（材料学专业论文）壳聚糖的改性及其智能水凝胶的研究.pdf

海，j = = 学博l 。学位论文壳聚糖的改性及肆智能水凝胶的研究杨黎明 摘要 壳聚糖( c h i t o s a n ) 是虾、蟹和昆虫壳骨架中提取物甲壳素的脱乙酰产物， 是自然界中唯一的碱性多糖。它来源丰富，是一种可再生的天然高分子材料。壳 聚糖具有生物相容性好、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。壳聚糖富含羟基和氨基，通过改性可以得到特定的功能高分子 材料。如引入羧基后可得到特殊的聚两性电解质的性能。本文通过三种改性方法， 在壳聚糖中引入羧基，成功地制备了三种具有特殊p h 和温度敏感性的智能水凝 胶。 采用”c o y 射线和电子束对壳聚糖一丙烯酸混合水溶液辐照，制得了具有 p h 敏感性的壳聚糖( c s ) 聚丙烯酸( p a a c ) t - 穿网络水凝胶。该水凝胶在p h 6 的条件下溶胀较大，而在p h 4 至5 之间的缓冲溶液中溶胀较小，具有明 显的“酸”、“碱”双重敏感特性：采用反相乳液聚合法制备了c s p a a c 磁性水 凝胶微球，通过溶胀吸附法将一种广谱抗癌药物一平阳霉素包埋于该磁性水凝胶 微球，测定了其体外模拟药物释放的性能。动物实验结果表明，该磁微球在外磁 场的作用下，能有效地进入肿瘤细胞的“靶区”，对肿瘤细胞的主动脉具有栓塞 作用，同时具有药物缓释作用，对肿瘤细胞具有明显的疗效。 采用6 0 c o - 7 射线对羧甲基壳聚糖( c m c s ) 和n 一异丙基丙烯酰胺( n i p a a m ) 混合水溶液进行辐照，制得了具有温度和p h 双重敏感性的聚n - 异丙基丙烯酰胺 ( p n i p a a m ) c m c s 半互穿网络水凝胶。该水凝胶将p n i p a a m 温度敏感性的 低临界溶解温度( l c s t ) 由3 2 提高到人体温度3 7 ( 2 以上，同时也大幅度提高 了水凝胶的溶胀比；用考马斯亮蓝作为药物模型，研究了该共聚物水凝胶在不同 温度下的药物释放性能。 采用丙酮酸对壳聚糖进行化学改性，通过丙酮酸的羰基基与壳聚糖的氨基 反应生成s c h i f f 碱化合物，再用n a b h 4 进行还原，制各了聚两性电解质丙酮酸壳 聚糖( p c s ) ，然后采用聚乙二醇双缩水甘油醚为交联剂制得具有p h 敏感性的丙 酮酸壳聚糖( c p c s ) 水凝胶。浚水凝胶显示出独特的酸碱两性响应性和良好的 溶胀可逆性。 关键词：壳聚糖，智能水凝胶，聚丙烯酸，聚n - 异丙基丙烯酰胺，丙酮酸， 辐照聚合，磁微球 本课厨由上海市科委重点科技项目( 0 ：2 1 ) , 1 1 4 0 3 0 ) “磁导靶向抗癌药物微球及其智能化控释模型研究”资助。 卜海人学博l 学位论史 壳聚糖的改忡驶其智能水凝腔的州究杨黎| ! j _ | a b s t r a c t c h i t o s a ni so b t a i n e db ya l k a l i n ed e a c e t y l a t i o no fc h i t i nf r o mt h es h e l lo f s h r i m p ， c r a ba n di n s e c t se t c ，i sa na l k a l i n ep o l y m e r ，o n eo ft h ea b u n d a n ta n dr e p r o d u c i b l e n a t u r a lp o l y m e r si nt h ew o r l d 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 e ，n ot o x i c i t y a n de n v i r o n m e n t a lf r i e n d s h i p ，c h i t o s a na n di t sr a m i f i c a t i o n sa r ep o t e n t i a l l yb ew i d e l y a p p l i 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 ys y s t e ma n d a r t i f i c i a ls o f tt i s s u e sa n ds oo n c h i t o s a nc o n t a i n sh y d r o x y la n da m m o n i a ci ni t su n i t s t r u c t u r ea n das p e c i a lk i n do fp o l a rp o l y m e rc o u l db eo b t a i n e db yt h ei n t r o d u c t i o no f c a r b o n y lg r o u p t h r e ek i n