壳聚糖 (CS) 是仅次于纤维素的第二大生物天然多糖, 主要从海洋渔业的固体废弃物虾壳和蟹壳中提取而来, 是由氨基葡萄糖单元通过β (1→4) 糖苷键连接而成的线性高分子聚合物, 有良好的抑菌性、生物相容性等, 其优越的成膜性能引起人们的极大关注[1,2,3]。

聚乙烯醇 (PVA) 是聚醋酸乙烯酯的水解产物, 是一种不由单体聚合而通过其酯水解得到的聚合物, 不存在游离的单体乙烯醇。PVA具有良好的耐溶剂性和优良的成膜性能, 能形成表面光滑, 非常强韧的耐撕裂的膜。由于PVA具有优良的生物可降解性, 对人体无毒副作用, 为一良好的生物医用材料[4]。

通过简单的机械共混可将壳聚糖和PVA制成膜状[5]或水凝胶状[6]新材料, 达到两种材料生理功能的协同作用。壳聚糖和PVA的主链上都含有大量亲水性基团, 致使共混膜吸水性强, 湿态强度低, 在较低的pH媒介中易溶解, 耐水性能差。以往解决这一问题的方法是对材料进行化学交联[7], 但交联剂的引入势必对材料的生物相容性和细胞毒性产生一定的影响。文献[8,9]报道, 热和微波处理影响壳聚糖膜及微球的结构和性能, 特别是湿热处理可很大程度上提高纯壳聚糖膜的抗水性。湿热处理对壳聚糖/PVA共混膜结构和性能的影响少见报道。本文制备了共混膜并讨论了湿热处理方法对壳聚糖/PVA共混膜结构和性能的影响。

壳聚糖 (脱乙酰度91.7%, 分子量为2.1×105) , 浙江玉环海洋生物化学有限公司提供;聚乙烯醇 (聚合度为1 750±50, 醇解度99.8%) , 由上海化学试剂公司提供;磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、冰醋酸、无水醋酸钠、氢氧化钠、氯化钠等均为分析纯级市售品, 使用前未经任何处理。

将壳聚糖溶于体积分数为2%的醋酸水溶液, 过滤得质量分数约3%的壳聚糖醋酸水溶液。将聚乙烯醇溶于60℃水中, 过滤得到质量分数约6%的聚乙烯醇水溶液。将上述两种溶液按聚乙烯醇和壳聚糖质量比1∶3在50℃充分搅拌混合, 于50℃水浴中静置48 h后, 真空除去混合液中的泡沫, 用流延法在洁净的玻璃板上刮膜。膜在红外灯下干燥后, 再将玻璃板放入2%的NaOH凝固液中去除残留酸, 等膜自然剥落后用蒸馏水充分冲洗, 直至中性。把膜固定在胶片上, 在75%相对湿度和恒温60℃条件下对共混膜进行不同时间的湿热处理, 结果如表1所示。

用Nicolet170-5X傅立叶变换红外光谱仪, KBr压片法测定样品膜的红外光谱。用Lab-XRD-6000 X衍射仪 (日本Shimadz公司) 测定样品膜的XRD谱。X射线源为CuKα, 电压为40 kV, 电流为50 mA, DS/SS为0.5 (°) 。扫描范围5～40 (°) (2θ) , 扫描速度为4 (°) /min (2θ) , 走纸速度为40 mm/min。

膜的抗张强度 (σb) 及断裂伸长率 (εb) 采用万能电子拉力试验机 (CMT6503, 深圳新三思试验设备公司) 按照国家标准 (GB/4456-84) 进行测量, 湿膜的强度和断裂伸长率是将膜于蒸馏水中浸泡5 h后进行测试。

将尺寸为2×3 cm2的己称重 (W1) 样品膜在蒸馏水中浸泡一定的时间后取出, 用滤纸小心吸去表面水, 称重 (W2) , 计算其吸水率Q:

Q = (W2-W1) /W1×100%;

每个样品测3次, 取其平均值。

将尺寸为2×3 cm2的己称重 (W1) 样品膜在pH=8的缓冲溶液中浸泡2 h, 使其充分吸附平衡, 然后转入pH=5的缓冲溶液中浸泡半个小时, 再转入pH=8的缓冲溶液, 浸泡半个小时, 第二次转入pH=5的缓冲溶液中浸泡。分别测定不同pH值样品膜的吸水率, 每隔15 min将样品取出, 用滤纸小心吸去表面水, 称重 (Wt) , 计算其吸水率Q:

Q = (Wt-W1) /W1×100%;

