林佳福，辛梅華，李明春，祝二斌

（華僑大學材料科學與工程學院，環(huán)境友好功能材料教育部工程中心，福建 廈門 361021）

研究開發(fā)

三甲基殼聚糖季銨鹽水凝膠的制備及性能

林佳福，辛梅華，李明春，祝二斌

（華僑大學材料科學與工程學院，環(huán)境友好功能材料教育部工程中心，福建 廈門 361021）

采用反應(yīng)活性強和交聯(lián)條件溫和的二乙烯基砜為交聯(lián)劑，制備了N,N,N-三甲基殼聚糖季銨鹽水凝膠（TMCG）并研究了TMCG的溶脹行為、水的狀態(tài)和分布以及力學性能等。結(jié)果表明，TMCG在水中溶脹迅速，平衡溶脹度達40倍，并且具有離子響應(yīng)性；水分子在TMCG中以自由水、可凍結(jié)的結(jié)合水和非凍結(jié)的結(jié)合水三種形式存在，其非凍結(jié)的結(jié)合水含量隨交聯(lián)劑濃度的增加而增大。TMCG具有良好的力學性能，拉伸強度達13.8 MPa，斷裂伸長率達135.3%。

殼聚糖；季銨化；水凝膠；力學性能

水凝膠是能夠吸收并保留大量水分、在水中只溶脹不溶解的親水性三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)物質(zhì)[1]。刺激敏感型的水凝膠能夠?qū)ν饨绲沫h(huán)境刺激如溫度、pH值、離子強度、壓力、電場和磁場等產(chǎn)生體積變化或相變。由于具有良好的親水性、高溶脹度、溫敏和pH值響應(yīng)性，水凝膠已廣泛用于抗菌材料、支架材料、重金屬吸附劑和藥物載體等領(lǐng)域[2-5]。

殼聚糖是無毒、可生物降解和生物相容性好的天然高分子材料，在水凝膠制備中應(yīng)用日益廣泛。Susannah等[5]分別采用戊二醛和京尼平為交聯(lián)劑制備了殼聚糖水凝膠，考察了水凝膠的溶脹、流變和藥物擴散行為。結(jié)果表明，其溶脹行為有很高的pH響應(yīng)性，并且交聯(lián)度低的水凝膠擴散速度和總釋放率增加。改變殼聚糖水凝膠的交聯(lián)類型和程度可以改變其溶脹和彈性特征，以期用作靶向給藥載體。Nedeljko等[6]以殼聚糖、衣康酸和PVA為基材通過戊二醛交聯(lián)制備聚合物網(wǎng)絡(luò)（HPNs），研究表明，制備的HPNs比將殼聚糖溶解在乙酸或鹽酸里制得的殼聚糖水凝膠有更好的溶脹性能、力學性能和熱穩(wěn)定性。改變PVA的量和交聯(lián)度可調(diào)節(jié)HPNs的性質(zhì)，使其用于藥物控制釋放等領(lǐng)域。但殼聚糖親水性較差限制了其應(yīng)用范圍，通過化學修飾改善殼聚糖的溶解性，可以拓寬其應(yīng)用，而且目前制備的殼聚糖水凝膠存在制備過程較為繁瑣、溶脹速率慢、溶脹度低及力學性能較差等缺點。本文對殼聚糖進行化學改性制備具有良好水溶性的N,N,N-三甲基殼聚糖季銨鹽（TMC），以反應(yīng)活性強和交聯(lián)條件溫和的二乙烯基砜為交聯(lián)劑，在常溫水溶液條件下制備N,N,N-三甲基殼聚糖季銨鹽水凝膠（TMCG），反應(yīng)式見圖1。研究了TMCG的溶脹行為、水的狀態(tài)以及力學性能，為殼聚糖基水凝膠在生物醫(yī)學領(lǐng)域如敷料等方面的應(yīng)用提供依據(jù)。

圖1 N,N,N-三甲基殼聚糖季銨鹽水凝膠的制備

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

冷凍干燥機（北京博醫(yī)康儀器有限公司），NEXUS470傅里葉變換紅外光譜儀（美國 Nicolet公司），Universal V2.4F熱分析儀（美國TA儀器公司），CMT6502型SANS微機控制電子萬能試驗機（深圳市新三思材料檢測有限公司）。

