丙烯酰化殼聚糖的制備

鄭德銘 姜芮 胡嘉偉 王玲

摘? ? ? 要：設計了一種殼聚糖的改性方法。以殼聚糖（CS）和丙烯酸（AA）為原料，1-乙基-3-（3-二甲氨基丙基）碳二亞胺鹽酸鹽（EDC）為交聯結合劑， 用丙烯酰化的方式改性殼聚糖，并成功地通過紅外光譜法和核磁共振氫譜法測定粒子微觀組成，驗證了丙烯酰化殼聚糖的合成。得到帶有碳碳雙鍵的丙烯酰化交聯殼聚糖，可以用于進一步制成微凝膠，微球可以同藥物一起被加工成丸劑、乳劑、微球、微囊、薄膜等制成控制釋放體系，達到控制藥物釋放、延長藥物療效的作用。

關? 鍵? 詞：殼聚糖;丙烯酸;丙烯酰化

中圖分類號：O636.1? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ?文章編號： 1671-0460（2019）09-1983-04

Abstract： A modification method of chitosan was designed. Using chitosan （CS） and acrylic acid （AA） as raw materials and 1-ethyl-3-（3-dimethylaminopropyl） carbodiimide hydrochloride （EDC） as cross-linking agent， chitosan was modified by acrylation. The synthesis of acrylic chitosan was successfully verified by infrared spectroscopy and nuclear magnetic resonance hydrogen spectroscopy. The acrolein crosslinked chitosan with carbon and carbon double bonds can be used for further preparation of microgels. Microspheres can be processed into pills， emulsions， microspheres， microcapsules and films together with drugs to control the release system， so as to control drug release and prolong the efficacy of drugs.

Key words： Chitosan; Acrylic acid; Propylene acylation

殼聚糖，呈半透明片狀或粉末狀固體，顏色為白色或淡黃色，略有珍珠光澤;它無味、無臭、無毒性，純殼聚糖略帶珍珠光澤。分子量由構成的材料而定。具有良好的吸附性、成膜性和通透性、生物相容性、成纖性、吸濕性和保濕性， 具有優良的的止血和抑菌消炎作用， 且無副作用。殼聚糖具有生物可降解性， 且無有害降解物，十分適合于裸露、需要保護的創面材料。殼聚糖的結構屬于二塘，其基本單位是氨基葡萄糖，其結構基元為殼二糖，殼聚糖的結晶度較高，因此具有穩定的物理性質。它還是甲殼素的一級衍生物，其化學結構為帶陽離子的高分子堿性多糖聚合物。甲殼素在自然界的來源十分廣泛，具有非常豐富的自然資源[1]。由于甲殼素和殼聚糖不易溶于水這一特質，在早些年人們沒能意識到它的價值，大多的甲殼素和殼聚糖都當做廢料處理，在給環境造成污染之外，還造成了自然資源的浪費。通過甲殼素得到殼聚糖的方法有很多，現在使用最多的低分子量的殼聚糖的制備方法主要有化學降解法、酶降解法、生物降解法。目前， 以酶解法為主。酶降解法比化學降解過程更具有優勢， 因而酶降解法的使用要更加廣泛，酶降解法可選擇性地使殼聚糖的β-（1， 4）糖苷鍵斷裂，進而可以很容易的控制降解產物的分子量和降解過程， 因而可以方便監控，得到所需分子量的低聚殼聚糖;酶降解法優于其他兩種方法，不需要使用大劑量的反應試劑， 對環境污染較少，反應條件比較溫和，不發生副反應，工藝比較容易控制。

酶降解法是通過專一性酶對甲殼素進行脫乙酰基反應制得殼聚糖，使用酶降解法制備殼聚糖要獲得甲殼素脫乙酰酶。到目前為止，有30多種酶可以用于制備殼聚糖，如甲殼素酶、殼聚糖酶和脫乙酰酶，并且已經發現許多微生物、真菌中均有脫乙酰酶的存在。許多微生物具有生物降解作用，通過自身幾丁質酶、殼聚糖酶、甲殼素乙酰酶等的合成，甲殼素降解可產生不同分子量的殼聚糖，根據甲殼素、殼聚糖及其水解酶的特異性、親和力，用幾丁質酶-復合殼聚糖-金合物為控制針位置檢測含有甲殼素和殼聚糖的生物，有助于研究細胞化學的定位，同時利用生物發酵降解，減少環境污染，且產物穩定。

