（高分子化学与物理专业论文）壳聚糖及乙丙橡胶膜的辐射改性研究.pdf

中国科学技术大学博士学位论文摘要 摘要 本论文主要是关于天然高分子材料壳聚糖的6 0 c o y 射线和等离子体的辐射 改性研究，同时也探讨了合成高分子材料一乙丙橡胶膜的辐射改性及其作为人工肾 膜材料的可行性。具体归纳如下： 1 系统研究了壳聚糖在固态、溶胀状态和溶液中的y 射线辐射降解过程，获得 了降解反应的表观活化能e 、表观碰撞频率因子a 及辐射裂解g 值：固态e = 2 5 8k j m o l ，a = 7 0 1 1 0 4 k g y ，g ( 2 0 ) = 2 7 3 ：溶胀状态e = 2 0 3k j m o l ， a = 2 9 3 1 0 k g y 一，g ( 1 9 ) = 1 4 3 ；溶液状态e = 3 3 0k j m o l ，a = 2 5 2 l o 5 k g y 一，g ( 2 1 ) = 7 3 6 。其中首次采用溶胀状态的壳聚糖进行辐射降解制 备甲壳低聚糖，有效地提高了降解效率。 2 首次制备了壳聚糖聚丙烯酸钠水凝胶，探讨了实验条件对水凝胶吸水率的影 响。该水凝胶同时具备p h 和离子敏感性；随着凝胶含水量的增加，中间水所 占比例减少，凝胶中的水主要为自由水。 3 采用y 射线引发壳聚糖膜接枝甲基丙烯酸一o - 羟基乙酯，探讨了影响接枝率的 几个基本因素，研究了改性膜的理化性能，推导出反应的动力学方程：l n ( d g o d t ) = 9 2 1 一1 4 9 5 厂r + 1 0 9 l n m 】o + 0 5 8 l n d ，得出接枝共聚反应的表观活化能 e = 1 2 4 3 k j m o l 、表观碰撞频率因子a = 9 9 5 5 g h 。0 4 2 k g y 。o 5 8 m o i 。10 9 l 10 9 ，并研 究了改性膜对尿素、肌酐和肌酸的渗透性。同时研究了y 射线引发乙丙橡胶 膜接枝甲基丙烯酸b 羟基乙酯及改性膜作为人工肾膜材料的可行性。 4 采用溶胀法，利用等离子体引发壳聚糖膜接枝甲基丙烯酸一d 一羟基乙酯，探讨 了实验参数对接枝率的影响，获得了具有良好的亲水性能、力学性能及渗透性 能的膜材料。同时研究了乙丙橡胶膜的等离子体表面改性。实验表明，等离子 体表面改性技术可在膜渗透能力的控制和选择性分离膜的制备方面发挥作用。 中嗣科学技术大学博士学位论文摘要 a b s t r a c t i nt h i s d i s s e m t i o n ，n a “嘲1 p 0 1 y m e r - c h i t o s a i l w a sm o d i 矗e d b y6 0 c o 丫- r a y i r r a d i a t i o na n d p l a s m at e c h i l i q u e a p a n 舶mt l l e s e ，s y i l t h c t i cp o l y m e r - e t l l y l e n e p r o p y l e n er u b b e r ( e p r ) m e m b r a n ew a sa l s om o d i 丘e db yi r r a d i a t i o nt e c l l l l i q u e t h e f e a s i b i l i t y a b o u tt l l em o d i f i e de p rm e m b r a n e s u s e d a s a r t i f i c i a l k i d n e y s e m i - p e m e a b l em e m b r a i l eh a sb e e ns t u d i e d t h em a i nc o m e n t sa r el i s t e da sf 0 1 l o w s ： 2 3 t h e 1 r r a yi r r a d i a t i o nd e g m d a t i o no fc h i t o s a nw a ss y s t e m a t i c a l l ys t u d i e di ns o l i d s t a t c ，i ns w e l l i n gs t a t e ，a j l di na c e t i ca c i da q u e o u ss o l u t i o n t h e a p p a r e n t a c t j v a t i o ne n e r g y ( e ) ，m e a v e f a g ec o l i j s i o n 矗e q u e n c yf a c t o r ( a ) a n di h eg v a 】u e s o fc h a i ns c i s s i o nw e r eo b t a i n e da sf o l l o w s ：i ns o l i ds t a t e e = 2 5 8k j i n o l ，a = 7 0 l 1 0 寸k g y 1 ，g ( 2 