丙烯酸接枝壳寡糖生物可降解交联剂的合成与表征.pdf
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1、第 2 6卷第 2期 2 0 1 2 年 4 月 高校化学工程学报 J o u r na l o f Ch e mi c a l En g i n e e r i n g o f Ch i n e s e Un i v e r s i t i e s NO 2 V 0 】 2 6 Ap r 20 1 2 文章编 号:1 0 0 3 9 0 1 5 ( 2 0 1 2 ) 0 2 0 2 8 5 - 0 5 丙烯酸接枝壳寡糖生物可降解交联剂的合成与表征 苏宇佳, 赵骞, 孙建中 ( 浙江大学 化学工程与生物工程学系 化学工程联合 国家重点实验 室, 浙江 杭州 3 1 0 0 2 7 ) 摘要
2、:在 l 乙基- 3 - ( 3 二 甲氮丙基J 碳化二亚胺盐酸盐( E D C) 和 N 羟基琥珀 酰亚胺 HS ) 催化 作用 F,采用水溶性的壳 寡糖 ( CS O) 与丙 烯 酸( AA ) 发 生 N 酰 化 反应 ,制各 出一种 新型 水溶 性 可降解 水 凝胶 交 联剂 丙烯 酸接枝 壳 寡糖 ( CS O g - AA) 。用 C S O g - AA与丙烯酰胺 单体共 聚制备 了聚丙烯酰胺水凝胶 该水凝胶可 在蜗 牛酶作用下降解为水溶性 直链聚丙烯酰胺。采用 H N MR、红外吸收光谱法对 C S O g A A 结构进行表征,用溴酸钾 溴化钾滴定法定量分析了 CS O- g
3、 - A A 中不饱和双键 的含 量。结果表明: 该交联剂 中不饱 和双键 的接枝 率约 为 4 ,在适 当的温度 、口 H 值和酶浓 度下水凝胶经 7 2 h 完全降解。 关键词:壳寡糖:丙烯酸化:接枝反应;可降解交联剂;水凝胶 中图分类号:T Q3 2 6 4 文献标识码:A S yn t he s i s a nd Cha r a c t e r i z a t i o n o f Chi t o s a n ol i g o s a c c ha r i d e g r a f t - Ac r y l i c Ac i d Bi o de g r a da b l e Cr o s
4、s l i nke r s u Y u - j i a , Z H A O Q i a n , S U N J i a n - z h o n g ( S t a t e Ke y La b o r a t o r y o f Ch e mi c a l E n g i n e e r i n g , De p a r t me n t o f Ch e mi c a l a n d Bi o l o g i c al En g i n e e r i n g , Z h e j i a n g U n i v e r s i t y , H a n g z h o u 3 1 0 0 2 7
5、 , C h i n a ) Ab s t r a c t : A n e w wa t e r s ol u bl e a n d b i o d e g r a d a b l e c r o s s l i n k e r o f c h i t o s a n o l i g o s a c c ha r i d e g r a ft a c r y l i c a c i d ( C S O- g - A A ) w a s s y n t h e s i z e d thr o u g h t h e a c r y l y l r e a c t i o n o f a m i
6、n o g r o u p s i n t h e c h i t o s a n o l i g o s a c c h a r i d e( C S O ) c h a i n s wi t h a c r y l i c a c i d ( A A ) c a t al y z e d b y 1 - e t h y l - 3 - ( 3 一 d i me t h y l a mi n o p r o p y i ) - c a r b o d i i mi d e h y d r o c h l o r i d e ( E DC ) and N- h y d r o x y s u
