親水基團性質對雙親性殼聚糖衍生物單分子膜性能的影響

毛揚帆，辛梅華，李明春（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）

親水基團性質對雙親性殼聚糖衍生物單分子膜性能的影響

毛揚帆，辛梅華，李明春
（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）

第一作者：毛揚帆（1985—），女，博士研究生。

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。

摘要：制備了雙親性O-磺化-N,N-雙十二烷基殼聚糖（HSDLCS）、O-季銨化-N,N-雙十二烷基殼聚糖（QADLCS）和O-羥丙基-N,N-雙十二烷基殼聚糖（HPDLCS），研究了不同親水基團對產物單分子膜性能的影響。結果表明，與N,N-雙十二烷基殼聚糖（DLCS）相比，引入親水基團后的產物其單分子膜具有較高的崩潰壓（πc）和最大壓縮模量（Cs(?1)(,max)），凝聚性更好。與非離子型產物HPDLCS相比，離子型產物具有較大的πc和Cs(?1)(,max)，其中陰離子型產物HSDLCS單分子膜的πc（44.64mN/m）和Cs(?1)(,max)（84.27mN/m）最大，陽離子型產物QADLCS（πc，42.01mN/m；Cs(?1)(,max)，82.99mN/m）次之，HSDLCS單分子膜具有較強的凝聚性和抗形變能力。

關鍵詞：殼聚糖；親水基團；烷基化；雙親性；單分子膜

雙親性聚合物形成的自組裝材料由于其疏水部分可包載疏水樣品，親水的外殼可以提供斥力穩定自組裝體而不用外加穩定劑，在生物、醫藥等領域的潛在應用受到廣泛關注[1]。殼聚糖分子中存在具有反應活性的氨基和羥基，一般通過引入親水基團增強其水溶性并引入疏水基團增強其自組裝性能，得到各種不同結構的雙親性殼聚糖衍生物，達到調節親水-疏水平衡及體積以改變其理化性能，促進其自組裝行為[2]。

Chen等[3]制備了三組分接枝共聚物O-聚己內酯-O-聚乙二醇-g-殼聚糖，研究了產物的自組裝性能和釋放行為，結果表明，與二組分接枝共聚物O-聚己內酯-g-殼聚糖相比，親水基團聚乙二醇（PEG）的引入使三組分接枝共聚產物的有機溶劑溶解性增加，PEG優異的空間位阻效應使得膠束粒徑減小，載藥量降低；并且隨著PEG取代度的增加，膠束表面形成的PEG層增厚，三組分接枝共聚物膠束的粒徑增大，但臨界膠束濃度無明顯變化，藥物平衡釋放率降低。Li等[4]制備了油酰基-羧甲基殼聚糖，自組裝行為研究表明，與油酰基殼聚糖相比較，油酰基-羧甲基殼聚糖能在中性條件下溶解，自組裝納米粒具有較小的粒徑、更緊密的結構，自組裝行為可由親疏水基團的比例控制。Wang等[5]制備了以琥珀酰基為親水基團、不同長度烷基鏈為疏水基的殼聚糖衍生物，研究其表面活性和膠束性能，結果表明琥珀酰基和烷基鏈的引入顯著提高了殼聚糖的表面活性，隨著烷基鏈的增長，衍生物的臨界膠束濃度（CMC）和表面張力降低，膠束的粒徑降低，衍生物乳劑的穩定性提高，烷基鏈越長鏈間吸引越強烈。Cho等[6]以丙酰基、己酰基、壬酰基、月桂酰基、十五酰基和硬脂酰基為疏水基團制備了一系列N-酰基殼聚糖衍生物，自組裝性能研究表明隨著疏水烷基鏈長的增加，CMC值無明顯變化，納米粒的粒徑增大，對牛血清蛋白的包封率增加，其中N-月桂酰基殼聚糖和N-十五烷基殼聚糖對蛋白質藥物的載藥性能最好。本文作者課題組[7]制備了O-季銨化-N,N-雙烷基化殼聚糖，研究了疏水碳鏈長度對其自組裝單分子膜性能的影響，結果表明隨著側鏈長度

的增加，殼聚糖衍生物單分子膜的凝聚性增強。以上報道主要研究疏水基團不同對雙親性殼聚糖衍生物自組裝行為的影響。本文制備了具離子型親水基團的O-磺化-N,N-雙十二烷基化殼聚糖（HSDLCS）、O-季銨化-N,N-雙十二烷基化殼聚糖（QADLCS）和具非離子型親水基團的O-羥丙基-N,N-雙十二烷基化殼聚糖（HPDLCS），合成路線見圖1，研究了親水基團的不同對產物自組裝單分子膜性能的影響，為進一步研究親水基團對產物自組裝行為影響提供依據。

