透明質(zhì)酸粘多糖的分子表征、流變學(xué)性質(zhì)及其物理凝膠的研究.pdf

1、粘多糖是廣泛存在于動物體內(nèi)的一類多糖，動物體內(nèi)的多糖除了作為能量代謝的糖元外，基本上都屬于粘多糖。透明質(zhì)酸是粘多糖中最具代表性的一種，因為透明質(zhì)酸被認(rèn)為是唯一幾乎存在于從細(xì)菌到人類所有動物體之中的粘多糖。透明質(zhì)酸具有多樣的生理功能和優(yōu)良的物化性質(zhì)，同時也是我國衛(wèi)生部公布的第一批新資源食品之一，已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、化妝品等領(lǐng)域。隨著對透明質(zhì)酸研究的深入，透明質(zhì)酸在組織工程、納米材料等領(lǐng)域也顯示出了巨大的應(yīng)用潛力。
　　透明質(zhì)酸

2、由葡萄糖醛酸和乙酰氨基葡萄糖雙糖重復(fù)單元組成，其分子量可高達(dá)上百萬，透明質(zhì)酸的生理功能和應(yīng)用特性與其分子量、分子量分布等分子參數(shù)密切相關(guān);此外，粘彈性也是透明質(zhì)酸重要的特性之一，透明質(zhì)酸在體內(nèi)所發(fā)揮的維持組織形態(tài)、潤滑關(guān)節(jié)和緩沖應(yīng)力等作用均與其粘彈性密切相關(guān);凝膠化作用是一些多糖大分子最主要的特性之一，在制備透明質(zhì)酸凝膠時如何保持其天然的生物相容性同時提高其應(yīng)用的安全性是相關(guān)研究的焦點問題。本論文利用多種技術(shù)手段對透明質(zhì)酸的分子參數(shù)進(jìn)行

3、了詳細(xì)的表征，并對透明質(zhì)酸的流變學(xué)性質(zhì)及其冷凍解凍物理凝膠進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，主要內(nèi)容及結(jié)論如下:
　　對一系列透明質(zhì)酸樣品的分子參數(shù)（分子量、分子量分布、分子尺寸及分子構(gòu)象等）的多手段表征進(jìn)行了系統(tǒng)性的對比研究。結(jié)果顯示，對于Mw低于約2×106的樣品來說，粘度法、CG-MALLS、SEC-MALLS、AFlFFF-MALLS和AGE法均能給出準(zhǔn)確的表征結(jié)果，表征結(jié)果所存在的略微差異是由于過濾過程應(yīng)用于不同的表征手段。對于Mw高于

4、約2×106的樣品來說，粘度法、CG-MALLS、SEC-MALLS、AFlFFF-MALLS給出了低于AGE法的Mw表征結(jié)果，這是由于透明質(zhì)酸溶液中存在大尺寸的分子締合或聚集所引起的，而這種分子聚集體無法用粘度法和靜態(tài)光散射法進(jìn)行準(zhǔn)確的表征，但是可以反映在AGE法的表征結(jié)果中，此外，對于透明質(zhì)酸在溶液中分子構(gòu)象的表征，所有表征手段均給出了一致的結(jié)果。通過對透明質(zhì)酸的經(jīng)驗剛性參數(shù)B的比較分析可以得到，透明質(zhì)酸在水溶液中呈半剛性構(gòu)象，并且

5、低分子量透明質(zhì)酸比高分子量透明質(zhì)酸的剛性更加顯著，通過對AGE法所得分子量分布的峰態(tài)參數(shù)的分析可知，低分子量的透明質(zhì)酸比高分子量的透明質(zhì)酸的分子間相互作用或締合能力更強(qiáng)，這與其分子更具剛性的結(jié)果相吻合。通過構(gòu)象圖的分析得出透明質(zhì)酸存在于θ溶劑(0.1 M NaCl)中，成無擾線團(tuán)構(gòu)象。通過蠕蟲狀鏈圓筒模型得到透明質(zhì)酸在0.1 M NaCl溶液中的單位圍長摩爾質(zhì)量ML為750 nm-1，持久長度q為20.8 nm，分子鏈直徑d為1.03n

6、m。以上結(jié)果表明，在所研究的分子量范圍內(nèi)，透明質(zhì)酸在0.1 M NaCl中為蠕蟲狀鏈，更加確切為分子鏈呈半剛性線團(tuán)構(gòu)象。至于透明質(zhì)酸的分子量分布，SEC-MALLS和AFlFFF-MALLS可以對Mw＜1×106的樣品進(jìn)行準(zhǔn)確的表征，并且升高分離溫度可以提高SEC-MALLS法對Mw＞1×106的樣品的分離效果，但是多分散系數(shù)的表征結(jié)果顯示AGE法要優(yōu)于上述兩種表征手段。此外，對于Mw＜1×106的樣品來說，SEC-MALLS和AFlF

7、FF-MALLS法表征的分子量分布曲線的形態(tài)與AGE法一致。
　　采用線性Maxwell本構(gòu)粘彈模型以及非線性Phan-Thien Tanner(PTT)和Giesekus粘彈本構(gòu)模型對透明質(zhì)酸溶液的線性和非線性粘彈性行為分別進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明，三種模型的理論模擬值均能與實驗數(shù)據(jù)很好地吻合，上述模型能夠定量描述透明質(zhì)酸溶液的流變學(xué)行為。此外，透明質(zhì)酸溶液體系的松弛行為具有濃度依賴性，隨透明質(zhì)酸濃度的降低，體系平均松弛時間減小

