從濃溶液製備的殼聚糖衍生物大晶體及其製備方法
2023-12-08 07:37:31 1
專利名稱：從濃溶液製備的殼聚糖衍生物大晶體及其製備方法
技術領域：
本發明屬於一種天然多糖大晶體(單層或多層單晶片，針狀單晶或針狀單晶束)製備，特別是涉及一種從濃溶液製備的殼聚糖衍生物大晶體及其製備方法。
背景技術：
甲殼素和殼聚糖都是結晶性高分子。在生物體內甲殼素以微晶的形式存在(Muzzarelli；RAA，Chitin.Oxford，Pergamon，197751)。人們主要用X光技術對其晶胞結構進行了多種研究(Ogawa K.S.，Hirano T.，Miyanishi T.Y.，Watanabe T..Macromolecules，1984，17972～975)，而對於其溶液或薄膜中的結晶形態卻研究得不多。
人們熟知的高分子單晶(主要是片狀單晶)，一般是採用極稀溶液(如1∶2000)條件下緩慢結晶製備的，所得晶體尺寸為微米級，厚度僅為10～20nm(Allcock H.R.，Lampe F.W.，Mark J.EM.Contemporary Polymer Chemstry，Pearson Education Inc.，London，2003，554)。在濃溶液條件下不能得到單晶，只能得到的球晶等多晶體。例如Cartier等(Cartier N.，Domard A.，Chanzy H..Int.J.Biol.Macromol.，1990，12289)用聚合度為35的低聚殼聚糖的低濃度水溶液製備了方形的片狀單晶，邊長為0.2～0.5μm，厚度為12nm，分子鏈垂直於片晶表面。Persson等(Persson J.E.，Domard A.，Chenzy H..Int.J.Biol.Macromol.，1992，14221)從低分子量α-甲殼素的LiSCN稀溶液製備了針狀晶體。莫秀梅等(莫秀梅，王鵬，周貴恩，徐仲德.高等學校化學學報，1998，19(6)989～993)在濃溶液澆鑄膜中觀察了殼聚糖的球晶結構。
從稀溶液中製備單晶的原因主要有二(一)因為高分子鏈易相互纏結，只有在極稀溶液中分子鏈才有解纏結；(二)是在極稀溶液中結晶化極為緩慢，才有可能規整摺疊成單晶片。但殼聚糖及其衍生物是相當剛性的高分子鏈，其構象持久長度為22nm，(Terboievich，M.，Cosani A.，Conio G.，Marsano E.，Bianchi E..Carbohydr. Res.，1991，209251)比半剛性鏈纖維素的11nm高一倍。這樣剛性的鏈傾向於呈現較伸展的構象，較少纏結。於是單晶形成的原因只剩一條，即必須緩慢結晶。而對此濃溶液與極稀溶液有共同之外，濃溶液中體系粘度很大，分子鏈運動緩慢，與極稀溶液有異曲同工之妙。只要給予足夠長的時間，在濃溶液中同樣能長出單晶這樣規則完善的結晶。
發明內容
本發明的目的在於提供一種天然多糖殼聚糖及其衍生物的大晶體及其製備的方法。
本發明所說的從濃溶液製備的殼聚糖衍生物大晶體的結構和形狀如下結構分子鏈平行於長軸，或垂直於片晶表面。
