一種均相制備低脫乙酰度羧基甲殼素的方法及其應(yīng)用的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種均相制備低脫乙酰度羧基甲殼素的方法及其應(yīng)用。首先將甲殼素加入到氫氧化鈉和尿素的混合水溶液中制得均相甲殼素水溶液，再加入含羧基化試劑的水溶液在均相甲殼素水溶液里攪拌反應(yīng)，經(jīng)后處理得到低脫乙酰度羧基甲殼素。本發(fā)明方法制備工藝簡(jiǎn)單，產(chǎn)品取代度均勻易控，產(chǎn)率高，且反應(yīng)條件溫和，為環(huán)境友好的綠色工藝，利于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)；甲殼素基本上未降解，制得的一些低脫乙酰度羧基甲殼素具有pH敏感性和溫度敏感性，可作為藥物載體材料使用。本發(fā)明制得的水溶性高粘度產(chǎn)品為天然原材料改性，價(jià)廉可生物降解，與天然保濕調(diào)理劑透明質(zhì)酸功能相近，可廣泛用于化妝品、醫(yī)藥、保健、美容、紡織、食品加工和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種均相制備低脫乙酰度羧基甲殼素的方法及其應(yīng)用
[0001]
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明屬于材料科學(xué)領(lǐng)域，涉及一種均相制備低脫乙酰度羧基甲殼素的方法及其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0003]甲殼素是從甲殼動(dòng)物外殼及真菌和藻類(lèi)的細(xì)胞壁中提取的，是僅次于纖維素的第二大可再生天然高分子，具有線(xiàn)性結(jié)構(gòu)。甲殼素及其衍生物具有非常好的生物相容性、生物可降解性、低毒性和多種生物活性，具有極大的研究和應(yīng)用價(jià)值。但甲殼素本身由于氫鍵作用結(jié)晶度高，不溶于水和低濃度的酸堿，也不溶于常用的有機(jī)溶劑，從而限制了它的研究開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。
[0004]甲殼素經(jīng)過(guò)羧甲基反應(yīng)化后，易溶于水[張秋華等，水溶性羧甲基甲殼素的制備，精細(xì)化工1994，11，36-39]，具有良好的吸濕性、保濕性、成膜性和抑菌性，在化妝品和醫(yī)藥衛(wèi)生等領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用前景。通常羧甲基甲殼素的合成是利用氯乙酸作為醚化劑、以濃氫氧化鈉溶液(45-65%)和異丙醇作為介質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)[T.K.Sini等，Study of theinfluence of processing parameters on the production of carboxymethylchitin,2005，Polymer, 46，3128-3131 ;日本專(zhuān)利 JP161391/78 ;中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利 CN03118437.5]，反應(yīng)過(guò)程中使用有機(jī)溶劑，環(huán)境污染大，生產(chǎn)成本高。