第7期
2013年7月
高分子学报
ACTA POLYMERICA SINICA
No．7Jul．，2013
888
*2012-09-22收稿，2012-12-12修稿；国家自然科学基金（基金号50973084，31200719）和天津市高等学校科技发展基金（基金号20100308）资助项目．
＊＊通讯联系人，
E-mail ：tjpuchenlis@163．com ；bisixin2008@126．com doi ：10.3724/SP．J．1105.2013.12311
温敏性半乳糖基化壳聚糖水凝胶的制备及其对HL-7702细胞增殖行为影响的研究
*
毕思信
1
杨宁1杨淼坤1贺晓凌1张青松
1
陈莉
1＊＊
朱争艳2高英堂2杜智
2
（1天津市改性与功能纤维重点实验室天津工业大学材料科学与工程学院
天津300387）
（2天津市人工细胞重点实验室天津第三中心医院
天津300170）
摘要以壳聚糖（CS ）为原料，在1-乙基-3-（3-二甲胺丙基）碳-二亚胺盐酸盐（EDC ·HCL ）和N -羟基琥珀酰
亚胺（NHS ）的活化作用下，合成了半乳糖基化壳聚糖（GC ）单体，并与N -异丙基丙烯酰胺（NIPAAm ）反应，制备了温敏性半乳糖基化壳聚糖N -异丙基丙烯酰胺共聚水凝胶（Gal-CS-g -PNIPAAm ）．通过红外光谱（FTIR ）、光电子能谱（XPS ）和扫描电子显微镜（SEM ）等测试方法对其成分和结构进行了表征，并对其溶胀率和表面亲疏水性进行了研究．在Gal-CS-g -PNIPAAm 凝胶表面培养人正常肝细胞系（HL-7702），研究其生长、脱附及转载（再增殖）行为．结果表明Gal-CS-g -PNIPAAm 水凝胶具有良好的温度响应性和生物相容性，与PNIPAAm 水凝胶相比，
Gal-CS-g -PNIPAAm 凝胶表面更有利于HL-7702细胞增殖．将温度降低至临界温度（LCST ，32.5?）以下，细胞可以从凝胶表面自发脱附，与酶消化脱附相比，细胞损伤更少．Gal-CS-g -PNIPAAm 凝胶表面脱附的细胞比PNIPAAm 凝胶表面脱附的细胞活性更高，表明PNIPAAm 水凝胶引入GC 单体后，凝胶的生物相容性得到改善，且脱附后细胞的增殖活力明显增加．关键词
半乳糖基化壳聚糖水凝胶，温度响应性，人正常肝细胞系，细胞脱附，细胞转载
肝组织工程是目前处于实验初级阶段的一个新兴领域，
与其他治疗肝疾病的方法如药物治疗和器官移植相比，肝组织工程不存在无法根治和供体短缺的限制
［1 5］
．但是在肝组织工程研究
中，获取种子细胞时，传统的酶解法对细胞功能的损伤较大的缺点一直困扰着科技人员．Okano 等
［6，7］
提出了“细胞片层工程”的思想，将细胞在温度响应性支架材料表面培养，待细胞完全融合后，利用材料的温度响应性使细胞片层完整脱落，然后将其植入组织或器官的受损部位．因此制备适合肝细胞生长的支架材料是肝组织工程的关键．
PNIPAAm 水凝胶内部网络结构中含有大量的水分，具备流体的性质，与机体组织非常相似，并且柔软、湿润的表面减少了材料对细胞的不良刺激．温敏水凝胶具有温度响应性这一优良特性，使其成为细胞片层组织工程的优选支架材
料
［8 10］
．但是，PNIPAAm 的生物相容性较差，极大
限制了PNIPAAm 水凝胶的应用．CS 分子中含有较多的活性基团（如氨基、羟基），能通过多种化学方法进行修饰，而且具有优良的生物相容性和
生物可降解性，是一种理想的细胞外基质材料
［11］
．壳聚糖和PNIPAAm 的相关研究很多，但大
多集中在药物缓释和生物分离等方面［12 15］
，用于
组织工程尤其是细胞片层工程方面的研究则处于初级研究阶段，相关报道较少．本课题组陈莉等
［16］
制备了壳聚糖温敏凝胶（P （NIPAAm-
co -CSA ））支架，并在表面接种L929小鼠成纤维细胞研究其增殖和降温脱附行为，结果显示P （NIPAAm-co -CSA ）具有良好的生物相容性和温度响应性．但该温敏凝胶因缺少肝细胞靶向性，在肝组织工程研究和应用中有一定的局限性．半乳糖是肝细胞表面去唾液酸糖蛋白受体（asialoglycoprotein receptor ，ASGPR ）的特异性配
7期毕思信等：温敏性半乳糖基化壳聚糖水凝胶的制备及其对HL-7702细胞增殖行为影响的研究
体，能够诱导和提高肝细胞在细胞外基质材料表面的黏附［17］．贺晓凌等［18，19］合成了温敏性半乳糖水凝胶（P（NIPAAm-co-GAC）），并在其表面培养HepG2肝肿瘤细胞，结果表明凝胶的生物相容性较纯PNIPAAm凝胶有所提高，且具有良好的肝细胞靶向性，有利于肝细胞的黏附和增殖，同时，细胞能够从其表面无损伤脱附．但由于半乳糖的结构中有较强的亲水基团和阴离子化学基团，温敏凝胶中引入过量半乳糖基会不利于HL-7702细胞黏附同时也会诱导黏附细胞的凋亡［20］．CS是一种生物相容性良好的聚阳离子多糖．本文通过化学改性方法在CS主链上引入半乳糖基，并接枝PNIPAAm制备具有温度响应性的Gal-CS-g-PNIPAAm水凝胶支架材料．通过在其表面接种HL-7702细胞，研究细胞在其表面的增殖和脱附情况，并通过H＆E染色和细胞转载实验进一步验证降温脱附细胞活性优于酶消化脱附的细胞．
1实验部分
1.1仪器与材料
NIPAAm，日本KOHJIN公司；乳糖酸（LA），苏州亚科化学试剂有限公司；CS（脱乙酰度＞85%），浙江金壳生物化学公司；NHS、EDC·HCL，上海Medpep公司；四甲基乙二胺（TEMED），国药集团化学试剂有限公司；N，N-亚甲基双丙烯酰胺（MBA），Solarbio公司；过硫酸铵（APS），天津市赢达稀贵化学试剂厂；胰蛋白酶，美国Sigma公司；DMEM培养基（低糖），美国Gibco公司；胎牛血清（FBS），美国MDgenics公司；苏木素-伊红（H＆E）染色试剂盒，天津百浩生物科技有限公司；人正常肝细胞系（HL-7702），天津市第三中心医院．
VECTOR22红外光谱仪，德国Bruker公司；ELMER PH I5600型X射线光电子能谱仪；DCAT21动态接触角测试仪，德国Dataphysics Surface Tension；CK型倒置相差显微镜（Olympus，Japan）．
1.2Gal-CS-g-PNIPAAm共聚水凝胶的制备
称取一定量的LA溶于200mL TEMED/HCL 的缓冲溶液（pH=4.7）中，分别加入0.28g NHS，1.42g EDC和6g CS，室温条件下搅拌反应72h 后，用透析袋（滤过最大相对分子质量为3500）去离子水透析4天，沉析、冷冻、干燥即可得到固体GC．将上述GC单体和NIPAAm按质量比为1?2溶于20mL质量分数为1%的稀盐酸中，加入0.04g（APS）作引发剂，充N
2
30min．再加入0.1
g MBA交联剂，充N
2
10min，以适量TEMED作促进剂，将溶液倒入玻璃板模具中密封，室温反应48h后得到Gal-CS-g-PNIPAAm水凝胶．在37?水浴中达到平衡后，将凝胶切成直径为10mm的圆片，用去离子水浸泡7天，并隔天换水除去残留物，并置于磷酸盐缓冲溶液（PBS）平衡溶液中待用．
1.3材料成分和结构表征
将CS粉末、GC粉末及干燥的Gal-g-PNIPAAm共聚凝胶通过KBr压片测定其红外光谱．MERCURYPLUS超导核磁共振谱仪测样品核磁，以1%DCL为溶剂．通过ELMER PH I5600型X射线光电子能谱仪获得样品XPS能量图谱和化学元素的含量．将需要测试的样品冷冻干燥后在液氮中淬断后，切取凝胶的纵切面，将其粘到金属板上，喷金后在SEM下观察凝胶内部结构．1.4细胞生长研究
将PNIPAAm凝胶和Gal-CS-g-PNIPAAm共聚凝胶载体放入37?环境中平衡12h后置于48孔细胞培养板，每孔加入400μL，10wt%FBS 的DMEM/F12培养液，把传代后的HL-7702细胞稀释成密度为8?104个/mL的细胞悬液，每孔接种100μL．将种植后的细胞培养板置于37?，
5%CO
2
培养箱中继续培养7天，每24h更换一次细胞培养液，并在光学倒置显微镜下观察记录细胞的生长状况．
1.5细胞脱附研究
将培养7天后的细胞从37?移至20?环境，10，40和120min后分别用光学倒置显微镜观察记录细胞的形态．考察共聚水凝胶表面细胞的脱附行为．
脱附后的细胞配制成密度为5?104个/mL 的细胞悬液，接种至96孔板，每孔100μL．4h后吸去培养基，用PBS溶液洗2 3遍．加入固定液V（甲醇）/V（醋酸）=9?1，V/V）固定20min，甩出固定液并自然风干，HE试剂盒染色．
1.6细胞转载研究
收集Gal-CS-g-PNIPAAm凝胶和PNIPAAm 凝胶表面降温脱附的细胞和从TCPS板表面胰酶消化的细胞并稀释成浓度大约为1.5?104个/ mL；分别取10组各种细胞悬液200μL种植于96孔板中，分别在1、3和5天时观察细胞的增殖情
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高分子学报2013年
