（材料学专业论文）有机硅改性壳聚糖膜的制备及其性能研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 壳聚糖具有很好的成膜性并且容易进行结构修饰和改性，是一 种性能优良的天然高分子功能膜材料。壳聚糖膜由于具有很好的生 物相容性、生物降解性和抗菌性，良好的通透性、吸附性，以及一 定程度的力学性能，因而在众多的领域，尤其是在生物材料领域得 到广泛的应用。但是，纯壳聚糖膜存在着脆性高、柔韧性差以及耐 酸性差等缺点，大大限制了其应用。有机硅具有一系列优异性能， 如较低的玻璃化转变温度，极好的耐高低温和耐氧化性能，低毒性 以及良好的生物相容性等，特别适合用作生物材料利用有机硅对 壳聚糖进行改性是改善壳聚糖膜性能的一条重要途径。 本文选用氯铂酸作为催化剂通过含氢硅油与烯丙基缩水甘油醚 ( a e p ) 的硅氢加成反应合成了一系列不同分子量的环氧基聚硅氧烷 ( e p p d m s ) ，对产物结构进行了红外表征，利用乌式粘度计法测定了 产物的特性粘度，并对产物分子量进行了比较讨论了反应条件对 硅氢加成反应的影响。结果表明，硅氢加成反应的最佳反应时问为 5 6 h ，最佳反应温度为9 0 l l o ，反应原料配比为a e p ：s i h 一 1 2 ：1 。 利用合成的环氧基聚硅氧烷与壳聚糖在醋酸溶液中反应，铺膜， 制备了一系列有机硅改性的壳聚糖膜，并对改性壳聚糖膜进行了红 外表征。通过x - 射线衍射分析，讨论了改性前后膜结晶性能的变化， 结果表明，改性后膜的结晶性能下降。利用扫描电镜观测改性壳聚 糖膜的表面形貌发现，未改性的壳聚糖膜表面光滑致密；有机硅改 性后，壳聚糖膜的表面粗糙度增加，并且有微孔出现。研究了成膜 条件对壳聚糖膜的制备及膜性能的影响，结果表明，最佳的成膜模 具材料为玻璃，最佳铸膜液浓度为2 ( 质量分数) ，最佳干燥温度 为5 0 对改性壳聚糖膜的力学性能研究发现，经有机硅改性后，膜的 拉伸强度、撕裂强度下降，并且有机硅含量越高，拉伸、撕裂强度 i v 山东大学硕士学位论文 越小；改性后膜的断裂伸长率增加，膜的韧性增强。另外，含量相 同时，有机硅分子量越大，改性后膜的断裂伸长率越高，柔韧性越 好 对改性壳聚糖膜的溶胀性能进行测试发现，改性壳聚糖膜的溶 胀度随着有机硅含量的增加先增大后减小；含量一定时，有机硅分 子量越大，膜的溶胀度越大；改性后，壳聚糖膜在水中达到溶胀平 衡的时间延长另外，经过有机硅改性，壳聚糖膜的润湿角增大， 表面润湿性下降 对改性壳聚糖膜进行了热重分析( t g ) ，实验结果发现，有机 硅改性后，膜的热稳定性增强，有机硅含量越高，膜的热稳定性越 好。 关键词：壳聚糖膜；有机硅；硅氢加成；制备；改性 v 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t c 。h i t o s a ni sak i n do fi d e a ln a t u r a lm a c r o m o l e c u l em e m b r a n e m a t e r i a l sd u et ot h e i rg o o df i l m i n ga n de a s y - t r a n s f o r m c h i t o s a n m e m b r a n eh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nv a r i o u sf i e l d s ，e s p e c i a l l yi n b i o m a t e r i a lb e c a u s eo ft h e i ru n i q u ep r o p e r t i e ss u c ha sb 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 i l i t y a n da n t i b a c t e r i a l a c t i v i t y ，g o o dp e n e t r a b i l i t y a n d a d s o r p t i v i t y , a n d c e r t a i nm e c h a n i c a l s t r e n g t h b u t t h ei n h e r e n t b r i t t l e n e s sa n ds t i f f n e s so fc h i t o s a nm e m b r a n eh a v el i m i t e dm a n y p o s s i b l ea p p l i c a t i o n s p o l y d i m e t h y l s i l o x a n e ( p d m s ) p o s s e s sas e r i a lo f e x c e l l e n tp r o p e r t i e ss u c ha sl o wg l a s st r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e ，v e r yg o o d t h e r m a la n do x i d a t i v es t a b i l i t y ，l o wt o x i c i t y ，g o o db i o c o m p a t i b i l i t y ，e t c t h e r e f o r e ，p d m si se s p e c i a l l ys u i t a b l ef o ru s ea sb i o m a t e r i a l s p d m s w a st h u si n c o r p o r a t e di n t oc h i t o s a ni nt h i sd i s s e r t a t i o nt om o d i f yt h e i r c a p a b i l i t y ，w h i c hp r o v i d e sa ni m p o r t a n ta p p r o a c hf o rm o d i f i c a t i o no f c h i t o s a nm e m b r a n e i nt h i sp a p e r ，e p o x y c o n t a i n i n gp o l y d i m e t h y l s i l o x a n e s ( e p p d m s ) w e r ep r e p a r e dv i ah y d r o s i l y l a t i o nr e a c t i o nb yh c o n t a i n i n gs i l i c o n eo i l a n da l l y lg l y c i d y le t h e r ( a e p ) ，w i t hp l a t i n u m - d i v i n y l t e t r a m e t h y l d i s i l o x a n ec o m p l e x 【p t ( o ) k a r s t e d tc a t a l y s t 】a sc a t a l y s t e p - p d m sw a s c h a r a c t e r i z e db yf o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e ds p e c t r o s c o p y ( f t - i r ) t h e i n t r i n s i cv i s c o s i t yo fe p p d m sw a sd e t e r m i n e db yt h eu b b e l o h d e v i s c o m e t e r ，a n dt h em o l e c u l a rw e i g h t so fe p - p d m s sw e r ec o m p a r e d e f f e c t so fr e a c tt e m p e r a t u r e ，r e a c tt i m ea n dm i x t u r e r a t i oo n h y d r o s i l y l a t i o nr e a c t i o nw e r ei n v e s t i g a t e d ，t h er e s u l t s h o w st h a tt h e o p t i m a lr e a c t i o nt i m ei s5 - 6h o u r s ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r ei s 9 0 110 。c ， a n dt h em o l er a t i oo f a e pt os i hi s1 2 ：1 t h er e a c t i o no ft h ee p o x i d i z e dp d m sa n dc h i t o s a nw a sc a r r i e do u t i na na c i d i ca q u e o u ss o l u t i o n ，t h e nt h em o d i f i e dc h i t o s a nm e m b r a n e s v l 山东大学硕士学位论文 w e r eo b t a i n e di na s p e c i a lm o l d t h ec h i t o s a nm e m b r a n e sw e r e c h a r a c t e r i z e db yf t - i ra n dx - r a y r r e s u l t ss h o w e dt h a tc r y s t a l l i n i t yo f t h em o d i f i e dc h i t o s a nm e m b r a n e sd e c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gs