二元季铵盐化合物与明胶的相互作用_孟祥建_崔月芝_乔从德_许静_李天铎

第29卷第11期高分子材料科学与工程V o l .29,N o .112013年11月P O L YM E R MA T E R I A L SS C I E N C E A N DE N G I N E E R I N GN o v .2013二元季铵盐化合物与明胶的相互作用孟祥建,崔月芝,乔从德,许 静,李天铎(山东省轻工助剂重点实验室,齐鲁工业大学化学与制药工程学院,山东济南250353)摘要:研究了由1,2-乙二胺和1,4-丁二胺制备的二元季铵盐与明胶的相互作用㊂结果表明,在明胶的稀溶液(1%,质量分数,下同)中,加入二元季铵盐只引起无规线团内部的交联而导致黏度下降;而在较高质量分数的明胶溶液中(5%~7%),二元季铵盐则引起明胶分子间交联,导致明胶溶液的黏度大幅度上升㊂在30ħ及弱碱性条件(p H=8)下有利于离子键交联作用的产生㊂对明胶干凝胶的玻璃化温度及其在水溶液中的溶胀比进行研究,发现加入二元季铵盐后干凝胶的溶胀比明显下降,玻璃化温度明显上升,说明二元季铵盐与明胶的交联作用提高了干凝胶的耐水性及热稳定性㊂关键词:二元季铵盐;明胶;黏度;交联;热稳定性中图分类号:T Q 431.3 文献标识码:A 文章编号:1000-7555(2013)11-0062-05收稿日期:2013-02-18基金项目:国家自然科学基金资助项目(21276149);山东省高等学校科技发展计划(J 10L B 03)通讯联系人:崔月芝,主要从事材料化学研究,E -m a i l :C Y Z @s pu .e d u .c n 胶原蛋白是目前最为丰富的纤维蛋白,其主要存在于结缔组织的细胞外基质中[1],明胶是胶原蛋白部分变性或物理化学降解而得到的聚多肽链㊂其作为生物材料在组织工程及药物载体等领域的应用受到重视[2,3]㊂明胶可以与离子型化合物通过离子键结合,目前有关明胶的离子键合研究主要集中在聚电解质鞣剂对皮胶原的鞣质作用[4,5]㊂而有关有机小分子离子型化合物对明胶性质的影响尚未见报道,它们之间主要存在离子键结合,没有分子链的缠结等作用,因此只涉及离子键本身对明胶性质的影响㊂本文合成了2种二元胺的双季铵盐(Ⅰ㊁Ⅱ,如F i g .1所示)研究了它们在不同p H 值㊁温度㊁浓度等条件下与明胶的作用㊂通过与相应的单季铵盐(Ⅳ),证明了双季胺盐与明胶的交联作用的存在㊂F i g .1 T h e M o l e c u l eS c h e m e so f Q u a t e r n a r y Am m o n i u m S a l t C o m po u n d sⅠ~Ⅳ1 实验部分1.1 试剂与仪器明胶(s i gm aG 2500):北京拜尔迪生物技术有限公司;碘甲烷:化学纯,成都格雷西亚化学技术有限公司;四甲基乙二胺㊁1,4-丁二胺,N ,N -二甲基正丁胺:西亚化学技术有限公司㊂A l p h a l -2冻干机:德国M a r i nC h r i s t 公司㊂1.2 季铵盐化合物的制备化合物Ⅰ的制备:四甲基乙二胺和碘甲烷在摩尔比1ʒ2㊁反应温度45ħ的条件下在乙醇中反应12h ,抽滤后得到白色固体;化合物Ⅱ是用1,4-丁二胺和碘甲烷在摩尔比1ʒ6条件下按照与化合物Ⅰ类似的合成方法制备的;化合物Ⅳ是以正丁胺和碘甲烷为原料制备的,合成方法与化合物Ⅰ类似,其中N ,N -二甲基丁胺与碘甲烷投料摩尔比为1ʒ1㊂化合物Ⅰ㊁Ⅱ㊁Ⅳ的核磁表征如下:化合物Ⅰ:1H -NM R (D 2O )δ:3.954(s ,4H ),3.223(s ,18H );化合物Ⅱ:1H -NM R (D 2O )δ:3.315(s ,4H ),3.039(s ,18H ),1.798~1.778(t ,4H );化合物Ⅳ:1H -NM R (D 2O )δ:3.202~3.159(m ,2H ),2.967(s ,9H ),1.665~1.585(m ,2H ),1.272~1.217(m ,2H ),0.829~0.792(t ,3H )㊂1.3 二元季铵盐/明胶水溶液的配置及干凝胶的制备配置不同质量分数的明胶水溶液,在35ħ的恒温水浴中搅拌10h ㊂将溶液在设定的温度下静置1h 后按比例加入季铵盐化合物,保温搅拌30m i n 后静置30m i n ㊂所得溶液进行黏度测定后倒入口径为30网络出版时间：2013-11-13 23:18网络出版地址：/kcms/detail/51.1293.O6.20131113.2318.201311.62_022.htmlmm 培养皿中,在5ħ冷却5h 形成均匀的水凝胶㊂将水凝胶用液氮冷冻,再用冷冻干燥机干燥24h ㊂所得干凝胶放入真空干燥器内保存㊂1.4 