同時(shí)由于該反應(yīng)是非均相條件下進(jìn)行，反應(yīng)溫度高，反應(yīng)過(guò)程難以控制，在濃堿條件下甲殼素也有一定的降解和脫乙酰(可高達(dá) 50%) [K.Kurita, Controlled functionalization of the polysaccharidechitin, 2001, Progress in Polymer Science 26N9, 1921-1971],難以保證產(chǎn)品質(zhì)量和取代度均一性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有制備羧基甲殼素技術(shù)的局限性，提供一種工藝簡(jiǎn)單、產(chǎn)品取代度均勻、產(chǎn)率高的均相制備低脫乙酰度羧基改性甲殼素的方法及其應(yīng)用。
[0006]一種均相制備低脫乙酰度羧基甲殼素的方法，包括如下步驟:
將脫乙酰度低于30%的甲殼素加入到氫氧化鈉和尿素的混合水溶液中混合均勻，在-30~-12°C條件下冷凍攪拌24~96h，解凍后于I~25°C下攪拌制得0.5wt%~9wt%的均相甲殼素水溶液；向均相甲殼素水溶液中加入含羧基化試劑的水溶液，并在0~50°C下攪拌均相反應(yīng)6~71h，制得的羧基甲殼素溶液，經(jīng)后處理即得到脫乙酰度低于30%的羧基甲殼素。
[0007]所述的甲殼素優(yōu)選為脫乙酰度低于10%，重均分子量?jī)?yōu)選為5X104~5X106。
[0008]所述的氫氧化鈉和尿素的冷凍低溫混合液組成優(yōu)選但不限于的范圍是含氫氧化鈉重量比為6~20%,尿素重量比為3~12%。[0009]所述的羧基化試劑優(yōu)選為氯乙酸、溴乙酸、3-氯丙酸、3-溴丙酸或其鹽中的一種或幾種；所用羧基化試劑的量不受限制，但其加入量?jī)?yōu)選為甲殼素結(jié)構(gòu)單元摩爾數(shù)的
0.5~50倍。
[0010]所述的后處理方法為:將制得的羧基改性甲殼素溶液用酸溶液調(diào)節(jié)pH值到中性(pH 6.9-7.5)，用透析或者沉淀洗滌除去尿素和鹽等小分子物質(zhì)，干燥得到脫乙酰度低于30%的羧基改性甲殼素。
[0011]所述的酸優(yōu)選為鹽酸、硫酸、硝酸、甲酸、乙酸或檸檬酸中的一種或幾種。
[0012]所述的有機(jī)溶劑優(yōu)選為甲醇、乙醇、異丙醇、丙酮、四氫呋喃中的一種或幾種。
[0013]上述的制備方法得到pH敏感性和溫度敏感性的低脫乙酰度羧基甲殼素。
[0014]本發(fā)明制備的低脫乙酰度羧基甲殼素替代天然透明質(zhì)酸作為藥物載體材料、可注射水凝膠材料的應(yīng)用。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和效果:
1.本發(fā)明在均相甲殼素水溶液中制備低脫乙酰度羧基化甲殼素，制備工藝簡(jiǎn)單，反應(yīng)條件溫和，反應(yīng)過(guò)程易控，產(chǎn)率高，可用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
[0016]2.本發(fā)明的 使用較低濃度的堿液(6wt%~20wt%)作為反應(yīng)介質(zhì)，且反應(yīng)過(guò)程無(wú)有機(jī)溶劑參與，無(wú)毒無(wú)污染，成本較低。
[0017]3.本發(fā)明制得的低脫乙酰度羧基甲殼素取代度均勻，在較低的羧基取代度DS(0.26，實(shí)施例8中H4)時(shí)即可制得在中性pH 7.4下的完全透明的羧基甲殼素水溶液(3 mg/mL)，而對(duì)于傳統(tǒng)的非均相方法制備的羧甲基甲殼素只有DS高于0.6時(shí)才能完全水溶。
