丙烯酸接枝壳聚糖水凝胶的制备

翁居轼 汪斌 张林峰 张听雨

摘 要：以壳聚糖与丙烯酸为原料，首先使用三种方法制备改性壳聚糖。第一种方法用丙烯酸直接改性壳聚糖，第二种方法在反应体系中加入氢氧化钾调整pH值，第三种方法在丙烯酸和壳聚糖混合物中加入引发剂过硫酸铵制备改性壳聚糖。分别对三种方法改性的壳聚糖进行红外光谱表征并测定其接枝率。结果表明，以过硫酸铵为引发剂方法改性的壳聚糖接枝率最高，达到68%。然后进行丙烯酸接枝壳聚糖制备水凝胶的合成工艺研究，将吸水性和电镜扫描图像分数作为评分指标。通过正交实验得到最佳工艺条件为在100mL反应体系中过硫酸铵量为0.5 g，丙烯酸量为3 mL，壳聚糖量为1.5 g，反应温度为60℃，20 mL交联剂（100 mL含三聚磷酸钠和六偏磷酸钠分别为3 g和5g），此时所制得的水凝胶吸水性能最优，吸水率达到821%。

关键词： 壳聚糖； 丙烯酸； 水凝胶；过硫酸铵； 正交实验

中图分类号：TQ433.4+36 文献标识码：A 文章编码：2095-7394（2016）06-0005-06

水凝胶是通过共价键交联而成的三维网络、互穿网络，形态处于固体和液体两者之间，是亲水性聚合物。由于其水渗透性强，有优异的生物相容性，可作为生物材料。[1-3]这使得水凝胶在组织工程及药物缓释领域有着十分值得研究的应用前景。

水凝胶通常有三种方法制得：单体交联聚合、水溶性高分子交联和接枝共聚法。[4]目前，最有效的接枝制备水凝胶的技术是在载体的表面上产生自由基。一般使用引发剂去引发在壳聚糖分子链上产生大分子的自由基，这样可以引发丙烯酸、丙烯胺等乙烯基团然后发生接枝、共聚。[5-6]

壳聚糖可发生水解、酰基化、硝化、氧化、羧甲基化、烷基化、卤化和络合等化学反应[7]，可产生各种性能的衍生物。改性后壳聚糖某一特性得到改进，制出壳聚糖的衍生物，其中壳聚糖衍生物中水凝胶的研究最受关注。丙烯酸接枝壳聚糖通过壳聚糖氨基和丙烯酸的碳碳双键之间反生加成反应后，壳聚糖分子链上的大分子自由基接上羧乙基基团制得的。

本文研究丙烯酸改性壳聚糖，比较在不同改性方法下得到的壳聚糖的接枝率，确定最优的改性壳聚糖方法。在制备改性壳聚糖的基础上，合成水凝胶。

1 实验器材与方法

1.1 实验试剂

本实验使用的丙烯酸为化学纯（国药集团化学试剂有限公司），壳聚糖脱乙酰度95%（上海阿拉丁生化科技股份有限公司），其他使用的试剂有无水乙醇、乙酸、氢氧化钾、氢氧化钠、过硫酸铵、碘化钾、吐温80、三聚磷酸钠（TPP）和六偏磷酸钠（SHMP）均为分析纯。

1.2 实验仪器

透析袋，上海源叶生物科技有限公司；红外光谱仪，布鲁克光谱仪器公司；真空冷冻干燥装置，宁波双嘉有限公司；气浴恒温振荡器，南京科尔仪器设备有限公司；粉末压片机，天津市科器高新技术公司；扫描电镜仪，赛克有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1丙烯酸改性壳聚糖的制备

壳聚糖的接枝共聚是由三个基元反应组成的，链引发、链增长、链终止。选择引发剂是接枝共聚的核心。过硫酸盐是一种重要的氧化还原自由基引发剂，是一种与烯类单体接枝的天然聚合物。它可让壳聚糖与丙烯酸接枝共聚。采用三种方法制作丙烯酸接枝壳聚糖，并比较接枝效果。

