氧化解聚壳聚糖改性水性聚氨酯的制备与性能

娄文雪¹，蒋平平¹，张萍波¹，包燕敏²，夏嘉良²，邓健能³

(1.江南大学，化学与材料工程学院，江苏，无锡214122;2.江苏彩华包装集团公司，江苏，苏州215321;3.南通海珥玛植物油脂有限公司，江苏，南通226010)

摘要：利用壳聚糖(CS)氧化解聚后的低分子量壳聚糖(LCS)制备改性水性聚氨酯(WPU)。LCS与聚氨酯之间的相互作用可影响壳聚糖聚氨酯复合膜的力学性能、热稳定性、亲水性、抗菌活性以及生物相容性。当LCS添加量为0.5%时，粒径分布结果表明，乳液中的LCS与聚氨酯相容，而且分散均匀。与未改性的WPU相比，壳聚糖聚氨酯的拉伸应力由13.3MPa提升至17.6MPa，T10%由254.3℃提高至269.6℃，水接触角由76.6°降低至58.8°。此外，壳聚糖聚氨酯复合膜对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌具有抗菌活性，其抗菌效率可达90%。最后MTT方法用于验证聚氨酯复合膜的体外细胞毒性。当培养液中样品浓度增大至0.25mg/mL时，WPU-LCS-0.5的细胞存活率仍可达70%以上。添加壳聚糖后，壳聚糖聚氨酯的体外细胞毒性显著降低，生物相容性较好。

关键词：氧化壳聚糖;水性聚氨酯;氢键;抗菌;生物相容性

引言
随着人类环保意识的增强，水性聚氨酯(WPU)成为重要的化工原料，在水性油墨［1］、表面施胶剂［2］、防腐涂料［3］、生物医药等领域均有重要应用。应用的多样性要求提升WPU的性能需对其进行改性，使其成为具有特定功能的新材料。因此，研究人员研究了提升WPU的抗菌活性。近年，壳聚糖的抗菌涂料在生物医学领域中得到了广泛的应用。壳聚糖(CS)是一种天然高分子化合物，由β-1，4-糖苷键连接N-乙酰-D-氨基 葡萄糖和D-氨基 葡萄糖单元组成［6－7］，来源广泛，具有较好的生物相容性、降解性、抗菌性，广泛应用于废水处理、组织工程［9］、生物医药领域。
近年来，已较多的文献报道了壳聚糖制备WPU的方法与相关性能。例如，Arevalo等［11］研究聚氨酯与壳聚糖混合后的性能和形貌变化，发现，得到的PU兼具抗菌活性和低细胞毒性;Atef等［12］将壳聚糖改性WPU应用于腈纶织物，具有抗菌活性。Liu等［13］制备壳聚糖双胍盐酸盐(CSGH)，CSGH作为封闭剂和交联剂制得CSGH-WPU复合涂层，抑菌率达到80%，细胞相容性较好。
文章通过氧化解聚改变CS的结构［14－15］，得到低分子量壳聚糖(LCS)，并且，将LCS分散到WPU中。利用XＲD、FTIＲ测定LCS的结构，壳聚糖改性的水性聚氨酯(LCS-WPU)进行FTIＲ、粒度分析、TGA、力学性能、接触角以及吸水率测试，同时，研究其抗菌活性与体外细胞毒性。该研究为合成生物医学用途的WPU提供一种简单制备方法，可应用于涂料、粘合剂、油墨等领域。
1实验

1实验部分

1.1主要原料

过氧化氢(H₂O₂):分析纯，上海国药化学试剂有限公司;壳聚糖(脱乙酰度＞95%，Mn=40000):分析纯，阿拉丁(上海)有限公司;
异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI):分析纯，上海国药化学试剂有限公司;
聚四亚甲基醚二醇(PTMG，Mn=2000):分析纯，阿拉丁(上海)有限公司;2，2-二羟甲基丙酸(DMPA):分析纯，上海国药化学试剂有限公司;
辛酸亚锡:分析纯，上海国药化学试剂有限公司;甲基吡咯烷酮(NMP):分析纯，上海国药化学试剂有限公司;
三乙胺(TEA):分析纯，上海国药化学试剂有限公司;
乙二胺(EDA):分析纯，上海国药化学试剂有限公司;
辛酸亚锡:分析纯，上海国药化学试剂有限公司;
丙酮:分析纯，上海国药化学试剂有限公司;
氯化钠:分析纯，上海国药化学试剂有限公司;
肉汤琼脂培养基:生化试剂，上海国药化学试剂有限公司;
酵母:生化试剂，上海国药化学试剂有限公司。

