O-季銨化-N,N-雙烷基殼聚糖的單分子膜性質研究

關品燊，辛梅華，李明春，詹光耀

（華僑大學材料科學與工程學院，環境友好功能材料教育部工程中心，福建 廈門 361021）

O-季銨化-N,N-雙烷基殼聚糖的單分子膜性質研究

關品燊，辛梅華，李明春，詹光耀

（華僑大學材料科學與工程學院，環境友好功能材料教育部工程中心，福建 廈門 361021）

采用自制的季銨化試劑環氧丙基乙基三甲基氯化銨醚，制備3個不同烷基化長度的O-季銨化-N，N-雙烷基殼聚糖（QADCS），用FTIR、EA和1H NMR對產物進行表征，并試驗其單分子膜性質。結果表明，所制得的QADCS可以形成穩定的單分子膜，并且QADCS單分子膜的崩潰壓、極限分子面積及最大壓縮模量隨著側鏈長度的增長而增大，其中O-季銨化-N,N-雙十二烷基殼聚糖單分子膜的凝聚力最強。為進一步研究QADCS的自組裝性質及載藥性能提供依據。

殼聚糖；季銨化；雙烷基化；單分子膜

殼聚糖是安全無毒、可生物降解、并具有良好生物相容性的天然陽離子多糖，在生物醫用材料方面有廣闊的應用前景，但由于其溶解性差限制了其應用范圍，因此近年來對其進行改性制備雙親性殼聚糖衍生物的研究非常活躍。Langmuir Blodgett（LB）膜技術是在分子水平上精確控制膜厚與分子排列實現分子水平上組裝的技術，可以在分子水平上研究有機分子的成膜性能。通過單分子膜π-A等溫線的研究可以獲得有序排列狀態下有機分子間距離等主要參數，為進一步研究其自組裝性能提供依據。Tong等[2]制備了O,O′-雙十六酰殼聚糖并研究其單分子膜性質，結果表明其與膽固醇有良好的相容性，當與膽固醇的質量比例為75/25時，單分子膜崩潰壓與極限分子占據面積達到最大。Wu等[3]研究了O,O-雙辛酰-N-肉桂酰殼聚糖的單分子膜性質，表明其源于O,O-雙辛酰-N-肉桂酰殼聚糖的螺旋骨架的內在手性在LB膜上得到了良好的保持，螺旋構象也無明顯的改變，主鏈的二維LB膜也有選擇性的取向。本課題組[4-5]曾制備了N,N-雙烷基化殼聚糖衍生物，研究表明隨著疏水碳鏈的增長，單分子膜的崩潰壓、極限分子占據面積與壓縮模量都隨之增長。本工作在此基礎上進一步制備了雙親性更為均衡的O-季銨化-N,N-雙烷基殼聚糖（QADCS），合成路線見圖1，并研究了QADCS的單分子膜性質，為進一步研究QADCS的自組裝性能提供依據。

圖1 O-季銨化-N,N-雙烷基殼聚糖的合成路線（n=6，8，10）

1 實驗部分

1.1 主要儀器及試劑

JML04S 型雙驅動膜天平（上海中晨數字技術設備有限公司）；Milli-Q Gradient純化系統（美國Millipore公司）；NEXUS-470型傅里葉變換紅外光譜儀（美國Nicolet公司）；Vario Micro元素分析儀（德國Elementar公司）；Bruker核磁共振分析儀（德國Bruker公司）。

殼聚糖（CS，Mw=1×106，DD=85.6%），山東海得貝海洋生物工程有限公司；鄰苯二甲酸酐、十二烷基磺酸鈉（SDS）、NaBH4、氯化膽堿、環氧氯丙烷均為上海化學試劑公司；辛醛、癸醛、月桂醛，Alfa Aesar。

