二乙烯三胺基纖維素的合成及對膽紅素的吸附性能

都馨遙，方桂珍，李宏振

(東北林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040)

二乙烯三胺基纖維素的合成及對膽紅素的吸附性能

都馨遙，方桂珍*，李宏振

(東北林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040)

將微晶纖維素制備成2，3－二醛基氧化纖維素，再將2，3－二醛基氧化纖維素的6位羥基氯化，進(jìn)行多胺化反應(yīng)，合成了功能高分子材料二乙烯三胺基纖維素(DETA/MCC)。通過紅外光譜、元素分析、X射線衍射對其進(jìn)行了表征，分析了其對膽紅素的吸附性能。研究結(jié)果表明:氧化纖維素的醛基含量為81.02%，二乙烯三胺基纖維素的含氮量為15.22%;紅外譜圖證實(shí)胺基已接枝到纖維素上;X射線衍射分析得到二乙烯三胺基纖維素結(jié)晶度為58.29%，比微晶纖維素(MCC)的結(jié)晶度有所下降;靜態(tài)吸附測得:在pH7.4的磷酸鹽緩沖溶液中，吸附溫度為37℃，膽紅素濃度為0.1g/L，動態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)在2h時(shí)達(dá)到吸附平衡，平衡時(shí)吸附容量為8.44mg/g。

纖維素，二乙烯三胺，膽紅素，吸附劑

膽紅素是人體內(nèi)血紅蛋白的輔基血紅素的分解代謝產(chǎn)物，存在于血液、膽汁等生物體液中，具有一定的生理功能，分子中含有多個(gè)羥基和羧基。當(dāng)肝組織受損或病變時(shí)，膽紅素的代謝發(fā)生障礙，體內(nèi)膽紅素不能及時(shí)排出體外而在血液中積蓄。膽紅素濃度過高時(shí)，可對機(jī)體產(chǎn)生嚴(yán)重的毒性作用。許多種疾病都能引起人血中膽紅素濃度異常增高，出現(xiàn)高膽紅素血癥。國內(nèi)外已用于去除膽紅素的方法主要有光療法、血液灌流、口服吸附劑等方法［1］，其中血液灌流法效果顯著，而其應(yīng)用的吸附材料又對吸附效果起著決定性作用。目前應(yīng)用的吸附材料如活性炭、瓊脂、固定血清白蛋白、殼聚糖、大孔吸附樹脂等，它們中有的對膽紅素可達(dá)到很大的吸附容量，但存在著血液相容性和吸附選擇性差、吸附時(shí)間較長等缺點(diǎn)。纖維素是天然高分子物質(zhì)，含有大量羥基，可對其進(jìn)行功能性化學(xué)改造，制備出具有特殊功能的纖維素衍生物。纖維素類吸附劑具有良好的血液相容性、吸附選擇性特殊、吸附能力高且穩(wěn)定性好［2－7］等優(yōu)點(diǎn)，成為纖維素功能材料研究和開發(fā)的重要部分。本課題組［8］曾在纖維素的C6位接枝胺基合成了二乙烯三胺基氧化纖維素，進(jìn)行了對尿酸和砷(Ⅲ)的吸附性能分析，根據(jù)膽紅素與血清白蛋白結(jié)合的性質(zhì)，胺基會與膽紅素分子發(fā)生離子鍵和氫鍵作用，所以該研究擬在纖維素的C6位和C2、C3位上分別通過取代反應(yīng)和西佛堿反應(yīng)接枝了二乙烯三胺，而沒有保留氧化纖維素上的醛基，合成了纖維素的多胺化產(chǎn)物，通過紅外光譜、X射線衍射分析對化合物進(jìn)行了表征，并創(chuàng)新性的將其應(yīng)用于膽紅素的吸附，以期為新型醫(yī)用吸附材料的開發(fā)研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

微晶纖維素 上海恒信化學(xué)試劑有限公司;二乙烯三胺 天津市化學(xué)試劑六廠;膽紅素 成都雙流應(yīng)天生物試劑公司，純度為95%;氫氧化鈉、濃硫酸、乙二醇、N－N二甲基甲酰胺、氯化亞砜 均為分析純試劑;活化微晶纖維素 稱取40g微晶纖維素加入到400mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%的氫氧化鈉溶液中，浸泡24h，抽濾，用蒸餾水洗至中性。