8、。在所研究的濃度范圍內(nèi)，透明質(zhì)酸溶液均符合Cox-Merz規(guī)則，此時PTT和Giesekus兩模型均能定量描述透明質(zhì)酸溶液的剪切變稀行為。
　　鹽離子可以影響透明質(zhì)酸溶液的流變學(xué)性質(zhì)。當(dāng)透明質(zhì)酸溶液中存在1M具有較強(qiáng)鹽析性質(zhì)的SO42-時，溶液的動態(tài)模量和穩(wěn)態(tài)粘度比存在等濃度的Cl-或NO3-時要高，符合Hofmeister序列鹽的排列順序，說明SO42-可以使溶液中透明質(zhì)酸分子間產(chǎn)生相對強(qiáng)的相互作用，并推測透明質(zhì)酸分子具有一定的

9、疏水性。通過觸變環(huán)實驗可知10 mg/ml透明質(zhì)酸水溶液及其鹽溶液不具有觸變性。
　　發(fā)現(xiàn)了透明質(zhì)酸/玉米纖維膠混合溶液體系中存在協(xié)同增粘作用，并申請了專利。此外，利用粘度協(xié)同系數(shù)對不同配比的透明質(zhì)酸/玉米纖維膠混合溶液的協(xié)同增粘程度進(jìn)行了定量描述，發(fā)現(xiàn)混合溶液的粘度協(xié)同系數(shù)隨著混合溶液中玉米纖維膠濃度的上升而增大，隨著剪切速率的增大而減小，即混合溶液的協(xié)同增粘效果可以通過改變上述參數(shù)進(jìn)行控制。
　　發(fā)現(xiàn)當(dāng)透明質(zhì)酸濃度為10

10、 mg/ml時，透明質(zhì)酸/阿拉伯膠混合溶液在阿拉伯膠濃度為30 mg/ml時不會產(chǎn)生相分離，在阿拉伯膠濃度達(dá)到60 mg/ml時會產(chǎn)生相分離現(xiàn)象。通過宏觀觀察、流變和光學(xué)顯微鏡實驗確定，透明質(zhì)酸/阿拉伯膠混合溶液產(chǎn)生相分離后，上層液相為透明質(zhì)酸富集相，下層液相為阿拉伯膠富集相。透明質(zhì)酸/阿拉伯膠混合溶液產(chǎn)生相分離的機(jī)理可能是因為透明質(zhì)酸和阿拉伯膠同為聚陰離子，以及溶液混合過程中△Smix較小所致。此外，無論透明質(zhì)酸/阿拉伯膠混合溶液是否

11、產(chǎn)生相分離，溶液的穩(wěn)態(tài)剪切粘度都隨著混合溶液中阿拉伯膠含量的增加而降低，通過對比透明質(zhì)酸/聚酰胺-胺混合溶液可知，溶液粘度的降低主要由阿拉伯膠的分子成球形構(gòu)象及球形膠束狀態(tài)所致。
　　流變學(xué)、偏光顯微鏡、光學(xué)顯微鏡、SEM、XRD、DSC和FTIR光譜學(xué)的實驗結(jié)果顯示，通過冷凍解凍的方法形成的透明質(zhì)酸冷凍解凍凝膠屬于物理凝膠的范疇，凝膠的三維結(jié)構(gòu)由網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)接合區(qū)中的多重的分子間氫鍵相互作用所穩(wěn)定。由于冷凍過程中溶液中的水轉(zhuǎn)變成冰使

12、得透明質(zhì)酸的濃度升高，因此使透明質(zhì)酸分子鏈被迫進(jìn)行排列，進(jìn)而形成了并排的分子間締合，這種締合可以在解凍過程中繼續(xù)保持，成為冷凍解凍凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的接合區(qū)。透明質(zhì)酸陰離子的質(zhì)子化對透明質(zhì)酸分子鏈間的締合來說是必需的，此時透明質(zhì)酸分子鏈上-COOH和-NHCOCH3基團(tuán)間的氫鍵相互作用在這種締合的形成過程中扮演了重要的角色。盡管沒有發(fā)現(xiàn)類似于聚乙烯醇冷凍解凍凝膠中的微結(jié)晶區(qū)的結(jié)構(gòu)，但是在透明質(zhì)酸冷凍解凍凝膠中氫鍵相互作用的特征卻得到了實驗的證

13、實?；谕该髻|(zhì)酸分子鏈間氫鍵相互作用可能存在的形式，推斷透明質(zhì)酸冷凍解凍凝膠中的分子鏈締合是分散的并且缺少形成微結(jié)晶區(qū)所需的規(guī)整性和完善度，因此無法有效地構(gòu)建出具有可探測性的微結(jié)晶區(qū)。此外發(fā)現(xiàn)了當(dāng)在初始透明質(zhì)酸溶液中加入硫酸鈉的濃度達(dá)到1M時，溶液調(diào)酸后不進(jìn)行冷凍解凍處理也可形成透明質(zhì)酸凝膠。
　　通過熒光探針法、疏水作用色譜法和疏水吸附法證明了頗具爭議的透明質(zhì)酸疏水性的存在，并且透明質(zhì)酸分子的疏水相互作用會隨著透明質(zhì)酸溶液濃度的