1.2 O-季銨化-N,N-雙烷基殼聚糖（QADCS）的制備

1.2.1 環氧丙基乙基三甲基氯化銨醚的制備

將10 g氯化膽堿、10 mL環氧氯丙烷加入20 mL乙醇中，25 ℃攪拌反應48 h，用丙酮析出產物，抽濾后得環氧丙基乙基三甲基氯化銨醚。

1.2.2O-季銨化殼聚糖的制備

取10 g殼聚糖在200 mL DMF/H2O（體積比95/5）溶液中溶脹過夜，加入27.6 g鄰苯二甲酸酐，在N2保護下100 ℃反應8 h，冷卻至室溫，倒入冰水中，抽濾、甲醇洗滌、干燥得N-鄰苯二甲酰殼聚糖（PhCS）[6]。

取2 g PhCS加入環氧丙基乙基三甲基氯化銨醚的DMF溶液中，加入4 g NaOH與10 mL水。80℃反應24 h，抽濾、乙醇洗滌，干燥得O-季銨化-N-鄰苯二甲酰殼聚糖（QAPhCS）。

將QAPhCS溶于水中，加入水合肼，100 ℃反應15 h[6]，倒入乙醇析出產物。將產物加入水中攪拌直至完全溶解，水透析3天，冷凍干燥得O-季銨化殼聚糖（QACS）。

1.2.3 O-季銨化-N,N-雙烷基殼聚糖的制備

將2 g QACS 加入水中攪拌至完全溶解，加入5倍物質的量的醛（月桂醛、辛醛、癸醛）和少量SDS，在 98 ℃下反應 10 h，冷卻至約 40 ℃，調pH值至中性，NaBH4還原至pH≥13。用冰乙酸調節pH值至4.5，二次加入醛，重復以上步驟。反應結束后，過濾、洗滌、干燥，氯仿萃取得O-季銨化-N,N-雙辛基殼聚糖（QADOCS）、O-季銨化-N,N-雙癸基殼聚糖（QADDCS）和O-季銨化-N,N-雙十二烷基殼聚糖（QADLCS）。

1.3 QADCS單分子膜的π-A等溫線測定

分別將QADOCS、QADDCS和QADLCS配成10－3g/mL的氯仿溶液，用微量進樣器取30 μL溶液鋪展在亞相上，亞相為 Milli-Q Gradient 純化的二次水。待氯仿溶液在亞相表面上鋪展并揮發約 30 min后進行壓膜，用Wilhelmy吊片法測定π-A等溫線。壓膜速率為20 mm/min，溫度（18±1）℃。

2 結果與討論

2.1 產物的表征

1）患者有闌尾炎手術史，且炎癥較重，門靜脈系手術或脾切除病史；2）患者在上述手術史后出現厭食，腹瀉，便秘，惡心，嘔吐，持續高熱；3）患者術后腹痛持續，或間斷發作，定位不準確，超聲檢查手術區未見明顯異常，癥狀和體征明顯不符合；4）患者出現黃疸癥狀，抗炎治療后可輕微好轉，考慮會有細菌性血栓形成，要仔細探查門靜脈系統；5）腹腔腸間隙或肝下有包裹性積液，穿刺抽出不凝血或黃染性液體；6）肝內出現低回聲炎性改變，嚴重者可形成膿腫；7）受累腸壁增厚，腸腔積液，蠕動減慢，小腸擴張大于4cm者。總結以上情況均應及時考慮門靜脈-腸系膜上靜脈的問題。

2.1.1 產物的紅外光譜分析

采用KBr壓片法，測得各中間產物及終產物的紅外光譜如圖2和圖3所示。

圖2為環氧丙基乙基三甲基氯化銨醚的紅外光譜圖。圖中1481 cm－1的吸收峰是季銨基團的CH3、CH2的C—H彎曲振動峰，1641 cm－1處的吸收峰是季銨基團的反對稱伸縮振動峰[7]。