平行测3个样品, 取其平均值。

共混膜组分之间的氢键作用可有效地降低混合体系的Gibbs自由能, 使共混组分较好地相容。壳聚糖及其共混膜的红外光谱见图1。在纯壳聚糖膜的红外光谱图中, 1 597 cm-1处的吸收峰归属于氨基的变形振动, 1 262 cm-1处的吸收峰归属于O-H的弯曲振动, 1 090 cm-1和660 cm-1为壳聚糖的结晶敏感峰。在共混膜中受PVA的影响, 1 090 cm-1的壳聚糖结晶峰向高波数移动, 在1 102 cm-1处产生吸收峰, 并由孤立的可分峰变成不可分的肩峰;壳聚糖的另一结晶敏感峰660 cm-1变弱, 但波数基本没有变化; 由于PVA的加入, 归属于氨基变形振动的1 596 cm-1处的吸收峰相对于亚甲基伸缩峰减弱, 而在3 454 cm-1处附近的O-H、N-H伸缩峰变宽, 并向低波数移动, 这表明共混膜中壳聚糖分子与PVA分子有很强的氢键作用, 扰乱了壳聚糖的结晶形态。比较壳聚糖/PVA共混膜在湿热处理前后的红外光谱图。经湿热处理后, 共混膜中1 597 cm-1处的N-H变形振动吸收峰减弱。

壳聚糖、PVA及共混膜的XRD谱见图2。PVA在2θ 10 (°) 、19.8 (°) 处出现强的衍射峰, 壳聚糖的衍射峰则出现在2θ 10.5 (°) 、15.4 (°) 及20.1 (°) 处。壳聚糖于15.4 (°) 处的衍射峰在共混膜中由于PVA的加入减弱, 共混膜中壳聚糖和聚乙烯醇在溶液形成凝胶过程中发生了新的分子排列组合, 壳聚糖与聚乙烯醇分子间的相互作用扰乱了壳聚糖原有的晶体结构, 这进一步证明共混膜中壳聚糖与PVA之间达到了分子水平的相容, 该结论与红外光谱分析结果相一致。

比较湿热处理样品T-2, T-5与未处理样品T-0的X-射线衍射谱图, T-2和T-5在2θ 10.5 (°) 和15.4 (°) 的峰均有所增强, 其中T-5比T-2在2θ 15.4 (°) 的无水结晶峰大。湿热处理使共混膜的结晶形态发生了改变, 分子排列更有序, 使结晶度略有增加。

各种膜的断裂伸长率和抗张强度如表2所示。 随湿热处理时间的增加, 共混膜在干湿态的抗张强度都显著增加, 并在10 h时达到最大, 其干态膜抗张强度为72.7 MPa, 比未处理的共混膜提高了82.3 %。当湿热处理时间超过10 h, 共混膜的抗张强度下降, 但仍高于未处理膜, 而断裂伸长率均随湿热处理时间的增加而减小。

不经任何处理的壳聚糖/PVA共混膜很容易在酸性溶液中溶解。图3为湿热处理壳聚糖/PVA共混膜T-5的吸水动力学曲线。从图中可以看出, 在pH6～8之间, T-3的吸水率变化不是很大, 而当pH降到5时, 共混膜的吸水性能有了很大的提高。这主要是由于壳聚糖分子中大量存在的-NH2在低pH的溶液中与H+结合形成-NH3+, 电荷的排斥使壳聚糖分子舒展, -NH3+与水分子的亲和力使膜的抗水性能下降。

图4表示湿热处理前后的壳聚糖/PVA共混膜的吸水率随pH的变化。无论溶液的pH是从高到低 (pH=8→pH=5) 还是从低到高 (pH=5→pH=8) 变化, T-3和T-4和的吸水率变化较大, pH=5时吸水率最大, 而T-5样品对pH敏感性小, 吸水率一直保持较低。共混膜的吸水率随pH变化的幅度随湿热处理时间的增加而减弱, 湿热处理达到一定时间后, 可以明显改善膜的抗水性能。

壳聚糖/PVA共混膜中壳聚糖与PVA之间达到了分子水平的相容, 湿热处理使共混膜的结晶形态发生了改变, 分子排列更加有序。膜的抗水性能和力学性能的测试结果表明, 适度的湿热处理能提高共混膜在干态和湿态下的抗张强度, 降低共混膜的吸水能力, 共混膜的pH敏感性, 可以通过调节湿热处理时间来控制。共混膜的这种性能可使其成为pH敏感药物的载体, 通过调节湿热处理时间来控制药物释放的速率。由于化学交联剂的引入势必对生物材料的生物相容性和细胞毒性产生一定的影响, 所以使用湿热处理方法代替戊二醛等化学交联来改善膜的性能在医用材料的研究与百富策略白菜网方面将有重要的意义。