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中山大学硕士学位论文 p e g 接枝壳聚糖的设计合成及其凝胶化行为研究 专业：高分子化学与物理 硕士研究生：闰晓莉 指导教师：全大萍副教授 摘要 壳聚糖( c s ) 具有良好的抗病毒性、组织黏附性、生物相容性和生物可降解性 等，在生物医学领域具有广阔的应用前景。c s 不溶于水和一般的有机溶剂，因 此，对c s 进行化学接枝改性是c s 研究中的一个重要课题。 论文设计采用具有良好生物相容性的单甲氧基聚乙二醇( m p e g ) 接枝c s 合 成系列接枝共聚物c s - g - m p e g 。通过改变m p e g 分子量、c s 分子量、m p e g c s 的摩尔比来控制接枝共聚物结构，并进一步研究它们的结构与聚合物溶液性质以 及凝胶化行为之间的关系。 论文首先将m p e g 的端羟基氧化为醛基，然后与c s 分子链中的氨基反应形 成西弗碱，还原后得到取代度不同的c s - g - m p e g 共聚物。采用1 hn m r 、”c n m r 、i r 及g p c 对反应过程中的中间产物及最终接枝共聚物结构进行了确证， 1 hn m r 计算1 个糖单元中c s 的取代度( d s ) 在o 1 8 4 ) 7 6 范围内。d s c 结果显 示，c s - g - p e g 中p e g 链段的熔融峰温( ) 均随着d s 的增大而增大，但都低于 纯p e g 。x 衍射进一步证明，c s 接枝p e g 后，c s 的结晶性被破坏，新的p e g 结晶区域出现相应结晶峰的强度随d s 升高而增大。 采用静，动态光散射研究了c s - g - m p e g 共聚物在稀溶液中性质。结果显示： 当共聚物的浓度在o 1 i n g m e 时，对于c s 4 0 r g - p e g 2 枷朋吨7 6 共聚物均以多分子聚 集体的形式存在( a 2 o ) 。c s l 2 0 k - g - p e g 2 k o 5 7 在水溶液中形成聚集体 的粒径高达2 0 9 2n m ，有可能在一定浓度下形成水凝胶。 c s - g - p e g 共聚物在水溶液中的溶解性能得到明显改善。由透光率实验可知 相同取代度的c s 4 0 k g - p e g 2 k 的水溶性比c s l 2 0 r g - p e g 2 k 的水溶性好，且相同c s 分子量的接枝共聚物的水溶性随着d s 增大而增大。溶液浓度为1 0m g m l 时， c s 4 0 k - g - p e g 2 k 水溶液的透光率受温度的影响不大，而c s l 2 0 k - g - p e g 2 k 水溶液的透 p e g 接技壳聚糖的设计合成及其凝胶化行为研究 光率随温度的升高而降低，且浓度越高( 4 0m e m e ) 透光率随温度下降越快。 因此，选取浓度为4 0m r d r r l l 的c s l 2 0 k o g - p e g 2 k _ i 水溶液来研究其凝胶化行 为。c s l 2 0 t - g - p e g 2 k 以4 l 水溶液在4 时为可注射的液体，当温度升高到3 l 时， 发生溶胶凝胶转变，形成物理交联的水凝胶。 将上面的物理水凝胶通过g e n i p i n 化学交联可以得到更加稳定的水凝胶。研 究表明，该水凝胶体系对药品丹酚酸b 具有一定的控缓释作用，有望用于体内 的药物缓释和组织工程。 关键词：壳聚糖；甲氧基聚乙二醇；接枝共聚物；聚集体：水凝胶 中山大学硕士学位论文 t h e s y n t h e s i so fp e gg r a f t e dc h i t o s a na n di t sg e l a t i o n b e h a v i o r s m a j o r ：p o l y m e rc h e m i s t r ya n dp h y s i c s m a s t e rc a n d i d a r e ：x i a o l iy a n s u p e r v i s o r ：v i c ep r o f d a p i n gq u a n a b s t r a c t c h i t o s a n ( c s ) h a sw i d e l yp o t e n t i a la p p l i c a t i o n si nb i o m e d i c i n e ，d u et oi t sg o o d b i o e n m p a t i b i l i t y , b i o d e g r a d a t i o n , b i o a d h e n s i o na n dl o wi m m u n o g e n i c i t y h o w e v e r , c si ss o l u b l en e i t h e ri no r g a n i cs o l v e n t sn o ri na q u e o u ss o l u t i o n sa tp h y s i o l o g i c a lp h d u et