（材料加工工程专业论文）自组装交联法制备马来酰化壳聚糖微球chmm.pdf

自组装一交联法制备马来酰化壳聚糖微球( c h m m ) 摘要 壳聚糖是自然界唯一的带正电的天然多糖，应用十分广泛，然而壳聚糖只溶于 酸，限制了它的广泛使用，为拓展其用途，我们制备了能溶于水的壳聚糖衍生物。 我们以水为介质，碳酸钠为催化剂，制备了水溶性的马来酸酐酰化壳聚糖，并研究 了反应物投料比、介质加入量、反应时间、反应温度对酰化取代度以及产物水溶性 的影响，得到了酰化反应的最佳反应条件。改性得到的马来酰化壳聚糖为两性高分 子，一定条件下显负电性。以阳离子电解质聚二甲基二丙烯基氯化铵( p d d a ) 表面改 性7 r i m 的s i 0 2 粒子，透射电镜结果表明：p d d a 对s i 0 2 的改性效果明显，粒子分 散性较好，粒径1 0 4 0 n m ；p d d a 附着在s i 0 2 粒子表面，使得经改性后的s i 0 2 粒子 表面带正电荷。 通过静电自组装使马来酰化壳聚糖与p d d m s i 0 2 组装得到马来酰化壳聚糖 s i 0 2 复合物，电镜结果显示：马来酰化壳聚糖附着在p d d a s i 0 2 表面。 以过硫酸钾( 1 0 s ) 和亚硫酸钠为引发剂，n ，n 亚甲基双丙烯酰胺( m b a ) 为交联 剂，交联马来酰化壳聚糖s i 0 2 复合物制备了马来酰化壳聚糖微球，t e m 结果显示： 大部分微球呈球形，粒径在1 0 0 3 0 0 n m ，且分散性较好，分布窄。 考察了交联反应温度、反应时间、搅拌速度、引发剂用量、交联剂投料比等对 马来酰化壳聚糖微球性能的影响。结果显示最佳的反应条件为：2 0 m l 马来酰化壳聚 糖s i 0 2 复合物，反应温度5 0 ，反应时间l h ，搅拌速度8 0 0 r r a i n ，引发剂占马来 酰化壳聚糖质量的0 3 w t o o ，1 n ，n 二甲基双丙烯酰胺1 0 m l ，壳聚糖的脱乙酰度8 0 以上，制备的得到的微球粒径小，分布窄。 本实验尝试水溶液状态下直接交联制备壳聚糖微球，与乳化交联法得到壳聚糖 微球相比，虽然分散性稍差，但是微球粒径更小。同时制备得到的微球几乎不受有 机溶剂的污染，为微球的后续应用铺平了道路。 关键词：壳聚糖马来酰化壳聚糖交联纳米二氧化硅微球 p r e p a r a t i o no f 队l e o y lc h i t o s a n c r o s p h e r e s f r o ms e l f a s s e 田；l y - c r o s s l i n k r n g a b s t r a s c t c h i t o s a ni st h eo n l yp o s i t i v e l yc h a r g e dn a t u r a lp o l y s a c c h a r i d e ，h o w e v e r , c h i t o s a ni s o n l ys o l u b l ei na c i d i no r d e rt oe x p a n di t su s e ，w a t e r - s o l u b l ec h i t o s a nd e r i v a t i v ew a s p r e p a r e d w i t hw a t e ra sr e a c t i o nm e d i u l n ，ah o v e lw a t e r - s o l u b l ec h i t o s a nd e r i v a t i v ew a s p r e p a r e df r o mt h ea c y l a t i o no fm a l e i ca n h y d r i d ea n dc h i t o s a n ，w h i c hw a sc a t a l y s i s e db y s o d i u mc a r b o n a t e t h ee f f e c t so ft h em o l a rr a t i oo fr e a c t a n t ，t h ea m o u n to fw a t e r , r e a c t i o n t i m ea n dr e a c t i o nt e m p e r a t u r eo nt h ed e g r e eo fs u b s t i t u t i o na n dw a t e r - s o l u b l ew e r e s t u d i e d ，t h eb e s tr e a c t i o nc o n d i t i o nw a sd e t e r m i n e d m a l e o y lc h i t o s a ni sag e n d e rp o l y m e r , s oi ti san e g a t i v ep o l y m e ru n d e rc e r t a i nc o n d i t i o n 7 n mn a n o - s i l i c aw a st r e a t e db y p o l y ( d i a u y d i m e