雷宏宇，范雪榮，王強，張穎

（江南大學生態(tài)紡織教育部重點實驗室，江蘇 無錫 214122）

殼聚糖-透明質酸復合凝膠的制備

雷宏宇，范雪榮，王強，張穎

（江南大學生態(tài)紡織教育部重點實驗室，江蘇 無錫 214122）

合成了殼聚糖-透明質酸復合凝膠（殼聚糖15g/L，透明質酸1g/L，交聯(lián)劑戊二醛用量為殼聚糖-透明質酸質量的30%，即4.8g/L，室溫下放置24h），以改善單純殼聚糖凝膠脆性較大、黏彈性及持水能力較弱等性能。殼聚糖與透明質酸在復合水凝膠中未發(fā)生微相分離，具有良好的相容性。與單純的殼聚糖凝膠相比，含有透明質酸的復合凝膠具有較好的彈性及持水性能等。復合凝膠水分保持能力隨凝膠中透明質酸含量的增大而增大，高溫條件下復合凝膠持水能力更顯著優(yōu)于單純殼聚糖凝膠。復合凝膠隨溫度、pH值等外界條件的改變會出現(xiàn)規(guī)律性的溶脹或收縮，具有作為智能材料使用的前景。

殼聚糖；透明質酸；凝膠；智能材料

水凝膠是在水中溶脹并保持大量水分而又不溶解的聚合物，高分子水凝膠是由高分子骨架、水、交聯(lián)劑組成的三維體系，具有復雜的空間網絡結構[1-2]。智能水凝膠對外界條件的刺激能產生相應的體積變化，在藥物釋放系統(tǒng)、仿生材料、化學閥、生物醫(yī)學、人造肌肉及酶改性等方面有著廣闊的應用前景[3-4]。殼聚糖（CS）是2-氨基-葡萄糖和N-2-乙?；?2-氨基-葡萄糖通過β-1,4糖苷鍵聯(lián)結起來的沒有側鏈的直鏈多糖，其來源廣泛、容易制備，是自然界中唯一的親水性陽離子聚合物，具有很好的成膜性和吸濕性，還具有生物相容性好、抗菌性和可生物降解等特點，用其制備的水凝膠具有許多獨特性能，但是殼聚糖凝膠脆性較大、黏彈性較弱、力學性能不足并且持水性能較弱[5-7]。有研究者利用非離子型親水性聚合物（聚乙烯醇等）與殼聚糖共混，用戊二醛或甲醛等做交聯(lián)劑來形成殼聚糖基互穿網絡水凝膠，從而改善單純殼聚糖凝膠的性能[8]。

透明質酸（HA）是由D-葡萄糖醛酸及N-乙酰葡糖胺組成的高分子多糖，是目前為止公認的最佳保濕成分之一，廣泛地應用在化妝品中，跟殼聚糖一樣具有高度的生物相容性[9-10]。透明質酸和殼聚糖在結構和性能上既有相似性，又有互補性，在一定的pH值條件下，透明質酸帶負電荷，而殼聚糖帶正電荷，兩者之間能夠通過靜電力相互吸引。透明質酸交聯(lián)形成的水凝膠持水性和黏彈性優(yōu)于殼聚糖水凝膠，但殼聚糖水凝膠的機械強度優(yōu)于透明質酸。因此，可以通過控制反應條件制備出各種不同性能的殼聚糖-透明質酸復合凝膠，彌補殼聚糖凝膠脆性較大、黏彈性和持水性不足的欠缺。

1 實驗部分

1.1 儀器與材料

原料及藥品：殼聚糖（色譜純，相對分子質量約為40萬），東京化成工業(yè)株式會社；透明質酸（醫(yī)用級，相對分子質量約為100萬），無錫新光化工有限公司；戊二醛（分析純），國藥集團化學試劑公司；乙酸（分析純），上海試劑一廠。

主要儀器：TA.XTPlus型質構儀，英國Stable Micro System公司；SU1510型掃描電子顯微鏡，日本日立公司；NICOLETis10型傅里葉紅外光譜儀，賽默飛世爾科技（中國）有限公司；FD-1A-50型冷凍干燥機，北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司。