形狀長針狀、短針狀、方形片狀、長方形片狀、正方形片狀、菱形片狀、平行四邊形片狀、六邊形片狀、或介於針狀和片狀之間的其他規則形狀。
尺寸長與寬均為10μm～10mm，厚為100nm～1mm。
所說的大晶體可以是單層或多層單晶片，針狀單晶或針狀單晶束、以及介於針狀和片狀之間的規則形狀的(單)晶體。
本發明的大晶體的形狀和尺寸通過偏光顯微鏡、掃描電鏡等記錄和測量，用能譜儀對晶體進行元素分析。結構若是單軸晶體，用在偏光顯微鏡的45度角插入石膏一級紅波片的方法測定分子鏈方向；結構若是雙軸晶體，須對晶體結構進行電子衍射、X射線衍射等測定分子鏈方向。電子衍射和X射線衍射用於進一步確定晶胞結構。
本發明所說的從濃溶液製備的殼聚糖及其衍生物大晶體的製備方法，其步驟為a)配製殼聚糖及其衍生物的濃溶液，按質量比樣品與溶液的含量為(1～90)∶100，得殼聚糖及其衍生物的濃溶液，靜置後待用；b)將殼聚糖及其衍生物的濃溶液製備晶體。
在步驟a)中，所說的配製可採用直接法，即將樣品與溶劑混合，加熱25～90℃，至少靜置1天後使用；或採用間接法，即將樣品與溶劑先按質量比(1～2)∶100混合，加熱30～90℃，至少靜置1天，再將溶劑揮發，通過稱重法控制濃度至所要求的值，靜置至少1天後使用。所說的溶劑可以是水、酸、酸性水溶液或其它有機溶劑。
在步驟b)中，所說的將濃溶液製備晶體可採用溶液澆鑄膜法，即將步驟a)所得的殼聚糖及其衍生物的濃溶液塗布在單面基質上或夾於兩片基質之間並乾燥，所說的基質選自玻片或特氟隆(Teflon)片等。所說的乾燥為溶液在室溫下自然乾燥，或在控制溼度為60％～85％的環境中乾燥；或者採用封閉玻片法，即將步驟a)所得的殼聚糖及其衍生物的濃溶液夾於兩片基質之間並封口，所說的封口可選用環氧樹脂膠或凡士林將四周封閉起來，形成三明治結構。
所說的殼聚糖衍生物可以是(1)烷基化殼聚糖系列，優選N-甲基、N-乙基、N-丙基或N-丁基；(2)醯化殼聚糖系列，優選馬來醯化、乙醯化、丙醯化或丁醯化；(3)O-氰基化殼聚糖系列，優選氰乙基或氰乙基羥丙基；(4)胍化殼聚糖，即殼聚糖胍，優選α-殼聚糖胍、β-殼聚糖胍或殼寡糖胍；
(5)殼聚糖或甲殼素通過化學或生物方法降解製備的低聚殼聚糖或低聚甲殼素，分子量小於4000。
製備結束後，用正交偏光顯微鏡(POM)、掃描電鏡(SEM)等對晶體進行觀察，用能譜儀對晶體進行元素分析，確認其組成，對晶體結構進行電子衍射、X射線衍射等分析。
在上述步驟中，第一步是用於培養晶體的殼聚糖原料包括高分子量的α-殼聚糖或β-殼聚糖和它們經過化學修飾得到的各種衍生物(如前所述)，以及分子量低於4000的低聚殼聚糖。將這些殼聚糖及其衍生物樣品溶於酸、水其它有機溶劑等溶劑配製成不同濃度的溶液。溶液可以用直接法或間接法配製。加熱和間接法中先配低濃度再提高濃度是為了使溶液均勻化。配好的溶液靜置1～30天後使用，目的是使溶液進一步均勻化。