况，并用3-（4，5-二甲基噻唑-2）-2，5-二苯基四氮
唑溴盐（MTT ）法检测细胞的活性．1.7
统计学方法
应用SPSS17统计软件进行统计分析，数据以
x ?s 表示，组间比较采用t 检验和方差分析．当任意两组数据差异概率p ＜0.05时，
则认为它们之间存在显著性差异；当p ＜0.01时，则认为它们之间存在显极著性差异．
2
结果与讨论
2.1
Gal-CS-g -PNIPAAm 共聚凝胶的结构表征
从图1红外光谱图中可看出，CS 在3437
cm －1处的宽峰为羟基（O —H ）的伸缩振动吸收峰和N —H 伸缩振动吸收峰的重叠峰，
1652和1580cm －1分别为CS 的酰胺I 、II 键的特征峰（C O 伸缩振动吸收峰、
—NH 2面内弯曲振动吸收峰）．GC 的红外图谱与CS 的相比3421cm －1处的吸收峰变宽，
这是因为与CS 相比，产物O —H 数目增多，
1632cm －1处的酰胺I 键的特征吸收峰变化明显，1545cm －1处—NH 2吸收峰较CS 弱，说明在CS 的氨基上发生了酰化反应
．
Fig．1FTIR spectra of （a ）CS ，（b ）GC and （c ）Gal-
CS-g -NIPAAm
CS 的1H-NMR 谱归属如下，1
H-NMR （300
MHz ，D 2O /DCL ，δ）：4.816（H 1），3.099（H 2），3.38 4.0（m ，4H ），1.972（NHCOCH 3中的H ）．
GC 的1H-NMR 谱归属如下，1
H-NMR （300MHz ，
D 2O /DCL ，δ）：1.908（NHCOCH 3中的H ），4.768（H 1），4.06，4.4（H'1，Hc ），3.3 4.0（m ，10H ），3.042（H 2）．1H-NMR 结果表明GC 中δ=4.06和4.4的特征峰属LA 中的质子H'1，Hc．另外，通过与壳聚糖1
H-NMR 对比发现，NHCOCH 3中的质子H 的特征吸收峰从1.972移至1.098处，且峰值
增强，说明LA 中的羧基（—COOH ）与壳聚糖中的（—NH 2）发生了酰胺化反应．
从Gal-CS-g -PNIPAAm 凝胶红外图谱可以看出，与GC 的红外图谱对比，在1389and 1365
cm －1处产生了新的吸收峰，属于NIPAAm 的吸收峰．Gal-CS-g -PNIPAAm 的酰胺Ⅰ、Ⅱ键吸收峰从
1632和1531cm －1
分别移至1643和1548cm －1
处，且峰强明显增加．而1035 1080cm －1
处醚键（C —O —C ）特征吸收峰变化也较为明显［21］，证明
NIPAAm 已成功引入到GC 上．
对CS ，
GC 和Gal-CS-g -PNIPAAm 的XPS 谱图进行分析得到样品的各元素含量如图2和表1所示．可以看出，
GC 中N
元素的含量降低是由于Fig．2XPS scan spectra of CS ，GC and Gal-CS-g -
PNIPAAm
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7期毕思信等：温敏性半乳糖基化壳聚糖水凝胶的制备及其对HL-
7702细胞增殖行为影响的研究LA 引入到CS 中导致．Gal-CS-g -PNIPAAm 凝胶中N 元素含量比GC 中含量高，表明NIPAAm 的引
入使得GC 中N 元素含量升高．另外通过对比C 和O 元素的变化可以看出，
Gal-CS-g -PNIPAAm 凝胶中C 元素含量升高而O 元素含量降低进一步说明了NIPAAm 与GC 发生了聚合反应．
Table 1
Percentage composition （%）of N in CS ，GC and Gal-CS-g -PNIPAAm
Samples C1S O1S N1S CS 57.7132.387.48GC
65.0628.7 6.24Gal-CS-g -PNIPAAm
74.53
13.63
10.42
2.2
凝胶的温度响应性研究
图3是Gal-CS-g -PNIPAAm 和PNIPAAm 凝胶分别在25?和37?水浴中平衡24h 后冷冻
干燥后的断面SEM 照片．由图可知，
PNIPAAm 凝胶内部存在均匀规整的孔状结构（图3（a ）和3（c ）），而Gal-CS-g -PNIPAAm 凝胶内部孔状结构变得不规则，
且孔径变大（图3（b ）和3（d ））．由于GC 单体分子结构复杂，与NIPAAm 接枝共聚时产生很大的空间位阻，并且分布在共聚凝胶的
直链上，
使共聚凝胶呈现不规则的大孔结构．同时，
从图中可以看出，25?平衡温度下共聚凝胶内部孔洞远大于37?平衡温度下共聚凝胶内部孔洞尺寸．凝胶孔洞尺寸随着温度的升高变小．
图4分别为不同比例单体GC 含量的Gal-CS-g -PNIPAAm 水凝胶和纯PNIPAAm 水凝胶在DMEM 培养基中溶胀率随温度变化的曲线．如图所示，
Gal-CS-g -PNIPAAm 水凝胶和纯PNIPAAm 水凝胶在培养基中的溶胀率有相似的变化趋势，均具有良好的温度响应性，在一定温度范围内随温度的升高凝胶的溶胀率降低．各凝胶低临界溶解温度（LCST ）在32?左右．且随着GC 单体含量的增加溶胀率增大，这是由于GC 单体中半乳糖基的亲水作用引起．
表2是不同温度下2种凝胶的表面接触角，
从表中数据可知，
Gal-CS-g -PNIPAAm 共聚凝胶的接触角在两种温度下均较纯PNIPAAm 水凝胶减
小，说明GC 的引入增大了凝胶的亲水性．同时，从表中还可看出，2种凝胶表面接触角都随温度的升高而变大，在低于LCST 的25?时，接触角分别为84?和54?，而当环境温度变为大于LCST 的37?时，接触角分别为115?和83?，两者均显示出亲水性的降低，表现出很好的温度响应性
．
Fig．3SEM images of PNIPAAm and Gal-CS-g -PNIPAAm hydrogels at different temperature ：（a ）25?PNIPAAm ，（b ）25?Gal-CS-g -
PNIPAAm ，（c ）37?PNIPAAm and （d ）37?Gal-
CS-g -PNIPAAm 2.3
细胞生长行为研究
图5是HL-7702细胞在PNIPAAm 和Gal-CS-g -PNIPAAm 种凝胶表面分别培养3天和7天后
的光学显微镜照片．由图可知，细胞在2种凝胶表面数量随着培养时间的延长均明显增多．但是，与
PNIPAAm 凝胶相比，Gal-CS-g -PNIPAAm 凝胶表
面的细胞数量增加更明显，说明Gal-CS-g -PNIPAAm 凝胶更有利于HL-7702细胞的生长．图
6是HL-7702细胞在PNIPAAm 凝胶和GC-g -PNIPAAm 凝胶表面生长柱状图，从图中可以看
1
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年
Fig．4Temperature dependence of the swelling ratio of Gal-CS-g-PNIPAAm hydrogels in cell culture medium Table2Contact angles（?）of TCPS，PNIPAAm and GC-g-PNIPAAm
Samples
Contact angles（?）
T（25?）T（37?）
TCPS65.5?1.367.4?1.6
PNIPAAm84.8?2.1115.2?0.8 Gal-CS-g-PNIPAAm54.8?1.983.5?1.1出，培养1天时，细胞在2种凝胶表面的增殖差异不大，这是由于细胞进入新环境处于适应期阶段基本不进行分裂增殖，而从第3天开始细胞在GC-g-PNIPAAm凝胶表面的增殖速率明显比细胞在PNIPAAm凝胶表面增殖快，这一结果与图5所示的结果一致．说明GC单体接枝到
PNIPAAm
Fig．5Images of HL-7702cells grown on different surfaces：（a），（b）PNIPAAm hydrogel for3and7days；（c），
（d）Gal-CS-g-PNIPAAm hydrogel for3and7days
后，促进了肝细胞的黏附和增殖．图6（a）和6（c）
中显示部分细胞在凝胶表面未完全伸展，可能是
由于种子细胞中存在状态不佳的细胞所致．
2.4细胞脱附行为研究
图7为种植于Gal-CS-g-PNIPAAm凝胶表面
的HL-7702细胞，在37?环境下培养7天，达到
融合状态后降温脱附的过程．从图中可以看到，随
低温环境时间的延长，凝胶表面培养的细胞由铺
展状态变为圆形（图7（a）），并从凝胶表面自发
脱附（图7（b）），120min后细胞在凝胶表面几乎
完全脱附（图7（c））．这是因为温度低于LCST
（32.5?）时，Gal-CS-g-PNIPAAm凝胶表面的亲
水性增加，而亲水性较大的表面不利于细胞的黏
附，细胞可以无损伤脱附．降温脱附的方法可以避
免传统酶消化法回收细胞时破坏细胞与细胞之间
