CN106496358A - 双亲性壳聚糖季铵盐衍生物及其制备和应用 - Google Patents

双亲性壳聚糖季铵盐衍生物及其制备和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双亲性壳聚糖季铵盐衍生物及其制备和应用。该双亲性壳聚糖季铵盐衍生物结构如式Ⅰ所示，式Ⅰ中，R1为2‑羟丙基三甲基卤化铵基团，R2为烷基或者芳香烷基；a、b、c均为聚合度。该双亲性壳聚糖季铵盐衍生物具有良好的水溶性、可降解性、生物相容性，可以有效抑制革兰氏阴性细菌和革兰氏阳性细菌的生长，可直接作为抗菌材料或者用于制备抗菌复合材料。该双亲性壳聚糖季铵盐衍生物的制备方法，绿色环保、反应条件温和、成本低，易于工业化。

Description

双亲性壳聚糖季铵盐衍生物及其制备和应用
技术领域
本发明涉及抗菌材料技术领域，具体涉及一种双亲性壳聚糖季铵盐衍生物及其制备和应用。
背景技术
微生物的侵袭无处不在，抗生素作为一种有效的广谱抗菌药而广泛应用于生活的各个领域；同时抗生素的滥用也引发了一系列关于细菌耐药性、超级细菌、环境污染等一系列的问题，因此对新型抗菌药物的研究受到越来越多的关注。
在抗菌方面，大自然给人类有良好的导向作用。各种动植物及微生物在抵抗外界细菌时，它们自身会分泌一些具有抗菌、抗病毒和抗肿瘤活性的小分子多肽物质，简称抗菌肽。它由13-45个氨基酸组成，其结构具有特殊的双亲性：既具有亲水结构也具有疏水结构。就抗菌肽的抗菌机理而言，目前没有一个统一观点，但有一种解释为大多数人所认可：即抗菌效果的发挥与细菌细胞膜受到破坏有关。首先带正电荷的抗菌肽与病原菌细胞膜上带有负电荷的磷脂相互吸引，抗菌肽吸附在细胞膜表面，抗菌肽的疏水基团驱动其插入到细胞膜内，并进行自组装，使得细胞膜形成膜孔或空洞，破坏了细胞膜的完整性，细胞内基质向外流出，导致病原菌细胞的死亡。这一过程主要针对细胞膜发挥作用，因此表现出对各种病原微生物的广谱抗菌特性。可是，天然抗菌肽若要从机体中提取或合成，不仅步骤繁琐、生产成本较高，同时还面临着产品稳定性、免疫反应等一系列障碍。
因此，基于抗菌肽良好的广谱抗菌特性，以抗菌肽的分子结构作为模板，设计并合成出具有类似天然抗菌肽的双亲性生物材料是解决该问题的有效途径。目前已有以抗菌肽结构为模板合成的抗菌材料，其抗菌性能优异且溶血毒性非常低，但该类材料大都不可生物降解，给其应用带来不确定性(Kuroda&Caputo,Antimicrobial polymers as syntheticmimics of host-defense peptides.WileyInterdiscip.Rev.Nanomed.Nanobiotechnol.,2013,5:49-66)。新加坡Yang等人利用聚酯制备了可生物降解的双亲性抗菌材料，但是合成过程非常复杂，成本较高(Engler etal.Antimicrobial polycarbonates:investigating the impact of balancing chargeand hydrophobicity using a same-centered polymer approach.Biomacromolecules,2013,14:4331-4339)。因此，在抗菌需求日益强烈的现代社会，开发具有低成本、易制备等特征的可降解抗菌材料就显得尤为重要。
