壳聚糖水凝胶的制备及性能研究

Vol 133No 112·48·化工新型材料N EW CH EMICAL MA TERIAL S 第33卷第12期2005年12月基金项目:国家自然科学基金资助项目(20376087)作者简介:杨旭东(1982-),男,2002级本科生,主要从事食品生物技术和功能高分子方面的研究工作。

研究开发壳聚糖水凝胶的制备及性能研究杨旭东　吴国杰　林玩金(广东工业大学轻工化工学院,广州510006)摘　要　以壳聚糖为原料,用戊二醛作为交联剂,在醋酸溶液中合成壳聚糖水凝胶。

用正交实验优化了制备壳聚糖水凝胶的工艺条件,实验结果表明:当壳聚糖浓度为3%、戊二醛浓度为3%、凝胶温度为55℃时制得的水凝胶硬度最大;当壳聚糖浓度为2%、戊二醛浓度为1%、凝胶温度为45℃时,制得的水凝胶溶胀度最大。

壳聚糖水凝胶具有良好的生物相容性。

关键词　壳聚糖,水凝胶,硬度,溶胀度,生物相容性Preparation and properties of chitosan hydrogelsYang Xudong Wu Guojie Lin Wanjin(Faculty of Chemical Engineering and Light Indust ry ,Guangdong University of Technology ,Guangzhou 510006)Abstract Chitosan hydrogel was synthesized in acetic acid solution with chitosan using glutaraldehyde ascrosslinker.The effects of the concentration of chitosan and glutaraldehyde ,temperature on hardness and swelling ratio were studied and optimized using orthogonal experimental method.The results showed that the hardness of hydrogel was best when gelled at 55℃with the concentration of chitosan was 3%and the concentration of glutaraldehyde was 3%.and the swelling ratio of hydrogel was biggest at a concentration of chitosan of 2%,a concentration of crosslinker of 1%,a temperature of 45℃.Chitosan hydrogel had good biocompatibility.K ey w ords chitosan ,hydrogel ,hardness ,swelling ratio ,biocompatibility 水凝胶是一种具有三维结构的高分子聚合物,由亲水性的高分子化合物交联而成,能在水中溶胀并保持大量水分而又不溶解[1]。

同时,具有良好的生物相容性,因而在药物释放系统、仿生材料、化学机械系统等领域有着广阔的应用前景[2～7]。

壳聚糖来源广泛,廉价易得,且具有良好的生物相容性、安全性和生物降解性,是制备水凝胶的理想材料。

当具有三维网状结构的交联高分子与溶剂相互作用时发生溶胀,由于具有交联结构,使其溶胀行为受到限制。

溶胀的程度决定于交联密度,交联密度越高,溶胀度越小[8]。

壳聚糖因其有柔软而强度差的特性,经不起重压。

此外,其与金属等硬质材料相比,还具有易挥发、凝胶的性质很不稳定等缺点。

因此,研究壳聚糖的硬度和溶胀度,为壳聚糖凝胶的广泛应用,以及合成高性能壳聚糖基水凝胶奠定了基础。

1　实验部分1.1　仪器与药品H HS 型电热恒温水浴锅,J A5003型电子天平,第12期杨旭东等:壳聚糖水凝胶的制备及性能研究10222A 型数显电热鼓风干燥箱,Q TS 225Text ure Aualyser (英国),FU ·HUA HZ22C 恒温培养箱,显微镜,血球计数板;壳聚糖(生化试剂),戊二醛(A R ),冰醋酸(AR ),土豆,葡萄糖,琼脂,假丝酵母。

1.2　壳聚糖水凝胶的制备准确称取1.0g 壳聚糖于洁净烧杯中,加入40mL2%醋酸溶液,搅拌溶解;加入16mL 2%戊二醛,搅拌,50℃恒温1h 得黄色透明壳聚糖水凝胶;室温放置48h 得黄色透明壳聚糖水凝胶。

1.3　饱和溶胀度的测定[9,10]准确称取2g 左右凝胶,于蒸馏水中浸泡至溶胀平衡,滤去多余水分,用滤纸吸干其表面水分,称重,用下列公式计算样品饱和溶胀度。

S R =W s -W dW d×100%(1)式中:S R 为水凝胶的饱和溶胀度(%);W s 为凝胶在蒸馏水中达到溶胀平衡时的质量(g );W d 为凝胶未浸泡时质量(g )。

1.4　凝胶硬度测试Q TS 225Text ure Aualyser 上的圆柱形探头(直径为10mm )以15cm/s 的速度下降,当从凝胶表面向下压6mm 时,测得凝胶硬度(g )。

样品测试3次,取其平均值。

1.5　凝胶生物相容性的测定[10]在壳聚糖溶液中加入1.0mL7.68×108个酵母/mL 假丝酵母菌悬液、再加入戊二醛溶液,室温下凝胶,于28℃恒温培养箱中放置24h 后用无菌水浸泡,恒温摇床中震荡1h ;取上清液1mL 接种到固体酵母培养基上,在28℃恒温培养箱中进行微生物培养,观察其菌落生长情况。

