一种水溶性硫醇化壳聚糖的制备方法和应用

摘要

本发明提供一种水溶性硫醇化壳聚糖的制备方法和应用，在一定质量浓度的醋酸水溶液中加入一定质量的壳聚糖，在不同的催化剂作用下，缓慢滴加一定物质的量浓度的1‑巯甲基环丙基乙酸的二甲基亚砜溶液，经透析后得到一种水溶性硫醇化的壳聚糖化合物，该化合物8小时内对大肠杆菌的抗菌效果为38.55%。本发明制备的硫醇化壳聚糖具有水溶性好，合成方法简单，反应条件温和等优点，避免了常用抗菌材料在不同pH环境下水溶性弱和抗菌效果差的问题，为抑制大肠杆菌的生长和繁殖提供了新型的材料，适合规模化生产和应用，在医疗领域有较好的应用价值。

权利要求

1.一种水溶性硫醇化壳聚糖的制备方法，其特征在于：反应方程式如式I所示： 式I在一定质量浓度的醋酸水溶液100 mL中加入一定质量的壳聚糖，在不同的催化剂作用下，缓慢滴加一定质量的1‑巯甲基环丙基乙酸/二甲基亚砜溶液20 mL，用物质的量浓度为

0.1 mol/L的氢氧化钠溶液调节pH值，在一定温度下反应一段时间，将混合液装入透析袋中透析，冷冻干燥后得到水溶性硫醇化壳聚糖。

2.根据权利要求1所述的一种水溶性硫醇化壳聚糖的制备方法，其特征在于：所述醋酸水溶液的质量浓度为0.3 0.5%。

~

3.根据权利要求1所述的一种水溶性硫醇化壳聚糖的制备方法，其特征在于：所述壳聚糖和醋酸的质量浓度为0.8 g/100 mL 1.2 g/100 mL。

~

4.根据权利要求1所述的一种水溶性硫醇化壳聚糖的制备方法，其特征在于：用作催化剂的有1‑乙基‑(3‑二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐(EDC•HCl)，N‑羟基琥珀酰亚胺(NHS)和二环己基碳二亚胺(DCC)，1‑巯甲基环丙基乙酸、EDC•HCl和NHS的质量比为1: 1.2: (0.3

0.5)。

~

5.根据权利要求1所述的一种水溶性硫醇化壳聚糖的制备方法，其特征在于：壳聚糖和

1‑巯甲基环丙基乙酸的质量比为(0.8 1.2):1。

~

6.根据权利要求1所述的一种水溶性硫醇化壳聚糖的制备方法，其特征在于：使用0.1 mol/L的NaOH调节pH至4.5 5.5。

~

7.根据权利要求1所述的一种水溶性硫醇化壳聚糖的制备方法，其特征在于：所述反应温度为20‑80 ℃。

8.根据权利要求1所述的一种水溶性硫醇化壳聚糖的制备方法，其特征在于：所述反应时间为10‑16 h。

说明书

一种水溶性硫醇化壳聚糖的制备方法和应用

技术领域

[0001] 本发明属于药物化学技术领域，涉及一种水溶性硫醇化壳聚糖的制备方法和应用。

背景技术

[0002] 壳聚糖(Chitosan)是一种从甲壳素中提取的氨基多糖，由含有D‑氨基葡萄糖和N‑乙酰‑D‑氨基葡萄糖基的线性氨基多糖组成，壳聚糖分子中存在大量易被修饰的羟基和氨
基，可以进行如酰胺化、羧基化、醚化、烷基化、酯化等反应，壳聚糖具有良好的生物相容性、
可降解性、及低毒性，被广泛应用于水处理、食品、化妆品、医药保健等方面(Food 
chemistry,2018, 254, 217, Journal of Agriculture and Food Chemistry, 2013, 
61, 6574)，然而壳聚糖结构规整、难溶于水、部分结晶、强烈的分子内氢键导致分子量大于
5000的壳聚糖难溶于水，只能溶解于稀酸溶液中，极大限制了其在各个领域的应用。

