二乙烯三胺基纤维素的合成及对胆红素的吸附性能

都馨遥，方桂珍，李宏振

(东北林业大学材料科学与工程学院，黑龙江哈尔滨 150040)

二乙烯三胺基纤维素的合成及对胆红素的吸附性能

都馨遥，方桂珍*，李宏振

(东北林业大学材料科学与工程学院，黑龙江哈尔滨 150040)

将微晶纤维素制备成2，3－二醛基氧化纤维素，再将2，3－二醛基氧化纤维素的6位羟基氯化，进行多胺化反应，合成了功能高分子材料二乙烯三胺基纤维素(DETA/MCC)。通过红外光谱、元素分析、X射线衍射对其进行了表征，分析了其对胆红素的吸附性能。研究结果表明:氧化纤维素的醛基含量为81.02%，二乙烯三胺基纤维素的含氮量为15.22%;红外谱图证实胺基已接枝到纤维素上;X射线衍射分析得到二乙烯三胺基纤维素结晶度为58.29%，比微晶纤维素(MCC)的结晶度有所下降;静态吸附测得:在pH7.4的磷酸盐缓冲溶液中，吸附温度为37℃，胆红素浓度为0.1g/L，动态吸附实验在2h时达到吸附平衡，平衡时吸附容量为8.44mg/g。

纤维素，二乙烯三胺，胆红素，吸附剂

胆红素是人体内血红蛋白的辅基血红素的分解代谢产物，存在于血液、胆汁等生物体液中，具有一定的生理功能，分子中含有多个羟基和羧基。当肝组织受损或病变时，胆红素的代谢发生障碍，体内胆红素不能及时排出体外而在血液中积蓄。胆红素浓度过高时，可对机体产生严重的毒性作用。许多种疾病都能引起人血中胆红素浓度异常增高，出现高胆红素血症。国内外已用于去除胆红素的方法主要有光疗法、血液灌流、口服吸附剂等方法［1］，其中血液灌流法效果显著，而其应用的吸附材料又对吸附效果起着决定性作用。目前应用的吸附材料如活性炭、琼脂、固定血清白蛋白、壳聚糖、大孔吸附树脂等，它们中有的对胆红素可达到很大的吸附容量，但存在着血液相容性和吸附选择性差、吸附时间较长等缺点。纤维素是天然高分子物质，含有大量羟基，可对其进行功能性化学改造，制备出具有特殊功能的纤维素衍生物。纤维素类吸附剂具有良好的血液相容性、吸附选择性特殊、吸附能力高且稳定性好［2－7］等优点，成为纤维素功能材料研究和开发的重要部分。本课题组［8］曾在纤维素的C6位接枝胺基合成了二乙烯三胺基氧化纤维素，进行了对尿酸和砷(Ⅲ)的吸附性能分析，根据胆红素与血清白蛋白结合的性质，胺基会与胆红素分子发生离子键和氢键作用，所以该研究拟在纤维素的C6位和C2、C3位上分别通过取代反应和西佛碱反应接枝了二乙烯三胺，而没有保留氧化纤维素上的醛基，合成了纤维素的多胺化产物，通过红外光谱、X射线衍射分析对化合物进行了表征，并创新性的将其应用于胆红素的吸附，以期为新型医用吸附材料的开发研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

微晶纤维素 上海恒信化学试剂有限公司;二乙烯三胺 天津市化学试剂六厂;胆红素 成都双流应天生物试剂公司，纯度为95%;氢氧化钠、浓硫酸、乙二醇、N－N二甲基甲酰胺、氯化亚砜 均为分析纯试剂;活化微晶纤维素 称取40g微晶纤维素加入到400mL质量分数为14%的氢氧化钠溶液中，浸泡24h，抽滤，用蒸馏水洗至中性。

SHZ－82A型恒温振荡器 常州国华电器有限公司;D/MAX－r B型X射线衍射仪 日本理学;Magna－560红外谱仪 美国尼高力公司;EA3000型元素分析仪 意大利Euro公司;Tu－1800PC紫外分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司。

1.2 多胺化纤维素的合成

1.2.1 氧化纤维素的制备 在三口瓶中加入蒸馏水搅拌，避光下室温加入准确称量的10g NaIO4，用H2SO4调节pH在1～4之间，快速加入准确称量的活化微晶纤维素5g，升温至37℃，搅拌3.5h后加入10mL的乙二醇，继续恒温搅拌反应1h，抽滤并反复用蒸馏水洗涤，至IO－3消失且呈中性烘干，研成粉末，得氧化纤维素YX。另做醛基含量测定［9］。

