壳聚糖水凝胶的制备及性能研究

Vol133 No112 48 化工新型材料 NEW CHEMICAL MATERIALS 第33卷第12期 2005年12月 基金项目:国家自然科学基金资助项目(20376087) 作者简介:杨旭东(1982 - ) ,男,2002级本科生,主要从事食品生物技术和功能高分子方面的研究工作。 研究开发 壳聚糖水凝胶的制备及性能研究 杨旭东 吴国杰 林玩金 (广东工业大学轻工化工学院,广州510006) 摘 要 以壳聚糖为原料,用戊二醛作为交联剂,在醋酸溶液中合成壳聚糖水凝胶。用正交实验 优化了制备壳聚糖水凝胶的工艺条件,实验结果表明:当壳聚糖浓度为3 %、 戊二醛浓度为3 %、 凝胶 温度为55 时制得的水凝胶硬度最大;当壳聚糖浓度为2 %、 戊二醛浓度为1 %、 凝胶温度为45 时, 制得的水凝胶溶胀度最大。壳聚糖水凝胶具有良好的生物相容性。 关键词 壳聚糖,水凝胶,硬度,溶胀度,生物相容性 Preparation and properties of chitosan hydrogels Yang Xudong Wu Guojie Lin Wanjin (Faculty of Chemical Engineering and Light Industry , Guangdong University of Technology ,Guangzhou 510006) Abstract Chitosan hydrogel was synthesized in acetic acid solution with chitosan using glutaraldehyde as crosslinker. The effects of the concentration of chitosan and glutaraldehyde , temperature on hardness and swelling ratio were studied and optimized using orthogonal experimental method. The results showed that the hardness of hydrogel was best when gelled at 55with the concentration of chitosan was 3 % and the concentration of glutaraldehyde was 3 %. and the swelling ratio of hydrogel was biggest at a concentration of chitosan of 2 % , a concentration of crosslinker of 1 % , a temperature of 45. Chitosan hydrogel had good biocompatibility. Key words chitosan ,hydrogel ,hardness ,swelling ratio ,biocompatibility 水凝胶是一种具有三维结构的高分子聚合物, 由亲水性的高分子化合物交联而成,能在水中溶胀 并保持大量水分而又不溶解1。同时,具有良好的 生物相容性,因而在药物释放系统、 仿生材料、 化学 机械系统等领域有着广阔的应用前景27。 壳聚糖来源广泛,廉价易得,且具有良好的生物 相容性、 安全性和生物降解性,是制备水凝胶的理想 材料。当具有三维网状结构的交联高分子与溶剂相 互作用时发生溶胀,由于具有交联结构,使其溶胀行 为受到限制。溶胀的程度决定于交联密度,交联密 度越高,溶胀度越小8。壳聚糖因其有柔软而强度 差的特性,经不起重压。此外,其与金属等硬质材料 相比,还具有易挥发、 凝胶的性质很不稳定等缺点。 因此,研究壳聚糖的硬度和溶胀度,为壳聚糖凝胶的 广泛应用,以及合成高性能壳聚糖基水凝胶奠定了 基础。 1 实验部分 1. 1 仪器与药品 HHS型电热恒温水浴锅,JA5003型电子天平, 第12期杨旭东等:壳聚糖水凝胶的制备及性能研究 10222A型数显电热鼓风干燥箱, QTS225 Texture Aualyser(英国 ) ,FUHUA HZ22C恒温培养箱,显 微镜,血球计数板;壳聚糖(生化试剂 ) , 戊二醛 (AR) ,冰醋酸(AR) ,土豆,葡萄糖,琼脂 ,假丝酵母。 1. 2 壳聚糖水凝胶的制备 准确称取1. 0g壳聚糖于洁净烧杯中,加入40 mL2 %醋酸溶液,搅拌溶解;加入16mL 2 %戊二醛, 搅拌,50 恒温1h得黄色透明壳聚糖水凝胶;室温 放置48h得黄色透明壳聚糖水凝胶。 1. 3 饱和溶胀度的测定9 ,10 准确称取2g左右凝胶,于蒸馏水中浸泡至溶胀 平衡,滤去多余水分,用滤纸吸干其表面水分,称重, 用下列公式计算样品饱和溶胀度。 S R= Ws-Wd Wd 100 %(1) 式中:S R为水凝胶的饱和溶胀度( %) ;Ws为凝胶在 蒸馏水中达到溶胀平衡时的质量(g) ;Wd为凝胶未 浸泡时质量(g)。 1. 4 凝胶硬度测试 Q TS225 Texture Aualyser上的圆柱形探头(直 径为10mm)以15cm/ s的速度下降,当从凝胶表面 向下压6 mm时,测得凝胶硬度(g)。样品测试3 次,取其平均值。 1. 5 凝胶生物相容性的测定10 在壳聚糖溶液中加入1. 0mL7. 