Fig．6Proliferation of HL-7702cells cultured on surfaces of
PNIPAAm hydrogel and Gal-CS-g-PNIPAAm hydrogel for1，3and5
days
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7期毕思信等：温敏性半乳糖基化壳聚糖水凝胶的制备及其对HL-
7702细胞增殖行为影响的研究的连接损害细胞膜表面的离子通道及生长因子受
体等细胞膜蛋白，造成细胞功能的损伤．为了更深入地证明降温脱附法收集细胞优于酶消化法，我们进一步进行了H＆E 染色观察实验．图8（a ）为降温脱附所得细胞4h 后重新贴壁
形态，
图8（b ）为通过酶消化法所得细胞4h 重新贴壁形态．通过观察对比，降温脱附的细胞重新接
种后会快速的贴壁铺展，
细胞核和细胞质区分明显．而经酶解法脱附所得细胞由于消化酶的使用，使细胞质收缩，导致细胞短时间内不能迅速贴壁和铺展，细胞核与细胞质不能明显区分．产生这一结果的原因是胰蛋白酶能够水解细胞外基质蛋白
和跨膜蛋白，
破坏细胞间及细胞与细胞基质间的连接，导致不能快速重新贴壁
［14］
．
Fig．7Photographs of cell morphologies on Gal-CS-g -PNIPAAm hydrogel surface for the process of cell detachment ：（a ）10min ，（b ）40
min and （c ）120
min
Fig．8H＆E staining of detached cells ：（a ）cells detached by lowering temperature and reseeded for 4h and （b ）cells detached by trypsin
digestion temperature and reseeded for 4h
Cells were collected from different methods of detachment．They were then stained with H＆E by conventional methods and observed under microscope．
2.5
细胞转载行为研究
为了考察降温脱附HL-7702细胞的活性，进
行了细胞转载实验，检测脱附细胞的重新贴壁增
殖活力，并以从TCPS 板上酶解消化获得的细胞作为对照．由图9中细胞转载培养的结果可知，从2种凝胶表面上脱附下来的细胞以及胰酶消化得到的细胞，随着培养时间的延长，细胞数量均逐渐增多．但是从2种凝胶表面自发脱附下来的细胞活性明显大于从TCPS 板上消化得到的细胞活性，这说明，温敏降温脱附完整地保留了细胞的活性，避免了酶解法对细胞造成的损伤．Gal-CS-g -PNIPAAm 上脱附的细胞活性明显大于PNIPAAm 凝胶表面脱附的细胞活性，说明GC 单体的引入
不仅提高了凝胶材料的细胞相容性，而且提高了脱附细胞的增殖活力
．
Fig．9
Comparison of HL-7702cells transshipment
activity ：（E Det．PS ）E detached cells ，（N Det PNIPAAm ）cells detached from PNIPAAm and （N Det．GC ）cells detached from Gal-CS-g -PNIPAAm （*p ＜0.05；＊＊p ＜0.01）
3
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3结论
将半乳糖基引入到CS的结构中制备出温敏性Gal-CS-g-PNIPAAm共聚水凝胶．Gal-CS-g-PNIPAAm凝胶更有利于HL-7702细胞的生长，说明GC糖单体的引入不仅改善了PNIPAAm水凝胶的生物相容性，而且促进了肝细胞的黏附和增殖．HL-7702细胞能够在Gal-CS-g-PNIPAAm共聚水凝胶表面无损伤脱附．对自发脱附和酶消化脱附的细胞重新贴壁（再增殖）培养发现，降温脱附的细胞比胰酶消化脱附的细胞再增殖活力更高，而Gal-CS-g-PNIPAAm共聚水凝胶表面脱附的细胞活力比NIPAAm水凝胶脱附的细胞活力高．Gal-CS-g-PNIPAAm水凝胶有望在肝组织工程以及细胞片层工程等方面得到广泛应用．
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498
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7期毕思信等：温敏性半乳糖基化壳聚糖水凝胶的制备及其对HL-7702细胞增殖行为影响的研究
THERMO-SENSITIVE GALACTOSYLATED CHITOSAN-g-
POLY（N-ISOPROPYLACRYLAMIDE）HYDROGELS
AND THEIR EFFECTS ON HL-7702CELLS’BEHAVIORS
Si-xin Bi1，Ning Yang1，Miao-kun Yang1，Xiao-ling He1，Qing-song Zhang1，Li Chen1，
Zheng-yan Zhu2，Ying-tang Gao2，Zhi Du2
（1Tianjin Key Laboratory of Fiber Modi cation and Functional Fiber，School of Materials Science and Engineering，
Tianjin Polytechnic University，Tianjin300387）
（2Key Laboratory of Regenerative Medicine，Tianjin Third Central Hospital，Tianjin300170）
Abstract The galactosylated chitosan（GC）was synthesized by the reaction of the amino group of chitosan and carboxyl group of lactobionic acid under the activation of1ethyl3-（3dimethyllaminopropyl）carbodiimide hydrochloride（EDC）and N-hydroxysulfosuccinimide sodium salt（NHS）．Subsequently，thermo-sensitive galactosylated chitosan-graft-poly（N-isopropylacrylamide）（Gal-CS-g-PNIPAm）hydrogels were prepared via free radical polymerization method．The chemical composition and structure of the novel copolymer obtained were characterized by Fourier transform infrared spectroscopy（FTIR），X-ray photoelectron spectroscopy （XPS）and scanning electron microscopy（SEM），respectively．Thermo-sensitive feature of the hydrogel was studied by measuring its swelling ratio and contact angle．The results showed that Gal-CS-g-PNIPAm hydrogels exhibited good temperature response．HL-7702cell behaviors such as proliferation，detachment and cell transfer were carefully investigated via cell culture on the surface of Gal-CS-g-PNIPAAm hydrogels in vitro．The results indicated that Gal-CS-g-PNIPAAm hydrogel exhibited a good biocompatibility．HL-7702cells cultured on this hydrogel surface proliferated better than on the PNIPAAm hydrogel．Besides，HL-7702cells could spontaneously detach from the surface of the Gal-CS-g-PNIPAAm hydrogel by lowering the temperature below the LCST（32.5?），and the detached cells showed less damage than those detached by enzymes from TCPS．Meanwhile，cells detached from Gal-CS-g-PNIPAAm hydrogel showed higher viability than those from the PNIPAAm hydrogel，suggesting that introduction of GC monomer to PNIPAAm hydrogel evidently improved the activity of the detached cells．