0 ) = 2 7 3 ；i ns w e l l i n gs t a i e ，e = 2 0 3k j m o l ，a = 2 9 3 1 0 5 k g y 一，g ( 1 9 ) = 1 4 3 ；i ns o l u t i o n ，e = 3 3 0k j m 0 1 ，a = 2 5 2 1 0 5 k g y ， g ( 2 1 ) = 7 3 6 i tw a st h ef i r s tr e p o r ta b o u tt h ep r e p a r a t i o no fl o wm o l e c u l e c 1 1 i t o s a i l b y 丫- r a yi m d i a t i o nd e g r a d a t i o no fs w e l l i n gc h i t o s a n ，w h i c hg r e a t l y i m p r o v e d 也ed e f a d a t i o ne f f i c i e n c y t h e h y d r o g e l o fc h i t o s a l l - p 0 1 y ( s o d i 啪a c r y l a t e ) w a s s y n m e s i z e db yt m y i r r a d i a t i o n t e c h n i q u e t h ei n n u e n c e so f v a r i o u sf a c t o r so nw a t e ru p t a k eh a v eb e e n s t u d i e d ，i n c l u d i n g 廿1 em a s sr a t i oo fr e a c t a n t s ，i r r a d i a t i o nd o s e ，d o s er a t ea i l dt h e c o n c e n t r a t i o no fn ，n 一m e t h y l e n e - b i s - a c r y l 踟i d ee t c t h e h y d r o g e l w a so f s e n s i t i v i t yt ot h ec h a n g eo fp ha n di o n i cs t r e n g t h t h ef j e e z j n g 、v a t e rp o n i o n b e c a m em o r ea 1 1 dm o r ep r e d o m i n a n ta sw a t e ru p t a k eo ft h eh y d r o g e ig r a d u a l l y i n c r e a s e d c h i t o s a nm e m b r a n e sw e r eg r 世e dw 油h y d r o x y e t h y lm e t h a c r y l a t e ( h e m a ) b y 丫- r a y i r r a d i a t i o nt e c h i l i q u e t h ei n n u e n c e so fs e v e r a lf a c t o r so nt h ed e g r e e0 f g r a f t i n gh a v e b e e ns t u d i e d t h ep h y s i c o c h e m i c a lp m p e r t i e so f g r a f t e dm e m b r a n e s w e r ei n v e s t i g a t e d t h ew o r ke s t a b l i s h e dm e r e l a t i o n s h i po f m e i 1 1 i t i a l 酽碱n g r a t e ( d g “t ) w i t hv a r i o u se 腩c tf a c t o r s ：l n ( d g 0 d t ) 29 2 l 1 4 9 5 厂r + 1 0 9 1 n 【m 】o + 0 5 8 l n d t h e 印p a r e ma c t i v a t i o ne n e r g y ( e ) a n d 也ea v e m g ec o l l i s i o n 舶q u e n c y f a c t o r ( a ) o fm e 黟a f t i n g c o p o l y m e r i z a t i o n w e r e1 2 4 3 k j ，m o la n d9 9 5 5 g h 0 4 2 k g y 。