1.2.2 氧化纤维素YX的氯化 将10g氧化纤维素和200mL DMF加入装有搅拌器、冷凝管、滴液漏斗和温度计的四口瓶中，并装上干燥管和尾气吸收装置，搅拌加热至80℃，缓慢加入35mL SOCl2，加完后在90℃继续反应2.5h，得到一粘状液，将其倒入500mL冷水中，不断搅拌，然后抽滤，用3%的氨水洗涤沉淀以除去残余的酸，再用水将产品洗涤至中性，得到浅黑色的粘稠状液体，烘干后得到产品YX－Cl［10］。

1.2.3 二乙烯三胺基纤维素的合成 将6g YX－Cl和120mL DMSO加入带有搅拌器、冷凝管、滴液漏斗的三口瓶中，搅拌加热至100℃，滴加二乙烯三胺6mL，100℃反应11h，将产物倒入300mL冷水中过夜沉淀后抽滤，再用蒸馏水洗至滤液接近无色，得到黑咖色不易溶于水的固体，烘干后得到2，3，6位是亚胺基的二乙烯三胺基纤维素产物(DETA/MCC)。另做元素分析测定产物含氮量。

1.3 样品的性能及表征

1.3.1 FTIR分析 氧化纤维素、氯化纤维素和二乙烯三胺基纤维素经真空干燥后，用KBr压片法测其红外光谱。

1.3.2 X－射线衍射分析 采用日本理学D/max－r B型X射线衍射仪观察MCC、二乙烯三胺基纤维素的结晶结构，Cu靶，Kα射线，Ni片滤光，λ=1.5405× 10－10m，管压 45kV，电流 40mA，扫描范围∶2θ= 1～90°;分峰法计算结晶度(Xc)。

1.3.3 元素分析 用元素分析仪测定经真空干燥后的二乙烯三胺基纤维素的N元素含量，测定条件∶氧化炉温为1120℃，检测器为热导检测器(TCD)，柱温为115℃。其中载气为氦气，流速为20mL/min，氧气注入量为20mL。

1.4 静态法测定胆红素的吸附性能

1.4.1 胆红素溶液的配制 避光下称取10mg胆红素加入预先用氮气吹扫的100mL容量瓶中，加入2mL二甲基亚砜和3mL 0.05mol/L的Na2CO3溶液使之完全溶解，加入磷酸盐缓冲液(pH7.4)稀释，用3mL 0.1mol/L的稀盐酸中和Na2CO3，再用缓冲溶液定容，配得浓度为0.1g/L胆红素溶液［11］。

1.4.2 吸附性能测定 精确称取0.05g二乙烯三胺基纤维素试样置于10mL磨口瓶中，然后加入胆红素溶液5mL，在(37±1)℃的振荡水浴上吸附一定时间，过滤，滤液采用紫外分光光度计在438nm处测定残余胆红素的吸收值，同时作空白实验;然后根据公式AC(mg/g)=(C0－C)×5/W计算吸附容量。绘制了二乙烯三胺基纤维素对胆红素的吸附动力学曲线和等温吸附曲线。其中，C0为吸附前溶液中胆红素的浓度，单位为mg/L;C为吸附后溶液中胆红素的浓度，单位为mg/L;W为称取吸附剂的干基质量，单位为g。

2 结果与讨论

2.1 二乙烯三胺基纤维素的合成与结构

以微晶纤维素为原料，用高碘酸钠选择性地将其2，3位羟基氧化成醛基，反应一段时间后加入适量的乙二醇以除去过量的高碘酸钠，减少副反应的发生［12］。以氯化后的氧化纤维素为中间体，用二乙烯三胺对其6位进行胺基取代反应，同时在2，3位发生西佛碱反应，从而合成纤维素的多胺化产物，反应路线如图1所示。

