殼聚糖-透明質(zhì)酸復(fù)合凝膠的制備

雷宏宇，范雪榮，王強(qiáng)，張穎

（江南大學(xué)生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214122）

殼聚糖-透明質(zhì)酸復(fù)合凝膠的制備

雷宏宇，范雪榮，王強(qiáng)，張穎

（江南大學(xué)生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214122）

合成了殼聚糖-透明質(zhì)酸復(fù)合凝膠（殼聚糖15g/L，透明質(zhì)酸1g/L，交聯(lián)劑戊二醛用量為殼聚糖-透明質(zhì)酸質(zhì)量的30%，即4.8g/L，室溫下放置24h），以改善單純殼聚糖凝膠脆性較大、黏彈性及持水能力較弱等性能。殼聚糖與透明質(zhì)酸在復(fù)合水凝膠中未發(fā)生微相分離，具有良好的相容性。與單純的殼聚糖凝膠相比，含有透明質(zhì)酸的復(fù)合凝膠具有較好的彈性及持水性能等。復(fù)合凝膠水分保持能力隨凝膠中透明質(zhì)酸含量的增大而增大，高溫條件下復(fù)合凝膠持水能力更顯著優(yōu)于單純殼聚糖凝膠。復(fù)合凝膠隨溫度、pH值等外界條件的改變會(huì)出現(xiàn)規(guī)律性的溶脹或收縮，具有作為智能材料使用的前景。

殼聚糖；透明質(zhì)酸；凝膠；智能材料

水凝膠是在水中溶脹并保持大量水分而又不溶解的聚合物，高分子水凝膠是由高分子骨架、水、交聯(lián)劑組成的三維體系，具有復(fù)雜的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[1-2]。智能水凝膠對(duì)外界條件的刺激能產(chǎn)生相應(yīng)的體積變化，在藥物釋放系統(tǒng)、仿生材料、化學(xué)閥、生物醫(yī)學(xué)、人造肌肉及酶改性等方面有著廣闊的應(yīng)用前景[3-4]。殼聚糖（CS）是2-氨基-葡萄糖和N-2-乙?；?2-氨基-葡萄糖通過(guò)β-1,4糖苷鍵聯(lián)結(jié)起來(lái)的沒(méi)有側(cè)鏈的直鏈多糖，其來(lái)源廣泛、容易制備，是自然界中唯一的親水性陽(yáng)離子聚合物，具有很好的成膜性和吸濕性，還具有生物相容性好、抗菌性和可生物降解等特點(diǎn)，用其制備的水凝膠具有許多獨(dú)特性能，但是殼聚糖凝膠脆性較大、黏彈性較弱、力學(xué)性能不足并且持水性能較弱[5-7]。有研究者利用非離子型親水性聚合物（聚乙烯醇等）與殼聚糖共混，用戊二醛或甲醛等做交聯(lián)劑來(lái)形成殼聚糖基互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠，從而改善單純殼聚糖凝膠的性能[8]。

透明質(zhì)酸（HA）是由D-葡萄糖醛酸及N-乙酰葡糖胺組成的高分子多糖，是目前為止公認(rèn)的最佳保濕成分之一，廣泛地應(yīng)用在化妝品中，跟殼聚糖一樣具有高度的生物相容性[9-10]。透明質(zhì)酸和殼聚糖在結(jié)構(gòu)和性能上既有相似性，又有互補(bǔ)性，在一定的pH值條件下，透明質(zhì)酸帶負(fù)電荷，而殼聚糖帶正電荷，兩者之間能夠通過(guò)靜電力相互吸引。透明質(zhì)酸交聯(lián)形成的水凝膠持水性和黏彈性?xún)?yōu)于殼聚糖水凝膠，但殼聚糖水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)于透明質(zhì)酸。因此，可以通過(guò)控制反應(yīng)條件制備出各種不同性能的殼聚糖-透明質(zhì)酸復(fù)合凝膠，彌補(bǔ)殼聚糖凝膠脆性較大、黏彈性和持水性不足的欠缺。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與材料

