CN103601819B

CN103601819B - 一种均相制备低脱乙酰度羧基甲壳素的方法及其应用

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Publication number: CN103601819B
Application number: CN201310641249.6A
Authority: CN
Inventors: 蒋序林; 刘慧�; 杨奇志; 卓仁禧
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2013-12-04
Filing date: 2013-12-04
Publication date: 2017-01-25
Anticipated expiration: 2033-12-04
Also published as: CN103601819A

Abstract

本发明公开了一种均相制备低脱乙酰度羧基甲壳素的方法及其应用。首先将甲壳素加入到氢氧化钠和尿素的混合水溶液中制得均相甲壳素水溶液，再加入含羧基化试剂的水溶液在均相甲壳素水溶液里搅拌反应，经后处理得到低脱乙酰度羧基甲壳素。本发明方法制备工艺简单，产品取代度均匀易控，产率高，且反应条件温和，为环境友好的绿色工艺，利于大规模工业化生产；甲壳素基本上未降解，制得的一些低脱乙酰度羧基甲壳素具有pH敏感性和温度敏感性，可作为药物载体材料使用。本发明制得的水溶性高粘度产品为天然原材料改性，价廉可生物降解，与天然保湿调理剂透明质酸功能相近，可广泛用于化妆品、医药、保健、美容、纺织、食品加工和环境保护等领域。

Description

一种均相制备低脱乙酰度羧基甲壳素的方法及其应用

技术领域

本发明属于材料科学领域，涉及一种均相制备低脱乙酰度羧基甲壳素的方法及其应用。

背景技术

甲壳素是从甲壳动物外壳及真菌和藻类的细胞壁中提取的，是仅次于纤维素的第二大可再生天然高分子，具有线性结构。甲壳素及其衍生物具有非常好的生物相容性、生物可降解性、低毒性和多种生物活性，具有极大的研究和应用价值。但甲壳素本身由于氢键作用结晶度高，不溶于水和低浓度的酸碱，也不溶于常用的有机溶剂，从而限制了它的研究开发和应用。

甲壳素经过羧甲基反应化后，易溶于水[张秋华等，水溶性羧甲基甲壳素的制备，精细化工1994，11, 36-39]，具有良好的吸湿性、保湿性、成膜性和抑菌性，在化妆品和医药卫生等领域有着很好的应用前景。通常羧甲基甲壳素的合成是利用氯乙酸作为醚化剂、以浓氢氧化钠溶液（45-65%）和异丙醇作为介质进行反应[T.K. Sini等，Study of theinfluence of processing parameters on the production of carboxymethylchitin，2005， Polymer, 46, 3128-3131；日本专利JP161391/78；中国发明专利CN03118437.5]，反应过程中使用有机溶剂，环境污染大，生产成本高。同时由于该反应是非均相条件下进行，反应温度高，反应过程难以控制，在浓碱条件下甲壳素也有一定的降解和脱乙酰（可高达50%）[K. Kurita, Controlled functionalization of the polysaccharide chitin,2001, Progress in Polymer Science 26N9, 1921-1971]，难以保证产品质量和取代度均一性。

发明内容

本发明针对现有制备羧基甲壳素技术的局限性，提供一种工艺简单、产品取代度均匀、产率高的均相制备低脱乙酰度羧基改性甲壳素的方法及其应用。

一种均相制备低脱乙酰度羧基甲壳素的方法，包括如下步骤：

将脱乙酰度低于30%的甲壳素加入到氢氧化钠和尿素的混合水溶液中混合均匀，在-30～-12^oC条件下冷冻搅拌24～96h，解冻后于1～25^oC下搅拌制得0.5wt%～9wt%的均相甲壳素水溶液；向均相甲壳素水溶液中加入含羧基化试剂的水溶液，并在0～50^oC下搅拌均相反应6～71h，制得的羧基甲壳素溶液，经后处理即得到脱乙酰度低于30%的羧基甲壳素。

