一种利用咪唑‑4,5‑二羧酸改性壳聚糖仿生合成微球球霰石的方法

技术领域

本发明属于仿生材料领域，具体涉及一种利用咪唑-4,5-二羧酸改性壳聚糖仿生合成微球球霰石的方法，属于仿生材料领域。

背景技术

在众多的天然生物矿化材料(如贝壳、蛋壳、海胆纤维、蛇壳、人的牙齿和骨骼等)中，碳酸钙的复合物是最重要也是最具研究价值的材料之一。作为最常见的生物矿化材料，碳酸钙普遍存在于自然界中。作为添加剂，碳酸钙被广泛应用于橡胶、塑料、油墨、造纸、食品、医药等行业和部门，是一种非常重要的无机材料。因此，对碳酸钙复合物的合成也成为近些年来化学、材料以及生物等学科研究的热点。通过生物矿化过程，碳酸钙往往以排列有序、结构优异的天然有机-无机复合物形式存在，并具有方解石、文石、球霰石等多种晶型。球霰石在自然界中较难发现。尽管如此，球霰石因其具有较高的溶解度和分散性等独特的性能，且比重小于文石和方解石，所以在生物医学和工业领域中具有重要作用，同时它也是生命体不可缺少的物质。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用咪唑-4,5-二羧酸改性壳聚糖(HIDCCS)仿生合成微球球霰石的方法，利用HIDCCS材料为有机基质通过人工合成获得热力学极其不稳定的球霰石晶型碳酸钙。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：利用HIDDCCS为有机基质仿生合成微球球霰石，将咪唑-4,5-二羧酸改性壳聚糖材料按一定比例加入含有氯化钙、碳酸钠的水溶液中，通过改变Ca²⁺初始浓度和陈化时间等相关条件，从而有效控制仿生合成微球球霰石，具体步骤如下：

在摩尔浓度为0.05-0.45mol·L^-1的CaCl₂溶液中，加入咪唑-4,5-二羧酸改性壳聚糖，所述CaCl₂溶液与咪唑-4,5-二羧酸改性壳聚糖的用量比为100ml∶0.01-0.05g，调节溶液pH为7.0，然后往溶液中加入与CaCl₂溶液等体积的Na₂CO₃溶液，23-51℃下磁力搅拌反应5-60min后，陈化0.5-24h，然后抽滤、洗涤、干燥，得到本发明所述微球球霰石，其中，所述咪唑-4,5-二羧酸改性壳聚糖是由咪唑-4,5-二羧酸接枝到壳聚糖上而得到的咪唑-4,5-二羧酸改性壳聚糖。

进一步，所述CaCl₂溶液与咪唑-4,5-二羧酸改性壳聚糖的用量比为100ml∶0.01g。

所述CaCl₂溶液的摩尔浓度为0.25mol·L^-1，CaCl₂溶液与咪唑-4,5-二羧酸改性壳聚糖的用量比为100ml∶0.01g。

所述磁力搅拌反应温度为37℃，反应时间为60min，陈化时间为2h。

本发明所述咪唑-4,5-二羧酸改性壳聚糖由以下方法制备而成：

(1)将壳聚糖溶于0.10mol/L的2-(N-吗啡啉)乙磺酸缓冲溶液中，以三口烧瓶作为反应容器，加入1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐作为缩合剂，加入N-羟基琥珀酰亚胺作为偶联剂，搅拌均匀后，再加入咪唑-4,5-二羧酸，得到混合物；

所述壳聚糖、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐、N-羟基琥珀酰亚胺、咪唑-4,5-二羧酸的摩尔比为1∶1.2-1.4∶1-1.2∶0.33-3；

(2)将上述混合物于室温下用电动磁力搅拌反应12-48h，将搅拌后的混合物粘液转移至透析袋中，将透析袋置于蒸馏水中透析6-8天；

(3)将透析得到的透析液转移至培养皿中，用保鲜膜封口后于-12～-24℃下冷冻24-60h，然后取出冷冻后的透析产物，在保鲜膜上戳若干个孔，最后将透析产物真空冷冻干燥24-36h，得到产物咪唑-4,5-二羧酸改性壳聚糖。