o 5 8 m o l 10 9 l 1 0 9 t h ep e 蛐e a b m t yo fm e m b 鲫e st ou r e a ，c r c a t i n e a l l dc r e a t i n i n ew a si n v e s t i g a t e d i na d d i t i o n ，e p rm e m b r a i l e sw e r eg r a 船dw i t h h e m a b y1 r r a y i r r a d i a t i o nt e c h i i i q u e t h ef e a s i b i l i t ya b o u tt l l em o d i f i e de p r m e m b r a n e su s e da sa n i f i c i a ll ( i d n e ys e m i - p e m l e a b l em e m b r a n eh a sb e e ns t u d i e d 1 i 中国科学技术大学博士学位论文 摘要 4 h e m aw a sg r a f t e do n t oc l l i t o s a l lm 翎e sb yp l 硒m a - 掣a f tp o l y m e r i z a t i o n t e c 蛳q u eu s i n gs w e l l i n g m e 也o d e 腩c t so fm o n o m e rc o n c 删o n ，p l 嬲m a p o w e r a n dp l 嬲m a 痂m eo nt h e 锄。吼to fg r a f t i n gw e r ei i e s t i g a t e d t h e 罂a r 酣 m e m b r 弛e so fg o o dh y d r o p h i l i c 峨i n e c h a i l i c a lp m p e r t ya i l dp e m e a b i l i t yw e r e o b t a i n e d i nt h e m e a n t i m e ， e p rm e m b r a n e sw e r em o d m e d b yp l a s m a p o l y m e r i z a t i o nd e p o s i t i o nt e c h n i q u e t h j st e c h n i q u em a yh a v ea p p l i c a t i o n i n c o r l 仃o l l i n g t l l e p e m e a b i l i t y o fm e m b r a n e sa i l d p r e p a r i n g s e l e c t i v e d i a l y s i s m e m b r a n e s i l i 中国科学技术大学博士学位论文第一章 第一章甲壳素壳聚糖化学研究进展及电离辐射技术 在甲壳素壳聚糖改性中的应用 1 1 引言 甲壳素( c h i t i n ) 是在动植物体内经过生物合成的一种多糖类天然高分子。 它是许多低等动物，特别是节肢动物，如虾、蟹、昆虫等外壳的重要成分；同时， 也存在于低等植物，如菌类、藻类的细胞壁中，分布十分广泛。自然界每年生物 合成的甲壳素约有l o o 亿吨，产量仅次于纤维素，是一种十分丰富的天然资源。 对甲壳索进行脱乙酰化，得到壳聚糖( c l l i t o s 孤) 。 目前，全世界每年水产加工后的甲壳素废弃物约为2 0 0 万吨，甲壳素在我 国的资源也极为丰富，如何充分利用这一宝贵的自然资源，是人们长期以来一直 探索的课题。早在1 8 1 1 年，法国科学家h b r a c o 衄o t 首次从蘑菇中分离出甲壳 素，并命名为“f 抽g i n ” 1 】。1 8 2 3 年，a 0 d i e r 从甲壳昆虫的翅鞘中也发现了同 种物质，并用希腊语命名为“c h i t i n ”。1 8 5 9 年，c r o u g e t 【2 用浓氢氧化钾处理 甲壳素，使其脱乙酰化，制备出能溶于有机酸的物质，1 8 9 4 年，f h o p p e s e i l e r 将 该物质命名为“c l l i t o s a n ”( 壳聚糖) 【3 】。1 9 3 4 年，美国首次出现了关于制备壳聚糖 的专利和制备壳聚糖膜、壳聚糖纤维的专利，并在1 9 4 1 年制备出壳聚糖人造皮 肤和手术缝合线。1 9 7 7 年，日本人首次将壳聚糖作为天然絮凝剂处理废水。同 年，在美国波士顿召开了第一届甲壳素壳聚糖的国际会议【4 。从那时起，甲壳 素壳聚糖的开发应用研究取得了较大的发展，在食品、化学、医药、农业、纺 织工业等领域中均占有一席之地 5 1 0 。近年来，随着高分子科学和生物医学 工程的蓬勃发展，人们对甲壳素壳聚糖及其衍生物在生物医药方面的研究进一 步深入，发现它们不但具备良好的生物相容性、低毒和生物降解性，还具有许多 生物医学功能和药物作用等性质一1 5 】，故而壳聚糖被欧美各国誉为除蛋白 质、脂肪、纤维索和矿物质之外人体所需的第六大生命要素【1 6 ，1 7 。目前，关 于甲壳素壳聚糖的国际会议每两年召开一次已成惯例，甲壳素、壳聚糖及其衍 生物的研究，成为材料学家最为关注的热点之一 1 8 一! o 】。 