殼聚糖/N-乙烯基吡咯烷酮接枝共聚物的制備及其性能

劉旭光，辛梅華，李明春，許軍凱，王林

（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）

殼聚糖（CS）是自然界中唯一的堿性多糖，其儲量僅次于纖維素[1-2]。殼聚糖具有無毒、生物相容性、生物可降解性和廣譜抗菌性等優點，廣泛應用于醫用材料、生物農藥、保健食品等領域[3]。但殼聚糖只溶于酸性水溶液中，限制了其應用。因此，如何改善殼聚糖的溶解性是研究的熱點之一。Layek 等[4]將聚乙二醇接枝于殼聚糖側鏈，合成了具有親水性的殼聚糖衍生物，再通過殼聚糖的羥基與己酰氯反應，制備具有雙親性的殼聚糖衍生物作為DNA 載體。Hattori 等[5]采用碳二亞胺做催化劑，利用乳糖酸的羧基與殼聚糖的氨基反應，制備了具有良好水溶性的乳糖化殼聚糖，作為藥物吸收助劑能夠顯著提升胃黏膜的藥物吸收效果。

聚乙烯基吡烷酮（PVP）是一種非離子型水溶性高分子化合物，具有優良的溶解性能，能溶于水和多種有機溶劑[6]。PVP 的分子鏈結構與簡單蛋白質結構類似，具有良好的生理惰性和生物相容性，不參與人體代謝，對人體不產生明顯刺激，無口服毒性[7-8]，因此被廣泛用于高分子材料改性及藥物助劑等領域。Park等[9]采用卡托丙酸作為鏈轉移劑，通過自由基聚合得到具有端羧基的PVP，再用碳二亞胺作催化劑，制備了聚乙烯基吡咯烷酮接枝殼聚糖衍生物，作為DNA 運輸載體。Zhang 等[10]將殼聚糖與PVP 的乙酸溶液混合，通過紫外光照射使其紫外交聯，制備殼聚糖-聚乙烯基吡咯烷酮共混膜，作為蒸汽分離膜，對乙醇水蒸氣有明顯的分離效果。Sizílio 等[11]將殼聚糖與PVP 溶液混合，通過溶劑蒸發法制備殼聚糖-聚乙烯基吡咯烷酮共混膜，研究了不同配比對聚合物網絡結構的影響。最后將不同藥物加入共混材料中，研究藥物釋放行為，結果表明共混材料中的藥物釋放曲線遵循Korsmeyer 和Peppas 模型，具有良好的藥物釋放功能。目前，PVP改性殼聚糖主要存在以下問題：一是殼聚糖與PVP只進行簡單的溶液共混，利用PVP的成膜能力來制備共混膜材料，進行簡單的應用；二是通過化學反應將殼聚糖與PVP 結合，通常反應過程長，反應條件有限制，難以工業化。為了改善上述殼聚糖與PVP 結合的問題，本文采用抗壞血酸/過氧化氫共引發劑引發殼聚糖，再通過自由基反應將N-乙烯基吡咯烷酮接枝共聚于殼聚糖側鏈，制備PVP 接枝共聚殼聚糖，改善了殼聚糖的溶解性能，合成路線如圖1所示，系統研究了引發劑配比、反應溫度和反應時間等因素對接枝共聚反應程度以及產物吸濕性和親水性能的影響。改性后的殼聚糖還具有大量未反應的活性基團，可以通過進一步的化學改性提高材料的功能性，將其應用于醫療器械、食品等行業。

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

IS 50 傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR，美國Nicolet 公司），AVANCEⅢ500M 核磁共振波譜儀（1H NMR，德國BRUKER 公司），TGA-50H熱分析儀（TG，日本島津制作所），JC2000DS 光學視頻接觸角測定儀（德國Kruss 公司），FD-1B-50 真空冷凍干燥機（北京博醫康實驗儀器有限公司）。