t h y l a m m o n i u mc h l o r i d e ) ( p d d a ) ，t e mr e s u l t ss h o w e dt h a tn a n o - s i l i c a w a sp r o p e r l yd i s t r i b u t e d 研t l lp a r t i c l es i z eo f10 4 0 n m ，a n dt h es u r f a c eo fm o d i f i e d n a n o s i l i c aw a sp o s i t i v e l yc h a r g e d m a l e o y lc h i t o s a n s i 0 2c o m p o s i t e sw a sp r e p a r e db ye l e c t r o s t a t i cs e l f - a s s e m b l y 、析t l l n e g a t i v em a l e o y lc h i t o s a na n dp o s i t i v ep d d a s i 0 2 ，s e ma n dt e mr e s u l t ss h o w e dt h a t m a l e o y lc h i t o s a na t t a c h e dt op d d a s i 0 2 w i t hk 2 $ 2 0 8 n a 2 s 0 3a si n i t i a t o ra n dn ，n m e t h y l e n e - b i s - a c r y l a m i d e ( m b a ) a st h e c r o s s l i n k i n ga g e n t ，t h em a l e o y lc 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 df r o mc r o s s - l i n k i n g m a l e o y lc h i t o s a n s i 0 2c o m p o s i t e s t e mr e s u l t s s h o w e dt h a tn a r r o wd i s t r i b u t e d c r o s s - l i n k e dm i c r o s p h e r e sw e r ew e l l s h a p e ds p h e r e s 、析t l lad i a m e t e rf r o m10 0 n mt o 3 0 0 r i m t h ee f f e c t so fr e a c t i o nt e m p e r a t u r e ，r e a c t i o nt i m e ，s t i r r i n gs p e e d ，a m o u n to fi n l t i a t o r ， a m o u n to fc r o s s l i n k i n ga g e n to nt h ep r o p e r t i e so fm i c r o s p h e r e sw e r ed i s c u s s e d t h e o p t i m u mc o n d i t i o n sw e r ed e t e r m i n e da sf o l l o w s ：t h ev o l u m eo fp d d a s i 0 2c o m p o s i t e s w a s2 0 m l ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r ew a s5 0 。c ，r e a c t i o nt i m ew a slh , s t i r r i n gs p e e dw a s 8 0 0 r m i n ，t h ec o n t e n to fi n i t i a t o rw a so 3 ( i nm a l e i ca n h y d r i d ec h i t o s a n ，训= ) ，t h e v o l u m eo fl m b aw a s10 m 1 c h i t o s a nd e g r e eo fd e a c e t y l a t i o nw a sg r e a t e rt h a n8 0 u c o m p a r e d w i t hm i c r o s p h e r e s p r e p a r e d i n e m u l s i o n - c r o s s l i n k i n gm e t h o d ，t h e m i c r o s p h e r e sp r e p a r e d f r o md i r e c t l y c r o s s l i n k i n g i n a q u e o u s s o l u t i o nw e r el e s s d i s t r i b u t e d ，b u th a das m a l l e rp