明胶溶液的黏度测定使用水平乌氏黏度计测定明胶质量分数为1%的溶液的比浓黏度(ηs p /C )㊂质量分数高于1%的明胶溶液黏度(η)采用旋转黏度计(N D J -1型)测定㊂1.5 溶胀度测定根据明胶溶液的浓度计算并称取适当质量的明胶溶液,倒入口径为30mm 培养皿中,按1.3节所述方法制备成干凝胶,使最终所得干凝胶的质量均为2g ㊂将干凝胶完整地取出,在20ħ水中浸泡24h ,达到溶胀平衡㊂水凝胶的平衡溶胀度(Q )由方程(1)得到㊂Q =W e /W d (1)式中:W e 溶胀平衡时水凝胶的质量(g );W d 干凝胶的质量(g)㊂1.6 热稳定性测定采用美国T A 公司Q -10型D S C 分析仪对干凝胶在氮气氛中进行扫描㊂样品称取大约3m g ,扫描的起始温度为25ħ,终止温度为260ħ,温度变化率为4.0ħ/m i n㊂2 结果与讨论2.1 二元季铵盐化合物对明胶溶液黏度的影响2.1.1 二元季铵盐的浓度对不同浓度的明胶溶液黏度的影响:对于明胶水溶液来说,随浓度的变化,明胶分子的分布情况可分为几个不同的区:极稀溶液㊁亚浓溶液(未缠结)㊁浓溶液(缠结)[6]㊂本文研究了30ħ时,化合物Ⅰ和Ⅱ的浓度对于不同浓度的明胶溶液的黏度影响,结果如F i g.2所示㊂F i g .2 V i s c o s i t y v s .C o n c e n t r a t i o n s o fC o m p o u n d Ⅰa n d ⅡU n d e rV a r i o u sG e l a t i nM a s s F r a c t i o n (30ħ,pH=5.9)(a ):c o m p o u n d Ⅰ;(b ):c o m p o u n dⅡ.t h e i n s e t i nF i g .2(a )s h o w s t h e c u r v e o f r e d u c e d v i s c o s i t y v s .t h e c o n c e n -t r a t i o no f c o m po u n d Ⅰi n1%g e l a t i ns o l u t i o n F i g.2(a )中的插入图为1%的明胶溶液黏度随化合物Ⅰ浓度的增加而变化的情况㊂由于黏度值太小,本文采用水平乌氏黏度计测定其比浓黏度㊂可以看出,此时溶液的比浓黏度随着化合物Ⅰ浓度的增加而降低㊂这是由于在稀溶液中,明胶分子以孤立的无规线团形式存在,而化合物Ⅰ在2个明胶分子间产生交联的几率较小,但在同一个无规线团内部的羧酸根离子之间可以产生离子键交联,这将导致无规线团紧缩,因而黏度降低㊂当明胶质量分数超过1%时,采用旋转黏度计测定溶液的黏度㊂由F i g .2可以看出,无论加入化合物Ⅰ还是Ⅱ,明胶溶液的黏度都表现出相似的变化趋势㊂当质量分数为3%~4%时,属于明胶溶液的亚浓区(未缠结),溶液中明胶的无规线团数目大大增加,此时二元季铵盐与明胶的交联仍然以分子内部的交联为主,但也有少量交联作用发生在距离较近的无规线团之间,从图中可以发现,明胶溶液黏度随二元季铵盐浓度的增加略有增加,峰值不明显㊂当明胶质量分数大于5%时为浓溶液区,明胶分子间互相穿透缠结形成互穿网络㊂此时二元季铵盐主要是在明胶分子间产生交联,使网络的缠结点增加,这将使溶液的内摩擦力大大增加㊂因此,随着二元季铵盐浓度的增加,溶液的黏度大幅度上升,达到一个峰值㊂但当离子盐用量超过一定浓度后,黏度又开始下降,这是由于离子键的形成是可逆的,当二元季铵盐大大过量时,许多二元季铵盐由两点结合转变为单点结合(如F i g .3所示),因此黏度降低㊂在30ħ时当质量分数高于7%时,由于明胶水溶液浓度过大,测量过程中明胶水溶液开始有凝胶出现,无法准确测量二元季铵盐对明胶水溶液黏度的影响㊂为了验证二元季铵盐与明胶分子间产生的交联作用,本文将化合物Ⅱ及其相应的单季铵盐(化合物Ⅳ)36 第11期孟祥建等:二元季铵盐化合物与明胶的相互作用在相同条件下对7%明胶溶液黏度的影响进行了对比研究㊂其中,加入的化合物Ⅳ的物质的量为化合物Ⅱ的2倍,即保证在测试条件下明胶水溶液中+N(C H3)3的物质的量是相同的,结果如F i g.4所示㊂可以看出,随着单季铵盐Ⅳ的含量增加,溶液的黏度只是缓慢增加,而加入化合物Ⅱ的溶液黏度大幅度上升㊂造成这种差别的原因在于化合物Ⅳ与明胶之间的相互作用只是单点结合,不能在明胶分子之间起到交联作用,因而黏度上升幅度较小㊂化合物Ⅳ通过单点结合只是在一定程度上增加了分子的有效半径,使分子间接触面积增加,导致黏度的缓慢上升㊂按上述同样方法比较了化合物Ⅳ和Ⅱ对5%和6%的明胶溶液的黏度的影响,发现与上述7%质量分数下测得的规律相似,进一步证实了双季铵盐化合物与明胶分子交联作用的存在㊂F i g.3C o n v e r s i o nf r o m