Ca/Zn-納米羧甲基殼聚糖的光譜分析

孫 雙， 董麗丹, 魏長平， 李 靜

(長春理工大學 化學與環境工程學院， 吉林 長春 130022)

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Ca/Zn-納米羧甲基殼聚糖的光譜分析

孫 雙， 董麗丹, 魏長平*， 李 靜

(長春理工大學 化學與環境工程學院， 吉林 長春 130022)

以殼聚糖為原料，經羧甲基化、納米化與Ca2+、Zn2+復合制備出納米羧甲基殼聚糖含鈣、鋅復合物，采用紅外光譜、X射線衍射光譜、掃描電鏡等光學手段對樣品進行結構表征，考察了復合物的凝血、止血性能。結果表明：納米羧甲基殼聚糖結構中含有磷酸鹽結構，Ca/Zn-納米羧甲基殼聚糖結構中含有Ca2+與Zn2+，Ca2+和Zn2+與納米羧甲基殼聚糖成功復合；復合物的結晶性下降、溶解性提高、形貌均勻圓整，且凝血、止血時間明顯縮短；Ca-納米羧甲基殼聚糖比Zn-納米羧甲基殼聚糖結構更穩定，凝血、止血效果更好。

殼聚糖； 殼聚糖衍生物； 納米羧甲基殼聚糖； 納米化

1 引 言

有機/無機復合材料兼具有機物的柔性、易修飾和無機物的剛性、穩定性等優點，近年來，此類材料的研究受到了越來越多的關注[1]。殼聚糖(CTS)作為唯一帶陽離子的高分子堿性多糖聚合物[2]，具有獨特的理化性能和良好生物降解性及組織相容性等生物活化性能，已被廣泛研究[3-4]。但殼聚糖不溶于水，對創面的粘附力較弱，從而限制了其應用[3,5]。羧甲基殼聚糖(CMCS)作為殼聚糖的衍生物，同時含有羧基和氨基，比殼聚糖具有更好的免疫性、組織相容性及生物降解性等生物學特性[5-8]，是能促進創面愈合、有效與Ca2+絡合的新型生物材料[9-10]。O-羧甲基殼聚糖止血海綿通過增加凝血途徑，提高了止血材料的止血效果，曾被廣泛研究。本實驗組李靜曾研究羧甲基殼聚糖交聯Ca2+與Zn2+的復合物的制備及結構分析，復合物具有更好的溶解度及凝血、止血效果[11]。但羧甲基殼聚糖的水溶性仍很差。納米羧甲基殼聚糖不僅能自由地在血管和人體組織內運動，還能改善殼聚糖水溶性，促進在醫藥方面的應用發展，但關于納米羧甲基殼聚糖在止血方面的研究還較為少見。

納米技術及納米醫學研究的應用在生物醫學、疾病診斷和治療方面顯示出了巨大的潛力[12]。本實驗在前期研究基礎上，將制備的N/O-羧甲基殼聚糖納米化，保留了氨基，再與Ca2+、Zn2+復合制備了Ca/Zn納米羧甲基殼聚糖粉體，使用光學測試手段對樣品結構進行了分析，并采用成年雄性昆明鼠進行了凝血、止血性能分析。

2 實 驗

2.1 主要試劑

殼聚糖(BR)購自國藥集團化學試劑有限公司。異丙醇、氯乙酸、甲醇、氯化鈣、氯化鋅、三聚磷酸鈉等均為分析純。

2.2 實驗方法

2.2.1 納米羧甲基殼聚糖(nmCMCS)的制備

2.2.2 Ca/Zn-納米羧甲基殼聚糖的制備

向含有0.3 g納米羧甲基殼聚糖的溶液中分別滴加過量飽和CaCl2溶液與ZnCl2溶液，水浴攪拌。反應結束后，混合液經洗滌、過濾、真空干燥，即制得Ca/Zn-納米羧甲基殼聚糖白色粉體。

2.2.3 性能測試

選用18～26 g之間的成年雄性昆明鼠。

凝血試驗：加入草酸鉀溶液于試管中，取小白鼠眼部血液5 mL，加入樣品(0.2 g樣品/mL血液)，觀察并記錄凝血時間。

止血試驗：于小白鼠尾尖3 cm處切割，在出血點處敷0.2 g樣品，觀察并記錄止血時間。

設置空白對照組即自然狀態下體外凝血及小白鼠自身止血所用時間。每組平行測試3次，取平均值。

2.3 樣品表征

6）6—9月份，田間卵果率達到1%時，及時噴25%滅幼脲1 000倍液或2.5%溴氰菊酯乳油3 000倍液。

采用傅里葉變換紅外光譜儀在室溫下測試樣品的紅外光譜，測量范圍為4 000～400 cm-1。采用X射線衍射光譜儀分析樣品結構，輻射源為Cu Kα線，測試范圍為10°～90°。采用掃描電子顯微鏡觀察樣品表面形貌。