ot h es t r o n gi n t r a i n t e r - m o l e e u l a rh y d r o g e nb o n d se x i s t i n gi nc sm o l e c u l e s , w h i c hr l l a k e si ta l li m p o r t a n ti s s u ef o rt h em o d i f i c a t i o no f c s mt h i sp a p e r , as e r i e so fc s - g - p e gg r a f t i n gc o p o l y m e r sw e r es y n t h e s i z e db y c o n t r o l l i n gt h ef e e dm o l a rr a t i oo fc s t op e g c h oa n dt h em o l e c u l a rw e i g h to fp e g a n dc s t h eb e h a v i o r so f t h e 辩c o p o l y m e r si na q u e o u ss o l u t i o n , s u c ha st h ef o r m a t i o n o f t h em i c e l l ea n dt h eg e l ，w e r ei n v e s t i g a t e di nd e t a i l s a t f i r s t p e g - c h o w a s p r e p a r e d b y o x i d a t i o n o f p e g - o h ，a n d t h e nr e a c t e d w i t h t h ea n l i n og r o u p so fc st of o r ms c h i f fb a s e g r a f t i n gc o p o l y m e rw a so b t a i n e db yt h e r e d u c t i o no f s c h i f f b a s e 1 hn m r , 1 3 cn m r , i ra n dg p cw e r ea d o p t e dt oc e r t i f yt h e s t r u c t u r eo fp e g - c h oa n d c s - g - p e g hn m rs h o w e d t h a tt h e d e g r e eo f s u b s t i t u t i o n ( d s ) o f c sw a sa tt h er a n g eo f o 1 8t oo 7 6 d s cm e 船u r e l i l e ms h o w e d t h a tt h em e i t i n gt e m p e r a t u r e ( t m ) o fp e gc h a i ni nc s - g - p e gc o p o l y m e r s ，w h i c hw e t e a l ll o w e rt h a nt h a to f p u r ep e g , i n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go f d s x - r a yd i f f r a c t i o n c e r t i f i e df u r t h 烈 t h a tg r a f t i n gp e go n t oc se f f e c t i v e l yd e s t r o y e dt h ec r y s t a l l i n e s t r u c t u r eo f c s a n dt h ei n t e n s i t yo f p e gp e a k si n c r e a s e dw i t l lt h ei n c r e a s i n go f d s t h ed i l u t e da q u e o u ss o l u t i o no ft h eg r a f t i n gc o p o l y m e r sw a si n v e s t i g a t e db y d l s s l s i ts h o w st h a tw h e nt h ec o n c e n t r a t i o ni s0 1m g r n l c s 4 0 k - g - p e g 羽, o 4 4 0 3 6 e x i s ti nt h ef o r mo fa g g r e g a t i o ni nw a t e r ( a 2 o ) b e s i d e s ，c s t 2 0 t - g - p e g 2 k o 5 7s o l u t i o nh a sah y d r o d y n a m i c r a d i u sa sl l i g ha s2 0 9 2r i m