丙烯酸接枝殼聚糖水凝膠的制備

翁居軾 汪斌 張林峰 張聽(tīng)雨

摘 要：以殼聚糖與丙烯酸為原料，首先使用三種方法制備改性殼聚糖。第一種方法用丙烯酸直接改性殼聚糖，第二種方法在反應(yīng)體系中加入氫氧化鉀調(diào)整pH值，第三種方法在丙烯酸和殼聚糖混合物中加入引發(fā)劑過(guò)硫酸銨制備改性殼聚糖。分別對(duì)三種方法改性的殼聚糖進(jìn)行紅外光譜表征并測(cè)定其接枝率。結(jié)果表明，以過(guò)硫酸銨為引發(fā)劑方法改性的殼聚糖接枝率最高，達(dá)到68%。然后進(jìn)行丙烯酸接枝殼聚糖制備水凝膠的合成工藝研究，將吸水性和電鏡掃描圖像分?jǐn)?shù)作為評(píng)分指標(biāo)。通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)得到最佳工藝條件為在100mL反應(yīng)體系中過(guò)硫酸銨量為0.5 g，丙烯酸量為3 mL，殼聚糖量為1.5 g，反應(yīng)溫度為60℃，20 mL交聯(lián)劑（100 mL含三聚磷酸鈉和六偏磷酸鈉分別為3 g和5g），此時(shí)所制得的水凝膠吸水性能最優(yōu)，吸水率達(dá)到821%。

關(guān)鍵詞： 殼聚糖； 丙烯酸； 水凝膠；過(guò)硫酸銨； 正交實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TQ433.4+36 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編碼：2095-7394（2016）06-0005-06

水凝膠是通過(guò)共價(jià)鍵交聯(lián)而成的三維網(wǎng)絡(luò)、互穿網(wǎng)絡(luò)，形態(tài)處于固體和液體兩者之間，是親水性聚合物。由于其水滲透性強(qiáng)，有優(yōu)異的生物相容性，可作為生物材料。[1-3]這使得水凝膠在組織工程及藥物緩釋領(lǐng)域有著十分值得研究的應(yīng)用前景。

水凝膠通常有三種方法制得：?jiǎn)误w交聯(lián)聚合、水溶性高分子交聯(lián)和接枝共聚法。[4]目前，最有效的接枝制備水凝膠的技術(shù)是在載體的表面上產(chǎn)生自由基。一般使用引發(fā)劑去引發(fā)在殼聚糖分子鏈上產(chǎn)生大分子的自由基，這樣可以引發(fā)丙烯酸、丙烯胺等乙烯基團(tuán)然后發(fā)生接枝、共聚。[5-6]

殼聚糖可發(fā)生水解、酰基化、硝化、氧化、羧甲基化、烷基化、鹵化和絡(luò)合等化學(xué)反應(yīng)[7]，可產(chǎn)生各種性能的衍生物。改性后殼聚糖某一特性得到改進(jìn)，制出殼聚糖的衍生物，其中殼聚糖衍生物中水凝膠的研究最受關(guān)注。丙烯酸接枝殼聚糖通過(guò)殼聚糖氨基和丙烯酸的碳碳雙鍵之間反生加成反應(yīng)后，殼聚糖分子鏈上的大分子自由基接上羧乙基基團(tuán)制得的。

本文研究丙烯酸改性殼聚糖，比較在不同改性方法下得到的殼聚糖的接枝率，確定最優(yōu)的改性殼聚糖方法。在制備改性殼聚糖的基礎(chǔ)上，合成水凝膠。

1 實(shí)驗(yàn)器材與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑

本實(shí)驗(yàn)使用的丙烯酸為化學(xué)純（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司），殼聚糖脫乙酰度95%（上海阿拉丁生化科技股份有限公司），其他使用的試劑有無(wú)水乙醇、乙酸、氫氧化鉀、氫氧化鈉、過(guò)硫酸銨、碘化鉀、吐溫80、三聚磷酸鈉（TPP）和六偏磷酸鈉（SHMP）均為分析純。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

透析袋，上海源葉生物科技有限公司；紅外光譜儀，布魯克光譜儀器公司；真空冷凍干燥裝置，寧波雙嘉有限公司；氣浴恒溫振蕩器，南京科爾儀器設(shè)備有限公司；粉末壓片機(jī)，天津市科器高新技術(shù)公司；掃描電鏡儀，賽克有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1丙烯酸改性殼聚糖的制備