dt e c h n i q u e sw e r eu s e df o ri n t r o d u c i n gc a r b o n y lg r o u pa n d t h r e ek i n dh y d r o g e l sw i t hs p e c i a lp hs e n s i t i v ew e r eo b t a i n e di nt h i sp a p e r o ”c oy - r a ya n de l e c t r o nb e a mw a sa p p l i e da si r r a d i a t i o ns o u r c ea n dt h ep h s e n s i t i v ec h i t o s a n ( c s ) p o l ya c r y l i ca c i d ( p a a c ) w a so b t a i n e db yi r r a d i a t i n gt h e s o l u t i o nm i x t u r eo fc h i t o s a n ( c s ) a n da c r y l i ca c i d ( a a c ) t h ec s p a a ch y d r o g e l o b t a i n e di n t h i se x p e r i m e n t a ls w e l l e di nt h ec o n d i t i o n so fp h 6 ，b u t d e s w e l l e dd u r i n gt h ep hr a n g eo f4 - 5 ，w h i c hi n d i c a t e dt h a th y d r o g e li ss e n s i t i v ei n b o t hb a s i ca n da c i d i cs o l u t i o n t h em a g n e t i ch y d r o g e lm i c r o s p h e r e ( f e r r o g e l ) w a s s y n t h e s i z e db yr e v e r s e de m u l s i o np o l y m e r i z a t i o n a na n t i c a n c e rd r u g ，b t e o m y c i na 5 h y d r o c h l o r i d e ( b l m ) i si m m o b i l i z e di n t ot h ef e r r o g e lb ys w o l l e na d s o r p t i o na n dt h e e x p e r i m e n t si nv i t r o a n di nv i v ow e r ep e r f o r m e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l ti nv i v o i n d i c a t e dt h a tt h ef e r r o g e lc o u l db ee a s i l yd r o v e di n t ot h et a r g e t e da r e an e a rt h et u m o r b yo u t s i d em a g n e t i cf i e l d t h ef u n c t i o no fe m b o l i s ma n ds l o wr e l e a s eo fd r u gw e r e a p p r o v e di nv i v o a no b v i o u se f f e c to ft h eb l mi m m o b i l i z e df e r r o g e lw a so b s e r v e d o nt h eh e a l i n go fe x p l a n t e dt u m o r c a r b o x y l m e t h y lc h i t o s a n ( c m c s ) p o l y - n i s o p r o p y l a c r y l a m i d e ( p n i p a a m ) h y d r o g e l w a sp r e p a r e db yi r r a d i a t i n gt h ea q u e o u ss o l u t i o nm i x t u r eo fc a r b o x y l m e t h y lc h i t o s a n ( c m c s ) a n dn - i s o p r o p y l a c r y l a m i d e ( n i p a a m ) w i t h 叫c o7 - r a y t h e s w e l l