w h i c hi sl i k e l yt of o r mh y d r o g e li nac e r t a i ne o n e e n w a t i o m c s - g - p e gc o p o l y m e r se x h i b i t e d b e t t e rs o l u b i l i t yi n w a t e r , w h i c hw a s i n v e s t i g a t e db yt r a n s r n i t t a n e em e a s u r e m c n t s c s 4 0 r 争p e g 扯h a sab e t t e rs o l u b i l i t y t h a nc s l 2 0 k - g - p e g z k a n dt h es o l u b i l i t yo ft h eg r a f t i n gc o p o l y m e r s 丽t hc o n s t a n tc s m o l e c u l a rw e i g h ti n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go fd s w h e nc o n c e n t r a t i o ni s1 0 m g m l , t h et e m p e r a t u r ed i d n ts h o wa r to b v i o u se f f e c t0 1 1t h ec s 4 0 t - g - p e g 2 k s o l u t i o n h o w e v e r , a st h et e m p e m t t t r er o s e ，t h et r a n s m i t t a n c eo fc s l 2 0 k - g - p e g 2 ts o l u t i o n d e c r e a s e d a n dt h eh i g h e rt h ec o n c e n t r a t i o n , t h ef a s t e rt h et r a n s m i t t a n c ed e c r e a s e d c o n s e q u e n t l y , c s l 2 0 k - g p e g 2 k - o 4 1a q u e o u ss o l u t i o nw i t hac o n c e n t r a t i o no f4 0 m 舢w a s c h o s e nt os t u d yt h eg e l a t i o nb e h a v i o r i tw a sa l li n j e c t a b l ei i q u i d 缸4 a n dt r a m f o r m a lt oas o l i dh y d r o g e la t3 1 am o l ts t a b l eh y d r o g e lc o u l db eo b t a i n e db yc h e m c a lc r o s s l i n kw i t hg e n i p i n , a n di ts t i l lh a si i l j e e t a b i l i t ya tl o wt e m p e r a t u r e u s i n gs a l v i a n o l i ea c i dba st h em o d e l d r u g ，t h er e l e a s er e s e a r c hs h o w st h a tt h i sk i n do fh y & o g e lh a st h ea b i l i t yo fc o n t r o l r e l e a s e ，a l l o w i n gi t sa p p l i c a t i o n sf o rs u s t a i n e dd r u gr e l e a s ea n dt i s s u ee n g i n e e r i n g k e y w o r d ：c s a n ；m p e g ；g r a f i i n gc o p o l y m e r ；a g g r e g a t i o n ；h y d r o g e l i v 中山大学硕士学位论文 第一章前言 1 1 水凝胶 1 1 1 水凝胶的定义及性质 水凝胶可定义为能在水溶液中溶胀并保持大量水分而又不溶解的聚合物材 料【l j o 水凝胶中仅含有少量的聚合物材料埘( 一般水凝胶的浓度为l 3 0 ) ，它 的三维网络中分布着大量的亲水性链段或基团，能够吸收水分，从而使聚合物网 络中充斥了大量的水分，因而整个材料具有了一种流体的性质。但是由于聚合物 链间的物理交联和化学交联作用，水凝胶又不会溶解于水中，只能溶胀且保持一 定的形状，这与充盈有大量水性液体的肌体组织极其相似。 水凝胶柔软，润湿的表面以及组织的亲和性大大减少了材料对周围组织的刺 激性，使得水凝胶聚合物具有良好的生物相容性 3 1 。