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
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, 510006)
摘 要 以壳聚糖为原料, 。用正交实验
, :3%、戊二醛浓度为3%、凝胶温度为55℃2%、戊二醛浓度为1%、凝胶温度为45℃时, 。
关键词, 硬度, 溶胀度, 生物相容性
Preparation and properties of chitosan hydrogels
Yang 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 as
crosslinker. 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
基金项目:国家自然科学基金资助项目(20376087)
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
,
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。
第12期杨旭东等:
壳聚糖水凝胶的制备及性能研究
・49・
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
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 准确称取1. 0g 壳聚糖于洁净烧杯中, 加入40
mL2%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, 称重S R =
%W d
, 50℃, 配制壳123%、4%、5%、6%壳聚糖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。
(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。
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
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
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
・5
0・
化工新型材料第33卷
的影响如图2所示
。
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2 戊二醛浓度对凝胶硬度和溶胀度的影响
由图2可知, 大而增加。酰度为92. 67%, , 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。
参考文献
[1] 刘峰, 卓仁禧. [J].高分子通报,1995,12(4) ∶205～216[2] Qiu Y , Park K. [J].Adcanced Drug Delicery Reviews ,2002,
54∶13～16
[3] 姚康德, 彭涛, 高伟. [J].高分子通报,1995, (4) ∶205～216[4] Galaev I Y , Mattiasson B. [J].Tibtech ,1999,17∶335～340[5] J eong B , Gutowska A. [J].Trends in Riotechnology , 2002,20
(7) ∶305～311
[6] Majeti N V , Ravi K. [J].Treds in Biotechnolgy :Reactve &
Functional Polymers , 2000,46∶1～27
[7] Hoff man A S. [J].高分子通报,1995, (4) ∶245～252[8] 马光辉, 苏志国. [M ].北京:化学工业出版社,2004,1
[9] K. Mohana Raju M. Padmanabha Raju. [J].Advances in poly 2
mer technology , 2001,20(2) ∶146～154
[10] Masayuki Tomida , Masayoshi Yabe 1[J].Polymer , 1997, 38
(11) ∶2791～2795
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。
收稿日期:2005208208
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
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, 510006)
摘 要 以壳聚糖为原料, 。用正交实验
, :3%、戊二醛浓度为3%、凝胶温度为55℃2%、戊二醛浓度为1%、凝胶温度为45℃时, 。
关键词, 硬度, 溶胀度, 生物相容性
Preparation and properties of chitosan hydrogels
Yang 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 as
crosslinker. 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
基金项目:国家自然科学基金资助项目(20376087)
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
,
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。
第12期杨旭东等:
壳聚糖水凝胶的制备及性能研究
・49・
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
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 准确称取1. 0g 壳聚糖于洁净烧杯中, 加入40
mL2%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, 称重S R =
%W d
, 50℃, 配制壳123%、4%、5%、6%壳聚糖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。
(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。
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
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
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
・5
0・
化工新型材料第33卷
的影响如图2所示
。
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2 戊二醛浓度对凝胶硬度和溶胀度的影响
由图2可知, 大而增加。酰度为92. 67%, , 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。
参考文献
[1] 刘峰, 卓仁禧. [J].高分子通报,1995,12(4) ∶205～216[2] Qiu Y , Park K. [J].Adcanced Drug Delicery Reviews ,2002,
54∶13～16
[3] 姚康德, 彭涛, 高伟. [J].高分子通报,1995, (4) ∶205～216[4] Galaev I Y , Mattiasson B. [J].Tibtech ,1999,17∶335～340[5] J eong B , Gutowska A. [J].Trends in Riotechnology , 2002,20
(7) ∶305～311
[6] Majeti N V , Ravi K. [J].Treds in Biotechnolgy :Reactve &
Functional Polymers , 2000,46∶1～27
[7] Hoff man A S. [J].高分子通报,1995, (4) ∶245～252[8] 马光辉, 苏志国. [M ].北京:化学工业出版社,2004,1
[9] K. Mohana Raju M. Padmanabha Raju. [J].Advances in poly 2
mer technology , 2001,20(2) ∶146～154
[10] Masayuki Tomida , Masayoshi Yabe 1[J].Polymer , 1997, 38
(11) ∶2791～2795
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。
收稿日期:2005208208