CN103183840B

CN103183840B - 可生物降解壳聚糖化学键合交联复合膜及其制备方法

Info

Publication number: CN103183840B
Application number: CN201310100957.9A
Authority: CN
Inventors: 陈元维; 蔡孟锬; 曹俊; 罗祥林
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2013-03-27
Filing date: 2013-03-27
Publication date: 2014-11-26
Anticipated expiration: 2033-03-27
Also published as: CN103183840A

Abstract

本发明公开了一种可生物降解壳聚糖化学键合交联复合膜及其制备方法，复合膜是以壳聚糖为膜基体成分，以双端羧基聚乙二醇为交联剂，通过双端羧基聚乙二醇末端的羧基和壳聚糖的氨基发生反应形成以酰胺键连接的交联网络致密结构膜。其制备是将壳聚糖溶于稀酸溶液中配制成壳聚糖质量浓度为1%~3%的溶液，然后加入双端羧基聚乙二醇配制成混合溶液，双端羧基聚乙二醇溶解后倒入模具中，自然挥发成膜后从模具中取下得到壳聚糖/聚乙二醇共混膜；将共混膜置于真空烘箱中加热进行交联，充分交联后取出浸入碱性溶液中浸泡，最后用蒸馏水将膜洗至中性。本发明的交联复合膜，结构致密，亲水性、耐水性和力学性能优异，可望用作新一代的分离膜和医用膜。

Description

可生物降解壳聚糖化学键合交联复合膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及壳聚糖交联复合膜技术领域，更为具体地说，涉及一种以聚乙二醇为交联剂的壳聚糖交联复合膜及其制备方法。

背景技术

壳聚糖属天然高分子多糖，为甲壳素的脱乙酰产物，其-NH₂被氢质子化后失去形成氢键的能力，可溶于许多酸或酸性溶液中，进而可被方便地加工成膜。壳聚糖膜因原料来源广泛、可生物降解且生物相容性好，被广泛应用于分离领域和医用领域。为进一步改善壳聚糖膜的亲水性和力学性能，国内外学者一般采用聚乙二醇共混改性壳聚糖膜。但在聚乙二醇共混改性的壳聚糖膜中，聚乙二醇与壳聚糖分子间的相互作用仅为物理作用或分子链缠绕，在水环境下，水溶性的聚乙二醇很容易流失而影响膜的性能，且聚乙二醇的加入通常会降低壳聚糖膜的拉伸强度。

为了改善聚乙二醇/壳聚糖共混复合膜的耐水性，有学者在将二者共混的同时对壳聚糖进行交联，如加入二醛类、环氧类和京尼平交联剂。但这些交联反应仅发生在壳聚糖分子链间，并没有从本质上改变壳聚糖与聚乙二醇分子之间的物理作用方式，也就无法从根本上实现共混膜长期的耐水性。此外，上述交联方法还存在交联剂有毒性或膜亲水性下降，甚至膜强度下降等问题。

对聚乙二醇分子做适当改性，使其分子链两端含有与壳聚糖分子可反应的基团，可使聚乙二醇与壳聚糖分子间形成化学键合。有学者设计了双端环氧的聚乙二醇，与壳聚糖共混的同时对其进行化学交联，从而制备壳聚糖凝胶。但将末端有活泼基团的聚乙二醇用于制备壳聚糖膜，尤其是制备致密的壳聚糖膜，直到本发明完成之前，发明人在专利文献或其它文献中还未见到有关的报道。

发明内容

针对现有技术聚乙二醇/壳聚糖共混复合膜的技术现状，本发明的目的旨在提供一种可生物降解壳聚糖化学键合交联复合膜及其制备方法，以克服现有技术的聚乙二醇/壳聚糖共混复合膜存在的耐水性差，在水环境下机械强度下降，制备使用的交联剂有毒等问题。