水凝胶体系是一亲水并可贮 水的环境，多肽和蛋白质在这样的环境下活力损失小；与疏水聚合物相比它同 被固定化的酶或细胞只有弱得多的相互作用，固定在水凝胶中的生物分子活性能 够保持较长时间。因此，水凝胶能够体内存在而不会伤害到周围的细胞、不会造 成伤疤或引起减损所需功能的不良反应，引起最低程度的炎症反应、凝血作用和 组织损伤【4 l 。再者水凝胶对氧气、营养和其他可溶性代谢物有高度渗透的能力5 1 ， 使其不仅为细胞提供物理支撵，而且在细胞的繁殖、分化和成形过程扮演着重要 角色。另外，水凝胶还具有溶胀性 6 1 、较低的表面张力，有力学强度、以及表面 光学等多种特性。 1 1 2 水凝胶的分类 水凝胶按照其原料来源可分为天然水凝胶和合成水凝胶两大类。天然水凝胶 包括明胶、胶原、纤维蛋白、透明质酸盐、海藻酸盐、琼脂糖和壳聚糖等。人工 合成水凝胶包括聚丙烯酸及其衍生物、聚氧化乙烯及其衍生共聚物、聚乙烯酵、 聚磷腈和多肽等。天然水凝胶具有特异的细胞作用位点，且通常能表现出良好的 生物相容性，但因其来源不同，结构与性能存在批次问差异，因此在生物医学应 用中有一定的局限。由于合成材料能成规模生产，所制备水凝胶的微结构、力学 性能和降解速率精确调控，可避免不同批次间的差异，但是合成聚合物却可能会 p e g 接枝壳聚糖的设计合成及其凝胶化行为研究 引起严重的异体排斥反应，其生物相容性却不及天然水凝胶，缺乏细胞识别信号。 因此许多研究者开始用合成的聚合物材料对天然材料进行改性，力求达到最佳的 使用效果。 根据水凝胶网络键合的不同，可分为物理凝胶和化学凝胶：( 1 ) 物理凝胶是 通过物理的作用力如氢键、离子键、结晶区或疏水相互作用同等物理方法交联得 到的水凝胶，其最大特点是凝胶过程的可逆性，称为“假凝胶”或“可逆凝胶”。 但是由于物理的作用力较弱，使得该类水凝胶结构不够稳定；分子问的缠绕、疏 水相互作用或离子键合区域也会形成团簇结构，因此造成凝胶的不均匀性，同时 自由链端和链环也会产生瞬时的网络缺陷。( 2 ) 化学凝胶是由化学键交联形成的 三维网络聚合物，是永久性的，即凝胶过程不可逆，又称为“真凝胶”。一般要 通过加入交联剂或辐射得到，结构稳定，但是得到的凝胶处理困难，溶剂难于除 去，且相比物理凝胶，生物相容性差。 根据水凝胶对外界刺激的应答情况，水凝胶又可分为：( 1 ) “传统”水凝胶， 这类水凝胶对环境的变化不特别敏感；( 2 ) “智能”水凝胶，也称环境敏感性水 凝胶，这类水凝胶由于聚合物链中某种功能团或离子的存在，能感受周围环境的 变化并做出一定的响应，它们这种对各种环境刺激( 如p h 、温度、电场、磁场、 光、离子强度、压强、特定的物质如葡萄糖、抗原、吗啡、尿素等) 的响应性使 之作为新型功能材料成为当今研究的热点。 1 1 3 水凝胶的应用 由于水凝胶拥有种种优良性质，自它被发现以来一直受到科学界的重视，尤 其是它在生物医学上的应用更是不能小觑。众所周知，除骨、齿、指甲和皮肤外 层之外，哺乳动物组织大多是由蛋白质和聚多糖网络组成的含有大量水分的凝胶 材料嘲，这样就保证器官能够高效地输送离子和分子，同时又保持固态。目前 人们对于水凝胶的在生物医学领域应用的研究十分活跃。已作为角膜接触镜1 9 】、 生物传感器等加以应用，其在细胞移植、生物分子的固定、药物 t o - 1 2 t 司蛋白质的 控制释放【1 3 ，1 4 l 和组织工程支架构建悯方面也具有广阔的应用前景。 在制备水凝胶的天然聚合物中，壳聚糖来源丰富、价格低廉、生物相容性良 好，因此引起了研究者的广泛关注。 2 中山大学硕士学位论文 1 2 壳聚糖( c h i t o s a n ，c s ) 1 2 1c s 的结构特征 甲壳素是一种天然多糖，广泛存在于节肢动物( 如虾、蟹等) 、软体动物、 环节动物、原生动物、腔肠动物的身体中，也存在于真菌和海藻类的细胞壁中， 另外动物的关节，蹄、足的坚硬部分，以及动物肌肉和骨骼接合处均有甲壳素存 在，其是继纤维素之后自然界中含量最丰富的天然有机物。甲壳素经脱酰基化 7 0 以上得到c s ，后者结构式如下： s c h e m e1 - 1t h ec h e m i e a ls t r u c t u r eo f c sm o l e c u l e c s 不仅来源丰富，还具有许多特殊的物理化学性质：如c s 分子上具有游离 的氨基，其可以与质子结合从而表现出阳离子聚合物的特性。另外，c s 具有良 好的抗病毒性、组织黏附性、生物相容性1 1 6 1 和生物可降解性1 1 7 】等，故其在生物 医学领域具有广阔的应用前景。 但是，由于c s 分子链中含有大量的氨基和羟基，它们可以形成分子内和分 子问的氢键，使得c s 难溶入水和一般的有机溶剂，这就在一定程度上限制了它 的应用，通过对c s 的改性来提高它的水溶性及生物性能一直倍受研究者的广泛 关注【18 嘲。 1 2 2c s 及衍生物水凝胶 由于c s 的性能优良，且c s 上含有活性基团利于改性，人们已经开发了多种 衍生物来改善c s 的生物功能。用c s 及其衍生物所制备的水凝胶在生物医学领域 也引起了人们的广泛关注。以c s 及其衍生物为基础的水凝胶可以通过化学或物 理方式交联形成网络结构得到。 