i l i c o n e c o n t e n ti nt h em e m b r a n e s t h es u r f a c em o r p h o l o g yo fc h i t o s a n m e m b r a n e sw e r ec h a r a c t e r i z e db ys c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) ， t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h es u r f a c eo fc h i t o s a nm e m b r a n ew a ss m o o t h a n dd e n s i f i e d ；m i c r o p o r e sw e r ef o u n di nt h es u r f a c eo fm o d i f i e d c h i t o s a nm e m b r a n e e f f e c to fc a s t i n gc o n d i t i o no nt h ep r e p a r a t i o na n d p r o p e r t i e so fc h i t o s a nm e m b r a n ew e r ei n v e s t i g a t e d t h eo p t i m a lc a s t i n g c o n d i t i o na r ea sf o l l o w s ：m a t e r i a lo fm o l di sg l a s s ，t h ec a s t i n gs o l u t i o n c o n c e n t r a t i o ni s2 w t a n dd r y i n gt e m p e r a t u r ei s5 0 t h ee f f e c to fa m o u n ta n dm o l e c u l a rw e i g h t so fe p - p d m so n m e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fc h i t o s a nm e m b r a n ew e r ei n v e s t i g a t e d t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h et e n s i l e s t r e n g t ha n dt h et e a rs t r e n g t ho f m e m b r a n e sd e c r e a s e da st h ee p p d m sc o n t e n ti n c r e a s e d a f t o r m o d i f i e db ys i l i c o n e ，t h ee l o n g a t i o na tb r e a ko fc h i t o s a nm e m b r a n e i n c r e a s e do b v i o u s l y ，a n dt h ee l o n g a t i o na tb r e a ko fc h i t o s a nm e m b r a n e i n c r e a s e da st h ee p - p d m sm o l e c u l a rw e i g h t si n c r e a s e d i n c o r p o r a t i o n o fe p p d m si n t oc h i t o s a nr e n d e r e dt h em e m b r a n em o r ef l e x i b l e c o m p a r e dw i t hu n m o d i f i e do n e s t h ee f f e c to fa m o u n ta n d m o l e c u l a rw e i g h t so fe p - p d m so n s w e l l i n gp r o p e r t i e so fc h i t o s a nm e m b r a n ew e r es t u d i e d t h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h ew a t e rs w e l l i n gr a t i of i r s ti n c r e a s i n gt h e nd e c r e a s i n g w i t ht h ee p p d m sc o n t e n ti n c r e a s i n g ；t h ew a t e r s w e l l i n g r a t i o i n c r e a s i n gw i t ht h ee p - p d m sm o l e