殼聚糖（CS，-Mw=5×104，DD=89%，浙江澳興生物科技有限公司），聚乙烯基吡咯烷酮（PVP，-Mw=3×103，上海阿拉丁試劑有限公司），N-乙烯基吡咯烷酮（NVP，上海阿拉丁試劑有限公司），抗壞血酸（Vc）、過氧化氫（AR，上海國藥集團有限公司），冰乙酸、丙酮、乙醇等均為市售分析純。

圖1 接枝共聚物的合成路線

1.2 殼聚糖/N-乙烯基吡咯烷酮接枝共聚物的制備

稱取0.5g 殼聚糖于100mL 圓底燒瓶，加入45mL 1%乙酸水溶液，磁力攪拌下使其完全溶解。待溶解后通N230min，加入抗壞血酸，溶解完全后加入過氧化氫引發劑，在室溫下引發30min[12]。加入5g N-乙烯基吡咯烷酮，60℃反應12h，反應液用8000kDa透析袋于蒸餾水中透析兩天，透析液冷凍干燥，稱重。接枝率、接枝效率、單體轉化率分別由式(1)～式(3)計算[13]。

式中，GP為接枝率，%；GE為接枝效率，%；W1為殼聚糖用量，g；W2為接枝共聚產物質量，g；W3為N-乙烯基吡咯烷酮用量，g。

1.3 表征及性能測試

1.3.1 FTIR

采用IS 50 型傅里葉變換紅外光譜儀測定原料和產物的紅外光譜。用ATR 附件對殼聚糖和接枝共聚產物的粉末進行分析，在400～4500cm-1的中紅外區掃描，掃描次數32次。

1.3.2 1H NMR

分別稱取25mg 殼聚糖溶于0.5mL 10%的氘代鹽酸，25mg 接枝共聚產物溶解于0.5mL 氘代水。用BRUKER AVIII 500 M 核磁共振波譜儀測定原料和產物的1H NMR，測定溫度22℃，采樣次數64，空掃1次，弛豫時間2s。

1.3.3 分子量測定

取0.15g不同反應條件下制得的產物溶于20mL蒸餾水中，3 號垂熔玻璃漏斗過濾，移取15mL 濾液注入到干燥潔凈的烏氏黏度計粗管中，25℃的水浴恒溫15min，用秒表準確測量溶液在烏氏黏度計中的下落時間，重復3 次，每次誤差不超過0.2s，取平均值[14]。

1.3.4 殘留單體的測定

根據美國藥典第21版的方法，取10g產物溶于80mL 蒸餾水中，加入1g 乙酸鈉，用0.1mol/L 碘溶液滴定至溶液不再褪色，再另加入3mL 0.1mol/L碘溶液，放置10min，然后用0.1mol/L 的硫代硫酸鈉溶液滴定過量的碘，當接近終點時加3mL 淀粉指示劑，繼續滴加至溶液顏色褪去，并與空白試驗對照，通過式(4)計算單體殘留量。

式中，V1為空白樣品消耗碘溶液量，mL；V2為樣品消耗碘溶液量，mL；N為碘溶液濃度，mol/L；m為樣品質量，g；1mmol NVP的質量為0.106g。

1.3.5 TG

采用TGA-50H 熱分析儀對殼聚糖和接枝共聚產物進行熱重分析。分別稱取干燥至恒重的樣品5～10mg，在Ar氣保護下，以10℃/min的升溫速率，從30℃升溫至600℃。

1.3.6 吸濕性能

分別稱取0.5g殼聚糖、聚乙烯基吡咯烷酮和接枝共聚產物碾磨成粉末，烘干后平鋪于3cm直徑的表面皿中，置于裝有飽和硫酸銨水溶液（相對濕度81%）與飽和氯化鈣水溶液（相對濕度31%）的干燥器中，放置24h后稱重[15]。由式(5)計算吸濕率。

