MS软件在羧甲基壳聚糖水凝胶制备中的应用

MS软件在羧甲基/壳聚糖水凝胶制备中的应用

在自然界中，多糖分布极为广泛，它是一种天然的聚合物，具有独特的结构和特殊的特性，多糖物质在人们的生活的各个方面发挥着重要的作用。甲壳素（chitin)是一种碱性多糖，也是地球上第二大天然再生资源（纤维素的含量第一），其分布广泛，存在于甲壳动物（如虾、蟹等的外壳）、藻类等低等植物及微生物（菌类的细胞壁）中。甲壳素的C-2位的羟基被乙酰基取代，同植物纤维素的结构相似，它在地球上的含量极为丰富，每年自然界的生成量可多达1000亿吨。甲壳素呈无定形的白色或淡黄色固体粉末，按其来源不同，分为α和β两种构型，其分子链以螺旋形式平行排列，分子中有大量的乙酰基和羟基，分子内氢键作用较强，具有十分紧密的晶体结构，不溶于烯酸、碱、水和一般的有机溶剂，只能溶解于强酸以及少数有机溶剂中。甲壳素为N-乙酰-D-葡萄糖胺的聚糖，其结构式为：

由于其良好的生物相容性、低毒性，对酶的敏感性，在用作制备水凝胶材料方面，引起人们广泛的兴趣。在这些高分子中，多糖还具有其独特的优点，如无免疫原性，无传播动物源病菌的潜在危险性等。其中的一个多糖就是壳聚糖。

壳聚糖（chitosan)是由2-乙酰氨基葡萄糖和2-氨基葡萄糖和通过β-1,4糖苷键连接而成，结构与纤维素类似，其化学结构式为：

甲壳素在强碱性环境下，可通过脱乙酰而得到壳聚糖，壳聚糖是甲壳素最为重要的衍生物。壳聚糖具有其他天然高分子材料的优点，又不会引发免疫反应。壳聚糖（CS）不同于其他多糖，其分子结构中存在氨基，可被质子化，能形成聚电

解质络合物。壳聚糖是一种无毒、可生物降解、具有良好的生物相容性及良好的生物粘附性的天然高分子材料，在生物医药，环境工程以及生物技术领域都有广泛的应用，使之成为药物控制释放领域中的理想载体。

将壳聚糖羧甲基化，可制备得到水溶性很好的羧甲基壳聚糖(CMCS)，一方面羧基的引入极大提高了壳聚糖在水中的溶解性，另一方面，羧甲基壳聚糖分子中既含有氨基又含有羧基，是一种两性高分子聚合物，应用比壳聚糖更加广泛。甲醛、戊二醛、马来酸酐、钙离子等常用来作为制备壳聚糖系水凝胶的交联剂。但甲醛、戊二醛等的毒性较大，这影响了水凝胶在生物医药领域中的应用。而经钙离子交联得到的水凝胶机械性能较差，而且容易与体内的阳离子(如钠离子等)发生离子交换，使水凝胶迅速崩解，从而使凝胶中负载的药物快速释放，影响药物的缓释效果。

1-乙基-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐(EDC)是一种无毒的肽键缩合剂，本身并没有成为交联的一部分，常作为氨基和羧基的交联。为了避免有毒的交联剂的使用，拓宽羧甲基壳聚糖在生物医药领域的应用，所以本研究以水溶性好的羧甲基壳聚糖(CMCS)为原料，以EDC为交联剂，制备得到新型的EDC/羧甲基壳聚水凝胶。

水凝胶是由带有亲水性基团(—COOH、—OH、—CONH2)的水溶性单体通过聚合反应并以物理或化学交联的方式所形成的具有三维网络结构的高分子聚合物。水凝胶能显著地溶胀与水中或者生物体液中溶胀并能保持大量水分而不被溶解。近年来，智能水凝胶引起了科研者的大量关注，因为智能水凝胶能够感知周围环境如温度、磁场、电场、pH、离子强度等刺激的微小变化并对环境刺激产生响应特性。水凝胶的响应性能是通过凝胶的可逆体积相变来实现的，并使它在传感器、人造肌肉、药物控制释放、组织工程、催化体系、酶的固定等方面具有广阔的应用前景。

由于传统的给药方式有口服和注射等，使治疗药物的毒性不仅存在于肿瘤部位，而且会散布于身体的各个部位，对正常身体部位产生一定程度的损伤。同时由于药物浓度在体内广泛分布，到达肿瘤部位的药物浓度就会变小，可能导致其低于药物的治疗浓度，以致使它达不到应有的效果。温敏性载药水凝胶可以对药物的释放起到一定的缓释作用，使药物释放变得缓慢；也可以根据病变部位与正常组织不同而识别病变器官，从而有选择性地进攻，使药物浓度更有效地分布，

增强药物治疗效果，同时达到原位控制治疗，减小药物的毒副作用，因此，制备能够负载药物并具有药物缓释性能的药物载体，在临床医学和制药学中是非常需要的。智能水凝胶由于其能够在相对苛刻的条件下，保护药物并将药物在原位缓慢释放药物而倍受青睐。

实验及用chemoffice软件进行初步表征

1.羧甲基壳聚糖的制备

由于壳聚糖具有良好的生物活性和生物相容性等优良特点，因此被广泛的应用于生物医药等领域。然而壳聚糖的亲水性较差，仅能溶解在酸性介质溶液中，不溶于水，不溶于中性和碱性的环境中，限制了其子在生物领域和生物大分子药物传输递送上的应用。由于壳聚糖分子具有丰富的活性羟基和氨基基团，通过化学方法，对其分子进行修饰，制备壳聚糖衍生物，这不仅提高了壳聚糖的溶解性，同时新引入的取代基团也增加了壳聚糖新的活性特点和性能。

通过羧基化反应对壳聚糖结构进行改性：由于壳聚糖上的羟基或氨基可与氯代烷酸（氯乙酸）、乙醛酸等反应，将极性的羧酸基团引入分子链上。羧甲基壳聚糖的制备原理图如下（1）：

图（1）

采用Materials Studio（MS）软件对材料的结构进行模拟和重构，把抽象的晶体结构（晶胞或者原子构型）以简单的可视三维原子球棍模型表示出来，使人们更直观地理解复杂晶体结构。通过建立晶胞和原子构型，形象描述晶体结构几何对称理论体系。用Materials Studio软件对羧甲基壳聚糖的制备原理进行模拟如下图。通过Materials Studio软件使壳聚糖以及羧甲基壳聚糖分子中微观粒子的结构形象化,可视化。

其中羧甲甲基化研究比较广泛，由于羧基基团和壳聚糖反应位置的不同，在反应

中，可以生成量子羧甲基壳聚糖，分为：O-羧甲基壳聚糖(O-CM-Chitosan)、N-

羧甲基壳聚糖(N-CM-Chitosan)和N,O-羧甲基壳聚糖(N,O-CM-Chitosan)。

2. 羧甲基壳聚糖水凝胶的制备

本文以EDC 为交联剂，之前制备好的羧甲基壳聚糖为单体，加入引发剂过

二硫酸铵，使壳聚糖上的羧基和自身的氨基发生交联反应制备得到EDC/羧甲基

壳聚糖水凝胶，水凝胶交联原理图如下（2）。50% NaOH

-20℃

ClCH 2COOH