殼聚糖（CTS），DD%= 95.6，=100 kDa，浙江金殼生物化學有限公司；碘甲烷，上海阿拉丁試劑有限公司；二乙烯基砜（DVS），上海海曲化工有限公司；其它試劑均為市售分析純。

1.2 N,N,N-三甲基殼聚糖季銨鹽水凝膠的制備

1.2.1 TMC的制備

參照文獻[7]的方法合成TMC，具體如下：2 g CTS加入80 mLN-甲基吡咯烷酮中，攪拌過夜溶脹后加入4.8 g NaI、15% NaOH，60 ℃攪拌20 min。接著加入12 mL碘甲烷，反應(yīng)2 h后，再加入NaOH和6 mL碘甲烷，繼續(xù)反應(yīng)2 h。倒入乙醇/乙醚（體積比=1/1）中，過濾，乙醚洗滌。分別用NaCl溶液和蒸餾水透析3天，離心后上清液冷凍干燥得到產(chǎn)物TMC。用D2O溶解TMC、AV-400型核磁共振分析儀測定TMC的核磁共振氫譜，計算得TMC的三甲基取代度為36%。

1.2.2 TMCG的制備

以二乙烯基砜（DVS）為交聯(lián)劑在堿性條件下制備TMCG。具體如下：取一定量的TMC（見表1）溶于3 mL蒸餾水中配制TMC水溶液，然后分別加入1 mL 2%氫氧化鈉溶液和1 mL一定濃度的DVS溶液（見表1），攪拌均勻，倒入模具中，室溫放置4 h左右，使其充分交聯(lián)，得初始TMCG。將TMCG浸泡于蒸餾水中24 h，期間多次換水，以除去未反應(yīng)的TMC和DVS，60℃真空干燥得純化的TMCG。

1.3 水凝膠的溶脹行為測定

將尺寸為 1 cm×1 cm 的干燥水凝膠（質(zhì)量為Md）浸泡在蒸餾水中，溶脹平衡后水凝膠的質(zhì)量為Me，按式（1）、式（2）計算TMCG的飽和溶脹度SR和平衡水含量EWC。

表1 產(chǎn)品名稱及原料用量

1.4 水凝膠的力學性能測定

根據(jù)塑料薄膜拉伸性能試驗方法（GB 13022—91），將TMCG裁成啞鈴形，用螺旋測微器測量試樣厚度。然后用電子萬能試驗機測定試樣的拉伸強度和斷裂伸長率，拉伸速度 25 mm/min，標距 80 mm。每個數(shù)據(jù)取5個樣條的算術(shù)平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 產(chǎn)物的紅外光譜分析

采用KBr壓片法，測得原料和產(chǎn)物的紅外吸收光譜如圖2所示。

圖2中曲線a為CTS的紅外光譜圖，曲線b為TMC的紅外光譜圖。與曲線a相比，曲線b在2930 cm－1處的—CH3伸縮振動吸收峰明顯增強，1479 cm－1處出現(xiàn)的新峰是季銨基團中甲基的C—H不對稱伸縮振動峰，1596 cm－1處的N—H彎曲振動峰消失，說明殼聚糖的NH2上發(fā)生了取代反應(yīng)[8]。由紅外吸收光譜說明殼聚糖的 NH2上已引入—N(CH3)3基團。曲線c為TMCG的紅外吸收光譜，與曲線b相比，曲線c在1310 cm－1處出現(xiàn)新峰，為交聯(lián)劑二乙烯基砜上—SO2—基團的反對稱伸縮振動峰，說明產(chǎn)物為交聯(lián)三甲基殼聚糖季銨鹽水凝膠。

2.2 TMCG中水的狀態(tài)和分布

共聚物中水的狀態(tài)及含量影響高分子膜的通透性等。聚合物和水分子之間的相互作用能夠反映出水凝膠的結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系[9-10]。對不同交聯(lián)劑用量制備的水凝膠同時進行平衡水含量測定和DSC分析。蒸餾水溶脹平衡后的水凝膠用濾紙拭去表面的水，取3～5 mg放入DSC樣品池中密封測定。升溫速率10 K/min，溫度范圍－30～40 ℃，N2保護，測得不同交聯(lián)劑濃度制備的水凝膠的DSC如圖3所示。