图1 二乙烯三胺基纤维素的合成路线

氧化、氯化、二乙烯三胺基纤维素的红外光谱见图2，在谱图a中3400cm－1附近强而宽的峰可以明确归属为羟基的伸缩振动。随着纤维素中羟基的氧化，高波数的羟基峰仍然很强，表明还有大量的羟基存在，位于1734cm－1的新峰表明纤维素氧化后产生羰基，因为醛基很少以游离醛基的形式存在，而是形成了水合半醛醇和分子内及分子间的半缩醛的形式，所以图中羰基吸收峰峰强较小［13］，图 a中1026cm－1处C－O伸缩振动吸收峰、1113cm－1附近与氧相连的C－H键弯曲振动锋进一步说明羰基是以半缩醛或缩醛的形式存在。谱图b中612～755cm－1处出现C－Cl特征峰，说明氧化纤维素的6位羟基被氯取代。谱图c中由于胺化产物中既有伯胺基也有仲胺基，使得高波数的振动峰较宽，在1734cm－1的羰基吸收峰消失而在1631.42cm－1处出现C=N伸缩振动峰，在1429.31、1336.06、1160.75、1108.53cm－1处出现N－C伸缩振动峰，而在617.48cm－1处还有C－Cl伸缩振动峰，表明胺基对氯的取代并不完全，而二乙烯三胺与醛基发生的西佛碱反应是比较完全的。

图2 氧化、氯化、二乙烯三胺基纤维素的红外光谱图

2.2 氧化、胺化纤维素的化学分析

氧化纤维素醛基含量的分析∶氧化纤维素的醛基含量为81.02%，由上述红外光谱图可知，胺基可以醛基为介质成功地接枝到纤维素上，所以较高的醛基含量将有利于提高胺基的接枝率。

二乙烯三胺基纤维素含氮量分析∶通过元素分析测得二乙烯三胺基纤维素的含氮量为15.22%，而以氧化纤维素的醛基含量为81.02%，计算得二乙烯三胺基纤维素的理论含氮量应为28%，表明二乙烯三胺已接枝到纤维素上，但小于理论值。原因是先接枝到纤维素上的二乙烯基三胺的另一端未反应的胺基会继续与剩余的醛基反应，另外由于氧化纤维素的氯化物的溶解性及高分子链的卷曲、缠绕的特性，主链官能团很难被完全取代。

二乙烯三胺基纤维素的产率分析∶纤维素胺化反应在碱性条件下进行，而高碘酸盐氧化的纤维素有很强的还原性，对碱特别敏感，此反应时间又较长，使纤维素发生降解，引起分子链断裂造成产品的大量损失，所以其产率较低，只为45.50%。

2.3 二乙烯三胺基纤维素的X－射线(XRD)衍射谱图分析

由图3可以看出，纤维素经碱润胀活化后由纤维素Ⅰ型向Ⅱ型转变，晶型为纤维素Ⅰ型和Ⅱ型的混合体，仍然保持结晶区和无定形区共存的状态。2θ为14.7°和16.4°对应(101)面衍射峰，2θ为22.6°对应(002)面衍射峰，其衍射强度反映了纤维素中氢键的作用强度。二乙烯三胺基纤维素谱图2θ为22.78o，衍射峰位置没有明显变化，峰强减弱，说明二乙烯三胺的引入对纤维素单元间的氢键产生一定破坏作用，使其形成松散的结构，有利于提高对胆红素的吸附性能，此外，反应中主要破坏的是MCC中的无定形区，所以反应主要发生在MCC的表面和无定形区，对结晶结构和晶型并无明显影响［14］，因此二乙烯三胺基纤维素保持了MCC原有的纤维素Ⅰ的晶型。由Segal法计算MCC的结晶度为86.74%，二乙烯三胺基纤维素的结晶度为58.29%，表明无定形区所占比例增大。

2.4 二乙烯三胺基纤维素对胆红素的吸附性能

图3XRD衍射图

2.4.1 二乙烯三胺基纤维素对胆红素吸附动力学曲线的分析 图4为二乙烯三胺基纤维素对胆红素的吸附容量与吸附时间的关系曲线。静态实验条件下模拟人体环境，在37℃时，测定二乙烯三胺基纤维素对0.1g/L胆红素的吸附动力学曲线。从图中可以看出，吸附材料二乙烯三胺基纤维素对胆红素具有一定的吸附速率，开始阶段，胆红素的吸附容量随着吸附时间的增加而急剧增大，吸附速率较快;1h后吸附量很大，约2h后吸附量有所下降且吸光度随时间的变化幅度较小，接近吸附平衡，此时测得其吸附容量为8.44mg/g。李宏振等［15］研究的聚乙烯亚胺纤维素对胆红素的平衡吸附容量为9.23mg/g，而平衡时间为4h，韩晓燕等［16］研究的改性聚四氟乙烯纤维对胆红素的平衡吸附时间为2.5h，Baolin Xia［17］研究的接枝CB F3GA的尼龙基亲和膜的平衡吸附时间为