a r t i c l es i z e a tt h es a m et i m e ，t h ep r e p a r e dm i c r o s p h e r e s w e r ea l m o s tf r e ef r o mo r g a n i cs o l v e n tp o l l u t i o n , w h i c hm a k ei tm o r eu s e f u l k e y d r d s ：c h i t o s a n ，m a l e o y lc h i t o s a n , c r o s s - l i n k ，1 1 3 1 1 0 一s i l i c a ，m i e r o s p h e r e s 1 1 1 符号说明 p d d a 聚二甲基二丙烯基氯化铵 s i 0 2 ：二氧化硅 m b a ： n ，n 亚甲基双丙烯酰胺 k p s ： 过硫酸钾 n a o h ：氢氧化钠 h c i - 盐酸 c h 3 c o o h ： 醋酸 c h m ：马来酰化壳聚糖 c h m m ： 马来酰化壳聚糖微球 d d ：脱乙酰度 【t 1 】：特性粘数 t g d t g ：热重分析 t e m ：透射电子显微镜 s e m -扫描电子显微镜 青岛科技大学研究生学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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中所罗列的内容以外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文 或成果。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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：矽冕形良日期：止彳年易月伯 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解青岛科技大学有关保留、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。 本人授权学校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。本人离校后发表或使用学位 论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为青岛科技大学。( 保 密的学位论文在解密后适用本授权书) 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密d 。 ( 请在以上方框内打“”) 本人签名：夕钇引袭日期：彦刁年名月j r 新躲磁继互脚吖年月丛百 6 5 青岛科技人学研究生学位论文 第一章绪论 壳聚糖是取之不尽，用之不竭的天然高分子聚合物，已在功能膜材料、生化、 医疗、日用化学品、农业等诸多领域得到了初步的应用。而壳聚糖微球作为一种具 有广阔前景的可生物降解的药物载体，具有无毒，生物相容性和生物可降解性，还 可改变药物的体内分布、控制药物的释放、提高药物生物利用率、改变药物对生物 膜的通透性、增加药物局部写留性等特点，它可负载多种药物，可用于器官靶向、 胞内靶向等药物传递系统，还可制成口服、眼用和透皮制剂。另外，它还可用来作 为固定化酶的载体，目前国外已有相关产品出售。 但在国内，对于壳聚糖的研究还仅仅是处于初步阶段，就算在世界上，壳聚糖 方面的研究也仅处于实验阶段，运用到实际研究成果仍极少，特别是在医药领域， 大部分成果还处于临床试验当中。壳聚糖载药微球的研究方兴未艾，新成果层出不 穷，然而制备的壳聚糖微球普遍粒径较大【l - 3 1 ，一定程度上限制了微球的应用范围。 本实验室初涉壳聚糖微球的研究领域，期望通过制备得到粒径较小、分散性较好的 壳聚糖微球。 1 1 甲壳素壳聚糖概述 甲壳素( c h i t i n ) 又名甲壳质、壳多糖、几丁质、壳蛋白，其化学名为1 3 ( 1 ，4 ) 2 乙酰胺基2 脱氧d 葡聚糖，是n 乙酰基d 葡胺糖通过1 3 ( 1 ，4 ) 苷键联结的直链状 多糖。甲壳素是一种天然有机高分子化合物，广泛分布于低等动物特别是节肢动物， 如蟹、虾和昆虫的外壳中，同时它们也存在于低等植物如真菌和藻类等细胞壁中； 另外，也可从有机酸类、抗生素与酶的酿造副产物中提取。其年生物合成量估计可 达百亿吨之多，是自然界中产量仅次于纤维素的第二大天然有机化合物。 壳聚糖( c h i t o s a n ) 又名脱乙酰甲壳质、甲壳胺、可溶性甲壳质，是甲壳素脱去乙 酰基后生成的产物，也是甲壳素最主要的衍生物。壳聚糖的化学命名为b ( 1 ，4 ) 2 氨基2 脱氧d 葡聚糖。 甲壳素壳聚糖的化学结构式与纤维素相似，图1 1 是它们的结构式。 暗嘞 嘲： 十 甲凭索 壳聚糖纤维素 图1 1 甲壳素、壳聚糖和纤维素的化学结构式 f i g 1 1c h e m i c a ls t r u c t u r eo fc h i t i n ，c h i t o s a na n dc e l l u l o s e - t y p e 壳聚糖作为一种含量丰富的多聚糖资源，由于其无毒、可生物降解、良好的成 膜性和生物相容性，近年来已在水处理、医药、食品、化妆品、农业等领域显示了 其独特的应用价值，并引起了世界各国科学家的高度注意。