发明内容
本发明提供了一种具有良好的水溶性、可降解性、生物相容性及低成本等特征的双亲性壳聚糖季铵盐衍生物，该类材料可以有效抑制革兰氏阴性细菌和革兰氏阳性细菌的生长。
为达到上述目的，本发明以商品化的壳聚糖作为初始原料。壳聚糖作为一种天然的可再生资源，来源广泛，本身具有可降解性、生物相容性等特性，被广泛应用在医药、化工、食品、化妆品、生化和生物医学工程等诸多领域。
本发明所述的双亲性壳聚糖季铵盐衍生物，是在壳聚糖分子链上先后引入亲水侧链和疏水侧链，亲水侧链为季铵盐侧链，疏水侧链为不同碳原子个数的烷烃链或者芳烃链。
一种双亲性壳聚糖季铵盐衍生物，所述的双亲性壳聚糖季铵盐衍生物结构如式Ⅰ所示：
式Ⅰ中，R1为2-羟丙基三甲基卤化铵基团，作为亲水侧链，其结构如式Ⅱ所示：
式Ⅱ中，X为卤族元素；
R2为烷基或者芳香烷基，作为疏水侧链；
a、b、c均为聚合度，a＝1-2000，b＝1-4000，c＝1-4000，且a+b+c＝6-6200。
所述的烷基可选用直链烷基或者支链烷基；所述的芳香烷基可选用单环芳香直链烷基或者单环芳香支链烷基。
所述的卤族元素选用F、Cl、Br或者I等卤族元素。
为了达到更好的发明效果，优选：所述的烷基为CnH2n+1，n＝2-6的整数；所述的芳香烷基为C6H5CmH2m，m＝1-5的整数，C6H5为苯基。
本发明还提供了双亲性壳聚糖季铵盐衍生物的制备方法，该方法绿色环保、反应条件温和、成本低，易于工业化。
本发明所述的双亲性壳聚糖季铵盐衍生物，是以具有双亲性结构的抗菌肽分子为模板，以壳聚糖为原料进行化学改性，壳聚糖结构中用于改性的基团是-NH2，在壳聚糖分子上引入亲水季铵盐侧链和疏水烃链而制得。
所述的双亲性壳聚糖季铵盐衍生物的制备方法，包括步骤：
(1)以壳聚糖和缩水甘油三甲基卤化铵进行双分子亲核取代反应，制得壳聚糖季铵盐；
(2)用步骤(1)得到的壳聚糖季铵盐和醛反应，再进行还原反应，经提纯得到双亲性壳聚糖季铵盐衍生物；所述的醛为脂肪醛或者芳香醛。
所述壳聚糖的脱乙酰度>80％。可选用聚合度为6-6200，粘均分子量为1000-1000000的壳聚糖。
所述醛为双亲性壳聚糖季铵盐衍生物提供R2基团，所述脂肪醛选用直链脂肪醛或者支链脂肪醛，所述芳香醛选用单环芳香直链脂肪醛或者单环芳香支链脂肪醛。所述的醛优选为CnH2nO、C6H5CmH2mO中的一种，其中n＝2-6的整数，m＝1-5的整数，所述的醛中的m、n与所述的烷基中的m、n具有相同的含义。
为了达到更好的发明效果，进行以下优选：
步骤(1)中，所述双分子亲核取代反应包括：将缩水甘油三甲基卤化铵溶于水中得到缩水甘油三甲基卤化铵水溶液；
将壳聚糖先在水中搅拌并升温至40℃-70℃，搅拌至少1h后，向反应液中缓慢滴加缩水甘油三甲基卤化铵水溶液，反应温度70℃-95℃，反应时间3h-24h。
步骤(1)中，缩水甘油三甲基卤化铵的摩尔数与壳聚糖的聚合度数值之比为1:0.1-5。
步骤(1)中，反应产物可提纯后使用，所述的提纯采用本领域常用的提纯方法，比如：透析后冷冻干燥。具体为：将双分子亲核取代反应的反应液倒入丙酮中沉淀，再洗涤、干燥，最后把干燥产物溶于水中，透析冻干后得到壳聚糖季铵盐。
步骤(2)中，醛与壳聚糖季铵盐的质量比为1:0.1-10。