本发明提供的可生物降解壳聚糖化学键合交联复合膜，其构成是以壳聚糖为膜基体成分，以双端羧基聚乙二醇为交联剂，通过双端羧基聚乙二醇末端的羧基和壳聚糖的氨基发生反应形成以酰胺键连接的交联网络，在扫描电子显微镜下放大10000倍无明显孔隙结构的致密膜。

本发明提供的上述可生物降解壳聚糖化学键合交联复合膜的方法，其特征在于主要包括以下工艺步骤：

（1）将脱乙酰度大于70%、分子量为10KDa~1000KDa的壳聚糖溶于除硫酸、磷酸以外的体积浓度为1%~10%稀酸溶剂中配制成壳聚糖质量浓度为1%~3%的溶液，然后加入分子量为1.0KDa~40KDa的双端羧基聚乙二醇配制成混合溶液，双端羧基聚乙二醇的加入量为混合溶液质量的10%~50%，双端羧基聚乙二醇溶解后倒入模具中，于10^oC~30^oC室温下挥发除去酸性溶剂成膜，从模具中取下即得到壳聚糖/聚乙二醇共混膜；

（2）将壳聚糖/聚乙二醇共混膜置于真空烘箱中于真空60^oC~110^oC下加热交联反应，充分反应后取出，浸入碱性溶液中浸泡除去膜中未交联的双端羧基聚乙二醇，之后用蒸馏水将膜洗至中性，即得到可生物降解的壳聚糖化学键合交联复合膜。

在本发明的上述技术方案中，所述稀酸溶剂可为稀无机酸或稀有机酸，所述稀无机酸优先选自稀盐酸和稀硝酸，所述稀有机酸优先选自甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸、乙二酸、丙二酸、丁二酸、戊二酸和己二酸。稀酸溶剂进一步地优选稀盐酸、稀有机乙酸或稀有机丙酸。

在本发明的上述技术方案中，所述的碱性溶液优选浓度为0.01~1 mol/L的氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液。

在本发明的上述技术方案中，所述壳聚糖优选分子量为30KDa ~800KDa的壳聚糖。

在本发明的上述技术方案中，所述双端羧基聚乙二醇优选分子量为2.0KDa~20KDa的壳聚糖。

在本发明的上述技术方案中，所述共混膜最好是于真空80^oC~100^oC下真空交联反应30min~120min 。

在本发明的上述技术方案中，所述的从模具中取下得到的共混膜，最好先置入真空烘箱于真空20~55 ^oC下烘干后，再置于真空烘箱中加热进行交联反应；特别是共混膜先置入真空烘箱于真空20^oC~40 ^oC下烘干后，再置于真空烘箱中加热进行交联反应。

本发明提供的可生物降解壳聚糖化学键合交联复合膜，是以具有双端羧基的聚乙二醇同时作为共混组分和交联剂，双端羧基聚乙二醇对壳聚糖的交联作用是通过其末端的羧基和壳聚糖中的氨基发生反应形成酰胺键来实现，复合膜具有交联网络结构，在扫描电子显微镜下放大10000倍无明显孔隙结构，是一种全新结构的壳聚糖/聚乙二醇交联复合膜。所制备得到的复合膜结构致密，亲水性好,水接触角可低至70^o。耐水性好，置于37℃在PBS中震荡一周的质量损失小于3%。力学性能优异，拉伸强度可达130Mpa，同时断裂伸长率可达81%，综合的力学性能表现远远好于现有的壳聚糖交联复合膜。因其优异亲水性、耐水性和力学性能，本发明提供这种新型结构的壳聚糖交联复合膜有望广泛用于分离膜和医用膜。本发明同时为壳聚糖复合膜的交联改性提供了一种新的方法。

本发明相对于现有技术壳聚糖交联复合膜，概括起来具有以下十分突出的优点和技术效果：

（1）本发明提供了一种新的壳聚糖复合膜改性方法，并制得了一种新型的壳聚糖/聚乙二醇交联复合膜。本发明通过酰胺键将壳聚糖和聚乙二醇交联起来，比传统的醛类通过形成席夫碱结构在化学结构上更具有稳定性。