圖1　雙親性殼聚糖衍生物的合成路線

1　實驗部分

1.1主要試劑及儀器

NEXUSU 470型傅里葉變換紅外光譜儀（美國Nicolet公司）；AvanceⅡ型核磁共振分析儀（瑞士Bruker公司）；Vario MICRO元素分析儀（德國Elementa 公司）；JML04S 型雙驅動膜天平（上海中晨數字技術設備有限公司）。

1.2O-羥丙基殼聚糖衍生物的合成

參考本文作者課題組的方法，4g CS分散于50% 甲醇/水溶液中，將15.1mL苯甲醛溶于40mL甲醇滴加于上述體系中，滴加完畢升溫至50℃反應4h。過濾，甲醇洗滌，乙醇索提24h以上得苯甲醛保護殼聚糖[CS(BA)]。將2g CS(BA)分散于50mL 2mol/L的NaOH/H2O溶液中，60℃堿化1h，將1.39g環氧丙烷配制成15mL水溶液加入其中，60℃反應12h，水洗、乙醇索提得到O-羥丙基-N-苯亞甲基殼聚糖[HPCS(BA)]。將2.0g HPCS(BA)分散于0.1moL/L 的HCl/乙醇溶液中常溫反應24h，調節pH值至7.0，抽濾，乙醇洗滌、索提得O-羥丙基殼聚糖(HPCS)。同樣方法制備O-季銨化殼聚糖（QACS）和O-磺化殼聚糖（HSCS）。

1.3雙親性N,N-雙十二烷基殼聚糖衍生物的合成

參考本文作者課題組N,N-雙烷基殼聚糖的制備方法，將HPCS溶解于30mL水中，調節pH值為4.5，升溫至90℃時加入11mL月桂醛和十二烷基磺酸鈉（SDS），98℃反應9h。NaOH水溶液調節pH值至7，10% NaBH4還原至pH≥13。重復以上反應，二次還原完畢后，產物用水洗滌至中性，甲醇洗滌，過濾，丙酮索提24h，60℃真空干燥，氯仿萃取得O-羥丙基-N,N-雙十二烷基殼聚糖（HPDLCS）。同樣方法制備O-季銨化-N,N-雙十二烷基殼聚糖（QADLCS）和O-磺化-N,N-雙十二烷基殼聚糖（HSDLCS）。

1.4雙親性殼聚糖衍生物的π-A等溫線測定

將DLCS、HSDLCS、QADLCS和HPDLCS分別溶于氯仿中，配制成10?3mol/L的溶液，25mL容量瓶中定容，以二次水為亞相進行實驗。用微量進樣器取40μL樣品溶液，緩慢、均勻地滴加在亞相表面上，待溶液在亞相表面上鋪展并揮發約30min后進行壓縮，Wilhelmy吊片法測定π-A等溫線。壓膜速率為20mm/min，室溫為(20±1)℃。實驗重復3次。

2　結果與討論

2.1產物的表征

2.1.1產物的FTIR分析

產物的FTIR譜圖如圖2所示，圖中a～e分別為CS、QACS、QADLCS、HPCS和HPDLCS的紅外譜線。由圖2可以看出，b與a相比，b在1639cm?1和1481cm?1出現季銨鹽基團的反對稱峰及基團中甲基的C—H反對稱峰，在967cm?1出現季銨鹽吸收峰，說明了季銨鹽基團的引入[7]。d與a相比，在2936cm?1和2893cm?1出現—CH3的C—H伸縮峰，1381cm?1出現—CH3對稱峰，1089cm?1出現二級醇中C—OH的伸縮峰，在1247cm?1出現C—O—C的反對稱峰，說明了羥丙基的引入[9]；c、e分別與b、d相比，均在2925cm?1和2854cm?1附近出現—CH3和—CH2— 的C—H伸縮峰，在1467cm?1出現—CH3、—CH2—的彎曲峰，并且在721cm?1出現n≥4的(CH2)n基團的骨架峰，1593cm?1的N—H吸收峰明顯減弱，說明烷基長鏈已接枝到殼聚糖的氨基上[7]，得到目標產物QADLCS和HPDLCS。

