CN105906742A - 氧化壳聚糖季铵盐及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了氧化壳聚糖季铵盐及其制备方法。本发明氧化壳聚糖季铵盐是指壳聚糖季铵盐糖单元中的2、3位碳碳键部分被选择性氧化成醛基所形成的物质。本发明在避光条件下采用高碘酸钠选择性氧化壳聚糖季铵盐的碳碳键，然后经过反应中止、纯化、干燥，得到高纯度的氧化壳聚糖季铵盐。本发明氧化壳聚糖季铵盐既含有强反应活性的醛基，又含有季铵基团，因而兼具交联性与抗菌/抑菌功能，是新一代功能型交联剂。可以广泛用作生物交联剂、化学偶联剂、微球交联剂、固定化酶交联剂等，亦可应用于皮革工业的复鞣、固色等。

Description

氧化壳聚糖季铵盐及其制备方法

技术领域

本发明涉及氧化壳聚糖季铵盐及其制备方法，应用于生物医学材料与皮革工业。

背景技术

天然组织来源的生物材料（如胶原）通过交联改性可以解决病菌传播问题、消除或降低免疫原性、改善物理机械性能、提高耐降解能力，更好地满足使用的需要。除物理交联外，化学交联常采用两类交联剂：第一类是合成交联剂（如戊二醛）。由于合成交联剂在制备过程中可能的副产物、纯度不够等原因，存在细胞毒性大、易钙化等缺点，生物相容性低。第二类是天然产物及其衍生物交联剂（如京尼平）。天然产物相对细胞毒性低，生物相容性好，但具有交联性能的天然交联剂品种较少，制备和纯化成本相对较高，无法大规模产业化应用。

多糖类是构成生命的四大基本物质之一，广泛存在于高等植物、动物、微生物、地衣和海藻等中。多糖不仅天然具有良好的生物相容性，而且还具有功能性。多糖在抗肿瘤、抗炎、抗病毒、降血糖、抗衰老、抗凝血、免疫促进等方面发挥着生物活性作用。随着科学的进步，以氧化天然多糖类为代表的天然产物衍生物交联剂，成为研究热点。该类交联剂以天然糖类为母体，通过赋予糖类以活性基团，将其改造为交联剂。例如，海藻酸盐具有可降解性和高度的生物相容性、无免疫原性，相对价格低廉，被广泛地应用于组织工程和医药等领域。近年来，将海藻酸盐氧化制备得到的氧化海藻酸钠被用作生物医用材料交联剂，取得了较好的效果（ Hu, Y， Lju, L，Gu ZP， Dan, WH et al. Modification of collagen witha natural derived cross-linker，alginate dialdehyde[J]. CARBOHYDRATE POLYMERS，2014，102: 324-332.）。

人们发现，无论是长期或是短期植入性生物材料，都易引起各种细菌感染。据报道，美国一年内发生的血管内导管感染病例就有5 万至20万例，死亡率高达20%。这些感染一旦发生，即使应用正常剂量上百倍的药物也不能有效治疗， 人体自身的免疫系统也不能清除这些细菌。据统计，45%的医院感染与生物材料的使用相关（罗建斌.抗菌生物材料的研究进展[J].高分子通报，2009，3:58-60）。对于体表应用烧伤、创伤护理，感染也是最为普遍的并发症之一，它会导致伤口出现大量的渗出液，分解细胞外基质蛋白及多种生长因子，阻碍表皮再生及伤口闭合，从而显著影响康复的进程，甚至有可能导致烧创伤患者死亡（周英，许零.抗菌敷料研究进展. 中华损伤与修复杂志，2012，7（3）：307-310）。可见，无论是应用于体表还是体内的生物材料，具有抗菌抑菌功能是生物材料需要具备的高级功能。