式中，mo與mn分別為吸濕前后的樣品質量。

1.3.7 接觸角

將接枝共聚殼聚糖的黏稠液均勻涂布在載玻片上，室溫烘干成膜。在不同時間內采用光學視頻接觸角測定儀JC2000DS在涂膜表面測定其水接觸角。

1.3.8 溶解性能

稱取0.1g殼聚糖、聚乙烯基吡咯烷酮和接枝共聚產物，分別加入10mL 去離子水、1%HAc 溶液、甲醇、乙醇、異丙醇、氯仿、丙酮、二甲基亞砜（DMSO）等溶劑，室溫下觀察其溶解情況。

采用濁度法測定不同pH 下殼聚糖和接枝共聚產物的水溶性。分別稱取0.1g樣品于20mL 1%HAC溶液中，緩慢滴加2%NaOH 溶液調節溶液的pH。采用pH 計測定溶液的pH，待穩定后，用UV-3100 PC 型可見分光光度計于600nm 處測定溶液在pH為1～14內的透光率，以pH為3的澄清溶液作為參比[16]。

2 結果與討論

2.1 接枝共聚條件對反應的影響

2.1.1 引發劑配比

殼聚糖的質量為0.5g，N-乙烯基吡咯烷酮用量為5g，過氧化氫用量為0.1mL，反應時間為6h，反應溫度為60℃，通過改變抗壞血酸的用量考察引發劑配比對接枝共聚反應的影響，結果見圖2。從圖中可見，隨著抗壞血酸用量的增加，接枝率、接枝效率及單體轉化率先增加后降低，在引發劑配比為等摩爾比時達到最大。這是因為抗壞血酸與過氧化氫為等摩爾反應，當抗壞血酸用量小于過氧化氫時，過氧化氫沒有完全反應，無法產生足夠的自由基來引發殼聚糖；而當抗壞血酸用量大于過氧化氫時，過多的抗壞血酸會與產生的自由基反應，從而降低了引發效率，導致接枝率與接枝效率降低[17]。

圖2 引發劑配比對接枝共聚反應的影響

圖3是不同引發劑配比下接枝共聚產物的紫外吸收光譜。從圖中可以看出，隨著抗壞血酸用量的增加，紫外吸收強度先升高后降低，當引發劑配比為等摩爾比時產物的紫外吸收強度最高，進一步說明此時產物的接枝率、接枝效率及單體轉化率最大。本文選擇抗壞血酸/過氧化氫的摩爾比為1∶1進行實驗。

圖3 不同引發劑配比下接枝共聚產物的UV譜圖

2.1.2 反應溫度和時間

圖4 反應溫度和時間對接枝共聚的影響

殼聚糖的質量為0.5g，N-乙烯基吡咯烷酮用量為5g，過氧化氫用量為0.1mL，抗壞血酸用量為0.1635g，改變反應時間和反應溫度，試驗兩者對接枝共聚反應的影響結果如圖4。從圖中可見，隨著反應時間與反應溫度的增加，接枝率、接枝效率及單體轉化率增加。在相同反應時間下，80℃下N-乙烯基吡咯烷酮的接枝量比60℃高。這是因為隨著溫度的升高，引發劑引發能力增強，接枝聚合反應加快。同時隨著反應時間的增加，更多單體發生聚合反應。

對不同條件下制得的產物進行水溶性實驗，結果60℃下的產物能完全溶于水中，溶液透明，而80℃下的產物其水溶液中含有許多不溶的絮狀物和溶脹物，溶解性能不好。這可能是因為隨著反應溫度的升高，殼聚糖自由基交聯的幾率增大，發生了自由基交聯產生不溶的交聯產物[17]。為了進一步證明自由基交聯的存在，進行了空白對照試驗，在引發結束后，不加入單體直接進行升溫反應。在加熱一定時間后燒瓶底部出現白色細沙狀沉淀，不溶于水，FTIR 測試，表明為殼聚糖，證明反應過程中有發生殼聚糖自由基交聯的可能性。為保證反應具有高的接枝率與接枝效率，同時考慮產品的水溶性，本文選擇反應溫度為60℃、反應時間為12h進行實驗。