圖3中曲線a為CS的紅外譜圖，曲線b為PhCS的紅外譜圖，與曲線a相比，曲線b在1774 cm－1、1712 cm－1的吸收峰是C=O的伸縮振動，1391 cm－1出現的吸收峰是C=C的伸縮振動峰，721 cm－1出現的吸收峰是苯環的面外彎曲振動峰，由紅外光譜說明了苯甲酰基團的引入[8]。圖3中曲線c為QAPhCS的紅外譜圖，與曲線b相比，曲線c在1641 cm－1處的吸收峰是季銨基團的反對稱伸縮振動，說明了季銨基團的引入。圖3中曲線c為QAPhCS的紅外譜圖，與曲線b相比，曲線c在1641 cm－1處的吸收峰是季銨基團的反對稱伸縮振動，也證實了季銨基團的引入。圖3中曲線d為QACS的紅外譜圖，與曲線c相比，曲線d在1774 cm－1、1712 cm－1、721 cm－1處的吸收峰消失，說明保護基團苯甲酰已脫掉。曲線e為QADCS的紅外譜圖，與曲線d相比，曲線e在 2923 cm－1、2854 cm－1處的吸收峰是 CH3、CH2的C—H 伸縮振動峰，1641 cm－1處的吸收峰是季銨基團的反對稱伸縮振動峰，說明烷基長鏈及季銨基團已接到殼聚糖上，產物為O-季銨化-N,N-雙烷基殼聚糖。

圖2 環氧丙基乙基三甲基氯化銨醚的FTIR圖

圖3 制備產物的FTIR圖a—CS；b—PhCS；c—QAPhCS；d—QACS；e—QADCS

2.1.2 產物的核磁共振分析

QADCS和QADCS分別用D2O和CDCl3溶解，濃度為2%（質量分數），進行核磁共振測定，結果見圖4和圖5。

2.1.3 產物的元素分析

圖4 QACS的1H NMR分析

圖5 QADCS的1H NMR分析

制備產物的元素分析結果見表 1，由 C/N計算[8]得出各產物的取代度為：N-鄰苯二甲酰殼聚糖取代度為 0.82，O-季銨化殼聚糖季銨化取代度為0.46，與核磁圖中He與H1積分面積之比結果一致。雙辛烷基、雙癸烷基、雙十二烷基的取代度分別為1.64、1.71、1.75。

2.2 QADCS的單分子膜性質

2.2.1 QADCS單分子膜的π-A等溫線

按照1.3節的實驗方法測得O-季銨化-N,N-雙烷基化殼聚糖的π-A等溫線如圖6所示。從圖中可以看出，所制備的QADCS可以形成穩定的單分子膜，并且不同側鏈長度的QADCS其單分子膜的崩潰壓與極限分子面積隨著側鏈長度的增長而增大，這可能是側鏈長度增長使分子間的疏水作用力增強，所形成的單分子膜更緊密。

2.2.2 QADCS單分子膜的Cs－1-A曲線

為進一步研究單分子膜的成膜性能，對單分子膜的π-A等溫線作一次微分，再乘以分子平均占據面積A，得到單分子膜的壓縮模量（compressibility modulus，），作關系圖如圖7所示。單分子膜的最大壓縮模量（C）越大，膜的凝聚性就越強[9]。表 2列出了不同QADCS單分子膜的崩潰壓πc、極限分子占據面積Aex及最大壓縮模量。

表1 產物元素分析及取代度

圖6 QADCS單分子膜的π-A等溫線

圖7 QADCS單分子膜 的Cs－1-A 曲線

由圖7和表2可知，QADCS單分子膜的最大壓縮模量隨著側鏈長度的增長而增大，其中O-季銨化-N,N-雙十二烷基殼聚糖單分子膜的凝聚力最強。QADLCS在壓縮過程中曲線出現了2個極大值，而QADDCS和QADOCS只有1個最大值，說明 QADLCS出現了明顯的液體擴張相到液體凝固相的轉變（LE-LC相轉變）。