[0003] 壳聚糖具有广谱的抗菌活性，对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、白色念珠菌等病原微生物有明显的抑制效果(Food control, 2019, 96, 234, Colloids and Surfaces B: 
Biointerfaces, 2018, 172, 338)，目前，壳聚糖作为抗菌剂已经在国内外得到了广泛应
用，但是主要是将壳聚糖与生物制剂或重金属螯合形成复合抗菌剂，水溶性和稳定性差，壳
聚糖的结晶结构被破坏，制备成本高，过程污染大，不能满足当今绿色无毒抗菌剂的要求，
而且大部分结构改性的壳聚糖比表面积较小，无规则的微观结构，很难作为药物载体应用，
因此如何利用壳聚糖广谱的抗菌活性，进行功能化的修饰，制备水溶性和稳定性好的壳聚
糖促进其在药物化学领域中的应用是亟待解决的问题，硫醇化壳聚糖是一种重要的阳离子
硫醇聚合物，水溶性较好，是壳聚糖化学改性的一个研究热点(Journal of Controlled 
Release, 2014, 190)，硫醇化壳聚糖具有良好的生物学特征，可以在体内被完全降解，且
毒副作用较小，这些原因使得硫醇化壳聚糖在生物医药领域有良好的应用前景。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种水溶性硫醇化壳聚糖的制备方法和应用。

[0005] 本发明提供一种水溶性硫醇化壳聚糖的制备方法和应用，其特征在于，反应方程式如式I所示：

[0006]式I

[0007] 在一定质量浓度的醋酸水溶液100 mL中加入一定质量的壳聚糖（分子量为3 5~
万），在不同的催化剂作用下，缓慢滴加一定质量的1‑巯甲基环丙基乙酸/二甲基亚砜溶液
20 mL，用物质的量浓度为0.1 mol/L的氢氧化钠溶液调节pH值，在一定温度下反应一段时
间，将混合液装入透析袋中透析，冷冻干燥后得到水溶性硫醇化壳聚糖。

[0008] 本发明所述醋酸水溶液的质量浓度为0.3 0.5%，其中优选为0.33%：~

[0009] 本发明所述壳聚糖和醋酸的质量浓度为0.8 g/100 mL 1.2 g/100 mL，其中优选~
为1.0 g/100 mL。

[0010] 本发明所述催化剂的有1‑乙基‑(3‑二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐(EDC•HCl)，N‑羟基琥珀酰亚胺(NHS)和二环己基碳二亚胺(DCC)，其中优选EDC•HCl和NHS两种催化剂，
1‑巯甲基环丙基乙酸、EDC•HCl和NHS的质量比为1: 1: (0.3 0.5)，其中优选为1:1.2:0.4。
~

[0011] 本发明所述壳聚糖和1‑巯甲基环丙基乙酸的质量比为(0.8 1.2) :1，其中优选1:~
1，

[0012] 本发明所述使用0.1 mol/L的NaOH调节pH至4.5 5.5，其中优选pH=5.0，~

[0013] 本发明所述所述反应温度为20‑80 ℃，其中优选反应温度为20 ℃，

[0014] 本发明所述所述反应时间为10‑16 h，其中优选反应时间为12 h。

[0015] 本发明提供一种水溶性硫醇化壳聚糖的制备方法和应用，制备的硫醇化壳聚糖具有水溶性好，合成方法简单，反应条件温和等优点，在不同pH范围内都有良好的溶解性，而
且表面结构多孔，微观结构均匀，热稳定性显著提高，可以优良的作为药物载体。