所述微球球霰石的直径为1-6μm。

本发明采用以上技术方案，基于壳聚糖中含有的氨基和羟基具有一定的化学活性，通过改性的方法，利用咪唑-4,5-二羧酸对壳聚糖进行物理化学方面的改性，由于咪唑-4,5-二羧酸有很好的pH响应，将咪唑-4,5-二羧酸接枝到壳聚糖上制备咪唑-4,5-二羧酸壳聚糖，咪唑-4,5-二羧酸改性壳聚糖保留了壳聚糖上的羟基和部分未取代的氨基以及新增加的具有pH响应性的咪唑基团，保证了其具有良好的生物活性和pH响应性，并且提高了改性后壳聚糖的溶解性，该咪唑-4,5-二羧酸改性壳聚糖有利于球霰石的形成，进而拓展了球霰石碳酸钙的应用范围。

附图说明

图1为本发明实施例1产物的XRD照片。

图2为本发明实施例1产物的FT-IR照片。

图3为本发明实施例1产物的FESEM照片(刻度尺1μm)。

图4为本发明实施例2产物的XRD片。

图5为本发明实施例2产物的FT-IR照片。

图6为本发明实施例2产物的FESEM照片(刻度尺1μm)。

具体实施方式

一种利用咪唑-4,5-二羧酸改性壳聚糖仿生合成微球球霰石的方法：在摩尔浓度为0.05-0.45mol·L^-1的CaCl₂溶液中，加入咪唑-4,5-二羧酸改性壳聚糖，所述CaCl₂溶液与咪唑-4,5-二羧酸改性壳聚糖的用量比为100ml∶0.01-0.05g，调节溶液pH为7.0，然后往溶液中加入与CaCl₂溶液等体积的Na₂CO₃溶液，23-51℃下磁力搅拌反应5-60min后，陈化0.5-24h，然后抽滤、洗涤、干燥，得到微球球霰石；

球霰石含量的计算方法如下：

令碳酸钙混合物中方解石(104)的特征衍射峰及球霰石中(110)的特征衍射峰的强度分别为Ic¹⁰⁴、Iv¹¹⁰。

根据公式^[1]:

求出方解石和球霰石两种碳酸钙晶型的相对含量

令球霰石在混合晶体沉淀中所占的物质的量分数或质量分数为Q，代入方程(1)可得:

X_C/X_V是碳酸钙混合物中方解石和球霰石的物质的量比或质量比。

上述计算方法来源于：

Kontoyannis C G,Vagenas N V.Calcium carbonate phase analysis usingXRD and FT-Raman spectroscopy[J].Analyst,2000,125(2):251-255.

下面结合具体实例进一步说明阐明本发明。

实施例1

咪唑-4,5-二羧酸改性壳聚糖(HIDCCS)的合成

称取1.2000g的壳聚糖溶于100mL(100mL0.10mol·L^-1)2-(N-吗啡啉)乙磺酸缓冲溶液(pH＝5.5)中，以三口烧瓶作为反应容器，加入1.9978g1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐(EDC·HCl)作为缩合剂，0.8567gN-羟基琥珀酰亚胺作为偶联剂，电动搅拌均匀后，再加入3.4860g的咪唑-4,5-二羧酸。混合物放在室温下用电动磁力搅拌反应24h，使其充分搅拌均匀。将搅拌后的混合物粘液放进处理过的透析袋中，并扎好，防止漏出。放在蒸馏水中透析一周(每天约更换蒸馏水4-6次)。透析液转移至培养皿中，用保鲜膜包好后放入-18℃冷冻柜中冷冻24h。之后将其取出，在保鲜膜上戳若干个小孔(防止真空干燥过层中产品全部上漂)，最后真空冷冻干燥24h，得到产物咪唑-4,5-二羧酸改性壳聚糖。

实施例2

反应时间对HIDDCS仿生合成球霰石微球的影响

量取50mL浓度为0.15mol·L^-1的CaCl₂溶液，加入0.005g的咪唑-4,5-二羧酸改性壳聚糖材料，调节pH等于7.0。往溶液中加50mLNa₂CO₃溶剂，分别在37℃下磁力搅拌反应5min、15min、30min、60min后，再进行陈化2h，抽滤，洗涤，干燥，得到产品。