通过在材料表面或内部引入具有抑菌或抗菌功能的物质，是防止细菌感染的重要途径。抗菌物质包括抗生素、重金属或金属氧化物、季铵盐等。抗生素具有良好的抗菌作用，但药物易迁移，且容易产生抗药性。金属离子（如Ag⁺、Au⁺等）及其纳米材料（如纳米银、纳米金等），具有广谱抗菌的作用，不易产生耐药性。但近年研究表明，银离子存在细胞毒性、易变质、性能不稳定、成本高等多种问题。如纳米银在杀伤抑制感染创面的微生物的同时，对人体的正常细胞也会有一定的细胞毒性作用，可引起正常细胞的凋亡。纳米材料可经呼吸道、胃肠道摄入、经皮接触、药物注射等方式进入人体，并在体内经淋巴、血液循环转运到达全身各个器官，在体内的累积和迁移，从而产生潜在的生物毒性效应（史一杰，程刚. 纳米制剂生物安全性评价研究进展.沈阳药科大学学报，2010，27（12）：987-992）。季铵盐具有广谱杀菌功能，被广泛应用于医疗领域。但普通季铵盐细胞毒性大，生物相容性不佳。

壳聚糖由广泛存在于节肢动物外壳和真菌类细胞壁中提取的甲壳素经脱乙酰化制得，是一种天然氨基多糖，具有良好的生物降解性和生物相容性。且壳聚糖对各种细菌和真菌都具有抗菌活性，是不可多得的天然优良抗菌生物材料。但壳聚糖在中性或碱性溶液中几乎不溶，大大致约了其应用范围。通过对壳聚糖进行季铵化处理得到的壳聚糖季铵盐，它继承了壳聚糖良好的生物相容性，同时具有优良的溶解性，更强的抗菌性能，是一类较理想的抗菌材料（钟婧，洪艳，陈勇.壳聚糖季铵盐的最新研究进展. 中国组织工程研究与临床康复，2008，12（6）：1115-1118）。

采用物理共混的方法，将壳聚糖季铵盐加入到生物材料中，能够赋予生物材料以抗菌抑菌功能。然而，壳聚糖季铵盐中缺少具有化学反应活性的基团，难以与生物材料形成牢固的共价键结合，物理共混加入的壳聚糖季铵盐容易从生物材料中产生迁移、流失，不能产生长久的抗菌抑菌性能，难以达到预期效果。

高碘酸钠是一种具有选择性氧化的氧化剂，可氧化邻二醇、邻多元醇、α-羟基酸、α-氨基酮、1-氨基-2-羟基化合物，使碳-碳键断裂，生成相应的羰基化合物醛酮。该反应可定量进行，每断裂一个碳-碳键，消耗1分子过碘酸（张洪渊.生物化学教程.成都：四川大学出版社，2005，12.）。而α-羟基酸和α-羰基酸却不会被高碘酸钠氧化断链。以往的研究未能直接证明高碘酸钠可以选择性氧化壳聚糖季铵盐主链上的2、3碳碳键，形成醛基壳聚糖季铵盐。

本发明采用高碘酸钠作为氧化剂，选择性氧化壳聚糖季铵盐，得到了氧化壳聚糖季铵盐。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供氧化壳聚糖季铵盐及其制备方法，它是由以下技术措施来实现的。