本章拟就甲壳素壳聚糖的化学改性及电离辐射技术在甲壳素壳聚糖改性中 中国科学技术大学博士学位论文第一章 的应用作一简单介绍。 1 2 甲壳素壳聚糖的化学改性研究 甲壳素及壳聚糖都是由c 、h 、o 、n 四种元素所组成，化学式分别为 【c 6 h 1 3 n 0 5 】n 和【c 6 h l l n 0 4 】。按照系统命名法。甲壳素叫做【( 1 ，4 ) 2 乙酰氨基2 一 脱氧一p d - 葡聚糖】“( 1 ，4 ) 2 - a c e t 锄i n o - 2 一d e o x y - p - d - g l u c a n ) ，它是由n 乙酰氨基 葡萄糖通过p 一1 ，4 糖苷键缩合而成的直链状多糖。壳聚糖是甲壳素脱乙酰化而 得到的，它被称为 ( 1 ，4 ) - 2 一氨基2 一脱氧- p d - 葡聚糖】 【( 1 ，4 ) 2 锄i n o 2 d e o x y p d - g l u c a i l 】) 。由于很难使甲壳素完全脱乙酰化，习惯上将脱乙酰度 5 0 的称为壳 聚糖，反之则称为甲壳素。 甲壳素、壳聚糖的化学结构与纤维素极为相似，它们的结构式分别示意如下： h h 甲壳素的结构式 壳聚糖的结构式 h 中国科学技术大学博士学位论文第一章 h 。一憾h l 亡h 2 0 h o h j n 亡o h 纤维素的结构式 由于分子间存在着强烈的氢键作用，甲壳素不溶于水、稀酸、稀碱和一般 有机溶剂，但可溶于浓的盐酸、硫酸、磷酸和无水甲酸，同时甲壳素的大分子链 会发生降解。另外，甲磺酸、5 l i c l 的二甲基乙酰胺溶液、六氟异丙醇 2 1 、六 氟丙酮、1 ，2 - 氯代乙醇等溶剂和一些复合溶剂，如2 氯代乙醇- 无机酸【2 2 】、甲酸 三氯乙酸、三氯乙酸低级卤代烃等都可以溶解甲壳素。壳聚糖也不溶于水、碱 液和稀的硫酸、磷酸，但可溶于稀盐酸、稀硝酸等无机酸和大多数有机酸。在稀 酸中，壳聚糖的主链会缓慢水解，溶液的粘度逐渐降低，因此壳聚糖溶液一般是 随用随配。n 脱乙酰度和粘度( 平均相对分子量) 是壳聚糖的两项主要性能指标， 根据粘度不同可将其分为高粘度( 粘度大于1 p a s 的1 壳聚糖乙酸溶液) 、中 粘度( 粘度在o 1 0 2 p a 喀之间的1 壳聚糖乙酸溶液) 和低粘度( 粘度在o 0 2 5 o 0 5 p a s 之间的1 壳聚糖乙酸溶液) 三大类【2 3 】。壳聚糖具有很好的吸附性、 成膜性和通透性、成纤性、吸湿性和保湿性。 甲壳素含有羟基，壳聚糖含有氨基和羟基，它们可通过酰化、羧基化、羟 基化、氰化、醚化、酯化、叠氮化、成盐、螯合、水解、氧化、卤化、接枝与交 联等反应，制备各种衍生物。下面对一些重要反应作一介绍。 1 2 1 水解反应 由于低分子量的甲壳素和壳聚糖和高分子量的甲壳素和壳聚糖相比，具有许 多优异性能，尤其是具有生物活性的甲壳素和壳聚糖的五九糖，特别是六糖和 七糖在抑制肿瘤方面的特殊功能，使得低聚壳聚糖的制备成为当今国内外研究开 发的重点领域【2 4 2 8 】。通过水解法制备低聚壳聚糖的方法主要有酸解法和酶解 法。 中国科学技术大学博士学位论文第一章 1 酸解法 盐酸是最常用的酸。黜l p l c y 2 9 】比较系统地研究了浓盐酸对甲壳素的水解情 况，指出高温对甲壳素的水解是必须的。甲壳素的盐酸水解产物主要是n 乙酰 葡糖胺，其次是其二糖、三糖、四糖和少量的五糖【3 0 】，超声有利于甲壳素和壳 聚糖的水解 3 1 ，3 2 。采用磷酸对壳聚糖进行部分水解，则可以得到聚合度为1 6 8 ( 水不溶部分) 和7 3 ( 水溶部分) 两种级分【3 3 。另外通过水解反应，可以制 备难以直接制备的葡糖胺衍生物。如使壳聚糖充分甲基化，水解得到3 ，6 一二甲 基化葡糖胺 3 4 ： 乱号 2 酶解法 酶解法是利用专一性或非专一性酶对甲壳素和壳聚糖进行降解的方法。在 整个降解过程中，无其它试剂加入，副反应少，产物质纯，最近1 0 来，国内外 研究工作十分活跃 3 5 4 0 。通过控制酶的种类和反应条件，可以制备不同聚合 度的低聚糖【4 l 一4 5 ，其中甲壳素酶和壳聚糖酶的水解具有专一性，水解的最终 产物为甲壳二糖和壳二糖【4 6 】。 制备甲壳低聚糖除了上述两种方法之外，也常用氧化降解法【4 7 4 9 】和辐射 降解法f 5 0 】。 1 2 2 酰化反应 通过酰化反应，可在甲壳素和壳聚糖上导入不同分子量的脂肪族或芳香族酰 基【5 1 5 5 ，产物在有机溶剂中的溶解性大大改善。反应可在羟基( 0 一酰化) 或氨基( n 一酰化) 上进行。 壳聚糖的乙酰化反应如下： 4 中国科学技术大学博士学位论文第一章 由此可制备脱乙酰度为5 0 的壳聚糖和全乙酰化壳聚糖，脱乙酰度为5 0 的壳聚糖具有很好的水溶性，且在有机溶剂中易于溶胀，这为壳聚糖的进一步化 学改性创造了条件 5 6 ，5 7 】。 若控制壳聚糖的酰化反应只在羟基上进行，可预先使壳聚糖的氨基与苯甲醛 形成西佛碱【5 8 】，待反应结束后，再脱掉保护基。 p h c h 0 i o +a c 2 0 i + j “ 另一种保护壳聚糖活性氨基的有效方法是引入邻苯二甲酰基，该反应一方面 可以保护壳聚糖的活性氨基，另一方面反应产物在有机溶剂中可溶。