3 結果與討論

3.1 紅外光譜分析

圖1為羧甲基殼聚糖與納米羧甲基殼聚糖的紅外光譜圖，測量波長范圍為4 000～400 cm-1，分辨率為4 cm-1。羧甲基殼聚糖羧基在3 176.54 cm-1和2 923.88 cm-1處的吸收峰是—COOH中O—H伸縮振動吸收峰。納米化后，2 923.88 cm-1處的峰消失，3 176.54 cm-1處的峰變寬且偏移到3 184.26 cm-1，說明磷酸鹽與羧基發生了作用。1 323.08 cm-1與1 257.50 cm-1的吸收峰是C3—OH的伸縮振動峰，經納米化后兩峰均消失，說明磷酸鹽取代了C3位置上的—OH。1 081.99 cm-1的吸收峰是羧甲基殼聚糖吡喃環中醚鍵的特征峰，納米化后的納米羧甲基殼聚糖峰型發生變化且偏移，說明磷酸鹽還與醚鍵發生反應。因此，羧甲基殼聚糖在納米化過程中，磷酸鹽與羧甲基殼聚糖的—COOH、C3—OH及吡喃環中的—O—發生作用，生成納米羧甲基殼聚糖。

納米羧甲基殼聚糖、Ca-納米羧甲基殼聚糖與Zn-納米羧甲基殼聚糖的紅外光譜如圖2所示。納米羧甲基殼聚糖在3 184.26 cm-1處的吸收峰是—COOH中的—OH伸縮振動峰，與Ca2+、Zn2+復合后兩峰均發生偏移且峰型發生變化，說明Ca2+、Zn2+取代了納米羧甲基殼聚糖的羥基。經對比，Ca-納米羧甲基殼聚糖的峰偏移程度更大，說明Ca2+與—COOH的作用更強。Ca-納米羧甲基殼聚糖在1 249.79 cm-1處出現新峰，是納米羧甲基殼聚糖分子中的醚鍵伸縮振動峰，說明Ca2+與納米羧甲基殼聚糖的—O—也發生作用。而Zn-納米羧甲基殼聚糖未出現該峰，說明Zn2+與醚鍵沒有發生作用。納米羧甲基殼聚糖與Ca2+、Zn2+復合后，經對比，Ca2+與納米羧甲基殼聚糖作用更強，說明Ca-納米羧甲基殼聚糖的結構比Zn-納米羧甲基殼聚糖更穩定。

3.2 XRD分析

樣品的X射線衍射圖譜如圖3所示。殼聚糖衍生物X射線衍射圖譜峰的強度與其結晶性有關，結晶性越強則峰的強度也越高。納米羧甲基殼聚糖及其與Ca2+、Zn2+復合物的結晶性均較差，與溶解度提高相對應。經對比，納米羧甲基殼聚糖在2θ為20.02°及22.18°處出現了與結晶有關的衍射峰，說明納米羧甲基殼聚糖分子內一定有結晶區，這是分子內氫鍵造成的。

鈣離子復合后衍射峰變弱，說明結晶性下降。這是由于鈣離子取代氫離子后，氫鍵作用降低，導致結晶性下降。鋅離子復合后，納米羧甲基殼聚糖的兩處衍射峰消失，而在32.72°處出現新的衍射峰，說明鋅離子的作用降低了納米羧甲基殼聚糖的結晶性，有新物質產生，可能是未參加反應的鋅或磷酸鹽與鋅形成的結晶體。Ca-納米羧甲基殼聚糖與Zn-納米羧甲基殼聚糖對比，后者衍射峰更尖銳，結晶性優于前者，說明納米羧甲基殼聚糖經過復合，比Zn-納米羧甲基殼聚糖的結晶性下降更多，這也是Ca-納米羧甲基殼聚糖水溶性提高的原因。

Fig.3 XRD patterns of nmCMCS, Ca-nmCMCS and Zn-nmCMCS.

3.3 掃描電子顯微鏡分析(SEM)

納米羧甲基殼聚糖,Ca-納米羧甲基殼聚糖和Zn-納米羧甲基殼聚糖的掃描電鏡圖如圖4(a)、(b)、(c)所示。納米羧甲基殼聚糖顆粒成球狀，粒徑約為80 nm，發生粘連。Ca-納米羧甲基殼聚糖呈規則的球狀，粒子大小均勻，粒徑約為27.4 nm。由于納米羧甲基殼聚糖濃度太高、顆粒粒徑較小致使復合物發生輕微粘連。Zn-納米羧甲基殼聚糖也呈球狀，粒徑約為15.5 nm，還有厚度約為31.3 nm的片狀物質。球狀物質為所制備的Zn-納米羧甲基殼聚糖粉體，片狀物質為粉體中未參加反應的ZnCl2。經對比，復合Ca2+與Zn2+的復合物形貌更規則，Ca-納米羧甲基殼聚糖的純度、形貌均優于Zn-納米羧甲基殼聚糖。