7、c c i n i mi d e( N HS ) P o l y a c r y l a mi d e( P A M)h y d r o g e l s w e r e p r e p a r e d b y c o p o l y me r i z a t i o n o f a c ry l a mi d e a n d CS O- g AA CS O- g - AA wa s s t r u c t u r a l l y c ha r a c t e r i z e d by Fo u r i e r t r an s f o r m i n fra r e d s p e c t r
8、 o s c o p y( F T - I R ) a n d H- 1 n u c l e a r ma g n e t i c r e s o n a n c e( H - NMR ) s p e c t r o s c o p y T h e c o n t e n t o f u n s a t u r a t e d d o u b l e b o n d i n C S O- g - AA w a s q u a n t i t a t i v e l y a n a l y s e d b y t i t r a t i o n a n a l y s i s u s i n g
9、 p o t a s s i u m b r o ma t e ( K B r o ) a n d p o t a s s i u m b r o mi d e ( KB r ) T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e g r a ft i n g r a t i o o f u n s a t u r a t e d d o u b l e b o n d i n C S O g - A A i s a b ou t 4 At a p r o p e r t e mp e r a t u r e ,p H v a l u e a n d c o n
10、 c e n t r a t i o n o f e n z y me ,t h e P AM h y dr o g e l s c a n b e d e g r a d e d t o wa t e r s o l u b l e p o l y a c r y l am i d e c h a i n s i n 7 2 h u n d e r t h e c a t a l y s i s o fs n a i l as e Ke y wo r ds : c h i t o s a n o l i g o s a c c h a r i d e ; a c ryl i c a c i
11、d; g r a ft r e a c t i o n ; d e g r a d a b l e c r o s s l i n ke r ; h y d r o g e l s 1 前 言 水凝胶足一种经适度交联而具有三维网络的、 亲水但不溶于水的功能高分子材料。因其具高溶胀性、 渗透性及与人体组织的相似性而广 泛应用于组织工程及药物控释等生物医学领域 I 1 。化学凝胶一般由单 体与交联剂经引发聚合而成,常见的化学交联剂有 N, N 丑 甲基双丙烯酰胺、丙烯酰化聚乙烯醇 等,用 收稿 日期:2 0 1 l - 0 2 - 1 8 :修订 日期:2 0 1 1 - 0 6 0 3 。 作者