附图说明

[0016] 本发明有如下4幅附图：

[0017] 图1为本发明中水溶性硫醇化壳聚糖的热稳定性图，

[0018] 图2为本发明中水溶性硫醇化壳聚糖的扫描电镜图，

[0019] 图3为本发明中水溶性硫醇化壳聚糖的扫描电镜放大图，

[0020] 图4为本发明中水溶性硫醇化壳聚糖的细菌生长曲线图。

具体实施方式

[0021] 为了使本发明的技术手段更易于了解，下面结合具体实施例进一步进行描述，但本发明的实施方式不限于此。

[0022] 实施例1

[0023] 将壳聚糖加入到质量浓度为0.33%的醋酸水溶液中, 使壳聚糖在壳聚糖酸溶液中的质量浓度为10 mg/mL，将1.0 g 1‑巯甲基环丙基乙酸溶解于20 mL的二甲基亚砜中，加入
1.2 g EDC•HCl和0.4 g NHS，震荡溶解，将溶解后的1‑巯甲基环丙基乙酸缓慢滴加到壳聚
糖溶液中，用0.1 mol/L的NaOH调节pH至5.0，在20 ℃下反应12 h后得到的溶液装入透析袋
中，透析冷冻干燥得到硫醇化壳聚糖样品，8 h内对大肠杆菌的抑制率为38.55%。

[0024] 实施例2

[0025] 将壳聚糖加入到质量浓度为0.33%的醋酸水溶液中, 使壳聚糖在壳聚糖酸溶液中的质量浓度为8 mg/mL，将1.0 g 1‑巯甲基环丙基乙酸溶解于20 mL 二甲基亚砜中，加入
1.2 g EDC•HCl和0.4 g NHS，震荡溶解，将溶解后的1‑巯甲基环丙基乙酸缓慢滴加到壳聚
糖溶液中，用0.1 mol/L的NaOH调节pH为5.0，在20 ℃下反应12h后得到的溶液装入透析袋
中，透析冷冻干燥得到硫醇化壳聚糖样品，8 h内对大肠杆菌的抑制率为30.67%。

[0026] 实施例3

[0027] 将壳聚糖加入到质量浓度为0.33%的醋酸水溶液中, 使壳聚糖在壳聚糖酸溶液中的质量浓度为12 mg/mL，将1.0 g 1‑巯甲基环丙基乙酸溶解于20 mL 二甲基亚砜中，加入
1.2 g EDC•HCl和0.4 g NHS，震荡溶解，将溶解后的1‑巯甲基环丙基乙酸缓慢滴加到壳聚
糖溶液中，用0.1 mol/L的NaOH调节pH=5.0，在20 ℃下反应12h后得到的溶液装入透析袋
中，透析冷冻干燥得到硫醇化壳聚糖样品，8 h内对大肠杆菌的抑制率为29.83%。

[0028] 实施例4

[0029] 将壳聚糖加入到质量浓度为0.3%的醋酸水溶液中, 使壳聚糖在壳聚糖酸溶液中的质量浓度为10 mg/mL，将1.0 g 1‑巯甲基环丙基乙酸溶解于20 mL 二甲基亚砜中，加入
1.2 g EDC•HCl和0.4 g NHS，震荡溶解，将溶解后的1‑巯甲基环丙基乙酸缓慢滴加到壳聚
糖溶液中，用0.1 mol/L的NaOH调节pH=5.0，在20 ℃下反应12 h后得到的溶液装入透析袋
中，透析冷冻干燥得到硫醇化壳聚糖样品，8 h内对大肠杆菌的抑制率为27.5%。

[0030] 实施例5

[0031] 将壳聚糖加入到质量浓度为0.5%的醋酸水溶液中, 使壳聚糖在壳聚糖酸溶液中的质量浓度为12 mg/mL，将1.0 g 1‑巯甲基环丙基乙酸溶解于20 mL 二甲基亚砜中，加入
1.2 g EDC•HCl和0.4 g NHS，震荡溶解，将溶解后的1‑巯甲基环丙基乙酸缓慢滴加到壳聚
糖溶液中，用0.1 mol/L的NaOH调节pH=5.0，在20 ℃下反应12 h后得到的溶液装入透析袋
中，透析冷冻干燥得到硫醇化壳聚糖样品，8 h内对大肠杆菌的抑制率为26.79%。