1.2主要仪器及设备
旋转蒸发仪:Ｒ-1001-VN，郑州长城科工贸有限公司;全反射傅里叶红外变换光谱仪(FTIＲ):Nicolet6700，美国赛墨飞世尔科技有限公司;
X射线衍射仪(XＲD):BrukerD8，德国布鲁克AXS有限公司;Zeta电位及纳米粒度分析仪:ZetaPALS，美国布鲁克海文公司;
热失重分析仪(TGA):TGA/1100SF，瑞士梅特勒－托利多仪器有限公司;
双立柱台式试验系统:5967X，美国ITW公司;
光学接触角测量仪:OCA40，北京东方德菲仪器有限公司;
冷冻干燥机:FD-1A-50，北京博医康实验仪器有限公司;
高压蒸汽灭菌锅:SX-300/500/700，日本TOMYDigitalBiology;
超净工作台:VS-840K，素净集团安泰公司;
生化培养箱:BSP-150，上海博迅实业有限公司;
酶标仪:Mk3-Thermolabsystems，美国赛墨飞世尔科技有限公司。
1.3样品制备

过氧化氢解聚制备低分子量壳聚糖［16－17］。将1.50g壳聚糖(CS)加入60mL10%过氧化氢(H2O2)稀溶液中，室温搅拌24h，然后，用丙酮洗涤，在8500r/min的转速下离心。最后，冷冻干燥，得到低分子量壳聚糖(LCS)。
LCS改性水性聚氨酯的制备［18］。将真空干燥后的IPDI(2.22g)和PTMG-2000(6.42g)添加到有氮气保护的三口烧瓶中，并且，加入5～10mL丙酮作为反应溶剂。以600r/min的转速在80℃条件下反应1h后，溶于NMP(0.92g)的DMPA(0.46g)以及2滴辛酸亚锡作为催化剂加入到反应器中。添加5mL丙酮调节体系黏度，继续反应3h。温度降低至50℃后，加入成盐剂TEA(0.35g)反应50min。然后，将反应器置于0～5℃的冰水浴中，转速设置为1800～1900r/min。将EDA(0.20g)和超声分散均匀的LCS水溶液倒入反应器中45min，使异氰酸根基团完全反应。用旋转蒸发仪除去丙酮，得到壳聚糖改性的WPU乳液。制备过程如图1所示。其中，LCS溶液是质量分数为0、0.25%、0.5%、0.6%的LCS溶于水中，获得的不同产品依次命名为WPU、LCS-WPU-0.25、LCS-WPU-0.5和LCS-WPU-0.6。

取10～13mL制备的LCS改性水性聚氨酯的复合乳液，浇铸在聚四氟乙烯板上。将模具在室温下放置24h直至液面不流动，然后，将其转移至50℃的干燥箱中，得到壳聚糖聚氨酯复合膜。

1.4性能测试与结构表征

FTIＲ分析:采用全反射傅里叶红外光谱仪，分辨率为4cm^-1，扫描范围为550～3900cm^-1，扫描32次。XＲD分析:使用X射线衍射仪对CS、LCS进行分析，扫描范围为0～80°。
粒径测试:使用纳米粒度分析仪对稀释至0.1%的WPU乳液进行测定粒度分布和平均粒径。测试温度为25℃，激光散射角为90°。
TGA分析:在氮气气氛下以50mL/min的流速将聚氨酯膜从25℃加热至600℃，升温速率为20℃/min。
力学性能测试:按照国家标准QB/T2415—1998，聚氨酯膜被切割成哑铃状，测试温度为25℃，在双柱台式试验系统中，以20mm/min的拉伸速率测试。实验结果取3次实验平均值。
接触角测试:使用型号为OCA40的光学接触角仪器测量聚氨酯膜的水接触角。
吸水率测试:将一个长宽为1cm的正方形聚氨酯膜浸入温度为25℃的去离子水中。每隔1h，取出样品，用无绒布擦干并称重。对同一样品计算3次实验的算术平均值，如式(1)所示，得出实验结果。

 