步骤(2)中，壳聚糖季铵盐和醛反应的反应条件为：在水中搅拌反应1h-8h；该反应温度并没有严格的限制，一般自然环境温度即可，比如常温或者室温等18℃-35℃的自然环境温度。
步骤(2)中，所述还原反应条件为：加入还原剂，搅拌反应至少1h。所述还原剂可选用本领域常用的还原剂，优选硼氢化钾(KBH4)、硼氢化钠(NaBH4)或氰基硼氢化钠(NaBH3CN)等，效果更好。所述还原反应的反应温度并没有严格的限制，一般自然环境温度即可，比如常温或者室温等18℃-35℃的自然环境温度。
步骤(2)中，所述的提纯采用本领域常用的提纯方法，比如：透析后冷冻干燥。进一步优选为：将反应液倒入丙酮(或乙醇)中沉淀，再洗涤、干燥，最后把干燥产物溶于水中，透析后经冷冻干燥得到双亲性壳聚糖季铵盐衍生物。
所述的双亲性壳聚糖季铵盐衍生物能够有效抑制革兰氏阴性细菌和革兰氏阳性细菌的生长，具有优良的抗菌性能。所述的双亲性壳聚糖季铵盐衍生物可直接作为抗菌材料(如仿生抗菌材料)；所述的双亲性壳聚糖季铵盐衍生物还可以用于制备复合抗菌材料。
本发明具有以下优点：
(1)以天然抗菌肽的双亲性结构为蓝本及对其抗菌机理研究，合成具有类似结构和抗菌效果优良的生物抗菌材料，增强了药物的广谱抗菌性能，减少了药物的耐药性。
(2)以壳聚糖结构单元为骨架，在对壳聚糖进行化学修饰过程中，材料水溶性良好，合成的壳聚糖季铵盐衍生物拥有良好的生物相容性、生物可降解性。
(3)本发明的双亲性壳聚糖季铵盐衍生物合成步骤简单，可行性高、周期短，可在水溶剂下反应，合成过程绿色环保、反应条件温和、成本低，易于工业化。
附图说明
图1为实施例1中壳聚糖(COS)、壳聚糖季铵盐(HTCOS)、含N-丙基的双亲性壳聚糖季铵盐衍生物(PQC)的红外谱图。
图2为实施例5中含N-苄基的双亲性壳聚糖季铵盐衍生物(BQC)的红外谱图。
图3为实施例1中含N-丙基的双亲性壳聚糖季铵盐衍生物的核磁谱图。
图4为实施例5中含N-苄基的双亲性壳聚糖季铵盐衍生物的核磁谱图。
图5为实施例10中双亲性壳聚糖季铵盐衍生物对大肠杆菌的抑菌效果图。
具体实施方式
以下结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述，但本发明并不限于此。
实施例1
(1)壳聚糖季铵盐的制备：
壳聚糖的粘均分子量为6000，聚合度为37，脱乙酰度为92％；
称取壳聚糖6.0g置于三口烧瓶内，量取90mL的去离子水使反应物溶解，在60℃下搅拌1h后，以缩水甘油三甲基氯化铵的摩尔数与壳聚糖的聚合度数值之比为1:1的用量，将缩水甘油三甲基氯化铵溶于60mL的去离子水，缓慢滴加于三口烧瓶中，再搅拌30min后将反应温度调控至80℃，反应9h，最后将反应得到的溶液用占反应得到的溶液体积3倍量的丙酮沉淀，静置离心、丙酮洗涤、干燥，最后把干燥产物溶于适量的去离子水中，放入透析袋内透析4天，对透析过的产物进行冷冻干燥处理，得到壳聚糖季铵盐。
(2)含N-丙基的双亲性壳聚糖季铵盐衍生物的制备：
取1g步骤(1)制备的壳聚糖季铵盐放入250mL三口烧瓶内，加入100mL的水溶解并机械搅拌3h，充分溶解后，加入丙醛，丙醛与壳聚糖季铵盐质量比为1:1，常温搅拌反应4h，再用滴定管缓慢加入现配的4.7g、质量百分浓度为10％的NaBH4水溶液，还原反应1h，倒入3倍体积的丙酮中沉淀析出，过滤，乙醇洗涤、烘干，将产物溶于适量的去离子水中，放入透析袋内透析4天，对透析过的产物进行冷冻干燥处理：冷冻干燥3天，得到含N-丙基的双亲性壳聚糖季铵盐衍生物(PQC)，丙基接枝度14.3％。
