壳寡糖基生物材料的制备与性能研究

论文摘要

壳寡糖是一种来源丰富的天然高分子,它具有良好的生物相容性、生物降解性和生物活性。但是由于分子间的氢键相互作用,使其具有难融难溶的性质,因而大大限制了壳寡糖这一天然资源的有效利用。化学改性是改善壳寡糖性能的有效途径,特别是利用良好亲水性及带有生物活性基团的壳寡糖和具有优越机械性能及生物降解性的聚己内酯、以及含生物活性物质胆甾醇的液晶单体,制备的新型壳寡糖基生物材料,具有重要的科学参考价值和巨大的应用前景。将在生物降解材料、药物控释载体和组织工程材料方面获得应用。本论文是在查阅了国内外大量相关文献的基础上,为了改善壳寡糖溶解性差、不能熔融、不具备成型加工性能的缺点,对壳寡糖的-NH2或-OH进行化学改性,设计并合成了两种壳寡糖衍生物中间体及四种壳寡糖基生物材料。两种中间体是：邻苯二甲酰化壳寡糖（PHCSO）和O,O-双十二酰化壳寡糖。四种壳寡糖基生物材料分别是：1.热塑性N,O酰化壳寡糖；2.含活性氨基的邻苯二甲酰化壳寡糖接枝聚己内酯；3.热塑性壳寡糖接枝聚己内酯；4.胆甾醇酯支化的壳寡糖接枝聚己内酯。文中所设计并合成的壳寡糖基生物材料在国内外未见报道,研究成果具有创新性。采用FT-IR、1H NMR、DSC、TGA、POM、SEM及X射线衍射等技术研究了壳寡糖基生物材料的化学结构和物理性能。主要内容和研究成果如下：1.对壳寡糖进行酰化改性,即在甲烷磺酸的均相反应体系中,通过甲烷磺酸对壳寡糖氨基的保护作用,采用月桂酰氯直接与壳寡糖的羟基反应,制备了羟基（-OH）被取代而保留活性氨基的O,O-双十二酰化壳寡糖。O,O-双十二酰化壳寡糖在有机溶剂中的溶解性得到改善,SEM表明壳寡糖的片层结构发生变化,且表面变得粗糙,XRD和热分析表明月桂酸基长链的引入改变了壳寡糖分子的结构,酰化壳寡糖形成了新的结晶结构,O,O-双十二酰化壳寡糖的热降解温度低于壳寡糖。2.在合成了O,O-双十二酰化壳寡糖的基础上,又通过改变月桂酰氯与壳寡糖的摩尔比使壳寡糖分子结构中的氨基（-NH2）也参与了反应,从而制备了取代度不同的N,O-双十二酰化壳寡糖,研究结果表明月桂酸基长链的引入削弱了壳寡糖分子间的氢键作用力,改变了壳寡糖分子的结构,酰化壳寡糖形成了新的结晶微区；当壳寡糖的氨基和羟基几乎被完全取代时,N,O-双十二酰化壳寡糖具有热塑性,其热降解温度为167.3℃,而且在偏光显微镜下能够观察到颗粒状紧密排列的结晶结构。3.通过邻苯二甲酸酐保护壳寡糖的氨基,而保留羟基制备了反应中间体邻苯二甲酰化壳寡糖（N-phthaloyl-chitosan oligosaccharide,简称PHCSO）。在壳寡糖的接枝反应中以邻苯二甲酰化壳寡糖为中间体,采用辛酸亚锡催化剂催化ε-己内酯开环聚合制备了邻苯二甲酰化壳寡糖接枝聚己内酯（PHCSO-g-PCL）,这种接枝反应路线可实施壳寡糖的定位接枝改性。另外,采用水和肼脱掉了N-邻苯二甲酰亚胺基保护基从而恢复了壳寡糖的游离氨基。结果表明随着ε-己内酯（ε-CL）与壳寡糖投料比的增加,接枝率提高,并且壳寡糖分子的结晶结构被破坏,侧链聚己内酯在接枝共聚物中已形成了新的结晶区,该结晶区具有熔点。4.以PHCSO为中间体,采用辛酸亚锡催化剂催化ε-己内酯开环聚合,当ε-己内酯与邻苯二甲酰化壳寡糖的配比为15：1（mL/g）时,制备了热塑性壳寡糖接枝聚己内酯复合材料（TPHCSO-g-PCL）。TGA、WAXD、SEM、DSC用来表征壳寡糖-接枝-聚己内酯的物理性能,表征结果表明聚己内酯在壳寡糖上的接枝在一定程度上破坏了壳寡糖原有的结晶形态,聚己内酯接枝侧链在壳寡糖的刚性骨架上已经形成大量的结晶区。壳寡糖、均聚物聚己内酯（PCL）及热塑性接枝共聚物在热失重为5%时的温度分别为205℃、224℃和252℃。TGA分析结果表明热塑性接枝共聚物的热稳定性均高于壳寡糖和PCL。在偏光显微镜（POM）下观察到TPHCSO-g-PCL的球晶结构。DSC曲线表明TPHCSO-g-PCL的熔点为60.2℃。