化學降解法就是用化學物質對殼聚糖進行脫乙酰基反應的方法。殼聚糖是甲殼素脫乙酰產物， 甲殼素是酰胺類多糖， 殼聚糖制備過程是酰胺的水解過程。酰胺可在強酸或強堿條件下水解， 對于低分子的酰胺， 水解可進行得比較完全， 但是對于多糖來說， 強酸更容易水解糖苷鍵， 所以甲殼素的脫乙酰基， 一般不采用強酸水解;相對來說， 強堿造成糖苷鍵的斷裂不像強酸那么嚴重， 所以都用強堿來脫乙酰基。近年來，有學者發現殼聚糖脫乙酰基后能溶于水和稀酸溶液[2]，并且具有許多優異的特性， 殼聚糖所受關注度越來越高，殼聚糖的研究也日益增多。世界各國的科學家對殼聚糖的改性的研究越來越感興趣。殼聚糖在食品、金屬提取及回收、果蔬保鮮方面、在化妝品中的開發與應用方面[3]、在環保方面[4]、作為抗癌藥物的緩釋載體等方面有著廣泛的應用[5]。利用殼聚糖得到的產品功能很多，性能很好，如通過制備殼聚糖等化妝品、洗面奶、苔蘚等已上市。由于它是一種天然的生物大分子，滲透后膜的保溫性、絕緣性和抗衰老化、抗皺、美容保健等功能是其他材料無可比擬的。在環保領域殼聚糖可用于污水處理，蛋白回收，水凈化等。這是由于殼聚糖分子中含有羥基、氨基等官能團， 這些官能團可以彼此之間形成氫鍵也或鹽鍵，形成具有類似網狀結構的籠形分子， 這種籠形分子可以與金屬離子發生絡合，從而除去水中的金屬離子。殼聚糖是以甲殼質為原料，再經提煉而成，不溶于水，能溶于稀酸，這就限制了它的應用。近年來，人們使用各種方法對其進行改性開發它的潛在價值。如溶解改性、酰化反應改性 、羧甲基化反應改性、烷基化反應改性、接枝反應改性、與環氧化合物反應改性、與雜環化合物反應改性[6]等。本文采用的方法是丙烯酰化，酰化又稱酰基化，是指在有機分子中的氮、氧、碳或硫等原子上引入脂肪族酰基RCO-或芳香族酰基ArCO-的反應。丙烯酰化屬于N-酰化，伯胺基或仲胺基上的氫被酰基取代生成酰胺的過程。其反應機理為親核取代反應機理，殼聚糖作為反應的親核試劑，與羧酸酰基化試劑反應，生成酰胺鍵。我們用丙烯酸對殼聚糖進行改性，以EDC為生物結合劑來進行反應。EDC（或者叫EDAC;1-乙基-3-（3-二甲氨基丙基）碳二亞胺鹽酸鹽）是用于結合含有羧酸鹽和胺的生物物質的最普遍的碳二亞胺。在實際上，它是最頻繁使用的交聯劑，也是最普遍使用的生物結合試劑。EDC是水溶性的，可以直接加入到反應中，而無需預先溶于有機溶劑，其本身和交聯副產物的異脲都是可溶于水的，因此可以通過透析和凝膠過濾的方法很簡單的除去。大量的EDC化學品應該在零下20 ℃下貯存干燥。EDC在水的存在下是不穩定的，為防止隨著時間的推移造成試劑分解凝結，再打開瓶子之前要將瓶子溫度升高到室溫。我們就這樣制備丙烯酰化殼聚糖，為下一步合成微凝膠做準備，比如與N-異丙基丙烯酰胺合成溫敏性微凝膠[7]。

1? 實驗部分

1.1? 試劑

殼聚糖（CS），丙烯酸（AA），1-（3-二甲氨基丙基）-3-乙基碳二亞胺（EDC），冰醋酸（CH3COOH），重水（D2O），氘代乙酸（CD3COOD），均為分析純，產地為國藥化學試劑有限公司。

1.2? 儀器

玻璃恒溫水浴，SYP，鞏義裕華儀器有限責任公司;電子天平，CAV214C，沈陽杰龍儀器有限公司;循環水真空泵，SHZ-DⅢ，鞏義裕華儀器有限責任公司;集熱式磁力加熱攪拌器，DF-Ⅱ，金壇市醫療儀器廠;數控超聲波清洗器，KQ-300DE，昆山市超聲儀器有限公司;電熱鼓風干燥箱，DHG-9140A，上海精宏實驗儀器有限公司;冷凍干燥機，FD-1C-50，北京博康實驗儀器有限公司;動態光散射（DLS），ELS-Z， OTSUKA， Japan;透射電子顯微鏡，JEM-100CXⅡ，日本電子株式會社;傅里葉紅外光譜儀，NEXUS470，美國熱電尼高力公司。

1.3? 實驗方案

首先，在室溫下向500 mL的四口燒瓶中加入0.895 g丙烯酸和200 mL二次蒸餾水，待其完全溶解，再加入2 g殼聚糖，放入轉子。開啟集熱式磁力加熱攪拌器，打開攪拌按鈕，設置轉速為3～4 r/min，攪拌20 h。安裝實驗裝置，在室溫下，將2.619 g EDC溶于50 mL的二次蒸餾水中，然后向500 mL四口燒瓶中加入依次預先備好的殼聚糖和丙烯酸溶液、溶解好的EDC溶液，開啟置頂式攪拌器，設定攪拌速度為200 r/min，將四口瓶移入25 ℃的恒溫水浴鍋內，然后通入高純度的氮氣，排除體系內的氧氣，密閉反應體系，并在此條件下反應2 h。反應結束后，將得到的液體進行透析，透析一周，前3天一天換三次水，后4天一天換兩次水。之后進行測試觀察結果，即得到丙烯酰化殼聚糖，可以進行下一步反應。反應方程式如圖1所示。