1.氧化壳聚糖季铵盐是指壳聚糖季铵盐糖单元中的2、3位碳碳键部分被选择性氧化成醛基所形成的物质，其结构中含有如下式所示的醛基和季铵基团结构单元：

或

其中n为分子中含有醛基的单元个数，m为分子中含有季铵盐的单元个数，R₁、R₂、R₃和R₄为烃基，X为卤素。

2. 一种制备权利要求1所述氧化壳聚糖季铵盐的方法，包括以下步骤：

（1）配制高碘酸钠溶液：称取1—214重量份的高碘酸钠，在避光条件下，搅拌至其完全溶解于50—200重量份的蒸馏水中；

（2）称取壳聚糖季铵盐：称取300—600重量份的壳聚糖季铵盐；

（3）选择性氧化：在避光条件下，将壳聚糖季铵盐加入到高碘酸钠溶液中，在0—50℃下不断搅拌，反应0.5—48小时；

（4）反应中止：加入0.3—62重量份的乙二醇或0.5—90重量份的2，3丁二醇，在0—50℃下不断搅拌，反应0.5—8小时；

（5）纯化：将反应液加入到截留分子量为400-14000DA的透析袋或透析器中，将透析袋或透析器置于蒸馏水中，透析72小时；

（6）干燥：采用真空干燥或冷冻干燥得到固体粉末。

本发明中所用壳寡糖季铵盐为医药级或食品级，其它材料均为分析纯或生物试剂。

氧化壳聚糖季铵盐具有以下特性：

（1）含有高化学反应活性的醛基，可产生高度交联。经过氧化后的壳聚糖季铵盐，2,3碳碳键断裂，形成了双醛结构，具有两个或多个化学活泼的醛基，可与生物材料中的氨基、羟基等产生多点结合，从而形成交联。通过提高其醛基含量，可以使生物材料达到很高的交联度；

（2）抗菌抑菌性能持久。氧化壳聚糖季铵盐与生物材料交联后，在生物材料中引入了壳聚糖季铵盐结构，从而赋予生物材料以良好的抗菌抑菌性能。同时氧化壳聚糖季铵盐与生物材料之间是共价键结合，键能大，牢固结合在生物材料上，已与生物材料成为一体，从而有效避免了机械共混易产生的壳聚糖季铵盐的迁移与流失的缺陷，可长期保持其抗菌抑菌效果；

（3）生物相容性好。氧化壳聚糖季铵盐反应后，醛基与生物材料中的氨基、羟基等反应完全，在生物材料中引入了部分壳聚糖链结构，继承了壳聚糖良好的生物相容性，经交联的生物材料仍然具有良好的生物相容性；

（4）可调控性好。可以通过控制氧化程度，调控季铵盐成分（m）与醛基成分（n）的比例，从而产生不同抗菌抑菌功能和交联效果的氧化壳聚糖季铵盐。可以根据实际需要使用合适氧化度的氧化壳聚糖季铵盐，满足实际应用的需要；

（5）可生物降解。由于壳聚糖季铵盐具有生物可降解性，接入到生物材料后，仍然可以保持其生物降解性；

（6）优良的水溶性。壳聚糖季铵盐具有优良的水溶性，经氧化后，仍保留有较多的亲水基团，如季铵基团、醛基、羟基等，因而仍然具有良好的水溶性，使用十分方便；

（7）赋予生物材料以良好的亲水性能。在生物材料中引入了壳聚糖季铵盐，将壳聚糖季铵盐的保湿性能赋予给生物材料，从而使交联后的材料具有良好的亲水、保湿性能；

（8）颜色浅淡。经氧化壳聚糖季铵盐交联的胶原，可以保持白色，无戊二醛交联后的深黄色，亦无京尼平交联后的深蓝色；

（9）原料价格低廉，制备纯化方便。目前，壳聚糖季铵盐已产业化，价格与京尼平等优良交联剂相比，原料价格低廉；制备方法相对比较简便，经过纯化后，可以达到生化级别，纯度高，适用于医用生物材料。因此，本产品可以工业化大生产，满足规模划制备生产材料的需要。

综上所述，本发明以壳聚糖季铵盐为原料，采用高碘酸为氧化剂，制备出了氧化壳聚糖季铵盐。它集交联性、抗菌抑菌性和生物相容性于一身，是新一代功能性交联剂，可以用作生物交联剂、化学偶联剂、微球交联剂以及固定化酶的交联剂等，广泛地应用于医药、食品、生物、化工、皮革等领域。

具体实施方式

下面通过实例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是，本实例只用于对本发明的进一步说明，而不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容作出一些非本质的改进和调整。

实施例1

（1）配制高碘酸钠溶液：将玻璃反应器置于层析柜中，设置温度为4℃，称取200ml蒸馏水加入到玻璃反应器的三颈瓶中，再称取2.14克高碘酸钠加入到三颈瓶中，避光搅拌20分钟，使高碘酸钠完全溶解；