i n gb e h a v i o rw a sd e t e r m i n e di nt h em e d i ao fd e i o n i z e dw a t e r , d i f f e r e n ti o n i c s t r e n g t h s o l u t i o n sa n dd i f f e r e n tp hb u f f e rs o l u t i o n sa td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e ， r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h el o wc 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 m c s p n i p a a mh y d r o g e lc o u l db ei n c r e a s e da b o v et h e3 7 0 cw i t ht h ec o n t e n to f c m c s o nt h eo t h e rh a n d ，t h es w e l l i n gr a t i oa l s om u c hi n c r e a s e dc o m p a r e dt h e h o m o p o l y m e rh y d r o g e l o fp n i p a a m t h e d r u gd e l i v e r y b e h a v i o ro ft h e c m c s p n i p a a mh y d r o g e lw a ss t u d i e db yu s i n gc o m m a sb r i g h tb l u ea st h ed r u g j ：海人学博1 j 学位论义壳聚糖的改性驶其智能水凝胶的j i 究杨黎明 m o d e l p y r u v i ca c i dm o d i f i e dc h i t o s a n ( p a c s ) w a sp r e p a r e db yt h er e a c t i o no fa m i n e g r o u po nc h i t o s a nw i t hc a r b o n y lg r o u po np y r u v i ca c i d t h e n ，an o v e lh y d r o g e lf i l m w a so b t a i n e dv i ac r o s s l i n k i n gr e a c t i o no fp o l y - e t h y l e n eg l y c o ld i g l y c i d y le t h e r ( p e g d e ) w i t hp a c s t h es w e l l i n gr a t i ow a ss t u d i e db yc h a n g i n gt h em o l a rr a t i oo fp e g d ea n d p a c s m o r e o v e r t h es w e l l i n gr a t i oo ft h ep a c sh y d r o g e lf i l mi nd i f f e r e n tp hb u f f e r s o l u t i o nw a sm e a s u r e d t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h es w e l l i n go fh y d r o g e le x h i b i t e d o b v i o u sp hs e n s i t i v i t y t h es w e l l i n gr a t i ow a sh i g h e ri nt h ec o n d i t i o n so fp h1 - 4a n d p h7 - 1 2 ，b u tl o w e r i np h5 - 6c o n d i t i o n ，a n dw a sr e v e r s i b l e k e v w o r d s ： c h i t o s a n ，i n t e l l i g e n th y d r o g e l ，a c r y l i ca c i d ，n - i s o p r o p y l a c r i y l a m i d e ，p y r u v i ca c i d ， p o l y e t h y l e n eg l y c o ld i g l c i d y le t h e r ( p e g d e ) ，h y d r o g e l ，m a g n e t i ch y d r o