介绍一个与材料相关的研究型综合化学实验——壳聚糖的制备与表征

在中国科学技术大学夏季学期的研究型实验课程"化学科研基础训练"中开设"壳聚糖的制备与表征"综合实验,以龙虾壳为原料,通过除蛋白、脱盐、脱色、脱乙酰等一系列反应,制备得到目标产物壳聚糖。运用红外光谱、核磁共振仪、黏度法、滴定等对产品的结构及性能进行表征。     

海藻酸钠和壳聚糖静电复合弹性支架的制备和表征

通过静电作用和相分离技术制备海藻酸钠/壳聚糖静电复合弹性支架,研究了冷冻温度和固含量对支架材料孔径的影响及组分比对材料力学性能、亲水性、降解性能和生物相容性的影响.固含量为2%(质量分数)及冷冻温度为-24℃时,支架孔径为110~170μm,并且亲水性良好,平衡溶胀度大于1400%.改变固含量和组分比可调控材料的力学性能;循环力学测试表明,湿态支架具有良好的弹性和一定的耐疲劳性;降解速率可由组分比调控;兔脂肪干细胞(rASCs)在支架上的培养结果表明,羧基和氨基摩尔比为2∶1和1∶1时细胞以聚集体存在;羧基和氨基摩尔比为1∶2时细胞黏附于支架上,实现细胞黏附/聚集体的调控.     

高性能壳聚糖基准固态离子热原电池构建及其热电性能研究

利用高分子基准固态离子热原电池将低品质热能转化为电能是提升能源综合利用的有效途径.以壳聚糖为基体,通过接枝双氰胺和胍盐离子,制备了兼具高离子电导率和高热功率的双胍盐壳聚糖-FeCl_2/3基离子型热电材料(CGH-G),并使材料的柔性和尺寸稳定性均有所增强.通过引入2种带正电荷的氨基离子,显著增强了离子热电材料的热扩散效应,使其热功率由2.16 mV/K提升至4.84 mV/K,同时显著降低了热电材料的阻抗.将所制备的壳聚糖基离子热电材料组装成准固态离子热原电池,在温差为25 K、外加5Ω负载的环境条件下,其功率密度达1.33 W/m²的同时可实现25.43 kJ/m²的高能量密度输出.此外,多个柔性离子热原电池串联后展现出较高的输出稳定性,显示出壳聚糖基离子热电材料在废弃能源利用方面的广阔应用前景.     

羧甲基壳聚糖基生物医用材料降解代谢行为的研究进展

作为一种水溶性多糖高分子材料,羧甲基壳聚糖(carboxymethyl chitosan, CMCTs)具有优异的生物相容性和生物降解性以及保湿、止血、抗菌、可吸收等一系列优良的功能特性,因而被广泛应用于医工交叉领域。羧甲基壳聚糖进入体内后,在酶、氧、微生物、水等环境适宜时能够被降解,并经吸收、代谢、排泄。其体内降解速率主要取决于材料的尺寸、脱乙酰度、取代度、分子量等。了解羧甲基壳聚糖在动物体内的降解代谢行为,对羧甲基壳聚糖在转化过程中的质量控制和临床应用至关重要。然而就目前而言,羧甲基壳聚糖在生物体内降解代谢的影响因素及其体内吸收、分布、代谢、排泄规律缺乏系统性总结,这一现状从基础层面严重制约了其在生物医药领域的进一步发展。基于上述问题,本文对近年来羧甲基壳聚糖基生物医用材料的降解、代谢相关研究进行梳理和总结,重点阐述了羧甲基壳聚糖作为可降解材料的生物学特性、降解方式、代谢过程等,系统揭示羧甲基壳聚糖体内降解、代谢的规律,并对植入物尺寸、脱乙酰度、取代度、分子量、交联度及成分比例等影响羧甲基壳聚糖降解速率的主要因素进行归纳,以期为羧甲基壳聚糖基生物医用材料的研发和转化研究提供参考。     

氮掺杂碳原位锚定铜纳米颗粒用于高效氧还原反应催化剂

与贵金属铂基电化学氧还原反应（ORR）催化剂相比,廉价的非贵金属催化剂引起了广泛的关注。本文以壳聚糖作为一种富含氮和碳元素的生物质资源,利用碳浴法成功制备了氮掺杂碳原位负载铜纳米颗粒（Cu/N-C）催化剂。纯壳聚糖碳化得到的样品N-C的比表面积为67.5 m²·g^-1、平均孔径0.14 nm、平均孔体积8.00 m²·g^-1,与之相比,Cu/N-C比表面积可达607.3 m²·g^-1、平均孔径为2.5 nm、平均孔体积为0.40 cm³·g^-1。通过密度泛函理论（DFT）进行计算表明,Cu(111)/N-C的自由能值低于N-C,更有利于氧还原催化进行。在0.1 mol·L^-1 KOH的介质中,Cu/N-C不仅表现出优异的起始和半波电势（分别为0.96 V和0.84 V）,而且还表现出了优异的抗甲醇性能和稳定性,并且Cu元素掺杂量达到1.67wt.%。     