原料及藥品：殼聚糖（色譜純，相對(duì)分子質(zhì)量約為40萬(wàn)），東京化成工業(yè)株式會(huì)社；透明質(zhì)酸（醫(yī)用級(jí)，相對(duì)分子質(zhì)量約為100萬(wàn)），無(wú)錫新光化工有限公司；戊二醛（分析純），國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑公司；乙酸（分析純），上海試劑一廠(chǎng)。

主要儀器：TA.XTPlus型質(zhì)構(gòu)儀，英國(guó)Stable Micro System公司；SU1510型掃描電子顯微鏡，日本日立公司；NICOLETis10型傅里葉紅外光譜儀，賽默飛世爾科技（中國(guó)）有限公司；FD-1A-50型冷凍干燥機(jī)，北京博醫(yī)康實(shí)驗(yàn)儀器有限公司。

1.2 殼聚糖-透明質(zhì)酸復(fù)合凝膠制備

殼聚糖與透明質(zhì)酸溶于去離子水中（pH值為7～7.8），攪拌均勻后緩慢加入一定量的乙酸（2%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)），使殼聚糖充分溶解，之后加入交聯(lián)劑戊二醛，攪拌均勻后在室溫條件（25℃）下靜置24h。

1.3 測(cè)試方法

1.3.1 電子顯微鏡觀察

將達(dá)到溶脹平衡的凝膠冷凍干燥、噴金后，置于場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡中（SEM），觀察凝膠表面形態(tài)。

1.3.2 紅外測(cè)試

冷凍干燥后的凝膠進(jìn)行紅外測(cè)試，首先掃描背景，然后掃描樣品。掃描范圍是4000～750cm-1，掃描次數(shù)為32次。

1.3.3 全質(zhì)構(gòu)測(cè)試

將凝膠樣品切成3cm×3cm×1cm的立方體，質(zhì)構(gòu)儀采用P50探頭，分別進(jìn)行兩次壓縮，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.3.4 凝膠硬度測(cè)試

實(shí)驗(yàn)中采用質(zhì)構(gòu)儀進(jìn)行硬度測(cè)試，將P0.5探頭下壓10mm，所得曲線(xiàn)峰值即為樣品的硬度值。文中采用相對(duì)硬度，即以每批次測(cè)定樣品中最大的凝膠硬度為100%，其余樣品硬度為最大樣品硬度的百分比值表示各樣品的相對(duì)硬度。

1.3.5 凝膠溶脹性能測(cè)試

稱(chēng)取一定質(zhì)量（Wd）的凝膠樣品，大小約為2cm×1cm×2cm，將此凝膠浸入盛有足量去離子水的培養(yǎng)皿中，在室溫條件下，每隔一定時(shí)間，從溶液中取出凝膠，用兩片濾紙小心吸去表面多余的水分，稱(chēng)重（Ws）。此過(guò)程不斷重復(fù)，直至恒重（吸水達(dá)到平衡）。凝膠溶脹性能公式如式（1）。

式中，SR為溶脹度；Ws為t時(shí)刻溶脹凝膠的質(zhì)量；Wd為初始凝膠的質(zhì)量。

2 結(jié)果與討論

在去離子水中進(jìn)行透明質(zhì)酸溶解性能考察的預(yù)備實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)透明質(zhì)酸的濃度超過(guò)1.0g/L時(shí)，液體非常黏稠，無(wú)法攪拌均勻，故在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將透明質(zhì)酸濃度控制在1.0g/L以下。預(yù)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)殼聚糖濃度過(guò)大會(huì)使溶液太過(guò)黏稠不好操作且形成的凝膠強(qiáng)度大導(dǎo)致質(zhì)構(gòu)儀探頭無(wú)法工作，而殼聚糖濃度過(guò)小形成的凝膠較稀軟，無(wú)法取出進(jìn)行性能測(cè)試。當(dāng)殼聚糖濃度為15g/L時(shí)，凝膠樣品具有較理想的強(qiáng)度且不會(huì)影響質(zhì)構(gòu)儀探頭的工作，故選取殼聚糖濃度為15g/L進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。復(fù)合凝膠制備結(jié)束后放置24h后硬度基本無(wú)改變。