g e l m i c r o s p h e r e ，r a d i a t i o n t h i sr e s e a r c hw o r ki ss u p p o r t e db ys h a n g h a is c i e n c ea n dt e e h n o l o g yc o m m i t t e e b u d g e tn u m b e r ：0 2 d j l 4 0 3 0 s u b j e c tn a m e ：s t u d yo fp r e p a r a t i o na n dc h a r a c t e r i z a t i o no fm a g n e t i ct a r g e t e da b f i c n n c e rd r u gm i e r o s p h e r e a n dt h ei n t e l l i g e n t l yc o n t r o l l e dr e l e a s em o d e l l i l 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。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 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 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 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：! 堕罗! 弓 海大学博十学位论文壳聚糖的改性及1 e 智能水凝胶的研究杨黎| 】：j 第一章壳聚糖及其智能水凝胶的研究进展 1 1 甲壳索，壳聚糖的概况 甲壳素是天然多糖中唯一的碱性多糖，是除蛋白质外数量最大的天然有机化合 物，是地球上仅次于植物纤维的第二大生物资源。它是许多低等动物，特别是节 肢动物( 如虾、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 i - s l ，分布十分广泛，年生物合成量达1 0 0 0 亿吨，是人类取之不尽，用之不竭的 巨大再生资源宝库。甲壳素的化学结构与自然界中存在最多的再生资源植物中的 纤维素非常相似。1 9 9 1 年起欧美学术界把甲壳素继蛋白质、脂肪、糖、维生素、 矿物质之后，列为人体的第六大生命要素 ”】。甲壳素脱去乙酰基即转变为壳 聚糖。 甲壳素和壳聚糖的结构结构式分别表示如下【 甲壳素壳聚糖纤维素 n 图1 1 甲壳素、壳聚糖和纤维素的结构式 甲壳素( c h i t i n ) 又名甲壳质，几丁质，其化学名为( 1 ，4 ) 2 乙酰氨基2 脱氧b d 一 葡聚糖。甲壳素制造工艺简单、价格低廉、同时具有无毒、无害、抑菌、止血、 可降解以及良好的可纺性、成膜性，生物相溶性。但由于甲壳素存在乙酰氨基和 羟基，分子间的氢键作用比纤维素更强，结晶度高，结构致密，难溶于一般的溶 剂，因此难于直接开发应用。甲壳索用浓碱加热脱去乙酰基后生成壳聚糖。壳聚 糖又名甲壳胺，其化学名为( 1 ，4 ) 一2 一氨基一2 一脱氧一p d 葡聚糖。壳聚糖由于其分 子结构中存在大量的游离氨基，其溶解性大大改观。甲壳素制备壳聚糖的生产工 艺简单成熟。壳聚糖上存在较活泼的一级氨基和羟基，能生成许多衍生物，大大 提高了在实际中应用价值和范围，已被广泛应用于生物工程、医药、环保、食品、 同用化工、国防、农业等诸多高科技领域1 5 _ 8 】。 龟 1 海大学博卜学位论文壳聚糖的改性艇儿智能水凝陵的研究杨黎叫 1 1 1 壳聚糖的性质9 】 一、一一般物理性质 壳聚糖是白色无定型、半透明、略带珍珠光泽的固体，分子量从数十万到数 百万不等，不溶于水和碱液，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。在稀酸中，壳聚糖的主链会缓慢水解，溶液的粘度逐渐 降低，所以壳聚糖溶液一般是随用随配。n 一脱乙酰度和粘度是壳聚糖的主要性能 指标，通常粘度在1 0 0 0 1 0 p a s 以上的被定为高粘度壳聚糖，( 1 0 0 0 1 0 0 ) l o 3 p a s 的被定为中粘度壳聚糖，1 0 0 1 0 p a s 以下的被定为低粘度壳聚糖。 二、溶液性质 i o - 1 2 1 壳聚糖溶于稀酸中，实际上是壳聚糖分子链上众多的氨基同溶液中的氢离子 结合，使壳聚糖成为带正电荷的聚电介质，类似于高分子内赫，破坏了壳聚糖分 子间和分子内的氢键，使之溶于水中。脱乙酰度越高，分子链上的游离氨基越多， 离子化强度越高，也就越容易溶于稀酸。分子量越高，溶解就越慢。由于b - 1 ， 4 糖苷键属于半缩醛结构，它对酸不稳定，壳聚糖酸性溶液在放置过程中，会发 生酸催化水解，主链降解，粘度降低，最后水解成寡糖和单糖。另外，壳聚糖可 溶于稀盐酸、稀醋酸等，但是不溶于稀的硫酸和稀磷酸。