圖2 合成產(chǎn)物的FTIR圖

圖3 水凝膠的DSC圖

圖3顯示，在0～20 ℃之間5種水凝膠均有吸熱峰，說明在低溫下有冰相生成。按照“三態(tài)水”模型，這些譜峰來源于凍結(jié)水的熱焓變化，由此可算出凍結(jié)水的含量。在交聯(lián)劑濃度較低時，譜峰為單峰且較窄；隨著交聯(lián)劑濃度的增加，譜峰呈變寬趨勢；在交聯(lián)劑質(zhì)量分數(shù)為2.4%時裂成2個峰。單峰說明可凍結(jié)的結(jié)合水和自由水的吸熱峰完全重疊，而雙峰中靠近 0℃的為自由水的吸熱峰，另一個則為中間水的吸熱峰[9]。

假設(shè)水凝膠中水的熔融焓與純水的熔融焓相同，即334.3J/g[10]，根據(jù)DSC曲線上的熔融焓值（表2），利用式（3）、式（4）可計算出可凍結(jié)水含量（Cf，即自由水和可凍結(jié)的結(jié)合水含量之和）和非凍結(jié)水含量（Cnf）[10-12]，結(jié)果見表3。

其中，ΔHg為水凝膠中可凍結(jié)水的熔融焓，J/g；ΔH0為純水的熔融焓，J/g。

表2 DSC的分析數(shù)據(jù)

表3 平衡水含量和水的分布

交聯(lián)劑濃度是影響TMCG溶脹性能、水凝膠中水的狀態(tài)和分布的重要因素。從表 3可以看出，TMCG中的非凍結(jié)的結(jié)合水含量隨交聯(lián)劑濃度的增加總體上呈增加趨勢。這可能是交聯(lián)劑濃度較低時，TMCG具有較高的溶脹度，可以吸收較多的水分子，平衡溶脹度較大，可凍結(jié)水含量較大。但自由水不夠穩(wěn)定，其含量很容易受外界環(huán)境的影響，在實際應(yīng)用中應(yīng)避免體系中含有較多的自由水。隨著交聯(lián)劑濃度的增加，TMCG的交聯(lián)密度增大，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越來越致密，進入網(wǎng)絡(luò)的自由水分子減少；并且由于總的聚合物濃度較大、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較好，體系中可以結(jié)合水分子的空位較多，使TMCG中非凍結(jié)的結(jié)合水的含量增高。

2.3 TMCG的溶脹行為

2.3.1 TMCG的溶脹速率和平衡溶脹度

按照1.3節(jié)的操作測得TMCG的溶脹度與時間的關(guān)系如圖4所示。

從圖4可以看出，TMCG在蒸餾水中具有快速溶脹行為。在120 s內(nèi)溶脹率快速增加，120 s后趨于平緩，420 s左右達到溶脹平衡。并且隨著交聯(lián)劑濃度的增加，TMCG的平衡溶脹度先增大后減小，在交聯(lián)劑質(zhì)量分數(shù)為0.6%時，最高平衡溶脹度達到40倍左右。這可能是因為交聯(lián)劑濃度較低時，TMCG的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不夠完整且較松散，導致吸收的水分較少；隨著交聯(lián)劑濃度的增加，TMCG的網(wǎng)絡(luò)空間增大，使平衡溶脹度得到了很大的提升；隨著交聯(lián)劑濃度的繼續(xù)增加，TMCG的交聯(lián)密度不斷增大，網(wǎng)絡(luò)空間越來越致密，不利于水分子進入網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，導致其平衡溶脹度逐漸下降[13]。