5.以PHCSO-g-PCL为中间体,通过壳寡糖接枝聚己内酯（PHCSO-g-PCL）上的羟基与己二酸胆甾醇单酯（M1）或癸二酸胆甾醇单酯（M2）的羧基进行酰化成酯反应,合成了胆甾醇酯支化的壳寡糖接枝聚己内酯复合材料（PHCSO-g-PCL-g-Chol*,n=4,8）。其中癸二酸胆甾醇单酯支化的壳寡糖接枝聚己内酯复合材料（PHCSO-g-PCL-g-Chol*,n=8）具有热塑性,在偏光显微镜下（POM）能够观察到M1和M2的胆甾相液晶织构、PHCSO-g-PCL-g-Chol*（n=8）在熔融时出现的双折射现象,该热塑性材料在DSC曲线上的熔融峰的峰值为89℃。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 壳聚糖的研究进展
• 1.1.1 甲壳素/壳聚糖的结构和性能
• 1.1.2 壳聚糖衍生物的制备
• 1.1.2.1 酰化反应
• 1.1.2.2 羧基化反应
• 1.1.2.3 烷基化与季铵盐反应
• 1.1.2.4 醚化反应
• 1.1.2.5 酸酯化反应
• 1.1.2.6 金属盐反应
• 1.1.2.7 接枝共聚反应
• 1.1.3 壳聚糖及其衍生物的应用
• 1.1.3.1 在食品工业中的应用
• 1.1.3.2 在医学上的应用
• 1.2 壳寡糖的研究进展
• 1.2.1 壳寡糖的结构
• 1.2.2 壳寡糖的制备方法
• 1.2.2.1 酸解法
• 1.2.2.2 氧化降解法
• 1.2.2.3 酶解法
• 1.2.3 壳寡糖的生理功能及应用
• 1.2.3.1 壳寡糖的生理功能
• 1.2.3.2 壳寡糖的应用
• 1.2.4 壳寡糖衍生物的研究概况
• 1.2.4.1 酰化反应
• 1.2.4.2 羧基化反应
• 1.2.4.3 N-烷基化反应
• 1.2.4.4 金属盐反应
• 1.2.4.5 接枝共聚反应
• 1.2.5 壳寡糖衍生物研究的应用前景
• 1.2.5.1 季铵盐反应在自组装液晶方面的应用前景
• 1.2.5.2 壳寡糖基生物材料在医学领域的应用前景
• 1.2.6 聚己内酯及胆甾醇在医学方面的应用
• 1.2.6.1 聚己内酯的结构及性能
• 1.2.6.2 聚己内酯在医学上的应用
• 1.2.6.3 胆甾醇的结构及性能
• 1.2.6.4 胆甾醇在医学上的应用
• 1.3 本论文的研究构思和分子设计
• 1.3.1 本论文的研究思路
• 1.3.2 本论文的研究内容与特色
• 第2章 壳寡糖的改性及热塑性壳寡糖的制备与性能研究
• 2.1 O,O-双十二酰化壳寡糖的制备
• 2.1.1 引言
• 2.1.2 实验部分
• 2.1.2.1 主要化学试剂
• 2.1.2.2 O,O-双十二酰化壳寡糖的合成
• 2.1.2.3 O,O-双十二酰化壳寡糖的表征
• 2.1.3 结果与讨论
• 2.1.3.1 月桂酰氯用量对产物溶解性的影响
• 2.1.3.2 O,O-双十二酰化壳寡糖的红外光谱分析
• 2.1.3.3 O,O-双十二酰化壳寡糖的X射线衍射分析
• 2.1.3.4 O,O-双十二酰化壳寡糖的热性能分析
• 2.1.3.5 O,O-双十二酰化壳寡糖的SEM分析
• 2.2 热塑性壳寡糖衍生物材料的制备
• 2.2.1 引言
• 2.2.2 实验部分
• 2.2.2.1 主要化学试剂
• 2.2.2.2 N,O-双十二酰化壳寡糖的合成
• 2.2.2.3 N,O-双十二酰化壳寡糖的表征
• 2.2.3 结果与讨论
• 2.2.3.1 反应时间对产物溶解性的影响
• 2.2.3.2 N,O-双十二酰化壳寡糖的红外光谱分析
• 2.2.3.3 N,O-双十二酰化壳寡糖的核磁共振谱图
• 2.2.3.4 N,O-双十二酰化壳寡糖的X-射线衍射分析
• 2.2.3.5 N,O-双十二酰化壳寡糖的热性能分析
• 2.2.3.6 热塑性壳寡糖衍生物的结晶性能分析
• 2.3 本章小结