表 2 QADCS 單分子膜的 πc 、Aex 及 Cs－1,max

3 結 論

使用自制的季銨化試劑制備3種新型O-季銨化-N,N-雙烷基殼聚糖（QADCS），用 FTIR和1H NMR表征其為目標產物。單分子膜性質研究表明，所制得的QADCS可以形成穩定的單分子膜，并且QADCS單分子膜的崩潰壓、極限分子面積及最大壓縮模量隨著側鏈長度的增長而增大，其中O-季銨化-N,N-雙十二烷基殼聚糖單分子膜的凝聚力最強。這些結果為進一步研究QADCS的自組裝性質及載藥性能提供了依據。

[1]Pavinatto F J，Caseli L，Oliveira O N，et al. Chitosan in nanostructured thin films[J].Biomacromolecules，2010，11（8）：1897-1908.

[2]Tong Y，Wang S，Xu J，et al. Synthesis ofO,O′-dipalmitoyl chitosan and its amphiphilic properties and capability of cholesterol absorption[J].Carbohydrate Polymers，2005，60（2）：229-233.

[3]Wu Y，Hisada K，Maeda S，et al. Fabrication and structural characterization of the Langmuir–Blodgett films from a new chitosan derivative containing cinnamate chromophores[J].Carbohydrate Polymers，2007，68（4）：766-772.

[4]Li M，Xin M.N-alkyl chitosan：Interaction with water and LB film[J].Designed Monomers and Polymers，2002，5（2-3）：277-283.

[5]Li M，Su S，Xin M，et al. Relationship betweenN，N-dialkyl chitosan monolayer and corresponding vesicle[J].J. Colloid Interface Sci.，2007，311（1）：285-288.

[6]Holappa J，Nevalainen T，Savolainen J，et al. Synthesis and characterization of chitosanN-betainates having various degrees of substitution[J].Macromolecules，2004，37（8）：2784-2789.

[7]寧永成. 有機化合物結構鑒定與有機波譜分析[M]. 第2版，北京：科學出版社，2000：485-498.

[8]Yao Z，Zhang C，Ping Q. Preparation and characterization of a series of pegylated amphipathic chitosan derivatives [J].Polymer Materials Science & Engineering，2007，23（5）：250-253.

[9]Wydro P，Wydro K H. Thermodynamic description of the interactions between lipids in ternary langmuir monolayers：The study of cholesterol distribution in membranes[J].The Journal of Physical ChemistryB，2007，111（10）：2495-2502.

Study on monolayer ofO-quaternary ammonium-N,N-dialkyl chitosan

GUAN Pinshen，XIN Meihua，LI Mingchun，ZHAN Guangyao
（College of Material Science and Engineering，Huaqiao University，Engineering Research Center of Environment-Friendly Functional Materials，Ministry of Education，Fujian 361021，Xiamen，China）

Three kinds ofO-quaternary ammonium-N,N-dialkyl chitosan（QADCS）with different alkylation lengths were prepared by a self-developed quaternary ammonium reagent，glycidyl ethyl trimethyl ammonium chloride ether. The products were characterized by FTIR，EA and1H NMR.The monolayers of the synthetic products were studied. It shows that QADCS can form stable monolayers. The collapse pressure（πc），limiting molecular area（Aex）and maximum compressibility modulus（Cs－1,max）of the QADCS monolayers increase with the hydrophobic side-chain length，and the monolayer ofO-quaternized ammonium-N,N-dilalkyl chitosan is the most cohesive. The research provides a basis for studying the self-assembly properties and drug-loading performances of QADCS.

chitosan；quaternized；dialkylated；monolayer

O 636.1

A

1000–6613（2011）12–2671–05

2011-06-03；修改稿日期2011-06-16。

福建省重點科技項目（2009H0030）、福建省自然科學基金（E0810019和2009J01029）及科技部科技人員服務企業項目。

關品燊（1987—），男，碩士研究生。聯系人：李明春，教授，博士生導師，研究方向為功能高分子材料研究。E-mail mcli@hqu.edu.cn。