所述的甲壳素优选为脱乙酰度低于10%，重均分子量优选为5×10⁴～5×10⁶。

所述的氢氧化钠和尿素的冷冻低温混合液组成优选但不限于的范围是含氢氧化钠重量比为6～20%，尿素重量比为3～12%。

所述的羧基化试剂优选为氯乙酸、溴乙酸、3-氯丙酸、3-溴丙酸或其盐中的一种或几种；所用羧基化试剂的量不受限制，但其加入量优选为甲壳素结构单元摩尔数的0.5～50倍。

所述的后处理方法为：将制得的羧基改性甲壳素溶液用酸溶液调节pH值到中性(pH 6.9-7.5)，用透析或者沉淀洗涤除去尿素和盐等小分子物质，干燥得到脱乙酰度低于30%的羧基改性甲壳素。

所述的酸优选为盐酸、硫酸、硝酸、甲酸、乙酸或柠檬酸中的一种或几种。

所述的有机溶剂优选为甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、四氢呋喃中的一种或几种。

上述的制备方法得到pH敏感性和温度敏感性的低脱乙酰度羧基甲壳素。

本发明制备的低脱乙酰度羧基甲壳素替代天然透明质酸作为药物载体材料、可注射水凝胶材料的应用。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和效果：

1. 本发明在均相甲壳素水溶液中制备低脱乙酰度羧基化甲壳素，制备工艺简单，反应条件温和，反应过程易控，产率高，可用于大规模工业化生产。

2. 本发明的使用较低浓度的碱液（6wt%～20wt%）作为反应介质，且反应过程无有机溶剂参与，无毒无污染，成本较低。

3. 本发明制得的低脱乙酰度羧基甲壳素取代度均匀，在较低的羧基取代度DS（0.26，实施例8中H4）时即可制得在中性pH 7.4下的完全透明的羧基甲壳素水溶液（3 mg/mL），而对于传统的非均相方法制备的羧甲基甲壳素只有DS高于0.6时才能完全水溶。

4. 本发明可制得与天然透明质酸结构、功能相近的较高分子量低脱乙酰度羧基甲壳素，也可制得具有pH和温度敏感性的羧基改性甲壳素，在化妆品、医药、美容保健、纺织、造纸、环境保护等领域具有较高的应用开发价值。

附图说明

图1为本发明实施例2制备的羧甲基甲壳素在25℃下20 wt% DCl/D₂O的核磁氢谱图。

图2为本发明实施例9制备的羧乙基甲壳素在5 wt% NaOD /D₂O的核磁氢谱图。

图3为本发明实施例10涉及到的紫外可见分光光度计在500 nm波长测得羧甲基甲壳素H2、H3和H4（3 mg/mL，25℃）在不同pH时的透过率的变化。

图4为本发明实施例11涉及到的动态光散射测试羧甲基甲壳素H3在不同温度（溶液浓度 4 mg/mL，pH 7.4）光散射强度和粒径的变化。

图5为本发明实施例12涉及到的羧甲基甲壳素H3（溶液浓度 2 wt%，pH 7.4）在升温时流变行为测试。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

首先制备氢氧化钠：尿素：纯水=6：3：91（质量比）的混合液，将0.5g甲壳素加入100g上述混合液中混匀，在-12～-20^oC下冷冻72h，解冻后于5～12^oC下充分搅拌制得0.5wt%的均相甲壳素水溶液。向均相甲壳素水溶液中加入含7g氯乙酸、4.6g氢氧化钠、1g尿素和20mL纯水的混合液，在0～50^oC下（先低温，后慢慢升温，控制反应液为均相体系）搅拌反应8h，然后用1M的盐酸调节pH值到6.9，用蒸馏水透析7天除去溶液中的尿素和盐等小分子物质，冷冻干燥得到海绵粉末状羧基改性甲壳素。将该产品用盐酸酸化后测得的红外谱图与原料甲壳素谱图相比，在1720 cm^-1 处出现新的吸收峰，说明该产品已被羧基化。