因此，可用稀硫酸代替 碱液作为壳聚糖溶液的凝固剂。 三、螯合及吸附性f l l _ 3 】 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，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某些 金属离子在一定的p h 值下具有螯合作用，也可有效地吸附溶液中带电荷的悬浮 物和有机物等。 四、成膜性1 4 1 壳聚糖具有良好的成膜性能，而作为一种新型的膜材料也越来越受到人们的 关注。壳聚糖和羧甲基魔芋葡苷聚糖是两种带相反电荷的聚电解质，由于阴阳离 子的相互静电作用而形成聚电解质复合物，并在成膜过程中形成贯串网络结构的 交联膜。它的力学性能随羧甲基魔芋葡苷聚糖含量的增大而得到明显得提高，当 2 海大学博j 。学位论义壳聚糖的改杜及其智能水凝脏的研究杨黎 ! j 4 壳聚糖与羧甲基魔芋葡苷聚糖重量比为7 ：3 时，共混膜的抗张强度最大，其干、 湿态抗张强度分别达到8 9 m p a 和4 9 m p a ，比纯壳聚糖膜的十、混态抗张强度分 别提高了9 7 8 和1 4 7 5 。该共混膜作为一种潜在的生物医用材料，将具有广 阔的应用前景 5 1 。 五、吸湿、保湿性【9 】 保湿剂的保湿、吸湿力耍由保湿剂分子对水分子作用力的大小雨改变。壳聚 糖分子链上由大量的羟基和氨基，具有一定的吸水能力，但其吸水能力不是很大， 只有将其氨基经烷基化后成季铵盐，再将羟基进行羟烷基醚化，甚至再交联，才 能提高其吸水和保水能力【1 6 】。 六、壳聚糖的化学性质 壳聚糖作为一种天然多糖衍生物，具优良的生物亲和性，其分子链上丰富的 羟基和氨基，可发生多种化学反应。例如：氧化反应、酰化反应、羧基化反应、 醚化反应、席夫碱反应、n 烷基化、酯化反应、水解反应和一些其他反应( 氧化、 接枝共聚、重氮化、螯合等) 。 1 1 2 壳聚糖的化学改性【1 0 , 2 0 - 2 2 】 壳聚糖含有羟基和氨基，具有独特的生物功能和物化性质，因此通过分子设 计可以实现受控化学修饰。近年来，由于环境友好功能材料的发展和各学科的相 互交叉与渗透，使壳聚糖的化学修饰方法不断拓展。这些修饰反应不仅有利于构 效关系的研究，而且有助于开发特定的功能高分子材料。如用n 一邻苯二甲酰化 壳聚糖能有效区分三种不同的官能团，可定量和有选择性地合成许多有复杂结构 的功能高分子。 一、氧化反应 i , 1 8 】 壳聚糖的每个糖残基上有羟基和氨基，都容易被氧化。壳聚糖的游离氨基被 硫酸化后，再将一级羟基氧化，则具有与肝素极为相似的结构，可作为肝素的代 用品作抗血凝材料。氧化反应机理较复杂，反应的温度尤其是与p h 值关系极大。 例如：用固体n 2 0 4 ，四氯化碳为溶剂氧化壳聚糖的一级羟基成羧基。用高氯酸 来保护氨基，采用具有选择性的氧化剂c r 0 3 氧化一级醇羟基成醛基，进一步加 海人学博l 学位论史 壳聚糖的改性及其智能水凝腔的研究杨黎i 埘 水，继续氧化成羧基，再滴加n a o h 溶液，脱除高氯酸。在毗啶溶液中用氯磺 酸处理，可得肝素的类似物。用硝酸银、亚硝酸钠、次澳酸钡等氧化剂对壳聚糖 进行氧化脱氨基生成不台氮的多糖衍生物。用高碘酸使壳聚糖的c 2 氨基c 3 羟基 氧化成醛基。过氧化氢、次氯酸钠攻击壳聚糖的糖苷键氧化降解成可溶性的低聚 糖。范国枝等9 1 采用h 2 0 2 n a c i o 作为氧化剂，在乙酸溶液中，对壳聚糖进行氧 化降解，制备出完全水溶性低聚壳聚糖，降解的最佳条件是，反应温度8 0 。c ， 反应时间为2 小时，h 2 0 2 浓度为s ，n a c i o 浓度为6 。 二、酰化反应 壳聚糖可与多种有机酸的衍生物如：酸酐、酰卤( 主要是酰氯) 等反应。导 入不同分子量的脂肪族或芳香族酰基，所得产物在溶剂中的溶解性可得到大大改 善，这是壳聚糖的化学反应中研究最多的一种反应【2 3i 。壳聚糖分子链的糖残基 上既有羟基，又有氨基。氧上的酰化反应即为酯化反应，壳聚糖的糖残基有两种 羟基。c 6 位上的一级羟基和c 3 位上的二级羟基。也可在氨基上发生，生成酰胺。 酰化反应的活性次序是c 2 氨基大于c 6 羟基大于c 3 羟基。壳聚糖也可与无机含 氧酸发生酯化反应。生成硫酸酯、硝酸酯、磷酸酯等化合物。介质对酰化反应的 程度影响很大，壳聚糖在高度溶胀胶状物状态下，可进行非均相高速酰化反应， 可在非质子溶剂( 如甲醇乙醇或甲醇甲酰胺) 中完全酰化，而在甲醇乙酸中只 能获得部分酰化产物，它可在三氯乙酸s 氯乙烷或乙酸等溶剂中进行均相反应。 例如：蒋菊珍【2 邮等用甲酰胺为溶剂；浓硫酸与氯磺酸的比例为l ：2 的混合物， 反应温度为一5 c o ，反应时间4 小时，制备了含硫量达1 5 以上主要产物 为c 6 羟基上壳聚糖硫酸酯。王周玉【”1 等用醋酸和丙酮为反应介质，在均相反应 条件下用马来酸酐对壳聚糖进行酰化反应，得到水溶性n 上酰化的壳聚糖衍生 物。 三、羧甲基化反应 壳聚糖在羟基上的羧甲基化反应类似于羧甲基纤维索的制备。