式中:m0为原聚氨酯膜的质量;m1为吸水后聚氨酯膜的质量。
抗菌活性测定:通过抑菌圈实验确定壳聚糖聚氨酯膜的抗菌活性。将活化菌液通过涂布棒均匀地涂抹在固体培养基板上，将WPU涂层制成直径为1cm的圆片，置于固体培养基的中心，在37℃恒温培养箱24h。然后，观察样品周围是否有细菌生长。WPU膜采用ISO22196塑料表面性能方法进行抗菌试验。体外细胞毒性测试:选择人正常肝细胞(LO2)，采用3(4，5－二甲基－2－噻唑基)－2，5－二苯基溴化四唑(MTT)方法测试壳聚糖聚氨酯膜的体外细胞毒性。
2结果与讨论

2.1CS与LCS的XＲD
图2为过氧化氢解聚CS的XＲD图谱。由图2可知，CS有2种不同的晶态，分别为Ⅰ型和Ⅱ型，均属于单斜晶系［19］。Ⅰ型和Ⅱ型晶体正交，峰位分别为2θ=10°、2θ=20°。与纯CS的光谱相比，过氧化氢解聚后，LCS的峰强度降低，峰变窄，结晶度降低。因此，1，4-β-D-糖苷键和氢键的断裂后，LCS趋于无定形。

 

2.2LCS与壳聚糖聚氨酯膜的FTIＲ

FTIＲ如图3所示。3345cm^-1处为—NH—和—OH的伸缩振动峰;2872cm^-1处为—CH₂—的伸缩振动峰;1585cm^-1处为—NH—变形振动峰;1375cm^-1为—CH₃的变形振动峰;1014cm^-1处是—CN的伸缩振动峰。这表明，CS的主链结构与LCS相同。由于发生了氧化反应，1，4-β-D-糖苷键及氢键断裂，LCS的光谱发生改变。LCS在3283cm^-1处为氧化产生羧基、羟基的伸缩振动峰;1275～1575cm^-1处为羰基的吸收峰。WPU以及LCS改性的WPU在2200～2300cm^-1处均没有出现吸收峰，这表明，反应体系中异氰酸根已经完全反应。3322cm^-1处为壳聚糖聚氨酯复合膜的—NH—伸缩振动峰和LCS中—OH的伸缩振动峰;2938和2854cm^-1处为—CH₂—、—CH₃的伸缩振动峰;1703cm^-1处是—C==O的拉伸振动峰;1541cm^-1处是—NH—的弯曲振动峰。除此以外，1243和1105cm^-1处分别是—COC—和—CO的拉伸振动峰。虽然不同添加量的LCS的聚氨酯膜红外光谱相似，但是，当LCS的添加量为0.6%时，峰的强度增加，峰的位置发生偏移，这是由于，LCS与WPU之间产生了氢键作用［20］。

 

2.3LCS对水性聚氨酯乳液粒径的影响

表1为壳聚糖聚氨酯复合乳液的平均粒径。图4为壳聚糖聚氨酯复合分散体的粒度分布图。随LCS含量从0增大至0.6%，LCS-WPU复合乳液的平均粒径逐渐增大，从37.7nm增大至57.1nm，粒径分布逐渐变宽。这是由于，当壳聚糖含量大于0.5%时，壳聚糖与聚氨酯链段的氢键作用增强［21］，乳液中出现微量团聚，其粒径分布变宽。

2.4LCS对聚氨酯膜热性能的影响

表1为热失重10%、50%的热降解温度即T10%、T50%。图5为壳聚糖聚氨酯复合膜的热重曲线。LCS在100℃之前的失重是由LCS中的残留水引起的。在150～350℃之间，该阶段的热失重是由于壳聚糖链的热分解。由图5可知，壳聚糖聚氨酯复合膜可分为3个阶段［22］，当温度小于275℃时，质量损失是低聚物的分解;当温度为275～326℃时，质量损失是硬段(氨基甲酸酯基团、脲键)分解以及复合膜中壳聚糖链的热分解;当温度为420℃时，质量下降是由于软段PTMG中醚键的热解。

由表1可知，当LCS含量为0.6%时，聚氨酯膜的T10%从254.3℃提升至276.6℃。壳聚糖提高了其初始分解温度;另外，壳聚糖与链段之间的氢键作用使链段运动较困难，复合膜需要更高的温度发生热解［23］。随着LCS含量的从0增大至0.6%，T50%先升高后降低。这是由于，LCS-WPU-0.6出现了壳聚糖团聚现象。当团聚的壳聚糖没有被聚氨酯网络完全覆盖包裹时，暴露的壳聚糖分解温度在326℃之前，导致LCS-WPU-0.6的T50%降低［24］。热重结果表明，均匀分散的壳聚糖使聚氨酯复合膜热稳定性提升。