圖2　產物的FTIR譜圖

2.1.2產物的1H NMR分析

圖3為產物的1H NMR譜圖，其中圖3(a)為QADLCS的1H NMR譜圖，δ3.0～4.0 為殼聚糖骨架上H3、H4、H5和H6的質子峰，δ3.18 和δ3.08為季銨鹽基團中與氮原子相連的亞甲基Hc和甲基Hd的質子峰，δ1.98 為季銨鹽基團中與羥基相連的次甲基Hb的質子峰[10]，說明季銨鹽基團已接枝到殼聚糖上。δ1.25 和δ0.88 為長鏈烷基上亞甲基He和甲基Hf的質子峰，且亞甲基的峰面積明顯大于甲基的峰面積，說明長鏈烷基已引入[7]，產物為QADLCS。圖3(b)為HPDLCS的1H NMR譜圖，δ3.0～4.0 為殼聚糖骨架上H2、H3、H4、H5、H6和羥丙基中與氧原子相連的亞甲基Ha的質子峰，δ1.98 為羥丙基中與羥基相連的次甲基Hb的質子峰和殼聚糖骨架中 —COCH3的質子峰[10]，δ1.25為長鏈烷基上亞甲基He，δ0.77～0.9為羥丙基中的甲基Hc和長鏈烷基上甲基Hf的質子峰[11]，說明產物為HPDLCS。圖3(c)為HSDLCS的1H NMR譜圖，δ3.0～4.0 為殼聚糖骨架上H2、H3、H4、H5、H6和磺酸鹽基團中與硫原子及與氧原子相連的亞甲基Hc和Ha的質子峰，δ1.98為磺酸鹽基團與羥基相連的次甲基Hb的質子峰[12]，在δ1.25 和δ0.88為長鏈烷基上亞甲基He和甲基Hf的質子峰[7]，說明產物為HSDLCS。由1H NMR譜圖進一步說明已合成了目標產物。

2.1.3產物的元素分析

產物的元素分析結果見表1，由C/N和S/N的摩爾比計算得出各產物的取代度為：CS的脫乙酰度為83.97%，CS(BA)的苯甲醛保護率為75.30%，QACS的季銨化度為23.69%，HPCS的羥丙基取代度為22.22%，QADLCS和HPDLCS的烷基化取代度分別為178.59%和175.56%。

圖3　產物的1H NMR譜圖

表1　產物的元素分析及取代度

2.1.4產物的溶解性試驗

將0.1g各產物分別置于10mL不同溶劑中，室溫觀察其溶解性能，結果顯示引入親水基團磺酸鹽基團、季銨鹽基團和羥丙基后的產物HSCS、QACS 和HPCS可溶于水和2%乙酸溶液中，但不溶于一般有機溶劑中。對3種水溶性產物分別進行雙烷基化，引入疏水性強的長鏈烷基得到HSDLCS、QADLCS和HPDLCS，溶解性與DLCS相似，4種產物在THF、DMF和氯仿中具有較好的溶解性，為產物的單分子膜性質研究提供了有利條件。

2.2雙親性殼聚糖衍生物的單分子膜性質

2.2.1雙親性殼聚糖衍生物的π-A等溫線

圖4　不同親水基團產物單分子膜的π-A等溫線（1?=0.1nm）

圖4為不同親水基團產物單分子膜的π-A等溫線，其中a、b、c和d分別為N,N-雙十二烷基殼聚糖（DLCS）、O-季銨化-N,N-雙十二烷基化殼聚糖（QADLCS）O-羥丙基-N,N-雙十二烷基化殼聚糖（HPDLCS）O-磺化-N,N-雙十二烷基化殼聚糖（HSDLCS）的π-A曲線，由π-A曲線得各產物的崩潰壓及相應的極限分子面積Aex見表2。從圖4可以看出，4種產物的π-A曲線均較為光滑、陡直，無明顯的液體擴張相-液態凝聚相（LE-LC）轉變。與DLCS相比，引入親水基團后的N,N-雙十二烷基殼聚糖衍生物的π-A等溫線較為陡直，單分子膜的崩潰壓較高，極限分子面積較小，最大壓縮模量增大，說明親水基團的引入使得單分子膜的結構更緊密[4]。3種具有不同親水基團的N,N-雙十二烷基殼聚糖衍生物相比，崩潰壓從大到小的順序為HSDLCS＞QADLCS＞HPDLCS，說明三者之中HSDLCS單分子膜的凝聚性最高，QADLCS次之。這可能是因為隨著壓縮的進行，親水基團從平行于水面改為進入水相中進行重排[13]，非離子型HPDLCS的親水基團不帶電荷，不發生電離，基團間無靜電排斥作用，主要依靠氫鍵作用進入水相[14]，而離子型HSDLCS和QADLCS單分子膜在壓縮過程中需克服基團間的靜電作用，故三者中HPDLCS崩潰壓最小；與陽離子型QADLCS相比，陰離子型HSDLCS親水基團的水合效果較好，疏水鏈間排列更緊密，疏水相互作用較強[15]，使得HSDLCS單分子膜排列最緊密；而三者之中，QADLCS具有較大的Aex，可能是因為季銨鹽基團為正四面體結構，具有較大的空間位阻，且基團間存在靜電排斥作用導致結構較為擴張，分子的平均占有面積較大[16]。