SHZ－82A型恒溫振蕩器 常州國華電器有限公司;D/MAX－r B型X射線衍射儀 日本理學(xué);Magna－560紅外譜儀 美國尼高力公司;EA3000型元素分析儀 意大利Euro公司;Tu－1800PC紫外分光光度計(jì) 北京普析通用儀器有限責(zé)任公司。

1.2 多胺化纖維素的合成

1.2.1 氧化纖維素的制備 在三口瓶中加入蒸餾水?dāng)嚢?，避光下室溫加入?zhǔn)確稱量的10g NaIO4，用H2SO4調(diào)節(jié)pH在1～4之間，快速加入準(zhǔn)確稱量的活化微晶纖維素5g，升溫至37℃，攪拌3.5h后加入10mL的乙二醇，繼續(xù)恒溫?cái)嚢璺磻?yīng)1h，抽濾并反復(fù)用蒸餾水洗滌，至IO－3消失且呈中性烘干，研成粉末，得氧化纖維素YX。另做醛基含量測定［9］。

1.2.2 氧化纖維素YX的氯化 將10g氧化纖維素和200mL DMF加入裝有攪拌器、冷凝管、滴液漏斗和溫度計(jì)的四口瓶中，并裝上干燥管和尾氣吸收裝置，攪拌加熱至80℃，緩慢加入35mL SOCl2，加完后在90℃繼續(xù)反應(yīng)2.5h，得到一粘狀液，將其倒入500mL冷水中，不斷攪拌，然后抽濾，用3%的氨水洗滌沉淀以除去殘余的酸，再用水將產(chǎn)品洗滌至中性，得到淺黑色的粘稠狀液體，烘干后得到產(chǎn)品YX－Cl［10］。

1.2.3 二乙烯三胺基纖維素的合成 將6g YX－Cl和120mL DMSO加入帶有攪拌器、冷凝管、滴液漏斗的三口瓶中，攪拌加熱至100℃，滴加二乙烯三胺6mL，100℃反應(yīng)11h，將產(chǎn)物倒入300mL冷水中過夜沉淀后抽濾，再用蒸餾水洗至濾液接近無色，得到黑咖色不易溶于水的固體，烘干后得到2，3，6位是亞胺基的二乙烯三胺基纖維素產(chǎn)物(DETA/MCC)。另做元素分析測定產(chǎn)物含氮量。

1.3 樣品的性能及表征

1.3.1 FTIR分析 氧化纖維素、氯化纖維素和二乙烯三胺基纖維素經(jīng)真空干燥后，用KBr壓片法測其紅外光譜。

1.3.2 X－射線衍射分析 采用日本理學(xué)D/max－r B型X射線衍射儀觀察MCC、二乙烯三胺基纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，Cu靶，Kα射線，Ni片濾光，λ=1.5405× 10－10m，管壓 45kV，電流 40mA，掃描范圍∶2θ= 1～90°;分峰法計(jì)算結(jié)晶度(Xc)。

1.3.3 元素分析 用元素分析儀測定經(jīng)真空干燥后的二乙烯三胺基纖維素的N元素含量，測定條件∶氧化爐溫為1120℃，檢測器為熱導(dǎo)檢測器(TCD)，柱溫為115℃。其中載氣為氦氣，流速為20mL/min，氧氣注入量為20mL。

1.4 靜態(tài)法測定膽紅素的吸附性能

1.4.1 膽紅素溶液的配制 避光下稱取10mg膽紅素加入預(yù)先用氮?dú)獯祾叩?00mL容量瓶中，加入2mL二甲基亞砜和3mL 0.05mol/L的Na2CO3溶液使之完全溶解，加入磷酸鹽緩沖液(pH7.4)稀釋，用3mL 0.1mol/L的稀鹽酸中和Na2CO3，再用緩沖溶液定容，配得濃度為0.1g/L膽紅素溶液［11］。

