殼聚糖雙胍鹽酸鹽絡合碘制備及抑菌性能

徐寧寧，謝琳琳，唐陽，賽明澤，丁德潤

（上海工程技術大學化學化工學院，上海 201620）

殼聚糖（CTS）是甲殼素脫乙?；a物，是天然糖類中唯一大量存在的堿性氨基多糖，具有許多特殊的物理與化學性質和生理功能[1-3]，如無毒、生物相容性、組織修復和減少創面滲出等功能[4-7]，在醫藥材料、功能材料、藥物釋放等領域具有廣闊的應用前景。由于殼聚糖分子間存在強的分子氫鍵，其化學性質較穩定，使其應用受到限制[8-10]。因此，可對殼聚糖進行化學改性得到殼聚糖衍生物，改善其物理及化學性質。本文在殼聚糖衍生物上絡合單質碘，利用單質碘的廣譜抗菌性，制備新型生物醫用材料。

殼聚糖與碘分子結合穩定性較差，研究表明在殼聚糖結構單元上引入陽離子結構能穩定結合碘分子。本工作用雙氰胺對殼聚糖進行胍基化改性，得到易溶于水的殼聚糖衍生物——殼聚糖雙胍鹽酸鹽（CGH）。CGH 中含有多個氨基，增強了聚陽離子性，其正電荷對體積大、易變形的碘分子有強吸引作用。這種改性殼聚糖的碘絡合物增強了抑菌效果，是一種高效低毒具有潛在應用價值的生物醫用 材料。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

殼聚糖（醫用級，平均相對分子質量為1.32 × 105，脫乙酰度90%），浙江金殼生物化學有限公司；雙氰胺，化學純，上海展云化工有限公司；碘，分析純，上海凌峰化學試劑有限公司。

AVATAR370 FTIR 型紅外光譜儀，美國Thermo Nicolet 公司；STA PT-1000 型熱失重分析儀，德國Linseis 公司；D2 PHASER 型X 射線衍射儀，德國布魯克AXS 公司。

1.2 實驗步驟

1.2.1 CGH 的制備

取4.0g CTS 于250mL 三頸燒瓶中，加入150mL濃度為0.15mol/L 的鹽酸溶液攪拌至CTS 完全溶解。加入3.0g 雙氰胺，90℃攪拌2h，60℃減壓蒸餾得濃縮液，加無水乙醇沉淀，真空抽濾。固體用無水乙醇浸泡洗滌抽濾（反復3 次），60℃真空干燥6h，得CGH 粉末[11]。反應式如式（1）。

1.2.2 CGH-I2的制備

配制 0.01mol/L、0.02mol/L、0.03mol/L、0.04mol/L、0.05mol/L 的碘乙醇液。分別取CGH 1.0g于上述各溶液中，室溫下避光攪拌5h，抽濾，產物用無水乙醇少量多次洗滌，得CGH-I2，分別編號為A、B、C、D、E。

1.2.3 絡合物中碘含量測定

采用碘量法[12]，定量稱取1.0g 碘絡合物于碘量瓶中，加入100mL 已標定的硫代硫酸鈉溶液，室溫避光攪拌4h。取上層清液用碘量法滴定過量的硫代硫酸鈉。

1.3 性能測試

取CTS、CGH 溴化鉀研磨、壓片，進行IR 光譜分析，波數范圍500～3800cm-1； X 射線衍射儀掃描分析譜圖，掃描范圍5°～80°；熱失重（TG）曲線溫度范圍21～700℃，升溫速率15℃/min。

1.4 抑菌性測試[13]

將大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的菌液分散到培養基內，菌濃約為1.08′105cell/L。取上述溶液30mL稀釋10 倍裝入直徑為12cm 的培養皿中冷卻固化。將CGH 和CGH-I2制成直徑為10mm 的圓片，紫外滅菌30min。分別將圓片貼附于培養皿中不同位置，放入37℃恒溫箱中培養24h，觀察細菌生長情況，記錄抑菌圈直徑。

2 結果與討論

2.1 IR 分析

CTS、CGH 的紅外光譜如圖1 所示。

由圖1 可見，CTS 紅外光譜在3423.19cm-1處為—OH 的伸縮振動和—NH2伸縮振動吸收峰，表現為一個強而寬的峰，表明有羥基與氨基間的氫鍵作用；2869.7cm-1處為C—H 伸縮振動吸收峰；1081.92cm-1處為糖類結構特征峰[14]；1594.92cm-1處為 N—H 的彎曲振動峰。CGH 紅外光譜1637.34cm-1處為[—HN(C=NH)NH2]中C=N 的伸縮振動吸收峰[15]；1508.13cm-1處為—NH3+的彎曲振動吸收峰；1594.92cm-1處的—NH2振動峰消失，在1434.85cm-1處出現新的振動峰為C—N—C 的伸縮振動峰。以上可推斷—NH2上發生了胍基化改性。