1.2 殼聚糖-透明質酸復合凝膠制備

殼聚糖與透明質酸溶于去離子水中（pH值為7～7.8），攪拌均勻后緩慢加入一定量的乙酸（2%，質量分數(shù)），使殼聚糖充分溶解，之后加入交聯(lián)劑戊二醛，攪拌均勻后在室溫條件（25℃）下靜置24h。

1.3 測試方法

1.3.1 電子顯微鏡觀察

將達到溶脹平衡的凝膠冷凍干燥、噴金后，置于場發(fā)射掃描電子顯微鏡中（SEM），觀察凝膠表面形態(tài)。

1.3.2 紅外測試

冷凍干燥后的凝膠進行紅外測試，首先掃描背景，然后掃描樣品。掃描范圍是4000～750cm-1，掃描次數(shù)為32次。

1.3.3 全質構測試

將凝膠樣品切成3cm×3cm×1cm的立方體，質構儀采用P50探頭，分別進行兩次壓縮，記錄實驗數(shù)據(jù)。

1.3.4 凝膠硬度測試

實驗中采用質構儀進行硬度測試，將P0.5探頭下壓10mm，所得曲線峰值即為樣品的硬度值。文中采用相對硬度，即以每批次測定樣品中最大的凝膠硬度為100%，其余樣品硬度為最大樣品硬度的百分比值表示各樣品的相對硬度。

1.3.5 凝膠溶脹性能測試

稱取一定質量（Wd）的凝膠樣品，大小約為2cm×1cm×2cm，將此凝膠浸入盛有足量去離子水的培養(yǎng)皿中，在室溫條件下，每隔一定時間，從溶液中取出凝膠，用兩片濾紙小心吸去表面多余的水分，稱重（Ws）。此過程不斷重復，直至恒重（吸水達到平衡）。凝膠溶脹性能公式如式（1）。

式中，SR為溶脹度；Ws為t時刻溶脹凝膠的質量；Wd為初始凝膠的質量。

2 結果與討論

在去離子水中進行透明質酸溶解性能考察的預備實驗中發(fā)現(xiàn)當透明質酸的濃度超過1.0g/L時，液體非常黏稠，無法攪拌均勻，故在實驗過程中將透明質酸濃度控制在1.0g/L以下。預實驗中發(fā)現(xiàn)殼聚糖濃度過大會使溶液太過黏稠不好操作且形成的凝膠強度大導致質構儀探頭無法工作，而殼聚糖濃度過小形成的凝膠較稀軟，無法取出進行性能測試。當殼聚糖濃度為15g/L時，凝膠樣品具有較理想的強度且不會影響質構儀探頭的工作，故選取殼聚糖濃度為15g/L進行實驗。復合凝膠制備結束后放置24h后硬度基本無改變。

2.1 交聯(lián)劑用量對凝膠強度和溶脹性能的影響

戊二醛是凝膠制備常用交聯(lián)劑，其用量直接影響膠體的各項性能。隨著交聯(lián)劑用量上升，殼聚糖-透明質酸凝膠強度上升（殼聚糖15g/L，透明質酸1g/L）。當交聯(lián)劑用量為35%（占殼聚糖-透明質酸的質量百分比，以下同）以上時，樣品硬度過大影響質構儀探頭工作，25%以下時樣品較稀致使取出較困難。

常溫25℃條件下，考察交聯(lián)劑用量對凝膠溶脹性能的影響，實驗結果如圖1所示。戊二醛用量為20%、30%、40%的樣品達到溶脹平衡的時間分別為11h、15h、17h，達平衡時的溶脹度分別為3.249、1.999、1.110。在同樣時間下，隨著交聯(lián)劑用量增加，復合凝膠溶脹度減小，說明隨著交聯(lián)劑用量增大，復合凝膠溶脹性能變差。增加交聯(lián)劑用量，會使凝膠內部交聯(lián)增大，空間網狀結構連接更加緊密，導致外部水分子滲入凝膠內部阻力加大，殼聚糖及透明質酸分子鏈上的親水基團難于與水分子接觸，凝膠高分子網狀結構延伸性受到限制，導致溶脹度隨著戊二醛濃度的增加而降低。交聯(lián)劑用量為30%的凝膠具有較好的強度和溶脹性能，故選擇交聯(lián)劑用量為殼聚糖-透明質酸質量的30%。