甲壳素用浓的 氢氧化钠溶液在低温下碱化，与氯乙酸进行羧甲基化反应，得到o 一羧甲基甲壳 素。若在室温下进行碱化反应，则产物为o 羧甲基壳聚糖，若在高温下反应， 得到的产物为n ，o 羧甲基壳聚糖。各种产物的生产，温度的影响是最重要的。 f 坶人学博l 学位论义 壳聚糖的改性及其智能水凝胶的研究杨黎l ! ：j 由于甲壳素和壳聚糖不溶于碱性溶液，使该反应处于多相体系中。另一类反应是 在酸性介质中进行的，采用乙醛酸作为羧甲基化试剂，可使反应只发生在n 上， 经还原后可得到n - 羧甲基壳聚糖，利用该反应将0 羧甲基壳聚糖再与乙醛酸缩 合还原后也可得到n 0 - 羧甲基壳聚糖。陔反应的特点是取代有选择性，不需要 加热，可在水溶液中进行，且为均相体系。在不同化学试剂、介质、温度、浓度、 p h 值、时间等反应条件下，羧甲基化产物会具有不同的取代程度、取代位置和 取代分布，从而影响到最后羧甲基化产物的各种性能，可通过控制反应条件，选 择性地制备一定己知结构的羧甲基壳聚糖1 2 6 - 2 7 】。 四、烷基化反应3 叩 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，可与卤代烷、 环氧衍生物等反应，生产n 烷基化产物，或与炕基醛反应生成s c h i f f 碱后，还 原制得n 烷基化合物。在不同反应条件下，壳聚糖的c 6 羟基和c 3 羟基也可发 生o 位烷基化反应。或在n 、o 位同时发生烷化反应【2 5 】。 1 n 位烷基化 n 烷基化壳聚糖衍生物的合成，通常是采用醛与壳聚糖分子中的- - n h 2 反应 形成s c h i f f 碱，然后用n a b h 3 c n 或n a b h 4 还原。用该方法引入甲基、乙基、丙 基和芳香化合物的衍生物3 0 1 。 2 o 位的烷基化 n 位烷基化0 位烷基化壳聚糖衍生物，通常有三种合成方法。第一种s c h i f f 碱法，先将壳聚糖与醛反应形成s c h i f f 碱，将- - n h 2 加以保护，再用卤代烷进行 o 上烷基化反应，然后在醇酸溶液中脱去保护基，即得到只在o 位取代的衍生物 【2 8 】；第二种会属模板合成法：先用过渡余属离子与壳聚糖进行络合反应，使一 n h 2 和c 3 位一o h 被保护，然后与卤代烷进行反应后再用稀酸处理得到仅在c6 位上发生取代反应的0 位衍生物【2 9 1 。第三种n 邻苯二甲酰化法：采用n 邻苯二 甲酰化反应保护壳聚糖分子中的氨基，烷基化后再用肼脱去n 邻苯二甲酰。由 于自由- - n h 2 的存在，该类烷基化壳聚糖衍生物在金属离子的吸附方面有着较为 广泛的用途。 海大学博1 j 学位论文壳聚糖的改件及虬智能水凝歧的研究 杨黎川j 3 n 、o 位烷基化 在碱性条件下，壳聚糖与卤代烷直接反应，可制备在n 、0 位同时耿代的衍 生物。反应条件不同，产物的溶解性能有较大的差别。该类衍生物也有较好的生 物相容性，有望在生物医用材料方面得到应用【”1 。 五、氰乙基化反应 壳聚糖在碱性条件下与丙烯氰可发生加成反应，生成壳聚糖氰乙基醚，反应 温度不同产物也不同。在2 0 时，反应只在羟基上发生，而在6 0 8 0 的较高 温度下，可有3 0 的氨基参加反应。同时伴随着形成的氰乙基被碱水解形成酰胺 和羧基的副反应。 六、羟基化反应 壳聚糖在碱性溶液或在乙醇，异丙醇中可与环氧乙烷、2 - 氯乙醇、环氧氯丙 烷等反应得到羟乙基化和羟丙基化反应。一般在情况下酸性或中性条件下发生n 上羟基化反应，而在强碱条件下发生o 上羟基化。而壳聚糖中氨基含量的减少， 影响其成膜性和离子络合、螯合性等。许晶等f 2 5 用环氧乙烷在p h 为1 2 - - 1 4 之 间，6 0 0 c 左右获得c 6 位p h = 7 的水溶性o 一羟乙基壳聚糖。 七、季铵化反应 壳聚糖分子的每个糖残基上都有一个游离的氨基，通过n 上的烷化可很容 易得到季铵盐。例如：用氮气保护，n 一甲基一吡咯烷酮溶剂，n a o h 和c h 3 i 的混合液，3 6 0 c 反应1 5 小时，可得到碘化n 一三甲基壳聚糖川。用氯离子阴离 子交换树脂交换，便转化为较稳定的氯化n 一三甲基壳聚糖。 壳聚糖可通过复合改性来得到新性能的材料，复合改性主要包括接枝共聚、 辐照和化学交联、共混和互穿聚合物网络等方法。壳聚糖的功能基可作为反应性 基团与合成高分子嵌段共聚、缩聚等反应，从而达到改性合成高分子，合成新型 具有生物可降解的功能材料。 1 1 3 壳聚糖互穿聚合物网络的改性 互穿聚合物网络( i n t e r p e n e t r a t i n gp o l y m e rn e t w o r k s ，i p n ) 是有两种以上交 海九学博l 学位论殳壳聚糖的馥牲艘儿智能水龇歧的研究 杨黎叫 3 n 、o 位烷基化 在碱性条件下，壳聚糖与卤代烷直接反应，可制备在n 、o 位同时耿代的衍 生物。反应条件不同，产物的溶解性能有较大的差别。该类衍生物也有较好的生 物相容性，有望在生物医用材料方面得到应用【”1 。 