1.4.2 吸附性能測定 精確稱取0.05g二乙烯三胺基纖維素試樣置于10mL磨口瓶中，然后加入膽紅素溶液5mL，在(37±1)℃的振蕩水浴上吸附一定時(shí)間，過濾，濾液采用紫外分光光度計(jì)在438nm處測定殘余膽紅素的吸收值，同時(shí)作空白實(shí)驗(yàn);然后根據(jù)公式AC(mg/g)=(C0－C)×5/W計(jì)算吸附容量。繪制了二乙烯三胺基纖維素對膽紅素的吸附動力學(xué)曲線和等溫吸附曲線。其中，C0為吸附前溶液中膽紅素的濃度，單位為mg/L;C為吸附后溶液中膽紅素的濃度，單位為mg/L;W為稱取吸附劑的干基質(zhì)量，單位為g。

2 結(jié)果與討論

2.1 二乙烯三胺基纖維素的合成與結(jié)構(gòu)

以微晶纖維素為原料，用高碘酸鈉選擇性地將其2，3位羥基氧化成醛基，反應(yīng)一段時(shí)間后加入適量的乙二醇以除去過量的高碘酸鈉，減少副反應(yīng)的發(fā)生［12］。以氯化后的氧化纖維素為中間體，用二乙烯三胺對其6位進(jìn)行胺基取代反應(yīng)，同時(shí)在2，3位發(fā)生西佛堿反應(yīng)，從而合成纖維素的多胺化產(chǎn)物，反應(yīng)路線如圖1所示。

圖1 二乙烯三胺基纖維素的合成路線

氧化、氯化、二乙烯三胺基纖維素的紅外光譜見圖2，在譜圖a中3400cm－1附近強(qiáng)而寬的峰可以明確歸屬為羥基的伸縮振動。隨著纖維素中羥基的氧化，高波數(shù)的羥基峰仍然很強(qiáng)，表明還有大量的羥基存在，位于1734cm－1的新峰表明纖維素氧化后產(chǎn)生羰基，因?yàn)槿┗苌僖杂坞x醛基的形式存在，而是形成了水合半醛醇和分子內(nèi)及分子間的半縮醛的形式，所以圖中羰基吸收峰峰強(qiáng)較小［13］，圖 a中1026cm－1處C－O伸縮振動吸收峰、1113cm－1附近與氧相連的C－H鍵彎曲振動鋒進(jìn)一步說明羰基是以半縮醛或縮醛的形式存在。譜圖b中612～755cm－1處出現(xiàn)C－Cl特征峰，說明氧化纖維素的6位羥基被氯取代。譜圖c中由于胺化產(chǎn)物中既有伯胺基也有仲胺基，使得高波數(shù)的振動峰較寬，在1734cm－1的羰基吸收峰消失而在1631.42cm－1處出現(xiàn)C=N伸縮振動峰，在1429.31、1336.06、1160.75、1108.53cm－1處出現(xiàn)N－C伸縮振動峰，而在617.48cm－1處還有C－Cl伸縮振動峰，表明胺基對氯的取代并不完全，而二乙烯三胺與醛基發(fā)生的西佛堿反應(yīng)是比較完全的。

圖2 氧化、氯化、二乙烯三胺基纖維素的紅外光譜圖

2.2 氧化、胺化纖維素的化學(xué)分析

氧化纖維素醛基含量的分析∶氧化纖維素的醛基含量為81.02%，由上述紅外光譜圖可知，胺基可以醛基為介質(zhì)成功地接枝到纖維素上，所以較高的醛基含量將有利于提高胺基的接枝率。

二乙烯三胺基纖維素含氮量分析∶通過元素分析測得二乙烯三胺基纖維素的含氮量為15.22%，而以氧化纖維素的醛基含量為81.02%，計(jì)算得二乙烯三胺基纖維素的理論含氮量應(yīng)為28%，表明二乙烯三胺已接枝到纖維素上，但小于理論值。原因是先接枝到纖維素上的二乙烯基三胺的另一端未反應(yīng)的胺基會繼續(xù)與剩余的醛基反應(yīng)，另外由于氧化纖維素的氯化物的溶解性及高分子鏈的卷曲、纏繞的特性，主鏈官能團(tuán)很難被完全取代。

二乙烯三胺基纖維素的產(chǎn)率分析∶纖維素胺化反應(yīng)在堿性條件下進(jìn)行，而高碘酸鹽氧化的纖維素有很強(qiáng)的還原性，對堿特別敏感，此反應(yīng)時(shí)間又較長，使纖維素發(fā)生降解，引起分子鏈斷裂造成產(chǎn)品的大量損失，所以其產(chǎn)率較低，只為45.50%。