2.1 交聯(lián)劑用量對(duì)凝膠強(qiáng)度和溶脹性能的影響

戊二醛是凝膠制備常用交聯(lián)劑，其用量直接影響膠體的各項(xiàng)性能。隨著交聯(lián)劑用量上升，殼聚糖-透明質(zhì)酸凝膠強(qiáng)度上升（殼聚糖15g/L，透明質(zhì)酸1g/L）。當(dāng)交聯(lián)劑用量為35%（占?xì)ぞ厶?透明質(zhì)酸的質(zhì)量百分比，以下同）以上時(shí)，樣品硬度過(guò)大影響質(zhì)構(gòu)儀探頭工作，25%以下時(shí)樣品較稀致使取出較困難。

常溫25℃條件下，考察交聯(lián)劑用量對(duì)凝膠溶脹性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。戊二醛用量為20%、30%、40%的樣品達(dá)到溶脹平衡的時(shí)間分別為11h、15h、17h，達(dá)平衡時(shí)的溶脹度分別為3.249、1.999、1.110。在同樣時(shí)間下，隨著交聯(lián)劑用量增加，復(fù)合凝膠溶脹度減小，說(shuō)明隨著交聯(lián)劑用量增大，復(fù)合凝膠溶脹性能變差。增加交聯(lián)劑用量，會(huì)使凝膠內(nèi)部交聯(lián)增大，空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)連接更加緊密，導(dǎo)致外部水分子滲入凝膠內(nèi)部阻力加大，殼聚糖及透明質(zhì)酸分子鏈上的親水基團(tuán)難于與水分子接觸，凝膠高分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)延伸性受到限制，導(dǎo)致溶脹度隨著戊二醛濃度的增加而降低。交聯(lián)劑用量為30%的凝膠具有較好的強(qiáng)度和溶脹性能，故選擇交聯(lián)劑用量為殼聚糖-透明質(zhì)酸質(zhì)量的30%。

2.2 常溫下（25℃）及高溫下（60℃）透明質(zhì)酸濃度對(duì)凝膠水分保持性能的影響

圖1 交聯(lián)劑濃度對(duì)凝膠溶脹性能的影響

常溫25℃條件下，取透明質(zhì)酸濃度分別為0、0.5g/L、1.0g/L的凝膠樣品（固定殼聚糖濃度為15g/L，交聯(lián)劑用量為30%）各兩個(gè)，連續(xù)靜置，定時(shí)測(cè)定凝膠質(zhì)量的變化，每隔24h測(cè)一次。不同條件下樣品均用相對(duì)質(zhì)量表示，即以初始質(zhì)量為100%，后來(lái)質(zhì)量為初始質(zhì)量的百分比來(lái)表示凝膠的失水情況，比較常溫下不同含量透明質(zhì)酸對(duì)凝膠水分保持性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

上述同樣制備條件取樣在烘箱里邊（60℃條件下）連續(xù)測(cè)得凝膠質(zhì)量的變化，每隔1h測(cè)1次，比較較高溫度條件下不同含量透明質(zhì)酸對(duì)凝膠持水性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由圖2可知，在常溫下0～4天時(shí)，3種凝膠樣品的持水性能差別不大，從第5天開(kāi)始，透明質(zhì)酸含量越高，凝膠的持水性能越好，第8天時(shí)透明質(zhì)酸濃度為0、0.5g/L 、1.0g/L的樣品剩余質(zhì)量分別為初始質(zhì)量的的6.9%、8.8%和8.9%。圖3說(shuō)明在60℃下，從第6h開(kāi)始，不同凝膠的持水性能逐漸出現(xiàn)差異，隨著透明質(zhì)酸含量增加，凝膠持水性能呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，9h時(shí)不含透明質(zhì)酸及透明質(zhì)酸濃度為0.5g/L、1.0g/L的樣品剩余質(zhì)量分別為初始質(zhì)量的24.7%、33.7%和35.9%，研究結(jié)果說(shuō)明透明質(zhì)酸的加入明顯改善了凝膠在常溫及高溫下的持水性能。

