京尼平與殼聚糖-明膠-京尼平交聯(lián)體系的力學(xué)性能及溶脹性能

京尼平與殼聚糖-明膠-京尼平交聯(lián)體系的力學(xué)性能及溶脹性能

殼聚糖是一種堿性茶多酚，明膠是明膠的退化產(chǎn)物。兩者都具有良好的生物相容性，在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注。例如，殼聚糖可用于透析膜、離體、藥物釋放載體和固定酶載體。然而，作為一種生物材料，地殼聚糖和明膠的強(qiáng)度往往不受參與。為了提高這些天然材料的強(qiáng)度，人們經(jīng)常使用聯(lián)合反應(yīng)來(lái)提高這些天然材料的強(qiáng)度。傳統(tǒng)的聯(lián)合用藥方法大多采用化學(xué)合成和解，但這些雜交劑本身對(duì)細(xì)胞的毒性相對(duì)較高，因此獲得的生物材料在移植后會(huì)影響正常組織的生長(zhǎng)。近年來(lái)，人們嘗試使用不同類型的雜交劑來(lái)提高食品糖的連作性。京尼平是傳統(tǒng)中醫(yī)杜仲的活性成分之一，通過(guò)從景尼平中分離出來(lái)的磺酸中提取的天然雜交劑而獲得。京尼平屬于環(huán)烯醚類化合物，具有多個(gè)活性官能基質(zhì)，如羥基和羧基，并可通過(guò)多個(gè)分子團(tuán)合物。這為將北京尼平作為理想的釋放糖-明膠系統(tǒng)的理想交聯(lián)劑提供了良好的基礎(chǔ)條件。與傳統(tǒng)的交聯(lián)劑相比，天然生物交聯(lián)劑京尼平具有良好的生物適應(yīng)性。這一引入促進(jìn)了地殼和明膠在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍的進(jìn)一步擴(kuò)展。筆者以京尼平為交聯(lián)劑,探討其對(duì)殼聚糖及明膠交聯(lián)反應(yīng)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)特征,并對(duì)交聯(lián)制品的力學(xué)性能、降解性能進(jìn)行較為詳細(xì)的研究,為將京尼平這一性能優(yōu)異的生物交聯(lián)劑應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).1實(shí)驗(yàn)1.1材料和試劑殼聚糖,相對(duì)分子質(zhì)量2×105,脫乙酰度85%,由山東青島海匯生物工程有限公司提供;明膠由河北衡水成大明膠有限公司提供;京尼平由Wako公司提供;溶菌酶由上海國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司提供.1.2京尼平的維護(hù)在1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))殼聚糖醋酸溶液、2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))明膠水溶液、殼聚糖-明膠混合溶液中分別加入一定量的京尼平醋酸水溶液,使各個(gè)體系中京尼平濃度均為0.15mmol/L,得到各自的交聯(lián)體系.利用WFZ-26A紫外光譜儀對(duì)上述體系的交聯(lián)反應(yīng)進(jìn)行跟蹤檢測(cè).樣品放在一個(gè)寬5mm的石英比色皿內(nèi),樣品頂部加一層礦物油,比色皿用塑料蓋密封,防止反應(yīng)進(jìn)行時(shí)溶劑蒸發(fā)和氧氣滲入,實(shí)驗(yàn)在20℃下進(jìn)行.1.3成膜的制備分別向上述殼聚糖醋酸溶液、明膠水溶液、殼聚糖-明膠混合溶液中加入適量京尼平的醋酸水溶液,充分混合1h.將20mL混合溶液倒入培養(yǎng)皿中,交聯(lián)24h后,置于烘箱中50℃干燥成膜.然后用50mL乙醇浸泡10min,再加入50mL1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的NaOH水溶液浸泡30min,蒸餾水洗滌至中性.