（2）称取壳聚糖季铵盐：称取6.00克的N-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖；

（3）选择性氧化：将壳聚糖季铵盐粉末加入到高碘酸钠溶液中，避光搅拌至壳聚糖季铵盐完全溶解，在4℃下不断搅拌，反应48小时；

（4）反应中止：关闭层析柜温控开关，加入10ml乙二醇或2，3丁二醇， 在室温下搅拌反应2小时；

（5）纯化：将反应液加入到截留分子量为500DA的透析袋中，将透析袋置于蒸馏水中，透析24小时，换蒸馏水，再透析24小时，换蒸馏水，再透析24小时；

（6）干燥：将透析袋中的液体倒出至容器中，冷冻干燥得到固体粉末。

实施例2

（1）配制高碘酸钠溶液：称取150公斤蒸馏水加入到带有冰水装置的搪瓷反应釜中，控制反应釜温度为16℃，再称取107公斤高碘酸钠加入到反应釜中，搅拌10—30分钟，使高碘酸钠完全溶解；

（2）配制壳聚糖季铵盐溶液：称取100公斤的N，N，N-三甲基壳聚糖，溶解于150公斤蒸馏水中；

（3）选择性氧化：将壳聚糖季铵盐溶液缓慢加入到高碘酸钠溶液中，在16℃下不断搅拌，反应48小时；

（4）盐析：加入220公斤95%的乙醇，搅拌20分钟，将反应液过滤，收集滤液，滤饼回收；

（5）纯化：将滤液泵入到截留分子量为8000DA的透析器中，透析器置中蒸馏水中，滤液循环透析24h；

（6）干燥：将透析后的滤液进行真空干燥，得到固体粉末。

实施例3

（1）配制高碘酸钠溶液：称取200ml蒸馏水加入到三颈瓶中，再称取0.11克高碘酸钠加入到玻璃反应器的三颈瓶中，避光搅拌30分钟，使高碘酸钠完全溶解；

（2）称取壳聚糖季铵盐：称取3.77克的O-羟丙基三甲基氯化铵N-三甲基壳聚糖季铵盐；

（3）选择性氧化：将壳聚糖季铵盐粉末加入到高碘酸钠溶液中，避光搅拌至壳聚糖季铵盐完全溶解，在室温下不断搅拌，反应24小时；

（4）反应中止：加入5ml 2，3丁二醇，在室温下搅拌反应30分钟；

（5）纯化：将反应液加入到截留分子量为14000DA的透析袋中，将透析袋置于蒸馏水中，透析24小时，换蒸馏水，再透析24小时，换蒸馏水，再透析24小时；

（6）干燥：将透析袋中的液体倒出至容器中，冷冻干燥得到白色粉末。

Claims (2)

1.氧化壳聚糖季铵盐是指壳聚糖季铵盐糖单元中的2、3位碳碳键部分被选择性氧化成醛基所形成的物质，其结构中含有如下式所示的醛基和季铵基团结构单元：

或

其中n为分子中含有醛基的单元个数，m为分子中含有季铵盐的单元个数，R₁、R₂、R₃和R₄为烃基，X为卤素。

2.一种制备权利要求1所述氧化壳聚糖季铵盐的方法，包括以下步骤：

（1）配制高碘酸钠溶液：称取1—214重量份的高碘酸钠，在避光条件下，搅拌至其完全溶解于50—200重量份的蒸馏水中；

（2）称取壳聚糖季铵盐：称取300—600重量份的壳聚糖季铵盐；

（3）选择性氧化：在避光条件下，将壳聚糖季铵盐加入到高碘酸钠溶液中，在0—50℃下不断搅拌，反应0.5—48小时；

（4）反应中止：加入0.3—62重量份的乙二醇或0.5—90重量份的2，3丁二醇，在0—50℃下，搅拌反应0.5—8小时；

（5）纯化：将反应液加入到截留分子量为400-14000DA的透析袋或透析器中，将透析袋或透析器置于蒸馏水中，透析72小时；

（6）干燥：采用真空干燥或冷冻干燥得到固体粉末。