（2）本发明制备的壳聚糖化学键合交联复合膜的耐水性明显得到提高。单纯的聚乙二醇仅通过物理作用与壳聚糖结合制得的复合膜，在水溶液中的质量损失严重，即使外加交联剂仍然存在耐水性不够的缺点。而本发明制得的交联复合膜将双端羧基聚乙二醇与壳聚糖通过酰胺键化学交联起来，所得复合膜耐水性能优异，置于37℃在PBS中震荡一周的质量损失小于3%。

（3）本发明制备的壳聚糖化学键合交联复合膜的综合力学性能优异。一般的壳聚糖/聚乙二醇复合膜拉伸强度不超过50MPa，本发明制备的壳聚糖/聚乙二醇交联复合膜的拉伸强度高，最高可达130MPa。

（4）本发明工艺简单，制备全过程不使用有机溶剂，满足绿色生产的要求。

附图说明

图1是本发明的壳聚糖化学键合交联复合膜断面放大2500倍的电镜图。

图2是本发明的壳聚糖化学键合交联复合膜断面放大10000倍的电镜图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体描述。有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的专业技术人员根据上述本发明的内容作出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

实施例1

将1g壳聚糖（Mη：460KDa，脱乙酰度大于80%）溶于75ml 2%(v/v)乙酸溶液，搅拌形成均一溶液，加入双端羧基聚乙二醇(2000Da)0.2g，搅拌溶解。倒入自制玻璃模具中，自然挥发（20^oC）成膜后揭下，于真空30 ^oC烘干后，再于0.090MPa、90 ^oC下交联反应60min，之后将膜加入浓度为0.11mol/L的NaOH溶液中浸泡约90min，再用蒸馏水将膜洗至中性，即制得致密结构的可生物降解壳聚糖化学键合交联复合膜。

实施例2

将1g壳聚糖（Mη：460KDa，脱乙酰度大于80%）溶于75ml 2%(v/v)乙酸溶液，搅拌形成均一溶液，加入合成的双端羧基聚乙二醇(2000Da)0.3g，搅拌溶解。倒入自制玻璃模具中，自然挥发（25^oC）成膜后揭下，于0.095MPa 、50 ^oC下烘干后，再于0.095MPa 、90 ^oC下交联反应60min，之后将膜加入浓度为0.5 mol/L的NaOH溶液中浸泡约60min，再用蒸馏水将膜洗至中性，即制得致密结构的可生物降解壳聚糖化学键合交联复合膜。

实施例3

将1g壳聚糖（Mη：460KDa，脱乙酰度大于80%）溶于75ml 2%(v/v)乙酸溶液，搅拌形成均一溶液，加入双端羧基聚乙二醇(2000Da)0.4g，搅拌溶解。倒入自制玻璃模具中，自然挥发（15^oC）成膜后揭下，于0.090MPa 、20^oC烘干后，再于0.090MPa 、60 ^oC交联反应100min，之后将膜加入浓度为1.0 mol/L的NaOH溶液中浸泡约30min，再用蒸馏水将膜洗至中性，即制得致密结构的可生物降解壳聚糖化学键合交联复合膜。

实施例4

将1g壳聚糖（Mη：30KDa，脱乙酰度大于80%）溶于75ml 2%(v/v)乙酸溶液，搅拌形成均一溶液，加入双端羧基聚乙二醇(2000Da)0.3g，搅拌溶解。倒入自制玻璃模具中，自然挥发（20^oC）成膜后揭下，于0.085MPa 、40 ^oC烘干后，再于0.085MPa 、110 ^oC下交联反应30min，之后将膜加入1mol/L的NaOH溶液中浸泡约40min，再用蒸馏水将膜洗至中性，即制得致密结构的可生物降解壳聚糖化学键合交联复合膜。