Keywords Gal-CS-g-PNIPAAm hydrogel，Thermo-response HL-7702cells line，Detachment，Cell transshipment
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910175879.6 (22)申请日 2019.03.08 (71)申请人 西安理工大学 地址 710048 陕西省西安市金花南路5号 (72)发明人 任鹏刚 张华 (74)专利代理机构 西安弘理专利事务所 61214 代理人 曾庆喜 (51)Int.Cl. C08F 120/00(2006.01) (54)发明名称 一种温敏性纳米水凝胶的制备方法 (57)摘要 本发明公开了一种温敏性纳米水凝胶的制 备方法，具体为：首先，利用丙烯酰氯与Pluronic F127羟基的亲核加成反应，制备丙烯酰化F127； 再将丙烯酰化F127溶解于去离子水中，加入过硫 酸铵，之后置于60℃～65℃的条件下反应12h～ 36h，得到聚合交联的F127纳米胶束溶液，之后再 装入透析袋中透析，最后，在-55～-65℃的条件 下冷冻干燥24h～48h，得到温敏性纳米水凝胶。 该方法通过预交联丙烯酰化F127，形成了纳米结 构稳定、化学交联的F127纳米水凝胶。该纳米水 凝胶具有可逆的高效温度响应性，转变温度18～ 22℃， 适于生理环境的应用。权利要求书1页 说明书6页 附图1页CN 110003369 A 2019.07.12 C N 110003369 A
权 利 要 求 书1/1页CN 110003369 A 1.一种温敏性纳米水凝胶的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施： 步骤1，利用丙烯酰氯与Pluronic F127羟基的亲核加成反应，制备丙烯酰化F127； 步骤2，将丙烯酰化F127溶解于去离子水中，加入过硫酸铵，之后置于60℃～65℃的条件下反应12h～36h，得到聚合交联的F127纳米胶束溶液； 步骤3，将经步骤2后得到的聚合交联F127纳米胶束溶液装入分子量为3000～8000的透析袋中透析3天～5天，最后，在-55～-65℃的条件下冷冻干燥24h～48h，得到温敏性纳米水凝胶。 2.根据权利要求1所述的一种温敏性纳米水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，制备丙烯酰化F127，具体为： 步骤1.1，将Pluronic F127溶解于无水二氯甲烷中，并置于0℃～4℃的冰水浴中，加入三乙胺，通入氮气保护15～20min，得到混合液a； 步骤1.2，按每秒1滴～2滴的速度向经步骤1.1后得到的混合液a中滴加丙烯酰氯，之后置于0℃～4℃的冰水浴中反应48h～60h，得到反应混合液，再将反应混合液进行过滤，除去滤渣，得到反应液； 步骤1.3，向经步骤1.2后得到的反应液中加入石油醚，沉淀15min～30min，之后将得到的固体物质置于真空干燥箱中干燥，得到丙烯酰化F127。 3.根据权利要求2所述的一种温敏性纳米水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤1.1中，Pluronic F127、无水二氯甲烷和三乙胺的摩尔比为1：5：10～20。 4.根据权利要求2所述的一种温敏性纳米水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤1.2中，丙烯酰氯与混合液a的质量比为1：10～20。 5.根据权利要求2所述的一种温敏性纳米水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤1.3中，反应液与石油醚的体积比为1：10～15；干燥温度为25℃～35℃，干燥时间为12h～24h。 6.根据权利要求1所述的一种温敏性纳米水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，丙烯酰化F127、过硫酸铵和去离子水的摩尔比为0.005～0.02：0.001～0.003：100。 2
壳聚糖改性工艺的研究 壳聚糖[是自然界中唯一大量存在的高分子碱性氨基多糖，与合成高分子材料相比，具有来源广泛、价格低廉、性质稳定、无刺激、无致敏、无致突变、良好的生物相容性和生物可降解性、低免疫原性以及生物活性等优点，已被广泛应用于工业、农业、生物工程、医药、食品、日化、污水处理、纺织印染等领域。壳聚糖不溶于普通溶剂，使其应用受到了一定限制，因此，对壳聚糖进行化学改性，提高其溶解性，并赋予其一些其他功能，扩大其应用领域成为了一个研究热点。 20116壳聚糖的结构和性质 1. 1壳聚糖的结构特性 壳聚糖具有复杂的双螺旋结构，其功能基团有氨基葡萄糖单元上的6位伯经基、3位仲羟基和2位氨基或一些N位乙酰氨基以及糖酐键，其结构式如图1所示。 1. 2.壳聚糖的一般理化性质 壳聚糖是生物界中惟一的一种碱性多糖，它是白色、无定型、半透明、略有珍珠光泽的固体，因原料和制备方法不同，其相对分子质量也从数十万至数百万不等。 1. 3壳聚糖的溶解性质 壳聚糖可溶于稀的盐酸、硝酸、醋酸等无机酸和大多数有机酸但不溶于稀硫酸和稀磷酸。影响壳聚糖溶解的主要因素有脱乙酰度、壳聚糖的相对分子质量、酸的种类等。 2壳聚糖的改性研究 由于壳聚糖自身性能的局限性，科研工作者对其进行了改性研究，通过控制反应条件在壳聚糖上引人其他基团来改变其理化性质[6]。本文将介绍壳聚糖改性的研究进展及应用，并对目前的一些改性方法进行了较全面的总结。 2. 1化学改性 壳聚糖分子上有许多经基和氨基，可通过对其进行分子设计实现可控化学修饰，从而改善壳聚糖本身性能的一些不足。根据壳聚糖的化学性质，可以从酰化、酯化、烷基化等几个方面对其进行化学改性。 2.1.1酸化改性 壳聚糖可与多种有机酸的衍生物如酸酐,酰卤等反应，可引人不同相对分子质量的脂肪族或芳香族的酰基进行改性。酰化反应既可在轻基上反应(O位酰化)生成酯，也可在氨基上反应(N位酞化)生成酰胺。酰化化改性后的产物的溶解度有所改善，它具有良好的生物相容性，是一种潜在的医用生物高分子材料。如脂肪族酰化化产物可作为生物相 容性材料，N一甲酰化产物可增强人造纤维的物理性能。
植入释药系统可实现数天到数年的长期稳定释药，在精神卫生疾病治疗、戒毒戒烟、避孕、抗肿瘤等领域有非常重要的临床应用价值。生物相容性好、可生物降解并控制药物释放的水凝胶，被认为是理想的埋植释药骨架材料。以环境响应高分子为骨架的原位凝胶埋植给药系统，可以溶胶形式注射植入，在体内发生溶胶－凝胶相变，形成半固态水凝胶释药骨架，控制药物实现长达数月释放，成为埋植给药的最前沿和重点方向之一 接下来我要跟大家分享的是近年国内外在温敏水凝胶原位植入释药系统方面的研究进展，并分析其面临的问题与可能的解决途径 原位凝胶是一类以溶液状态给药后，能在用药部位立即发生相转变，由液态转化形成非化学交联半固体凝胶的制剂。药物与凝胶材料可以制成均一、混悬的乳胶稠厚液体或半固体的凝胶剂。凝胶剂具有良好的组织相容性，在给药部位滞留时间长；同时可起到贮存药物，防止药物受环境影响等作用。 根据形成机制的不同，可以将原位凝胶分为温度敏感型、pH 敏感型以及离子敏感型等。原位凝胶剂作为一种新型的药物剂型，广泛用于缓释、控释及脉冲释放等新型给药系统，原位凝胶可应用于皮肤、眼部、鼻腔、口腔、阴道、直肠等多种途径给药。现今，原位凝胶给药系统已成为药剂学与生物技术领域的一个研究热点。 反向温敏水凝胶在常温下为溶胶，而在体温下迅速转变为凝胶，其容易制备，且相转变速度快，成为最主要原位凝胶材料。 我将从三个方面来具体介绍凝胶材料和给药系统的制备：。。。。。。。 理想的温敏凝胶材料应具备以下条件: ①在室温下有良好的流动性，黏度一般小于 5 Pa·s，以便注射; ②注射后在体温下迅速发生溶胶－凝胶转变，转变时间一般小于10 min; ③生物相容性: 植入材料及其降解产物无毒性，引起的炎性反应程度低，注射部位无明显异物感; ④良好的载药性能和足够的载药容量; ⑤较高的机械强度和丰富的网络结构; ⑥合适的降解速率和降解动力学特征。 最初的原位释药系统大都采用组织工程领域开发的各种凝胶材料。此后，为满足植入释药的一些特殊需求，研究者开发多种新型的温敏水凝胶体系，并对其进行各种改造。目前研究报道的用于植入释药的温敏水凝胶主要包括以下几类: 多糖/盐体系、嵌段聚合物和异丙基丙烯酰胺共聚物。 表中列出了各类中研究较多的温敏凝胶系统及其主要特性。近年来，生物相容