2.3 二乙烯三胺基纖維素的X－射線(XRD)衍射譜圖分析

由圖3可以看出，纖維素經(jīng)堿潤脹活化后由纖維素Ⅰ型向Ⅱ型轉(zhuǎn)變，晶型為纖維素Ⅰ型和Ⅱ型的混合體，仍然保持結(jié)晶區(qū)和無定形區(qū)共存的狀態(tài)。2θ為14.7°和16.4°對應(yīng)(101)面衍射峰，2θ為22.6°對應(yīng)(002)面衍射峰，其衍射強(qiáng)度反映了纖維素中氫鍵的作用強(qiáng)度。二乙烯三胺基纖維素譜圖2θ為22.78o，衍射峰位置沒有明顯變化，峰強(qiáng)減弱，說明二乙烯三胺的引入對纖維素單元間的氫鍵產(chǎn)生一定破壞作用，使其形成松散的結(jié)構(gòu)，有利于提高對膽紅素的吸附性能，此外，反應(yīng)中主要破壞的是MCC中的無定形區(qū)，所以反應(yīng)主要發(fā)生在MCC的表面和無定形區(qū)，對結(jié)晶結(jié)構(gòu)和晶型并無明顯影響［14］，因此二乙烯三胺基纖維素保持了MCC原有的纖維素Ⅰ的晶型。由Segal法計(jì)算MCC的結(jié)晶度為86.74%，二乙烯三胺基纖維素的結(jié)晶度為58.29%，表明無定形區(qū)所占比例增大。

2.4 二乙烯三胺基纖維素對膽紅素的吸附性能

圖3XRD衍射圖

2.4.1 二乙烯三胺基纖維素對膽紅素吸附動力學(xué)曲線的分析 圖4為二乙烯三胺基纖維素對膽紅素的吸附容量與吸附時(shí)間的關(guān)系曲線。靜態(tài)實(shí)驗(yàn)條件下模擬人體環(huán)境，在37℃時(shí)，測定二乙烯三胺基纖維素對0.1g/L膽紅素的吸附動力學(xué)曲線。從圖中可以看出，吸附材料二乙烯三胺基纖維素對膽紅素具有一定的吸附速率，開始階段，膽紅素的吸附容量隨著吸附時(shí)間的增加而急劇增大，吸附速率較快;1h后吸附量很大，約2h后吸附量有所下降且吸光度隨時(shí)間的變化幅度較小，接近吸附平衡，此時(shí)測得其吸附容量為8.44mg/g。李宏振等［15］研究的聚乙烯亞胺纖維素對膽紅素的平衡吸附容量為9.23mg/g，而平衡時(shí)間為4h，韓曉燕等［16］研究的改性聚四氟乙烯纖維對膽紅素的平衡吸附時(shí)間為2.5h，Baolin Xia［17］研究的接枝CB F3GA的尼龍基親和膜的平衡吸附時(shí)間為