1 2 2 1 化学交联 通过化学交联的方法，使线性的c s 链通过共价键交联形成网络结构，目前 常采用交联方法有：( 1 ) 化学交联剂；( 2 ) 光照或辐射。 p e g 接技壳聚糖的设计合成及其凝胶化行为研究 ( 1 ) 化学交联剂 c s 主链上含有大量的活性基团，尤其是2 位上的氨基常作为交联点，能与甲 醛、戊二醛刚、二异氰酸酯 2 1 1 等双官能团交联剂反应，使线性c s 链间由碳氧双 键交联成凝胶。该方法比较简单，对实验设备要求不高。但是，聚合反应温度， 交联剂用量等因素都会影响水凝胶的性能。残留的交联剂如戊二醛、甲醛等，由 于它们有较强的生物毒性，可能会影响细胞和药物的活性，因此使该类水凝胶在 生物医学应用中受到一定的限制。 ( 2 ) 光照或辐射 该类c s 水凝胶是通过在c s 中引入含有自由基的链段或单体，在光照或辐射 的条件下，自身或与其它化合物发生交联形成互穿或半互穿网络，从而得到水凝 胶。 z h a o 2 2 1 在室温下用电子束辐射的方法制备了聚乙烯醇( p v a ) 羧甲基壳聚糖 ( c m c s ) 共混水凝胶，与p v a 水凝胶相比，共混水凝胶在机械性能和溶胀性上都 有了明显提高，尤其是该水凝胶对埃希氏菌属的大肠杆菌有较好的抗菌性。 k a t s u a k i 等1 2 3 将叠氮化物和乳糖引入到c s 中，所制得的c s 衍生物的水溶液用紫 外线照射，在6 0 s 内叠氮与氨基间发生交联反应形成具有较强粘合性的水凝胶。 光照或辐射交联制备水凝胶可不需要用引发剂或其它有潜在危害的化学试 剂，因此得到的水凝胶比较纯净。另外该过程可在室温下进行，因此通过控制制 备过程，还能够精确控制交联密度，得到不同微观结构的水凝胶，可用于制备水 凝胶纳米球和微米球，用作药物载体。但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 2 2 物理交联 物理交联c s 水凝胶可以通过直接改变c s 溶液的p 8 值、在c s 溶液中添加阴离 子聚合物或小分子得到，也可预先在c s 分子链中引入具有温敏、p h 敏感的功能 性链段，然后通过物理交联形成水凝胶。 c s 由于其分子问及分子内的氢键作用，其酸性水溶液具有一定粘度，而遇 到碱性试剂，c s 会立即形成凝胶，因此溶解的c s 可通过提高p h 阻l 形成水凝胶。 但该凝胶受环境p h 影响较大，且凝胶强度不够，在水中的溶胀度也不大。 在c s 水溶液中引入含阴离子的多元醇盐( 如甘油、山梨醇、果糖或葡萄糖的 4 中山大学硕士学位论文 磷酸盐) 时，混合溶液可转变成热敏感p h 依赖性凝胶。磷酸盐使c s 水溶液在室温、 生理p h 下保持液态，而在体温转变成凝胶状态，其驱动力为c s 与磷酸盐间的氢 键作用、静电作用和n 乙酰基团的疏水相互作用。c h e n i t e 等脚l 首次报道了用c s 和多羟基磷酸盐的水溶液作为凝胶体系，这个体系在体内成功地递送了具有生物 活性的生长因子，也可作为软骨细胞的包埋基质用于组织工程。 在c s 水溶液中引入海藻酸钠，利用海藻酸钠分子链中的c o o 与c s 的n h 3 + 之间的静电作用，可形成聚电解质复合物水凝胶【2 7 l 。 利用1 乙基3 - ( 3 二甲氨丙基) 碳化二亚胺( e d c ) 和n - 羟基琥珀酰亚胺 ( n h s ) 作为活化剂，将p l u r o n i c - 1 2 7 接枝到c s 上，所得到的接枝共聚物可以形成 热敏性的水凝胶，最低临界溶液温度( l c s t ) 为3 4 ( 3 。由于p l u r o n i c 1 2 7 共聚物的 热可逆性质，这种接枝共聚物可作为可注射水凝胶应用于细胞或药物的传输田】。 1 2 3c s 水凝胶的应用 c s 类水凝胶因其毒性低，具有良好的生物相容性，生物降解性，可用于生 物医学领域，如药物的释放，组织工程和蛋白质的分离等。这类水凝胶对p h 敏 感，对药物、蛋白质影响不大，在药物缓释材料、酶或蛋白质载体上有良好的应 用前景。孙立苹等网以戊二醛为交联剂制备了一系列羧甲基壳聚糖p h 敏感水凝 胶，包埋在此水凝胶中的水杨酸释放随载药介质的p h 值和水凝胶半径大小的变 化而显著不同，p h = 1 0 条件下载药的水凝胶的释药率大于p h = 7 4 和p h = 1 2 0 条件下的释药率，且水凝胶的半径越大，释药速度和释药率也越大。m a s a y u k i i s h i h a r a l 3 0 1 通过实验得出利用光交联的c s 水凝胶可以进行生长因子的控制释放。 c s 类水凝胶是生物活性聚合物，具有抗血栓性，能刺激宿主抵御病毒和感 染的免疫系统。因此，c s 能促进创伤愈合以及软组织和硬组织的重建。c s 甘油 磷酸盐可在较低温度下与骨生长因子和软骨细胞悬浮液混合形成注射型溶胶，皮 下注射到鼠内后，原位形成的凝胶作为生长因子和软骨细胞的转载体系，可异位 形成新软骨与骨 2 6 1 。i s h i h a r a 等人1 3 1 1 用叠氮苯甲酸和乳糖取代2 5 的c s 氨基 制备出c s 衍生物，紫外光交联形成柔韧的水凝胶。