基于CS-GO/AgNPs氯酚分子印迹电化学传感器的构建

以2,4-二氯苯酚(2,4-DCP)为模板分子,吡咯(Py)为功能单体,协同壳聚糖-银纳米粒子氧化石墨烯(CS-GO/AgNPs)复合材料增强电导性,在玻碳电极(GCE)表面制备分子印迹膜,构建了2,4-DCP分子印迹电化学传感器(2,4-DCP-MIECS)并用于水环境中氯酚的特异性识别与检测。通过透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)对GO/AgNPs复合材料进行分析表征,采用循环伏安法(CV)、交流阻抗法(EIS)对电化学传感器进行性能表征。采用差分脉冲伏安法(DPV)对2,4-DCP进行检测,该电化学传感器的线性范围为1.0～1.0×10~3pmol/L,检出限为0.1 pmol/L,该传感器已用于水样品中2,4-DCP的检测。     

纳米壳聚糖修饰的开管毛细管电色谱柱的制备及对碱性蛋白质的分离

采用离子交联法制得纳米壳聚糖粒子溶液,通过静电吸附作用将其修饰于石英毛细管内表面形成涂层毛细管柱.通过场发射扫描电子显微镜观察到毛细管内壁有小丘状突起,表明纳米壳聚糖粒子已吸附于柱内层.检测了不同p H值下的电渗流变化趋势并与裸柱比较,结果显示修饰后的柱电渗流受到明显抑制,并在p H4.7的环境中能产生反向电渗流,该柱在不同p H值下电渗流的相对标准偏差(RSD)6%,日内、日间和柱间的RSD分别为1.46%,4.64%和14.43%,表明柱稳定性较好.通过分离3种中性物质甲苯、苯酚和硫脲考察了该柱的色谱行为,出峰顺序与其极性大小顺序一致,表明纳米涂层起到极性固定相的作用.用该柱成功分离了3种碱性蛋白质溶菌酶、细胞色素c和核糖核酸酶A,柱效分别为39481,42610和245373Plate/m,重现性良好,表明纳米涂层可有效抑制碱性蛋白质的吸附作用.     

pH和还原性双响应性壳聚糖纳米粒子作为药物传输载体

用硫辛酸修饰壳聚糖并制备纳米粒子,用催化量的二硫苏糖醇(DTT)处理得到二硫键交联的壳聚糖纳米粒子.二硫键结构的引入不仅使纳米粒子具有还原相应性,而且还引入疏水基团,疏水性的抗癌药阿霉素和荧光探针荧光素通过疏水作用负载于纳米粒子内.二硫交联结构的形成使负载的阿霉素在没有还原剂的环境中(模拟血液的低还原环境)的释放速率大大减慢,而在10 mmoL/L DTT(模拟细胞内高浓度谷胱甘肽环境)存在下,交联纳米粒子负载的阿霉素快速释放,这可归因于DTT还原二硫键使交联结构破坏.流式细胞实验表明,当介质的pH值由7.4(血液和正常组织pH值)降低到7.0、6.8和6.5(模拟肿瘤组织的微酸性环境)时,交联纳米粒子进入细胞的倾向逐渐增加,这是由于在中性环境中纳米粒子表面是电中性和亲水性的,而在酸性介质中,氨基的质子化使纳米粒子表面带正电荷,zeta电位数据证实这种推断.细胞毒性实验表明,在pH6.5的环境中负载阿霉素的交联纳米粒子对HeLa细胞的毒性大于在pH 7.4时的毒性.     

海藻酸钠-壳聚糖-桑椹红微囊的制备

以海藻酸钠-壳聚糖为复合囊材采用锐孔法制备桑椹红微囊,探讨了海藻酸钠浓度、壳聚糖浓度、Ca Cl2浓度、桑椹红浓度、针头孔径、下滴高度、温度、转速等因素对微囊包封率的影响。确定了最佳制备工艺条件为海藻酸钠浓度4.0%、壳聚糖浓度2.5%、氯化钙浓度2.0%、桑椹红浓度0.50%、针头孔径0.390mm、下滴高度4cm、温度为20℃、转速为300r·min-1。制得的微囊药物含量为11.28%,包封率为88.93%。