12、简介:苏宇佳( 1 9 8 7 一 ) 女,辽宁阜新人 浙江大学硕士生n通讯联系人:孙建中E m a il :b i g wig z j u e d u c a 高校化学工程学报 2 0 1 2 年4 月 其制备的化学凝胶一般不可生物降解,限制了其在生物医学领域的应用,因而制备可生物降解的水凝胶 成为研究的热点。一种有效的方法是用生物可降解的交联剂代替普通的化学交联剂制备水凝胶,使其在 一 定条件下在交联点位降解。 目前,可降解交联剂主要有聚酯类、氨基酸与多肽类、聚多糖类。H a n等人【 以辛酸亚锡为催化剂, 用甘油作为共聚引发剂引发丙交酯开环聚合生成 3 乳酸聚合物,并对其进行丙烯酰化封端
13、制备出可降解 交联剂。A n d a c等人【 4 】 对胱氨酸进行甲基丙烯酰化,得到 N , N 二( 甲基丙烯酰) L 胱氨酸( MA S S ) 交联剂, MA S - S溶 于水并 能被二硫 苏糖醇 等还 原剂降解 。P e r e z等人【 l 对假性三肽 T L T进行丙烯酰化改性 ,得到 可 降解交联 N- 甲基丙烯酸- 酪氨酸- 赖氨酸- 酪氨 酸( DMT L T ) 。C h a等人 6 1 在部分氧化 的海藻酸盐上连 接 甲基丙烯基团,形成可降解的聚多糖类交联剂,并通过控制海藻酸盐的氧化程度控制交联剂的降解速率。 壳聚糖是一种来源广泛的天然直链聚多糖,因其良好的生物相容性
14、、生物可降解性及抗菌性能,在 生物医药领域受到广泛关注。壳聚糖大分子链上含有羟基和氨基,可进行酰化、醚化、烷基化和席夫碱 化反应【 7 】 。 D o n g等人【 8 l 以Me S O 3 H作溶剂和催化剂, 使壳聚糖与丙烯酰氯发生均相 O 酰化反应生成丙烯 酰化 壳聚糖 。T s a i 等人 】 用邻苯二 甲酸酐对壳聚糖氨基 保护,然后用 丙烯酰氯与之 发生 O 酰化反应生成 光敏的壳聚糖交联剂。 然而壳聚糖不溶于水和碱溶液,作为交联剂制备水凝胶时有诸多不便 。本文采用可直接水溶的壳寡 糖( 即低分子量的壳聚糖) ,在 E D C N H S催化体系中,使丙烯酸与壳寡糖分子链上的氨基发
15、生 N 酰化反 应,从而制备了一种新型的水溶性可生物降解交联剂丙烯酸接枝壳寡糖。该方法具有步骤简单、反 应条件温 和、原料易得且毒性低等优势 。本 文采用核磁 、红外、化学滴定等方法表征该交联剂 的化学结 构。用该交联剂与丙烯酰胺单体共聚制备了聚丙烯酰胺水凝胶,并初步验证了水凝胶的降解性能。 2 实验部分 2 1 原料及试剂 壳寡糖,脱乙酰度 8 5 ,重均分子量为 1 0 0 0 0 ,购于济南海德贝海洋生物工程有限公司:丙烯酸, 纯度 9 8 , 上海化学试剂采购供应五联化工厂;1 乙基- 3 ( 3 - 二甲氨丙基) 碳化二亚胺盐酸盐( E D C ) , 纯度 9 8 5 ,阿拉丁公司
16、:N 羟基琥珀酰亚胺( NH S ) ,纯度 9 8 ,J &K C h e m i c a l L t d :丙烯酰胺,纯度 9 9 , 上海化学试剂三厂分装:N, N, N , N - 四甲基乙二胺( T E ME D ) ,9 9 ,A e r o s O r g a n i c s :过硫酸铵( A P S ) ,分 析纯 ,宜兴市第二 化学试 剂厂;蜗牛酶,漳州金 田生物科技有 限公司提供 :盐酸,优级纯,国药集团化 学试剂有限公司。 2 2 丙烯酸接枝壳寡糖可降解交联剂的合成 取 1 1 g 壳寡糖、 0 7 g E D C、 0 3 g N HS 溶解于2 5 mL p H 4
17、7 的稀盐酸中, 搅拌至完全溶解后加入0 4 9 2 3 g丙烯酸,室温下磁力搅拌反应 7 2 h 。反应完成后,将反应产物缓慢倒入 l 5 0 mL无水乙醇,搅拌使壳聚 糖衍 生物充分沉淀析出,真 空抽滤 ,取滤饼 自然干燥得到产物。 2 3 丙烯酰胺 水凝胶 制备 将 1 5 0 mg丙烯酰胺单体、5 0 mg 丙烯酸接枝交联剂溶于 1 5 m L水中,搅拌均匀,然后加入引发剂 A P S和 交联促 进剂 T E ME D,室温下聚合反应 1 2 h取 出,浸泡于大量去离子水中,去除未反应的 单体, 即得到水凝胶 。 2 4 水凝胶的降解 本文采用蜗牛酶初步探索了水凝胶的可降解性。称取 1
