殼聚糖基聚電解質復合膜的制備及性能

陶蕾，石剛，倪才華

（江南大學化學與材料工程學院，食品膠體與生物技術教育部重點實驗室，江蘇 無錫 214122）

殼聚糖是甲殼素脫乙酰得到的天然聚陽離子多糖，具有生物相容性好、抑菌止血、促進組織再生、細胞黏附性強和可生物降解等優點[1]。為了擴大殼聚糖的應用范圍，人們常常通過接枝、交聯、共混等方法對其改性以滿足應用需求。由于殼聚糖成膜性好，具有抗菌、藥物控釋及促進傷口愈合作用[2]，因而引起人們青睞。例如谷里鵬等[3]以正硅酸四乙酯為交聯劑，制備殼聚糖分離膜；王軍等[4]利用席夫堿反應制備季銨化殼聚糖-聚乙二醇單甲醚接枝共聚物；Jiang 等[5]采用雙層溶液澆鑄法制備納米羥基磷灰石增強改性的CS/CMC 復合膜；Meng 等[6]采用溶劑揮發法制備了CS/SA 復合膜，將其用于傷口敷料或藥物釋放領域。

雖然有關改性殼聚糖薄膜有了一些報道，但是將殼聚糖基薄膜植入人體內，起到手術后防組織粘連作用，尚有許多科學問題沒有解決。一是殼聚糖膜性脆，缺乏一定柔韌性和力學強度；二是殼聚糖膜在體液中溶解和降解過快，易于從傷口部位流失，導致防粘效果降低，因此殼聚糖膜作為體內植入材料的應用受到一定限制。為了克服上述缺陷，本工作首先制備了乳酸和蘋果酸的共聚物（PML），然后將該共聚物與殼聚糖復合制成薄膜，利用聚蘋果酸結構單元上的懸掛羧基，通過聚電解質之間的相互作用使共聚物與殼聚糖均勻有效復合；共聚物中的聚乳酸結構單元具有疏水性和一定的力學性 能[7]，與殼聚糖性能互補，因而可以改善殼聚糖的結構，增強復合物的柔韌性和力學強度，另外疏水性組分的引入將減緩殼聚糖的降解速度，維持復合膜在傷口部位的穩定性，增強防組織粘連效果。通過投料及合成工藝可以調節復合物中聚乳酸和聚蘋果酸結構單元的比例，從而達到控制復合膜綜合性能之目的。本工作所用材料全部具有良好的生物相容性和降解性。

1 實驗部分

1.1 主要原料

殼聚糖（CS），脫乙酰度為96.4%，黏均相對分子質量（Mv）為5.3×105，青島金湖甲殼制品有限公司；L-蘋果酸（MA），純度95%，重結晶提純，上海易蒙斯化工科技有限公司；D,L-乳酸（LA），AR，國藥集團化學試劑有限公司；辛酸亞錫，AR，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 乳酸與蘋果酸共聚物的合成

在反應瓶中投入一定比例的MA 與LA，按單體質量的0.5%添加辛酸亞錫，加熱到130℃，攪拌并減壓（0.1MPa）反應 24h，制備3 種乳酸/蘋果酸共聚物（PML，表1），用無水乙醇配成0.4%溶液備用。

1.3 殼聚糖與共聚物復合膜（CS-PML）的制備

將CS 溶于1%乙酸中配成0.4%的溶液，按殼聚糖溶液體積的30%分別加入3 種共聚物溶液，磁力攪拌均勻，用0.01%的NaOH 溶液調節共混溶液的pH 值至5.0，將鑄膜液倒入到12cm×12cm 的培養皿中，于 60 ℃烘箱中烘干至恒重，得到CS-PML-A、CS-PML-B、CS-PML-C 共3 種復合膜，用同樣方法制備純殼聚糖膜作比較。用CH-1-S 千分手式測厚儀測量膜厚度為(20.0 ± 0.5)μm。

1.4 復合膜的力學性能測試

按照標準GBT 1040.3—2006 將復合膜制成樣條（10mm×150mm），用電子拉力機測試力學性能，條件：25℃，空氣相對濕度RH 50%，拉伸速度5mm/min。

1.5 復合膜的溶脹性

將膜剪成3cm×3cm 的正方形狀，分別浸入20mL pH 值為7.4 的PBS 溶液及生理鹽水中，恒溫37℃振蕩24h 后，用濾紙輕沾表面水分后稱重，測量3 次取平均值。平衡溶脹度SE的計算如式（1）。

式中，W0和W1分別為溶脹前后復合膜的質 量，g。

1.6 復合膜的降解行為分析

將膜剪成大小為3cm×3cm 的正方形，烘干稱重，浸入到30mL 模擬體液中，在37℃下恒溫震蕩，每24h 取出樣品，經水洗、烘干后稱重，記錄膜片殘留質量分數。

1.7 復合膜的體外細胞毒性

將對數期生長的 3T3 細胞用RPMI-1640 完全培養基稀釋成濃度為6×104/mL 的細胞懸浮液，并接種于 96 孔培養板。將 6cm2復合膜樣品（CS-PML-B） 經過高溫滅菌后置于1mL 生理鹽水中（37℃）浸提24h，浸提液經RPMI-1640 完全培養基稀釋至0.1μL/μL，稀釋后的浸提液作為樣品組。以RPMI-1640 完全培養基為陰性對照組，含0.64%苯酚的RPMI-1640 培養基為陽性對照組，每組5 個平行樣，采用MTT 法進行細胞毒性實驗。