圖4 nmCMCS(a)、Ca-nmCMCS(b)及Zn-nmCMCS(c)的掃描電鏡圖。

Fig.4 SEM picture of nmCMCS(a) and its complex composited Ca2+(b) and Zn2+(c)

3.4 樣品的性能分析

空白試驗、殼聚糖、羧甲基殼聚糖、納米羧甲基殼聚糖、Zn-納米羧甲基殼聚糖及Ca-納米羧甲基殼聚糖的凝血、止血性能測試結果如圖5所示，數據為平行3組測試的平均值。由圖可知，空白試驗、殼聚糖、羧甲基殼聚糖、納米羧甲基殼聚糖、Zn-納米羧甲基殼聚糖及Ca-納米羧甲基殼聚糖的凝血、止血時間呈順勢縮短的趨勢。羧甲基殼聚糖與殼聚糖相比，凝、止血時間縮短，而納米羧甲基殼聚糖的凝、止血時間又比羧甲基殼聚糖分別縮短了18 s與64 s。納米羧甲基殼聚糖與Ca2+、Zn2+復合后，Zn-納米羧甲基殼聚糖的凝血時間為164 s，止血時間為345 s，比納米羧甲基殼聚糖分別縮短了22 s與40 s，凝、止血效果有所提高。Ca-納米羧甲基殼聚糖的凝血時間為143 s，止血時間為303 s，比納米羧甲基殼聚分別縮短了43 s與82 s，比Zn-納米羧甲基殼聚糖縮短了21 s與42 s，因此Ca-納米羧甲基殼聚糖的凝、止血效果最佳，達到了快速止血的目的。

4 結 論

殼聚糖經過羧甲基化、納米化、與Ca2+和Zn2+復合制備出Ca/Zn-納米羧甲基殼聚糖粉體，樣品的形貌規則，粒徑變小。Ca2+和Zn2+均與納米羧甲基殼聚糖的—COOH復合，Ca2+還與納米羧甲基殼聚糖的醚鍵作用，結構更穩定。復合物的結晶性下降，溶解性提高。樣品顆粒均呈球狀，復合物顆粒更均勻，Ca/Zn-納米羧甲基殼聚糖的平均粒徑分別為27.4 nm與15.5 nm，但Zn-納米羧甲基殼聚糖純度較低。經對比，Ca2+與納米羧甲基殼聚糖的作用比Zn2+作用更強，Ca-納米羧甲基殼聚糖結構更穩定。納米羧甲基殼聚糖、Ca/Zn-納米羧甲基殼聚糖的凝血、止血效果明顯提高。Ca-納米羧甲基殼聚糖的凝、止血效果最好，平均凝血、止血時間為143 s與303 s，達到了快速止血的目的。

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孫雙(1991-)，女，遼寧撫順人，碩士研究生，2014年于渤海大學獲得學士學位，主要從事醫用基礎功能材料的研究。E-mail: lemondave@sina.com

魏長平(1960-)，女，吉林長春人，教授，博士生導師，1999年于吉林大學獲得博士學位，主要從事醫用基礎功能材料的研究。E-mail: changpingwei@hotmail.com

Spectral Analysis of Ca/Zn-nano Carboxymethyl Chitosan

SUN Shuang， DONG Li-dan, WEI Chang-ping*， LI Jing

(School of Chemistry and Environment Engineering, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China)*CorrespondingAuthor,E-mail:changpingwei@hotmail.com

With chitosan as raw material, Ca/Zn-nano carboxymethyl chitosan complexing was prepared through carboxymethylation, nanocrystallization and complexing with Ca2+, Zn2+. The structure was characterized by infrared spectroscopy, X-ray diffraction spectroscopy and scanning electron microscopy. The properties of coagulation and hemostatic were investigated. The results show that the polyphosphate structure is contained in nano carboxymethyl chitosan, as Ca2+and Zn2+are contained in Ca/Zn-nano carboxymethyl chitosan. Ca2+and Zn2+compound successfully with nano carboxymethyl chitosan. The composite has lower crystallization, higher solubility, more uniform round morphology and significant shorter coagulation and hemostasis time. Compared with Zn-nano carboxymethyl chitosan, Ca-nano carboxymethyl chitosan is possessed better structure and better properties of coagulation and hemostasis.

chitosan; chitosan derivatives; nano carboxymethyl chitosan; nanocrystallization

1000-7032(2016)12-1479-05

2016-06-03；

2016-07-14

O614.43+2

A

10.3788/fgxb20163712.1479