通过该反应 已制备出许多具有特殊功能的壳聚糖的衍生物 5 9 - 6 2 】。 1 2 3 硫酸酯化 甲壳素和壳聚糖的硫酸酯在结构上与抗凝血剂肝素很相似，因此受到研究人 员的极大重视。 常用的硫酸酯化试剂有浓硫酸、氯磺酸等 6 3 6 5 1 。对于壳聚糖，可以同时在 羟基和氨基生成磺酸酯键。 n n 1 i 十l l _ 1 1i牛ll_1 0 0 1j1l 中国科学技术大学博士学位论文第一章 如果将壳聚糖的c 6 氧化成羧基，再进行硫酸酯化，可制得与肝素结构更接 近的产物【6 6 1 。 1 2 4 烷基化反应 甲壳素的碱性溶液与环氧乙烷反应，得到水溶性的羟乙基化的衍生物，反应 过程中，甲壳素同时发生脱乙酰化反应 6 7 ，6 8 】。 o h 一 弋秽2 r = a c o r h 壳聚糖与环氧丙烷的反应在碱性条件下发生在羟基上，在酸性条件下则发生 在氨基上，羟丙基化壳聚糖具有水溶性，可用于化妆品 6 9 7 0 】。 6 中国科学技术大学博士学位论文第一章 壳聚糖容易与醛酮反应，生成西佛碱( s c h i 扩sb a s e ) 7 i 】，采用硼氰化钠等 还原剂将之还原，可得到n 一烷基化壳聚糖衍生物 7 2 。 牌4 t 吖| ln h 2 _ j 其中r 可以是烃基1 7 3 ，也可以是带有其它官能团的基团 7 4 。通过此反应还可 以得到二取代衍生物，如二甲基壳聚糖等 7 5 。 1 2 5 羧甲基化 甲壳素与氯乙酸在碱性条件下反应，得到羧甲基甲壳素： o h c l c h t c o o h 由于在反应过程中伴随着脱乙酰反应，因此有相当多的氨基存在，产物为可溶于 水的聚两性电解质，其在生物材料方面具有潜在的应用价值 7 6 ，7 7 】。壳聚糖在此 条件下反应，则生成n o 一羧甲基壳聚糖【7 8 】。采用还原壳聚糖西佛碱的方法可以 得到n 一羧甲基壳聚糖 7 9 。 1 2 6 接枝共聚反应 甲壳素壳聚糖是非常重要的天然高分子，具有易降解、低毒、生物相容性 好等诸多优点，但它也一样具有其它天然高分子的弊端，结晶度高，难于加工， 难溶于水等，极大地限制了它的应用，这样甲壳素壳聚糖的接枝改性也成为一 个重要的研究课题。通过接枝改性在壳聚糖分子中引入易于加工的、强度高的、 亲水性的或具有某种特殊官能团的合成高分子，可有效地改善甲壳素壳聚糖的 性能。 甲壳素和壳聚糖的接枝共聚合反应可以在多种条件下，以不同的机理进行。 如用铈离子、过硫酸钾、过氧化氢一亚铁离子等氧化还原引发剂；偶氮二异丁腈 r_dj 中国科学技术大学博士学位论文第一章 引发剂；或者通过光、y 射线以及基于甲壳素硫醇来引发乙烯基单体在多糖主链 上进行自由基接枝共聚。也可通过可溶性甲壳素衍生物，如碘代甲壳素、甲苯磺 酰化甲壳素或者脱乙酰化度为5 0 的壳聚糖为反应物来进行甲壳素的离子引发接 枝。下面简要介绍接枝反应的主要类型及机理。 1 自由基引发接枝共聚 1 1 氧化还原引发接枝 在铈离子作引发剂时，丙烯酸、丙烯酸酯、丙烯酰胺、甲基丙烯酸甲酯、 苯乙烯等乙烯基单体可以被接枝到甲壳素或者壳聚糖的葡胺糖单元结构上 8 0 _ 8 8 】。这类接枝共聚反应一般是在非均相条件下进行的。l i 等人【8 9 】认为c e 4 十 先与糖残基的c 2 - n h 2 和c 3 o h 反应，形成一种复合物，再歧化生成c h - n h ( i ) 和一c h ( o h ) 自由基( i i ) ，当反应温度高于4 0 时，( i i ) 被铈离子氧化成羰基自由 基而引发接枝反应；当温度高于9 0 时，除( i i ) 被氧化成自由基外，( i ) 水解 生成醛和铵根离子，醛进一步被氧化成羰基自由基，并以同样的方式来引发接枝 反应。 怪斗 ln 2 _ j 例眦一嚣上：丑旦二一巨土。嘣。 嗍o o c ：垲苄孵一融卫一邑生c r a r t 过硫酸盐( 铵盐、钾盐) 作引发剂( 与亚硫酸氢钠或硫酸亚铁配成氧化还 原体系) 引发甲壳素壳聚糖接枝乙烯基单体近年来研究较多 9 0 一9 4 ，汪艺等 9 5 】 认为壳聚糖中的胺基参与了引发过程，魏德卿等【9 6 】提出的反应机理如下： n1 j 1 中国科学技术大学博士学位论文第一章 s 2 0 + h s o ； s o + - s o i + h s o ； s o i + h s o ；崎s o + h s 0 3 c h i t o s n a + m c h i t o s n n m h s 0 3 + m h s 0 3 一m 然后是链增长和链终止。 h 2 0 2 一f e 2 + 体系也是较常用的氧化还原引发剂【9 7 ，9 8 】，al a g o s 认为此体系 引发壳聚糖与甲基丙烯酸甲酯的反应机理可能为： 2d 2 + 凡2 + 一0 曰+ 伽一+ 尼3 + o h + f e “ o h 一+ f 矿+ o h 七h 2 0 2 + h 2 0 + 0 0 h d i 二l h + h 2 d 2 1 3 啊+ 0 2 + 爿+ 2 d 0 h + c 矗i f d 5 a 玎手c 如f f d s 口，l + h 2 0 然后是壳聚糖大分子自由基与单体的接枝共聚。 