2.2 接枝共聚物的分子量測定

按照1.3.3 節的方法測得60℃下不同反應時間所得產物的黏度，見表1。由表1 可見，隨著反應時間的延長，產物溶液的流出時間增加，相對黏度相應增加。說明隨著反應時間的增加，產物的分子量增大。

2.3 單體殘留量的測定

按照1.3.4 節的方法測定不同反應條件下透析產物的單體殘留量，結果見圖5。由圖可見，通過透析處理后，產物中小分子物質被很好的除去，不同條件下產物的單體殘留量均小于0.1%，說明透析處理能夠很好除去未反應的NVP 單體。

2.4 接枝共聚物的FTIR分析

圖5 60℃下，不同反應時間下產物的單體殘留量

采用IS50 傅里葉變換紅外光譜儀測得殼聚糖和產物的紅外光譜如圖6。由圖中可見，與殼聚糖相比，產物的紅外光譜圖出現了5 個新的吸收峰， 分 別 是2960cm-1、 2920cm-1、 1648cm-1、1422cm-1 和1290cm-1。2960cm-1 和2922cm-1 處 是 接枝聚合到殼聚糖分子鏈上的聚乙烯基吡咯烷酮的烷烴鏈C—H 伸縮振動吸收峰，1648cm-1處是聚乙烯基吡咯烷酮的—C==O 伸縮振動吸收峰[18]，說明乙烯基吡咯烷酮已接枝共聚到殼聚糖側鏈。而1422cm-1附近的峰是C—O—C 的伸縮振動吸收峰，1290cm-1處為仲胺的—C—N 伸縮振動吸收峰，說明N-乙烯基吡咯烷酮已接枝共聚到殼聚糖的羥基和氨基上。

2.5 接枝共聚物的1H NMR分析

圖6 殼聚糖和接枝共聚產物的FTIR圖

表1 不同產物的黏度測定結果

將接枝共聚產物溶于氘代水，殼聚糖溶于10%的氘代鹽酸，測定其1H NMR，結果見圖7。圖7(a)中3.71～3.90 處為殼聚糖H3、H4、H5 和H6的質子峰，3.1為殼聚糖骨架上H2的質子峰，2.00為殼聚糖乙酰化基團的甲基質子峰[19]。圖7(b)中1.50～1.60 是N-乙烯基吡咯烷酮上β-亞甲基的質子峰；1.90 是H4 處的質子峰；2.30～2.40 是吡咯環酮結構中O==C—CH2的質子峰；3.27 是吡咯環酮結構中N—CH2的質子峰；3.61～3.75 是PVP 上α-亞甲基的質子峰[8]。由1H NMR 進一步證明N-乙烯基吡咯烷酮已接枝共聚到殼聚糖側鏈。

圖7 殼聚糖和接枝共聚產物的1H NMR圖

2.6 接枝共聚物的TG分析

分別稱取殼聚糖、PVP和60℃、12h下產物5～10mg，測得TG、DTG 曲線如圖8。圖8 中曲線a 為殼聚糖的TG 與DTG 曲線，在100℃以下和268℃處分別出現兩個失重，第一階段失重為殼聚糖中結合水與自由水的丟失，而第二階段為殼聚糖的主鏈分解[20]。曲 線b 為PVP 的TG 與DTG 曲 線，同 樣 在100℃以下出現了失水峰，在395℃開始發生熱分解。曲線c 為接枝共聚物的TG 與DTG 曲線，在100℃以下的結合水與自由水的失重高于殼聚糖，這是因為接枝N-乙烯基吡咯烷酮后，產物比殼聚糖具有更好的吸水性能，能從環境中吸收更多的水分。在100℃的失水階段結束后，產物在150℃左右開始分解，并且沒有明顯的熱分解平臺，其熱穩定性不如殼聚糖。這是因為接枝共聚了N-乙烯基吡咯烷酮后破壞了殼聚糖的結晶結構，導致產物的耐熱性能下降。