血、氰乙基化反应 壳聚糖在碱性条件下与丙烯氰可发生加成反应，生成壳聚糖氰乙基醚，反应 温度不同产物也不同。在2 0 c 时，反应只在羟基上发生，而在6 08 0 的较高 温度下，可有3 0 的氨摹参加反应。同时伴随着形成的氰乙基被碱水解形成酰胺 和羧基的副反应”1 。 六、羟基化反应 壳聚糖在碱性溶液或在乙醇，异丙醇中可与环氧乙烷、2 氯乙醇、环氧氯丙 烷等反应得到羟乙基化和羟丙基化反应。一般在情况下酸性或中性条件下发生n 上羟基化反应，而在强碱条件下发生o 上羟基化。而壳聚糖中氨基含量的减少， 影响其成膜性和离子络合、螯合性等。许晶等1 2 5 】用环氧乙烷在p h 为1 2 1 4 之 间，6 0 。c 左右获得c 6 位p h = 7 的水溶性o 一羟乙基壳聚糖。 七、季铵化反应 壳聚糖分子的每个糖残基r 都有一个游离的氨基，通过n 上的烷化可很容 易得到季铵盐。例如：用氮气保护，n 一甲基一吡咯烷酮溶剂，n a o h 和c h 3 i 的混合液，3 6 0 c 反应1 5 小时可得到碘化n 一三甲基壳聚糖。用氯离子阴离 子交换树脂交换，便转化为较稳定的氧化n 一三甲基壳聚糖。 壳聚糖可通过复合改性来得到新性能的材料，复合改性主要包括接枝共聚、 辐照和化学交联、共混和互穿聚合物网络等方法。壳聚糖的功能基可作为反应性 基团与合成高分子嵌段共聚、缩聚等反应，从而达到改性合成高分子，合成新型 具有生物可降解的功能材料。 1 1 3 壳聚糖互穿聚合物网络的改性“1 互穿聚合物网络( i n t e r p e n e t r a t i n gp o l y m e rn e t w o r k s ：1 p n ) 是有两种以上交 互穿聚合物网络( i n t e r p e n e t r a t i n gp o l y m e rn e t w o r k s ：i p n ) 是有两种姒上交 海大学博卜学位论文壳聚糖的改性段其智能水凝胶的研究杨黎i w 联聚合物通过网络的互相贯穿而形成的聚合物共混物，这些网络中至少有一种网 络是在其它网络存在下独立合成交联的。i p n 按合成方法分为两类，一类是序列 i p n ，即先形成一种交联的聚合物网络，随后另一类单体在网络间溶胀，然后原 位聚合形成第二种网络；另一类称为同步i p n ，即先将所有单体组分混合，然后 通过不同的引发条件使各单体聚合交联形成相互穿透的网络结构。i p n 是一类新 型的聚合物口3 1 。近期发展较快的共混改性技术，特别是网络互穿结构及强迫互 穿、界面互穿、协同作用等特点，已引起了人们的极大兴趣。由于互穿聚合物网 络复合材料表现出比单一高分子组分更优良的力学性能，i p n 技术己用于高分子 材料的改性，以扩大其应用范围。由一种线型高分子与另一种交联聚合物互穿在 一起则形成半互穿聚合物网络结构，它为多糖高分子的改性提供了新途径。例如： 壳聚糖与丙烯酸水溶液经电子束辐照形成壳聚糖与聚丙烯酸的互穿网络【3 5 】 1 , 1 4 壳聚糖的交联改性 交联的目的是使产物不溶解，形成稳定的凝胶，使之成为包埋药物或固定化 酶的载体。壳聚糖常用的交联剂有醛类、聚阴离子类和坏基烷烃类。三类交联剂 各有特色：醛基先与壳聚糖的氨基生成席夫碱型结构，再同羟基反应，而且得到 的席夫碱结构还可以被还原成氨基；聚阴离子与阳离子壳聚糖以静电作用进行交 联；环氧氯丙烷或环硫氯丙烷可以直接同氨基反应，直接交联，但会降低氨基的 含量。在强碱的作用下也可与壳聚糖伯羟基反应生成交联的产物。 1 1 5 壳聚糖的接枝共聚改性 壳聚糖的接枝共聚反应主要有化学法和辐射接枝两种。从反应机理来讲，又 可以分为离子引发和自由基引发接枝。壳聚糖通过接枝后可以改善性能，扩大用 途。 一、化学法接枝共聚 氧化还原体系引发接枝共聚，用硝酸铈铵或硫酸铈铵在非均相的水溶液中将 烯类单体接枝到壳聚糖上。彭湘红等用c e ”离子作引发剂，引发壳聚糖与烯 类单体如甲基丙烯酸、丙烯酰胺、苯乙烯等接枝到糖残基上。自由基引发剂体系 中用引发剂有：过硫酸盐、过氧化二苯甲酰、偶氮二异丁腈等引发接枝共聚，例 i 一海人学博l 学位论文壳聚糖的改性驶她智能水般胶的研究杨黎l 蚍 如：刘峥蒋先民以过硫酸钾、亚硫酸氢钠为引发体系，将丙烯腈接枝共聚至 壳聚糖上。程建华等通过自由基引发接枝反应，在过硫酸铵。亚硫酸钠组成氧 化还原体系，在n z 保护下接枝丙烯酸乙酯二甲氨基季铵盐，合成出一种壳聚糖 接枝聚季铵盐高分子聚合物，并应用在香波中作为一种调理剂，可以明显改善聚 季铵盐类吸附累积而使头发滑而不柔的缺点，具有很大的市场应用前景。 二、辐射法接枝共聚 辐射引发的接枝6 0 c o 的y 射线辐照法、电子束辐照、低压汞灯产生的紫外线 辐射法可用于壳聚糖的接枝共聚。用”c o 的y 射线在壳聚糖上接枝丙烯酰胺、 甲基丙烯酸甲酯、羟乙基丙烯乙酯在水和甲醇接枝率可达到9 0 以上。辐照接 枝无引发剂可在室温下进行，适用于生物医药领域 4 - 4 5 】。 1 3 6 壳聚糖的共混改性 共混是开发高分子新材料的重要而又简便的途径之一，它比化学改性容易操 作，易实现工业化。