一种温敏智能水凝胶 高分子水凝胶指能够在水中溶胀并保持大量水分的不溶性交联聚合物，它具有网络结构。一些水凝胶受到外界环境的刺激，如温度、溶液的组成、pH值、电场等变化时，其结构和性能(一般是体积)会随之发生突变，呈现体积相变(体积的突然收缩或膨胀)行为，从而具有智能功能。其中对温度敏感的水凝胶叫做温敏水凝胶。 一、一种典型的温敏水凝胶—PNIPA水凝胶 温敏水凝胶的种类很多，其中聚N–异丙基丙烯酰胺(PNIPA)类水凝胶最受关注。PNIPA水凝胶可由N–异丙基丙烯酰胺(NIPA)单体在交联剂、引发剂等存在下聚合生成(如图1所示)。NIPA的侧链中既含有亲水性的酰氨基又含有疏水性的异丙基，NIPA聚合生成网络结构的水凝胶。 图1 PNIPA水凝胶的合成 低温时，PNIPA水凝胶三维网络结构中存在许多孔隙，水可以占据孔隙，发生吸水溶胀。此时水分子与PNIPA的酰胺基团形成氢键，在聚合物四周形成高度有序的水分子层，聚合物处于伸展状态(如图2左侧所示)。当温度升高至某个温度(叫做最低临界溶解温度LCST，通常在30～35℃范围)时，氢键遭到破坏，包裹在聚合物周围的水分子减少，疏水基团之间的疏水缔合作用增强，水从孔隙中排出，凝胶突然收缩，发生退溶胀(如图2所示)。以上变化过程可逆，收缩的凝胶会随着温度的降低而再次溶胀，恢复原状。 图2 PNIPA水凝胶的体积相变示意图 LCST是水凝胶的重要参数，可以通过在聚合过程中加入疏水或亲水的共聚单体、溶剂、简单盐类、表面活性剂等来改变。通常，PNIPA聚合物的疏水部分越多，水凝胶的LCST越高，亲水部分越多则相反。例如，以NIPA与疏水性更强的N，N–二甲基丙烯酰胺为原料，制得的PNIPA水凝胶的LCST随着后者含量的增大而升高。 由于PNIPA水凝胶的LCST接近人体温度，它的温敏智能性和记忆效应引起了人们很大的兴趣，在生物医学领域，例如物质分离、药物释放、酶和细胞的固定化等方面有着很好的应用前景。 二、PNIPA温敏水凝胶用于酶固化研究
壳聚糖改性研究与应用 赵朝霞（1142032224）四川大学化学学院2011级本科 摘要：甲壳素是一种天然多糖，脱除乙酰基的产物是壳聚糖，作为新型功能生物材料，它们已在水处理、日用化学品、生物工程和医药等领域得到了应用。本文综述了近年来关于壳聚糖改性研究进展，以及将其应用到医学、食品、化学工业等各个领域的概况，重点介绍了化学和物理修饰方法的应用研究。 关键词：壳聚糖化学改性与修饰物理改性与修饰功能材料 甲壳素的化学名称为(1，4)一2一乙酰氨基一2一脱氧一β—D—葡聚糖，它是通过β-1-4糖苷键相连的线性生物高分子，分子量从几十万到几百万。甲壳素脱除乙酰基后的产物是壳聚糖，其化学名称为(1，4)一2一氨基一2—脱氧—β一D—葡聚糖。甲壳素和壳聚糖具有与纤维素很相近的化学结构，它们的区别仅是在C位上的羟基分别被一个乙酰氨基和氨基所代替(如图） 但它们的化学性质却有较大差别。甲壳素和壳聚糖具有生物降解性、细胞亲和性和生物效应等许多独特的性质，尤其是含有游离氨基的壳聚糖，是天然多糖中唯一的碱性多糖[1-4]。因此，它们已在废水处理、食品工业、纺织、化工、日用化学品、农业、生物工程和医药等方面得到应用。 医药领域 聚乳酸一羟基乙酸共聚物(PLGA)微粒广泛用于蛋白、多肽、核酸等生物大分子给药。由于PL-GA纳米微球表面缺乏可用于共价修饰的基团，所以难以在表面负载生物活性物质如DNA、配体和疫苗等，不易于通过受体或抗体进行靶向给药。因此，人们尝试用不同方法将PLGA 表层包裹不同的聚合物以达到物理改性PLGA微球表面的目的。如阳离子表面修饰是基于PLGA表层负电荷而设计的，这种方式使PLGA的表面活化成为可能。将壳聚糖(CHS)选做纳米微球表面修饰材料是因为它具有阳离子电荷，生物可降解，黏膜黏附性等特性。阎晓霏等以溶菌酶为模型蛋白，将改性PLGA与溶菌酶通过化学键结合并以CHS修饰得到一种新型阳离子纳米微球，达到增大纳米微球的包封率、载药量并促进蛋白类药物吸收的目的[5]。 壳聚糖在医药测定方面也有着十分积极的作用。Zhang等[6]首先制备了壳聚糖包覆的CdSe ／ZrKS量子点作为Her2／neu基因小分子干扰RNA(small interfering RNA，siRNA)的载体。并通过跟踪量子点的荧光信号证实药物载体靶向传送到乳腺肿瘤细胞，利用荧光索酶和酶联免疫分析验证导入细胞的siRNA的基因沉默效应。钟文英[7]等壳聚糖包覆的Ccrre量子点为荧光探针，基于荧光猝灭法建立了吉米沙星定量测定方法。以壳聚糖为载体合成新型疏水色谱填料[8]，有效分离提纯枯草芽孢杆菌α一淀粉酶、鸡卵粘蛋白、AS 1.398中性蛋白酶以及伪单孢杆菌脂肪酶[9]，以壳聚糖为载体的亲和吸附剂和壳聚糖固定化蛋白酶均具有广泛应用价值． 壳聚糖羧甲基化后，与磷酸钙生成螯合物，它可促进骨骼的矿化，在医药上可作为成骨的促进剂[10]。 二、化工领域 武美霞[11]等以壳聚糖为络合剂、稳定剂或保护剂，通过简单的化学还原法制备了具有超小尺寸的非晶态NiB．CS催化剂，并且使活性组分Ni分散均匀。壳聚糖修饰炭黑负载Pt—Au 催化剂，对原电极有相当好的物理极化学性质的改良作用。Sugunan[12]等认为，壳聚糖之所以能够捕获并起到稳定金纳米粒子的作用，一是由于两者之间存在静电作用；二是壳聚糖具有足够大的立体位阻效应，从而避免了金纳米粒子的聚集并能使金纳米粒子功能化。因此，
壳聚糖特性及其应用 作者简介：孔佳琦，女，本科，西北民族大学化工学院，专业：制药工程。 力芬，女，本科，西北民族大学化工学院，专业：环境工程。 摘要：壳聚糖是自然界中储量丰富天然高分子化合物，壳聚糖及其衍生物具有各种优良的性质，本文主要介绍了壳聚糖的特性以及其在不同方面的应用情况，为壳聚糖的研究发展提供依据和思路。 关键词：壳聚糖；特性；应用 壳聚糖（chitosan）又称脱乙酰甲壳素，是由自然界广泛存在的几丁质（chitin）经过脱乙酰作用得到的，化学名称为聚葡萄糖胺（1-4）-2-氨基-B-D葡萄糖。纯甲壳素和纯壳聚糖都是一种白色或灰白色透明的片状或粉状固体，无味、无臭、无毒性，纯壳聚糖略带珍珠光泽。在特定的条件下，壳聚糖能发生水解、烷基化、酰基化、羧甲基化、磺化、硝化、卤化、氧化、还原、缩合和络合等化学反应，可生成各种具有不同性能的壳聚糖衍生物，从而扩大了壳聚糖的应用围。本文就壳聚糖的特性和应用进行阐述，为其研究和发展提供依据和思路。
1.特性 1.1抗菌性。壳聚糖是唯一一种天然的弱碱性多糖在弱酸溶剂中易于溶解，溶解后的溶液中含有氨基（NH2+），这些氨基通过结合负电子来抑制细菌。壳聚糖的抗菌性会随着其浓度的增加而增强。壳聚糖对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等有较强的抑制作用。 1.2吸附性。壳聚糖具有很强的吸附功能，特别是对重金属离子的吸附如对铜、汞、铅等离子的吸收。壳聚糖的吸附活性可以有选择地发挥作用。当然还可以吸附胆固醇、甘油三酯、胆酸、油脂[1]等。 1.3保湿性。壳聚糖衍生物分子中有许多活泼的亲水极性基团如-OH、-COOH及-NH2，这些基团可以使其显示出保湿性。对于羧基化壳聚糖，其羟基的含量远大于其他衍生物，且羧基的亲水性所以能够结合更多的水分。因此羧基化壳聚糖的吸湿、保湿性也就明显高于其他类型的壳聚糖衍生物。 1.4成膜性。壳聚糖是线性高分子聚合物，理化性能稳定，可生物降解，粘合性好，成纤成膜性能优良。吴国杰[2]等人研究了壳聚糖膜的制备方法和性能，探讨了壳聚糖溶液成膜的最佳工艺条件。 1.5调节作用。壳聚糖可激活体具有免疫功能的淋巴细胞，使其能分辨正常细胞和癌细胞，并杀死癌细胞。还能调
《文献检索与科技论文写作》作业 壳聚糖的改性在水处理中的应用进展 年级： 学院： 专业：高分子材料 学生： 学号： 指导教师： 提纲
0 引言 壳聚糖是性能优异、应用广泛且具有开发价值的天然高分子絮凝剂。虽然在应用中有一些不足，但可以通过物理或化学改性来提高其性能，拓展其应用围。本文主要介绍壳聚糖改性后在水处理中的应用进展。 1 壳聚糖的改性在饮用水处理中的应用 从对氟离子的吸附及对浊度的降低介绍改性壳聚糖的应用效果； 2 壳聚糖的改性在工业废水中的应用 2.1 印染废水 从对偶氮染料的吸附及对阳离子染料的吸附介绍改性壳聚糖的应用； 2.2 重金属离子 2+、Th4+的吸附及对Cr(VI)的吸附，主要从对铜离子、对镍离子的吸附；对UO 2 来介绍改性壳聚糖的应用； 2.3 造纸废水 主要介绍接枝改性壳聚糖和壳聚糖微球对造纸废水的处理效果； 3 壳聚糖的改性在城市污水和海水中的应用 主要介绍改性壳聚糖对SS、浊度、BOD5及COD等的处理效果； 4 结语与展望 介绍目前的改性研究情况及未来研究的方向。 5 参考文献