68108个酵 母/ mL假丝酵母菌悬液、 再加入戊二醛溶液,室温下 凝胶,于28 恒温培养箱中放置24h后用无菌水浸 泡,恒温摇床中震荡1h ;取上清液1mL接种到固体 酵母培养基上,在28 恒温培养箱中进行微生物培 养,观察其菌落生长情况。 2 结果与讨论 2. 1 工艺条件优化 水凝胶是三维交联的亲水聚合物,能大量吸水 并保持水分而不溶解于水中,具有良好的生物相容 性。凝胶中的含水量及其机械强度对水凝胶的应用 有很大影响,因此,设计一组正交实验,对制备高硬 度、 高溶胀度水凝胶的工艺条件进行优化(正交实验 结果表略)。 正交实验结果表明(表中A为壳聚糖浓度,B为 戊二醛浓度,C为凝胶温度 ) , 制备高硬度水凝胶的 最佳工艺条件为A3B1C3,即壳聚糖的浓度为3 % ,戊 二醛的浓度为3. 0 % ,凝胶温度为55;因素影响主 次为A B C ,即对实验影响最大的因素是壳聚糖 的用量,其次是交联剂戊二醛的浓度,对硬度影响最 小的因素是凝胶温度。制备高溶胀度水凝胶的最佳 工艺条件为A1B3C1,即壳聚糖浓度为2. 0 % ,戊二醛 的浓度为1 % ,凝胶温度为45;因素影响主次为B C A ,即对溶胀度影响最大的是戊二醛浓度,其 次是壳聚糖浓度,影响最小的是凝胶温度。 212 对凝胶硬度和溶胀度的影响因素 2. 211 壳聚糖浓度 戊二醛的浓度为2 % ,凝胶温度为50,配制壳 聚糖浓度分别为1 %、2 %、3 %、4 %、5 %、6 %壳聚糖 溶液40mL ,加入2 %戊二醛16mL ,于50 恒温水浴 槽中1h ,室温下放置24h后测定凝胶硬度;同时称 取同样条件下制备的壳聚糖水凝胶各2g左右,浸泡 于蒸馏水中至溶胀平衡,测定其平衡溶胀度,壳聚糖 浓度对凝胶硬度和溶胀度的影响如图1所示。 图1 壳聚糖浓度对凝胶硬度和溶胀度的影响 由图2可知,水凝胶硬度随着壳聚糖浓度的增 大而增大,在壳聚糖浓度为6 %时最大;而溶胀度是 随着壳聚糖浓度的增加而减小。原因是随着壳聚糖 浓度的增大,壳聚糖链间形成了凝聚缠结结构,该缠 结结构是由壳聚糖链间轻侧基间形成的氢键缔合结 构而引起的,其作用类似于交联网络结构中的交联 点。当壳聚糖浓度增加时,单位体积内壳聚糖分子 数增加,形成链间氢键凝聚缠结点数目增加,亦即交 联度增加,故溶胀度减小。 212. 2 戊二醛浓度 配制3 %壳聚糖溶液40 mL ,分别加入浓度分别 为0. 5 %、1. 0 %、1. 5 %、2 %、2. 5 %、3 %戊二醛溶液 16mL ,于50 恒温水浴槽中1h ,室温下放置24h后 测定凝胶硬度;同时称取同样条件下制备的壳聚糖 水凝胶各2g左右,浸泡于蒸馏水中至溶胀平衡,测 定其平衡溶胀度,戊二醛浓度对凝胶硬度和溶胀度 94 化 工 新 型 材 料第33卷 的影响如图2所示。 图2 戊二醛浓度对凝胶硬度和溶胀度的影响 由图2可知,水凝胶的硬度随着交联剂浓度增 大而增加。原因是本实验所用的原料壳聚糖的脱乙 酰度为92. 67 % ,故壳聚糖分子链上有大量的氨基, 增大交联剂戊二醛浓度,使壳聚糖分子链间的交联 加剧,网络结构变得更加致密,因而凝胶硬度随着交 联剂戊二醛浓度增加而增大;而网络结构变得更加 致密也会使得水分子进入凝胶结构的阻力加大,壳 聚糖分子链上的亲水基团难于与水分子接触,凝胶 高分子网络的伸展受到限制,从而导致溶胀度随着 戊二醛浓度的增加而降低。 212. 3 凝胶温度 配制3 %壳聚糖溶液40 mL ,加入浓度为2 %的 戊二醛溶液16mL ,搅拌均匀置于30、35、40、 45、50 和55 的恒温水浴槽中1h ,室温下放置 24h ,测定凝胶硬度和溶胀度,以研究凝胶温度对硬 度和溶胀度的影响,实验结果见图3所示。 图3 凝胶温度对硬度和溶胀度的影响 由图3可看出,水凝胶硬度是随着凝胶温度的升 高而先减小,再增加,55 时硬度最大;而溶胀度随着 凝胶温度的升高而先增加,再减小,40 时水凝胶溶 胀度最高;但凝胶温度对硬度、 溶胀度影响程度不大。 2. 3 生物相容性 将包埋假丝酵母的壳聚糖水凝胶浸泡在无菌水 中,取1mL上清液接种到酵母培养基中,于28 恒 温培养箱培养23d ,培养基表面长出浅乳黄色假 丝酵母菌落,实验结果如图4所示。该结果表明,壳 聚糖水凝胶有较好的生物相容性,对微生物细胞没 有毒害作用。 图4 假丝酵母菌落 3 结 论 水凝胶的硬度随着壳聚糖、 戊二醛的浓度增大 而增大;溶胀度随着壳聚糖、 戊二醛的浓度增大而减 小。凝胶温度对水凝胶的硬度和溶胀度的影响不 大,在本实验温度范围内,水凝胶硬度随着凝胶温度 的升高而先减小,再增加;溶胀度随着凝胶温度的升 高而先增加,再减小。 参考文献 1 刘峰,卓仁禧. J .高分子通报,1995 ,12(4)205216 2 Qiu Y,Park K. J . Adcanced Drug Delicery Reviews ,2002 , 541316 3 姚康德,彭 涛,高伟. J .高分子通报,1995 ,(4)205216 4 Galaev I Y, Mattiasson B. J . Tibtech ,1999 ,17335340 5 Jeong B , Gutowska A. J . Trends in Riotechnology , 2002 ,20 (7)305311 6 Majeti N V , Ravi K. J . Treds in Biotechnolgy: Reactve & Functional Polymers , 2000 ,46127 7 Hoffman