实施例5

将1g壳聚糖（Mη：1000KDa，脱乙酰度大于80%）溶于75ml 2%(v/v)乙酸溶液，搅拌形成均一溶液，加入双端羧基聚乙二醇(2000Da)0.3g，搅拌溶解。倒入自制玻璃模具中，自然挥发（25^oC）成膜后揭下，于0.098MPa、 45 ^oC烘干后，再于0.098MPa 、80 ^oC下交联反应90min，之后将膜加入0.8mol/L的NaOH溶液中浸泡约40min，蒸馏水将膜洗至中性，即制得致密结构的可生物降解壳聚糖化学键合交联复合膜。

实施例6

将1g壳聚糖（Mη：460KDa，脱乙酰度大于80%）溶于75ml 2%(v/v)乙酸溶液，搅拌形成均一溶液，加入双端羧基聚乙二醇(1000Da)0.3g，搅拌溶解。倒入自制玻璃模具中，自然挥发（10^oC）成膜后揭下，于0.075MPa、 30 ^oC烘干后，再于0.075MPa、 90 ^oC下交联反应60min，之后将膜加入1mol/L的NaOH溶液中浸泡约30min，蒸馏水将膜洗至中性，即制得致密结构的可生物降解壳聚糖化学键合交联复合膜。

实施例7

将1g壳聚糖（Mη：460KDa，脱乙酰度大于80%）溶于75ml 2%(v/v)乙酸溶液，搅拌形成均一溶液，加入双端羧基聚乙二醇(10000Da)0.3g，搅拌溶解。倒入自制玻璃模具中，自然挥发（22^oC）成膜后揭下，于0.090MPa、40 ^oC烘干后，再于0.095MPa、 90 ^oC下加热交联反应60min，之后将膜加入1mol/L的KOH溶液中浸泡30min，蒸馏水将膜洗至中性，即制得致密结构的可生物降解壳聚糖化学键合交联复合膜。

实施例8

将1g壳聚糖（Mη：460KDa，脱乙酰度大于80%）溶于75ml 0.1mol/L稀盐酸溶液，搅拌形成均一溶液，加入双端羧基聚乙二醇(2000Da)0.3g，搅拌溶解。倒入自制玻璃模具中，自然挥发（18^oC）成膜后揭下，于0.080MPa、40 ^oC烘干后，再于0.080MPa、 90 ^oC下交联反应60min，之后将膜加入1mol/L的NaOH溶液中浸泡30min，用蒸馏水将膜洗至中性，即制得致密结构的可生物降解壳聚糖化学键合交联复合膜。

实施例9

将1g壳聚糖（Mη：460KDa，脱乙酰度大于80%）溶于75ml 2%(v/v)乙酸溶液，搅拌形成均一溶液，加入双端羧基聚乙二醇(2000Da)0.3g，搅拌溶解。倒入自制玻璃模具中，自然挥发（20^oC）成膜后揭下，于0.095MPa、 50 ^oC烘干后，再于0.095MPa 、90 ^oC下交联反应30min，将膜加入1mol/L的NaOH溶液中浸泡40min，蒸馏水将膜洗至中性，即制得致密结构的可生物降解壳聚糖化学键合交联复合膜。

实施例10

将1g壳聚糖（Mη：460KDa，脱乙酰度大于80%）溶于75ml 2%(v/v)乙酸溶液，搅拌形成均一溶液，加入双端羧基聚乙二醇(2000Da)0.3g，搅拌溶解。倒入自制玻璃模具中，自然挥发（25^oC）成膜后揭下，于0.080MPa 、45 ^oC烘干后，再于0.095MPa、 100 ^oC下交联反应40min，之后将膜加入1mol/L的KOH溶液中浸泡30min，用蒸馏水将膜洗至中性，即制得致密结构的可生物降解壳聚糖化学键合交联复合膜。

实施例11

将1g壳聚糖（Mη：460KDa，脱乙酰度大于80%）溶于75ml 2%(v/v)丙酸溶液，搅拌形成均一溶液，加入双端羧基聚乙二醇(2000Da)0.3g，搅拌溶解。倒入自制玻璃模具中，自然挥发（20^oC）成膜后揭下，于0.070MPa、45 ^oC烘干后，再于0.070MPa 、90 ^oC下交联反应40min，之后将膜加入1mol/L的KOH溶液中浸泡30min，用蒸馏水将膜洗至中性，即制得致密结构的可生物降解壳聚糖化学键合交联复合膜。