c u l a rw e i g h t si n c r e a s i n g i na d d i t i o n ， w e t t i n ga n g l em e a s u r e m e n t si n d i c a t e dt h a ti n c o r p o r a t i o no ft h es i l i c o n e e n h a n c e di t sh y d r o p h o b i c i t yi nc o m p a r i s o nw i t hu n m o d i f i e do n e s t h et h e r m a lp r o p e r t yo fm e m b r a n e sw a si n v e s t i g a t e db yt h e r m o - g r a v i m e t r y ( t g ) a n a l y s i s ，w h i c hi n d i c a t e dt h a tt h ei n c r e a s eo fa m o u n to f e p p d m sc o u l di m p r o v et h et h e r m a ls t a b i l i t yo fc h i t o s a nm e m b r a n e s v 山东大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：c h i t o s a nm e m b r a n e ；s i l i c o n e ；h y d r o s i l y l a t i o nr e a c t i o n ； p r e p a r a t i o n ；m o d i f i c a t i o n i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：至缝e t期：垫z ：堕! ! ! 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：圣峰 导师签名：乏兰垒 日期：! z ：! 1 p 山东大学硕士学位论文 1 1 前言 1 1 1 壳聚糖 第一章文献综述 壳聚糖又称几丁聚糖、壳多糖、甲壳胺，是甲壳素部分脱乙酰基 的产物甲壳素是一种结构类似纤维素的天然高分子化合物，在自然 界中的含量仅次于纤维素。甲壳素广泛存在于蟹壳、虾壳和节肢动物 的外壳中以及低等植物菌、藻类的细胞壁中，是一种重要的自然资源 甲壳素经过浓碱处理即可得到不同脱乙酰度的壳聚糖( 见图1 1 ) o h 蝣瓣惑睬扣 毗毗眦 图1 1 纤维素，甲壳素、壳聚糖的结构式 f i g1 1c h e m i c a ls t r u c t u r e so fc e l l u l o s e ，c h i t i na n dc h i t o s a n 壳聚糖是一种天然的阳离子聚合物，无毒、无害，安全可靠，易于 生物降解，不污染环境，具有广泛的用途。自从1 8 5 9 年第一次发现壳 聚糖以来，人们对壳聚糖进行了广泛地研究，取得了很大的进展。壳 聚糖具有复杂的双螺旋结构，且大分子链上分布着许多氨基和羟基， 它们会形成分子内和分子间氢键，从而导致壳聚糖的结晶性较高，溶 解性差，这极大地限制了壳聚糖的应用i t 】。因此改善其水溶性是壳聚 山东大学硕士学位论文 糖研究的一个重要领域。壳聚糖的分子中存在羟基和氨基，两者都具 有一定的活性，通过化学改性可在重复单元上引入不同基团，生成 相应的衍生物。这样既可改善壳聚糖的溶解性能，同时又可赋予壳聚 糖更多的功能。 1 1 2 有机硅 有机硅材料是分子结构中含有元素硅、且硅原子上连接有机 基团的聚合物有机硅聚合物形式多种多样，按主链结构的不同 可分为聚硅氧烷、聚硅氮烷、聚硅烷、聚硅碳烷等，其中聚硅氧 烷是研究最多、应用最广的一类按硅上有机取代基数目及分子 量不同，聚硅氧烷可分为硅油、硅橡胶、硅树脂等。 有机聚硅氧烷是第一个在工业上获得应用的元素高分子，由于有 机聚硅氧烷结构特殊，它具有很多优异的物理、化学性能，是高分子 材料中性能独特的品种有机聚硅氧烷自4 0 年代商业化以来受到人 们的广泛重视，近年来有机聚硅氧烷的发展十分迅速，一系列具有特 种官能团( 例如环氧基、乙烯基以及氨基等) 、特殊结构( 嵌段结构) 、 特种性能的改性聚硅氧烷相继在实验室合成并产业化，在保留了上述 有机聚硅氧烷优异性能的同时又赋予其新的性能，包括可以采用低温 辐射固化技术进行固化、与有机聚合物中官能团的反应性、对水及醇 的相容性、易乳化性、赋予界面活性等。 当前，有机硅材料的研究和应用是功能高分子材科学研究的热点 之一。有机硅在高分子材料科学中有着极为重要的作用。有机硅单体 及其聚合物具有极低的表面能，其s i 0 键具有很高的键能、键旋转 容易。这些特性赋予其优秀的耐水性、耐高低温性、耐候性、透气性。 另外，有机硅具有良好的生物相容性和较低的毒性，因此在生物材料 领域得到广泛的应用。用有机硅对高分子材料进行改性，能赋予改性 材料诸多新性质。 