2? 分析測試

2.1? 紅外光譜（FT-IR）分析

將得到的樣品，取少量放到表面皿里，然后放進冷凍干燥機進行，將冷凍干燥的固體溴化鉀粉末按照約1∶200的比例混合研磨，然后進行壓片，將得到的片狀樣品放入紅外光譜儀中進行測定。

2.2? 核磁氫譜（1H-NMR）分析

將得到的混合物，放到表面皿里，進行冷凍干燥，然后稱量6～8 mg樣品，加入600 mL D2O、50 mL CD3COOD搖勻，采用數控超聲波清洗器溶解殼聚糖，待完全溶解后，再加入核磁管中進行測量。

3? 結果討論

3.1? FT-IR分析

將殼聚糖粉末與溴化鉀粉末按照約1∶200的比例混合研磨， 然后進行壓片，將得到的片狀樣品進行FT-IR測試，對數據整理后，得到圖2。

將制得的CS/AA，經離心后，取少量放到表面皿里，進行冷凍干燥，將冷凍干燥的固體溴化鉀粉末混合研磨，然后進行壓片，將得到的片狀樣品 進行FT-IR測試，對數據整理后，得到圖3。

從圖3中可以看出CS/AA的FTIR譜圖中含有CS的所有特征峰，如CS在3 434 cm-1處的羥基和氨基吸收峰，在2 845 cm-1處的甲基和亞甲基的伸縮振動峰，以及1 075 cm-1處葡萄糖環的C-O-C伸縮振動吸收峰，這些吸收峰在CS/AA樣品的FT-IR譜圖中出現，說明制得的樣品中含有殼聚糖。CS/AA樣品的FT-IR譜圖中出現了1 643 cm-1處的C=C的伸縮振動吸收峰，說明AA接枝到了CS上，合成了丙烯酰化殼聚糖的合成。結果證實所合成的高分子由CS和AA組成。

3.2? 1H-NMR核磁分析

如圖4所示，δ=4.64 ppm對應于糖環異頭碳的質子峰（a峰），δ=3.24～3.76 ppm對應于糖環b位置的質子峰，δ=2.87 ppm對應于糖環c位置（-CH-NH2）的質子峰，δ=1.75 ppm（CH3-CO-）對應于乙酰基質子的吸收峰，說明殼聚糖未完全脫乙酰化。

由圖5可知，CS/AA的1H NMR譜圖與CS的的1H NMR譜圖的形狀基本相似，同時，在化學位移δ=3.24～3.76 ppm（b，峰）和δ=2.87 ppm（c，峰-CH-NH2，）是兩圖的共有質子峰，說明CS/AA的1H NMR譜圖中包含有CS譜圖的質子峰。在化學位移δ=2.5 ppm（d，峰，CH3-CO-）隨著反應的進行是有d峰發生了較小的偏移。

本實驗制備核試樣所用溶劑為氘帶乙酸，在圖中，化學位移δ=1.86 ppm處為氘帶乙酸所對應的溶劑峰;在化學位移δ=6.14～6.23 ppm（e峰）的吸收峰代表反式-CO-CH=CH2的質子峰，在化學位移δ=5.81～5.54 ppm（g峰）對應于順式-CO-CH=CH2的質子峰;δ=6.15～5.90 ppm（f峰）對應于-COO-CH=CH-的質子峰。

4? 結 論

首先在室溫下將殼聚糖和丙烯酸溶解，然后在氮氣的保護下，在EDC的作用下成功合成了丙烯酰化殼聚糖。用紅外光譜法表征和核磁氫譜法表征了粒子的微觀組成，證明了CS/AA中有CS和AA兩種主要成分的存在以及產物中含有碳碳雙鍵，從而證明了丙烯酰化殼聚糖的合成。

參考文獻：

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[2]黃永春， 李琳， 郭祀遠.殼聚糖酶解的研究[J].化工進展，2002， 21（6）：381-385.

[3]郭振楚.甲殼素研究進展[J].日用化學工業，1997（2）：29～30.

[4]唐蘭模.用殼聚糖除去溶液中微量鉻（VI）的研究[J].化學世界，2001， （2）：59.

[5]Agnihotri S A，Mallikarjuna N N，Aminabhavi T M.Recent advances on chitosan-based micro-and nanoparticles in drug delivery[J]. Journal of Controlled Release，2004，100（1）：5-28.

[6]夏文水，陳潔.甲殼素和殼聚糖的化學改性及其應用[J] .無錫輕工業學院學報，1994，13（2）：162-164.

[7]任淑萍， 周芳名， 常成明. 溫敏性微凝膠的合成[J]. 當代化工， 2015（12）： 28.