实施例12

将1g壳聚糖（Mη：460KDa，脱乙酰度大于80%）溶于溶于75ml 2%(v/v)乙酸溶液，搅拌形成均一溶液，倒入自制模具中，自然挥发（22^oC）成膜后揭下，于0.095MPa 、 40 ^oC烘干后，再于0.080MPa 、80 ^oC下交联反应40min，之后将膜加入1mol/L的KOH溶液中浸泡30min，用蒸馏水将膜洗至中性，即制得致密结构的可生物降解壳聚糖化学键合交联复合膜。

表1. 实施例1~12制备的壳聚糖交联复合膜的相关性能。

Claims

1.一种可生物降解壳聚糖化学键合交联复合膜，其特征在于，以壳聚糖为膜基体成分，以双端羧基聚乙二醇为交联剂，通过双端羧基聚乙二醇末端的羧基和壳聚糖的氨基发生反应形成以酰胺键连接的交联网络，在扫描电子显微镜下放大10000倍无明显孔隙结构的致密膜，采取包括以下工艺步骤的方法制备：

(1)将脱乙酰度大于70％、分子量为10KDa～1000KDa的壳聚糖溶于除硫酸、磷酸以外的体积浓度为1％～10％稀酸溶剂中配制成壳聚糖质量浓度为1％～3％的溶液，然后加入分子量为1.0KDa～40KDa的双端羧基聚乙二醇配制成混合溶液，双端羧基聚乙二醇的加入量为混合溶液质量的10％～50％，双端羧基聚乙二醇溶解后倒入模具中，于10℃～30℃室温下挥发除去酸性溶剂成膜，从模具中取下即得到壳聚糖/聚乙二醇共混膜；

(2)将壳聚糖/聚乙二醇共混膜置于真空烘箱中于真空60℃～110℃下加热交联反应，充分反应后取出，浸入碱性溶液中浸泡除去膜中未交联的双端羧基聚乙二醇，之后用蒸馏水将膜洗至中性，即得到可生物降解的壳聚糖化学键合交联复合膜。

2.根据权利要求1所述的可生物降解壳聚糖化学键合交联复合膜，其特征在于，所述的稀酸溶剂为稀无机酸或稀有机酸，所述稀无机酸选自稀盐酸和稀硝酸，所述稀有机酸选自甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸、乙二酸、丙二酸、丁二酸、戊二酸和己二酸。

3.根据权利要求2所述的可生物降解壳聚糖化学键合交联复合膜，其特征在于，所述稀酸溶剂为稀盐酸、稀有机乙酸或稀有机丙酸。

4.根据权利要求1所述的可生物降解壳聚糖化学键合交联复合膜，其特征在于，所述的碱性溶液为浓度0.01～1mol/L的氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液。

5.根据权利要求1所述的可生物降解壳聚糖化学键合交联复合膜，其特征在于，所述壳聚糖为分子量为30KDa～800KDa的壳聚糖。

6.根据权利要求1所述的可生物降解壳聚糖化学键合交联复合膜，其特征在于，所述双端羧基聚乙二醇的分子量为1.0KDa～20KDa。

7.根据权利要求1至6之一所述的可生物降解壳聚糖化学键合交联复合膜，其特征在于，所述共混膜于真空80℃～100℃下交联反应30min～120min。

8.根据权利要求1至6之一所述的可生物降解壳聚糖化学键合交联复合膜，其特征在于，所述的从模具中取下得到的共混膜置入真空烘箱于真空20℃～55℃下烘干。

9.根据权利要求8所述的可生物降解壳聚糖化学键合交联复合膜，其特征在于，所述的共混膜置入真空烘箱于真空20℃～40℃下烘干。