壳聚糖的改性在水处理中的应用进展 --------大学材料科学与工程学院14级高分子材料专业马舒颜摘要：本文阐述了壳聚糖絮凝剂改性后在水处理方面的应用进展，着重说明其在重金属离子处理、印染废水处理中的应用。壳聚糖絮凝剂在水处理中应用极广，环境友好，从可持续发展角度来看有着巨大的发展潜力和研究意义。 关键词：壳聚糖的改性絮凝水处理 0 引言 水是人类生存最基本的需求，传统的水处理剂会在水中有残留，对人体健康及环境造成危害。因此，兼具环境友好、可再生、来源广泛的绿色水处理剂备受关注。而壳聚糖就是性能最为优异的的天然高分子材料之一。 壳聚糖是由自然界广泛存在的甲壳素经过脱乙酰作用得到的，又称脱乙酰甲壳素，一般而言，甲壳素的N-乙酰基脱去55％以上就可称为壳聚糖，其分子式为 (C 6H 11 NO 4 )N。壳聚糖结构中含有大量活泼的氨基和羟基，在酸性溶液中能形成阳离 子型聚电解质，有良好的絮凝作用；且可通过表面侵蚀、酶降解、溶解等多种降解方式进行可控性降解，无毒副作用；同时还具有很好的生物相容性、吸附性、吸湿性、成膜性、抵抗免疫反应性和抗菌性等，广泛应用于造纸、纺织、制革、工业废水处理；在医药、食品保健品等领域也发挥着巨大的作用。因此，壳聚糖是一种用途广泛且富开发价值的天然高分子絮凝剂。 然而，壳聚糖在实际应用中还存在一些不足，譬如：化学性质不活泼、溶解性较差、分子量相对较低等，在一定程度上限制了它的使用围。但因其结构中含有羟基、乙酰基和氨基等官能团，故可以利用烷基化、酯化、接枝、交联等改性方法来改善壳聚糖的性质，提高其性能，从而拓展应用围，得到更大的利用空间。 1 壳聚糖的改性在饮用水处理中的应用 饮用水的处理，目的是将水处理为对人体有生物安全性和化学安全性的水，同时水的浊度、色度、硬度、气味等给人的感受要好[1]。壳聚糖因其天然、无毒、安全性，在饮用水处理中显示了其独特的优越性。壳聚糖特有的分子结构，可有效去除水中的悬浮物、有机物、颜色和气味，可降低水中COD含量并减少水中毒副物质的产生；此外，壳聚糖可以有效吸附去除饮用水中重金属及其藻类物质；还可以去除无机絮凝剂处理后残留的铝离子，且能一定程度上抑制水中微生物的繁殖和生长，从而具有一定的杀菌作用[2]。 我国是世界上地方性氟中毒较严重的国家之一。氟离子是人体不可或缺的微
快速响应温敏水凝胶研究进展 秦爱香1,2,吕满庚13,刘群峰1,2,张 平1,2 (1中国科学院广州化学研究所,广州 510650;2中国科学院研究生院,北京 100039) 摘要:温敏水凝胶是一类具有广泛应用前景的高分子材料,但是由于传统方法合成的水凝胶响 应速率较慢因而限制了其应用,因此近年来围绕提高传统水凝胶的响应速率做了大量研究工作。 本文从几个方面综述了近年来快速响应的温敏水凝胶的研究进展,并对有关现象进行了解释和说 明。 关键词:快速响应;温敏水凝胶;N2异丙基丙烯酰胺 所谓温敏水凝胶[1],是指水凝胶的吸水(或溶剂)量在某一温度有突发性变化,即溶胀比(所吸水或溶胀剂的量与干凝胶质量的比)在某一温度会突然变化,此温度称为敏感温度。化学交联的聚N2异丙基丙烯酰胺(PNIPA)水凝胶由于侧链中既含有亲水性的氨基又含有疏水性的异丙基而成为一种典型的温敏水凝胶。该水凝胶在较低临界溶解温度(Lower Critical S olution T em parature,LCST)时显示出体积相转变[2]。当溶胀温度低于LCST时,凝胶吸水溶胀,表现出亲水性;而当温度高于LCST时,凝胶收缩,释放出几乎其吸收的全部水分,由于网络结构中亲水Π疏水平衡的破坏而形成坍塌的、去水化的疏水状态。以N2异丙基丙烯酰胺(NIPA)为单体形成的均聚水凝胶或与其它单体形成的共聚水凝胶均有这样的特性,它们这种对于温度敏感的特性引起了人们很大的兴趣。这种温敏水凝胶可广泛用于药物控制释放、酶的固定化、化学发动机设计、医疗诊断、化学反应控制、记忆元件开关、传感器和力化学转换器等[3～6]。 温敏水凝胶的响应速率是评价其性能的最重要参数之一,一般情况下都要求水凝胶具有快速的响应速率。但是,由于传统方法合成的PNIPA水凝胶响应速率较慢[7],考虑到某些特殊应用,如人工肌肉、开关阀等,因此提高PNIPA水凝胶响应速率的研究具有重要意义。近几年来这方面的报道也越来越多[8～52]。虽然国内已有很多关于温敏PNIPA水凝胶的综述[1,5,53～55],但关于快速响应的温敏PNIPA水凝胶的详细论述却很少。本文就近几年来国内外在该领域新的研究方法及取得的进展作简要介绍。 1 制备孔结构水凝胶 凝胶溶胀或收缩过程主要是高分子网络吸收或释放溶剂,这是一个慢的扩散过程,而且接近临界点时更慢。但对于一个具有相互连接的孔结构的网络来说,溶剂的吸收或释放通过孔由对流产生,这一过程比非孔凝胶中的扩散过程快。因此,合成具有孔结构的水凝胶可以提高其响应速率。 111 使用成孔剂 Wu等[8]用羟丙基纤维素作为成孔剂在温度高于LCST下合成了大孔PNIPA水凝胶,与传统方法合成的PNIPA水凝胶相比较,大孔PNIPA水凝胶具有较大的孔体积,较大的平均孔尺寸,较快的大分子渗透速度;在温度低于LCST时有更高的溶胀比;显示更快的去溶胀和再溶胀速率,并且去溶胀速率特别快。Zhang等[9,10]利用聚乙二醇(PEG)400作为成孔剂制备了快速响应的温敏性PNIPA水凝胶。Zhuo等[11]用不同分子量(2000～6000)的PEG作为成孔剂,合成大孔的温度敏感性PNIPA水凝胶,极大改善了其溶胀和去溶胀性能,并且讨论了PEG分子量和含量对大孔水凝胶响应动力学的影响。 基金项目:中国科学院“百人计划”项目; 作者简介:秦爱香(19822),女,中国科学院广州化学研究所高分子化学与物理专业硕士研究生,研究方向是温敏性水凝胶的合成与研究。 3通讯联系人。E2mail mglu@https://www.doczj.com/doc/d512913245.html,
改性壳聚糖富集研究综述 摘要:壳聚糖及其衍生物是一种天然高分子,随着对其研究的深入发展,涉及的内容和应用范围越来越广泛。本文综合概述了壳聚糖的结构、性质、富集及其化学改性的方法,简单介绍了它们的应用领域。 关键词:壳聚糖;富集;化学改性;应用。 引言: 壳聚糖具有许多独特的化学物理性质,根据其酸化、酉旨化和氧化、接枝与交联、经基化、经烷基化等反应还可制备成多种用途的产品,而且从氨基多糖的特点出发具有比纤维素更为广泛的用途。对壳聚糖的应用开发研究,自本世纪六十年代以来就十分活跃,近年来国际更是十分重视对它的深入开发和应用。通过对甲壳质和壳聚糖进行化学修饰与改性来制备性能独特的衍生物已经成为当今世界应用开发的一个重要方面。 1、壳聚糖及其改性吸附剂 壳聚糖(chitosan)是一种天然化合物,属于碳水化合物中的多糖,是甲壳素N-脱乙酰基的产物,其学名是β(1→4)-2-氨基-2-脱氧-D-葡萄糖。 壳聚糖本身的基本结构是葡萄糖胺聚合物,与纤维素类似。但因多了一个胺基,带有正电荷,所以使其化学性质较为活泼。且因其聚合分子结合键角度自然扭转之故,对于小分子或元素会发生凝集螫合作用。根据甲壳素脱乙酰化时的条件不同,壳聚糖的脱乙酰度和分子量不同,壳聚糖的分子量通常在几十万左右。但一般来说N-乙酰基脱去55%以上的就可称之为壳聚糖。 壳聚糖本身性质十分稳定,不会氧化或吸湿。鉴于壳聚糖及其衍生物具有优良的生理活性,在食品、生物制药、水处理方面显示出非常诱人的应用价值。近年来,国内外对壳聚糖的开发研究十分活跃。 2、壳聚糖富集工艺的研究现状 由于壳聚糖吸附剂有以上的优点,学者们对其富集的工艺已经有了较为深入的研究。 李斌,崔慧[1]研究了以壳聚糖作富集柱,稀H2SO4为洗脱剂,稀NaOH 为再生剂,火焰原子吸收光谱法简便、快速分离富集测定水中痕量Cu(Ⅱ)的方法,于波长325nm 处测定,检出限为20ng·ml-1,线性范围为10~20μg·ml-1。此法的优点在于简便、快速、选择性好、经济实用、效果良好。但由于壳聚糖易降解,在实际操作中存在着流速控制难,富集效果不均一,空白大的问题。