[0018]4.本發(fā)明可制得與天然透明質(zhì)酸結(jié)構(gòu)、功能相近的較高分子量低脫乙酰度羧基甲殼素，也可制得具有PH和溫度敏感性的羧基改性甲殼素，在化妝品、醫(yī)藥、美容保健、紡織、造紙、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用開(kāi)發(fā)價(jià)值。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1為本發(fā)明實(shí)施例2制備的羧甲基甲殼素在25°C下20 wt% DC1/D20的核磁氫譜圖。
[0020]圖2為本發(fā)明實(shí)施例9制備的羧乙基甲殼素在5 wt% NaOD /D2O的核磁氫譜圖。
[0021]圖3為本發(fā)明實(shí)施例10涉及到的紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)在500 nm波長(zhǎng)測(cè)得羧甲基甲殼素H2、H3和H4 (3 mg/mL，25°C )在不同pH時(shí)的透過(guò)率的變化。
[0022]圖4為本發(fā)明實(shí)施例11涉及到的動(dòng)態(tài)光散射測(cè)試羧甲基甲殼素H3在不同溫度(溶液濃度4 mg/mL, pH 7.4)光散射強(qiáng)度和粒徑的變化。
[0023]圖5為本發(fā)明實(shí)施例12涉及到的羧甲基甲殼素H3 (溶液濃度2 wt%,pH 7.4)在升溫時(shí)流變行為測(cè)試。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0025]實(shí)施例1
首先制備氫氧化鈉:尿素:純水=6:3:91 (質(zhì)量比)的混合液，將0.5g甲殼素加入100g上述混合液中混勻，在-12~-20°C下冷凍72h，解凍后于5~12°C下充分?jǐn)嚢柚频?.5wt%的均相甲殼素水溶液。向均相甲殼素水溶液中加入含7g氯乙酸、4.6g氫氧化鈉、Ig尿素和20 mL純水的混合液，在0~50°C下(先低溫，后慢慢升溫，控制反應(yīng)液為均相體系)攪拌反應(yīng)8h，然后用IM的鹽酸調(diào)節(jié)pH值到6.9，用蒸餾水透析7天除去溶液中的尿素和鹽等小分子物質(zhì)，冷凍干燥得到海綿粉末狀羧基改性甲殼素。將該產(chǎn)品用鹽酸酸化后測(cè)得的紅外譜圖與原料甲殼素譜圖相比，在1720 cm-1處出現(xiàn)新的吸收峰，說(shuō)明該產(chǎn)品已被羧基化。
[0026]實(shí)施例2
首先制備氫氧化鈉:尿素:純水=8:4:88(質(zhì)量比)的混合液，將1.2g甲殼素加入到30g上述混合液中混勻，在_30°C下冷凍36h并適時(shí)攪拌，解凍后于2~8°C下充分?jǐn)嚢柚频?wt%的均相甲殼素水溶液。向均相甲殼素水溶液中加入含2.Sg氯乙酸、1.4g氫氧化鈉、0.5g尿素和IOmL純水的溶液，分別在2~5°C下攪拌反應(yīng)6h，14~16°C下攪拌反應(yīng)24h，控制反應(yīng)液為均相透明體系。用IM的鹽酸調(diào)節(jié)pH值到7.5，使用IL丙酮沉淀，過(guò)濾后沉淀用80% (v/v)乙醇水溶液洗去尿素和鹽類(lèi)等小分子物質(zhì)，50°C烘干得到粉末狀羧基改性甲殼素，收率為89%。再將產(chǎn)品加水溶解，透析除去少量殘余尿素和鹽等小分子物質(zhì)，凍干得到白色海綿狀產(chǎn)物。該產(chǎn)品的核磁氫譜圖如圖1所示，羧甲基取代度DS=0.17，乙酰度DA=0.86。
[0027]實(shí)施例3