T w o-P o i n tC o m b i n a t i o n t oS i n g l e-P o i n tC o m b i n a t i o nF i g.4V i s c o s i t y v s.C o n c e n t r a t i o n o fG r o u p+N(C H3)3f o rC o m-p o u n dⅡa n dⅣi n7%G e l a t i n S o l u t i o n(30ħ,p H=5.9) 2.1.2二元季铵盐的浓度对不同温度的明胶溶液黏度的影响:为了探讨温度对季铵盐与明胶分子间离子键结合的影响,本文研究了不同温度下(30ħ~33ħ)化合物Ⅰ的浓度对6%明胶溶液黏度的影响,结果如F i g.5所示㊂从F i g.5可以看出,明胶溶液的黏度对温度的变化非常的敏感,温度每升高1ħ溶液黏度都大幅度降低㊂随着温度的升高,溶液黏度的峰值逐渐下降,当温度达到33ħ时,明胶水溶液的黏度变化几乎无峰值㊂产生这种结果的原因,一方面随着温度的升高,明胶分子间氢键被破坏[7],造成明胶溶液本身黏度的大幅度降低;另一方面,+N(C H3)3与明胶分子中C O O-形成的离子键是一种弱的结合,随着温度的升高,这种离子键结合被破坏,导致曲线的峰值越来越不明显㊂F i g.5T h eE f f e c t o f C o n c e n t r a t i o n o f C o m p o u n dⅠo n t h eV i s c o s i-t y o f6%G e l a t i nS o l u t i o na tD i f f e r e n tT e m p e r a t u r e(p H=5.9)2.1.3二元季铵盐的浓度对不同p H值的明胶溶液黏度的影响:p H值对二元季铵盐与明胶分子间的离子键交联也有重要的影响㊂本文研究了化合物Ⅰ的浓度对不同p H值下的5%的明胶溶液黏度的影响,结果F i g.6所示㊂F i g.6T h eE f f e c t o f C o m p o u n dⅠo n t h eV i s c o s i t y o f5%G e l a t-i nS o l u t i o na tD i f f e r e n t p HV a l u e本文所采用的明胶的等电点为5.9㊂等电点时,明胶分子间主要以静电引力为主㊂当加入季铵盐后,会产生2种作用:一部分季铵盐与明胶单点结合,破坏分子间静电引力,分子更加舒展,分子间接触点增加,使黏度增大;另一部分季铵盐与明胶分子发生两点结合,使分子间产生新的缠结点,这种作用也导致黏度的增加㊂所以p H=5.9时,黏度随季铵盐浓度的增加而大幅度增加,但是过量的季铵盐也会导致交联桥的破坏(如F i g.3所示),因此随着季铵盐用量的增加黏度呈先增加后降低的趋势㊂p H=8.0时,明胶分子带净负电荷,二元季铵盐与明胶分子间会产生较多的两点结合,致使溶液黏度大大增加,黏度峰值高于等电点时46高分子材料科学与工程2013年的峰值㊂在偏酸偏碱条件下,明胶水解速度加快,导致在p H=9.0和p H=5时溶液黏度都比较低㊂其中,酸性条件下的黏度最低,这是因为此时明胶分子存在净正电荷,二元季铵盐不能与明胶分子产生离子键交联作用㊂2.2 二元季铵盐对明胶溶胀度的影响F i g .7所示是向不同浓度的明胶溶液中按一定比例加入化合物Ⅰ后制备的干凝胶的溶胀度㊂实验中所用明胶伯氨基含量为5.25ˑ10-4m o l /g㊂由于明胶等电点接近中性,近似认为明胶中羧基含量也为5.25ˑ10-4m o l /g㊂图中曲线A 为不同浓度的纯明胶溶液制备的干凝胶的溶胀度㊂曲线B ㊁C 分别为按照+N (C H 3)3与CO O -摩尔比3ʒ1和2ʒ1向不同浓度的明胶溶液中加入双季铵盐,制备成干凝胶后所测得的溶胀度曲线㊂F i g .7 T h eS w e l l i n g C a p a c i t y o f t h eX e r o g e lP r e p a r e db y A d d i n gC o m po u n d Ⅰi n t oG e l a t i nS o l u t i o n A :p u r e g e l a t i n ;B :t h e m o l er a t i ob e t w e e n +N (C H 3)3a n dC O O -i n g e l a t i n i s 3ʒ1;C :t h em o l e r a t i ob e t w e e n +N (C H 3)3an dC O O -i n g e l a t i n i s 2ʒ1 从F i