[0032] 实施例6

[0033] 将壳聚糖加入到质量浓度为0.33%的醋酸水溶液中, 使壳聚糖在壳聚糖酸溶液中的质量浓度为10 mg/mL，将1 g 1‑巯甲基环丙基乙酸溶解于20 mL 二甲基亚砜中，加入1.2 
g EDC•HCl和0.4 g NHS，震荡溶解，将溶解后的1‑巯甲基环丙基乙酸缓慢滴加到壳聚糖溶
液中，用0.1 mol/L的NaOH调节pH=4.5，在20 ℃下反应12 h后得到的溶液装入透析袋中，透
析冷冻干燥得到硫醇化壳聚糖样品，8 h内对大肠杆菌的抑制率为33.72%。

[0034] 实施例7

[0035] 将壳聚糖加入到质量浓度为0.33%的醋酸水溶液中, 使壳聚糖在壳聚糖酸溶液中的质量浓度为10 mg/mL，将1 g 1‑巯甲基环丙基乙酸溶解于20 mL 二甲基亚砜中，加入1.2 
g EDC•HCl和0.4 g NHS，震荡溶解，将溶解后的1‑巯甲基环丙基乙酸缓慢滴加到壳聚糖溶
液中，用0.1 mol/L的NaOH调节pH=5.5，在20 ℃下反应12 h后得到的溶液装入透析袋中，透
析冷冻干燥得到硫醇化壳聚糖样品，8 h内对大肠杆菌的抑制率为34.23%。

[0036] 实施例8

[0037] 将壳聚糖加入到质量浓度为0.33%的醋酸水溶液中, 使壳聚糖在壳聚糖酸溶液中的质量浓度为10 mg/mL，将1.0 g 1‑巯甲基环丙基乙酸溶解于20 mL 二甲基亚砜中，加入
1.2 g EDC•HCl和0.4 g NHS，震荡溶解，将溶解后的1‑巯甲基环丙基乙酸缓慢滴加到壳聚
糖溶液中，用0.1 mol/L的NaOH调节pH=5.0，在20 ℃下反应12 h后得到的溶液装入透析袋
中，透析冷冻干燥得到硫醇化壳聚糖样品，8 h内对大肠杆菌的抑制率为24.51%。

[0038] 实施例9

[0039] 将壳聚糖加入到质量浓度为0.33%的醋酸水溶液中, 使壳聚糖在壳聚糖酸溶液中的质量浓度为10 mg/mL，将1 g 1‑巯甲基环丙基乙酸溶解于20 mL 二甲基亚砜中，加入1.2 
g EDC•HCl和0.4 g NHS，震荡溶解，将溶解后的1‑巯甲基环丙基乙酸缓慢滴加到壳聚糖溶
液中，用0.1 mol/L的NaOH调节pH=5.0，在20 ℃下反应12 h后得到的溶液装入透析袋中，透
析冷冻干燥得到硫醇化壳聚糖样品，8 h内对大肠杆菌的抑制率为34.51%。

[0040] 实施例10

[0041] 将壳聚糖加入到质量浓度为0.33%的醋酸水溶液中, 使壳聚糖在壳聚糖酸溶液中的质量浓度为10 mg/mL，将1 g 1‑巯甲基环丙基乙酸溶解于20 mL 二甲基亚砜中，加入1.2 
g EDC•HCl和0.4 g NHS，震荡溶解，将溶解后的1‑巯甲基环丙基乙酸缓慢滴加到壳聚糖溶
液中，用0.1 mol/L的NaOH调节pH=5.0，在20 ℃下反应12 h后得到的溶液装入透析袋中，透
析冷冻干燥得到硫醇化壳聚糖样品，8 h内对大肠杆菌的抑制率为23.80%。