晶體培養可以在溶液澆鑄膜或封閉玻片中進行。溶液澆鑄膜的做法是將配製好的一定濃度的溶液在玻片等基質上澆鑄成膜，其中玻片上的澆鑄膜易於進行顯微鏡和電鏡的觀察，而Teflon片上的澆鑄膜易於剝離下來進行X光測定和成份分析。溶液澆鑄膜可以採用反射式偏光顯微鏡、掃描電鏡等表面方法測定。這種方法結晶的實際濃度因溶劑揮發而提高，可以通過稱重計算實際濃度。而封閉玻片的做法是將少量溶液置於潔淨的載玻片和蓋玻片之間，用環氧樹脂膠或凡士林將四周封閉起來，置於一定的溫度條件下，讓晶體等溫生長。這種方法是在恆定濃度和恆溫的條件下進行的，晶體生長不受外界條件如空氣中溼度等的影響，晶體生長條件相對穩定，有利於長時間培養。相對於封閉片法，溶液澆鑄膜法更易受外界條件的影響，因而更利於進行短時間晶體培養，但這也是這種方法的優點可以通過某些外界條件例如溼度的改變來影響晶體的生長，以便尋求最佳的晶體生長條件。溼度可用密閉環境中的物質來控制，如矽膠(溼度0％)、碳酸鉀(溼度43％)和硫酸銨(溼度81％)等。
結合殼聚糖及其衍生物本身結構特徵，從殼聚糖及其衍生物的濃溶液培養，不但可以得到單晶體，且尺寸比常規稀溶液法製備的單晶大1～3個數量級。，製備這種晶體不僅是高分子基本概念的突破，而且經過適當化學修飾的天然高分子晶體可能會具有特殊的光學性質。
圖1為N-乙基殼聚糖的針狀晶體。(a)裝飾在球晶表面的針狀晶體的POM照片；(b)針狀晶體的SEM照片；(c)針狀晶體的放大SEM照片；(d)針狀晶體的X光衍射圖。標尺均為100μm。
圖2為N-甲基殼聚糖的片晶聚集體。(a)SEM照片，標尺為100μm；圖(b)為圖(a)的精細放大結構圖，標尺為10μm。
圖3為N-丙基殼聚糖的晶片聚集體。(a)POM照片，標尺為100μm；圖(b)為圖(a)的精細放大SEM圖，標尺為4μm。
圖4為N-馬來醯化殼聚糖的片狀晶體。(a)POM照片，標尺為200μm；圖(b)為圖(a)的精細放大結構圖，標尺為501μm；圖(c)為片狀晶體的SEM照片。
圖5為O-氰乙基殼聚糖的片晶聚集體的POM照片，標尺為100μm。
圖6(a)為α-殼聚糖胍/甲酸水溶液中片狀晶體的POM照片，標尺為400μm；圖(b)為(a)的精細放大結構圖，標尺為100μm；圖(c)β-殼聚糖胍/甲酸水溶液中片狀晶體的POM照片，標尺為200μm。
圖7為甲殼二糖/水的濃溶液中大片晶的POM照片，標尺為1mm。
圖8(a)為殼寡糖/水濃溶液中的針狀晶體，標尺為100μm，圖(b)為(a)的精細放大結構圖，標尺為20μm。
圖9為殼寡糖/甲酸溶液中的六邊形晶體，標尺為100μm。
圖10為甲殼二糖水溶液中六邊形和菱形晶體，標尺為50μm。
具體實施例方式
以下實施例將結合附圖對本發明作進一步說明。
實施例1N-烷基殼聚糖針狀大晶體的製備1.N-乙基殼聚糖針狀晶體的製備a)間接法配製濃溶液在多個小瓶中配製樣品和溶液的質量比為1∶100的N-乙基殼聚糖/甲酸溶液，室溫密封並靜置過夜。然後在50～90℃熱臺上加熱蒸發甲酸，控制重量得到樣品和溶液質量比為(20～40)∶100(如20∶100、35∶100和40∶100)的一系列濃溶液，靜置1天。
b)溶液澆鑄膜法製片分別在玻片上和特氟隆(Teflon)片上澆鑄成膜，鑄膜溫度為25℃，相對溼度為65％。
玻片上的澆鑄膜用於顯微鏡觀察，Teflon片上的澆鑄膜剝離下來後用於X光測定。