2　结果与讨论2.1　工艺条件优化水凝胶是三维交联的亲水聚合物,能大量吸水并保持水分而不溶解于水中,具有良好的生物相容性。

凝胶中的含水量及其机械强度对水凝胶的应用有很大影响,因此,设计一组正交实验,对制备高硬度、高溶胀度水凝胶的工艺条件进行优化(正交实验结果表略)。

正交实验结果表明(表中A 为壳聚糖浓度,B 为戊二醛浓度,C 为凝胶温度),制备高硬度水凝胶的最佳工艺条件为A 3B 1C 3,即壳聚糖的浓度为3%,戊二醛的浓度为3.0%,凝胶温度为55℃;因素影响主次为A >B >C ,即对实验影响最大的因素是壳聚糖的用量,其次是交联剂戊二醛的浓度,对硬度影响最小的因素是凝胶温度。

制备高溶胀度水凝胶的最佳工艺条件为A 1B 3C 1,即壳聚糖浓度为2.0%,戊二醛的浓度为1%,凝胶温度为45℃;因素影响主次为B >C >A ,即对溶胀度影响最大的是戊二醛浓度,其次是壳聚糖浓度,影响最小的是凝胶温度。

212　对凝胶硬度和溶胀度的影响因素2.211　壳聚糖浓度戊二醛的浓度为2%,凝胶温度为50℃,配制壳聚糖浓度分别为1%、2%、3%、4%、5%、6%壳聚糖溶液40mL ,加入2%戊二醛16mL ,于50℃恒温水浴槽中1h ,室温下放置24h 后测定凝胶硬度;同时称取同样条件下制备的壳聚糖水凝胶各2g 左右,浸泡于蒸馏水中至溶胀平衡,测定其平衡溶胀度,壳聚糖浓度对凝胶硬度和溶胀度的影响如图1所示。

图1　壳聚糖浓度对凝胶硬度和溶胀度的影响由图2可知,水凝胶硬度随着壳聚糖浓度的增大而增大,在壳聚糖浓度为6%时最大;而溶胀度是随着壳聚糖浓度的增加而减小。

原因是随着壳聚糖浓度的增大,壳聚糖链间形成了凝聚缠结结构,该缠结结构是由壳聚糖链间轻侧基间形成的氢键缔合结构而引起的,其作用类似于交联网络结构中的交联点。

当壳聚糖浓度增加时,单位体积内壳聚糖分子数增加,形成链间氢键凝聚缠结点数目增加,亦即交联度增加,故溶胀度减小。

212.2　戊二醛浓度配制3%壳聚糖溶液40mL ,分别加入浓度分别为0.5%、1.0%、1.5%、2%、2.5%、3%戊二醛溶液16mL ,于50℃恒温水浴槽中1h ,室温下放置24h 后测定凝胶硬度;同时称取同样条件下制备的壳聚糖水凝胶各2g 左右,浸泡于蒸馏水中至溶胀平衡,测定其平衡溶胀度,戊二醛浓度对凝胶硬度和溶胀度·94·化工新型材料第33卷的影响如图2所示。

图2　戊二醛浓度对凝胶硬度和溶胀度的影响由图2可知,水凝胶的硬度随着交联剂浓度增大而增加。

原因是本实验所用的原料壳聚糖的脱乙酰度为92.67%,故壳聚糖分子链上有大量的氨基,增大交联剂戊二醛浓度,使壳聚糖分子链间的交联加剧,网络结构变得更加致密,因而凝胶硬度随着交联剂戊二醛浓度增加而增大;而网络结构变得更加致密也会使得水分子进入凝胶结构的阻力加大,壳聚糖分子链上的亲水基团难于与水分子接触,凝胶高分子网络的伸展受到限制,从而导致溶胀度随着戊二醛浓度的增加而降低。

212.3　凝胶温度配制3%壳聚糖溶液40mL ,加入浓度为2%的戊二醛溶液16mL ,搅拌均匀置于30℃、35℃、40℃、45℃、50℃和55℃的恒温水浴槽中1h ,室温下放置24h ,测定凝胶硬度和溶胀度,以研究凝胶温度对硬度和溶胀度的影响,实验结果见图3所示。

图3　凝胶温度对硬度和溶胀度的影响由图3可看出,水凝胶硬度是随着凝胶温度的升高而先减小,再增加,55℃时硬度最大;而溶胀度随着凝胶温度的升高而先增加,再减小,40℃时水凝胶溶胀度最高;但凝胶温度对硬度、溶胀度影响程度不大。

2.3　生物相容性将包埋假丝酵母的壳聚糖水凝胶浸泡在无菌水中,取1mL 上清液接种到酵母培养基中,于28℃恒温培养箱培养2～3d ,培养基表面长出浅乳黄色假丝酵母菌落,实验结果如图4所示。

该结果表明,壳聚糖水凝胶有较好的生物相容性,对微生物细胞没有毒害作用。

图4　假丝酵母菌落3　结　论水凝胶的硬度随着壳聚糖、戊二醛的浓度增大而增大;溶胀度随着壳聚糖、戊二醛的浓度增大而减小。

凝胶温度对水凝胶的硬度和溶胀度的影响不大,在本实验温度范围内,水凝胶硬度随着凝胶温度的升高而先减小,再增加;溶胀度随着凝胶温度的升高而先增加,再减小。

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