双亲性含N-丙基的壳聚糖季铵盐的结构式如式Ⅰ所示：
式Ⅰ中，R1为2-羟丙基三甲基氯化铵基团，其结构如式Ⅱ所示：
式Ⅱ中，X为Cl；
R2为丙基；a、b、c均为聚合度，a＝15，b＝14，c＝5，且a+b+c＝34。a+b+c的值等于壳聚糖聚合度与脱乙酰度的乘积。
壳聚糖(COS)、壳聚糖季铵盐(HTCOS)、含N-丙基的双亲性壳聚糖季铵盐衍生物(PQC)的红外谱图见图1；含N-丙基的双亲性壳聚糖季铵盐衍生物的核磁谱图见图3。图1中壳聚糖(COS)、壳聚糖季铵盐(HTCOS)、含N-丙基的双亲性壳聚糖季铵盐衍生物(PQC)的红外谱图，在3414cm-1附近是-NH和-OH的伸缩振动吸收峰，2940cm-1和2873cm-1处为C-H伸缩振动吸收峰，在1660cm-1是-NH的面内弯曲振动峰，896cm-1为环伸缩振动吸收峰，在1080cm-1和1482cm-1的附近分别为C-N的弯曲振动和-CH3的弯曲振动吸收带，由于PQC、HTCOS带有季铵基团因而在1080cm-1和1482cm-1的吸收峰比COS都有明显的增强。以上证明目标化合物为式I所示含N-丙基的双亲性壳聚糖季铵盐衍生物。
实施例2
除了丙醛与壳聚糖季铵盐的质量比为1:10之外，其余操作同实施例1，得到不同丙基取代度的含N-丙基的双亲性壳聚糖季铵盐衍生物(PQC-1)，丙基接枝度7.5％。
双亲性含N-丙基的壳聚糖季铵盐的结构式如式Ⅰ所示：
式Ⅰ中，R1为2-羟丙基三甲基氯化铵基团，其结构如式Ⅱ所示：
式Ⅱ中，X为Cl；
R2为丙基；a、b、c均为聚合度，a＝17，b＝14，c＝3，且a+b+c＝34。
季铵盐、丙基接枝度通过核磁谱图的峰强度来确定。制备的含N-丙基的双亲性壳聚糖季铵盐衍生物的核磁谱图中除了丙基的峰强度稍减弱、NH2的峰强度稍增强之外其余与图3相同。证明目标化合物为式I所示含N-丙基的双亲性壳聚糖季铵盐衍生物。
实施例3
除了丙醛与壳聚糖季铵盐的质量比为1:0.5之外，其余操作同实施例1，得到不同丙基取代度的含N-丙基的双亲性壳聚糖季铵盐衍生物(PQC-2)，丙基接枝度18.7％。
双亲性含N-丙基的壳聚糖季铵盐的结构式如式Ⅰ所示：
式Ⅰ中，R1为2-羟丙基三甲基氯化铵基团，其结构如式Ⅱ所示：
式Ⅱ中，X为Cl；
R2为丙基；a、b、c均为聚合度，a＝14，b＝14，c＝6，且a+b+c＝34。
季铵盐、丙基接枝度通过核磁谱图的峰强度来确定。制备的含N-丙基的双亲性壳聚糖季铵盐衍生物的核磁谱图中除了丙基的峰强度稍增强、NH2的峰强度稍减弱之外其余与图3相同。证明目标化合物为式I所示含N-丙基的双亲性壳聚糖季铵盐衍生物。
实施例4
(1)壳聚糖季铵盐的制备：
壳聚糖的粘均分子量为100000，聚合度为620，脱乙酰度为86％；
称取壳聚糖6.0g置于三口烧瓶内，量取90mL的去离子水，快速搅拌反应物悬浮于水溶液中，在60℃下搅拌1h后，以缩水甘油三甲基氯化铵的摩尔数与壳聚糖的聚合度数值之比为1:2的用量，将缩水甘油三甲基氯化铵溶于60mL的去离子水，缓慢滴加于三口烧瓶中，再搅拌30min后将反应温度调控至80℃，反应12h，最后将反应得到的溶液用占反应得到的溶液体积3倍量的乙醇沉淀，静置离心、丙酮洗涤、干燥，最后把干燥产物溶于适量的去离子水中，放入透析袋内透析4天，对透析过的产物进行冷冻干燥处理，得到壳聚糖季铵盐。