圖2 常溫下透明質(zhì)酸含量對(duì)凝膠持水性能影響

圖3 高溫下透明質(zhì)酸含量對(duì)凝膠持水性能影響

2.3 殼聚糖-透明質(zhì)酸凝膠的表面特征

殼聚糖-透明質(zhì)酸凝膠樣品（殼聚糖15g/L，透明質(zhì)酸1.0g/L）進(jìn)行掃描電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)，得到的結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，殼聚糖-透明質(zhì)酸復(fù)合水凝膠截面均勻，殼聚糖與透明質(zhì)酸在復(fù)合水凝膠中未發(fā)生微相分離，具有良好的相容性。

2.4 紅外光譜實(shí)驗(yàn)

將殼聚糖-透明質(zhì)酸凝膠及原料進(jìn)行紅外測(cè)試，結(jié)果如圖5所示。在殼聚糖-透明質(zhì)酸復(fù)合水凝膠紅外譜圖中2958cm-1附近無(wú)醛基的費(fèi)米共振吸收峰，1720cm-1附近羰基（—C=O）的伸展吸收峰消失，說(shuō)明戊二醛的醛基發(fā)生了交聯(lián)反應(yīng)。殼聚糖主鏈上伯胺基（—NH2）和戊二醛上的羰基（—C=O）發(fā)生縮水聚合反應(yīng)生成亞胺鍵（—CH=N—），即生成了希夫堿（Shiff堿），該伸縮振動(dòng)吸收峰出現(xiàn)在1637cm-1處。透明質(zhì)酸通過(guò)羥基與戊二醛形成醚鍵進(jìn)行交聯(lián)（1150cm-1附近為醚鍵吸收峰）[11]，并且透明質(zhì)酸帶負(fù)電的羧酸基團(tuán)和殼聚糖中帶正電的氨基之間還能通過(guò)靜電作用形成鹽鍵。

圖4 凝膠掃描電子顯微鏡圖像

圖5 紅外光譜圖

2.5 全質(zhì)構(gòu)分析

將殼聚糖-透明質(zhì)酸凝膠（殼聚糖15g/L，透明質(zhì)酸1.0g/L）進(jìn)行全質(zhì)構(gòu)測(cè)定，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1（同樣條件得到的不含透明質(zhì)酸的單純殼聚糖凝膠測(cè)試未結(jié)束已破碎）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明殼聚糖-透明質(zhì)酸凝膠具有較好的強(qiáng)度、黏彈性和形變回復(fù)性。

表1 凝膠的全質(zhì)構(gòu)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.6 透明質(zhì)酸含量對(duì)凝膠溶脹度的影響

固定殼聚糖濃度為15g/L，交聯(lián)劑用量為30%，常溫下考察透明質(zhì)酸濃度對(duì)凝膠溶脹性的影響（透明質(zhì)酸分別取0、0.1g/L、0.4g/L、0.7g/L、1.0g/L），隨著透明質(zhì)酸濃度增加，凝膠溶脹度變化差距在0.4之間，相差較小，透明質(zhì)酸含量對(duì)復(fù)合凝膠的溶脹性能沒(méi)有明顯影響。

2.7 溫度對(duì)凝膠溶脹度的影響

固定殼聚糖濃度為15g/L，透明質(zhì)酸濃度為1.0g/L，交聯(lián)劑用量為30%，考察了20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃共6個(gè)不同溫度下復(fù)合凝膠的溶脹性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，隨溫度的增加，復(fù)合凝膠溶脹度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，50℃的時(shí)候?yàn)榉逯怠?shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明溫度的增加有利于溶脹度的增加，但溫度過(guò)高，可能會(huì)使凝膠的結(jié)構(gòu)遭到一定程度的破壞，而使溶脹度下降。