殼聚糖的接枝共聚是由三個(gè)基元反應(yīng)組成的，鏈引發(fā)、鏈增長(zhǎng)、鏈終止。選擇引發(fā)劑是接枝共聚的核心。過(guò)硫酸鹽是一種重要的氧化還原自由基引發(fā)劑，是一種與烯類單體接枝的天然聚合物。它可讓殼聚糖與丙烯酸接枝共聚。采用三種方法制作丙烯酸接枝殼聚糖，并比較接枝效果。

（1）丙烯酸直接改性殼聚糖

稱取一定量殼聚糖，融入丙烯酸中，完全溶解后，攪拌加熱72 h。取出溶液調(diào)節(jié)pH，放入透析袋中48 h，冷凍干燥。

（2）氫氧化鉀調(diào)整pH值改性殼聚糖

稱取一定量殼聚糖，融入醋酸中，待完全溶解后機(jī)械攪拌加熱。將氫氧化鉀與丙烯酸溶解后加入攪拌裝置中，反應(yīng)一段時(shí)間后，取出溶液中的固體抽濾，靜置干燥。

（3）以過(guò)硫酸銨為引發(fā)劑制備改性殼聚糖

稱取一定量的殼聚糖，融入醋酸中，待完全溶解后，機(jī)械攪拌加熱，再按順序加入過(guò)硫酸銨、丙烯酸，反應(yīng)一段時(shí)間后加入無(wú)水乙醇，抽濾干燥。

1.3.2改性結(jié)果——接枝率的測(cè)定

接枝率是用來(lái)描述接枝反應(yīng)的術(shù)語(yǔ)，為重量分析法。接枝率G按照以下公式進(jìn)行計(jì)算：

[G=（m產(chǎn)物-m殼聚糖）/m殼聚糖×100%，] （1）

式中[m殼聚糖]——反應(yīng)時(shí)加入的殼聚糖質(zhì)量，單位：g；[m產(chǎn)物]——反應(yīng)后烘干產(chǎn)物質(zhì)量，單位：g。

1.3.3丙烯酸接枝殼聚糖結(jié)構(gòu)表征

取三種方案合成的產(chǎn)品，將產(chǎn)品與碘化鉀粉末一起放在研缽中研磨成粉末狀，進(jìn)行壓片，再在傅里葉變換紅外光譜儀上進(jìn)行紅外光譜表征。

1.3.4水凝膠的制備

為了提高水凝膠的交聯(lián)強(qiáng)度和減少毒性，采用了三聚磷酸鈉（TPP）-六偏磷酸鈉（SHMP）復(fù)合交聯(lián)劑將殼聚糖進(jìn)行離子交聯(lián)，制成水凝膠。并對(duì)交聯(lián)劑質(zhì)量配比對(duì)水凝膠的影響進(jìn)行研究。

將殼聚糖改性產(chǎn)物干燥后放入燒杯并用1%的醋酸溶液溶解，加入TPP-SHMP復(fù)合交聯(lián)劑到燒杯中，浸泡1h得到產(chǎn)物水凝膠，并用蒸餾水反復(fù)洗滌后在用乙醇溶液洗滌脫水，常溫下干燥2h后，再在真空條件下干燥24h。

1.4.1吸水性能的測(cè)定

稱取約0.3g（準(zhǔn)確至±0.000 2 g）干燥的產(chǎn)物并記下重量，置于燒杯中，加入蒸餾水后靜置1h，然后取出產(chǎn)物并稱取重量，計(jì)算吸水率G。

[G=（m2-m1）/m1，] （2）

式中m2表示吸水后水凝膠質(zhì)量，單位：g；m1表示吸水前水凝膠質(zhì)量，單位：g。

1.4.2電鏡掃描測(cè)試

采用掃描電鏡儀觀測(cè)水凝膠樣品的截面形貌。丙烯酸接枝殼聚糖的電鏡掃描圖以孔多為標(biāo)準(zhǔn)，人為對(duì)掃描電鏡圖片進(jìn)行分析，并打分，將孔最多最精致圖形為100分，孔最少最粗糙圖形為60分。

1.5 正交試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)制備丙烯酸接枝殼聚糖水凝膠時(shí)改變物料比（丙烯酸：殼聚糖）、反應(yīng)溫度、交聯(lián)劑配比（TPP：SHMP）所得的產(chǎn)物的取代度、吸水性以及SEM評(píng)分各有變化，為了優(yōu)化產(chǎn)物，本文以物料比、反應(yīng)溫度和交聯(lián)劑配比為影響因素，設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)，以得到最佳的物料比（丙烯酸：殼聚糖）、反應(yīng)溫度、交聯(lián)劑配比。