首先制備氫氧化鈉:尿素:純水=11:4:85 (質(zhì)量比)的混合液，將1.0g甲殼素加入到100g上述混合液中混勻，在_30°C下冷凍24h并適時(shí)攪拌，解凍后于I~5°C下充分?jǐn)嚢柚频胠wt%的均相甲殼素水溶液。向均相甲殼素水溶液中加入含2.33g氯乙酸、1.5g氫氧化鈉、0.45g尿素和IOmL純水的混合溶液，先在2~5°C下攪拌反應(yīng)6h，然后在14~16°C下攪拌反應(yīng)12h，控制反應(yīng)液為均相透明體系。用IM的鹽酸溶液調(diào)節(jié)pH值到7.2，使用IL丙酮沉淀，過(guò)濾后用乙醇/水(80%，v/v)洗去沉淀中的尿素和鹽類(lèi)等小分子物質(zhì)，50°C烘干得到粉末狀羧基改性甲殼素。該`產(chǎn)品經(jīng)核磁氫譜分析得DS=0.014，DA=0.96。
[0028]實(shí)施例4
首先制備氫氧化鈉:尿素:純水=11:4:85 (質(zhì)量比)的混合液，將1.0g甲殼素加入到100g上述混合液中混勻，在_30°C下冷凍24h并適時(shí)攪拌，解凍后于I~5°C下充分?jǐn)嚢柚频胠wt%的均相甲殼素水溶液。向均相甲殼素水溶液中加入含2.33g氯乙酸、1.5g氫氧化鈉、0.45g尿素和IOmL純水的混合溶液，先在2~5°C下攪拌反應(yīng)6h，然后在14~16°C下攪拌反應(yīng)24h，控制反應(yīng)液為均相透明體系。用IM的鹽酸溶液調(diào)節(jié)pH值到7.2，使用IL丙酮沉淀，過(guò)濾后用乙醇/水(80%，v/v)洗去沉淀中的尿素和鹽類(lèi)等小分子物質(zhì)，50°C烘干得到粉末狀羧基改性甲殼素。該產(chǎn)品經(jīng)核磁氫譜分析得DS=0.033，DA=0.90。
[0029]實(shí)施例5
首先制備氫氧化鈉:尿素:純水=11:4:85 (質(zhì)量比)的混合液，將1.0g甲殼素加入到100g上述混合液中混勻，在_30°C下冷凍24h并適時(shí)攪拌，解凍后于I~5°C下充分?jǐn)嚢柚频胠wt%的均相甲殼素水溶液。向均相甲殼素水溶液中加入含2.33g氯乙酸、1.5g氫氧化鈉、0.45g尿素和IOmL純水的混合溶液，先在2~5°C下攪拌反應(yīng)6h，然后在14~16°C下攪拌反應(yīng)48h，控制反應(yīng)液為均相透明體系。用IM的鹽酸溶液調(diào)節(jié)pH值到7.2，使用IL丙酮沉淀，過(guò)濾后用乙醇/水(80%，v/v)洗去沉淀中的尿素和鹽類(lèi)等小分子物質(zhì)，50°C烘干得到粉末狀羧基改性甲殼素。該產(chǎn)品經(jīng)核磁氫譜分析得DS=0.075，DA=0.81。[0030]實(shí)施例6
首先制備氫氧化鈉:尿素:純水=11:4:85 (質(zhì)量比)的混合液，將1.0g甲殼素加入到100g上述混合液中混勻，在_28°C下冷凍30h并適時(shí)攪拌，解凍后于12-25°C下充分?jǐn)嚢柚频胠wt%的均相甲殼素水溶液。向均相甲殼素水溶液中加入含2.33g氯乙酸、1.5g氫氧化鈉、0.45g尿素和IOmL純水的溶液，先在2~6°C下攪拌反應(yīng)8h，然后在14~16°C下反應(yīng)12h，最后在20~40°C下攪拌反應(yīng)12h，控制反應(yīng)液為均相透明體系。用IM的鹽酸調(diào)節(jié)pH值到中性，使用IL丙酮沉淀，過(guò)濾后用乙醇/水(80%，v/v)洗去沉淀中的尿素和鹽類(lèi)等小分子物質(zhì)，50°C烘干得到粉末狀羧基改性甲殼素。該產(chǎn)品經(jīng)核磁氫譜分析得DS=0.057，DA=0.79。
[0031]實(shí)施例7
首先制備氫氧化鈉:尿素:純水=15:6:79(質(zhì)量比)的混合液，將8g甲殼素加入到100g上述混合液中混勻，在冰箱冷凍室-20~-30°C下冷凍96h并適時(shí)攪拌，解凍后于約2~5°C下充分?jǐn)嚢柚频?wt%的均相甲殼素水溶液。向均相甲殼素水溶液中加入含18.6g氯乙酸、9g氫氧化鈉、2.4g尿素和40 mL純水的溶液,在2~20°C下攪拌均相反應(yīng)48h,用2M鹽酸溶液調(diào)節(jié)PH值到7，用大量的乙醇和丙酮混合液(體積比1:1)沉淀3次除去其中的尿素和鹽類(lèi)等小分子物質(zhì)，真空干燥得到粉末狀羧基改性甲殼素。