下面就介绍一下甲壳素 壳聚糖在国内外的研究现状以及其独特性能【4 】。 1 1 1 壳聚糖研究现状 壳聚糖( c h i t o s a n ) 及其衍生物在医药、食品工业及农业方面都有广泛的用途，是 一种新型的生物医用材料。壳聚糖的这些用途源于它自身多样的生物学性能，如良 好的生物相容性、可降解性、其自身的无毒副作用、降解产物极低的毒性。壳聚糖 如此多的生物活性使它在医药和生物材料领域的应用备受关注，正在作为一种新型 的天然可生物降解高分子材料应用于实践中。 甲壳素和壳聚糖都可以形成分子内和分子间氢键【5 】。甲壳素分子内有o h 和 c = o 基团，分子链之间存在强烈的氢键，所以几乎不溶于水及一般的有机溶剂、稀 酸、稀碱或浓碱。而壳聚糖分子内有o h ，- n h 2 ，o 基团，也可以形成多种分子内 氢键，但与甲壳素不同的是壳聚糖分子链的刚性和堆积密度均小于甲壳素，所以壳 聚糖的溶解性较甲壳素好。在稀酸中，壳聚糖的- n h 2 被质子化为- n i l 3 + ，破坏了其 原有的氢键和晶格结构，此时o h 与水分子结合，从而使壳聚糖溶解。壳聚糖为亲 水性阳离子聚合物，在乙酸溶液中能产生聚电解质效应。在极稀的壳聚糖溶液中， 壳聚糖的分子链充分伸展，类似刚性结构1 6 1 。 甲壳素和壳聚糖是少数带正电荷的天然产物之一，具有许多独特的物理、化学 性质和生物功能，又具有许多的生理活性，是一种非常有价值的新材料。自2 0 世纪 8 0 年代以来，国外掀起了甲壳素、壳聚糖等多糖类生物医用材料的开发研究热潮。 2 0 世纪9 0 年代，我国对甲壳素、壳聚糖资源的开发研究也逐渐重视起来。进入2 1 世纪，在甲壳素壳聚糖领域，其研究工作的进展更是如火如荼，这方面的研究论文 更是层出不穷，新的研究领域和新的研究方法不断被发掘出来。国际上十分重视甲 壳素壳聚糖的应用和研究，每两年召开一次国际研讨会，特别是在日本，平均每三 2 青岛科技大学研究生学位论文 天就有一份壳聚糖专利申请。 由于壳聚糖独特的物理、化学性质和生物功能，它已在药物控释载体、固定化 酶、人工透析膜、吸收缝合线、伤口涂敷料、人造皮肤等生物医药方面有了广泛应 用【7 - 9 1 。 1 1 2 壳聚糖的性能研究 壳聚糖作为一种备受关注的新材料，具有很多优良的特性，主要表现在如下几 个方面： ( 1 ) 生物相容性 壳聚糖对人和牲畜无毒，在体内能够生物降解。由于壳聚糖的组成单元成分氨 基葡萄糖与人体表皮脂膜层重要成份神经酰胺的结构十分相似，因此它可与表皮脂 膜层相互作用产生一层壳聚糖脂膜层。壳聚糖脂膜层具有优良的延展性，因为这一 特性，壳聚糖已被用于制造人造皮肤和手术缝合线等医用材料。 ( 2 ) 吸湿性与保湿性 低聚壳聚糖分子中含有大量的o h 和- n h 2 强极性基团，不仅使得低聚壳聚糖的 水溶性大为改观，同时也使它具有良好的吸湿保湿功能。随着低聚壳聚糖相对分子 质量的增加，吸湿率不断减小。 ( 3 ) 抗菌性和抑菌性 低聚壳聚糖具有显著的抗菌、抑菌能力。对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌进行抑 菌试验发现平均相对分子质量低于2 2 0 0 的低聚壳聚糖很难抑制微生物生长；相对分 子质量大约在5 5 0 0 的壳低聚糖能否抑制微生物繁殖要视其浓度而定；当相对分子质 量达到9 3 0 0 时微生物繁殖能力将完全被抑制。在相应最小抑菌质量浓度以上，随着 低聚壳聚糖质量浓度增加，抑菌作用逐渐变强。另外，低聚壳聚糖的抗菌活性还与 氨基含量和氨基质子化以及相对分子质量大小有关【1 0 】。 ( 4 ) 表面多孔、吸水、透氧性 壳聚糖具有表面多孔结构，可均匀地将化合物包埋在其胶囊或颗粒中，具有缓 释功能。壳聚糖还具有吸水、透氧功能，平均吸水量可达5 0 ( w w ) ，壳聚糖是良好 的药物缓释剂和保水剂【l l 】。 ( 5 ) 絮凝性 壳聚糖是一种天然阳离子絮凝剂，而般的污物带有负电荷，因而壳聚糖可使 带相反电荷物质形成胶凝而沉淀。又因为壳聚糖分子中的氨基和羟基可与c u 2 + 、 h 9 2 + 、a g + 、a u + 等重金属离子形成稳定的络合物而沉降，从而能有效地吸附并处理 工业废水中的重金属离子。 1 2 壳聚糖的化学改性 壳聚糖分子中存在氨基和羟基，它们均具有较高的反应活性。选用适当的化学 试剂可以对壳聚糖进行多种化学改性，从而得到不同的壳聚糖衍生物。由于改性后 的壳聚糖衍生物在一定程度上继承了壳聚糖的一些优良性能，同时又具有其自身独 特的性能，因此，壳聚糖的化学改性进一步拓宽了壳聚糖的应用范围。下面介绍几 种常见的壳聚糖改性反应及其进展。 ( 1 ) 酰化反应 壳聚糖的酰化反应是指甲壳素和壳聚糖与酰氯或酸酐反应，从而导入不同的分 子量的脂肪酸或芳香族酰基。酰化反应可在羟基或氨基上进行，酰化壳聚糖及其衍 生物中的酰基破坏了壳聚糖及其衍生物大分子间的氢键，改变了它们的晶态结构， 从而大大改善了壳聚糖在水中的溶解性。因此，酰化反应是壳聚糖的化学反应中研 究最多的一种。 