2.2.2雙親性殼聚糖衍生物單分子膜的Cs?1-A曲線為進一步研究單分子膜的性能，通過式對產物某狀態下的π-A曲線進行處理得到各產物的壓縮模量（Cs?1），做Cs?1-A曲線結果如圖5所示，其中a、b、c和d分別為DLCS、QADLCS、HPDLCS和HSDLCS的Cs?1-A曲線。由圖5可以看出，與DLCS相比，引入親水基團的N,N-雙烷基化殼聚糖衍生物壓縮模量增大，說明親水基團的引入使得N,N-雙烷基化殼聚糖衍生物單分子膜的抗形變能力有一定的提高。3種具有不同親水基團的N,N-雙烷基化殼聚糖衍生物的Cs?1-A曲線形狀相似，沒有明顯的LE-LC轉變，按Cs?1,max值從大到小的順序為HSDLCS＞QADLCS＞HPDLCS，HPDLCS具有較小的Cs?1,max，這可能是因為-CH(OH)CH3為非離子型親水基團，主要通過氫鍵和疏水作用進行自組裝，而SO3?和N(CH3)3+均為帶電基團，自組裝的過程中存在靜電作用。靜電作用具有比其他二級作用力更強的作用力[16-17]，在單分子膜壓縮至崩潰的過程中，需克服基團間的靜電作用才能使單分子膜褶皺、崩潰，故三者中HPDLCS的Cs?1,max值最小，抗形變能力較差。與HSDLCS相比，季銨鹽型陽離子產物QADLCS的親水頭基N(CH3)3+中甲基對N原子的電荷具有屏蔽作用，在一定程度上減弱了頭基之間的靜電排斥，且具有較大的空間位阻作用[18]。而磺酸型陰離子產物HSDLCS的SO3?親水性較強，空間位阻較小，更易與水結合而使疏水鏈間的相互作用增強，導致HSDLCS單分子膜的Cs?1,max較高[13]，抗形變能力較好。可見，親水基團的結構對兩親性產物的單分子膜性質具有一定的影響，在保持產物油溶性條件下，引入親水性較強、空間位阻較小的離子型親水基團使得產物的單分子膜凝聚性和抗形變能力更強。

表2　不同親水基團產物單分子膜的崩潰壓（πc）、極限分子占據面積（Aex）和最大壓縮模量（Cs?1,max）

圖5　不同親水基團產物單分子膜的Cs?1-A曲線

3　結 論

制備含有離子型磺酸鹽基團、季銨鹽基團和非離子型羥丙基為親水基團的雙親性殼聚糖衍生物HSDLCS、QADLCS和HPDLCS，研究了不同親水基團對雙親性殼聚糖衍生物單分子膜性能的影響。結果表明三種產物均可在水面上形成穩定的單分子膜，均無明顯LE-LC轉變；與N,N-雙十二烷基殼聚糖相比，親水基團的引入能在一定程度上提高單分子膜的凝聚性和抗形變能力；離子型產物單分子膜比非離子型產物具有較大的崩潰壓和最大壓縮模量，較好的凝聚性，并且離子型產物中基團親水性較強、空間位阻較小的HSDLCS形成的單分子膜更具凝聚性和抗形變能力。親水基團的類型、親水性及空間結構等性質均會影響雙親性產物單分子膜性能，這些結果為進一步研究產物結構與其自組裝行

為關系提供依據。

參 考 文 獻

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研究開發

研究開發

Effect of hydrophilic group on monolayer propertie of N,N-dilauryl chitosan derivatives

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

Abstract：O-sulfonated-N,N-dilauryl chitosan(HSDLCS)，O-quaternized-N,N-dilauryl chitosan (QADLCS) and O-hydroxypropyl-N,N-dilauryl chitosan(HPDLCS) with similar substitution were synthesized.The effect of hydrophilic group on monolayer properties of N,N-dilauryl chitosan derivatives was studied.Experimental results indicated that monolayers of N,N-dilauryl chitosan derivatives with different hydrophilic group had larger collapse pressure(πc) and maximum compression modulus (Cs(?1)(,max)) compared with N,N-dilauryl chitosan and also had better cohesion.Inonic products had larger collapse pressure(πc) and maximum compression modulus (Cs(?1)(,max)) compared with nonionic product HPDLCS.Anionic HSDLCS monolayer had largest πc（44.64mN/m）and Cs(?1)(,max)（84.27mN/m）among three products，and cationic QADLCS had second largest πc(42.01mN/m) and Cs(?1)(,max)(82.99mN/m).HSDLCS monolayer had stronger cohesion and resistance to deformation capacity.

Key words：chitosan; hydrophilic group; dialkylated; amphiphilic; monolayers

基金項目：福建省重點科技項目（2009H0030）、福建省自然科學基金（2011J01312，2012J01396）及科技部科技人員服務企業項目（2009GJC40030）。

收稿日期：2014-05-22；

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2015.02.029

文章編號：1000–6613（2015）02–0490–06

文獻標志碼：A

中圖分類號：O 636.1

修改稿日期：2014-06-17。