果胶衍生物功能材料的制备及性能研究

来源 :武汉理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:tianming2001
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果胶(Pectin,P)是一类广泛存在于植物细胞壁,以D-半乳糖醛酸通过α-1,4-糖苷键连接而成的酸性杂多糖,具有天然、绿色、营养健康等特征。果胶具有抗菌、止血、解毒、降血脂以及抗辐射等优良性能,广泛应用于食品、保健品、化妆品和医药品等众多行业。但是,来源不同造成的结构差异以及较大的分子量限制了果胶在食品及医药工业中的应用。如何改善果胶的这些缺点,开发应用性更强的功能材料和生物材料是今后研究应用的焦点所在。  本论文以果胶作为主要原料,制备了多种新型果胶衍生物功能材料,并对其结构与性能进行深入研究。首先,通过酯化和醚化反应分别制得果胶硫酸酯和果胶季铵盐衍生物,对其抗凝血性、吸湿保湿性和抗菌性能等进行测试;其次,通过辐照和化学交联制备了两种基于果胶的水凝胶,并对水凝胶的性能和应用进行研究;最后,将果胶与胶原蛋白肽接枝制备水溶性医用敷料,并对其性能进行研究。主要研究内容和结论如下:  (1)在水溶液中,采用新型酯化剂三磺酸钠胺(N(SO3Na)3)与果胶反应制备果胶硫酸酯,研究反应条件对产物取代度的影响。制备果胶硫酸酯的最佳条件为:反应介质的pH值为6,反应温度为60℃,反应时间为12 h,三磺酸钠胺与果胶的比值为2.5/190(mol/g)。通过红外光谱及核磁共振波谱确定了产物的结构。果胶硫酸酯的强制降解实验表明,在高温条件下比较稳定,在强酸、强碱和氧化条件下不稳定。果胶硫酸酯的体外细胞毒性测试结果表明果胶硫酸酯无明显细胞毒性。此外,研究果胶硫酸酯的分子量、浓度和取代度对其抗凝血性能的影响。研究表明,果胶硫酸酯的抗凝血性随着其取代度增大而增强,抗凝血性能最佳的果胶硫酸酯的分子量和浓度分别为2.0×104 Da和50μg/mL。凝血实验表明,果胶硫酸酯能够通过抑制凝血酶的活性延长活化部分凝血酶时间(Activated Partial Thromboplastin Time,APTT)和凝血酶时间(ThrombinTime,TT),证明引入硫酸酯基团能显著提高其抗凝血性能。  (2)以NaOH作为催化剂,3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵(3-Chloro-2-hydroxy propyl trimethyl ammonium chloride, CHPTAC)作为醚化剂制备果胶季铵盐衍生物(Quaternary-N Pectin,QP),并对产物的结构与性能进行表征。反应过程中,通过调整CHPTAC与果胶的摩尔比,NaOH与CHPTAC的摩尔比和反应温度,能够控制QP的取代度(Degree of Substitution,DS)。制备的最优条件为:CHPTAC与果胶的摩尔比为7,NaOH与CHPTAC的摩尔比为1.2,反应温度为70℃。QP的吸湿保湿性能与其DS大小紧密相关。随着DS的增加,其吸湿保湿性能逐渐增强。果胶季铵盐的强制降解实验表明,在高温条件下比较稳定,在强酸、强碱和氧化条件下不稳定。果胶季铵盐的体外细胞毒性测试,表明果胶季铵盐无明显细胞毒性。体外抗菌性试验表明,QP对金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、芽孢杆菌、白色念珠菌、近平滑假丝酵母菌和马拉色菌具有显著的抑菌效果。  (3)以果胶季铵盐(QP)和聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol,PVA)两种亲水性高分子为原料,通过辐照交联制备QP/PVA共混水凝胶,并对水凝胶的结构和性能进行表征。研究了辐照强度、QP和PVA物料配比对共混水凝胶的凝胶分数、溶胀性能和机械性能的影响。结果表明,QP/PVA物料比为1:2及辐照强度为60 KGy时,水凝胶达到最大凝胶分数90%;QP/PVA物料比为1:1及辐照强度为20 KGy时,水凝胶的溶胀性能达到最大40g/g;QP/PVA物料比为1:2及辐照强度为40 KGy时,水凝胶达到最大拉伸强度2.50 MPa。最后,研究了水凝胶对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌性,证明其对二种细菌都有显著的抑制作用。  (4)以1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺(1-(3-dimethylaminopropyl)-3-ethyl carbodiimide,EDC)和N-羟基琥珀酰亚胺(N-hydroxysuccinimide,NHS)作为交联剂,通过单因素实验法在水溶液中制备果胶-胶原蛋白肽接枝共聚物,研究了反应条件对果胶接枝产物取代度的影响。该反应的最优化条件为:反应时间为20 h,反应温度为35℃,胶原蛋白肽与果胶质量比为1.2/0.6。吸湿保湿性实验表明,随着取代度的增大,果胶-胶原蛋白肽的吸湿率和保湿率也随之增大,相比果胶得到明显的改善。此外,研究了果胶-胶原蛋白肽对过氧化氢、DPPH(1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl)自由基清除率的影响,及其对成纤维细胞存活率的影响。抗氧化实验结果表明,随着果胶-胶原蛋白肽取代度和浓度不断增大,其过氧化氢清除率和DPPH清除率也随之增大。成纤维细胞存活率实验结果表明,随着果胶-胶原蛋白肽聚合物浓度和取代度增大,细胞存活率呈现先增大后减少的趋势。  (5)通过高碘酸钠氧化制备含双醛基团的氧化果胶(Oxidized pectin,OP);壳聚糖经2-氯乙胺盐酸盐改性后得到水溶性胺乙基壳聚糖(Amine-ethyl-chitosan,AECS)。再通过氧化果胶上的醛基与胺乙基壳聚糖上的氨基进行希夫碱反应,交联制备了一种可用于伤口敷料的水凝胶,并对对水凝胶的结构、性能进行测试。所制备的水凝胶为三维网孔结构。溶胀性测试表明,OP-AECS(Oxidized pectin-amine-ethyl-chitosan)水凝胶的溶胀平衡液体含量在87%到95%之间。高氧化度的OP与氨基含量高的AECS交联制备的水凝胶交联度高,遇水膨胀率小,平衡液体含量小,吸水性弱。其中,OP1-AECS1水凝胶(500±10 g/m2/h)的水气透过率最大。在氧化度相同的条件下,AECS中的氨基含量越大,水凝胶的交联度就越大,水气透过率就越小;在氨基含量相同的条件下,OP的氧化度越大,交联度就越大,水凝胶的水气透过率越小。OP1-AECS1水凝胶水分流失率较大,达到稳定时间短;OP2-AECS2水凝胶水分流失率较小,达到稳定时间长,这与其内部孔径大小、结构致密程度有关。这种新型的氧化果胶-胺乙基壳聚糖水凝胶溶血程度低于5%,达到了使用标准要求。
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