1 9 3 0 年，k a r r e r 和w h i t e u 2 】发现羧酸酐在高温下与壳聚糖能发生很猛烈的反应， 形成n 一酰化衍生物，其反应式如下： r ? + 1 伽 o no r 冬 h n c r o 图l - 2n 酰化反应式 f i g 1 - 2n - a c y l a t i o nr e a c t i o n 介质对酰化反应影响很大。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。甲壳素壳聚糖可在非质子溶剂( 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，它还可在三氯乙酸- - 氯乙烷或乙酸等 溶剂中进行均相反应。舒红判1 3 】等人采用微波辐射，以n ，n 二甲基甲酰胺为反应介 质，合成了马来酸酐酰化壳聚糖。利用单因素实验和正交实验设计考察了投料摩尔 比、微波辐射功率、微波辐射时间和反应温度等因素对取代度的影响。结果表明： 最佳合成条件为马来酸酐与壳聚糖的投料摩尔比为1 5 ：1 ，微波功率为6 0 0 w ，反应 温度为1 1 0 ，反应时间为2 5 r a i n 。并根据红外谱图中的特征吸收峰和紫外谱图中强 吸收波长变化验证了产物结构，且通过元素分析证实了马来酸酐改性壳聚糖成功。 舒红英【1 4 】等人还采用硝酸铈铵为引发剂，合成了壳聚糖与马来酸酐的接枝共聚物。 4 青岛科技大学研究生学位论文 通过正交试验对合成工艺条件进行了优化，最佳合成工艺条件为反应温度9 0 ，反 应时间3 h ，壳聚糖与马来酸酐摩尔比为1 ：2 ，p h = 6 。并对接枝共聚物进行了红外光 谱与紫外光谱表征。王周玉【1 5 j 等人以乙酸+ 丙酮为反应介质对壳聚糖进行水溶性改 性，制备了一系列的水溶性的壳聚糖衍生物。并测定了酰化壳聚糖的残余氨基百分 数和酰化壳聚糖的特性粘数，还用红外光谱对酰化壳聚糖进行了表征，结果表明， 反应得到了水溶性较好的酰化壳聚糖。 然而，以上这些反应介质对于人体有不同程度的危害，残留于酰化壳聚糖中影 响其应用于化妆品和医药产品，因此本论文选择以水为介质进行酰化反应，反应得 到的产物中无有机溶剂残留，减少后处理工序【1 6 1 。 ( 2 ) 主链的水解及降解 壳聚糖在酸性水溶液中加热到1o o 便能完全水解成葡萄糖氨盐酸盐： h c l q - h o l o o h 心_ 一r a 图1 - 3 主链的水解 f i g 1 - 3h y d r o l y s i so ft h em a i nc h a i n 在较温和的条件下，可得到多种低聚物的混合物。利用壳聚糖的水解反应除可 制备葡萄糖氨等产品外，还可制备些难以直接合成的葡萄糖氨衍生物。例如，可 使壳聚糖充分甲基化，然后水解而得3 ，6 二甲基化的葡糖氨。 最近有用h 2 0 2 使壳聚糖氧化降解的报道，反应是非均相进行的，可在酸、碱及 中性条件下进行，所得产物为分子量不等的聚合物。此外，在盐酸( 或醋酸亚硝酸盐) 体系中也能实现壳聚糖的降解，反应在室温进行，产率可达9 0 以上。张春玲【1 7 1 等 研究了壳聚糖的降解，确定了壳聚糖的降解的适宜的条件。亚硝酸钠降解壳聚糖的 最佳条件是1 0 n a n 0 2 用量0 6 m l 、温度3 5 摄氏度、时间3 5 m i n 、醋酸浓度3 ； 双氧水降解壳聚糖的最佳条件是双氧水浓度6 、温度7 0 摄氏度、时间6 h 、醋酸浓 度4 。 ( 3 ) 羧甲基化反应 在碱性条件下，甲壳素壳聚糖与氯乙酸反应，反应大多在c 6 的羟基上进行， 得到可溶于水的羧甲基化甲壳素壳聚糖。羧甲基化甲壳素壳聚糖可用于食品保鲜、 废水处理和化妆品添加剂；此外，它还可用于制备人造血红细胞等。其反应式如下： n a o h c l c h 2 c h n 图l _ 4 羧甲基化反压式 f i g 1 - 4e a r b o x y m e t h y l a t i o nr e a c t i o n ( 4 ) 季铵化反应 低分子的有机季铵盐是阳离子表面活性剂，为了改善性能，后来又发展出了高 分子季铵盐。高分子季铵盐作为阳离子表面活性剂、金属离子的捕集剂、离子交换 剂、絮凝剂、抗菌剂，发挥了许多作用，近二十多年来，它又成为相转移催化剂， 引起了更多的注意。 壳聚糖分子链上有氨基，1 9 8 5 年，m u z z a r e l l i 和t a n f a n i t l 8 】报道了用碘甲烷与壳 聚糖反应合成出碘化n 三甲基壳聚糖季铵盐，反应式如下： o 图1 - 5 季铵化反应式 f i g 1 - 5q u a t e m i z e dr e a c t i o n ( 5 ) n 烷基化 有人认为在进行壳聚糖与卤代烷的o 烷基化反应时，首先发生的是n 烷基化， 如壳聚糖与环氧衍生物的加成反应，得到的是n 烷基化衍生物，这个反应的特点是 同时引进了2 个亲水性的羟基。环氧丙醇与壳聚糖生成的n 取代物，能溶于水，若 壳聚糖与过量的环氧丙醇在水溶液中反应，壳聚糖氨基上的2 个h 将被取代，生成 n ，n 二羟基正丙基壳聚糖，此生成物易溶于水。 壳聚糖n 烷基衍生物不但溶于水，而且在甲醇、乙二醇、1 ，3 丁二醇、丙三醇 6 青岛科技大学研究生学位论文 中完全溶解，在氯乙醇、丙二醇中部分溶解，在甲酰胺、n ，n 二甲基甲酰胺、二甲 亚胺等极性溶剂中部分溶胀。 ( 6 ) 西佛碱反应 o hn 乇 j n +nr c ；f i d h n i h c r 。卜 图1 6 西佛碱反应 f i g 1 6t h er e a c t i o no fs e h i f f sb a s e 这个反应在壳聚糖的研究和应用中很有价值，一方面可用于保护氨基，然后在 羟基上进行各种反应，反应结束后，可以方便的脱掉保护基团；另一方面，有一些 特殊的醛形成的西佛碱，经氰硼化钠还原，可以合成一些有用的n 衍生物。不管是 脂肪醛还是芳香醛，壳聚糖的氨基都不能完全西佛碱化。壳聚糖西佛碱不熔融，2 2 0 开始分解。西佛碱不溶于有机溶剂。壳聚糖西佛碱可被酸破坏，从而回收壳聚糖 ( 7 ) 交联 甲壳素壳聚糖可通过双官能团的醛或酸酐等进行交联。交联的主要目的是使产 物不溶解，甚至溶胀也很小，性质很稳定，这对于它们被用层析的载体或固定化酶 载体是十分重要的。交联主要是在分子间发生，也不排除在分子内发生。交联更多 的是醛基与壳聚糖的氨基生成席夫碱结构，其次才是醛基与羟基的反应。常用的交 联剂是戊二醛、甲醛和乙二酸。此反应可在室温下进行，反应速度较快，既可在水 溶液中进行，也可在非均相介质中进行，而且可在很宽的p h 值范围内发生。下式 是用甲醛交联壳聚糖后的分子式： i 斗 n h 图1 - 7 交联示意图 f i g 1 - 7s c h e m a t i cd i a g r a mo fc r o s s l i n k i n g ( 8 ) 接枝共聚 甲壳素壳聚糖分子链上的活性基团很多，可以进行接枝共聚反应，从而改进它 们的性能，满足特殊需要。甲壳素壳聚糖的接枝共聚始自1 9 7 9 年，但其后的1 0 年 进展不大，进入2 0 世纪9 0 年代，国内外的研究又多了起来，研究内容主要侧重于 接枝壳聚糖在医药领域的应用。 对壳聚糖进行接枝共聚改性反应主要有两条途径：( 1 ) 引发聚合法：在壳聚糖高 分子的骨架上产生大分子自由基进而引发林一种单体聚合。应用这种方法制备了聚 丙烯酸类、丙烯酰胺类、乙烯类等多种接枝壳聚糖。q i a n 1 9 j 等利用过硫酸铵作引发 剂，在醋酸溶液中接枝聚合制得壳聚糖接枝甲基丙烯酸甲酯共聚物亲水性纳米粒子。 比没接枝的壳聚糖溶解性提高，能在较宽的p h 范围内溶解。装在胰岛素包封率达 到1 0 0 ，体外释药实验表明可缓慢持续释放2 4 h 。( 2 ) 偶合法：通过在壳聚糖高分子 链上的反应性官能团与其它的聚合物分子链偶合。这种方法主要用来合成可生物降 解型接枝壳聚糖，例如聚乙二醇类、聚丙交酯类等。p r e g o l 2 0 】等将壳聚糖接枝聚乙二 醇，并制备了两种纳米囊：壳聚糖接枝聚乙二醇纳米囊和外壳为聚乙二醇的壳聚糖 纳米囊。实验表明，两种纳米囊都比未接枝聚乙二醇的壳聚糖形成的微粒在胃肠液 中更加稳定，并且对细胞毒性降低。能够提高和延长肠道对于缩氨酸类模型药物的 吸收，并且接枝率影响纳米囊的体外释药性能。表明接枝后多方面性能得到提高。 施云峰【2 l 】等以壳聚糖为原料，经过改性制备6 - 0 三苯甲基2 邻苯二甲酰基壳聚糖， 8 青岛科技大学研究生学位论文 作为大分子引发剂，以辛酸亚锡催化d ，l 丙交酯接枝聚合，制备共聚物高分子。实 验结果表明，聚合物具有不同于聚乳酸的热性能，共聚物具有较好的亲水性，壳聚 糖与丙交酯的接枝共聚物具有较聚乳酸及壳聚糖更为优良的性能，可作为组织工程 支架材料。 ( 9 ) 含氧无机酸酯化反应 幻硫酸酯化 甲壳素或壳聚糖的羟基( 尤其是c 6 o h ) 可与硫酸发生酯化反应得到硫酸酯。这 个反应很有意义，从1 9 5 4 年到现在，直有人在进行研究，其原因是壳聚糖硫酸酯 的结构与肝素相似，也具有抗凝血作用，而肝素的提取、生产是十分困难的，售价 很肝；同时，肝素还有引起血浆脂肪酸浓度增高的副作用。制备出特定结构和分子 量的壳聚糖硫酸酯，其抗血凝活性非但比肝素高，而且没有副作用。 浓圪s 0 4、s 0 3i - i c l 或s o z s t h e r 为0 ( 妇七h 图1 8 硫酸酯化反应式 f i g 1 8s u l f a t e dr e a c t i o n 甲壳素或壳聚糖的硫酸酯化试剂主要有浓硫酸、二氧化硫三氧化硫、氯磺酸等， 反应一般在非均相中进行。 b ) 黄原酸化 将壳聚糖用碱处理后，与二硫化碳发生复杂反应生成黄原酸酯。壳聚糖加到二 硫化碳和氢氧化钠水溶液中，6 0 反应6 h ，倾入丙酮中，得到n 黄原酸化壳聚糖钠 盐。它是一种亮黄色粉末，可溶于水，对重金属有很强的螯合能力，螯合物不溶于 水，可通过过滤除去，因此是一种有效的重金属去除剂。它的水溶液也可喷丝制壳 聚糖纤维。 c ) 磷酸酯化 与纤维素一样壳聚糖也能发生发应生成磷酸酯，反应得到的产物具有较好的水 溶性和耐热性，同时具有很强的吸附重金属离子的能力，尤其是能捕捉海水中含量 极少的铀，因而是一种重要的壳聚糖衍生物。 9 d ) 硝酸酯化 硝化纤维素的制备是人们所熟知的，壳聚糖也能像纤维素一样用硝酸、硝酸与 其它无机酸组成的各种混合酸、氮的氧化物等使之硝化成硝酸酯。壳聚糖的硝酸酯 极不稳定，若制成壳聚糖的高氯酸盐，则能在室温下保存1 4 个星期。 