实施例2

首先制备氢氧化钠：尿素：纯水=8：4：88（质量比）的混合液，将1.2g甲壳素加入到30g上述混合液中混匀，在-30^oC下冷冻36h并适时搅拌，解冻后于2～8^oC下充分搅拌制得4wt%的均相甲壳素水溶液。向均相甲壳素水溶液中加入含2.8g氯乙酸、1.4g氢氧化钠、0.5g尿素和10mL纯水的溶液，分别在2～5^oC下搅拌反应6h，14～16^oC下搅拌反应24h，控制反应液为均相透明体系。用1M的盐酸调节pH值到7.5，使用1L丙酮沉淀，过滤后沉淀用80%(v/v)乙醇水溶液洗去尿素和盐类等小分子物质，50℃烘干得到粉末状羧基改性甲壳素，收率为89%。再将产品加水溶解，透析除去少量残余尿素和盐等小分子物质，冻干得到白色海绵状产物。该产品的核磁氢谱图如图1所示，羧甲基取代度DS=0.17，乙酰度DA=0.86。

实施例3

首先制备氢氧化钠：尿素：纯水=11：4：85（质量比）的混合液，将1.0g甲壳素加入到100g上述混合液中混匀，在-30^oC下冷冻24h并适时搅拌，解冻后于1～5^oC下充分搅拌制得1wt%的均相甲壳素水溶液。向均相甲壳素水溶液中加入含2.33g氯乙酸、1.5g氢氧化钠、0.45g尿素和10mL纯水的混合溶液，先在2～5^oC下搅拌反应6h，然后在14～16^oC下搅拌反应12h，控制反应液为均相透明体系。用1M的盐酸溶液调节pH值到7.2，使用1L丙酮沉淀，过滤后用乙醇/水(80%, v/v)洗去沉淀中的尿素和盐类等小分子物质，50℃烘干得到粉末状羧基改性甲壳素。该产品经核磁氢谱分析得 DS=0.014，DA=0.96。

实施例4

首先制备氢氧化钠：尿素：纯水=11：4：85（质量比）的混合液，将1.0g甲壳素加入到100g上述混合液中混匀，在-30^oC下冷冻24h并适时搅拌，解冻后于1～5^oC下充分搅拌制得1wt%的均相甲壳素水溶液。向均相甲壳素水溶液中加入含2.33g氯乙酸、1.5g氢氧化钠、0.45g尿素和10mL纯水的混合溶液，先在2～5^oC下搅拌反应6h，然后在14～16^oC下搅拌反应24h，控制反应液为均相透明体系。用1M的盐酸溶液调节pH值到7.2，使用1L丙酮沉淀，过滤后用乙醇/水(80%, v/v)洗去沉淀中的尿素和盐类等小分子物质，50℃烘干得到粉末状羧基改性甲壳素。该产品经核磁氢谱分析得DS=0.033，DA=0.90。

实施例5

首先制备氢氧化钠：尿素：纯水=11：4：85（质量比）的混合液，将1.0g甲壳素加入到100g上述混合液中混匀，在-30^oC下冷冻24h并适时搅拌，解冻后于1～5^oC下充分搅拌制得1wt%的均相甲壳素水溶液。向均相甲壳素水溶液中加入含2.33g氯乙酸、1.5g氢氧化钠、0.45g尿素和10mL纯水的混合溶液，先在2～5^oC下搅拌反应6h，然后在14～16^oC下搅拌反应48h，控制反应液为均相透明体系。用1M的盐酸溶液调节pH值到7.2，使用1L丙酮沉淀，过滤后用乙醇/水(80%, v/v)洗去沉淀中的尿素和盐类等小分子物质，50℃烘干得到粉末状羧基改性甲壳素。该产品经核磁氢谱分析得DS=0.075，DA=0.81。