图1和图2分别为不同反应时间中所得到的碳酸钙产品所测试的XRD谱图和FT-IR谱图，其中a、b、c、d衍射谱线对应是5min、15min、30min、60min所得到的碳酸钙产品。由图1出现的特征衍射峰可知:2θ＝32.8°、27.0°、24.9°与标准碳酸钙JCPDF卡片(卡号:05-0586和33-0268)比较，对照了球霰石的(114)、(112)、(110)晶面；2θ＝43.1°、36.0°、29.4°、23.1°与方解石(202)、(110)、(104)、(012)晶面相对应。时间为5min时，C104峰的强度很长，且峰尖锐，其他组的不明显。有可能是因为反应时间的不同而引起球霰石的含量改变。由图2的FT-IR谱图得出，谱线a、b、c、d都出现了碳酸钙的标准特征峰(873cm^-1、744cm^-1、712cm^-1)，只是部分峰略有移动。因而可以了解反应时间所制备的CaCO₃为方解石与球霰石，与上述XRD谱图结论相同。根据公式计算得出酸钙球霰石的含量分别为:68.8％、97.7％、97.9％、98.3％。经过附图及上述分析可知，随着反应时间的增加，转化成球霰石的含量越来越多，因此球霰石的含量随着反应时间的增大而增大。

通过对比分析不同反应时间中所得碳酸钙产品的FESEM图(图3)可得，方解石比例最多的是反应时间5min，且尺度大小分布较为均匀。当反应时间上升到15min后，方解石含量开始逐渐变少，反应时间60min为球形CaCO₃，粒径的尺度大小为1～4μm，分布不均匀。不同反应时间制备的CaCO₃表征结果可得出，方解石和球霰石在不同反应时间制备的CaCO₃中都存在。且随着反应时间的升高，立方体方解石含量减少，球形球霰石含量增加。因此，反应时间为60min对碳酸钙球霰石形貌和晶型的调控效果最明显。

实施例3

Ca²⁺初始浓度对HIDDCS仿生合成球霰石微球的影响

分别量取50mL浓度为0.05、0.15、0.25、0.35、0.45mol·L^-1的CaCl₂溶液，加入0.005g的咪唑-4,5-二羧酸改性壳聚糖材料，调节pH等于7.0，往溶液中加50mLNa₂CO₃溶剂，37℃下磁力搅拌反应30min后，再进行陈化2h，抽滤，洗涤，干燥，得到产品。

图4和图5分别为不同Ca²⁺的初始浓度中所得到的碳酸钙产品所测试的XRD谱图和FT-IR谱图，其中a、b、c、d、e五条衍射谱线分别对应的Ca²⁺初始浓度为：0.05mol·L^-1、0.15mol·L^-1、0.25mol·L^-1、0.35mol·L^-1、0.45mol·L^-1时的碳酸钙产物。由图4可知：主要出现的特征衍射峰：2θ＝39.5°、36.0°、29.5°，与标准碳酸钙JCPDF标准卡片(卡号：05-0586及33-0268)对照，对应方解石晶面的(113)、(110)、(104)，2θ＝33.0°、27.2°、25.0°对应球霰石晶面的(114)、(112)、(110)。从图5的FT-IR图中可知，在876cm^-1、744cm^-1位置上均出现了碳酸钙的特征峰，只是部分峰略有偏移，且744cm^-1的峰长短不一。与上所得XRD谱图相同。根据公式计算可得：产品中球霰石含量：96.0％、98.2％、98.7％、98.3％、86.7％。由此可知，Ca²⁺初始浓度0.15mol·L^-1-0.35mol·L^-1有利于碳酸钙球霰石晶体的形成。

Ca²⁺初始浓度对HIDCCS影响调控CaCO₃的FESEM图如图6所示：不同初始浓度的CaCl₂溶液所合成的HIDCCS的形貌也不尽相同，证明Ca²⁺初始浓度可以影响碳酸钙的形貌以及晶型。当Ca²⁺初始浓度为0.05mol·L^-1、0.15mol·L^-1和0.25mol·L^-1，L13和L3呈球状且皆有团聚现象，晶粒明显变大。当Ca²⁺初始浓度变化为0.35mol·L^-1和0.45mol·L^-1时所合成的晶体类型大部分呈立方体。Ca²⁺初始浓度为0.25mol·L^-1最利于球霰石的形成。