圖4 水凝膠的溶脹度-時間曲線

2.3.2 TMCG的離子響應(yīng)性

圖5為TMCG在含有不同陽離子的溶液中的溶脹行為。從圖5可以看出，TMCG的溶脹度隨著離子強度的增加而減小。在同樣離子強度下，TMCG的溶脹度隨著金屬離子價態(tài)的升高而降低。這可能是因為，隨著離子強度的增大，凝膠內(nèi)外離子的滲透壓逐漸減小，水凝膠中高分子鏈變得蜷曲，溶脹度減小。在離子強度小于 0.001 mol/kg時，Na+、Ca2+、Fe3+對TMCG溶脹度的影響差別不大，主要是由于滲透壓的減小導致溶脹度下降；當離子強度大于0.001 mol/kg時，陽離子對TMCG溶脹度的影響大小表現(xiàn)為Fe3＞Ca2+＞Na+，即隨著陽離子電荷數(shù)的增加，其對TMCG溶脹度的影響越大，這與文獻[14]報道的結(jié)果一致。

2.4 TMCG的力學性能

水凝膠必須具有一定的力學性能，其力學性能甚至比其它物理性能更為重要。殼聚糖基水凝膠的力學性能是決定它能否用作生物醫(yī)用材料的重要因素。

按照1.4節(jié)的操作，測得不同交聯(lián)度的TMCG在完全干燥及含水量 5%和 10%時的拉伸強度和斷裂伸長率如圖6和圖7所示。

圖5 水凝膠在不同陽離子溶液中的溶脹行為

圖6 TMCG在不同含水量下的拉伸強度

圖7 TMCG在不同含水量下的斷裂伸長率

從圖6和圖7可以看出，隨著交聯(lián)劑濃度的增加，TMCG的拉伸強度先增大后減小，交聯(lián)劑濃度為1.8%的TMCG4拉伸強度最高達13.8 MPa。這可能是因為，當交聯(lián)劑濃度較低時，凝膠的交聯(lián)程度較低，形成的凝膠網(wǎng)絡(luò)孔隙較大，在外力拉伸作用下凝膠的形變較大，凝膠膜具有一定的塑性；隨著交聯(lián)劑濃度的增加，凝膠交聯(lián)程度增加，凝膠網(wǎng)絡(luò)孔隙減小強度增大，在外力拉伸作用下形變較小，凝膠膜的抗拉伸能力增強塑性減弱。但交聯(lián)過多時大分子鏈在外力作用下不易取向，由塑性向脆性轉(zhuǎn)變，水凝膠的拉伸強度呈下降趨勢。TMCG的斷裂伸長率隨交聯(lián)劑濃度的增加而下降。并且隨著 TMCG中含水量的增加，TMCG的拉伸強度下降，而斷裂伸長率升高。此外，在不同含水量的TMCG中，交聯(lián)劑濃度對 TMCG的拉伸強度和斷裂伸長率的影響規(guī)律相似。

3 結(jié) 論

以二乙烯基砜為交聯(lián)劑制備N,N,N-三甲基殼聚糖季銨鹽水凝膠（TMCG）并考察了溶脹性能、水的狀態(tài)和力學性能等，制備條件溫和，操作簡便。研究結(jié)果表明，TMCG不但能快速達到溶脹高的平衡溶脹度，還有離子響應(yīng)性，其溶脹度隨著離子強度的增加而減小，相同離子強度下，TMCG的溶脹度隨著金屬離子價態(tài)的升高而降低；水分子在TMCG中以自由水、可凍結(jié)的結(jié)合水和非凍結(jié)的結(jié)合水三種形式存在；并且TMCG具有良好的力學性能，有望用于生物醫(yī)學領(lǐng)域。

[1]Gholam Reza Mahdavinia，Ali Pourjavadi，Mohammad Jalal Zohuriaan-Mehr. Synthesis and properties of highly swelling PAAm/chitosan semi-IPN hydrogels[J].Macromolecular Symposium，2008，274：171-176.

[2]Zhou Chuncai，Li Peng，Matthew W Chang，et al. A photopolymerized antimicrobial hydrogel coating derived from epsilon-poly-L-lysine [J].Biomaterials，2011，32：2704-2712.

[3]Jennifer N Hanson Shepherd，Sara T Parker，Jennifer A Lewis，et al.3D microperiodic hydrogel scaffolds for robust neuronal cultures [J].Advanced Functional Materials，2011，21：47-54.

[4]Sun X M，Tang Q W，Wu J H，et al. Two-step synthesis of superabsorbent conducting hydrogel based on poly（acrylamide-pyrrole）with interpenetrating network structure[J].Materials Research Innovations，2011，15（1）：70-74.