2 結(jié)果與討論

2.1 殼聚糖改性實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果

2.1.1丙烯酸直接改性殼聚糖現(xiàn)象與結(jié)果

取1.5 g殼聚糖，然后加入3 mL丙烯酸和

100 mL醋酸（1%），待殼聚糖完全溶解后，加熱至60℃將所得溶液放入250 mL三口燒瓶中機(jī)械攪拌72 h。得到無(wú)色透明液體，用3 mol/L NaOH將得到的液體的 pH滴到10～12，將調(diào)整好pH的溶液放入纖維素透析袋中（相對(duì)分子質(zhì)量在7 000～10 000 g/ mol之間）透析48 h后，進(jìn)行冷凍干燥。結(jié)果如圖1。

2.1.2氫氧化鉀調(diào)整pH值改性現(xiàn)象與結(jié)果

將50 mL醋酸（2%）與1.5 g殼聚糖加入

250 mL三口燒瓶中攪拌溶解，放入攪拌裝置中加熱至60℃。再將50 mL水、2 g氫氧化鉀與3 mL丙烯酸相溶，加入攪拌裝置中，攪拌1 h以上，得到無(wú)色透明溶液，取出溶液靜置約1 h，溶液中出現(xiàn)白色布丁狀固體。抽濾干燥，結(jié)果如圖2。

2.1.3以過(guò)硫酸銨為引發(fā)劑制備改性殼聚糖現(xiàn)象與結(jié)果

將100 mL醋酸（1%）與1.5 g殼聚糖加入

250 mL燒杯中攪拌溶解，后放入攪拌裝置中加熱至60℃。再按順序加入0.5 g過(guò)硫酸銨、3 mL丙烯酸，攪拌1h。得到橙紅色透明溶液。取出溶液加入無(wú)水乙醇，進(jìn)行抽濾，得到產(chǎn)物如圖3。

2.2 接枝改性殼聚糖接枝率結(jié)果討論

將接枝完畢的殼聚糖產(chǎn)物進(jìn)行取代度測(cè)試，測(cè)的三種方案的取代度如表1。

結(jié)合紅外光譜與接枝率的對(duì)比，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中線路二所得產(chǎn)物與其他兩種線路產(chǎn)物相比，性狀較差，且不易于制水凝膠，線路一產(chǎn)物所用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，能源消耗過(guò)大，故選擇線路三產(chǎn)物制備水凝膠并進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

2.3 水凝膠成品

由改性殼聚糖制得的水凝膠如圖4所示。

2.4 丙烯酸接枝殼聚糖水凝膠參數(shù)優(yōu)化

2.4.1正交實(shí)驗(yàn)與參數(shù)優(yōu)化

表2中A代表丙烯酸（mL/100 mL）與殼聚糖

（g/100 mL）的物料比，B為反應(yīng)溫度℃，C為交聯(lián)劑（TPP：SHMP）的比例。

根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)表安排9次實(shí)驗(yàn)，各實(shí)驗(yàn)所得產(chǎn)品的取代度、吸水性能和電鏡掃描（SEM）結(jié)果作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，人為對(duì)掃描電鏡圖片進(jìn)行打分，滿分100分制。將孔最多最精致的圖形評(píng)為100分，孔最少且粗糙的圖形評(píng)為60，以此從60至100評(píng)分，并按10%取代度+60%吸水性+30%SEM評(píng)分作為評(píng)價(jià)制備方案的指標(biāo)。如表3所示，綜合評(píng)分最高，說(shuō)明在該情況下制備的水凝膠性能越好。組合得到最佳的制備方案是在物料比（丙烯酸：殼聚糖）為3 mL：1.5 g、反應(yīng)溫度為60℃、交聯(lián)劑（TPP：SHMP）配比為3：5。

極差R值表示因素影響的程度，其值越大表明對(duì)綜合評(píng)分的影響因素越大，表3中物料比的R值最大，即說(shuō)明物料比是影響綜合評(píng)分的最大因素。反應(yīng)溫度R值和交聯(lián)劑配比R值較小，說(shuō)明反應(yīng)溫度和交聯(lián)劑配比對(duì)綜合評(píng)分的影響較小。對(duì)水凝膠的制備而言，物料比是影響水凝膠吸水性的最大因素。

3 表征

3.1 紅外光譜分析

改性殼聚糖以及3種方式做出的丙烯酸接枝殼聚糖的紅外光譜圖見(jiàn)圖5。主要的吸收峰如表4所示。由圖5和表4可以看出，原料殼聚糖和接枝改性后的殼聚糖的IR光譜發(fā)生了一點(diǎn)小小的變化，但同樣的官能團(tuán)來(lái)說(shuō)，吸收峰的波數(shù)沒(méi)有出現(xiàn)太大的偏移。