1 2 偶氮二异丁腈( a i b n ) 法 在非均相反应中，丙烯腈，甲基丙烯酸甲酯通过a i b n 引发，接枝反应发 生在壳聚糖的氨基上；醋酸乙烯的非均相反应则发生在壳聚糖的羟基上，其均相 反应主要位于壳聚糖的氨基上【9 9 。 1 3 光、y 射线引发接枝 a k i r a 等人 1 0 0 】研究了在低压汞灯的辐照下，甲基丙烯酸甲酯与甲壳素及 氧化甲壳素的接枝反应，认为体系中的自由基是由于甲壳素结构单元上c 2 位的 9 中国科学技术大学博士学位论文第一章 c n 键断裂导致的。当体系中加入二甲基甲酰胺时，接枝度明显提高。 此外，碘代甲壳素和甲壳素硫醇也可在紫外线的照射下引发接枝共聚反应 1 0 1 ，1 0 2 】。 有关y 射线引发的接枝聚合见下节。 2 离子引发接枝共聚 甲壳素、壳聚糖可以通过离子引发来接枝单体f 1 0 3 一1 0 7 j ，如碘代甲壳素在 路易斯酸s n c l 4 的催化下，与苯乙烯按阳离子聚合机理反应得到接枝共聚物 【1 0 8 ： c h i 。i n c h 2 i 墨! 曼kc h i t c 1 2 + 轴- c l 。i ! 竺壁生! 黑c h n i 。h 2 盛c 1 2 气 除上述由自由基或离子引发接枝反应外，通过官能团偶联反应也可对壳聚糖 进行接枝改性。如将一端改性为醛基的聚乙二醇与壳聚糖反应生成亚胺，然后再 将之还原即可得到壳聚糖一聚乙二醇的接枝物【1 0 9 】，该产物不仅具有良好的生物 相容性而且对金属离子具有优异的吸附作用，可望用于医药和环保等方面。 1 2 7 交联 甲壳素和壳聚糖可通过双官能团的醛、酸酐等进行交联【1 1 0 - 1 1 3 】。常用的 交联剂有戊二醛、甲醛、乙二醛等【1 1 4 ，1 1 5 】，反应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。交联反应主要发生在分 子之间，通常是醛基和壳聚糖的氨基生成西佛碱型结构。交联后的产物性质稳定， 不溶解，甚至较难溶胀，这有利于它们用作层析的载体或固定化酶的载体【1 1 6 】。 交联反应对制备壳聚糖膜材料来说几乎是必须的 7 ，1 1 8 】。 另外，通过交联反应可以引进活性基团，如用环氧氯丙烷将壳聚糖粉末在 稀碱溶液中进行交联，可在两个交联键之间产生羟基 1 1 9 】。 1 0 中周科学技术大学博士学位论文第一章 1 3 电离辐射技术在甲壳素壳聚糖改性中的应用 众所周知，电离辐射技术( y 射线及电子束) 是一种材料改性( 接枝、交联、 降解) 的重要手段。由于天然高分子具有资源丰富、价格便宜、安全无毒，可自 然降解等诸多优点，当前，国外许多研究机构已经将材料辐射改性的重点由合成 高分子转向天然高分子。在此背景下，作为三大天然高分子之一的甲壳素壳聚 糖的辐射改性也倍受人们的青睐。国际原子能机构( i a e a ) 已将“甲壳素壳 聚糖的辐射加工”这一项目列入亚太区域合作( r c a ) 协议之中。目前，日本、 中国、印度、韩国、越南等亚太地区国家积极开展了此项目的研究。 1 3 1 甲壳素壳聚糖的辐射改性研究 l 甲壳素，壳聚糖的辐射制备【1 2 0 1 2 1 】 通常，甲壳素是由蟹壳和虾壳经强酸、强碱处理后制备而得。研究发现， 经过一定剂量辐照后的蟹壳和虾壳，经上述方法制备甲壳素时，脱蛋白的时间由 8 h 减少为1 2 h ；同样，由甲壳素脱乙酰化制备壳聚糖时，经辐照后，脱乙酰化 反应所需时间也有所降低，而脱乙酰度却相应提高。此外，制备甲壳素的原材料 为虾、蟹等加工后的废弃物，含有大量的致病菌，而电离辐射是一种有效的杀菌 方法，因此甲壳废弃物经辐射处理后，不仅可缩短制备甲壳素过程中脱蛋白的反 应时间，提高壳聚糖的脱乙酰度，而且可杀灭致病菌，有利于环保。由此可见， 电离辐射技术可明显地提高甲壳素加工业的经济效益及社会效益。 2 壳聚糖的辐射降解 壳聚糖的结构与纤维素的结构极为相似，同样壳聚糖的辐射效应与纤维素 的也极为相似，两者同属于辐射降解型高分子 1 2 1 】。研究表明，低剂量下( 5 0 0 k g y 以下) 壳聚糖( 固态) 的辐射降解是由1 、4 b 苷键的断裂引起的，即主要为主 链的裂解，壳聚糖的结构基本上不会发生变化【1 2 3 】，而商剂量下除了使壳聚糖 的苷键断裂之外，还会引起氨基的裂解，从而使壳聚糖的结构发生变化 1 2 4 j 。 另外，固态壳聚糖经低剂量辐照后其表面电荷变化很小，但在p h = 1 0 的碱性溶 液中的溶解度却明显增加，因此可望用作碱性溶液中的絮凝剂【1 2 5 】。与固态壳 聚糖相比，溶液状态的壳聚糖受辐照后极易降解，且辐照剂量越大，降解产物的 中国科学技术大学博士学位论文第一章 分子量越小，分子量分布越均一 1 2 6 ，1 2 7 】。 3 甲壳素，壳聚糖的辐射接枝 甲壳素壳聚糖的化学法接枝改性见前面所述，相对于化学法而言，辐射法 的研究报导较少。