实施例6

首先制备氢氧化钠：尿素：纯水=11：4：85（质量比）的混合液，将1.0g甲壳素加入到100g上述混合液中混匀，在-28^oC下冷冻30h并适时搅拌，解冻后于12-25^oC下充分搅拌制得1wt%的均相甲壳素水溶液。向均相甲壳素水溶液中加入含2.33g氯乙酸、1.5g氢氧化钠、0.45g尿素和10mL纯水的溶液，先在2～6^oC下搅拌反应8h，然后在14～16^oC下反应12h，最后在20～40^oC下搅拌反应12h，控制反应液为均相透明体系。用1M的盐酸调节pH值到中性，使用1L丙酮沉淀，过滤后用乙醇/水(80%, v/v)洗去沉淀中的尿素和盐类等小分子物质，50℃烘干得到粉末状羧基改性甲壳素。该产品经核磁氢谱分析得DS=0.057，DA=0.79。

实施例7

首先制备氢氧化钠：尿素：纯水=15：6：79（质量比）的混合液，将8g甲壳素加入到100g上述混合液中混匀，在冰箱冷冻室-20～-30^oC下冷冻96h并适时搅拌，解冻后于约2～5^oC下充分搅拌制得8wt%的均相甲壳素水溶液。向均相甲壳素水溶液中加入含18.6g氯乙酸、9g氢氧化钠、2.4g尿素和40 mL纯水的溶液，在2～20^oC下搅拌均相反应48h，用2M盐酸溶液调节pH值到7，用大量的乙醇和丙酮混合液（体积比1:1）沉淀3次除去其中的尿素和盐类等小分子物质，真空干燥得到粉末状羧基改性甲壳素。

实施例8 不同投料比的影响

首先制备氢氧化钠：尿素：纯水=11：4：85（质量比）的混合液，将8.4g甲壳素加入到210g上述混合液中混匀，在-30^oC下冷冻24h并适时搅拌，解冻后于2～8^oC下充分搅拌制备4wt%的均相甲壳素水溶液，分成7等份。再依据表1分别加入不同比例的氯乙酸水溶液，分别在2～5^oC下搅拌反应6h，14～16^oC下搅拌反应24h，控制反应液为均相透明体系。用1M的盐酸调节pH值到7，使用1L丙酮沉淀，过滤后沉淀用乙醇水溶液 (80%,v/v)洗去尿素和盐等小分子物质，50℃烘干得到粉末状羧基改性甲壳素，其结果列于表1。

表1 不同投料比的羧基改性甲壳素

*由核磁氢谱计算出产物的乙酰度DA和羧基取代度DS；〔C₈H₁₃O₅N〕为甲壳素的结构单元。

其中H2-H3产物可溶于碱性水溶液中，产物H4可制得在pH 7.4条件下的完全透明的羧基甲壳素水溶液（3 mg/mL），产物H5-H7在去离子水中能够完全溶解得到透明水溶液，这些都说明本实施例制得的低脱乙酰度羧基甲壳素取代度均匀。

实施例9

首先制备氢氧化钠：尿素：纯水=11：4：85（质量比）的混合液，将2.0g甲壳素加入到200g上述混合液中混匀，在冰箱冷冻室-26^oC下冷冻24h并适时搅拌，解冻后于20^oC下充分搅拌制得1%的均相甲壳素水溶液。向均相甲壳素水溶液中加入含9.77g 3-氯丙酸，6 g氢氧化钠，0.95g尿素和纯水20mL的溶液分别在2～3^oC下搅拌反应12h，8～12^oC下搅拌反应71h，控制反应液为均相透明体系。用1M的盐酸调节pH值到中性得到透明溶液，使用2L 85%乙醇水溶液沉淀，50℃烘干得到粉末状羧乙基改性甲壳素。该产品的核磁氢谱图如图2所示，其乙酰度DA=0.83，羧乙基取代度DS=0.29。

实施例10

pH敏感性：分别称取30 mg实施例8制得的羧甲基甲壳素H2、H3和H4，加入到10 mL1M的 NaOH溶液中，搅拌至完全溶解。然后用1 M HCl溶液缓慢调低上述溶液的pH值，直到溶液明显不透明，并使用紫外可见分光光度计在500 nm波长测试相应pH溶液的透过率，结果如图3所示。由该图可知，这三种羧甲基甲壳素H2、H3和H4均具有pH敏感性。