澆鑄膜中首先出現典型的球晶，球晶形成的2～3天後，在原球晶位置的膜表面上生長出成千上萬的針狀晶體，針狀晶體由原有球晶微纖的位置上長出，裝飾了球晶，見圖1a和b。針狀晶體的典型尺寸為～50μm×2～5μm×1～2μm，見圖1c。針狀晶體的X光衍射圖上出現十多個銳利衍射環，見圖1d。說明其結晶有序性很高，最內環所對應的晶面間距為1.08nm，相當於2個葡萄糖殘基的長度，證明了針狀晶體是N-乙基殼聚糖的晶體而不是其他小分子雜質的晶體。
在POM下，經石膏一級紅波片檢測，N-乙基殼聚糖的針狀單晶為光學正性，即長軸方向的折射率較大，這說明長軸方向為分子鏈方向。
2.N-甲基殼聚糖片晶的製備a)直接法配製溶液在小瓶中配製一系列樣品與溶液質量比為(15～40)∶100(可選為15∶100)的N-乙基殼聚糖/甲酸溶液，室溫下密封，靜置兩天使溶解均勻。
將溶解均勻的上述溶液分別夾在兩玻片之間製成溶液膜，在溫度為20～30℃下，置於真空乾燥箱中抽真空1天，乾燥至恆重，此時膜中幾乎無溶劑。取出，25℃，相對溼度65％下放置，6h後吸水至恆重，此時溶液中水含量達20％(質量分數)，一星期後，在溶液膜中長出N-甲基殼聚糖的晶片聚集體(如圖2)。
3.N-丙基殼聚糖片晶聚集體的製備a)直接法配製溶液在小瓶中配製一系列樣品與溶液質量比為(1～5)∶100(如1∶100)的N-丙基殼聚糖/甲酸水溶液(甲酸水溶液的濃度為1％)，室溫下密封，靜置兩天使溶解均勻。
b)溶液澆鑄膜法製片將以上濃度的N-丙基殼聚糖/甲酸水溶液分別取少量置於潔淨載玻片上，上覆蓋玻片，置於用飽和硫酸銨(溼度81％)保持溼度的乾燥器中，1～2周後可得到如圖3的片晶聚集體。該晶體經SEM微區分析，證明其C/O比與N-丙基殼聚糖的C/O比相符，可定性此晶體並非其它無機小分子的晶體，而是N-丙基殼聚糖的晶體。
實施例2N-馬來醯化殼聚糖片狀大晶體的製備a)直接法配製溶液在小瓶中配製一系列樣品和溶液的質量比為(1～10)∶100(如1∶100、3∶100、5∶100、7∶100和10∶100)的N-馬來醯化殼聚糖/甲酸溶液，室溫密封並靜置四天。
b)溶液澆鑄膜法製片將溶解均勻的上述溶液分別夾在兩玻片之間製成溶液膜，溫度為20℃，置於矽膠乾燥器中(相對溼度0％)的乾燥器中，溶液膜逐漸乾燥成固態膜。
用POM和SEM進行觀察。以上不同濃度的溶液膜依次在2～10天後出現樹枝狀晶，樹枝狀晶出現2～3天後，在樹枝狀晶的末端長出片狀晶體，見圖4a，片狀晶體的典型尺寸為100μm×50μm。其兩側凹凸不平，進一步放大可以清楚地看到其精細結構，見圖4b，大晶片是由更小的晶帶堆砌而成的。片狀晶體突出於乾燥膜表面，SEM可直接觀察到，見圖4c。
實施例3a)直接法配製溶液在小瓶中配製一系列樣品和溶液的質量比為(20～30)∶100(如22∶100)的O-氰乙基殼聚糖/甲酸溶液，室溫密封並靜置四天。
b)溶液澆鑄膜法製片將溶解均勻的上述溶液分別夾在兩玻片之間製成溶液膜，在室溫，溼度65％條件下培養晶體。
可在溶液中得到如圖5的晶片聚集體。