10h。与上述材料相比，二乙烯三胺基纤维素对胆红素有着较快的吸附速率。

图4 二乙烯三胺基纤维素

2.4.2 二乙烯三胺基纤维素对胆红素吸附等温曲线的分析 图5为二乙烯三胺基纤维素在37℃时对胆红素等温吸附曲线，纵坐标为吸附平衡时DETA/ MCC对胆红素的吸附容量(mg/g)，横坐标为缓冲溶液中胆红素的平衡浓度(mg/L)。从图中可知，随着溶液中胆红素初始质量浓度的增大，胆红素的平衡吸附量不断增加，当初始质量浓度从20mg/L增至200mg/L时，吸附量从0.86mg/g增加到17.39mg/g。在胆红素浓度极低时，二乙烯三胺基纤维素对胆红素就有很大的吸附量，类似化学吸附的特征，如此高的吸附容量表明吸附剂与吸附质之间具有较强的亲和作用，由于纤维素上接枝的大量胺基在水介质中会发生质子化而带正电荷，胆红素分子中的两个丙羧基在水介质中发生离子化而带负电荷，从而使纤维素的多胺化产物与胆红素产生强的静电相互作用，另外，胆红素分子中未电离的羧基及亚胺基与纤维素上未质子化的胺基之间会产生氢键相互作用，因此，静电与氢键作用的协同，使二乙烯三胺基纤维素对胆红素具有很强的吸附作用，等温吸附曲线中的H形也表明胆红素与吸附剂表面有强烈的吸附作用，其作用机理如图6所示。当吸附平衡浓度达一定程度时吸附量达到平缓区，由于已接枝到葡萄糖单元上的二乙烯三胺中剩余胺基也会与葡萄糖单元上的醛基和6位上的氯发生西佛碱反应和取代反应，这样就形成了葡萄糖分子的附加交联，可能会对胆红素的扩散产生一定阻力，但随胆红素浓度的继续增加，大量的胆红素分子就会扩散进入交联的葡萄糖分子中从而对其产生进一步的吸附和物理包裹作用，所以使吸附量再次增加。

图5 二乙烯三胺基纤维素对胆红素的等温吸附曲线(37℃)

图6 DETA/MCC与胆红素的作用机理

3 结论

本研究以微晶纤维素为原料，先将其制备成2，3二醛基氧化纤维素，再将2，3－二醛基氧化纤维素的6位羟基氯化，进行多胺化反应合成了一种黑咖色吸附材料——二乙烯三胺基纤维素。通过元素分析、X射线衍射、红外光谱对其进行表征，得到二乙烯三胺基纤维素的含氮量为15.22%，结晶度为58.29%，二乙烯三胺成功地接枝到纤维素上。

二乙烯三胺基纤维素主要通过静电和氢键协同作用吸附溶液中的胆红素，在模拟人体温度37℃下，由吸附动力学曲线得出pH为7.4的条件下，有较好的吸附性能，静态吸附实验在2h时基本达到吸附平衡，平衡时吸附容量为8.44mg/g，且通过胆红素吸附等温线可得知DETA/MCC对胆红素具有较大的吸附容量，所以二乙烯三胺基纤维素有望作为一种吸附材料，用于辅助治疗高胆红素血症。

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9－20.

Synthesis of diethylenetriamine cellulose and its adsorption property for bilirubin

DU Xin－yao，FANG Gui－zhen*，LI Hong－zhen
(Material Science and Engineering College，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China)

The new type of functional polymer adsorption material of diethylenetriamine cellulose(DETA/MCC) based on modified cellulose was synthesized with thionyl chloride and by subsequent chemical modification of the hydroxy on C6 in 2，3－diformyloxycellulose with diethylenetriamine.The corresponding product was characterized by infrared spectrum，XRD，element analyzer and its adsorption capacity of bilirubin.Experimental results showed that the aldehyde group content of oxycellulose was 81.02%and nitrogen concentrations in diethylenetriamine cellulose was 15.22%.FTIR spectra represented that diethylenetriamine was grafted on the cellulose.The crystalsize of diethylenetriamine cellulose was 58.29%，which was lower than MCC by comparison of XRD.The adsorption test of diethylenetriamine cellulose was carried in phosphate buffer.When the dynamic adsorbing balance was achieved in 2 hours，the adsorbing capacity for 0.1g/L bilirubin was 8.44mg/g at 37℃ and pH 7.4.

cellulose;diethylenetriamine;bilirubin;adsorbent

TS201.2+3

A

1002－0306(2011)11－0075－04

2010－07－23 *通讯联系人

都馨遥(1986－)，女，硕士，主要从事纤维素功能材料的研究。

高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20060225008);东北林业大学研究生论文资助项目(STIP10)。