(2)含N-己基的双亲性壳聚糖季铵盐衍生物的制备：
取1g步骤(1)制备的壳聚糖季铵盐放入250mL三口烧瓶内，加入100mL的水溶解并机械搅拌3h，充分溶解后，加入正己醛，正己醛与壳聚糖季铵盐质量比为1:5，常温搅拌反应4h，再用滴定管缓慢加入现配的4.7g、质量百分浓度10％的NaBH4还原剂水溶液还原反应1h，倒入3倍体积的丙酮中沉淀析出，过滤，乙醇洗涤、烘干，将产物溶于适量的去离子水中，放入透析袋内透析4天，对透析过的产物进行冷冻干燥处理：冷冻干燥3天，得到含N-己基的双亲性壳聚糖季铵盐衍生物(YQC)，正己基接枝度5.3％。
含N-己基的双亲性壳聚糖季铵盐衍生物的结构式如式Ⅰ所示：
式Ⅰ中，R1为2-羟丙基三甲基氯化铵基团，其结构如式Ⅱ所示：
式Ⅱ中，X为Cl；
R2为正己基；a、b、c均为聚合度，a＝292，b＝213，c＝28，且a+b+c＝533。
含N-己基的双亲性壳聚糖季铵盐衍生物的核磁图谱与图3非常相似，化学位移在δ＝3.1ppm为季铵盐基团-N+(CH3)3的氢质子特征峰，δ＝1.0ppm是正己基末端甲基基团的氢质子特征峰，δ＝1.35ppm是正己基中亚甲基的氢质子特征峰，其积分强度证明N-己基壳寡糖季铵盐的制备成功。
实施例5
(1)壳聚糖季铵盐的合成：
壳聚糖的粘均分子量为10000，聚合度为62，脱乙酰度为91％；
称取壳聚糖6.0g置于三口烧瓶内，量取90mL的去离子水使反应物溶解，在60℃下搅拌1h后，以缩水甘油三甲基氯化铵的摩尔数与壳聚糖的聚合度数值之比为1:1的用量，将缩水甘油三甲基氯化铵溶于60mL的去离子水，缓慢滴加于三口烧瓶中，之后再搅拌30min后将反应温度调控至80℃，反应9h，最后将反应得到的溶液用占反应得到的溶液体积3倍量的丙酮沉淀，静置离心、丙酮洗涤、干燥，最后把干燥产物溶于适量的去离子水中，放入透析袋内透析4天，对透析过的产物进行冷冻干燥处理，得到壳聚糖季铵盐。
(2)含N-苄基的双亲性壳聚糖季铵盐衍生物的合成：
取1g壳聚糖季铵盐放入250mL三口烧瓶内，加入100mL的水溶解并机械搅拌3h，充分溶解后，加入苯甲醛，苯甲醛与壳聚糖季铵盐质量比为1:1，将芳香醛与10mL甲醇混合并滴入三口烧瓶中常温搅拌反应4h，再用滴定管缓慢加入现配的4.7g、质量百分浓度10％的NaBH4还原剂水溶液还原反应1h，倒入3倍体积的丙酮中沉淀析出，过滤，乙醇洗涤、烘干，将产物溶于适量的去离子水中，放入透析袋内透析4天，对透析过的产物进行冷冻干燥处理：冷冻干燥3天，得到纯净的含N-苄基的双亲性壳聚糖季铵盐衍生物(BQC)，苄基接枝度10.1％。
含N-苄基的双亲性壳聚糖季铵盐衍生物的结构式如式Ⅰ所示：
式Ⅰ中，R1为2-羟丙基三甲基氯化铵基团，其结构如式Ⅱ所示：
式Ⅱ中，X为Cl；
R2为苄基；a、b、c均为聚合度，a＝22，b＝28，c＝6，且a+b+c＝56。
含N-苄基的双亲性壳聚糖季铵盐衍生物的红外谱图见图2，核磁谱图见图4，图中δ＝7.2-7.6ppm是苄基的特征峰，证明N-苄基壳寡糖季铵盐的制备成功。
实施例6