（1）丙烯酸直接改性壳聚糖

称取一定量壳聚糖，融入丙烯酸中，完全溶解后，搅拌加热72 h。取出溶液调节pH，放入透析袋中48 h，冷冻干燥。

（2）氢氧化钾调整pH值改性壳聚糖

称取一定量壳聚糖，融入醋酸中，待完全溶解后机械搅拌加热。将氢氧化钾与丙烯酸溶解后加入搅拌装置中，反应一段时间后，取出溶液中的固体抽滤，静置干燥。

（3）以过硫酸铵为引发剂制备改性壳聚糖

称取一定量的壳聚糖，融入醋酸中，待完全溶解后，机械搅拌加热，再按顺序加入过硫酸铵、丙烯酸，反应一段时间后加入无水乙醇，抽滤干燥。

1.3.2改性结果——接枝率的测定

接枝率是用来描述接枝反应的术语，为重量分析法。接枝率G按照以下公式进行计算：

[G=（m产物-m壳聚糖）/m壳聚糖×100%，] （1）

式中[m壳聚糖]——反应时加入的壳聚糖质量，单位：g；[m產物]——反应后烘干产物质量，单位：g。

1.3.3丙烯酸接枝壳聚糖结构表征

取三种方案合成的产品，将产品与碘化钾粉末一起放在研钵中研磨成粉末状，进行压片，再在傅里叶变换红外光谱仪上进行红外光谱表征。

1.3.4水凝胶的制备

为了提高水凝胶的交联强度和减少毒性，采用了三聚磷酸钠（TPP）-六偏磷酸钠（SHMP）复合交联剂将壳聚糖进行离子交联，制成水凝胶。并对交联剂质量配比对水凝胶的影响进行研究。

将壳聚糖改性产物干燥后放入烧杯并用1%的醋酸溶液溶解，加入TPP-SHMP复合交联剂到烧杯中，浸泡1h得到产物水凝胶，并用蒸馏水反复洗涤后在用乙醇溶液洗涤脱水，常温下干燥2h后，再在真空条件下干燥24h。

1.4.1吸水性能的测定

称取约0.3g（准确至±0.000 2 g）干燥的产物并记下重量，置于烧杯中，加入蒸馏水后静置1h，然后取出产物并称取重量，计算吸水率G。

[G=（m2-m1）/m1，] （2）

式中m2表示吸水后水凝胶质量，单位：g；m1表示吸水前水凝胶质量，单位：g。

1.4.2电镜扫描测试

采用扫描电镜仪观测水凝胶样品的截面形貌。丙烯酸接枝壳聚糖的电镜扫描图以孔多为标准，人为对扫描电镜图片进行分析，并打分，将孔最多最精致图形为100分，孔最少最粗糙图形为60分。

1.5 正交试验

实验中发现制备丙烯酸接枝壳聚糖水凝胶时改变物料比（丙烯酸：壳聚糖）、反应温度、交联剂配比（TPP：SHMP）所得的产物的取代度、吸水性以及SEM评分各有变化，为了优化产物，本文以物料比、反应温度和交联剂配比为影响因素，设计了正交试验，以得到最佳的物料比（丙烯酸：壳聚糖）、反应温度、交联剂配比。

2 结果与讨论

2.1 壳聚糖改性实验现象与结果

2.1.1丙烯酸直接改性壳聚糖现象与结果

取1.5 g壳聚糖，然后加入3 mL丙烯酸和

100 mL醋酸（1%），待壳聚糖完全溶解后，加热至60℃将所得溶液放入250 mL三口烧瓶中机械搅拌72 h。得到无色透明液体，用3 mol/L NaOH将得到的液体的 pH滴到10～12，将调整好pH的溶液放入纤维素透析袋中（相对分子质量在7 000～10 000 g/ mol之间）透析48 h后，进行冷冻干燥。结果如图1。

2.1.2氢氧化钾调整pH值改性现象与结果

将50 mL醋酸（2%）与1.5 g壳聚糖加入

250 mL三口烧瓶中搅拌溶解，放入搅拌装置中加热至60℃。再将50 mL水、2 g氢氧化钾与3 mL丙烯酸相溶，加入搅拌装置中，搅拌1 h以上，得到无色透明溶液，取出溶液静置约1 h，溶液中出现白色布丁状固体。抽滤干燥，结果如图2。

2.1.3以过硫酸铵为引发剂制备改性壳聚糖现象与结果

將100 mL醋酸（1%）与1.5 g壳聚糖加入

250 mL烧杯中搅拌溶解，后放入搅拌装置中加热至60℃。再按顺序加入0.5 g过硫酸铵、3 mL丙烯酸，搅拌1h。得到橙红色透明溶液。取出溶液加入无水乙醇，进行抽滤，得到产物如图3。

2.2 接枝改性壳聚糖接枝率结果讨论

将接枝完毕的壳聚糖产物进行取代度测试，测的三种方案的取代度如表1。

结合红外光谱与接枝率的对比，实验过程中线路二所得产物与其他两种线路产物相比，性状较差，且不易于制水凝胶，线路一产物所用时间过长，能源消耗过大，故选择线路三产物制备水凝胶并进行参数优化。

2.3 水凝胶成品

由改性壳聚糖制得的水凝胶如图4所示。

2.4 丙烯酸接枝壳聚糖水凝胶参数优化

2.4.1正交实验与参数优化

表2中A代表丙烯酸（mL/100 mL）与壳聚糖

（g/100 mL）的物料比，B为反应温度℃，C为交联剂（TPP：SHMP）的比例。

根据正交实验表安排9次实验，各实验所得产品的取代度、吸水性能和电镜扫描（SEM）结果作为评价指标，人为对扫描电镜图片进行打分，满分100分制。将孔最多最精致的图形评为100分，孔最少且粗糙的图形评为60，以此从60至100评分，并按10%取代度+60%吸水性+30%SEM评分作为评价制备方案的指标。如表3所示，综合评分最高，说明在该情况下制备的水凝胶性能越好。组合得到最佳的制备方案是在物料比（丙烯酸：壳聚糖）为3 mL：1.5 g、反应温度为60℃、交联剂（TPP：SHMP）配比为3：5。