2.2 常溫下（25℃）及高溫下（60℃）透明質酸濃度對凝膠水分保持性能的影響

圖1 交聯(lián)劑濃度對凝膠溶脹性能的影響

常溫25℃條件下，取透明質酸濃度分別為0、0.5g/L、1.0g/L的凝膠樣品（固定殼聚糖濃度為15g/L，交聯(lián)劑用量為30%）各兩個，連續(xù)靜置，定時測定凝膠質量的變化，每隔24h測一次。不同條件下樣品均用相對質量表示，即以初始質量為100%，后來質量為初始質量的百分比來表示凝膠的失水情況，比較常溫下不同含量透明質酸對凝膠水分保持性能的影響。實驗結果如圖2所示。

上述同樣制備條件取樣在烘箱里邊（60℃條件下）連續(xù)測得凝膠質量的變化，每隔1h測1次，比較較高溫度條件下不同含量透明質酸對凝膠持水性能的影響。實驗結果如圖3所示。

由圖2可知，在常溫下0～4天時，3種凝膠樣品的持水性能差別不大，從第5天開始，透明質酸含量越高，凝膠的持水性能越好，第8天時透明質酸濃度為0、0.5g/L 、1.0g/L的樣品剩余質量分別為初始質量的的6.9%、8.8%和8.9%。圖3說明在60℃下，從第6h開始，不同凝膠的持水性能逐漸出現(xiàn)差異，隨著透明質酸含量增加，凝膠持水性能呈現(xiàn)上升趨勢，9h時不含透明質酸及透明質酸濃度為0.5g/L、1.0g/L的樣品剩余質量分別為初始質量的24.7%、33.7%和35.9%，研究結果說明透明質酸的加入明顯改善了凝膠在常溫及高溫下的持水性能。

圖2 常溫下透明質酸含量對凝膠持水性能影響

圖3 高溫下透明質酸含量對凝膠持水性能影響

2.3 殼聚糖-透明質酸凝膠的表面特征

殼聚糖-透明質酸凝膠樣品（殼聚糖15g/L，透明質酸1.0g/L）進行掃描電子顯微鏡實驗，得到的結果如圖4所示。

由圖4可知，殼聚糖-透明質酸復合水凝膠截面均勻，殼聚糖與透明質酸在復合水凝膠中未發(fā)生微相分離，具有良好的相容性。

2.4 紅外光譜實驗

將殼聚糖-透明質酸凝膠及原料進行紅外測試，結果如圖5所示。在殼聚糖-透明質酸復合水凝膠紅外譜圖中2958cm-1附近無醛基的費米共振吸收峰，1720cm-1附近羰基（—C=O）的伸展吸收峰消失，說明戊二醛的醛基發(fā)生了交聯(lián)反應。殼聚糖主鏈上伯胺基（—NH2）和戊二醛上的羰基（—C=O）發(fā)生縮水聚合反應生成亞胺鍵（—CH=N—），即生成了希夫堿（Shiff堿），該伸縮振動吸收峰出現(xiàn)在1637cm-1處。透明質酸通過羥基與戊二醛形成醚鍵進行交聯(lián)（1150cm-1附近為醚鍵吸收峰）[11]，并且透明質酸帶負電的羧酸基團和殼聚糖中帶正電的氨基之間還能通過靜電作用形成鹽鍵。

圖4 凝膠掃描電子顯微鏡圖像

圖5 紅外光譜圖

2.5 全質構分析

將殼聚糖-透明質酸凝膠（殼聚糖15g/L，透明質酸1.0g/L）進行全質構測定，實驗數(shù)據(jù)見表1（同樣條件得到的不含透明質酸的單純殼聚糖凝膠測試未結束已破碎）。實驗結果說明殼聚糖-透明質酸凝膠具有較好的強度、黏彈性和形變回復性。

表1 凝膠的全質構實驗數(shù)據(jù)

2.6 透明質酸含量對凝膠溶脹度的影響

固定殼聚糖濃度為15g/L，交聯(lián)劑用量為30%，常溫下考察透明質酸濃度對凝膠溶脹性的影響（透明質酸分別取0、0.1g/L、0.4g/L、0.7g/L、1.0g/L），隨著透明質酸濃度增加，凝膠溶脹度變化差距在0.4之間，相差較小，透明質酸含量對復合凝膠的溶脹性能沒有明顯影響。