2.8 pH值對(duì)凝膠溶脹的影響

圖6 溫度對(duì)凝膠溶脹度的影響

取1～13共13個(gè)不同pH值，每個(gè)pH值分別稱(chēng)取1g左右的凝膠樣品兩個(gè)（2cm×2cm×2cm），盡量成規(guī)則的四方體，將樣品放入200mL燒杯中，用去離子水浸泡，去除樣品中的乙酸，每隔2h換一次去離子水，以使乙酸去除充分，換水3～5次，直到溶液pH值接近中性。用HCl和NaOH配制不同pH值的溶液200mL，將膠體浸入其中，7～8h后溶脹平衡，最后測(cè)量平衡質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用溶脹倍數(shù)表示（溶脹倍數(shù)=平衡質(zhì)量/初始質(zhì)量），實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 pH值對(duì)凝膠溶脹度的影響

由圖7可知，隨著pH值的增大，凝膠的溶脹倍數(shù)在酸性范圍內(nèi)出現(xiàn)了兩個(gè)峰值，而在堿性范圍內(nèi)溶脹則顯現(xiàn)出了遞減的趨勢(shì)，有可能是在堿性條件下不利于殼聚糖的交聯(lián)反應(yīng)，并且當(dāng)pH值大于11時(shí)，凝膠出現(xiàn)了縮小的情況，說(shuō)明堿性條件下不利于凝膠的溶脹。

3 結(jié) 論

本工作制備了殼聚糖-透明質(zhì)酸復(fù)合凝膠（殼聚糖15g/L，透明質(zhì)酸1.0g/L，交聯(lián)劑戊二醛用量為殼聚糖-透明質(zhì)酸質(zhì)量的30%，反應(yīng)時(shí)間24h，溫度為室溫），殼聚糖與透明質(zhì)酸相容性良好，在復(fù)合水凝膠中未發(fā)生微相分離。

合成的復(fù)合水凝膠具有較好的機(jī)械強(qiáng)度、彈性及持水性能等。與單純的殼聚糖凝膠相比，含有透明質(zhì)酸的復(fù)合凝膠水分保持能力明顯增加，并且凝膠水分保持能力隨透明質(zhì)酸濃度的增加而增大，且高溫下優(yōu)于常溫。隨著溫度、pH值等外界條件變化，復(fù)合水凝膠會(huì)出現(xiàn)規(guī)律性的溶脹或收縮，說(shuō)明該復(fù)合凝膠具有智能材料的潛質(zhì)。

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Preparation of chitosan-hyaluronic acid composite hydrogel

LEI Hongyu，F(xiàn)AN Xuerong，WANG Qiang，ZHANG Ying
（Key Laboratory of Science and Technology of Eco-Textiles，Ministry of Education，Jiangnan University，Wuxi 214122，Jiangsu，China）

Chitosan-hyaluronic acid composite hydrogel was prepared using glutaraldehyde as crosslinking agent（chitosan 15g/L，hyaluronic acid 1g/L，glutaraldehyde 4.8g/L，reacted at room temperature for 24h） to overcome the defects of chitosan hydrogel，such as high fragility，weak viscoelasticity，and low water retentivity. Chitosan and hyaluronan were crosslinked very well within the composite hydrogel and there was no micro phase separation. The composite hydrogel had much better viscoelastic and water-retention properties than chitosan hydrogel. The water retentivity of the composite hydrogel increased with increasing content of hyaluronic acid in the hydrogel. The improvement of water retentivity was more obvious at a high temperature. The composite hydrogel could regularly swell or contract when environmental conditions（temperature，pH，etc.） changed，indicating that this composite hydrogel might be a potential smart material.

chitosan；hyaluronic acid；gels；smart material

TQ 281

A

1000-6613（2014）09-2398-05

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.09.027

2013-12-31；修改稿日期：2014-02-09。

雷宏宇（1990—），男，碩士研究生。聯(lián)系人：張穎，博士，副教授，主要從事生物材料及紡織生物技術(shù)的研究。E-mail yingzhang @jiangnan.edu.cn。