1 2 壳聚糖的化学改性方法及其衍生物的应用 1 2 1 酰化改性及应用 山东大学硕士学位论文 壳聚糖的酰化改性是最早研究的改性方法酰化反应既可以发生 在羟基上，也可以发生在氨基上早期的改性主要是在酸酐或酰氯中 进行，酰化产物具有较高的溶解性，但反应条件对产物性能及产率影 响很大1 2 1 。近年来发现甲磺酸也可与壳聚糖发生酰化，甲磺酸既是溶 剂又是催化剂，因此反应在均相溶液中进行，酰化程度较高。 f e l i x 等【3 l 用壳聚糖与异丁酸酐反应合成了具有热敏感性的n 异 丁酰化壳聚糖水凝胶。b a d a w y 等【4 】用壳聚糖与酰氯反应合成了n ，0 酰化壳聚糖( n o a c ) 与壳聚糖相比，n o a c 对两种植物病原体灰 霉病菌和稻瘟病菌具有更高的抑菌活性，且抑菌效果随n o a c 浓度而 变t o n g 等 5 1 通过壳聚糖与棕榈酰氯反应，合成了含有自由氨基的两 性衍生物o ，0 二棕榈酰化壳聚糖( d p c t ) ，然后经过戊二醛交联得 到产物c d p c t c d p c t 在极性或非极性溶剂中对胆固醇都具有很好 的吸附性，因此可作为胆固醇吸附剂应用于食品工业中。b a d a w y 等 6 1 以硫酸为催化剂合成了取代度在0 0 2 0 2 8 之间的o 酰化壳聚糖 ( o a c ) 。杀菌活性和杀虫活性研究表明，大部分o a c 对灰霉病菌和 稻瘟病菌的抑菌效果强于壳聚糖；o a c 对斜纹夜蛾幼虫的生长具有更 高的抑制作用，其中o 葵酰化壳聚糖的抑制作用最强。 f ，o h 鲰。一 图1 2n - 邻苯二甲酰壳聚糖的制备 f i g 1 2t h ep r e p a r a t i o no fn - p h t h a l o y lc h i t o s 近来，邻苯二甲酰化壳聚糖的选择性反应受到越来越多的关注。 邻苯二甲酸酐与壳聚糖的不同官能团接枝，可获得不同结构与性能的 衍生物( 见图1 2 ) 。另外，用邻苯二甲酰基来保护官能团，可对壳聚糖 山东大学硕士学位论文 进行选择性修饰。l i u 等【7 】首先将壳聚糖的氨基邻苯二甲酰化，然后在 羟基上接枝聚己酸内酯，再脱去邻苯二甲酰基得到了壳聚糖聚己酸内 酯接枝共聚物。作为一种可降解的两性材料，该共聚物在生物材料方 面有着广泛的应用壳聚糖经氨基保护，然后与对乙酰氧基苯甲酰氯 发生酰化，再水合肼去保护可得到对羟基苯甲酸壳聚糖酯【8 l ，产物对 大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌活性大于对羟基苯甲酸庚酯，更优 于壳聚糖。 1 2 2 羧甲基化改性及应用 羧甲基壳聚糖是壳聚糖经羧甲基化后的一类重要的壳聚糖衍生 物，具有良好的水溶性、成膜性和极强的重金属螯合能力羧甲基化 可发生在羟基上( o 羧甲基化壳聚糖) ，也可以发生在氨基上( n 羧甲基化壳聚糖) 适当条件下，还可以得到氨基、羟基同时取代的 n ，o 羧甲基化壳聚糖以及n ，n 二羧甲基壳聚糖9 1 。 + 圈1 3 羧甲基壳聚糖希弗碱的镧各 f i g1 3t h ep r e p a r a t i o no ft h es c b i f fb a s e so fc m c t s 壳聚糖上引入羧甲基有利于提高其对金属离子的吸附，可以应用 于水处理及金属离子的回收。施晓文等【1 0 l 用环氧氯丙烷作交联剂，通 过一系列反应制备了交联羧甲基壳聚糖微球，实验结果表明，在p h = 5 时，对p b 2 + 的吸附量比纯壳聚糖树脂提高了7 0 。程发等【1 1 1 利用戊二 醛作为交联剂制备了一种交联n ，o 羧甲基壳聚糖树脂，其对c u 2 + 的 吸附量是一般壳聚糖饱和吸附量的5 倍左右，而且可以再生和反复使 用。另外，羧甲基壳聚糖具有良好的抑菌性，是一种应用广泛的生物 4 = 山东大学硕士学位论文 杀菌剂。高献礼等 1 2 1 制备了不同取代度的n ，o 羧甲基壳聚糖，以大 肠杆菌为受试菌，壳聚糖为阳性对照，结果表明，壳聚糖经羧甲基改 性后，水溶性增加，抑菌活性有所下降g u o 等 1 3 1 以羧甲基壳聚糖为 原料制备了两种羧甲基壳聚糖希弗碱( 见图1 3 ) ，二者对尖孢镰刀 菌、茄子早疫病菌以及苹果腐烂病菌的抑菌活性均高于壳聚糖和羧甲 基壳聚糖。 近年来，利用壳聚糖及其衍生物来制备p h 敏感性水凝胶，在药物 控制释放方面展现出良好的发展前景c h e n 等【1 4 】制备了一种半互穿 网络的、具有较高p h 敏感性的n ，o 羧甲基壳聚糖海藻盐水凝胶，可 用作蛋白质定向传输的载体。陈凌云等 x 5 1 制备了一系列羧甲基壳聚糖 p h 敏感性水凝胶，研究表明，载有牛血清白蛋白的凝胶在p h = 7 4 的人 工肠液中，要比在p h = 1 2 人工胃液中的释放速度快很多改变羧甲基 取代度、交联度可调节水凝胶在不同酸碱介质中的溶胀行为，从而控 制药物的释放 1 2 3 接枝共聚改性及应用 接枝共聚是甲壳素和壳聚糖改性的重要方法之一，通过在壳聚糖 的葡胺糖单元上接枝乙烯基单体，形成半聚合物多糖，可赋予壳聚糖 以新的优异性能壳聚糖的接枝共聚合可在多种条件下，以不同机理 进行。