鼠皮全层缺损修复实验结果 表明，此类c s 能有效地止血，促进伤口闭合和愈合，其结合强度比血纤蛋白高。 以戊二醛为交联剂制备的c s 水凝胶还可以用于蛋白质分离。该水凝胶对蛋 白质有良好的分离效果，中性蛋白酶经一次分离，可得到四个组分，总活力保持 p e g 接枝壳聚糖的设计合成及其凝胶化行为研究 在9 0 0 , 6 以上。牛血清蛋白经凝胶可分离得到两个组分，蛋白回收率达7 0 以上。 1 3p e g 接枝c s 聚乙二醇( p e g ) 是一种不带电荷的水溶性聚合物，由于其具有良好的生物相 容性而被广泛应用于生物医学领域。将p e g 接枝到c s 上可以起到破坏c s 分子链 的规整性、改善其柔顺性并提高其在水相中溶解性的作用m i 。另外，接枝后还 可提高其与血液的相容性 3 3 1 。亲水链段p e g 弓 入c s 后，由于c s 分子内间仍存在 部分氢键，接枝共聚物在一定程度上表现出表面活性剂的性质，即在水溶液中通 过氢键作用缠结自组装形成胶束状结构删。当接枝共聚物中各链段的长度和比 例为合适值时，还可形成可注射性水凝胶。 1 3 1p e g 接枝c s 的方法 p e g 接枝c s 的合成方法目前报导的有许多种，比较常用的是对p e g 端基进行 活化，然后与c s 的氨基或者羟基发生反应。如将甲氧基聚乙二醇( m p e g ) 的端羟 基转化为羧基，再采用n h s e d c 使其与c s 的氨基偶联 3 2 1 。也可采用l ，1 羰基二 咪唑活化m p e g 法制备活化m p e g ，再用其与c s 上的氨基反应合成c s p e g 接枝 共聚物f 3 5 】。还可将m p e g 端羟基醛化，然后与c s 的氨基发生反应，再采用还原剂 还原嗍。 如如蔓如娜删警扣粕击 c h 杠h ：c h 扣+丑。一c h l ) c n 删歉里a s c h e m e1 - 2h y d r o x y l - t e r m i n a t e dm p e gw a sa c t i v a t e db yd i f f e r e n ta p p r o a c h e s 通过活化p e g 端基，采用偶联的方法直接在c s 上接技p e g ，方法虽然简单易 行，但是由于c s 的6 位羟基也可能与活化了的p e g 发生反应，使得最终得到的接 枝聚合物的接枝率、结构均难以控制。而且，由于c s 难溶于一般的有机溶剂， 上述反应一般是在酸性介质或者在非均相介质中进行。 6 中山大学硕士学位论文 对c s 进行化学选择性修饰比较合适的方法是通过保护脱保护的方法来进 行。如h u a n g 等【3 7 】先将c s 的氨基用邻苯二甲酸酐( p h a ) 保护，然后通过酯化作 用使6 位的羟基与丁二酸酐反应，然后接枝p e g ，最后脱保护。反应在均相条件 下进行，共聚物的接枝率较高，示意如下： g o 牟。可- 1 8 x ! 堂 ， 2n h 2 n h 2 t t z o 一陆 s c h e m e1 - 3s y n t h e s i so fp e g m o d i f i e dc sb yp r o t e c t i o n d e p r o t e c t i o n 近来，g o r o c h o v c * v a1 3 羽将p e g 的碘化物在催化剂a 9 2 0 作用下与氨基保护 后的c s 的羟基反应，可以获得取代度为5 1 9 7 的接枝共聚物。但是催化剂 a 9 2 0 反应后难于除去，残留在最后的产物中，影响其水溶性和在医学领域中的 应用。h u 等【3 9 l 将该方法加以改进，将c s 的羟基保护，p e g 的碘化物直接与c s 的 氨基发生亲核取代反应，该反应不使用任何催化剂，反应条件温和，最终得到了 在水和有机溶剂中溶解性良好的接枝物。 m a k u s k a 等【柏l 先将c s 的氨基用p h a 保护，c s 上c 6 的羟基用氧化剂氧化为醛 基，再与端基为氨基的p e g 反应。另外，他们还用三氯三唑( t f i c h l o r o t r i a z i n c ) 为 偶联剂将p e g 接枝到c s 的6 位羟基上。通过这些方法获得的衍生物具有较高的取 代度( 三9 0 ) ，且该梳状接枝聚合物具有较高的p e g 密度。为了防止发生副反应， 更好的控制接枝率和接枝位置，上述反应中c 3 的羟基用乙酸酐保护。 7 p e g 接技壳聚糖的设计合成及其凝胶化行为研究 一恸 s c h e m ei - 4s y n t h e s i so f p e g - m o d i f i e dc sa n dt h e i rp r o t e c t i o no fd e p r o t e c t i o n l i u 等1 4 1 i 用甲苯2 ，4 二异氰酸酯( 2 ，4 - t o l y l e n e d i i s o c y a n a t e ，t d d 选择性地与 p h a 保护了氨基的c s 的6 位羟基进行反应，得到比较理想的接枝共聚物。 虽然以上方法都能使p e g 选择性的与c s 的某种单一基团反应，但是这类方 法一般需要对c s 进行保护和脱保护的多步过程。 