g.7中可以发现,纯明胶溶液制备的干凝胶的溶胀比随着明胶溶液浓度的增加而下降㊂这是因为干凝胶是通过真空冷冻干燥制备的,这种干燥方法对凝胶的组织结构和外观形态破坏极小㊂因此稀明胶溶液制备的干凝胶更加多孔㊁疏松㊁吸水率高;而浓溶液中明胶分子结合得比较紧密,所形成的干凝胶比较致密,吸水率低㊂溶胀比Q 为干凝胶吸水后与吸水前的质量比㊂其大小能够反映明胶的交联度㊂交联度越高,分子间结合越紧密,溶胀比越小[8]㊂对于B ㊁C 曲线来说,在明胶浓度较低时,由于溶液中明胶分子比较分散,而化合物Ⅰ分子尺寸较小,难以在2个分子之间产生交联㊂同时由于季铵盐又是亲水性的,反而增大了吸水率,导致了低明胶浓度下,B ㊁C 曲线溶胀比均高于纯明胶的㊂随着明胶溶液浓度的增加,季铵盐与明胶分子间的交联作用增加,使得整个明胶三维网络结构更加致密,相应的溶胀比大幅度降低㊂曲线B 的双季铵盐的浓度大于曲线C 的,其溶胀比也大于曲线C ㊂这一现象是由于曲线B 情况下,双季铵盐大大过量,存在大量单点结合的双季铵盐,导致吸水性增加㊂2.3 二元季铵盐对明胶热稳定性的影响为了研究二元季铵盐与明胶分子间离子键交联对明胶热稳定性的影响,向6%明胶溶液中分别加入化合物Ⅰ和Ⅱ,并制备成干凝胶,其中+N (C H 3)3与C O O -摩尔比均为2ʒ3㊂测定干凝胶的D S C 曲线,并与纯明胶溶液制备的干凝胶的D S C 曲线对比㊂结果如F i g.8所示㊂ F i g .8 D S C C u r v e so fD r i e d6%G e l a t i nS o l u t i o n C o n t a i n i n gC o m p o u n d Ⅰa n dC o m po u n d Ⅱ,w i t ht h e M o l eR a t i o B e t w e e n +N (C H 3)3an dC O O -o f 2ʒ3 如F i g.8所示,可以发现无论是加入化合物Ⅰ样品的玻璃化温度(223.5ħ)还是加入化合物Ⅱ样品的玻璃化温度(220.8ħ),与纯明胶的玻璃化温度(217ħ)相比,都得到了一定程度的提高,说明在无水条件下二元季铵盐与明胶的离子键结合具有一定的热稳定性,这有助于明胶形成致密的网络结构,从而提高干凝胶的热稳定性㊂3 结论二元季铵盐化合物能够与明胶分子产生离子键交联作用,使明胶溶液的黏度发生明显的改变,所制备的干凝胶的耐水性及玻璃化温度也都有了明显的提高㊂明胶溶液的浓度㊁温度㊁p H 值等均对这种离子键结合产生重要的影响,尤其值得注意的是,在水溶液中这种离子键随温度的升高而明显解离㊂这种作用对于制备具有特定功能的明胶材料,如缓释材料,提供了一种新的改性方法㊂参考文献:[1] F r e u d e n b e r g U ,B e h r e n s SH ,W e l z e l PB ,e t a l .E l e c t r o s t a t i c i n -t e r a c t i o n sm o d u l a t et h ec o n f o r m a t i o no fc o l l a g e n Ⅰ[J ].B i o -p h ys i c a l J o u r n a l ,2007,92(6):2108-2119.[2] W a n g H ,B o e r m a nO C ,S a r i i b r a h i m o g l uK ,e t a l .C o m pa r i s o n o fm i c r o -vs .n a n o s t r u c t u r e dc o l l o i d a l g e l a t i n g e l sf o rs u s t a i n e d 56 第11期孟祥建等:二元季铵盐化合物与明胶的相互作用d e l i v e r y o f o s t e o g e n i c p r o t e i n s:B o n em o r p h o g e n e t i c p r o t e i n-2a n 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eB i n a r yQ u a t e r n a r y A m m o n i u mX i a n g j i a n M e n g,Y u e z h i C u i,C o n g d eQ i a o,J i n g X u,T i a n d u oL i(S h a n d o n g P r o v i n c i a lK e y L a b o r a t o r y o f F i n eC h e m i c a l s,S c h o o l o f C h e m i s t r y a n dP h a