主要引发剂有：铈离子( c e 4 + ) 、过硫酸盐、过氧化氢亚铁离 子( f e n t o n 试剂) 等，以及偶氮二异丁腈引发剂，光、r 射线等。 j o s h i 等 1 6 1 以硝酸铈铵( c a n ) 为引发剂，引发羧甲基壳聚糖 ( c m c h ) 与甲基丙烯酸羟乙酯( h e m a ) 共聚，结果表明，其他条 件不变的情况下，最佳接枝反应条件为：c m c h ， 2 9 ；c a n ，o 2 m ； h e m a ，0 3 8 4 m o l 1 ；反应温度，4 0 ；反应时间，4 5 h f u 等 1 7 1 以过硫 酸铵为引发剂，引发聚丙烯酸( p a a ) 与壳聚糖交联球接枝共聚，制 各了一种壳聚糖多孔微球，该微球对低密度脂蛋白的吸附量与p a a 的 接枝率密切相关。袁春桃等【哺】用n h 2 0 h h c i h 2 0 2 引发壳聚糖与丙烯 腈( a n ) 接枝共聚合，发现接枝共聚反应的最佳反应条件为：c t s ， h 2 0 2 ( c o ，c o ) = 8 ，c t s n h 2 0 h h c i ( c o c o ) = 1 4 ，a n c t s ( ) 5 山东大学硕士学位论文 = 3 5 ，反应温度3 5 ，反应时间4 5 h 。在此条件下，接枝率为1 8 5 9 6 ， 接枝效率为7 7 8 7 c a i 等【”1 用1 r 射线引发壳聚糖与异丙基丙烯酰胺接枝共聚，获得一 种温度及p h 敏感性水凝胶。研究表明，产物的接枝率和接枝效率随单 体浓度及辐射剂量的增加而增大，最大接枝率为6 2 0 ；产物具有明 显的温度及p h 敏感的特点。陈煜等【2 0 1 在偶氮二异丁腈的引发下，将 丙烯酸钠和n 乙烯基吡咯烷酮在羧甲基壳聚糖的分子链上接枝共聚， 并加入n ，n 一亚甲基双丙烯酰胺进行一定程度的交联，制得羧甲基壳 聚糖接枝聚丙烯酸钠7 , 烯基吡咯烷酮( c m c t s - g - ( p a a n a - g o - p v p ) ) 高吸水性树脂。其吸水倍率可达1 3 2 0g g 上，吸盐水倍率可达1 8 0g g 以上 1 2 4 烷基化改性及应用 壳聚糖在碱性条件下与卤代烷或硫酸酯反应可得到烷基化改性 的壳聚糖。通常得到n 、0 同时取代的衍生物，若想得到0 单一取 代的烷基化产物，需要先对壳聚糖进行氨基保护，o 烷基化反应完成 后再脱去保护基团 2 1 l 。对于n 取代的烷基壳聚糖( 见图1 4 ) ，通 常是利用醛基与壳聚糖中的氨基形成希夫碱，再用n a b h 3 c n 或 n a b h 4 还原得到【2 2 1 。 蘸r 。一 魂= = 龟 。 图1 4 乙基壳聚糖衍生物的合成 f i g 1 4t h es y n t h e s i so fn - e t h y l - e h i t o s n n “等【2 3 1 制备了一系列不同取代度的n 丁基壳聚糖膜，与纯壳聚 糖膜相比，n 一丁基壳聚糖膜具有较高的弹性模量及较低的断裂伸长 率，且更有利于造骨细胞的繁殖和发育，可用于骨再生研究黄晓 佳等【2 4 】用完全脱乙酰化的壳聚糖与n 烷基醛反应生成醛亚胺，再用 n a b h 3 c n 还原得到n 烷基壳聚糖衍生物。烷基化壳聚糖具有良好的 山东大学硕士学位论文 抗菌性和抗凝血性能，近年来在药物释放方面获得了广泛的应用 z h a n g 等【2 5 j 在壳聚糖的氨基和羟基上分别接入长链烷基和硫酸盐基 团，获得了两亲性壳聚糖衍生物，并对抗癌药物紫杉醇( t a x 0 1 ) 在 衍生物胶束中的溶解性进行了研究发现n 辛基0 硫酸盐壳聚糖胶 柬对紫杉醇有较大增溶作用，可用作紫杉醇的负载载体谢彩婷等1 2 6 1 采用逆向蒸发法首次制备了n ，n 双十二烷基壳聚糖自组装纳米药 用泡囊，该泡囊同时具有多层和多腔室结构，对维生素b 1 2 的药物包 封率为1 3 4 2 ，载药量为o 0 6 m g m g ，载药包囊的体外药物释放可 持续2 4 小时左右 另外，壳聚糖与卤代醇或含环氧基的化合物反应可以制备羟烷基 衍生物，产物通常具有水溶性和良好的生物相容性p e n g 等【2 7 】用壳聚 糖与环氧丙烷合成了不同分子量的羟丙基壳聚糖，发现取代度较低、 分子量较大的羟丙基壳聚糖具有较高的抗霉菌活性l i m 等1 2 8 1 首先用 壳聚糖与缩水甘油三甲基氯化铵反应制备n 一羟丙基三甲基氯化铵壳 聚糖( h t c c ) ，h t c c 进一步与n 羟甲基丙烯酰胺( n m a ) 反应得 到具有纤维活性的壳聚糖衍生物n m a h t c c 。这种衍生物可作为棉布 的助染剂1 2 9 。r u t n a k o m p i t u k 等1 3 0 合成了端环氧基的聚硅氧烷，然 后通过与壳聚糖的烃基化反应，制备了有机硅改性壳聚糖。 1 2 5 交联改性及应用 交联改性是壳聚糖常用的改性方法。交联可以增强壳聚糖及其衍 生物的力学强度和耐酸、耐有机溶剂性能。常用的交联剂有戊二醛、 环氧氯丙烷、环硫氯丙烷等交联作用可发生在同一分子链的不同链 节之间，也可以发生在不同分子链之间。g u p t a 等1 3 1 】用不同分子量和 脱乙酰度的壳聚糖分别与戊二醛和乙二醛交联，制备壳聚糖交联微 球。