物理性凝胶，具有热可逆性，主要决定于卡 拉胶的双螺旋结构，而办卡拉胶壳聚糖混合凝胶的粘度为低黏弹性，与温度无 关，是因为该类型的卡拉胶没有双螺旋结构。 而h e a t h e rd 【5 7 】等人分别用转谷氨酰胺酶和酪蛋白酶催化明胶和壳聚糖混合 9 武汉理工大学硕士学位论文 物，研究形成凝胶的条件和机理。实验结果表明：经转谷氨酰胺酶催化得到的 凝胶比酪蛋白酶催化得到的性质更加稳定，流变学性能好。经过酪蛋白催化， 使凝胶达到凝胶点的时间大大缩短，仅为2 0 m i n 左右，但是2 d 后g7 明显下降，不 能维持凝胶状态。经转谷氨酰胺酶催化后得到的凝胶为热不可逆凝胶，使明胶 凝胶从物理性凝胶转化为化学性凝胶；酪蛋白酶催化作用没有改变明胶的基本 结构。对壳聚糖作用的研究表明，将壳聚糖加入到经转谷氨酰胺酶作用的明胶 凝胶中，可以增强凝胶的强度，但不加入壳聚糖也可以形成凝胶；而对于酪蛋 白酶催化作用的凝胶而言，没有壳聚糖的加入，不能形成凝胶。 壳聚糖是带阳离子的聚电解质，可以和带有阴离子的聚电解质，例如丙烯 酸、海藻酸钠、果胶等形成聚电解质化合物。在混合过程中，p e c 有可能沉淀 也可能维持可溶状态，这取决于实验条件。这一性质，被广泛应用在不同领域， 包括形成凝胶、薄膜、微胶囊，以及酶和细胞的固定化。国内的何东保【5 8 】等人 认为：化合物复配形成凝胶的机理一般是通过离子键结合得到的，带相反电荷 的聚电解质之间通过离子键或是通过在溶液中加入一定浓度的离子，使混合化 合物之间形成链间盐键，增强了分子间的交联效果，改善了共混凝胶的性能。 1 2 3 壳聚糖凝胶的应用 壳聚糖类水凝胶因其毒性低，具有良好的生物相容性、生物降解性，因此 可用于生物医用和组织工程领域，不过研究仍处在实验阶段，有的甚至还处在 理论阶段，还没有广泛用于实际。对环境敏感的一些壳聚糖类水凝胶则可用作 环境工程中污水处理的吸附剂，此外还可以用作酶固定化基质和场响应材料等。 一、在药物缓释中的应用 壳聚糖缓释凝胶是指在水中溶胀、保持大量的水分但又不溶解的壳聚糖三 维网络结构，它既能保护药物不被酶解或被胃酸破坏，又可以通过改变结构而延 缓药物释放。 b e r g e r l 5 9 】等报道了共价键交联和离子键交联的壳聚糖水凝胶的结构和药物 缓释性能之间的关系。共价交联法制备的水凝胶因化学键连接不可逆，制备的水 凝胶的机械强度大，即使在强酸性条件下也不易被溶蚀，更利于药物的缓释。而离 子交联法制备的水凝胶因为离子键连接弱，更易于解离，药物释放较快。但是，共价 交联法选用的交联剂常有毒性。不如离子交联剂安全无毒。 利用壳聚糖水凝胶对p h 值具有依赖性，m a k a r a n d t 删等研制出了p h 敏感型壳 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 聚糖聚乙烯吡啶( v v p ) 水凝胶。将壳聚糖和p v p 混合，用戊二醛交联制成半互穿 网络结构。结果表明，这种水凝胶在酸性条件下溶胀性增大，适用于抗生素药物在 酸性条件下给药。胡波【6 l 】等制得p h 敏感型壳聚糖海藻酸钠水凝胶，在胃液p h 值为1 4 时溶胀度很小，而在肠液p h 值为7 4 时溶胀度很大，利用该凝胶特性制备 的酮洛酚微囊具有明显的缓释效果。 李文俊【6 2 l 等人利用壳聚糖( c s ) 及聚丙烯酸( p a a ) 为原料，制成为一种以聚电 解质c s p a a 为基础的s e m i i p n 水凝胶，不仅对p h 值变化非常敏感，而且对离 子也显示出特殊的刺激响应性。这些性质为其在药物释放体系等方面的应用提 供了可能性。 2 0 0 2 年r u c l w t 6 3 】利用交联法制得温敏性壳聚糖p 甘油磷酸水凝胶，在体温下 可迅速成胶，由此延长了低分子量亲水化合物的释放时间，物理性质至少可以保 持2 个月。蒋立霞 6 4 1 等用壳聚糖和甘油磷酸盐反应制得温敏性凝胶，其凝固时间随 p h 值和温度的增加而减少。在低温下呈流体状液体，而当温度升高到体温时则成 凝固的温敏性凝胶。这种凝胶有望用于药物的控释材料，也可用于人体组织缺损 的充填和美容。 张维颖【6 5 】等用壳聚糖辅以甘油磷酸钠制备出了负载阿霉素( 治疗恶性肿瘤的 有效药物) 的温敏性凝胶，注射至肿瘤内发生凝胶化以持续恒定释放阿霉素。与传 统的静脉注射用阿霉素相比，具有更好的治疗效果和更低的毒副作用。 b h a t t a r a i s s 等用聚乙二醇( p e g ) 接枝的壳聚糖制得原位水凝胶，并以b s a 为 模型蛋白质，研究这种接枝水凝胶的药物缓释性能。结果发现这种凝胶对b s a 的 缓释可持续长达4 0 天，整个释放过程呈现很好的线性关系，且b s a 的结构未见改 变。 二、在水处理中的应用 交联后的壳聚糖和未交联的壳聚糖相比在刚性、酸溶性、重复使用性、吸 附性和选择等方面都有所改善。已有很多研究将交联壳聚糖作为一种富集分离 剂和废水处理剂使用。 c n a c i e l ar o j a s a 6 7 】等利用s 咖f f 碱反应，将壳聚糖与戊二醛交联得到了尺寸 为0 8 5 m m 一2 o m m 壳聚糖与戊二醛交联的片状产物。研究及分析了产物在不同条 件下对c ，离子的吸附性能及其影响因素。通过测定发现在p h i 4 0 条件下，9 6 h 时对c ，的吸附容量达到2 1 5 m g g - 1 ，去除率达至0 9 9 。并对c r 6 + 表现出很强的选