18、 5 m g蜗牛酶溶解于 1 0 m L p H为 4 0的 O 0 2 mo 1 mL 的H Ac Na Ac 缓冲液中,将一块适当大小的水凝胶浸泡于该溶液中,置于 4 0 C水浴中恒温缓慢 搅动【 l 们 。同时做对照实验,取同等大小的水凝胶浸泡于 2 0 mL H A c N a Ac 缓冲液中,4 O 水浴中恒温缓 慢搅动 ,观察水凝胶 的形貌变化 。 2 5 丙烯酸接枝壳聚糖的表 征 用 B r u k e r A v a la c e 4 0 0核磁共振波谱仪( 瑞士 B r u k e r 公司) 测试得到 H - NMR谱图, 取 3 0 mg 样品溶于 第 2 6卷第2 期
19、苏宇佳等:丙烯酸接枝壳寡糖生物可降解交联剂的合成与表征 2 8 7 1 m L D 2 O溶剂 中, 四甲基硅烷( T MS ) 为初始标准样 。 用 Ni c o l e t 5 7 0 0红外光谱仪测试样品的分子结构和特征基团,K B r 压片,扫描范围4 0 0 0 5 0 0 c m - 。 采用溴酸钾 溴化钾化学滴定法测定反应产物中乙烯基含量, 该法是定量分析有机物中乙烯基含量的 公认方法之一【 l “ 。溴酸钾- 溴化钾溶液在酸性条件下生成的 B r 2 与交联剂中的不饱和键进行加成反应 ,过 量的 B r 2 与 KI反应析出的 I 2 ,用 Na 2 S 2 O 3滴定。由于壳
20、寡糖分子量较大,空间位阻大,本文通过延长 B r 2 与不饱和键的反应时间,使不饱和键与 B r 2 反应完全,以保证滴定数据的可靠性。 产物中不饱和双键 , 含量的计算公式为 ,式中不饱和键含最 为每 m。 I 壳寡糖单 二月Tx IUUU 元含双键的物质的量;C 为 Na 2 S 2 O 3 的浓度,mo l L 一; 为空白试验消耗的体积,mL V j 为丙烯酸接枝 壳寡糖样品消耗的体积,mL :M 为壳寡糖 元的相对摩尔质量 l 6 1 mo l g ; 为丙烯酸接枝壳寡糖样品 的质量 ,g 。 3 结 果与讨论 3 1 丙烯酸接枝壳寡糖可降解交联剂的表征 3 1 1 反应原理 壳寡糖
21、是碱性聚多糖,在与丙烯酸的酰化反应中,采用 E D C和 NH S进行活化。由于氨基的亲核能 力比羟基强,壳寡糖分子链上的氨基更易与丙烯酸的羧基发生 N 酰化反应 ,从而在壳寡糖链上引入乙烯 基,一条壳寡糖分子链上引入两个以上乙烯基即可作为交联剂。E D C首先与丙烯酸的羧基偶合形成一个 O 异酰基脲结构 ,随后在 NH S的作用下 ,这一 活化 中问物 受到- NH 2 基团的攻击形成酰胺结构1 1 2 1 3 J 。图 1 为接枝反应的合成路线图。 + H 图 1 丙烯酸接枝壳寡糖的合成路线圈 F i g 1 S y n t h e s i s o f c r o s s l i n k
22、e r CS O- g - AA 3 1 2 红外光谱分析 图 2为壳寡糖( c s o) 及丙烯酸接枝壳寡糖( c s o - g A A) 的红外光谱,壳寡糖原料和接枝后的壳寡糖交联剂的图谱 相似度很高。 波数为 3 4 0 0 c m 附近的强吸收峰足由 OH的 O H 及 N H2 的 N H 伸缩振动和多糖分子问氢键作用引起 的 。 1 6 3 0 c m - 和 l 5 2 0 c m 附近 的吸收峰分别 是酰胺 的 C = O 伸缩振动和 N H弯曲振动引起的,分别是酰胺的 I 、I I 谱 带 ,1 3 8 0 c m 为酰胺中 C N伸缩 振动的吸收峰 , 说 明原料 脱乙酰
23、化程度不完全。1 3 1 5 c m 和 l 1 5 5 c m 卅处的吸收峰 分别 由 C N 键 和叔醇 C O 键 的伸 缩振动引起 。1 0 9 0 c m 处的强峰是 C O C中的 C O键吸收峰【 H - l 。对 比反应产物 。 图 2 壳寡糖( c S O) 及丙烯酸接枝壳寡糖( cs o 一 哥从 ) 的红外光谱 F i g , 2 F T - 1 R s p e c t r a o fCS O a n d CS O- g - AA 与壳寡糖的谱图,发现在波数 1 7 0 5 c m 出现一新的特征峰,可能是仲酰胺的 C = O键伸缩振动在共轭作 用影响下吸收频率增加,也可
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