隨后放置在烘箱中40℃干燥成膜.1.4力學(xué)性能的測(cè)試用TestometricM350-20KN材料測(cè)試機(jī),在室溫下測(cè)定樣品的力學(xué)性能.拉伸速度為10mm/min,實(shí)驗(yàn)結(jié)果為5次測(cè)定的統(tǒng)計(jì)平均.1.5溶脹度的測(cè)定將10mm×5mm樣片放入pH值不同的磷酸原緩沖溶液中,每隔一定時(shí)間取出,迅速用濾紙將表面水吸干后稱重,其溶脹度為S=(ms-ma)/ma×100%式中:ms為濕質(zhì)量;ma為干質(zhì)量.1.6降解過(guò)程中樣品的制備用pH值為7.47的PBS緩沖溶液配制不同濃度的溶菌酶溶液,將10mm×5mm樣片放入,放于37℃的恒溫?fù)u床內(nèi),低速搖動(dòng),每隔一定時(shí)間取出,放于烘箱內(nèi)40℃干燥,稱重.溶脹過(guò)程中樣品的質(zhì)量損失率為D=(m1-m2)/m1×100%式中:m1為降解前的質(zhì)量;m2為降解后的質(zhì)量.2結(jié)果與討論2.1京尼平對(duì)殼聚糖的吸收特性殼聚糖、明膠和京尼平各自的紫外吸收光譜如圖1所示,殼聚糖在246.5nm和286.5nm處有較強(qiáng)吸收,明膠在243nm處有吸收峰,而京尼平的吸收峰則在241.5nm處.由于3種反應(yīng)物的特征吸收位置比較接近,這就使得采用反應(yīng)物濃度變化來(lái)表征反應(yīng)進(jìn)行程度可能會(huì)有一定偏差,所以以生成物濃度的變化來(lái)考察京尼平對(duì)殼聚糖或明膠的交聯(lián)反應(yīng).2.2京尼平交聯(lián)殼聚糖的反應(yīng)過(guò)程京尼平是一種環(huán)烯醚萜類雜環(huán)化合物,具有—OH、—COO-等多個(gè)活性官能團(tuán),能自發(fā)與氨基反應(yīng).推測(cè)京尼平與含有氨基的聚合物的交聯(lián)過(guò)程主要通過(guò)2個(gè)反應(yīng)完成:一個(gè)是京尼平上的烯碳原子受到氨基的親核攻擊,開(kāi)環(huán)形成雜環(huán)胺化合物;另一個(gè)是SN2親核取代反應(yīng),即京尼平上的酯基團(tuán)與氨基反應(yīng)生成酰胺,同時(shí)釋放出甲醇,從而產(chǎn)生交聯(lián)作用.反應(yīng)過(guò)程如圖2所示.以京尼平交聯(lián)殼聚糖及殼聚糖-明膠復(fù)合體系的反應(yīng)為例,其中京尼平的用量均過(guò)量,即京尼平不僅可以對(duì)體系進(jìn)行充分交聯(lián),還可以自身聚合.用紫外光譜記錄的京尼平交聯(lián)殼聚糖反應(yīng)過(guò)程見(jiàn)圖3.由圖3可見(jiàn),隨著反應(yīng)的進(jìn)行,由于第2個(gè)峰峰值逐漸升高,第1個(gè)峰逐漸減弱,而成為第2個(gè)峰的肩峰.第1個(gè)峰出現(xiàn)在246nm處,與京尼平的特征峰位置有些偏移.可以理解為京尼平被H+所催化,結(jié)構(gòu)發(fā)生了一定的改變.第2個(gè)峰在280nm處出現(xiàn),可以認(rèn)為代表的是殼聚糖或其中的乙酰氨基葡萄糖組分對(duì)京尼平進(jìn)行的親核攻擊所生成的雜環(huán)化合物.它是在反應(yīng)發(fā)生一定時(shí)間后出現(xiàn),接著迅速增加至恒定值,然后基本上保持恒定.研究這一峰可以檢驗(yàn)上述對(duì)京尼平反應(yīng)過(guò)程中較快反應(yīng)(即生成雜環(huán)胺化合物反應(yīng))的正確性.第3個(gè)峰于360nm處發(fā)展,它的出現(xiàn)較第2個(gè)峰還要稍晚一些,有可能為較慢的反應(yīng),即第2個(gè)反應(yīng)在京尼平上形成的酰胺所在的特征吸收位.研究這一峰可以檢驗(yàn)上述對(duì)京尼平反應(yīng)過(guò)程中較慢反應(yīng)(即生成酰胺反應(yīng))的正確性.