极差R值表示因素影响的程度，其值越大表明对综合评分的影响因素越大，表3中物料比的R值最大，即说明物料比是影响综合评分的最大因素。反应温度R值和交联剂配比R值较小，说明反应温度和交联剂配比对综合评分的影响较小。对水凝胶的制备而言，物料比是影响水凝胶吸水性的最大因素。

3 表征

3.1 红外光谱分析

改性壳聚糖以及3种方式做出的丙烯酸接枝壳聚糖的红外光谱图见图5。主要的吸收峰如表4所示。由图5和表4可以看出，原料壳聚糖和接枝改性后的壳聚糖的IR光谱发生了一点小小的变化，但同样的官能团来说，吸收峰的波数没有出现太大的偏移。

可从产物的红外光谱中，看出羧基的酰胺Ⅰ峰特征峰（C=O伸缩振动峰重叠）以及COO-的不对称（酰胺Ⅱ峰重叠）和对称伸缩振动峰的出现且强度增大，意味着羧基接载了壳聚糖分子链上。仲羟基和伯羟基上的C-O伸缩振动吸收峰也得到了加强，这也说明了反应没有发生在他们两个位上，而如果羧乙基基团和这两个C原子结合了，会因为空间阻的效应削弱C3-O、C6-O的伸缩振动，那么它的吸收强度会降低。空白壳聚糖在1 323 cm-1的酰胺Ⅲ峰（C-N伸缩振动）分别偏移到1 319 cm-1、1 316 cm-1和1 315 cm-1且得到了加强，形成了许多C-N键，从这里可以得到壳聚糖引入了-CH2，这时=C-H的不对称或者对称伸缩振动特征峰都没有在红外光谱图上表现出来，图表中可看出-CH2的弯曲振动吸收峰在发生接枝后的强度加强显著，说明是壳聚糖和丙烯酸的接枝反应为丙烯酸双键和壳聚糖氨基的加成反应之间，不是丙烯酸的羧基和来自壳聚糖的氨基之间的发生反应。

3.2 电镜扫描测试

在不同工艺条件下，重复实验采用扫描电镜观测水凝胶样品的截面形貌，见图6。

图6（b）可看出最佳条件下制得的水凝胶呈现孔状结构，结构紧致，易于水分子的进入，吸水性强。而图6（a）最差条件下制备的水凝胶孔较少，不易于水分子出入，吸水性差。

4 结论

（1）在以丙烯酸和壳聚糖作为主要原料合成目标产物的三种路线中，通过接枝率比较，最终确定以过硫酸铵为引发剂为制备改性壳聚糖的方法。红外表征表明，丙烯酸接枝到壳聚糖铵基上，接枝率为68%。

（2）对改性壳聚糖制备水凝胶工艺进行了研究，用正交实验方法进行优化，结果表明，在以100 mL醋酸溶液为溶剂的情况下，加入过硫酸铵0.5 g，丙烯酸3 mL，壳聚糖1.5 g，反应温度为60℃，20 mL交联剂（TPP：SHMP）配比为3：5（g/100 mL），所制得的水凝胶性能最优，吸水性能达到821%。SEM得分为100。

参考文献：

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The Methods of Hydrogel and Acrylic Acid Grafted Chitosan

WENG Ju-shi， WANG Bin， ZHANG Lin-feng， ZHANG Ting-yu

（School of Chemical and Environmental Engineering， Jiangsu University of Technology，

Changzhou 213001， China）

Abstract： In this paper， chitosan and acrylic acid were used as materials. The modified chitosan was prepared by three methods. In the first method， chitosan was modified with acrylic acid directly； in the second method， the pH value of the reaction system was adjusted by adding potassium hydroxide； in the third method， the initiator ammonium peroxydisulfate was added into the mixture of acrylic acid and chitosan for preparing the modified chitosan. The three methods were evaluated by the IR spectra of modified chitosan and the percent of grafting. The results showed that the highest percent of grafting of modified chitosan reached 68%. Then， the hydrogel was prepared with acrylic acid grafted chitosan， the water absorption and electron microscope scanning image scores were used as evaluation indexes. The optimum conditions were obtained through orthogonal experiment. In 100mL reaction system， ammonium peroxydisulfate was 0.5g， acrylic acid was 3mL， chitosan was 1.5g， reaction temperature was 60℃， 20mL crosslinking agent （100mL crosslinking composed of 3g sodium tripolyphosphate and 5g sodium metaphosphate）. Under the conditions above， the water absorption of N-carboxyethyl chitosan hydrogel reached 821%.

Key words： hydrogel； acrylic acid； chitosan； ammonium peroxydisulfate； orthogonal experiment

责任编辑 祁秀春