敏感性高分子及水凝胶 摘要：本文介绍了几类敏感性高分子及其水凝胶。主要包括pH 敏感水凝胶、温度敏感水凝胶、温度及pH 双重响应水凝胶、光响应水凝胶、磁场响应水凝胶等的性质及其研究进展。简要介绍了敏感性高分子及其水凝胶的性质、制备方法、应用及其发展前景。 1 引言 近年来，随着信息，生命，环境，航空航天等领域科学技术的飞速发展，人们对材料性能的要求越来越高。因此，一批性能特异的新功能材料相继问世，敏感性材料就是其中的一类。对环境具有可感知，可响应，并具有功能发现能力的高分子和水凝胶被称之为环境敏感性高分子（environment sensitive polymers）和环境敏感性水凝胶（environment sensitive hydro gels）[ 1]。与传统的高分子和水凝胶不同，这类高分子和水凝胶的某些物理或化学性质可因环境条件的变化而发生突变。因此，这类高分子也被称为“刺激响应性高分子（stimuli-responsive polymers）”、“灵巧性高分子(smart polymers)”或“智能性高分子（intelligent polymers）”,相应的水凝胶被称为“刺激响应性水凝胶（stimuli-responsive hydro gels）”、“灵巧性水凝胶（smart hydro gels）” 和“智能性水凝胶（intelligent hydro gels）”[2]。 与高分子不同，凝胶是一类可保持一定几何外形，同时具有固体和液体某些性质的胶体分散体系。它是软物质（soft materials）存在的一种重要形式，是介于固体和液体之间的一种物质形态。凝胶体系由胶凝剂（gelators）所形成的三维网络结构和固定于其中的大量溶剂组成。敏感性水凝胶[3] 是一种亲水性高分子交联网络,它能够感知外界环境的微小变化(例如温度、pH、离子强度、光、电场和磁场等) ,并通过自身体积的膨胀和收缩来响应外界的刺激. 敏感性水凝胶的上述特点使其在药物控制释放、物质分离提纯、活性酶包埋和生物材料培养等方面有广泛应用前景。 2 敏感性高分子及其水凝胶的种类和性质 1989 年，高木俊宜[4]最先提出了智能材料（intelligent materials）概念。随后，美国的Newnham 教授提出了与之类似的灵巧材料（smart materials）概 1 念。敏感性高分子和敏感性水凝胶是智能材料家族中的重要成员。 凝胶有不同的分类方法。根据溶剂的不同，凝胶分为有机凝胶（organgels）和水凝胶（hydrogels）。以适当的方式脱除溶剂后的凝胶为干凝胶（xerogels）。根据凝胶的大小不同，有（宏观）凝胶和微凝胶（microgels）之分。根据凝胶对环境条件变化响应的不同，凝胶分为传统凝胶和敏感性凝胶。根据凝胶力学性能的不同，凝胶分为弹性凝胶和刚性凝胶。同样，根据维系凝胶三维网络结构力的本性不同，凝胶分为物理凝胶和化学凝胶。 敏感性高分子水凝胶在受到刺激时，其性质会发生突变。根据刺激信号的不同，相应的水凝胶被称为化学物质敏感性水凝胶、pH 敏感性水凝胶、温敏性水凝胶、光敏性水凝胶等。敏感性水凝胶的研究涉及学科众多，具有显著的多学科交叉特点，是当今最具有挑战的高技术研究前沿领域之一。 2.1 敏感性高分子及其水凝胶的种类 2.1.1 温度敏感性高分子及其水凝胶 温敏性高分子是研究最多，也是最重要的一类敏感性高分子。这类水凝胶结构中具有一定比例的亲水性和疏水性基团，温度的变化可以影响这些基团的疏水作用和大分子链之间的氢键作用，从而改变水凝胶的网络结构，产生体积相变。温敏水凝胶有高温收缩和低温收缩两种类型[5]。 聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPA）是典型的高温收缩型水凝胶，对其响应机理的一般解释是，当温度升高时疏水相相互作用增强，使凝胶收缩。线型聚N－异丙基丙烯酸酰[PNIPAM]是一种典型的温敏性高分子，在水溶液中具有独特的热行为，其大分子链上同
第一章 绪 论 1．1 壳聚糖及其结构特点 壳聚糖(Chitosan)是甲壳素(Chitin)脱乙酰基后的产物，是甲壳素最基本、最重要的衍生物。甲壳素又名甲壳质、几丁质，化学名为(1,4)—2—乙酰胺—2—脱氧—β—D—葡聚糖，主要存在于虾、蟹、蛹及昆虫等动物外壳以及菌类、藻类植物的细胞壁中。节肢类动物的干外壳约含20~50%甲壳素。自然界中甲壳素有三种结构：α、β、γ，其中最为常见、普通的是α型。地球上每年甲壳素的生物合成量为数十亿吨，是产量仅次于纤维素的天然高分子化合物。下图1-1是甲壳素和壳聚糖的结构： 图1-1 甲壳素、壳聚糖分子的结构示意图 Fig.1-1 The configuration schematic of chitin and chitosan 纯净的甲壳素和壳聚糖均为白色片状或粉状固体，比重0.3，常温下能稳定存在。甲壳素分子之间存在强烈的氢键作用，使得甲壳素形成高度的结晶结构，因而甲壳素分子高度难溶。甲壳素不溶于水及绝大多数有机溶剂，也不溶于稀酸、稀浓碱，只溶于浓酸和某些溶剂。壳聚糖分子的活性基团为氨基而不是乙酰基，因而化学性质和溶解性较甲壳素有所改善，可溶于稀酸、甲酸、乙酸，但也不溶于水和绝大多数有机溶剂。由于氨基和羟基比较活泼，壳聚糖的化学性质较甲壳素活泼，可以发生多种化学反应，比如烷基化、酰基化反应等等。 1．2 壳聚糖及其衍生物产品的应用 壳聚糖及其衍生物由于其可再生性、生物相容性以及结构中的多种活性基团，具有多种优良的性质，已经广泛应用于化妆品、食品、医药、农业、环保等多个行业中。 1．2．1 在环保中的应用 壳聚糖及其衍生物能够通过分子中的氨基和羟基与多种金属离子形成稳定的整合物且可帮助微粒凝聚，故广泛用作化工、轻工纺织等废水处理中的吸附剂和絮凝剂。壳聚糖作为吸附剂和絮凝剂，能够有效地捕集溶液中的重金属离子和 有机物，并可以抑制细菌生长，使污水变清，特别是对于汞、铬、铜、铅、钴、3n n 甲壳素壳聚糖
1 引言 1.1 壳聚糖的简介 甲壳素（chitin ）是一种高分子量的物质，其普遍的存在于藻类的细胞中、低等的植物菌类中、节肢动物的外骨骼中以及高等植物的细胞壁中[1]。甲壳素在自然界中的含量非常丰富，是继纤维素之后的第二大类的多糖并且是一种可再生的天然资源。 壳聚糖（chitosan ）是甲壳素经脱乙酰化后而得到的产品[1]，它是一种天然的阳离子生物聚合物。其化学名是（1,4）-2-氨基-2-脱氧-β-D-葡萄糖[1] ，结构式如下： 2 2 壳聚糖的物化性质如下：分子式(C 6H 11NO 4)n ，青白色略带有珍珠光泽，半透明粉末 [2] 。它是一种无毒无害，易于降解，不污染环境，安全可靠的物质，所以拥有广泛的 应用空间。但壳聚糖仅能溶于稀硝酸、稀盐酸，不溶于稀磷酸、稀硫酸、水以及碱性溶液，这就大大的阻碍了壳聚糖进一步的应用，所以通过对壳聚糖的改性，而减少这样的阻碍，扩大其应用领域。 1.2 壳聚糖改性方法的简介 壳聚糖分子上含有羟基和氨基，通过化学改性的方法可以在重复的单元上引入不同的基团[3]，从而扩大壳聚糖的应用领域。下面简单介绍几种改性的方法。 1.2.1 酰化反应 酰化反应[4]既可以在壳聚糖的羟基上进行O-酰化从而形成酯又可以在氨基上进行N-酰化从而形成酰胺。如马宁等[5]，将溶胀完全的壳聚糖与过量的N-邻苯二甲酸酐，在120℃～130℃期间进行反应，得到邻苯二甲酰化产物，可溶于二甲基亚砜溶液。 1.2.2 烷基化反应 烷基化反应[4]同样也是既可以在壳聚糖的羟基上进行O-烷基化又可以在氨基上进行N-烷基化。如肖振宇等[6]，壳聚糖在碱性的异丙醇溶液中溶胀，再与拥有不同碳链长度的卤代烷烃进行反应，产生十六烷基壳聚糖，乙基壳聚糖等衍生物，这些通过改性而得到衍生物，易溶于水。
聚乙二醇化壳聚糖制备、评价及应用的研究 摘要：壳聚糖(Cs)具有良好的抗病毒性、组织黏附性、生物相容性和生物可降解性等，在生物医学领域具有广阔的应用前景。CS不溶于水和一般的有机溶剂，因此，对CS进行化学接枝改性是CS研究中的一个重要课题。而聚乙二醇(PEG)化壳聚糖是一类新型功能性聚合物，较未修饰的壳聚糖而言，PEG化壳聚糖在水溶液和有机溶剂中的溶解性均明提高，同时聚合物的细胞毒性降低，生物相容性得以改善。 关键词：壳聚糖，接枝共聚物，聚乙二醇 1研究背景 壳聚糖是一种重要的生物功能性材料，然而由于其分子结构结晶性较高，不溶于一般的有机溶剂和水，极大地限制了其应用[1]。 对壳聚糖进行化学改性，既可以改善壳聚糖的水溶性，又能赋予壳聚糖一些新的性能，常见方法有酰化、羧甲基化、巯基化、季胺化以及聚乙二醇(PEG)接枝等。Harris等[2]于1984年首先采用还原氨基化反应将PEG醛接枝到壳聚糖上的氨基，合成了PEG壳聚糖接枝共聚物。因在壳聚糖中引入亲水性的基团，破坏了壳聚糖分子链排列的规整性，削弱了壳聚糖分子链间的氢键作用，从而使溶解性能得到改善。近年来随着国内外对PEG化壳聚糖的研究逐渐深人，发现PEG修饰不仅能提高壳聚糖的溶解性，而且还可以改善壳聚糖以及壳聚糖衍生物的细胞毒性，从而使聚合物的生物相容性增加，促进了PEG化壳聚糖在多肽药物、基因药物传输以及生物功能材料上的应用。 将PEG链引入壳聚糖分子结构，不仅增加其亲水性，还降低了结晶性，使其在两相中的性能都得到改善。Jeong等[3]制备了PEG-g-壳聚糖，并用紫外分光光度计法测定了壳聚糖，多种相对分子质量PEG-g-壳聚糖在不同pH值水溶液和不同有机溶剂中的溶解性能。结果表明，壳聚糖溶液在pH为时开始出现混浊；当pH值升至时，则完全析出，且不溶于DMSO、二甲基酰胺、乙醇等有机溶剂。而PEG-g-壳聚糖在pH为～时均可溶解，而且在DMSO、二甲基酰胺中也有良好的溶解性。Mao等制备的PEG-g-N-三甲基壳聚糖(PEG-g-TMC)，即使接枝率只有10%，聚合物在pH为1～14时都可溶于水，且与PEG的相对分子质量无关，最大溶解度能达到50g·L-1。