水溶性低分子量壳聚糖及其壳聚糖磺酸盐衍生物的制备与研究

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1、摘要随着生物医用材料及各种人工器官、辅助装置、缓释降解载体、微囊的研究成功和应用，高分子材料以其优良的机械性能和化学性能受到了广泛的关注。生物医学高分子材料在直接或间接与人体接触时，必须要具有良好的生物或组织相容性。制造人工心脏、人工血管、人工肾的辅助装置及各种与血液直接接触的导管、膜、功能性支架等医用装置的生物医用材料必须具备优良的血液相容性，特别是抗凝血性能。现在临床上应用最广泛的抗凝血剂是肝素，它具有抗凝、抗血栓、抗炎、抗过敏、抗病毒和降血脂等多种生物功能，但它主要是由猪、羊等动物的小肠粘膜及肝、肺经提取精制而成，价格昂贵，而且

2、在临床应用时伴有出血、血小板减少、骨质疏松等副作用，但到目前为止，尚无一种能够完全替代它的产品。壳聚糖由于具有与肝素相类似的主链结构，并且资源丰富、价格低廉，有良好的生物相容性，是制备类肝素物质的基础。本文以壳聚糖为基础，对水溶性低分子量壳聚糖、壳聚糖磺酸盐等壳聚糖衍生物的制备进行了探索性的基础研究。研究了水溶性低分子量壳聚糖对真菌的抑菌杀菌性能，壳聚糖磺酸盐的血液相容性，壳聚糖膜交联度和膜的机械性能、溶胀性的关系。通过过氧化氢溶液对壳聚糖进行解聚，调节壳聚糖脱乙酰度、反应温度和过氧化氢浓度可以得到不同分子量的水溶性良好的低分子量壳聚

3、糖。水溶性的低分子量壳聚糖不仅具有壳聚糖优良的生物相容性和其它特性，而且由于有着良好的水溶性，扩大了壳聚糖的应用范围，使其具有某些新的独特性能，可抑制肿瘤生长，降低肝脏和血清中的胆固醇，增强免疫力和抵抗疾病的能力。以脱乙酰度为91％的壳聚糖为原料，过氧化氢浓度在1．0M，反应温度50℃时反应4h，可得到分子量在10，000左右的水溶性壳聚糖。本文对过氧化氢解聚壳聚糖的机理进行了详细的研究，发现解聚后得到的水溶性低分子量壳聚糖，分子主链结构与高分子量壳聚糖相同，壳聚糖分子量的减小是由于13(1．÷4)糖苷键的断裂造成。从FT-IR、1H

4、-NMR、XRD分析结果推断出了解聚的反应机理：过氧化氢裂解出具有高活性的羟基自由基HO．，弓I起了降解反应的发生。在壳聚糖晶区，降解过程遵循剥落机理，非晶区遵循穿透机理。结晶壳聚糖的降解首先发生在壳聚糖表面，当外层降解到足以溶解在反应介质中时，剥落进入溶液，然后壳聚糖的降解再以同样的方式继续。而非晶态壳聚糖在降解过程中被反应介质快速穿透，生成水溶性壳聚糖。现有研究对壳聚糖抑制真菌的能力少有研究，本文选择了六种常见农业真菌，分别研究了不同分子量壳聚糖对它们抑菌杀菌性能的影响，以期能使壳聚糖在生物农药开发和果蔬保鲜等研究领域中提供实验数

5、据。研究发现，不同分子量的壳聚糖对毛霉和黑根霉没有抗菌性能，这可能是与这两种真菌具有气生性特点有关。面对青霉、番茄灰霉、甘菜黑斑及西瓜炭疽都有抗菌杀菌性能，并且壳聚糖分子量越小，抗菌性能越显著，壳聚糖浓度的增大也可提高其抗菌性能。不同分子量的壳聚糖最佳抗菌浓度都在10mg／ml。壳聚糖溶液的pH值在6．0左右时，有较高的抑菌性。分子量为8000的壳聚糖分子对番茄灰霉和黑根霉的杀菌效果最显著。壳聚糖磺酸盐是制各类肝素药物的基础，极有希望成为肝素的替代物，磺酸基团在不同的位置可能对其抗凝血活性有影响。因此，本文设计了不同的反应过程，使磺化

6、取代反应定向地发生在壳聚糖不同的活性官能团上，分别得到6．O．壳聚糖磺酸盐、3,6．O．壳聚糖磺酸盐、N．壳聚糖磺酸盐和非定向壳聚糖磺酸盐。FT-IR、CP／MAS13C-NMR分析结果表明，磺酸基团确实按设想定位取代在壳聚糖链上。通过溶血实验和复钙实验，对壳聚糖磺酸盐对红细胞的破坏及对血浆蛋白变异性两方面进行评价。结果表明，6．O．壳聚糖磺酸盐、3，6．O．壳聚糖磺酸盐和非定位壳聚糖磺酸盐都具有较高的抗凝血活性，在与血液接触的过程中，对红细胞破坏和引起纤维蛋白原沉淀作用都较小。N．壳聚糖磺酸盐由于含S量较小，水溶性较差，无法进行溶血

7、和复钙实验，这和它的结构分析结果相一致。在本实验中，6．O．壳聚糖磺酸盐对红细胞的破坏作用最小。壳聚糖磺酸盐的抗凝血研究显示，壳聚糖磺酸盐有较强的抗凝血活性，可望作为肝素的一种新型替代产品。未交联的壳聚糖膜易溶于酸，机械强度差，需经过交联以提高性能。交联的主要目的是使产物不溶解，甚至溶胀也很小，性质稳定，这对于它们被用作层析的载体或作固定化酶载体十分重要。利用戊二醛作交联剂的壳聚糖膜的溶胀性，结晶度和机械性能，随着戊二醛用量的改变会有所不同。通过对壳聚糖交联膜进行XRD定量分析发现，当戊二醛浓度在0．0625％时，其膜的结晶度为18．

8、22％，低于未交联时的26．9l％，此时膜的溶胀性能上升，但机械强度有所下降：随着戊二醛浓度的增加，膜的结晶度上升，溶胀度下降，机械性能提高，当戊二醛浓度在2．5％时出现峰值，机械性能最好。当浓度大于2．5％时，膜的结晶