圖8 殼聚糖、PVP和接枝共聚產物的TG與DTG圖

2.7 接枝共聚物的吸濕性能

按照1.3.5 節的方法測得殼聚糖、聚乙烯基吡咯烷酮及60℃、12h 下產物的吸濕性能見表2。從表中可以看出，在飽和硫酸銨（相對濕度81%）的高濕度環境中放置24h 后，3 個樣品均吸收了一定的水分。接枝共聚產物的吸濕性能明顯大于殼聚糖，吸濕率為23.1%，但比具有良好水溶性能的聚乙烯基吡咯烷酮吸濕率低。在飽和氯化鈣（相對濕度31%）的低濕度環境下，3個樣品的吸濕率均較低，但產物的吸濕率仍高于殼聚糖，為3.60%。由以上可見，與殼聚糖相比，共聚產物的吸濕性能明顯提高，產物具有一定的親水性。

表2 原料與產物的吸濕率

圖9 不同時間下，接枝共聚殼聚糖的水接觸角

2.8 接枝共聚物的水接觸角分析

將60℃、12h下產物的溶液均勻涂布在載玻片上，室溫烘干成膜后，每間隔10s 測定其水接觸角，結果如圖9。從圖中可以看出，隨著時間的增加，水滴在薄膜表面逐漸鋪展開來，水接觸角逐漸減小，從65.09°下降至35.26°，顯示出良好的親水性。證明了接枝共聚產物具有良好的親水性能。

2.9 接枝共聚物的溶解性能

按1.3.6 節的方法測定殼聚糖、聚乙烯基吡咯烷酮和產物在幾種常用溶劑的溶解性能，結果見表3。由表中可見，殼聚糖除溶解于體積分數為2%乙酸溶液外，不溶于水和常見有機溶劑中；聚乙烯基吡咯烷酮溶解性能好，能夠溶解于水及大多數常見的有機溶劑中；而接枝共聚產物能夠溶解于水和2%乙酸溶液，但不能溶解于有機溶劑中。

表3 原料和產物的溶解性能

為了進一步考察接枝共聚產物的水溶性，試驗了不同pH 下產物的溶解情況，結果如圖10 所示。由圖可見，殼聚糖只溶于酸性水溶液，在中性或堿性條件下幾乎不溶，當pH＞6 時，殼聚糖溶液迅速沉淀渾濁，溶液透射率急劇下降；聚乙烯基吡咯烷酮在酸性或堿性條件下均有較好的水溶性；而接枝共聚產物與殼聚糖相比，其溶解性能有較大改善，能夠溶解于酸性和堿性水溶液中。

圖10 殼聚糖、PVP和產物在不同pH下的水溶性

3 結論

（1）以殼聚糖和N-乙烯基吡咯烷酮為原料，采用過氧化氫和抗壞血酸共引發劑引發，制備殼聚糖/N-乙烯基吡咯烷酮的接枝共聚物。實驗結果表明，接枝共聚反應的最佳條件為：引發劑抗壞血酸/過氧化氫的摩爾比為1∶1、反應溫度60℃、反應時間12h。

（2）采用紅外光譜儀與核磁共振波譜儀對產物進行表征，證明產物為殼聚糖/N-乙烯基吡咯烷酮接枝共聚物。

（3）吸濕性和親水性能試驗結果表明，接枝共聚產物在高濕度和低濕度環境下吸濕率分別為23.1%和3.69%，與殼聚糖相比，產物的吸濕性能明顯提高，并且具有良好的親水性能，能夠溶解于酸性和堿性水溶液中，拓寬了殼聚糖在醫療器械、食品添加劑等領域的應用。