(1)壳聚糖季铵盐的制备：
壳聚糖的粘均分子量为1000，聚合度为6，脱乙酰度为95％；
称取壳聚糖6.0g置于三口烧瓶内，量取90mL的去离子水使反应物溶解，在40℃下搅拌2h后，以缩水甘油三甲基溴化铵的摩尔数与壳聚糖的聚合度数值之比为1:0.1的用量，将缩水甘油三甲基溴化铵溶于60mL的去离子水，缓慢滴加于三口烧瓶中，再搅拌30min后将反应温度调控至70℃，反应24h，最后将反应得到的溶液用占反应得到的溶液体积3倍量的丙酮沉淀，静置离心、丙酮洗涤、干燥，最后把干燥产物溶于适量的去离子水中，放入透析袋内透析4天，对透析过的产物进行冷冻干燥处理，得到壳聚糖季铵盐。
(2)含N-丙基的双亲性壳聚糖季铵盐衍生物的制备：
取1g步骤(1)制备的壳聚糖季铵盐放入250mL三口烧瓶内，加入100mL的水溶解并机械搅拌3h，充分溶解后，加入丙醛，丙醛与壳聚糖季铵盐质量比为1:1，18℃搅拌反应8h，再用滴定管缓慢加入现配的4.7g、质量百分浓度为10％的氰基硼氢化钠水溶液，还原反应2h，倒入3倍体积的丙酮中沉淀析出，过滤，乙醇洗涤、烘干，将产物溶于适量的去离子水中，放入透析袋内透析4天，对透析过的产物进行冷冻干燥处理：冷冻干燥3天，得到含N-丙基的双亲性壳聚糖季铵盐衍生物(PQC-3)，丙基接枝度33.3％。
双亲性含N-丙基的壳聚糖季铵盐的结构式如式Ⅰ所示：
式Ⅰ中，R1为2-羟丙基三甲基溴化铵基团，其结构如式Ⅱ所示：
式Ⅱ中，X为Br；
R2为丙基；a、b、c均为聚合度，a＝2，b＝2，c＝2，且a+b+c＝6。
季铵盐、丙基接枝度通过核磁谱图的峰强度来确定。制备的含N-丙基的双亲性壳聚糖季铵盐衍生物的核磁谱图中除了季铵基团的峰强度减弱、丙基的峰强度减弱、NH2的峰强度减弱之外其余与图3相同。证明目标化合物为式I所示含N-丙基的双亲性壳聚糖季铵盐衍生物。
实施例7
(1)壳聚糖季铵盐的制备：
壳聚糖的粘均分子量为1000000，聚合度为6200，脱乙酰度为81％；
称取壳聚糖6.0g置于三口烧瓶内，量取90mL的去离子水，在70℃下搅拌1h后，使反应物均匀分散，然后以缩水甘油三甲基溴化铵的摩尔数与壳聚糖的聚合度数值之比为1:5的用量，将缩水甘油三甲基溴化铵溶于60mL的去离子水，缓慢滴加于三口烧瓶中，再搅拌30min后将反应温度调控至95℃，反应13h，最后将反应得到的溶液用占反应得到的溶液体积3倍量的丙酮沉淀，静置离心、丙酮洗涤、干燥，最后把干燥产物溶于适量的去离子水中，放入透析袋内透析4天，对透析过的产物进行冷冻干燥处理，得到壳聚糖季铵盐。
(2)含N-丙基的双亲性壳聚糖季铵盐衍生物的制备：
取1g步骤(1)制备的壳聚糖季铵盐放入250mL三口烧瓶内，加入100mL的水溶解并机械搅拌3h，充分溶解后，加入丙醛，丙醛与壳聚糖季铵盐质量比为1:1，35℃搅拌反应1h，再用滴定管缓慢加入现配的4.7g、质量百分浓度为10％的KBH4水溶液，还原反应1h，倒入3倍体积的丙酮中沉淀析出，过滤，乙醇洗涤、烘干，将产物溶于适量的去离子水中，放入透析袋内透析4天，对透析过的产物进行冷冻干燥处理：冷冻干燥3天，得到含N-丙基的双亲性壳聚糖季铵盐衍生物，丙基接枝度9.7％。
双亲性含N-丙基的壳聚糖季铵盐的结构式如式Ⅰ所示：
式Ⅰ中，R1为2-羟丙基三甲基溴化铵基团，其结构如式Ⅱ所示：
式Ⅱ中，X为Br；
