壳聚糖的化学改性及其作为生物医用材料的制备和性能研究

论文摘要

甲壳素是自然界中储存量仅次于纤维素的第二大天然生物高分子,是一种环境友好型高分子。壳聚糖是由甲壳素脱乙酰氨基制备而得。壳聚糖不仅有生物相容性、生物可降解性、无毒等优点,还有抗癌性、止血性、抗菌性等优异性能。因此,壳聚糖在食品、化妆品、环保等工业上有较大的应用价值,尤其在生物医学领域可以作为烧伤敷料、术后粘连材料、药物载体和组织工程支架材料等。但由于壳聚糖的特殊结构,其不溶解于水和有机溶剂,只溶解于稀酸水溶液,极大地限制了其在生物医学的应用。为改进壳聚糖的溶解性能并拓宽其作为生物医用材料的应用范围,我们分别采用迈克尔加成反应和酰氯化反应制备了水性和油性壳聚糖衍生物,并利用改性的壳聚糖衍生物,采用静电纺丝方法和混合浇注法制备了可以用作皮肤烧伤敷料和人工软骨组织的生物医学材料。主要工作如下:1、在稀醋酸的水溶液中,对天然高分子壳聚糖和丙烯酰胺类单体采用迈克尔加成反应对其进行化学改性,考察了反应温度、反应时间和反应配比等实验因素对壳聚糖衍生物的取代度的影响,重点对壳聚糖和丙烯酸羟乙酯反应后壳聚糖衍生物的性质进行了研究,对壳聚糖衍生物的热稳定性性能、取代度、抗大肠杆菌性能以及溶菌酶降解能力作出初步评价。2、以改性水溶性壳聚糖衍生物（HEA-CS）为主体,和其他高分子聚乙烯醇（PVA）采用流延成膜法制备了可用作人工软骨组织的材料,对流延膜的结晶行为、热稳定性能、抗大肠杆菌和软骨组织细胞（SW1353）细胞毒性和细胞生长繁殖进行观察。抗大肠杆菌结果表明,流延膜具有一定的抗菌性能,SW1353细胞毒性测试（MTT）结果说明,以此为原料的流延膜无细胞毒性,其有利于细胞生长粘附、繁殖和生长,是人工软骨组织的良好替代品。3、在有机溶剂混合溶液中,实现了壳聚糖和长链酰氯的酰氯化反应,制备了有机溶解型（油性）壳聚糖衍生物。通过调节二者反应配比可以制备不同取代度的壳聚糖衍生物。采用红外光谱、氢核磁、XRD对其结构和形态进行分析,通过TG对其衍生物的热稳定性能进行分析,制备的衍生物可以溶解在丙酮、三氯甲烷等12种有机溶剂中,改性壳聚糖衍生物的结晶行为受侧链规整性的影响,其结晶行为与壳聚糖完全不同,热稳定性也较壳聚糖有所降低,拓展了壳聚糖衍生物的生物医学应用范围。4、以油溶性壳聚糖衍生物和聚羟基丁酸酯为原料,利用电纺丝技术,制备了纳米纤维无纺布。本部分考察了聚合物含量、纺丝电压和电导率对纺丝纤维的形成和形貌的影响。重点研究了该纺丝纤维材料的细胞毒性、细胞的贴附和生长繁殖状况等性质。研究结果表明,当油溶性壳聚糖衍生物/聚羟基丁酸酯质量之比小于70/30,能得到形貌均一且分布均匀的纤维。间接细胞毒性结果显示,油溶性壳聚糖衍生物和聚羟基丁酸酯电纺丝纤维膜对L929细胞没有毒性,有很好的生物相容性。细胞培养结果也显示,纺丝纤维膜能很好地促进细胞的贴附和生长繁殖。该纺丝纤维膜适合用作促进皮肤组织再生的伤口敷料。5、以油溶性壳聚糖衍生物和聚氧化乙烯为原料,利用电纺丝技术,制备了纳米纤维无纺布。本部分考察了聚合物浓度、纺丝电压和二者组分对纺丝纤维的形成和形貌的影响。此外,还重点研究了该纺丝纤维材料的水接触角,对其竹节和多孔结构的纤维采用相图方法进行了重点的分析和讨论。6、以壳聚糖、聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮三混合组分进行纺丝制备了纳米纤维,并以三氯甲烷溶液对纤维进行处理得到了表面粗糙的纳米纤维。本部分考察了混合溶液的聚乙烯醇含量、纺丝电压和聚乙烯吡咯烷酮含量对纺丝纤维的形貌和直径分布影响。这种多孔结构的纳米纤维有望在生物组织工程得到应用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 壳聚糖概述
• 1.1.1 壳聚糖结构
• 1.1.2 壳聚糖性质
• 1.1.3 壳聚糖的生物活性
• 1.2 壳聚糖的应用
• 1.2.1 食品工业应用
• 1.2.2 壳聚糖在污水处理中的应用
• 1.2.3 壳聚糖农业土壤学的应用
• 1.2.4 壳聚糖在生物医学材料中的应用
• 1.3 壳聚糖的化学改性
• 1.3.1 酰化反应
• 1.3.2 烷基化反应
• 1.3.3 酯化反应
• 1.3.4 醚化反应
• 1.3.5 交联改性
• 1.3.6 两亲性改性反应
• 1.3.7 接枝反应
• 1.4 电纺丝制备纳米纤维
• 1.4.1 电纺丝原理
• 1.4.2 电纺丝影响因素
• 1.4.3 电纺丝纤维应用
• 1.5 本课题提出的目的和研究内容
• 参考文献
• 第二章 水溶性壳聚糖衍生物的制备和性能研究
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 原料
• 2.2.2 仪器
• 2.2.3 实验步骤
• 2.3 性能测试
• 2.3.1 红外光谱测试