目前涉及的接枝单体有苯乙烯( s t ) 、甲基丙烯酸甲酯( m m a ) 、 甲基丙烯酸d 羟基乙酯( h e m a ) 、n ，n 二甲氨基甲基丙烯酸乙酯( d m a e m a ) 等f 1 2 8 1 3 1 】。研究表明，壳聚糖苯乙烯接枝共聚物在水中的溶胀率明显降低， 而断裂伸长率却显著提高，高接枝率产物的性能与苯乙烯相近。其中，p fl i u 1 1 9 】 等还重点讨论了接枝率的测定方法以及接枝条件对接枝侧链( 聚苯乙烯) 分子量 的影响。为了提高壳聚糖膜的血液相容性，s i n g l l 1 3 0 1 3 2 】等在壳聚糖膜上接枝 了甲基丙烯酸d 羟基乙酯，发现，接枝膜的血液相容性得到很大提高，对葡萄糖 的渗透性能基本不变。该研究者认为接枝反应的活性点位于壳聚糖的c 2 和c 一6 位置上。 4 壳聚糖基水凝胶的辐射制备 水凝胶是一种在水中能够溶胀并保持大量水分而又不能溶解的交联型聚合 物。亲水的小分子能够在水凝胶中扩散。水凝胶具有良好的生物相容性，与疏水 的聚合物相比，它同组织细胞或被固定化的酶只有很弱的相互作用，固定在水凝 胶中的生物分子活性能够保持较长时间。因此，水凝胶在生物化学、医学等领域 用途广泛f 1 3 3 1 3 4 】。 壳聚糖由于具有良好的生物相容性和游离的- n h 2 ，这使得以壳聚糖为基质 的水凝胶可能同时具备优良的生物相容性和p h 敏感性，因而受到研究人员的广 泛重视。目前关于壳聚糖基水凝胶的研制主要采用化学法【1 3 5 ，1 3 6 】，电离辐射技 术在该领域的应用剐剐起步 】3 7 ，1 3 8 。 k r p 酞【1 3 9 ，1 4 0 等报道了含有壳聚糖的聚乙烯吡咯烷酮( p v p ) 和聚乙烯 醇( p v a ) 的共混水凝胶的辐射制备，并将该水凝胶用作伤口敷料。lz h a o 1 4 1 等 采用电子束辐照技术制备了具有良好的力学性能和p h 敏感性的羧甲基甲壳素和 羧甲基壳聚糖水凝胶，并研究了羧甲基壳聚糖水凝胶对大肠杆菌( e c o l i ) 的抗 菌性能。l fy 抽 1 4 2 】等则采用y 射线辐射技术制备了壳聚糖一羧甲基纤维素 中国科学技术大学博士学位论文第一章 ( c m c ) 聚两性电解质水凝胶，该水凝胶对离子强度具有极强的敏感性。 1 3 2 辐射改性的甲壳素，壳聚糖的应用研究【1 2 0 ，1 2 1 】 l 农业方面 辐射降解的甲壳素壳聚糖能够诱导不同种类的生物活性，如抗微生物活性、 促进植物的生长、抑制重金属对植物的损伤及诱导植物抗毒素等【1 2 2 1 4 3 】。 其中l xt h 锄【1 4 4 】等详细研究了钒离子和壳聚糖对大豆、水稻、小麦和大 麦的相互作用。发现，当培养液中v c l 3 的浓度达到2 5 p p m 时，对大豆、水稻、 小麦、大麦的根有明显的损伤，从而抑制了幼芽的生长，当v c l 3 的浓度达到5 0 p p m 时，可导致水稻幼芽的死亡。而当培养液中加入辐射降解的壳聚糖溶液时( 剂量 约为1 0 0 k g y ) 这些损伤能够被减少甚至被抑制，表明辐照后的壳聚糖是一种有 效的植物生长促进剂和重金属离子捕获剂。 辐射降解的壳聚糖具有明显的抗菌活性。以大肠杆菌( ec o l i ) 为例 1 2 6 ，固 态壳聚糖经1 0 0 k g y 辐照后抗菌活力明显提高，可完全抑制大肠杆菌的生长。研 究还发现抑制不同菌种所需辐射降解的壳聚糖的量不同，脱乙酰度高( 9 9 ) 的 壳聚糖在低剂量( 7 5 k g y ) 下有明显的抗菌活性，而脱乙酰度低( 8 0 ) 的壳聚 糖在高剂量( 5 0 0 k g y ) 下才表现出明显的抗菌活性。x fl i u 【1 4 5 】等认为辐射降 解的壳聚糖的抗菌活性源于其抑制了细菌d 咐a 的复制。总之，辐射降解的壳聚 糖能诱导抗菌活性，抑制细菌、真菌的生长，因此在农业方面应用前景广阔。 由于壳聚糖易于成膜，且辐射降解的壳聚糖有明显的抗菌活性，因此辐射 降解的的壳聚糖可用做水果等食品的保鲜剂。如被1 5 的辐射降解的壳聚糖溶 液浸泡过的芒果的保鲜期由7 天延长到1 5 天，在第1 s 天后，被辐照的壳聚糖涂 层保护的芒果仍保持原有的颜色，没有变质腐烂，失重约1 0 。未辐照的壳聚糖 涂层对芒果也有一定的保鲜作用，而没有被辐照的壳聚糖涂层保护的芒果已完 全变质腐烂，这表明辐照的壳聚糖可抑制水果的成熟及腐烂，因而使水果的贮存 期延长。 中国科学技术大学博士学位论文第一章 2 生物医学方面 目前甲壳素壳聚糖的辐射改性在生物医学方面主要用作烧伤敷料 【1 3 7 ，1 3 9 ，1 4 0 ，】和药物固定化 1 3 8 】。 由于烧伤伤口主要被金黄色葡萄球菌( sa u r e u s ) ( 约占8 5 ) 和绿脓杆菌 ( pa e m g i n o s a ) ( 约占7 1 ) 所感染，而辐照降解的壳聚糖具有明显的抗上述细 菌的活力，因此可将其用作烧伤敷料。目前越南国家烧伤研究所采用电离辐射技 术已成功制备出壳聚糖一聚乙烯醇( p v a ) 共混水凝胶敷料，通过对人体烧伤伤 口及缝合线伤口的应用表明，该敷膜可很好地敷在伤口部位，减少伤口部位水的 损失，防止致病菌的感染，刺激正常的成纤维细胞及毛细血管的生长。