R2为丙基；a、b、c均为聚合度，a＝2035，b＝2500，c＝487，且a+b+c＝5022。
季铵盐、丙基接枝度通过核磁谱图的峰强度来确定。制备的含N-丙基的双亲性壳聚糖季铵盐衍生物的核磁谱图中除了季铵基团的峰强度显著增强、丙基的峰强度显著增强、NH2的峰强度显著增强之外其余与图3相同。证明目标化合物为式I所示含N-丙基的双亲性壳聚糖季铵盐衍生物。
实施例8
除了苯甲醛与壳聚糖季铵盐的质量比为1:10之外，其余操作同实施例5，得到不同苄基取代度的含N-苄基的双亲性壳聚糖季铵盐衍生物(BQC-1)，苄基接枝度5.6％。
双亲性含N-苄基的壳聚糖季铵盐的结构式如式Ⅰ所示：
式Ⅰ中，R1为2-羟丙基三甲基氯化铵基团，其结构如式Ⅱ所示：
式Ⅱ中，X为Cl；
R2为苄基；a、b、c均为聚合度，a＝25，b＝28，c＝3，且a+b+c＝56。
季铵盐、苄基接枝度通过核磁谱图的峰强度来确定。制备的含N-苄基的双亲性壳聚糖季铵盐衍生物的核磁谱图中δ＝7.2-7.6ppm是苄基的特征峰，证明N-苄基壳寡糖季铵盐的制备成功，核磁谱图中除了苄基的峰强度减弱、NH2的峰强度增强之外其余与图4相同。
实施例9
除了苯甲醛与壳聚糖季铵盐的质量比为1:0.1之外，其余操作同实施例5，得到不同苄基取代度的含N-苄基的双亲性壳聚糖季铵盐衍生物(BQC-2)，苄基接枝度16.8％。
双亲性含N-苄基的壳聚糖季铵盐的结构式如式Ⅰ所示：
式Ⅰ中，R1为2-羟丙基三甲基氯化铵基团，其结构如式Ⅱ所示：
式Ⅱ中，X为Cl；
R2为苄基；a、b、c均为聚合度，a＝19，b＝28，c＝9，且a+b+c＝56。
季铵盐、苄基接枝度通过核磁谱图的峰强度来确定。制备的含N-苄基的双亲性壳聚糖季铵盐衍生物的核磁谱图中δ＝7.2-7.6ppm是苄基的特征峰，证明N-苄基壳寡糖季铵盐的制备成功，核磁谱图中除了苄基的峰强度增强、NH2的峰强度减弱之外其余与图4相同。
实施例10
将实施例1-9中的双亲性壳聚糖季铵盐衍生物进行抗菌性能测试，测试方法参照平板计数法的国家标准(GB4789.3-2010)，双亲性壳聚糖季铵盐衍生物针对大肠杆菌(革兰氏阴性细菌的代表)的抑菌效果见表1和图5，双亲性壳聚糖季铵盐衍生物针对金黄色葡萄球菌(革兰氏阳性细菌的代表)的抑菌效果见表2。
表1证明，接枝疏水基团以后，本发明双亲性壳聚糖季铵盐衍生物的抗菌性能优于壳聚糖季铵盐(未接枝疏水基团)；表2说明改变疏水基团接枝度能够影响其抗菌性能。
图5中，图(5-1)为浓度10-3mol/L时空白对照组对大肠杆菌的抑菌效果图，图(5-2)为浓度10-3mol/L时HTCOS(0.4mg/L)对大肠杆菌的抑菌效果图，图(5-3)为浓度10-3mol/L时PQC(0.4mg/L)对大肠杆菌的抑菌效果图；图(5-4)为浓度10-4mol/L时空白对照组对大肠杆菌的抑菌效果图，图(5-5)为浓度10-4mol/L时HTCOS(0.4mg/L)对大肠杆菌的抑菌效果图，图(5-6)为浓度10-4mol/L时PQC(0.4mg/L)对大肠杆菌的抑菌效果图；图(5-7)为浓度10-5mol/L时空白对照组对大肠杆菌的抑菌效果图，图(5-8)为浓度10-5mol/L时HTCOS(0.4mg/L)对大肠杆菌的抑菌效果图，图(5-9)为浓度10-5mol/L时PQC(0.4mg/L)对大肠杆菌的抑菌效果图。