2.2 XRD 分析

CTS、CGH 的XRD 圖譜如圖2 所示。由圖2 可見，CTS 在2θ = 10.5°和20.0°處有兩個衍射峰是殼聚糖的兩個特征衍射峰[16]，20.0°處衍射峰較強，可以看出殼聚糖是一種結晶性高分子。殼聚糖經雙氰胺改性后得CGH 的衍射峰變弱，這是由于改性后破壞了殼聚糖分子內的氫鍵，分子間作用力變弱，使其結晶性受到破壞。

圖1 CTS、CGH 的紅外光譜圖

圖2 CTS、CGH 的XRD 圖譜

2.3 TG、DTG 分析

CTS、CGH 的TG、DTG 曲線如圖3、圖4 所示。

由圖3 可見，CTS 的降解分為兩個階段[17]：第一階段在80℃開始，失重率達到8%，主要是失去水分子和小分子量的聚合物分解造成的；第二階段失重在250℃開始，失重率達到40%，主要是由于殼聚糖分子鏈的熱分解等復雜過程造成的。CGH 的降解也分成兩個階段，與CTS 不同的是其第二階段失重在200℃開始，且CGH 失重率比CTS 失重率大，這是由于改性后破壞了殼聚糖分子內氫鍵使分子間作用力降低，分解溫度下降。

由圖4 可見，CTS、CGH 分別有兩個熱降解過程，且CTS、CGH 的最大熱分解速率分別出現在311.6℃和230.2℃。

2.4 CGH-I2 中碘含量測定

圖3 CTS、CGH 的TG 曲線

圖4 CTS、CGH 的DTG 曲線

CGH 質量保持不變，改變單質碘的濃度，制備 出碘濃度不同的絡合物。采用碘量法與濃度差法，找出CGH 與I2的最大質量比。實驗數據見表1。

表1 CGH 與碘的絡合物的質量比

由表1 可見，CGH 與碘絡合的最大質量比為m(CGH)∶m(I2)=1∶0.46。殼聚糖經雙氰胺改性后得到的CGH 中含有大量氨基，增強了聚陽離子性，且胍基質子化后得到一個非常穩定的胍離子，能在較大pH 值范圍內保持正電性，碘分子的電子云密度大，容易受到正電荷吸引，產生靜電吸引力，故CGH 有較強吸引碘分子的能力。

2.5 抑菌性分析

用抑菌環法[18]分別測CGH、CGH-I2對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌抑菌環直徑，確定其敏感性。依據抗菌素敏感度標準，抑菌環直徑小于10mm 敏感度為耐藥；10～15mm 敏感度為中度敏感；抑菌環直徑大于15mm 敏感度為高度敏感。CGH、CGH-I2抑菌圖片如圖5、圖6 所示。

由圖5 可見，CGH(a)對大腸桿菌抑菌環直徑為(6±1)mm，對大腸桿菌敏感度為耐藥。CGH-I2(b)對大腸桿菌抑菌環直徑為(18±1)mm，對大腸桿菌敏感度為高度敏感。

由圖6 可見，CGH(a)對金黃色葡萄球菌抑菌環直徑為(8±1)mm，對金黃色葡萄球菌為耐藥。CGH-I2(b)對金黃色葡萄球菌抑菌環直徑為(21±1)mm，對金黃色葡萄球菌敏感度為高度敏感。

圖5 CGH(a)、CGH-I2(b)對大腸桿菌的抑菌性

圖6 CGH(a)、CGH-I2(b)對金黃色葡萄球菌的抑菌性

CGH 通過靜電吸引絡合廣譜抗菌劑單質碘后的CGH-I2對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌效果明顯增強。

3 結 論

改性得到了殼聚糖雙胍鹽酸鹽，利用其正電荷對體積大、易變形的碘分子有強吸引作用，得到絡合碘殼聚糖雙胍鹽酸鹽。XRD 分析表明：CGH 破壞了殼聚糖分子內的氫鍵，使其結晶性受到破壞，導致衍射峰強度減弱。TG、DTG 分析表明：CTS、CGH 的降解分為兩個階段，且其最大熱分解速率分別出現在311.6℃和230.2℃。碘含量分析表明：當碘乙醇溶液濃度為0.02mol/L 時，殼聚糖雙胍鹽酸鹽吸附碘量最大，其質量比為m ( CGH )∶m ( I2) = 1∶0. 46。通過抑菌試驗，證實絡合碘殼聚糖雙胍鹽酸鹽對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌抑菌環直徑分別為(18±1)mm 和(21±1)mm，敏感度均為高度 敏感。

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