• 第3章 含活性基团氨基的壳寡糖接枝聚己内酯的制备与性能研究
• 3.1 邻苯二甲酰化壳寡糖反应
• 3.1.1 引言
• 3.1.2 实验部分
• 3.1.2.1 主要化学试剂
• 3.1.2.2 邻苯二甲酰化壳寡糖的合成
• 3.1.2.3 分析及表征
• 3.1.3 结果与讨论
• 3.1.3.1 邻苯二甲酰化壳寡糖的红外谱图分析
• 1H NMR谱图'>3.1.3.2 产物的¹H NMR谱图
• 3.1.3.3 邻苯二甲酰化壳寡糖的X射线衍射分析
• 3.1.3.4 邻苯二甲酰化壳寡糖的热性能分析
• 3.2 开环聚合制备邻苯二甲酰化壳寡糖接枝聚己内酯
• 3.2.1 引言
• 3.2.2 实验部分
• 3.2.2.1 主要化学试剂
• 3.2.2.2 邻苯二甲酰化壳寡糖接枝聚己内酯的合成
• 3.2.2.3 邻苯二甲酰化壳寡糖接枝聚己内酯的脱保护
• 3.2.2.4 分析及表征
• 3.2.3 结果与讨论
• 3.2.3.1 ε-己内酯的开环聚合机理
• 3.2.3.2 接枝产物的接枝率
• 3.2.3.3 接枝产物的红外光谱分析
• 3.2.3.4 接枝产物的核磁分析
• 3.2.3.5 接枝产物的X射线衍射分析
• 3.2.3.6 接枝产物的热性能分析
• 3.2.3.7 邻苯二甲酰化壳寡糖接枝聚己内酯脱保护的红外分析
• 3.3 本章小节
• 第4章 热塑性壳寡糖接枝聚己内酯的制备与性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 主要化学试剂
• 4.2.2 邻苯二甲酰化壳寡糖的合成
• 4.2.3 热塑性邻苯二甲酰化壳寡糖接枝聚己内酯的合成
• 4.2.4 分析及表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 反应物纯度的影响
• 4.3.2 引发体系的选择
• 4.3.3 反应温度对接枝产物的接枝率的影响
• 4.3.4 反应物配比对接枝产物的接枝率的影响
• 4.3.5 热塑性接枝产物的红外光谱分析
• 4.3.6 热塑性接枝产物的热性能分析
• 4.3.7 热塑性接枝产物的结晶性
• 4.3.8 热塑性接枝产物的偏光分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 胆甾醇酯支化的壳寡糖接枝聚己内酯的制备与性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 主要化学试剂
• 5.2.2 己二酸胆甾醇单酯的合成
• 5.2.3 癸二酸胆甾醇单酯的合成
• 5.2.4 邻苯二甲酰化壳寡糖接枝聚己内酯的合成
• 5.2.5 胆甾醇酯支化的壳寡糖接枝聚己内酯的合成
• 5.2.5.1 己二酸胆甾醇单酯支化的壳寡糖接枝聚己内酯的合成
• 5.2.5.2 癸二酸胆甾醇单酯支化的壳寡糖接枝聚己内酯的合成
• 5.2.6 分析及表征
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 产物的红外谱图分析
• 5.3.1.1 单体的红外谱图分析
• 5.3.1.2 接枝物的红外谱图分析
• 5.3.2 单体的液晶性能分析
• 5.3.2.1 己二酸胆甾醇单酯的热性能分析
• 5.3.2.2 己二酸胆甾醇单酯的液晶织构分析
• 5.3.2.3 癸二酸胆甾醇单酯的热性能分析
• 5.3.2.4 癸二酸胆甾醇单酯的液晶织构分析
• 5.3.3 胆甾醇酯支化的壳寡糖接枝聚己内酯的偏光分析
• 5.3.3.1 己二酸胆甾醇单酯支化的接枝产物的偏光分析
• 5.3.3.2 癸二酸胆甾醇单酯支化的接枝产物的偏光分析
• 5.3.4 胆甾醇酯支化的壳寡糖接枝聚己内酯的热性能分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 博士期间的学术成果
• 简历