与戊二醛交联微球和纯壳聚糖微球相比，乙二醛交联微球的结构 更加紧凑、憎水性更强，对苯并吡喃( c e n t c h r o m a n ) 的持续释放效果 更好。k h u r m a 等1 3 2 以京尼平( g e n i p i n ) 为交联剂制备了壳聚糖聚乙 烯基吡咯烷酮水凝胶，该水凝胶具有温度及p h 敏感性。 壳聚糖分子链中含有大量的羟基和氨基，具有很好的成膜性、通 7 山东大学硕士学位论文 透性和吸附性，是性能优良的天然高分子功能膜材料。经过交联改性 后的壳聚糖膜与纯壳聚糖膜相比具有较高的机械强度、化学稳定性以 及耐酸性，广泛应用于金属离子去除、物质分离、药物控释等领域。 v i e i r a 等【3 3 1 分别以戊二醛、环氧氯丙烷为交联剂制各了壳聚糖交联 膜，发现p h 值为6 、戊二醛作交联剂时，壳聚糖交联膜h 9 2 + 的吸附 量最大，为7 5 5 m g g 。l i u 等【3 4 】通过丫缩水甘油醚丙基三甲氧基硅烷与 壳聚糖进行交联反应，制各了一种有机无机杂化的渗透汽化透水膜， 这种膜对质量分数为7 5 的异丙醇水溶液具有较好的分离效果。l i 等1 3 卸以葡萄糖醛为交联剂对烷基化壳聚糖进行交联，制备了葡萄糖交 联壳聚糖载药膜，药物释放试验表明，在酸性介质中，膜的渗透系数 随烷基化壳聚糖的碳链长度的增加而降低，碱性介质中情况相反。 近来，壳聚糖在用于人体组织工程的支架材料方面的研究取得了 很大进展，以壳聚糖为主要原料复合其他材料，通过不同加工方法制 备皮肤支架是皮肤支架材料研究的重点。a d e k o q b e 等【3 6 】分别以脱乙 酰度为8 0 、9 0 和1 0 0 的壳聚糖和二甲基3 3 。二硫代丙酸盐( d t b p ) 进行交联，获得一种皮肤支架材料。与d t b p 交联后，支架材料的抗 拉强度明显增强，降解率下降。t a c k 等f 37 】将壳聚糖和半乳糖交联，再 与海藻酸钙共混交联得到凝胶，经冷冻干燥制得三维多孔性海绵体， 可作为肝细胞培养和移植的支架材料。 1 2 6 其他方法 壳聚糖可在含氧无机酸酯作用下发生酯化反应常见的酯化反应 有硫酸酯化和磷酸酯化，反应一般在非均相条件下发生。壳聚糖的硫 酸酯化产物具有类似肝素的结构，显示出较好的抗凝血性【3 ”。x i n g 等p 9 l 合成了高分子量以及高硫酸根含量的壳聚糖硫酸酯( h c t s ) ， 体外试验表明，h c t s 能清除超氧化物和羟自由基，具有明显的还原 能力和轻微的鳌合性，是一种潜在的抗氧化剂。 壳聚糖的氧化也是重要的改性方法壳聚糖分子中c 2 位上的 n h 2 ，c 3 、c 6 位上的o h ，都易被氧化剂氧化，常用的氧化剂有n 2 0 4 ， n 0 2 、c r 0 3 等。目前最引入关注的是壳聚糖的选择性氧化。张卫国等 山东大学硕士学位论文 4 0 1 用n 0 2 将壳聚糖6 位羟甲基氧化成羧基，再通过交联制各了具有较高 强度的6 羧基壳聚糖凝胶珠。该凝胶珠对尿毒症低分子毒物尿酸、马 尿酸和肌酐的吸附量分别为2 6 1 、1 5 和0 8 l m g g ，富含低分子毒物的 血清经凝胶珠吸附后，其尿酸和马尿酸的含量可接近人体液正常值 1 3 壳聚糖膜材料的发展与应用 壳聚糖分子链中含有大量的羟基和氨基，具有很好的成膜性、通 透性和吸附性以及容易进行结构修饰和改性，因而是一种性能优良的 天然高分子功能膜材料。壳聚糖分子内含有羟基和氨基两类活性基 团，有利于用各种技术进行改性，如交联、共聚、共混、离子化，或壳 聚糖分子链上的氨基与过渡金属离子形成配位络合物等，可制成不同 用途的壳聚糖膜由于壳聚糖膜具有上述众多的优点，因此在众多领 域得到广泛的应用。 壳聚糖由于制膜工艺简单，而且制膜过程中不涉及有毒物质，因 此在食品及制药工业上得到广泛应用。研究发现，壳聚糖膜能够显著 抑制果蔬呼吸作用、蒸腾作用、水分蒸发、物质代谢和果色转化等生 理生化过程，推迟生理衰老，延长贮藏期，起到保鲜作用 4 1 】。另外， 壳聚糖膜具有天然抑菌性，可抑制食品表面的多种真菌、细菌。贾小 丽 4 2 1 等以壳聚糖为成膜物质制得可食性涂膜保鲜剂，研究其不同浓度 ( 1 、1 5 、2 ) 对海红果贮藏生理及效果的影响，结果表明：涂膜 处理可以明显抑制果实的叶绿素分解、硬度下降、可溶性固形物含量 下降、v e 含量下降和酸含量下降。 以壳聚糖作为药物载体的控释和缓释研究已成了壳聚塘研究的 热点。通常把药物和壳聚糖做成各种各样的缓释剂。如颗粒剂、片剂、 缓释膜、缓释凝胶、缓释微胶囊等。所有的这些缓释方法中应用膜技 术是最有希望的，因为它能维持药物的恒定释放 4 3 l 。高玉香“1 等用 溶剂挥发法制备明胶壳聚糖( o i c s ) 共混膜，作为药物持续释放载体 治疗眼穿通伤，体外释药实验显示药物释放与时间平方根呈函数关 系，药物呈缓慢释放，能维持1 0d 以上的有效药物浓度，初步兔眼实 验显示，该膜组织相容性好，治疗眼穿通伤效果明显 9 山东大学硕士学位论文 壳聚糖膜的亲水性强、透过通量大，溶胀度较高，对分离水系物 料特别有效，目前的研究工作主要集中在超滤膜、反渗透膜、渗透蒸 发膜、渗析膜、气体分离膜等方面。