1 3 壳聚糖微球的制备方法 壳聚糖微球的制备方法很多，一般可根据载体材料性质、微粒的粒径、释放性 能以及最终用途等要求可选择不同的制备方法。本文概述了国内外制备壳聚糖微球 的若干主要方法。 1 3 1 离子交联法 常用的阴离子交联剂可分为3 类：低分子质量反离子交联剂( 如焦磷酸、三聚磷 酸盐、四聚磷酸盐等) 、疏水性反离子交联剂( 如藻酸盐) 和高分子质量阴离子交联剂 ( 辛基硫酸盐、十二烷基硫酸盐、十六烷基硫酸盐等) 。该方法的基本操作过程使， 在磁力搅拌状态下，通过针头将壳聚糖醋酸溶液滴入不同浓度的三聚磷酸盐或其它 阴离子水溶液中，所形成的微球再通过过滤器从反离子溶液中取出，用蒸馏水洗涤， 干燥，即得壳聚糖微球。 陈艳【2 2 】等人采用硫酸钠和三聚磷酸钠为交联剂，通过离子交联法制备了壳聚糖 5 氟尿嘧啶纳米粒子。所制得的粒子均呈单分散、形状规则的球形。其中用硫酸钠 制备的粒子粒径为1 0 0 n m 左右，载药量3 0 ，包封率8 0 ；用三聚磷酸钠制得的粒 子粒径为4 0 8 0 n m ，载药量2 1 ，包封率5 5 。k a s h a p p ag o u d 2 3 】等人制备了壳聚糖 三聚磷酸钠微球，微球表面光滑，并用微球负载对乙酰氨基酚模拟载药过程，负载 对乙酰氨基酚后微球粒径为3 1 1 0 1 p m ，微球的包埋效率为4 8 9 9 9 5 ；微球的膨 胀度随着壳聚糖分子量增大而增大，随着三聚磷酸钠含量的增加而减小；还详细讨 论了壳聚糖浓度、药物负载量、三聚磷酸钠的浓度、壳聚糖的分子量大小对微球形 态和药物释放效率的影响。 1 3 2 乳化化学交联法 该方法的基本操作过程是，将壳聚糖溶液加入含有表面活性剂的油相中形成 w o 型乳剂，再根据所需交联密度，加入不同剂量的交联剂，形成的微球经过滤， 并用适当的溶剂洗涤，干燥，即得壳聚糖微球。其中，乳液液滴的尺寸及其分散性 直接影响微球的粒径和粒径分布。张海真【2 4 】等采用乳化交联法，经戊二醛交联包埋 自制磁性颗粒，制得磁性交联壳聚糖微球。对其形貌进行分析，结果表明，该磁性 1 0 青岛科技大学研究生学位论文 微球表面光滑，粒径均匀。并用制各得到的微球模拟吸附脱落酸，表明吸附过程是 以化学吸附为主的单分子层吸附。 13 3 分子间自组装 分子白组装是指在平衡条件下，聚台物分了间通过氢键、静屯作用、范德华力 等非共价相互作用自发组合形成的娄结构明确、稳定、具有某种特定功能或性能 的分子聚集体或超分子结构。自组装膜通过分子沉积法制得，膜各层间存在的强烈 静电作用力使膜具有极好的稳定性，而且通过该法制得的膜的厚度任意可控，甚至 可以仿真生物膜的形成，故而分子自组裟的方法受到了广泛的重视。后来研究人员 把这种制备高分子薄膜的方法推广应用到制备高分子微球，实现了静电组装技术从 一维到三维的延伸，开创了种微球制备新方法。 g e r od e c h c r l 2 5 1 运用静电组装技术在模板上交替吸附聚阴离子和聚阳离子制备 了高分子薄膜并研究了交替吸附形成薄膜的结构，展望了这种高分子薄膜的巨大 应用前景。薄膜制各过程如图1 - 9 。 4一 f i ， i r 一+ 、曼一一一蔓，、 = 圉1 - 9 制备罗层复合膜的示意图 f i g i 一9 i l l u s t r a t i o no f p m c e d u m s f o rp r e p a f i n g m u l t i l a y e r f i l m s f r a n kc a r u s o “】等人通过在乳胶粒子表面交替吸附纳米二氧化硅粒子和聚电解 质制备了粒径7 2 0 1 0 0 0 n m 的微球，经特殊处理除去模板乳胶粒子印得中空微囊，电 镜结果显示这种制各方法可以有效控制微囊壁的厚度，模板乳胶粒子的大小对微球 的大小和形状有直接影响。微球和微囊制各如图1 1 0 。 一麓 一 警 一墓 b 1lp女辈； 日! ! 茎：至塑7 l 型叠旦鲞坠些童壁堂堂垡( ! ! 坚丛! 穆惫穆 0 拦黪 “一$ i ，f f a ”m“! 墨l 冀m 。i 图1 - 1 0 制备无机和杂化中空微囊的过程 f i g i 1 0 i l l u s t r a t i o no f p r o c e d u r e s f o rp r e p a r i n g i n o r g a n i c a n dh y b r l dh o l l o ws p h e r e s z h a n g 2 7 1 等人利用静电组装技术层层包覆制备了核壳结构的壳聚糖s i 0 2 有机 无机杂化微球，然后用强碱溶液将微球中包裹的s i 0 2 溶解，制备得到空腔微囊，微 囊粒径约为3 0 0 h m ，且结构稳定。制缶路线如图1 1 1 。 一- ：- 一一妻 图1 i1 制备壳聚糖啦凝腱微囊的过程 f i gi - 11p r e p a r a t i o np r o c e s so fc h i t o s a nh ，d r o g e lm i c r o c a p s u l e s 34 喷雾干燥法 喷雾干燥法系指将药物与载体材料混合溶液溶于复合溶剂体系( 如冰醋酸水 丙酮1 ，在惰性热气流f 进行喷雾t 燥，复合溶剂迅速蒸发，从而得到微球。 