j f a n g k a n g w a n w o n g t 4 2 最近提, l s , 了一种新的一步完成p e g 接枝c s 的方法。这 种方法采用的是一种特殊试剂l 一羟基苯并三唑( h y d r o x y b e n z o t r i a z o l e ，h o b o ， h o b t 与c s 形成的复合物能溶于水，使得c s 的接枝反应能在均相体系中进行。同 时h o b t 对c s 的氨基还可以起到一定程度的保护作用。将端基为羧基的p e g 与c s 在e d c 作用下室温反应2 4 h ，可得到取代度为1 0 4 2 的接枝聚合物。 n ， n b a s c h e m e1 - 5t h es t r u c t u r eo f h y d r o x y b e n z o t r i a z o l e ( h o b o 1 3 2c 晤p e g 水凝胶 c s 接枝p e g 后，不仅提高了材料的结晶性能、力学性能以及生物性能，还 体现出对温度或p h 值的敏感性，因此可制成智能凝胶，在药物缓释、酶的固定、 基因负载、组织工程等方面有广泛的应用前景。 8 中山大学硕士学位论文 a n a n d m or 等 4 3 1 通过甲醛将c s ( m r w ：4 0 x 1 0 5 ) 分别与不同分子量的p e g ( m , f 4 0 0 0 ，1 0 0 0 ，2 0 0 ) 交联起来。交联后形成的水凝胶可以在一个较宽的p h 范围内 溶胀，且p e g 的分子量越大，水凝胶的溶胀度越高。该水凝胶可用于口服药物的 缓释。 k a n gm o oh u h 等t 4 4 1 陌- p e o ( m 萨2 0 0 0 ) 接枝的c s 产i 。o 1 0 5 ) 共聚物与环 糊精在室温酸性条件下简单的混合，由于超分子组装作用可形成水凝胶，且随着 温度的升高，该凝胶会发生凝胶溶胶转变。该水凝胶既具有p h 敏感性又具有温 度敏感性，有望应用于生物医学领域。不过水凝胶只能在室温下形成，温度升高 就会重新变回溶液，这是它在体内应用的不利因素。 以上两种水凝胶均为化学交联，且在材料制备的过程中，需要用到甲醛和乙 酸这些具有较强的生物毒性的试剂，因此所得的水凝胶广泛应用于生物医学领域 时受到一定的限制。 b h a t t a r a i 等h 5 闱用还原西弗碱的方法将r n p e g ( 厶= 2 0 0 0 ) 接技至f j c s ( = 1 9 1 0 5 ) 上，并控制接枝度为8 3 0 。其中当接枝共聚物的p e g 取代度为1 6 和2 5 时，浓度为1 3 3 的该溶液在1 0 左右以溶液状态存在，当温度升高到3 7 ( 2 左 右时粘度迅速增大，发生溶胶凝胶转变，形成了透明的水凝胶。作者成功的制 备了c s 争p e g 可注射水凝胶材料并应用于药物的控制释放。但是，对该水凝胶 的应用研究较为简单，物理凝胶形成的机理也没完全搞清楚。而且，文献中只是 对一种分子量的c s 进行了研究，p e g 的分子量也比较单一，并没有详细介绍不 同分子量c s 及其结构和组成对c s 水凝胶的形成及性质的影响。 通过c s 接枝p e g 后所制备的水凝胶生物相容性好，膨胀性好，可降解，尤 其是可注射性温敏水凝胶可通过针筒将溶胶状的水凝胶注射入体内所需部位，溶 胶进入人体后固化形成凝胶固定在体内所需部位。这种植入方法可以大大减少植 入过程中带来的创伤。不过，虽然人们对p e g c s 水凝胶的研究已经取得了一些 成果，但是对该类水凝胶形成的影响因素、形成机理及其在生物学上的应用的研 究仍有很长的一段路要走。 1 4 课题的提出和方案的设计 接技共聚物中的p e g 一方面本身就有良好的亲水性，另一方面可以破坏c s 的分子内和分子问氢键，因此接枝后共聚物在水中和其他有机溶剂中的溶解度【3 9 1 9 p e g 接枝壳聚糖的设计合成及其凝胶化行为研究 大大提高。接枝共聚物在水溶液中存在着多种相互作用：c s 分子间和分子内的 氢键相互作用，c s 聚合物乙酰基的疏水相互作用，以及c s 糖单元中的亲水基团 和p e g 亲水链段与水分子间的氢键相互作用、分子链的缠绕作用等。因此，文献 报道c s j g - p e g 接枝共聚物在水溶液中主要是以聚集体的形式存在的件7 l 。 一般认为，在一定的条件下，- 当c s - g - p e g 接枝聚合物分子链之间的相互作 用大于其与水分子的相互作用时。高分子化合物的网络结构就有可能形成，且经 过溶胶一凝胶转变形成水凝胶。但是，c s - g - p e g 接枝共聚中c s 的分子量、脱乙 酰度、p e g 的分子量和取代度、共聚物的浓度，温度和p h 值等都会对凝胶的形 成产生重要影响。而文献在这方面报道的很少，因此，本论文拟就上述参数的改 变对c s - g - p e g 接枝共聚物形成水凝胶的影响进行系统研究，并试图通过动静态 光散射研究c s - g - p e g 接枝共聚物在稀溶液中的行为对其凝胶化的机理进行分 析。