透明質酸粘多糖的分子表征、流變學性質及其物理凝膠的研究.pdf

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

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

3、了詳細的表征，并對透明質酸的流變學性質及其冷凍解凍物理凝膠進行了系統(tǒng)的研究，主要內容及結論如下:
　　對一系列透明質酸樣品的分子參數(shù)（分子量、分子量分布、分子尺寸及分子構象等）的多手段表征進行了系統(tǒng)性的對比研究。結果顯示，對于Mw低于約2×106的樣品來說，粘度法、CG-MALLS、SEC-MALLS、AFlFFF-MALLS和AGE法均能給出準確的表征結果，表征結果所存在的略微差異是由于過濾過程應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表征結果，這是由于透明質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)光散射法進行準確的表征，但是可以反映在AGE法的表征結果中，此外，對于透明質酸在溶液中分子構象的表征，所有表征手段均給出了一致的結果。通過對透明質酸的經(jīng)驗剛性參數(shù)B的比較分析可以得到，透明質酸在水溶液中呈半剛性構象，并且

5、低分子量透明質酸比高分子量透明質酸的剛性更加顯著，通過對AGE法所得分子量分布的峰態(tài)參數(shù)的分析可知，低分子量的透明質酸比高分子量的透明質酸的分子間相互作用或締合能力更強，這與其分子更具剛性的結果相吻合。通過構象圖的分析得出透明質酸存在于θ溶劑(0.1 M NaCl)中，成無擾線團構象。通過蠕蟲狀鏈圓筒模型得到透明質酸在0.1 M NaCl溶液中的單位圍長摩爾質量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。以上結果表明，在所研究的分子量范圍內，透明質酸在0.1 M NaCl中為蠕蟲狀鏈，更加確切為分子鏈呈半剛性線團構象。至于透明質酸的分子量分布，SEC-MALLS和AFlFFF-MALLS可以對Mw＜1×106的樣品進行準確的表征，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本構粘彈模型以及非線性Phan-Thien Tanner(PTT)和Giesekus粘彈本構模型對透明質酸溶液的線性和非線性粘彈性行為分別進行了數(shù)值模擬。結果表明，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酸溶液的流變學行為。此外，透明質酸溶液體系的松弛行為具有濃度依賴性，隨透明質酸濃度的降低，體系平均松弛時間減小

8、。在所研究的濃度范圍內，透明質酸溶液均符合Cox-Merz規(guī)則，此時PTT和Giesekus兩模型均能定量描述透明質酸溶液的剪切變稀行為。
　　鹽離子可以影響透明質酸溶液的流變學性質。當透明質酸溶液中存在1M具有較強鹽析性質的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酸分子間產生相對強的相互作用，并推測透明質酸分子具有一定的

9、疏水性。通過觸變環(huán)實驗可知10 mg/ml透明質酸水溶液及其鹽溶液不具有觸變性。
　　發(fā)現(xiàn)了透明質酸/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酸/玉米纖維膠混合溶液的協(xié)同增粘程度進行了定量描述，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)進行控制。
　　發(fā)現(xiàn)當透明質酸濃度為10

10、 mg/ml時，透明質酸/阿拉伯膠混合溶液在阿拉伯膠濃度為30 mg/ml時不會產生相分離，在阿拉伯膠濃度達到60 mg/ml時會產生相分離現(xiàn)象。通過宏觀觀察、流變和光學顯微鏡實驗確定，透明質酸/阿拉伯膠混合溶液產生相分離后，上層液相為透明質酸富集相，下層液相為阿拉伯膠富集相。透明質酸/阿拉伯膠混合溶液產生相分離的機理可能是因為透明質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，無論透明質酸/阿拉伯膠混合溶液是否

11、產生相分離，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象及球形膠束狀態(tài)所致。
　　流變學、偏光顯微鏡、光學顯微鏡、SEM、XRD、DSC和FTIR光譜學的實驗結果顯示，通過冷凍解凍的方法形成的透明質酸冷凍解凍凝膠屬于物理凝膠的范疇，凝膠的三維結構由網(wǎng)絡結構接合區(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變成冰使

12、得透明質酸的濃度升高，因此使透明質酸分子鏈被迫進行排列，進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)絡結構的接合區(qū)。透明質酸陰離子的質子化對透明質酸分子鏈間的締合來說是必需的，此時透明質酸分子鏈上-COOH和-NHCOCH3基團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晶區(qū)的結構，但是在透明質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|酸分子鏈間氫鍵相互作用可能存在的形式，推斷透明質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晶區(qū)所需的規(guī)整性和完善度，因此無法有效地構建出具有可探測性的微結晶區(qū)。此外發(fā)現(xiàn)了當在初始透明質酸溶液中加入硫酸鈉的濃度達到1M時，溶液調酸后不進行冷凍解凍處理也可形成透明質酸凝膠。
　　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酸疏水性的存在，并且透明質酸分子的疏水相互作用會隨著透明質酸溶液濃度的