表1 双亲性壳聚糖季铵盐衍生物对大肠杆菌的抑菌效果
表2 双亲性壳聚糖季铵盐衍生物对金黄色葡萄球菌的抑菌效果
在本发明中，改变加入壳聚糖季铵盐与醛的质量比，重复实施例中的操作，能够得到一系列烷基取代度不同的双亲性壳聚糖季铵盐或者一系列芳香烷基取代度不同的双亲性壳聚糖季铵盐。
本发明得到的一系列双亲性壳聚糖季铵盐衍生物能够有效抑制革兰氏阴性细菌和革兰氏阳性细菌的生长，具有优良的抗菌性能。本发明双亲性壳聚糖季铵盐衍生物可直接作为抗菌材料(如仿生抗菌材料)；本发明双亲性壳聚糖季铵盐衍生物还可以用于制备复合抗菌材料。
本发明制备方法中参数的变化并不影响双亲性壳聚糖季铵盐衍生物的制备，因此本发明制备方法中任意参数的组合均可实现双亲性壳聚糖季铵盐衍生物的制备。在此不再赘述。

Claims (10)

1.一种双亲性壳聚糖季铵盐衍生物，其特征在于，所述的双亲性壳聚糖季铵盐衍生物结构如式Ⅰ所示：
式Ⅰ中，R1为2-羟丙基三甲基卤化铵基团，其结构如式Ⅱ所示：
式Ⅱ中，X为卤族元素；
R2为烷基或者芳香烷基；
a、b、c均为聚合度，a＝1-2000，b＝1-4000，c＝1-4000，且a+b+c＝6-6200。
2.根据权利要求1所述的双亲性壳聚糖季铵盐衍生物，其特征在于，所述的烷基为直链烷基或者支链烷基；所述的芳香烷基为单环芳香直链烷基或者单环芳香支链烷基。
3.根据权利要求1或2所述的双亲性壳聚糖季铵盐衍生物，其特征在于，所述的烷基为CnH2n+1，n＝2-6的整数；所述的芳香烷基为C6H5CmH2m，m＝1-5的整数，C6H5为苯基。
4.根据权利要求1-3任一项所述的双亲性壳聚糖季铵盐衍生物的制备方法，其特征在于，包括步骤：
(1)以壳聚糖和缩水甘油三甲基卤化铵进行双分子亲核取代反应，制得壳聚糖季铵盐；
(2)用步骤(1)得到的壳聚糖季铵盐和醛反应，再进行还原反应，经提纯得到双亲性壳聚糖季铵盐衍生物；所述的醛为脂肪醛或者芳香醛。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述壳聚糖的脱乙酰度>80％。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述双分子亲核取代反应包括：将壳聚糖先在水中搅拌并升温至40℃-70℃，搅拌至少1h后，向反应液中缓慢滴加缩水甘油三甲基卤化铵水溶液，反应温度70℃-95℃，反应时间3h-24h。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，壳聚糖季铵盐和醛反应的反应条件为：在水中搅拌反应1h-8h；
所述还原反应条件为：加入还原剂，搅拌反应至少1h。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，缩水甘油三甲基卤化铵的摩尔数与壳聚糖的聚合度数值之比为1:0.1-5；
步骤(2)中，醛与壳聚糖季铵盐的质量比为1:0.1-10。
9.根据权利要求1-3任一项所述的双亲性壳聚糖季铵盐衍生物在作为抗菌材料中的应用。
10.根据权利要求1-3任一项所述的双亲性壳聚糖季铵盐衍生物在制备抗菌材料中的应用。
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