[0032]實(shí)施例8不同投料比的影響
首先制備氫氧化鈉:尿素:純水=11:4:85 (質(zhì)量比)的混合液，將8.4g甲殼素加入到210g上述混合液中混勻，在_30°C下冷凍24h并適時(shí)攪拌，解凍后于2~8°C下充分?jǐn)嚢柚苽?wt%的均相甲殼素水溶液，分成7等份。 再依據(jù)表1分別加入不同比例的氯乙酸水溶液，分別在2~5°C下攪拌反應(yīng)6h，14~16°C下攪拌反應(yīng)24h，控制反應(yīng)液為均相透明體系。用IM的鹽酸調(diào)節(jié)pH值到7，使用IL丙酮沉淀，過(guò)濾后沉淀用乙醇水溶液(80%, v/v)洗去尿素和鹽等小分子物質(zhì)，50°C烘干得到粉末狀羧基改性甲殼素，其結(jié)果列于表1。
[0033]表1不同投料比的羧基改性甲殼素
【權(quán)利要求】
1.一種低脫乙酰度羧基甲殼素的制備方法，其特征在于，包括如下步驟:
將脫乙酰度低于30%的甲殼素加入到氫氧化鈉和尿素的混合水溶液中混合均勻，在-30~-12°C條件下冷凍攪拌24~96h，解凍后于I~25°C下攪拌制得0.5wt%~9wt%的均相甲殼素水溶液；向均相甲殼素水溶液中加入含羧基化試劑的水溶液，并在0~50°C下攪拌均相反應(yīng)6~71h，制得的羧基甲殼素溶液，經(jīng)后處理即得到脫乙酰度低于30%的羧基甲殼素。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述的甲殼素的脫乙酰度低于10%，其重均分子量為5X IO4~5X IO6 ;所述的氫氧化鈉和尿素的混合水溶液中，氫氧化鈉的重量比為6wt%~20wt%,尿素的重量比為3wt%~12wt% ;所述的羧基化試劑為氯乙酸、溴乙酸、3-氯丙酸、3-溴丙酸或它們鹽中的一種或幾種；所述的羧基化試劑的加入量為甲殼素結(jié)構(gòu)單元摩爾數(shù)的0.5~50倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備方法，其特征在于，所述的后處理方法為:將制得的羧基甲殼素溶液用酸溶液調(diào)節(jié)PH值至6.9^7.5，用蒸餾水透析或者有機(jī)溶劑沉淀，然后洗滌除去小分子物質(zhì)，最后干燥。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述的酸為鹽酸、硫酸、硝酸、甲酸、乙酸或檸檬酸中的一種或幾種；所述的有機(jī)溶劑為甲醇、乙醇、異丙醇、丙酮、四氫呋喃中的一種或幾種。
5.一種由權(quán)利要求r4任一項(xiàng)所述的制備方法制得的PH敏感性的低脫乙酰度羧基甲殼素。
6.一種由權(quán)利要求1~4任一項(xiàng)所述的制備方法制得的溫度敏感性的低脫乙酰度羧基甲殼素。
7.權(quán)利要求f4所述的制備方法得到的低脫乙酰度羧基甲殼素替代天然透明質(zhì)酸作為藥物載體材料、可注射水凝膠材料的應(yīng)用。
【文檔編號(hào)】C08B37/08GK103601819SQ201310641249
【公開(kāi)日】2014年2月26日 申請(qǐng)日期:2013年12月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月4日
【發(fā)明者】蔣序林, 劉慧 , 楊奇志, 卓仁禧 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)