[5]Susannah L Jahren，Michael F Butler，Sarah Adams，et al. Swelling and viscoelastic characterisation of pH-responsive chitosan hydrogels for targeted drug delivery[J].Macromolecular Chemistry and Physics，2010，211：644–650.

[6]Nedeljko B Milosavljevi?，Ljiljana M Kljajevi?，Ivanka G Popovi?，et al. Chitosan，itaconic acid and poly（vinyl alcohol）hybrid polymer networks of high degree of swelling and good mechanical strength[J].Polymer International，2010，59：686-694.

[7]Rolf J Verheul，Maryam Amidi，Steffen van der Wal，et al. Synthesis，characterization and in vitro biological properties ofO-methyl freeN,N,N-trimethylated chitosan [J].Biomaterials，2008，29：3642-3649.

[8]Mourya V K，Nazma N Inamdar. Trimethyl chitosan and its applications in drug delivery[J].Journal of Materials Science Materials in Medicine，2009，20：1057-1079.

[9]Qu X，Wirsén A，Albertsson A C. Novel pH-sensitive chitosan hydrogels：Swelling behavior and states of water [J].Polymer，2000，41：4589-64598.

[10]Chen Yu，Liu Yunfei，Tang Huanlin，et al. Study of carboxymethyl chitosan based polyampholyte superabsorbent polymerⅠ.Optimization of synthesis conditions and pH sensitive property study of carboxymethyl chitosan-g-poly（acrylic acid-codimethyldiallylammonium chloride）superabsorbent polymer[J].Carbohydrate Polymers，2010，81：365-371.

[11]吳國杰，崔英德，張燕. CS-AA-HEMA 三元共聚水凝膠的硬度及水的存在狀態(tài)[J]. 化工進展，2010，29（7）：1286-1291.

[12]江波，陳埔，向明. 化學交聯(lián) PVA水凝膠中水的狀態(tài)[J]. 高分子材料科學與工程，1994（1）：130-132.

[13]Nadia Rasool，Tariq Yasin，Jerry Y Y Heng，et al. Synthesis and characterization of novel pH-，ionic strength and temperaturesensitive hydrogel for insulin delivery[J].Polymer，2010，51：1687-1693.

[14]Mahdavinia G R，Zohuriaan-Mehr M J，Pourjavadi A. Modified chitosan III，superabsorbency，salt- and pH-sensitivity of smart ampholytic hydrogels from chitosan-g-PAN[J].Polymers for Advanced Technologies，2004，15：173-180.

Preparation and properties ofN,N,N-trimethyl chitosan quaternary ammonium hydrogel

LIN Jiafu，XIN Meihua，LI Mingchun，ZHU Erbin
（College of Materials Science and Engineering，Huaqiao University，Engineering Research Center of Environment-Friendly Functional Materials，Ministry of Education，Xiamen 361021，F(xiàn)ujian，China）

N,N,N-trimethyl chitosan quaternary ammonium hydrogel（TMCG）was prepared in the mild condition by using reactive divinyl sulfone（DVS）as a cross-linking agent. The swelling behavior and mechanical properties of TMCG were investigated，together with the water state and distribution in swelling TMCG. The results show that TMCG is an ionic responsive hydrogel with fast swelling rate and high swelling ratio，the maximum equilibrium swelling ratio approaches to 40 times. TMCG has significant ionic responsiveness. Water molecules exist in the TMCG by three different forms of state as free water，freezing bound water，non-freezing bound water，and non-freezing bound water content increases with the increase of cross-linking agent. TMCG has good mechanical properties，the maximum tensile strength is up to 13.82 MPa，and the highest elongation at break is up to 135.3%.

chitosan；quaternary ammonium；hydrogel；mechanical property

O 636.1

A

1000–6613（2011）10–2266–05

2011-05-26；修改稿日期2011-06-14。

福建省重點科技項目（2009H0030）、福建省自然科學基金（2009J01029和2011J01312）及科技部科技人員服務(wù)企業(yè)項目。

林佳福（1985—），男，碩士研究生。聯(lián)系人：李明春，教授，博士生導師，從事功能高分子材料研究。E-mail mcli@hqu.edu.cn。