2 結果與討論

2.1 共聚物PML 的表征

圖1 是MA 與LA 共聚物的核磁圖譜，可以看到：聚蘋果酸結構單元中 CH2和CH 的質子峰分別出現在δ 2.7～3.2 和δ 5.4～5.5 處；在聚乳酸結構單元中，CH3和CH 的質子峰分別在δ 1.5 左右和δ 5.2處。依據積分面積計算出聚蘋果酸與聚乳酸的組分比，結果示于表1。共聚物中LA 結構單元較投料比的組分高，說明LA 在共聚反應中活性較高。

通過差示掃描量熱分析（DSC）發現：隨著LA組分增加，得到共聚物的Tg提高，這是因為聚乳酸鏈段不含支鏈，較聚蘋果酸容易規整排列，鏈段運動受阻，因而Tg較高。

2.2 復合膜的紅外光譜

圖1 乳酸/蘋果酸共聚物的1HNMR 圖譜

表1 乳酸/蘋果酸共聚物的合成結果

圖2 復合膜的全反射紅外光譜圖

圖2 中曲線c、d、e 是殼聚糖與3 種共聚物復合物的紅外光譜圖，可以看到：在1750cm-1處出現聚蘋果酸及聚乳酸中酯鍵的C=O 對稱伸縮振動 峰，而在CS 樣品(a)中沒有此特征峰；圖2 中a 為3337cm-1處CS 分子鏈上O—H 與N—H 伸縮振動形成的強而寬的重疊峰，而在復合膜中，N—H 的特征峰峰形及強度均有所變化，且向低波數偏移，說明了NH3+與COO-之間形成復合結構。

2.3 復合膜的力學性能

表2 所示是復合膜的物理性質測量結果。可以看出：復合膜較純殼聚糖膜拉伸強度增加，其中復合膜CS-PML-B 獲得最大增加百分數，為92%，這是因為復合物中兩組分存在離子相互作用，加固了鏈段之間的吸引力。復合膜兩個樣品的斷裂伸長率較純殼聚糖膜也有增加，因為共聚物的主鏈為碳碳鏈，容易發生構象變化，比起殼聚糖的六元環結構要柔軟，因此增加了復合膜的柔順性，CS-PML-C樣品斷裂伸長率有所下降，這是因為共聚物中聚乳酸含量過高，發生自身團聚，與殼聚糖離子相互作用不夠所致。

2.4 復合膜的溶脹性及熱性能分析

復合膜溶脹性能的測試結果見表2。結果表明：當加入30%的共聚物后，薄膜在0.9%NaCl 溶液中的溶脹度較純殼聚糖薄膜增加很多，這是因為復合后共聚物破壞了殼聚糖的結晶性，使得水分子容易進入膜內部，使溶脹度增大；但是隨著共聚物中疏水組分LA 的增加，復合膜的疏水性增加，溶脹度又下降；受離子強度及pH 值的影響，復合膜在弱堿性PBS 中的溶脹度較其在0.9%NaCl 溶液中的溶脹度小。

表2 殼聚糖/共聚物復合膜的物理性能

在表2 中還看到，隨著共聚物PML 中疏水組分的增加，復合物的熱分解開始溫度依次升高，這可能是因為隨著PLA 鏈段的增加，共聚物的結構規整，導致熱降解溫度升高。

2.5 復合膜的體外降解

復合膜在模擬體液（SPF）中的降解曲線如圖3所示。純CS 膜有較快的降解速率，7 天后質量僅余50%，降解周期短。而復合膜的降解速率較CS 平緩，降解周期得到有效延長，這是由于共聚物中含有一定量疏水性的聚乳酸鏈段，同時殼聚糖與共聚物復合后，聚電解質的電荷相互作用形成較多的物理交聯點，增強了膜的結構穩定性，因此降解時間適當延長，提高了薄膜作為防粘連劑在體內應用的有效性。

圖3 復合膜在模擬體液中的降解行為

2.6 復合膜的細胞毒性實驗

圖4 顯示3T3 細胞分別與陽性對照組、陰性對照組、復合膜樣品組（復合膜CS-PML-B 浸提液）相互作用后的顯微鏡照片，可知陽性對照組(a)樣品大部分圓縮死亡，而陰性對照組(b)和復合膜樣品組(c)的細胞形態正常，貼壁生長良好。用MTT 法測算細胞的相對增值率RGR，復合膜樣品組5 個平行樣品的 RGR 平均值為98.7%，反應等級為1 級，根據細胞毒性判斷標準，RGR>75% 時為細胞無毒，因此所制備的復合膜無細胞毒性。

3 結 論

圖4 在不同介質中培養的3T3 細胞的顯微鏡照片

用所合成的蘋果酸/乳酸共聚物與殼聚糖復合，成功制備了結構均一、性能改善的復合薄膜，與純 殼聚糖膜相比較，復合膜的拉伸強度最大增加92%， 斷裂伸長率最大增加35 %，降解殘留50%由純殼聚糖膜的7天延長到復合膜的28天；薄膜無細胞毒性，生物相容性好，在醫療領域作為組織防粘連劑具有應用前景。

符 號 說 明

Mv——黏均分子量

Mn——數均摩爾質量，g/mol

Mw——質均摩爾質量，g/mol

PDI——分子量分布指數，量綱為1

Tg——玻璃化轉變溫度，℃

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