2.5LCS对聚氨酯膜力学性能的影响

由图6可知，壳聚糖含量对壳聚糖聚氨酯复合膜力学性能的影响，随LCS含量从0增大至0.5%，壳聚糖聚氨酯复合膜的拉伸应力从13.3MPa增大至17.6MPa，断裂伸长率从1500.3%降低至1267.3%。这是由于，LCS与WPU链段的氢键作用提升了壳聚糖聚氨酯复合膜的交联密度，阻碍了聚合物分子链运动。此外，在WPU中引入LCS增加了聚氨酯网络中的硬段含量，提高了壳聚糖聚氨酯复合材料的刚度。然而，对于LCS-WPU-0.6，复合膜的拉伸应力和断裂伸长率分别下降至12.7MPa、1216.3%，壳聚糖团聚，复合膜表现出脆性行为主要是由于微相分离减少［25］。

 

2.6LCS对聚氨酯膜亲水性与吸水率的影响

静态水接触角反映了不同LCS含量的聚氨酯膜的表面润湿行为，实验结果如图7所示。纯WPU接触角为76.6°，当WPU膜中掺杂LCS时，壳聚糖聚氨酯复合膜的接触角逐渐降低。所有样品的接触角均小于90°，这表明，LCS-WPU的所有复合膜表面均具有亲水性。壳聚糖中的亲水基团增强了复合膜的亲水性，水接触角减小［26］。图8为在水中浸泡定时间后的吸水率。所有样品的吸水率均随着浸泡时间的推移而提高，但是，含有LCS的样品增加得更快。与WPU相比，LCS-WPU复合膜的耐水性较差。随着LCS含量的增加，LCS产生的亲水基团逐渐增加，同时，LCS和WPU段之间的氢键增强。由图8可知，LCS中氢键引起的耐水性与亲水基团引起的亲水性相比较弱，水分子更容易破坏膜结构，因此，LCS-WPU复合膜吸水率较高。

2.7LCS对聚氨酯膜抗菌活性的影响

图9为WPU的抗菌活性。由图9可知，1号样品基本没有形成抑菌圈，2、3、4号样品对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均表现出抑制作用，并且，形成的抑菌圈范围逐渐增大。WPU膜采用ISO22196塑料表面性能方法进行抗菌试验。Ｒ值越大，抗菌效率越高，ＲE表示大肠杆菌的Ｒ值，ＲS表示金黄色葡萄球菌的Ｒ值。与WPU相比，LCS-WPU-0.5和LCS-WPU-0.6均表现出显著的抗菌作用。这是由于，CS通过静电相互作用破坏了细胞膜，并且，穿透细胞膜，遗传物质的合成受到了限制，蛋白质结构被破坏，最终抑制了细菌繁殖［27］。

 

2.8LCS对聚氨酯膜生物相容性的影响

采用MTT法测试LCS-WPU复合膜浓度对LO2细胞增殖的影响，评价其体外细胞毒性。不同的样品制备为不同浓度的溶液，并且与培养液混合。对照组仅用培养液，24h后，观察LO2细胞增殖数，实验结果如图10所示。在4种浓度下，含有LCS-WPU-0.6的培养基中的细胞活力显著高于WPU和LCS-WPU-0.5;当培养基中的样品浓度增加到0.25mg/mL时，LCSWPU-0.5和LCS-WPU-0.6的细胞存活率仍然保持在70%以上，与WPU相比较高。添加LCS后，提高了WPU的体外细胞毒性，生物相容性较好［28］。

3结论

为提高壳聚糖与水性聚氨酯的相容性，采用氧化解聚后的低分子量壳聚糖(LCS)制备壳聚糖水性聚氨酯复合材料。FTIＲ、XＲD结果表明，1，4-β-D-糖苷键和氢键的断裂后，LCS趋于无定形态，亲水基团增多。通过粒径测试、TGA、力学性能测试、水接触角、抗菌实验、体外细胞毒性等测试表明，LCS显著提升了复合材料的综合性能。与WPU相比，LCS-WPU-0.5乳液的平均粒径增大至57.1nm，粒径分布变宽;该复合膜拉伸应力从13.3MPa增大至17.6MPa;T10%从254.3℃提高至276.6℃;亲水性增强;对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的抗菌效率均达90%以上。在0.25mg/mL的培养浓度下，细胞存活率仍能保持在70%。综上所述，LCS能均匀地分散在聚氨酯网络中，聚氨酯膜具有较好的生物相容性。

 

来源：塑料第52卷3期