實施例4N-殼聚糖胍片狀大晶體的製備a)直接法配製溶液在一系列小瓶中配製樣品與溶液質最比為(1～5)∶100(如1∶100和5∶100)的α-殼聚糖胍/甲酸水溶液和β-殼聚糖胍/甲酸水溶液，甲酸水溶液的濃度為1％(質量分數)，超聲波震蕩20min×2後，室溫下密封放置2天使溶解均勻。
b)封閉玻片法製片將以上濃度的殼聚糖胍/甲酸水溶液分別取少量置於潔淨載玻片上，上覆蓋玻片，用環氧樹脂膠封閉起來。將所製片置於60℃加熱1～2h，取出冷卻，如此反覆進行5～10次為促進晶體生長。
室溫下放置並定期用POM觀察。30天後，可觀察到α-殼聚糖胍和β-殼聚糖胍的大尺寸片狀晶體生成(圖6)。從圖6b的α-殼聚糖胍的POM放大照片可以清楚的看到大晶片由晶帶橫向堆砌而成，即晶帶的長度方向與大片晶的長軸方向垂直，晶帶寬度約為2μm。
實施例5殼寡糖片狀大晶體的製備a)直接法配製溶液在小瓶中配製樣品和溶液的質量比為(60～80)∶100的聚合度為2的甲殼二糖/水的濃溶液，攪拌使溶解均勻，密閉，靜置7天。
b)溶液澆鑄膜法製片將溶解均勻的上述濃溶液分別夾在兩玻片之間，30天後製得如圖7所示的片狀晶體。晶片的長度為5mm以上。這種片狀晶體顯光學負性。
實施例6殼寡糖針狀大晶體的製備a)直接法配製溶液在小瓶中配製樣品和溶液的質量比為(60～90)∶100(如60∶100，70∶100，80∶100)的聚合度為4～5的殼寡糖/水濃溶液，攪拌使溶解均勻，密閉，靜置過夜。
b)封閉片法製片將少量上述濃溶液置於潔淨載玻片和蓋玻片之間，用凡士林密封，供較長期觀察。在溶液中得到大量的針狀晶體，平均長度為80μm左右，(圖8a)，這種針狀晶體集成一束(圖8b)。這種晶體可長期存在，並緩慢長大，濃度越高，晶體數量越多，但尺寸比較低濃度的小。
實施例7殼寡糖六方和菱形大晶體的製備a)直接法配製溶液在小瓶中配製樣品和溶液的質量比為80∶100的聚合度為4～5的殼寡糖/甲酸濃溶液攪拌使溶解均勻，密閉，靜置一天。
b)溶液澆鑄膜法製片將溶解均勻的上述濃溶液分別夾在兩玻片之間，置於POM下觀察。2h後，可在上述濃溶液中得到規則的六邊形晶體(圖9)，其最大尺寸為200μm×100μm。
實施例8殼寡糖六方和菱形大晶體的製備a)直接法配製溶液在小瓶中配製樣品和溶液的質量比為(50～70)∶100(如50∶100，60∶100，70∶100)的聚合度為2的甲殼二糖/甲酸濃溶液，攪拌使溶解均勻，密閉，靜置一天。
b)溶液澆鑄膜法製片將溶解均勻的上述濃溶液分別夾在兩玻片之間，定期置於POM下觀察。
在上述濃溶液中得到規則的六方和菱形晶體(圖10)，其典型尺寸為60μm×50μm。經SEM的微區成份分析，確定為甲殼二糖的晶體。
權利要求
1.從濃溶液製備的殼聚糖衍生物大晶體，其特徵在於其結構和形狀如下結構分子鏈平行於長軸，或垂直於片晶表面；形狀長針狀、短針狀、方形片狀、長方形片狀、正方形片狀、菱形片狀、平行四邊形片狀、六邊形片狀、或介於針狀和片狀之間的其他規則形狀；尺寸長與寬均為10μm～10mm，厚為100nm～1mm。
2.如權利要求1所述的從濃溶液製備的殼聚糖衍生物大晶體，其特徵在於所說的大晶體為單層或多層單晶片，針狀單晶或針狀單晶束、以及介於針狀和片狀之間的規則形狀的單晶體。