第4個(gè)峰出現(xiàn)在605nm附近,在4個(gè)峰中最后出現(xiàn),而且出現(xiàn)后保持持續(xù)增長(zhǎng),此峰是殼聚糖或乙酰氨基葡萄糖與京尼平反應(yīng)所特有的.2.3京尼平對(duì)殼聚糖的作用本實(shí)驗(yàn)所制得的各種凝膠膜的力學(xué)性能如圖4所示.隨著京尼平加入量的增多,體系交聯(lián)密度提高,導(dǎo)致各種凝膠體系的抗張強(qiáng)度均在增大,斷裂伸長(zhǎng)率則下降.殼聚糖分子鏈上含有大量的氨基及羥基,為其與京尼平的反應(yīng)提供了足夠的反應(yīng)位點(diǎn).而京尼平本身為穩(wěn)定的環(huán)狀結(jié)構(gòu),它在與殼聚糖分子上的氨基發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)的同時(shí),自身也可以發(fā)生自聚反應(yīng),生成一定長(zhǎng)度的齊聚物,所以京尼平對(duì)殼聚糖或明膠的交聯(lián)反應(yīng)產(chǎn)物類似于大分子交聯(lián)劑所產(chǎn)生的結(jié)果.隨著京尼平用量的增加,不僅交聯(lián)密度提高,環(huán)狀剛性鏈的長(zhǎng)度也在增加,導(dǎo)致體系的斷裂強(qiáng)度提高.與明膠相比,殼聚糖本身分子間具有大量的氫鍵及糖環(huán)結(jié)構(gòu),所以其力學(xué)強(qiáng)度明顯優(yōu)于明膠體系.2.4不同復(fù)配膠對(duì)殼聚糖溶液平衡溶脹度和溶脹速率的影響京尼平用量與殼聚糖及殼聚糖-明膠復(fù)合凝膠膜的溶脹性能的關(guān)系如圖5所示.由圖5可見(jiàn),所有凝膠膜都在20min以內(nèi)達(dá)到溶脹平衡,而且隨著交聯(lián)度的增加,平衡溶脹度呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì),這是因?yàn)殡S著交聯(lián)度的升高,交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)變得越來(lái)越緊密,水分子要擴(kuò)散進(jìn)網(wǎng)絡(luò)就越困難.但隨著明膠的加入,平衡溶脹度及溶脹速率均迅速增加.當(dāng)pH值為7.47時(shí),殼聚糖分子中氨基的離子化傾向極小,不利于它的吸水溶脹;而明膠的等電點(diǎn)為4.9,當(dāng)pH值為7.47時(shí),靜電吸引作用已經(jīng)變得很小,水分子較容易擴(kuò)散進(jìn)入交聯(lián)網(wǎng)絡(luò),所以明膠的平衡溶脹度要比殼聚糖高出許多.2.5低切度的增加,隨低交聯(lián)度的下降圖6所示為在溶菌酶存在下,京尼平交聯(lián)凝膠膜的降解情況.可以看出,在相同時(shí)間內(nèi),各種凝膠膜的降解程度均隨溶菌酶質(zhì)量濃度的增加而增加,隨交聯(lián)度的增加而下降;不過(guò)隨著時(shí)間的增加,溶菌酶濃度的影響越來(lái)越明顯,交聯(lián)度的影響則趨于減弱.反應(yīng)前期溶菌酶只是對(duì)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分割,但交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)整體上還保持較好的完整性.隨著降解的深入,交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)變得越來(lái)越分散,即單個(gè)交聯(lián)單元的相對(duì)分子質(zhì)量下降,進(jìn)一步加速降解的進(jìn)行,這一作用隨時(shí)間的發(fā)展而越來(lái)越強(qiáng).從表觀上即反映為降解速率隨時(shí)間而加快,而且加快的幅度也在增加