壳聚糖既有氨基又有羟基。具有较强的氢键存在，有利于和 其他含有氧和氯的化合物共混形成较强的分子阳j 作用力。可以与聚丙烯腈、聚乙 烯醇、聚4 一乙烯基吡啶、聚乙烯基吡咯烷酮、聚乙二醇等共混后形成一种新的 功能材料4 6 1 。壳聚糖和海藻酸钠之间形成很强的氢键，共混膜的力学性能显著 改善，同时也保持了海藻酸钠的离子交换以及醇水渗透汽化的分离特性f 4 ”。通 过壳聚糖溶液从聚丙烯腈膜中渗透，然后用n a o h 溶液处理并干燥，可制备聚 丙烯腈一壳聚糖超滤膜。x 一射线光电子能谱( x p s ) 和扫描电镜的结果表明， 在聚丙烯腈膜的表面和孔径周围形成了壳聚糖吸附层，水通量、孔径分布和分子 量截流率都有所变化h 8 1 。 1 1 7 壳聚糖及其衍生物的应用 壳聚糖分子链上富含特殊的氨基、羟基功能团，因此也是种功能高分子 化合物，作为一种环境友好材料，其应用已显示了诱人的发展前景，壳聚糖及其 衍生物具有较高的生产价值和实用意义。 一、生物工程领域的应用 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 卜海大学博1 j 学位论义 壳聚糖的己5 【性搜其智能水凝脞的 j f 究杨黎i 埘 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、 纤维素酶等口”。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【4 8 - 5 5 。 二、在工业领域的应用。 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5 。壳聚糖的水溶液粘度较高，无毒性，可作为增稠剂和稳定剂，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 5 8 , 5 9 ；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【6 0 l ；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【6 1 1 ； 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 菌等具有抗菌作用叫；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；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 6 4 , 6 5 1 。 三、在环境工程中的应用 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螫合物，因此， j ：海大学博。卜学位论文 壳聚糖的改性搜其智能水凝胶的研究杨黎明 可以用壳聚糖的这种螯合性能除去污水中的h 9 2 + ，c u 2 十，c d ”，p b ”，c 0 2 + 等离 子。例如，壳聚糖可以从3 0 c a c l 2 和6 0 p p mf e 3 + 溶液中除去全部重金属离 子，在o 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1 0 的钠盐溶液1 8 m l 可使l o o m l 的1 0 0 “g g 的c d 2 + 溶液 或1 0 0 “g g 的h 9 2 + 溶液在p h = 3 5 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5 0 0 5 9 9 g 和0 5 1 t g g 6 8 6 9 1 。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7 0 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 l 倍，而且对染料的吸附量也分别是其 5 倍和2 9 倍以上【7 “。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。同时壳聚糖还具有一定 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【7 2 1 。 四、在生物医学中的应用 7 3 - 8 4 】 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。壳聚糖是一种带正电荷的天然多糖，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 8 5 。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 i 二海大学博j j 学位论文 壳聚糖的改性及扎智能水凝胶的研究杨黎l 抛 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