[0042] 实施例11

[0043] 将壳聚糖加入到质量浓度为0.33%的醋酸水溶液中, 使壳聚糖在壳聚糖酸溶液中的质量浓度为10 mg/mL，将1 g 1‑巯甲基环丙基乙酸溶解于20 mL 二甲基亚砜中，加入1.2 
g EDC•HCl和0.4 g NHS，震荡溶解，将溶解后的1‑巯甲基环丙基乙酸缓慢滴加到壳聚糖溶
液中，用0.1 mol/L的NaOH调节pH=5.0，在20 ℃下反应12 h后得到的溶液装入透析袋中，透
析冷冻干燥得到硫醇化壳聚糖样品，8 h内对大肠杆菌的抑制率为26.43%。

[0044] 实施例12

[0045] 将壳聚糖加入到质量浓度为0.33%的醋酸水溶液中, 使壳聚糖在壳聚糖酸溶液中的质量浓度为10 mg/mL，将1.0 g 1‑巯甲基环丙基乙酸溶解于20 mL的二甲基亚砜中，加入
1.2 g EDC•HCl和0.4 g NHS，震荡溶解，将溶解后的1‑巯甲基环丙基乙酸缓慢滴加到壳聚
糖溶液中，用0.1 mol/L的NaOH调节pH至5.0，在40 ℃下反应12 h后得到的溶液装入透析袋
中，透析冷冻干燥得到硫醇化壳聚糖样品，8 h内对大肠杆菌的抑制率为18.45%。

[0046] 实施例13

[0047] 将壳聚糖加入到质量浓度为0.33%的醋酸水溶液中, 使壳聚糖在壳聚糖酸溶液中的质量浓度为10 mg/mL，将1.0 g 1‑巯甲基环丙基乙酸溶解于20 mL的二甲基亚砜中，加入
1.2 g EDC•HCl和0.4 g NHS，震荡溶解，将溶解后的1‑巯甲基环丙基乙酸缓慢滴加到壳聚
糖溶液中，用0.1 mol/L的NaOH调节pH至5.0，在80 ℃下反应12 h后得到的溶液装入透析袋
中，透析冷冻干燥得到硫醇化壳聚糖样品，8 h内对大肠杆菌的抑制率为20.46%。

[0048] 实施例14

[0049] 将壳聚糖加入到质量浓度为0.33%的醋酸水溶液中, 使壳聚糖在壳聚糖酸溶液中的质量浓度为10 mg/mL，将1.0 g 1‑巯甲基环丙基乙酸溶解于20 mL的二甲基亚砜中，加入
1.2 g EDC•HCl和0.4 g NHS，震荡溶解，将溶解后的1‑巯甲基环丙基乙酸缓慢滴加到壳聚
糖溶液中，用0.1 mol/L的NaOH调节pH至5.0，在20 ℃下反应16 h后得到的溶液装入透析袋
中，透析冷冻干燥得到硫醇化壳聚糖样品，8 h内对大肠杆菌的抑制率为25.68%。

[0050] 实施例15

[0051] 将壳聚糖加入到质量浓度为0.33%的醋酸水溶液中, 使壳聚糖在壳聚糖酸溶液中的质量浓度为10 mg/mL，将1.0 g 1‑巯甲基环丙基乙酸溶解于20 mL的二甲基亚砜中，加入
1.2 g EDC•HCl和0.3 g NHS，震荡溶解，将溶解后的1‑巯甲基环丙基乙酸缓慢滴加到壳聚
糖溶液中，用0.1 mol/L的NaOH调节pH至5.0，在20 ℃下反应16 h后得到的溶液装入透析袋
中，透析冷冻干燥得到硫醇化壳聚糖样品，8 h内对大肠杆菌的抑制率为23.36%。