实施例11

温度敏感性：称取20 mg实施例8制得的羧甲基甲壳素H3，加入5 mL 0.1 M 的NaOH溶液中搅拌至完全溶解，然后用0.1 M HCl溶液调节聚合物的溶液pH到7.4，使用动态光散射（DLS）检测羧甲基甲壳素H3在升温时光散射强度和粒径的变化，结果如图4所示。由图4可知，这种羧甲基甲壳素具有温度敏感性，所以这类羧基改性甲壳素可望作为药物载体材料使用。

实施例12

称取20 mg实施例8制得的羧甲基甲壳素H3，加入5 mL 0.155 M的 NaOH溶液中搅拌至完全溶解，然后用少量6 M HCl溶液调节聚合物的溶液pH到7.4，使用流变仪测试羧甲基甲壳素H3在升温时其存储模量和损耗模量的变化，升温速率为 0.5℃/min，频率为1Hz，应变为5%，结果如图5所示。由该图可知，这种羧甲基甲壳素具有温度敏感性，其凝胶化转变温度为28.6℃，在生理温度37℃下可快速固化为凝胶状态。所以这类羧基改性甲壳素可望作为温度敏感性的可注射水凝胶材料使用。本发明制得的水溶性高粘度羧基改性甲壳素，与透明质酸结构、功能相近，可作为替代天然透明质酸使用。

本发明制得的水溶性高粘度产品羧基甲壳素与天然保湿调理剂透明质酸结构、功能相近，可作为替代天然透明质酸广泛用于化妆品如润肤露、沐浴露、洗面奶、洗发水、摩丝中，食品加工业如果蔬保湿剂和保鲜剂，同时也可用于医药、保健、美容、纺织、造纸、环境保护等领域，如制备温度敏感性的可注射水凝胶。

本发明的实施例中调节pH值的酸可用硫酸、硝酸、甲酸、乙酸或柠檬酸代替1M的盐酸，沉淀所用的溶剂可用甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮或四氢呋喃代替丙酮和乙醇水溶液，增加氢氧化钠质量比到20%和增加尿素质量比达12%制备的混合水溶液用于溶解甲壳素，采用溴乙酸、或者3-溴丙酸代替氯乙酸或者3-氯丙酸，均不影响本发明的效果。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种温度敏感性的低脱乙酰度羧基甲壳素，其特征在于，由以下制备方法制备得到：将脱乙酰度低于30％的甲壳素加入到氢氧化钠和尿素的混合水溶液中混合均匀，在-30～-12℃条件下冷冻搅拌24～96h，解冻后于1～25℃下搅拌制得0.5wt％～9wt％的均相甲壳素水溶液；向均相甲壳素水溶液中加入含羧基化试剂的水溶液，并在0～50℃下搅拌均相反应6～71h，制得的羧基甲壳素溶液，经后处理即得到脱乙酰度低于30％的羧基甲壳素，所述的脱乙酰度低于30％的羧基甲壳素具有pH敏感性和温敏性；所述的羧基化试剂的加入量为甲壳素结构单元摩尔数的1～5倍。

2.根据权利要求1所述的温度敏感性的低脱乙酰度羧基甲壳素，其特征在于，所述的甲壳素的脱乙酰度低于10％，其重均分子量为5×10⁴～5×10⁶；所述的氢氧化钠和尿素的混合水溶液中，氢氧化钠的重量比为6wt％～20wt％，尿素的重量比为3wt％～12wt％；所述的羧基化试剂为氯乙酸、溴乙酸、3-氯丙酸、3-溴丙酸或它们盐中的一种或几种。

3.根据权利要求1或2所述的温度敏感性的低脱乙酰度羧基甲壳素，其特征在于，所述的后处理方法为：将制得的羧基甲壳素溶液用酸溶液调节pH值至6.9～7.5，用蒸馏水透析或者有机溶剂沉淀，然后洗涤除去小分子物质，最后干燥。

4.根据权利要求3所述的温度敏感性的低脱乙酰度羧基甲壳素，其特征在于，所述的酸为盐酸、硫酸、硝酸、甲酸、乙酸或柠檬酸中的一种或几种；所述的有机溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、四氢呋喃中的一种或几种。