r m a c e u t i c a lE n g i n e e r i n g,S h a n d o n g P o l y t e c h n i cU n i v e r s i t y,J i n a n250353,C h i n a)A B S T R A C T:T h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nt h e g e l a t i na n dt h eb i n a r yq u a t e r n a r y a mm o n i u m s,w h i c h w a s p r e p a r e d f r o m1,2-e t h a n e d i a m i n e a n d1,4-b u t a n e d i a m i n e,w a s s t u d i e d.T h ee f f e c t o f t h e s e t w oc o m p o u n d so nt h ev i s-c o s i t y o f g e l a t i n s o l u t i o nw a s s t u d i e du n d e r v a r i o u s c o n d i t i o n s i n c l u d i n gg e l a t i n c o n c e n t r a t i o n,p Hv a l u e,t e m-p e r a t u r e,e t c.T h e r e s u l t s s h o wt h a tw i t ht h e a d d i t i o no f t h eb i n a r yq u a t e r n a r y a mm o n i u m s,t h ev i s c o s i t y o f d i l u t e g e l a t i n s o l u t i o n(1%)d e c r e a s e s,w h i l e t h a t o f t h e c o n c e n t r a t e d g e l a t i ns o l u t i o n(5%~7%)i n c r e a s e s. T h i s p h e n o m e n o n i m p l i e s t h a t t h e c r o s s l i n k i n g o c c u r s i n s i d e t h e r a n d o mc o i l o f g e l a t i n i nd i l u t e s o l u t i o n,a n d b e t w e e n t w o n e i g h b o r i n g g e l a t i nm o l e c u l e s i n c o n c e n t r a t e d s o l u t i o n.T h i s c r o s s l i n k i n g i n t e r a c t i o n i s r e m a r k a b l e u n d e r30ħa n d a l k a l e s c e n t(p H=8).A f t e r b e i n g d i p p e dw i t hb i n a r y q u a t e r n a r y a mm o n i u m s,t h e d r i e d g e l a t i n s h o w s r e l a t i v e s m a l l s w e l l i n g r a t i o a n dh i g h g l a s s t r a n s i t i o n t e m p e r a t u r e,w h i c h i n d i c a t e s t h a t t h e c r o s s l i n k i n g i m p r o v e s t h ew a t e r r e s i s t a n c e a n d t h e t h e r m a l s t a b i l i t y o f t h e d r i e d g e l a t i n.K e y w o r d s:b i n a r yq u a t e r n a r y a mm o n i u ms a l t;g e l a t i n;v i s c o s i t y;c r o s s l i n k i n g;t h e r m a l s t a b i l i t y66高分子材料科学与工程2013年。