2.7 溫度對凝膠溶脹度的影響

固定殼聚糖濃度為15g/L，透明質酸濃度為1.0g/L，交聯(lián)劑用量為30%，考察了20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃共6個不同溫度下復合凝膠的溶脹性能，實驗結果如圖6所示。

由圖6可知，隨溫度的增加，復合凝膠溶脹度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，50℃的時候為峰值。實驗結果說明溫度的增加有利于溶脹度的增加，但溫度過高，可能會使凝膠的結構遭到一定程度的破壞，而使溶脹度下降。

2.8 pH值對凝膠溶脹的影響

圖6 溫度對凝膠溶脹度的影響

取1～13共13個不同pH值，每個pH值分別稱取1g左右的凝膠樣品兩個（2cm×2cm×2cm），盡量成規(guī)則的四方體，將樣品放入200mL燒杯中，用去離子水浸泡，去除樣品中的乙酸，每隔2h換一次去離子水，以使乙酸去除充分，換水3～5次，直到溶液pH值接近中性。用HCl和NaOH配制不同pH值的溶液200mL，將膠體浸入其中，7～8h后溶脹平衡，最后測量平衡質量，實驗數(shù)據(jù)用溶脹倍數(shù)表示（溶脹倍數(shù)=平衡質量/初始質量），實驗結果如圖7所示。

圖7 pH值對凝膠溶脹度的影響

由圖7可知，隨著pH值的增大，凝膠的溶脹倍數(shù)在酸性范圍內出現(xiàn)了兩個峰值，而在堿性范圍內溶脹則顯現(xiàn)出了遞減的趨勢，有可能是在堿性條件下不利于殼聚糖的交聯(lián)反應，并且當pH值大于11時，凝膠出現(xiàn)了縮小的情況，說明堿性條件下不利于凝膠的溶脹。

3 結 論

本工作制備了殼聚糖-透明質酸復合凝膠（殼聚糖15g/L，透明質酸1.0g/L，交聯(lián)劑戊二醛用量為殼聚糖-透明質酸質量的30%，反應時間24h，溫度為室溫），殼聚糖與透明質酸相容性良好，在復合水凝膠中未發(fā)生微相分離。

合成的復合水凝膠具有較好的機械強度、彈性及持水性能等。與單純的殼聚糖凝膠相比，含有透明質酸的復合凝膠水分保持能力明顯增加，并且凝膠水分保持能力隨透明質酸濃度的增加而增大，且高溫下優(yōu)于常溫。隨著溫度、pH值等外界條件變化，復合水凝膠會出現(xiàn)規(guī)律性的溶脹或收縮，說明該復合凝膠具有智能材料的潛質。

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Preparation of chitosan-hyaluronic acid composite hydrogel

LEI Hongyu，F(xiàn)AN Xuerong，WANG Qiang，ZHANG Ying
（Key Laboratory of Science and Technology of Eco-Textiles，Ministry of Education，Jiangnan University，Wuxi 214122，Jiangsu，China）

Chitosan-hyaluronic acid composite hydrogel was prepared using glutaraldehyde as crosslinking agent（chitosan 15g/L，hyaluronic acid 1g/L，glutaraldehyde 4.8g/L，reacted at room temperature for 24h） to overcome the defects of chitosan hydrogel，such as high fragility，weak viscoelasticity，and low water retentivity. Chitosan and hyaluronan were crosslinked very well within the composite hydrogel and there was no micro phase separation. The composite hydrogel had much better viscoelastic and water-retention properties than chitosan hydrogel. The water retentivity of the composite hydrogel increased with increasing content of hyaluronic acid in the hydrogel. The improvement of water retentivity was more obvious at a high temperature. The composite hydrogel could regularly swell or contract when environmental conditions（temperature，pH，etc.） changed，indicating that this composite hydrogel might be a potential smart material.

chitosan；hyaluronic acid；gels；smart material

TQ 281

A

1000-6613（2014）09-2398-05

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.09.027

2013-12-31；修改稿日期：2014-02-09。

雷宏宇（1990—），男，碩士研究生。聯(lián)系人：張穎，博士，副教授，主要從事生物材料及紡織生物技術的研究。E-mail yingzhang @jiangnan.edu.cn。