采用常规 方法对二度及三度烧伤的一般治愈时间分别为8 1 3 天、1 8 3 0 天，而采用该敷 膜后，治愈时间分别缩短为7 天和1 7 天。很明显，辐射制备的壳聚糖一聚乙烯 醇水凝胶敷膜具有防止伤口感染、促进伤口愈合的功效。 甲壳素壳聚糖可用作固定化酶及其它生物活性物质的载体，不过其表面亲 水性不强，固定在其上的酶或其它生物活性分子的活性较低且不稳定，所以需对 其进行改性。n ad z i l l l g 等采用辐射技术在甲壳素膜上接枝了丙烯酸，并制各了 壳聚糖甲基丙烯酸b 羟乙酯( h e m a ) 共混水凝胶，从而改善了甲壳素壳聚 糖的亲水性，通过固定胰蛋白酶发现，甲壳素膜的接枝率越大，胰蛋白酶的活性 保持时间越长；共混水凝胶中h e m a 的引入，则明显提高了胰蛋白酶的稳定性。 本论文的提出及主要工作 随着科学技术的不断进步，绿色化学的观念越来越深得人心，绿色工艺、 零排放已成为化学材料学家追求的目标，可再生无污染的天然高分子资源因此倍 受人们的重视。目前，三大天然高分子之中的淀粉、纤维素的研究开发已十分火 热，并给人类社会带来了许多的便利和福音，而甲壳素，壳聚糖的化学改性相对 则有所滞后，其中作为绿色加工工艺的电离辐射在此领域的研究更是刚刚起步。 本论文的主要目的就是采用电离辐射技术对壳聚糖进行改性研究，以扩展其应用 范围，从而更好地造福于人类。同时也研究了具有生物惰性的乙丙橡胶膜作为人 工肾膜材料的可行性。 1 4 中国科学技术大学博士学位论文第一章 本论文的主要工作及创新有 1 系统研究了壳聚糖在固态、溶胀状态和溶液中的y 一射线辐射降解过程。获得 了辐射降解的动力学参数，其中首次采用溶胀状态的壳聚糖进行辐射降解制 各甲壳低聚糖，有效地提高了降解效率。 2 制备了具有p h 和离子敏感性的壳聚糖聚丙烯酸钠水凝胶，其溶胀倍率可以 通过改变实验条件加以控制。该水凝胶有望用于药物缓释、医用敷料以及卫 生、农业等方面。 3 系统研究了y 射线引发壳聚糖膜接枝甲基丙烯酸b 羟基乙酯，首次推导出反 应的动力学方程，并研究了改性膜作为人工肾膜材料的可行性。同时研究了 乙丙橡胶膜的y 一射线引发接枝甲基丙烯酸- d 羟基乙酯及其作为人工肾膜材 料的可行性。 4 采用等离子体引发壳聚糖膜接枝甲基丙烯酸b 羟基乙酯，获得具有良好的亲 水性能、力学性能及渗透性能的膜材料。同时研究了乙丙橡胶膜的等离子体 改性。 1 5 中国科学技术大学博士学位论文第一章 参考文献： 1 h b r a c o n n o t ，4 一九c 玩j p ，1 8 l l ，7 9 ，2 6 5 2 c r o u g e c d ， pr p 疗d ，1 8 5 9 ，4 8 ，7 9 2 3 f h o p p e - s e y l e r r 肌以p 朋g e s 以l8 9 4 ，2 7 ，3 3 2 9 4 r a am u z z a r e l l i ，e rp a r i s e r ，e d ，p m 凹p 旃，t 秽q 厂肪p 只坩r 知阳，胛口，f d 口， c d 咖旭珂c pd 以j ，f 以强f f 0 阳 ，m i ir cp m i t s g 一7 8 7 ，1 9 7 8 5 扎am u z z a r e l l i ，cj e u l l i a u x ，g wg o o d a y ，国胛拥 h f “坤口耐死c 办行。如 p l e n mp r e s s ，n e wy b r k ，1 9 8 6 6 sh i r a n oe ta 1 ，p m g 椰加6 f o m p 硪c 口z p o 纱朋蹦n e w y 6 r k ：p 1 e n u mp r e s s ，19 9 0 ， 2 8 3 7 y cw e i ，s mh u d s o n ，j mm a y e r ，d jk a p l a n ，j 尸。匀删f p 甜f 彳jp 0 6 删c 确p 聊 1 9 9 2 ，3 0 ，2 1 8 7 8y m q i n ，死x f f f p 胁r 拓d 脚，1 9 9 4 ，1 4 ，1 9 9 j kf r a i l c i ss u h ，h o w a r dw t m a n h e w ，b f o ，”口泖胁艮，2 0 0 0 ，2 1 ，2 5 8 9 1 0 mm u c h a ，dm i s k i e w i c z ，却正p d 枷t f ，2 0 0 0 ，7 7 ，3 2 l o 1 1 sh i r a n oe ta 1 ，p d 0 删 如船f f e ，穆，19 9 0 ，6 3 ，6 9 9 1 2 r a am u z z a r e l l i ，而枷p r f cb f d 卅砒，f 口b ，m a c e l p e k l 【e r i n c ，n e wy o r k ，1 9 9 4 ， 1 7 9 1 3 ss e n e l ，m jk r e m e r ，sk a s ，p ww e n z ，e t a l ，b f o m 口把，f 口瓜，2 0 0 0 ，2 1 ，2 0 6 7 1 4 mi