而Jeong等[4]制备的不同接枝率的PEG-g-壳聚糖在水中的溶解度可达到300g·L-1以上。 当前研究表明，PEG化壳聚糖在较宽pH值范围可溶于水，且能溶于部分有机溶剂中(如DMSO，二甲基酰胺等)，克服了壳聚糖在大分子药物如蛋白质、多肽药物和抗肿瘤药物传输系统的应用局限，同时对壳聚糖进行PEG化修饰还能降低其细胞毒性和溶血作用，从而增加其作为药物载体的生物相容性。然而，PEG能部分屏蔽壳聚糖链上的正电荷，虽然这有利于改善生物相容性，但会在一定程度上降低壳聚糖本身的生物黏附性和促吸收特性。因此，如何通过PEG化程度、聚合物大小以及浓度等来优化处方，是促进蛋白质药物和基因药物体内作用的一个方向。另外，PEG化壳聚糖所制成的生物功能性材料因为PEG基团的加入，可以得到一些新的优良性能，促进了壳聚糖在生物组织工程中的应用。总之，随着研究的进一步深入，相信PEG化壳聚糖将会在生物医药领域发挥越来越大的作用。 2文献综述 壳聚糖(chitosan)是由自然界广泛存在的几丁质(chitin)经过脱乙酰作用得到的，化学名称为聚葡萄糖胺(1-4)-2-氨基-B-D葡萄糖，自1859年法国人Rouget首先得到壳聚糖后，这种天然高分子的生物官能性和相容性、血液相容性、安全性、微生物降解性等优良性能被各行各业广泛关注，在医药、食品、化工、化妆品、水处理、金属提取及回收、生化和生物医学工程等诸多领域的应用研究取得了重大进展。针对患者，壳聚糖降血脂、降血糖的作用已有研究报
华南理工大学材料科学与工程学院2010级本科生“Biomedical Materials”课程报告 学生班级：10级材料创新班学生姓名：李智豪成绩： 题目：Characteristics and Applications of Natural Biodegradable Polymer Materials 报告时间：Friday, Mar. 22, 2013 完成者：李智豪 Characteristics and Biomedical Applications of Injectable Thermogelling Chitosan–Inorganic Phosphate Solutions Abstract： Thermosetting polymers are attractive candidates for biomedical applications as noninvasive therapeutic delivery vehicles. In the present study, the feasibility of developing a neutral physiological temperature setting injectable formulation based on chitosan and an inorganic phosphate salt have been demonstrated. The in situ gelling system was developed by adding different concentrations of dipotassium hydrogen orthophosphate (DHO) to chitosan solution. The resulting solutions have pH in the range of ～7–7.2. The gelling time of the chitosan–DHO solution was determined by incubating the solutions at 37 °C. Depending on the concentrations of DHO added, the gelling time varied from 4 min to 30 h at 37 °C. Addition of various diluents to chitosan–DHO solution did not significantly change the gelling time of the solutions. Key word： Thermogelling; chitosan–DHO solution; delivery Introduction： Injectable in situ setting hydrogels have tremendous potential as carrier matrices
壳聚糖及其衍生物的制备 甲壳素（chitin）在自然不仅含量十分丰富，而且可生物降解，是环境友好产品，利用沿海地区丰富的虾蟹壳为原料，可生产出甲壳素，变废为宝，净化环境。甲壳素经浓碱处理去掉乙酰其后得壳聚糖（chitosan），分子结构如下： O O CH2OH OH NH2n O 壳聚糖经化学改性可得系列的衍生物，如：羧甲基壳聚糖、低聚壳聚糖等。这些系列产品在许多方面有着极其广泛的用途。如在医学方面可作为抗癌制剂、手术缝线、人造皮肤、药物载体等；在轻工业上可作为化妆品填料、增白剂、固发剂或增强纸张的光洁度；在环保方面可作为絮凝剂、吸附剂，用于污水处理，还可用作饮料的澄清剂、无毒包装材料等；在农业方面是一种新型植物生长调节剂，促进植物生长、增加产量、提高品质、诱导植物的广谱抗病性，还可用于生产生物农药，用于果蔬保鲜。因此壳聚糖及其衍生物系列产品有很好的潜在需求和市场前景。 一、实验目的 1.了解壳聚糖及其衍生物的应用概况； 2.学习壳聚糖及其衍生物的制备原理和方法； 3.强化学生环保意识，变废为宝； 4.制备2～5g的产品。 二、实验内容 1．利用强碱制备壳聚糖； 2．测定壳聚糖的脱乙酰度。 三、实验原理
甲壳素是酰胺类多糖，壳聚糖的制备过程，就是酰胺的水解过程。酰胺有如下几种结构： 酰胺可在强酸或强碱条件下水解，对于低分子的酰胺，水解可以进行得比较 完全，但对于多糖来说，强酸更容易水解糖苷键，所以甲壳素的脱乙酰基，一般 情况下不采用强酸水解；相对说来，强碱造成糖苷键的断裂不像强酸那么严重， 所以都用强碱来脱乙酰基。 酸碱滴定法的原理是壳聚糖的自由氨基呈碱性，可与酸定量地发生质子化反应，形成壳聚糖地胶体溶液： 溶液中游离的H+用碱反滴定，这样，从用于溶解壳聚糖的酸量与滴定用去的碱量 之差，即可推算出壳聚糖自由氨基结合酸的量，从而计算出壳聚糖中自由氨基的 含量。 四、实验材料与设备 1．实验设备与仪器 水浴锅，电炉，烧杯，三角瓶，碱式滴定管，电子天平。 2．实验材料与试剂 甲壳素，NaOH，HCl，甲基橙指示剂，乙醇、丙酮。 五、实验步骤 1．壳聚糖的制备 （1）取三个烧杯，编号1﹟、2﹟、3﹟，于每个烧杯中加入甲壳素5g，于1﹟ 烧杯中加入40％NaOH 100mL,2﹟烧杯中加入50％NaOH 100mL, 3﹟烧杯中加入 60％NaOH 100mL,100℃煮沸2h,脱乙酰基。 （2）反应完毕取出，用蒸馏水洗至中性，再用乙醇、丙酮洗涤后，干燥，即得 白色壳聚糖。 2．脱乙酰度的测定 准确称取上述方法制备的三种壳聚糖各0.5g，分别置于250mL三角瓶中，加入
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/d512913245.html, 温敏型水凝胶的制备与性能研究 作者：聂文洁邓云红刘洪玲于伟东 来源：《纺织导报》2013年第01期 1.4.1 常温下凝胶溶胀率的测定 常温下，将一定量的凝胶浸入特定浓度的NaOH溶液中，定时取出凝胶，用滤纸拭去表面吸附的水分后，准确称取湿凝胶的重量（w1），浸泡前凝胶的重量记为（w2），按下式计算水凝胶的溶胀比（S）。 由图 1 和表 1 可知，在不同聚合度的单体中，峰位和峰强都发生了有规律的变化。同一峰的峰强都随聚合度（n）的增大发生不同程度的增大，峰位的具体变化如下。 （1）随聚合度的变化（3→9），CH2不对称收缩振动的频率值（v）恒定在2 923.5 cm-1，CH3对称变形振动的v值恒定在1 465.7 cm-1，CH2非平面摇摆振动的v值恒定在1 350.9 cm-1，脂肪醚对称伸缩振动VS（C—O—C）在950.2 cm-1处保持稳定，中间组成 （CH2CH2O）中CH2平面摇摆振动的v值在846.1 cm-1处恒定。 （2）发生低移的峰是脂肪醚不对称伸缩振动Vas（C—O—C）（1 118.9→1 111.2 cm-1）和末端CH2CH2OH中CH2平面振动（887.8→883.1 cm-1）。 （3）在所有峰中，只有一个峰CH2对称收缩振动往高波数发生位移（2 853.4→2 856.5 cm-1）。 2.2 不同聚合度MOA/丙烯酸共聚酯的红外光谱分析 由图 1 和图 2 可以看出，1 550 ～ 2 850 cm-1处峰的形状反应前后发生了明显的变窄现象，1 735 cm-1左右出现新峰为—C=O的伸缩振动引起的特征吸收谱带。与已知文献[5]中的图谱对照可知，单体MOA与丙烯酸发生了反应。 2.3 不同聚合度水凝胶的红外表征 MOA-3与MOA-4聚合水凝胶的谱图近似图 3 ，在脂