• 2.3.2 XRD测试
• 2.3.3 H-NMR测试
• 2.3.4 热稳定性测试（DSC）
• 2.3.5 抗大肠杆菌性能测试
• 2.3.6 溶菌酶降解实验
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 FT-IR分析
• 2.4.2 H-NMR核磁分析
• 2.4.3 结晶形态分析（W-XRD）
• 2.4.4 溶解性能分析
• 2.4.5 抗大肠杆菌性能分析
• 2.4.6 HEA-CS的FT-IR分析
• 2.4.7 HEA-CS的H-NMR分析
• 2.4.8 溶解性能分析
• 2.4.9 热稳定性（DSC）分析
• 2.4.10 结晶形态分析（W-XRD）
• 2.4.11 溶菌酶降解性能分析
• 2.4.12 HEA-CS的抗大肠杆菌性能分析
• 2.5 结论
• 参考文献
• 第三章 水溶性壳聚糖和聚乙烯醇混合膜的制备与表征
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 原料
• 3.2.2 仪器
• 3.2.3 实验步骤
• 3.3 流延膜的性能测试
• 3.3.1 红外光谱测试
• 3.3.2 XRD测试
• 3.3.3 热重分析（TG/DTG）
• 3.3.4 溶胀率测定
• 3.3.5 机械性能测定
• 3.3.6 接触角测试
• 3.3.7 抗大肠杆菌性能测试
• 3.3.8 共混膜生物相容性测试
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 红外分析（FT-IR）
• 3.4.2 结晶形态分析（W-XRD）
• 3.4.3 机械性能分析
• 3.4.4 DT/DTG热稳定性分析
• 3.4.5 扫描电镜分析（SEM）
• 3.4.6 水接触角分析
• 3.4.7 吸水溶胀性能分析
• 3.4.8 抗大肠杆菌性能分析
• 3.4.9 共混膜的生物相容性分析
• 3.4.10 共混膜的细胞生长
• 3.5 结论
• 参考文献
• 第四章 油溶性壳聚糖衍生物的制备和表征
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1.原料
• 4.2.2 实验仪器
• 4.2.3 实验步骤
• 4.3 性能测试
• 4.3.1 红外光谱测试
• 4.3.2 XRD测试
• 1H-NMR测试'>4.3.3¹H-NMR测试
• 4.3.4 有机溶剂溶解性
• 4.3.5 热重分析（TG/DTG）
• 4.4 结果与讨论
• 4.4.1 红外分析（FT-IR）
• 4.4.2 氢核磁分析（HNMR）
• 4.4.3 溶解性能分析
• 4.4.4 W-XRD结晶分析
• 4.4.5 DT/DTG热稳定性分析
• 4.5 结论
• 参考文献
• 第五章 油溶性壳聚糖的电纺丝纳米纤维制备生物医用材料
• 5.1 前言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1.原料
• 5.2.2 实验仪器
• 5.2.3 实验步骤
• 5.3 性能测试
• 5.3.1 红外光谱测试
• 5.3.2 热重分析（TG/DTG）
• 5.3.3 接触角测试
• 5.3.4 电纺丝纤维表面形态观察
• 5.3.5 PHB/O-CS电纺丝纤维薄膜的生物相容性研究
• 5.4 结果与讨论
• 5.4.1 红外分析（FT-IR）
• 5.4.2 纤维微观形态分析（SEM）
• 5.4.3 热稳定性分析（TG/DTG）
• 5.4.4 水接触角分析
• 5.4.5 电纺纤维膜生物相容性测试（MTT）
• 5.4.6 纺丝膜上细胞贴附,生长和繁殖
• 5.4.7 O-CS/PEO纺丝膜红外分析（FT-IR）
• 5.4.8 混合溶液的组成对纺丝纤维形态的影响
• 5.4.9 电压对纺丝纤维形态的影响
• 5.4.10 纺丝纤维的水接触角分析
• 5.4.11 O-CS/PEO的竹节结构分析
• 5.5 结论
• 参考文献
• 第六章 粗糙表面电纺丝纳米纤维的制备和性能表征
• 6.1 前言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 原料
• 6.2.2 实验仪器
• 6.2.3 实验步骤
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 红外分析（FT-IR）
• 6.3.2 PVA溶液含量对纤维的影响
• 6.3.3 电压对纺丝纤维的影响
• 6.3.4 PVP溶液含量对纤维形貌的影响
• 6.3.5 PAN多孔纳米纤维
• 6.4 结论
• 参考文献
• 结论
• 研究成果及发表的学术论文
• 致谢
• 作者简介
• 导师简介
• 北京化工大学 博士研究生学位论文答辩委员会决议书