基于均相反应的智能窗口--温度响应性自组装羟丁基壳聚糖纳米水凝胶
摘要：基于壳聚糖（CS）的自组装纳米水凝胶因其独特的生物降解性、纳米界面效应和智能响应性而被认为是生物医学、石油化工、农业和食品应用的有前途的平台。然而，大多数壳聚糖衍生物是在非均相体系中制备的，该体系不稳定且对环境不利。在本文中，基于绿色的均相体系（氢氧化钾（KOH）/尿素）合成一系列羟丁基壳聚糖（HBC），这赋予了该衍生物有趣的温度响应相变行为。当温度超过其临界相变温度时，羟丁基壳聚糖可以在去离子水中从溶解状态变为纳米水凝胶状态，并且该过程可以重复进行超过50个循环（一个循环/天）而不会发生凝结。纳米水凝胶溶液表现出浓度和温度依赖的紫外线吸收和可见光调节，在智能窗户中具有巨大的应用潜力。该研究提供了一种新颖的制备方法，并扩展了基于壳聚糖的温度响应性自组装纳米水凝胶的应用。
关键词：均相反应；羟丁基壳聚糖；自组装纳米水凝胶；温度响应；热致变色；智能窗口
- 简介
近年来纳米材料的发展为现代社会的进步提供了强大的动力[1]。其中，聚合物纳米水凝胶在生物医学[2]、农业[3]、石化[4]和食品[5]，其他方面中发挥着关键作用。高分子纳米水凝胶从其原料来源可分为两类，包括合成高分子纳米水凝胶和天然高分子纳米水凝胶。与合成高分子相比，天然高分子以其环境友好性和可持续性成为研究和应用的热点[6]。广泛使用的天然聚合物包括纤维素[7]、甲壳素[8]、明胶[9]、透明质酸[10]和壳聚糖[11]。其中，从环境或生物医学的角度来看，壳聚糖是最具商业价值的聚合物之一[12]。采用甲壳素脱乙酰法制备壳聚糖，其分子链与N-乙酰-D-氨基葡萄糖和D-氨基葡萄糖交替聚合[13]。作为自然界中唯一的多阳离子多糖，壳聚糖具有生物降解性、抑菌性、抗氧化性、促进伤口愈合、止血性、重金属离子吸附等多种性能，它广泛应用于各个领域[14]。壳聚糖是制备两亲性自组装纳米水凝胶的最佳选择，因为它含有丰富的亲水（羟基和氨基）和疏水（乙酰氨基）基团分子链[15]。然而，在壳聚糖中，这些官能团之间形成了坚硬的结晶区和强大的氢键相互作用，导致其在水中的不溶性[16]。
化学改性技术是克服上述缺陷的有效手段。该技术不仅可以解决壳聚糖的溶解问题，而且可以调节壳聚糖分子链上亲水基团和疏水基团的比例，这对于壳聚糖分子链的制备至关重要[17]。在过去几十年中，已经合成了各种水溶性壳聚糖衍生物，用于制备自组装的纳米水凝胶，包括O-羧甲基酸盐[18]、N-乙酰组氨酸-共轭乙二醇CS[19]、壳聚糖-维生素E琥珀酸酯共聚物[20]和CS-g-聚乙烯（丙交酯）[21]等。羟丁基壳聚糖是一种具有优异的生物相容性和温度敏感性的烷基化壳聚糖衍生物，已被广泛用于药物递送[22]、瘢痕修复[23][24]、伤口修复[25]、细胞3D培养[26]、组织抗粘连[27]，等等。传统的制备方法通常涉及高温、有机试剂、强酸和异质环境中的碱，这对环境和实验人员具有极大的安全隐患[28]。另外，较低的浓度和不稳定性也是壳聚糖自组装纳米水凝胶临床应用的主要障碍。我们之前的研究报告了一种绿色、可持续和高效的甲壳素/壳聚糖溶解系统（KOH/脲）[29][30]。在最近的研究中，zhou等人，基于均相反应系统（KOH /LiOH /脲）合成了羟丁基壳聚糖，并探索了其生物相容性和温度响应性[31]。毫无疑问，这是羟丁基壳聚糖制备过程中的一项巨大创新。然而，均相修饰的羟丁基壳聚糖的温度响应相变机理及其应用领域仍然需要解释和探索。
在这里，水溶性壳聚糖衍生物（具有不同取代度（DS）的HBC称为HBC-1，HBC-2和HBC-3）是在均相反应系统（KOH/尿素溶解系统）中，采用一步烷基化改性制备的。与传统的温度敏感材料相比，如聚（2-甲基-2-恶唑啉）[32]、（2-乙基-2-恶唑啉）[33]、壳聚糖/beta;-甘油磷酸酯[34]、壳聚糖-g-聚（N-乙烯基己内酰胺）[35]和非均相HBC[36]。均相改性的HBC具有以下优点：制备过程绿色、简单、稳定、均匀；产品具有良好的生物相容性和降解性；合成的HBC纳米水凝胶可以实现温度变化下的可逆自组装和解离；具有稳定可控的热致变色特性。HBC的结构表征通过傅里叶变换红外光谱（FTIR），氢核磁共振（NMR），元素分析（EA），碳核磁共振（NMR）和X射线衍射（XRD）进行验证。HBC纳米水凝胶的形貌和组装机理通过原子力显微镜（AFM），扫描电子显微镜（SEM），透射电子显微镜（TEM）和动态光散射（DLS）来测定。此外，HBC纳米水凝胶在紫外线吸收和可见光调节方面表现出出色的能力。本文为壳聚糖自组装纳米水凝胶的制备开发了一种绿色稳定的体系，并拓宽了其应用领域。
- 材料和方法
2.1材料
将CS（山东莱州海利生物制品，Mw（粘度平均分子量）=1150KDa，DD=85.7%）溶于500ml乙酸溶液（1%v/v）中，通过离心[37]除去不溶物。然后，用KOH中和溶液，并冷冻干燥进行表征。KOH、环氧丁烷、尿素等化学试剂均购自中国化工试剂公司，无需进一步处理。