蔡鑫君f 22 i 等人采用喷雾干燥法制备川芎嗪壳聚糖微球，以包封，“率为指标，考 察处方及工艺闪素对壳策糖微球的影响：结果表叫采川该方法制得的j i 芎嗪壳聚糖 微球包封率较高，制各工艺简单，过程稳定，可望成为中药微球j 业化的有效方法。 青岛科技人学研究生学位论文 1 3 5 凝聚法 该方法的原理是，在壳聚糖溶液中加入某溶液，形成不溶性的壳聚糖衍生物而 沉淀为壳聚糖微球。该法避免了在其他制备壳聚糖微球方法中使用的有毒有机溶剂。 如采用硫酸钠作为沉淀剂制备强的松龙磷酸钠壳聚糖微球，即将硫酸钠加入壳聚糖 的醋酸溶液中，使壳聚糖的溶解度降低，从而析出壳聚糖沉淀制得微球。 也可用复合凝聚法制备壳聚糖微球，即通过壳聚糖与带相反电荷的多聚体的离 子间相互作用制备微球。常用的材料有藻酸钠、羧甲基纤维素钠、k 角叉菜胶和聚 丙烯酸钠，其中壳聚糖藻酸盐微球可用于调节药物的释放特性和理化特性。c h e l l a t l 2 9 】 等用壳聚糖和苍耳烷两种带电聚合物相互作用获得的聚合( 高分子) 电解质复合水凝 胶制备微球，结果显示，壳聚糖与苍耳烷的复合使用能更好地控制微球的降解动力 学。 d e l 3 0 】等制备了壳聚糖藻酸酸钠纳米球，研究显示，为在凝聚前的壳聚糖溶液中 持续存在藻酸钙和充足的阳离子聚合物以形成纳米球，藻酸钠、c a c l 2 和阳离子聚合 物( 聚l 赖氨酸或壳聚糖) 的最佳质量比为1 0 0 ：1 7 ：1 0 ；阳离子聚合物在低浓度下不能 形成纳米粒，而在高浓度下可形成。 1 4 壳聚糖微球的表征【3 1 】 微球制备后，除了收翠以外，通常要进行以f 各方面的表征。 ( 1 ) 粒径和粒径分布( s i z ea n ds i z ed i s t r i b u t i o n ) 粒径和粒径分布是高分子微球最基本的表征。粒径可以用电子显微镜观察，也 可以用光学仪器，可用于测试的仪器有激光粒度仪、静动态光散射仪等。平均粒径 及其粒径分布的定义如下： 数平均粒径以：学 ( 1 - 1 ) 数粒径分布c 矿( ) = 堕生二掣 ( 1 2 ) 一以= 感 m 3 ， 面积粒径分布c y ( ) ：堕i 生二掣( 1 - 4 ) 体积平均粒径d ，= 面( ee , 3 ，百 体积粒径分布c 唧) ：! 掣! 鲨 a ， ( 1 - 5 ) ( 1 6 ) ( 2 ) 微球的表面电势( z p o t e n t i a lo fm i c r o s p h e r e ) 微球的表面电势( z 电势) 是表示微球表面的电荷量，根据使用的表面活性剂、单 体或引发剂种类，微球表面带正电和或负电。表面电荷越大，微球之间的排斥力越 大，微球在水溶液中就越稳定，因此z 电势是表征微球分散液是否稳定的重要指标。 有时也可以从微球的表面电势来推断微球合成过程的反应机理。微球的表面电势可 用z 电位测试仪测定，其原理是在微球水分散液池子的两端加直流电压，如果微球 带正电荷，微球就向负电极移动，如带负电荷则向正电极移动，测试微球的移动速 度，就可以计算出微球的表面电势 ( 3 ) 微球的形态( m o r p h o l o g yo fm i c r o s p h e r e ) 微球的外观形态可以用扫描电子显微镜( s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y , s e m ) 观 察，微球表面的凹凸程度的定量可以用原子力显微镜( a t o m i cf o r c em i c r o s c o p y , a f m ) 表征。但是，两者都不能观察微球内部的形态，微球内部的形态一般需要用超薄膜 切片机( m i c r o t o m e ) 将微球切成超薄膜切片( u l t r a t h i nf i l m ) 后，用透射电子显微镜 ( t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o c o p y , t e m ) 观察。如果微球为高分子和无机物的复合微 球，无机物的电子密度强，显示黑色；有机物的电子密度弱，显示白色，因此，可 以简单地将两者区分开来。但是如果微球为两种高分子的复合微球，则两者的电子 密度均很弱，往往难以区分两者的不同。通常采用的方法是用电子密度高的化合物 对其中一种组分染色，提高该组分的电子密度，便可和另一种组分区分开来。常用 的染色剂有o s 0 4 、r u 0 4 、c h 3 i 等。o s 0 4 容易对带双键的物质染色，例如用于橡 胶产品的丁二烯微球在聚合后仍含有一个双键，可用o s 0 4 染色。r u 0 4 可对苯环染 色，因此，聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯的复合微球，可采用o s 0 4 对聚苯乙烯染色 的方法，区分聚苯乙烯区域和聚甲基丙烯酸甲酯区域。c h 3 i 可与带氨基的聚合物反 应对其染色，例如，聚( 4 乙烯基吡啶) 、聚( n ，n 二甲氨乙基甲基丙烯酸酯) 等。 ( 4 ) 微球的组分( c o m p o s i t i o no fm i c r o s p h e r e ) 微球为两种高分以上的复合微球时，其组分的定量和一般复合高分子一样可以 用可磁共振仪( n