3.從濃溶液製備的殼聚糖及其衍生物大晶體的製備方法，其特徵在於其步驟為a)配製殼聚糖及其衍生物的濃溶液，按樣品與溶液的質量比為1～90∶100，得殼聚糖及其衍生物的濃溶液，靜置後待用；b)將殼聚糖及其衍生物的濃溶液製備晶體。
4.如權利要求3所述的從濃溶液製備的殼聚糖及其衍生物大晶體的製備方法，其特徵在於在步驟a)中，所說的配製為採用直接法配製，即將樣品與溶劑混合，加熱25～90℃，至少靜置1天後待用；或採用間接法配製，即將樣品與溶液先按質量比1～2∶100混合，加熱30～90℃，至少靜置1天，再將溶劑揮發，通過稱重法控制濃度至所要求的值，靜置至少1天後使用。
5.如權利要求4所述的從濃溶液製備的殼聚糖及其衍生物大晶體的製備方法，其特徵在於在步驟a)中，所說的溶劑選自水、酸、酸性水溶液或其它有機溶劑。
6.如權利要求3所述的從濃溶液製備的殼聚糖及其衍生物大晶體的製備方法，其特徵在於在步驟b)中，所說的將濃溶液製備晶體採用溶液澆鑄膜法，即將步驟a)所得的殼聚糖及其衍生物的濃溶液塗布在單面基質上或夾於雙層基質將並乾燥；或者採用封閉片法，即將步驟a)所得的殼聚糖及其衍生物的濃溶液夾於兩片基質之間並封口，所說的封口選用環氧樹脂膠或凡士林將四周封閉起來，形成三明治結構。
7.如權利要求6所述的從濃溶液製備的殼聚糖及其衍生物大晶體的製備方法，其特徵在於所說的基質選自玻片或特氟隆片。
8.如權利要求6所述的從濃溶液製備的殼聚糖及其衍生物大晶體的製備方法，其特徵在於所說的乾燥為溶液在室溫下自然乾燥，或在控制溼度為60％～85％的環境中乾燥。
9.如權利要求3所述的從濃溶液製備的殼聚糖及其衍生物大晶體的製備方法，其特徵在於所說的殼聚糖衍生物選自(1)烷基化殼聚糖系列，優選N-甲基、N-乙基或N-丙基和N-丁基；(2)醯化殼聚糖系列，優選馬來醯化、乙醯化、丙醯化或丁醯化；(3)O-氰基化殼聚糖系列，優選氰乙基或氰乙基羥丙基；(4)胍化殼聚糖，優選α-殼聚糖胍、β-殼聚糖胍或殼寡糖胍；(5)殼聚糖或甲殼素通過化學或生物方法降解製備的低聚殼聚糖或低聚甲殼素，分子量小於4000。
全文摘要
從濃溶液製備的殼聚糖衍生物大晶體及其製備方法，涉及一種殼聚糖衍生物大晶體及其製備方法。提供一種天然多糖殼聚糖及其衍生物的大晶體及其製備的方法。其結構為分子鏈平行於長軸，或垂直於片晶表面；形狀為規則形狀。其步驟為按樣品與溶液的配比配製殼聚糖及其衍生物的濃溶液；將殼聚糖及其衍生物的濃溶液製備晶體。結合殼聚糖及其衍生物本身結構特徵，從殼聚糖及其衍生物的濃溶液培養，不但可以得到單晶體，且尺寸比常規稀溶液法製備的單晶大1～3個數量級。製備這種晶體不僅是高分子基本概念的突破，而且經過適當化學修飾的天然高分子晶體可能會具有特殊的光學性質。
文檔編號C08B37/00GK1687143SQ20051007035
公開日2005年10月26日 申請日期2005年4月30日 優先權日2005年4月30日
發明者董炎明, 毛微, 趙雅青, 楊柳林, 畢丹霞, 葛強 申請人:廈門大學