为进一步提高这类物理交联水凝胶的化学稳定性，以便应用于脊髓损伤的修 复研究，实验还设计采用一种具有良好生物相容性、无毒的天然交联剂京尼平对 其进一步交联，并初步考察了化学交联水凝胶生物相容性及对药物模型的负载和 缓释效率。 具体如下： ( 1 ) 合成系列具有不同c s 、m p e g 分子量和不同取代度的c s - g - m p e g 共聚 物。并对其结构进行表征； ( 2 ) 通过动，静态光散射研究c s - g - p e g 接枝共聚物在稀溶液中的聚集行为， 探讨其在水介质中的溶解性； ( 3 ) 分析c s - g - p e g 接枝共聚物的凝胶化的机理，研究c s 和p e g 的分子量、 c s 的取代度以及接枝共聚物水溶液的浓度对水凝胶形成的影响，初步构建该材 料的温敏性物理交联水凝胶。 ( 4 ) 制备化学交联的c s - g - p e g 水凝胶，引入药物丹酚酸b 将其包埋在水凝 胶的网络结构中，研究水凝胶的网络结构对药物释放行为的影响。 本文的目的是通过上述研究，方面为合成化学组成和结构明确的水凝胶建 立方法，另一方面为这类水凝胶的临床应用提供科学依据。 i o 中山大学硕士学位论文 参考文献： l 刘锋，卓仁禧水凝胶的制各及应用府分子堰掘1 9 9 5 ( 4 ) ：2 0 5 2 1 6 2c r o m p t o n ai c e ，p r a n k e r dm p a g a n i n ad m ，e ta 1 m o r p h o l o g ya n dg e l a t i o no f t h e r m o s e n s i t i v e c h i l u s a nh y d r o g e i s 口蛔酣驴妇耐c h e m i s t r y , 2 0 0 5 ( 11 7 ) ：4 5 3 3 朱文，段世峰，丁建东组织工程用水凝胶材料功胎，寿分子擎按，2 0 0 4 ，1 2 ( 1 7 ) ：6 8 9 - 6 9 7 4l e ew f ，h u a n gy l s u p e r a b s o r b e n tp o l y m e r i cm a t e r i a l sv i i ：s w e l l i n gb e h a v i o ro fc r o s s l i n k e dp o l y s o d i u ma e r y l a t e - c o - t r i m e t h y lm e t h a c r y l a m i d o - p r o p y ! a m m o n i u mi o d i d e 】i na q u e o u s s a l ts o l u t i o n s j o u r n a l a p p l i e d p o l y m e r i e n c e , 2 0 0 0 ，7 7 ( 8 ) ：1 7 4 9 - 1 7 5 9 5p e n n yj m a r t e n s s t e p h a n i ej b r y a n t , 科a 1 t a i l o r i n gt h ed e g r a d a t i o no fh y d r o g e l sf o r m e d f r o mm u l t i v i n y ip o l y ( e t h y l e n eg l y c 0 1 ) a n dp o l y ( v i n y la l c o h 0 1 ) m a c r o m e l sf o rc a r t i l a g et i s s u e e n g i l l r i n 昏b i o m a e r o m o l e c u l e a , 2 0 0 3 ( 4 ) ：2 8 3 - 2 9 2 6z h a n gy lw o nc y 。c h uc cs y n t h e s i sa n dc h a r a v t e r i z a t i o no fb i o d e g r a d a b l en e t w o r k h y d r o g e i sh a v i n gb o t hh y d r o p h o b i ca n dh y d r o p h i l i cc o m p o n e n t sw i t hc o n t r o l l e ds w e l l i n g b e h a v i o r j o w - n a o f p o l y m e rs c i e n c e ：p m - t a ：p o l y m e rc h e m i s t r y , 1 9 9 9 ( 3 n ：4 5 5 4 - 4 5 6 9 7c o m e l u sf ，v a i ln o s t r u m , t b e of - j e ta 1 t u n i n gt h ed e g r a d a t i o nr a t eo fp o l y ( 2 - h y d r o x y p r o p y | m e t h a e r y t a m i d e ) - g r a 矗- o l i g o ( 1 a v t i