10h。與上述材料相比，二乙烯三胺基纖維素對膽紅素有著較快的吸附速率。

圖4 二乙烯三胺基纖維素

2.4.2 二乙烯三胺基纖維素對膽紅素吸附等溫曲線的分析 圖5為二乙烯三胺基纖維素在37℃時(shí)對膽紅素等溫吸附曲線，縱坐標(biāo)為吸附平衡時(shí)DETA/ MCC對膽紅素的吸附容量(mg/g)，橫坐標(biāo)為緩沖溶液中膽紅素的平衡濃度(mg/L)。從圖中可知，隨著溶液中膽紅素初始質(zhì)量濃度的增大，膽紅素的平衡吸附量不斷增加，當(dāng)初始質(zhì)量濃度從20mg/L增至200mg/L時(shí)，吸附量從0.86mg/g增加到17.39mg/g。在膽紅素濃度極低時(shí)，二乙烯三胺基纖維素對膽紅素就有很大的吸附量，類似化學(xué)吸附的特征，如此高的吸附容量表明吸附劑與吸附質(zhì)之間具有較強(qiáng)的親和作用，由于纖維素上接枝的大量胺基在水介質(zhì)中會發(fā)生質(zhì)子化而帶正電荷，膽紅素分子中的兩個(gè)丙羧基在水介質(zhì)中發(fā)生離子化而帶負(fù)電荷，從而使纖維素的多胺化產(chǎn)物與膽紅素產(chǎn)生強(qiáng)的靜電相互作用，另外，膽紅素分子中未電離的羧基及亞胺基與纖維素上未質(zhì)子化的胺基之間會產(chǎn)生氫鍵相互作用，因此，靜電與氫鍵作用的協(xié)同，使二乙烯三胺基纖維素對膽紅素具有很強(qiáng)的吸附作用，等溫吸附曲線中的H形也表明膽紅素與吸附劑表面有強(qiáng)烈的吸附作用，其作用機(jī)理如圖6所示。當(dāng)吸附平衡濃度達(dá)一定程度時(shí)吸附量達(dá)到平緩區(qū)，由于已接枝到葡萄糖單元上的二乙烯三胺中剩余胺基也會與葡萄糖單元上的醛基和6位上的氯發(fā)生西佛堿反應(yīng)和取代反應(yīng)，這樣就形成了葡萄糖分子的附加交聯(lián)，可能會對膽紅素的擴(kuò)散產(chǎn)生一定阻力，但隨膽紅素濃度的繼續(xù)增加，大量的膽紅素分子就會擴(kuò)散進(jìn)入交聯(lián)的葡萄糖分子中從而對其產(chǎn)生進(jìn)一步的吸附和物理包裹作用，所以使吸附量再次增加。

圖5 二乙烯三胺基纖維素對膽紅素的等溫吸附曲線(37℃)

圖6 DETA/MCC與膽紅素的作用機(jī)理

3 結(jié)論

本研究以微晶纖維素為原料，先將其制備成2，3二醛基氧化纖維素，再將2，3－二醛基氧化纖維素的6位羥基氯化，進(jìn)行多胺化反應(yīng)合成了一種黑咖色吸附材料——二乙烯三胺基纖維素。通過元素分析、X射線衍射、紅外光譜對其進(jìn)行表征，得到二乙烯三胺基纖維素的含氮量為15.22%，結(jié)晶度為58.29%，二乙烯三胺成功地接枝到纖維素上。

二乙烯三胺基纖維素主要通過靜電和氫鍵協(xié)同作用吸附溶液中的膽紅素，在模擬人體溫度37℃下，由吸附動力學(xué)曲線得出pH為7.4的條件下，有較好的吸附性能，靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)在2h時(shí)基本達(dá)到吸附平衡，平衡時(shí)吸附容量為8.44mg/g，且通過膽紅素吸附等溫線可得知DETA/MCC對膽紅素具有較大的吸附容量，所以二乙烯三胺基纖維素有望作為一種吸附材料，用于輔助治療高膽紅素血癥。

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9－20.

Synthesis of diethylenetriamine cellulose and its adsorption property for bilirubin

DU Xin－yao，F(xiàn)ANG Gui－zhen*，LI Hong－zhen
(Material Science and Engineering College，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China)

The new type of functional polymer adsorption material of diethylenetriamine cellulose(DETA/MCC) based on modified cellulose was synthesized with thionyl chloride and by subsequent chemical modification of the hydroxy on C6 in 2，3－diformyloxycellulose with diethylenetriamine.The corresponding product was characterized by infrared spectrum，XRD，element analyzer and its adsorption capacity of bilirubin.Experimental results showed that the aldehyde group content of oxycellulose was 81.02%and nitrogen concentrations in diethylenetriamine cellulose was 15.22%.FTIR spectra represented that diethylenetriamine was grafted on the cellulose.The crystalsize of diethylenetriamine cellulose was 58.29%，which was lower than MCC by comparison of XRD.The adsorption test of diethylenetriamine cellulose was carried in phosphate buffer.When the dynamic adsorbing balance was achieved in 2 hours，the adsorbing capacity for 0.1g/L bilirubin was 8.44mg/g at 37℃ and pH 7.4.

cellulose;diethylenetriamine;bilirubin;adsorbent

TS201.2+3

A

1002－0306(2011)11－0075－04

2010－07－23 *通訊聯(lián)系人

都馨遙(1986－)，女，碩士，主要從事纖維素功能材料的研究。

高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(20060225008);東北林業(yè)大學(xué)研究生論文資助項(xiàng)目(STIP10)。