可從產(chǎn)物的紅外光譜中，看出羧基的酰胺Ⅰ峰特征峰（C=O伸縮振動(dòng)峰重疊）以及COO-的不對(duì)稱（酰胺Ⅱ峰重疊）和對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰的出現(xiàn)且強(qiáng)度增大，意味著羧基接載了殼聚糖分子鏈上。仲羥基和伯羥基上的C-O伸縮振動(dòng)吸收峰也得到了加強(qiáng)，這也說(shuō)明了反應(yīng)沒(méi)有發(fā)生在他們兩個(gè)位上，而如果羧乙基基團(tuán)和這兩個(gè)C原子結(jié)合了，會(huì)因?yàn)榭臻g阻的效應(yīng)削弱C3-O、C6-O的伸縮振動(dòng)，那么它的吸收強(qiáng)度會(huì)降低?？瞻讱ぞ厶窃? 323 cm-1的酰胺Ⅲ峰（C-N伸縮振動(dòng)）分別偏移到1 319 cm-1、1 316 cm-1和1 315 cm-1且得到了加強(qiáng)，形成了許多C-N鍵，從這里可以得到殼聚糖引入了-CH2，這時(shí)=C-H的不對(duì)稱或者對(duì)稱伸縮振動(dòng)特征峰都沒(méi)有在紅外光譜圖上表現(xiàn)出來(lái)，圖表中可看出-CH2的彎曲振動(dòng)吸收峰在發(fā)生接枝后的強(qiáng)度加強(qiáng)顯著，說(shuō)明是殼聚糖和丙烯酸的接枝反應(yīng)為丙烯酸雙鍵和殼聚糖氨基的加成反應(yīng)之間，不是丙烯酸的羧基和來(lái)自殼聚糖的氨基之間的發(fā)生反應(yīng)。

3.2 電鏡掃描測(cè)試

在不同工藝條件下，重復(fù)實(shí)驗(yàn)采用掃描電鏡觀測(cè)水凝膠樣品的截面形貌，見(jiàn)圖6。

圖6（b）可看出最佳條件下制得的水凝膠呈現(xiàn)孔狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊致，易于水分子的進(jìn)入，吸水性強(qiáng)。而圖6（a）最差條件下制備的水凝膠孔較少，不易于水分子出入，吸水性差。

4 結(jié)論

（1）在以丙烯酸和殼聚糖作為主要原料合成目標(biāo)產(chǎn)物的三種路線中，通過(guò)接枝率比較，最終確定以過(guò)硫酸銨為引發(fā)劑為制備改性殼聚糖的方法。紅外表征表明，丙烯酸接枝到殼聚糖銨基上，接枝率為68%。

（2）對(duì)改性殼聚糖制備水凝膠工藝進(jìn)行了研究，用正交實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明，在以100 mL醋酸溶液為溶劑的情況下，加入過(guò)硫酸銨0.5 g，丙烯酸3 mL，殼聚糖1.5 g，反應(yīng)溫度為60℃，20 mL交聯(lián)劑（TPP：SHMP）配比為3：5（g/100 mL），所制得的水凝膠性能最優(yōu)，吸水性能達(dá)到821%。SEM得分為100。

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The Methods of Hydrogel and Acrylic Acid Grafted Chitosan

WENG Ju-shi， WANG Bin， ZHANG Lin-feng， ZHANG Ting-yu

（School of Chemical and Environmental Engineering， Jiangsu University of Technology，

Changzhou 213001， China）

Abstract： In this paper， chitosan and acrylic acid were used as materials. The modified chitosan was prepared by three methods. In the first method， chitosan was modified with acrylic acid directly； in the second method， the pH value of the reaction system was adjusted by adding potassium hydroxide； in the third method， the initiator ammonium peroxydisulfate was added into the mixture of acrylic acid and chitosan for preparing the modified chitosan. The three methods were evaluated by the IR spectra of modified chitosan and the percent of grafting. The results showed that the highest percent of grafting of modified chitosan reached 68%. Then， the hydrogel was prepared with acrylic acid grafted chitosan， the water absorption and electron microscope scanning image scores were used as evaluation indexes. The optimum conditions were obtained through orthogonal experiment. In 100mL reaction system， ammonium peroxydisulfate was 0.5g， acrylic acid was 3mL， chitosan was 1.5g， reaction temperature was 60℃， 20mL crosslinking agent （100mL crosslinking composed of 3g sodium tripolyphosphate and 5g sodium metaphosphate）. Under the conditions above， the water absorption of N-carboxyethyl chitosan hydrogel reached 821%.

Key words： hydrogel； acrylic acid； chitosan； ammonium peroxydisulfate； orthogonal experiment

責(zé)任編輯 祁秀春