[0052] 实施例16

[0053] 将壳聚糖加入到质量浓度为0.33%的醋酸水溶液中, 使壳聚糖在壳聚糖酸溶液中的质量浓度为10 mg/mL，将1.0 g 1‑巯甲基环丙基乙酸溶解于20 mL的二甲基亚砜中，加入
1.2 g EDC•HCl和0.24 g NHS，震荡溶解，将溶解后的1‑巯甲基环丙基乙酸缓慢滴加到壳聚
糖溶液中，用0.1 mol/L的NaOH调节pH至5.0，在20 ℃下反应16 h后得到的溶液装入透析袋
中，透析冷冻干燥得到硫醇化壳聚糖样品，8 h内对大肠杆菌的抑制率为29.20%。

[0054] 实施例17

[0055] 水溶性硫醇化壳聚糖抑菌圈直径测试，培养基的组成及配置过程参见国标GB 4789.28‑2013，将大肠杆菌菌液分散到上述未固化的培养基中，将锥形瓶摇匀使细菌浓度
6 
为10 CFU/mL (OD600=0.05)，取其中的20 mL趁热平均分装到4个直径为10 cm的培养皿中，
常温冷却固化，配置pH=5.0的醋酸缓冲溶液，然后分别配置质量浓度为5 mg/L的壳聚糖和
硫醇化壳聚糖溶液，紫外灭菌30 min，另外准备pH=5.0的醋酸缓冲溶液为阴性对照组，只含
有培养基的为空白对照组，取0.1 mL菌液滴加到培养基中间，涂抹均匀，将上述平板放入到
37 ℃恒温培养箱中培养24 h，观察细菌生长情况，

[0056]样品 抑菌圈直径 (mm)
空白对照组 0
阴性对照组 5.02
壳聚糖 6.48
硫醇化壳聚糖 10.86

[0057] 记录抑菌圈直径(mm)，结果如上表。

[0058] 实施例18

[0059] 本发明硫醇化壳聚糖抗菌生长曲线的测定，配置质量浓度为5 mg/L的壳聚糖和硫醇化壳聚糖溶液，紫外灭菌30 min，分别在三个250 mL锥形瓶中加入30 mL培养基和菌液，
6 
使得菌液浓度为10 CFU/mL (OD600=0.05)，在上述3个锥形瓶中分别加入pH=5.0的缓冲溶
液，壳聚糖溶液和硫醇化壳聚糖溶液，充分摇匀，将上述3个锥形瓶放入37 ℃的恒温震荡培
养箱中，每隔2 h取样2 mL，用紫外分光光度计测量600 nm的紫外吸收波长(OD600)，OD600表
示菌液的光密度，在8 h内，对于阴性对照组，壳聚糖的抑菌率为14.82%，本发明制备的硫醇
化壳聚糖的抑菌率为38.55%，通过壳聚糖和1‑巯甲基环丙基乙酸的改性，本发明制备的硫
醇化壳聚糖抑菌效果得到明显提高。

[0060] 实施例19

[0061] 硫醇化壳聚糖在不同pH值下的溶解度，

[0062]  分别准确称取一定质量壳聚糖和硫醇化壳聚糖于试管中，分别加入10 mL的pH=4.25、pH=7.00和pH=10.25的缓冲溶液，在常温下溶解30 min后，倒出上清液分别计算壳聚
糖和硫醇化壳聚糖在不同pH下的溶解度，

[0063]   pH=4.25下的溶解度 pH=7.00下的溶解度 pH=10.25下的溶解度壳聚糖 99.3g/100 mL × ×
硫醇化壳聚糖 99.6 g/100 mL 99.2 g/100 mL 98.7 g/100 mL

[0064] 溶解度根据下列公式计算，溶解度(%)=[(初始壳聚糖+试管的质量)‑(最终壳聚糖+试管的质量)]/[(初始壳聚糖+试管的质量)‑(初始试管的质量)]。