李冰冰等【4 5 i 将壳聚糖( c s ) 和聚 乙烯醇( p v a ) 混合物涂到聚丙烯腈( p a n ) 中空纤维内表面，通过适 当的交联制成壳聚糖复合膜。结果表明，c s p v a ，p a v 膜具有优异 的渗透选择性能，可用于醇水分离。m o o n 等【4 6 】制备出了一种新型的 壳聚糖- 海藻酸钠双层复合渗透汽化膜，并对乙醇水体系和异丙醇水 体系的分离进行了研究。结果显示，在对乙醇水体系和异丙醇水体系 进行分离时，交联后得到的双层复合膜，其机械性能和分离效果要比 单纯的壳聚糖膜和海藻酸钠膜的高。壳聚糖还是一种天然的高分子鳌 合剂，特别是对重金属离子的鳌合作用较为突出，而且在一定的p h 值条件下有着很好的选择性。壳聚糖的这种特性使壳聚糖膜在去除废 水中对人体有害的重金属离子方面有着巨大的优势。a r p a 等 4 7 1 用聚甲 基丙烯酸羟乙酷- 壳聚糖复合膜进行了对汞的选择性吸附。结果表明， 该膜对重金属离予的吸附性大小为：h 9 2 + p b 2 + c d ”，即x c h 9 2 + 具有 明显的选择性吸附能力。 另外，壳聚糖具有良好的生物相溶性和无毒害性，能够被生物降 解，同时还具有抗菌消炎等功效，是一种良好的生物材料，目前，壳 聚糖膜已经在伤口愈合、人体组织支架材料方面得到很大应用。 f u k a s a w a 等【4 8 】将脱乙酰度为8 0 的壳聚糖膜覆盖子白兔的内脏和腔 壁腹膜的擦伤处，发现该膜能调节腹膜渗出的巨噬细胞的凝血酶活 性，对创伤面有止血的作用。s u n d a r a r a j a n t ”】等用壳聚糖制成多孔、 疏松的骨架材料，把材料压制成膜状后可在该种膜上利用组织培养技 术构建人皮及各种人工器官，此方面的内容正在进一步的研究中王 碧等【5 0 】利用溶液共混法制备了羧甲基葡甘聚糖壳聚糖复合膜，以体 外培养的小鼠成纤维细胞作为对象，研究了材料的细胞相容性以及膜 材料浸渍液中细胞的增殖情况，结果表明，复合膜浸渍液对细胞无毒 性效应，n i h 3 t 3 细胞在复合膜上能很好地贴附，生长旺盛。 然而，纯壳聚糖膜的机械性能、化学稳定性以及对酸的耐受性相 对较差，对它的实际应用造成了一定的影响，为了提高膜的上述性能 山东大学硕士学位论文 并进一步扩大其应用范围，就需要对其进行改性在众多改性的方法 中，最常用的是交联、共混和接枝这三种化学方法，而且它们还可以 根据膜的功能及用途的不同，来选择单独使用或者组合在一起使用 1 4 本课题的选题意义 壳聚糖膜材料是一种性能优良的天然高分子材料，它具有的很好 的生物相容性、生物降解性和抗菌性，良好的通透性、吸附性，以及 一定程度的力学性能，因此广泛应用于医学、药学、环保、食品保鲜 等众多领域。尤其是在生物医用高分子材料方面的应用是今后研究的 热点【5 1 】目前，在这一领域，壳聚糖膜已经在伤口包扎、人体组织材 料、药物缓释等方面取得了广泛应用。但是，由纯壳聚糖所制成的膜， 脆性高、柔韧性差，而且耐酸性差，给其应用带来很大的困难，通常 需要对其进行改性。目前常用的改性方法主要有共混、接枝和交联三 种。 有机硅具有良好的生物相容性，很好的柔韧性和耐热性，而且毒 性极小因此，在生物高分子材料方面得到较大关注。用有机硅对壳 聚糖进行改性是改善壳聚糖材料性能的一条重要途径有机硅的加入 可以赋予材料更好的柔韧性和更高的耐热性，能够较大程度上改善壳 聚糖材料脆性高、柔韧性差等缺点，值得深入的研究和探讨。 目前，在有机硅改性壳聚糖方面，国内外的相关报道还不是很多 这主要是因为有机硅是一种憎水性的材料，而壳聚糖又不溶于水和大 部分的有机溶剂，只溶于弱酸溶液，两者在溶液中的相容性很差，给 研究带来了很大的困难。文献报道中大都采用接枝或交联等化学改性 方法。k i m 5 2 1 等用环氧基封端的聚硅氧烷与壳聚糖在紫外线照射下交 联，制备了一种p h 及温度敏感性水凝胶，并对产物的溶胀性及p h 敏 感性进行了研究r u t n a k o r n p i t u k 等 5 3 - 5 4 1 用聚乙二醇聚二甲基硅 氧烷两亲嵌段共聚物改性壳聚糖，并研究了改性后壳聚糖膜的机 械性能、溶胀性能以及临界表面能。 本论文首次采用侧基型环氧基聚硅氧烷对壳聚糖膜进行改性，以 期得到性能更加优良，更能满足使用要求的壳聚糖膜材料。同时，研 山东大学硕士学位论文 究了有机硅改性对壳聚糖膜诸多性能的影响本论文为有机硅改性壳 聚糖材料的研究提供了一条新的途径，有着重要的理论价值和潜在的 实际应用价值。 1 5 本课题的研究内容 本论文的主要工作内容如下： 1 通过含氢硅油与不饱和缩水甘油醚的硅氢加成反应，制各了 环氧基聚硅氧烷。讨论了反应条件( 反应温度、反应时间、反应物配 比) 对硅氢加成反应的影响，并对产物结构进行了表征同时测定了产 物的粘度，对产物的分子量进行了比较。 2 制备了不同有机硅含量的有机硅改性壳聚糖膜，对膜的结构 进行了表征，对改性壳聚糖膜的结晶性能进行了研究，并观察了膜的 表面形貌。 3 通过改变成膜条件，讨论了不同成膜条件( 膜具材料、铺膜 液浓度、成膜温度) 对壳聚糖膜性能的影响。 4 对改性壳聚糖膜的力学性能进行了研究，讨论了有机硅含量 以及环氧基聚硅氧烷分子量对壳聚糖膜的力学性能( 拉伸强度、撕裂 强度、断