殼聚糖季銨鹽及其衍生物的應用研究進展

1 前言

甲殼素是世界上第二大來源豐富的天然多糖，一般存在于甲殼動物、昆蟲、軟體動物器官和真菌中，是由β-(1→4)-2-乙酰氨基-2-脫氧-D-葡萄糖(GlcNAc)作為重復單元聚合而成。殼聚糖由甲殼素轉(zhuǎn)化而來，是GlcNAc與β-(1→4)-2-氨基-2-脫氧-D-葡萄糖(GlcN)的共聚物，其中GlcN的含量超過50%[1]。甲殼素在堿性條件下水解得到殼聚糖，然而，大多數(shù)殼聚糖不是完全乙?；?，因此，經(jīng)常用乙?；潭?DDA)來表示殼聚糖。

甲殼素和殼聚糖具有無毒、可生物相容和可生物降解等特點，引起了人們的廣泛關注。但由于甲殼素不溶于水和大部分有機溶劑、殼聚糖僅溶于稀的有機酸，甲殼素和殼聚糖的應用受到了很大限制。為了提高殼聚糖的溶解度并改善其理化及生物學特性，以擴大其應用范圍，有必要對殼聚糖進行化學修飾[2]。由于存在可反應的羥基和氨基，殼聚糖容易進行如季銨化(圖1)、?；?、羧基化、醚化等化學修飾。殼聚糖季銨鹽及其衍生物是殼聚糖經(jīng)化學修飾后的產(chǎn)物，使殼聚糖季銨化的化學試劑有碘甲烷、縮水甘油醚三甲基酰氯及其它季銨化因子等。作者在此綜述了殼聚糖季銨鹽及其衍生物的應用前景。

圖1 殼聚糖的季銨化反應

2 殼聚糖季銨鹽及其衍生物的應用

2.1 抗菌活性

殼聚糖顯示出優(yōu)良抗菌性能。迄今為止，殼聚糖及其衍生物的抗菌機制仍存在爭議，最可行的機制是：殼聚糖骨架所帶正電荷與微生物細胞膜所帶負電荷之間的靜電作用破壞了細胞膜，從而導致蛋白質(zhì)及細胞其它成分的泄漏。這一現(xiàn)象可以用掃描電子顯微鏡觀察到[3]。但是，殼聚糖僅在酸性介質(zhì)中表現(xiàn)出抗菌活性，而在其它pH值條件下溶解性差。將季銨基引入到殼聚糖骨架中，可以改善其在水中的溶解度，殼聚糖季銨鹽衍生物是一種可以在生理條件下被吸收的新型殼聚糖衍生物。

李淑榮[4]探索了一種含季銨離子的殼聚糖接枝共聚物(Chitosan-g-DMAE-BC)的抗菌機理。結果發(fā)現(xiàn),殼聚糖季銨鹽衍生物作用于大腸桿菌和金黃色葡萄球菌15 min,殺菌率分別為99.70%和87.40%，表明殼聚糖季銨鹽衍生物有較強的滅菌作用。

Kim等[5]發(fā)現(xiàn)殼聚糖季銨鹽衍生物中烷基取代基鏈越長，其抗菌活性越強。另外，殼聚糖季銨鹽衍生物在酸性介質(zhì)中的抗菌活性強于在水中的活性，且抗菌活性隨酸濃度的增大而提高。在醋酸溶液中，N-(3-吡啶甲基)殼聚糖濃度為最大有效濃度(EC50)的一半，即分別為2.18 mg·mL-1、0.80 mg·mL-1和2.23 mg·mL-1時，對土傳病原真菌、稻瘟病菌、腐霉和枯萎病顯示出殺菌活性[6]。當N-(3-吡啶甲基)殼聚糖用量為3 mg·g-1時，對棉花葉蟲、斜紋夜蛾幼蟲顯示出生長抑制作用和拒食作用。由此可見，與殼聚糖相比，N-(3-吡啶甲基)殼聚糖具有較高的殺菌、殺蟲活性。

Kumar等[7]研究發(fā)現(xiàn)，在醋酸溶液中，殼聚糖席夫堿、殼聚糖-4-吡啶衍生物和殼聚糖-2,6-吡啶衍生物對大腸桿菌(ATCC 9637)、銅綠假單胞菌(ATCCBAA 427)、金黃色葡萄球菌(ATCC 25923)、肺炎克雷伯菌(ATCC 7736)、白色念珠菌、隱球菌、申克孢子絲菌、毛癬菌、煙曲霉和近平滑念珠菌(ATCC 22019)顯示出抗細菌和抗真菌活性，它的最低抑菌濃度(MIC50)≥50 μg·mL-1。

Sajomsang等[8]指出，在水中，季銨化N-(4-吡啶甲基)殼聚糖氯化物(QPyMeC)對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的MIC90為64～128 μg·mL-1。

2.2 基因運載

基因治療是將治療基因插入到個體的細胞或組織中以取代有缺陷的、因疾病丟失的或未表達的基因。一般來說，基因運載有兩種方式：病毒運載和非病毒運載。

非病毒運載因其安全性好而在基因治療領域贏得了廣泛的關注。殼聚糖季銨鹽作為一種新型生物材料,具有作為基因載體的潛質(zhì)，已報道的有：含不同芳基的季銨化殼聚糖(TMC)[9]、殼聚糖N-內(nèi)銨鹽[10]、季銨化N-(4-N，N-二甲基氨基芐基)殼聚糖氯化物(QDMBzC)[11]及脫氧膽酸共軛殼聚糖寡糖[12]等。目前，研究人員正致力于高轉(zhuǎn)染效率的殼聚糖衍生物的研究。

鐘婧等[13]研究發(fā)現(xiàn)，殼聚糖季銨鹽納米粒能轉(zhuǎn)入人胚腎T細胞，雖然轉(zhuǎn)染效率略遜于聚乙烯亞胺，但是細胞毒性明顯小于聚乙烯亞胺。殼聚糖季銨鹽納米粒轉(zhuǎn)染細胞72 h后效率較高，經(jīng)綜合分析，pcDNA質(zhì)量為2 μg、殼聚糖季銨鹽和pcDNA以質(zhì)量比5∶1結合形成的納米粒，在無血清條件下對人胚腎T細胞進行轉(zhuǎn)染，轉(zhuǎn)染效率最高。

Sajomsang等[14]研究聚合物的結構在不同季銨化殼聚糖的基因轉(zhuǎn)染中的作用，這些殼聚糖季銨鹽包括TMC、季銨化N-(4-N，N-二甲基氨基苯丙烯鹽基)氯化殼聚糖(QDMCMC)、QDMBzC和QPyMeC。他們發(fā)現(xiàn)，這幾種季銨化殼聚糖對Huh7細胞的基因轉(zhuǎn)染效率由高到低依次為：QPyMeC>QDMBzC>TMC>QDMCMC。這可能是因為，與其它殼聚糖季銨鹽衍生物相比，吡啶上的正電荷能通過共振效應去定域化，從而加強與DNA的凝聚作用。

2.3 給藥系統(tǒng)

粘膜粘附給藥系統(tǒng)是殼聚糖季銨鹽在生物醫(yī)學領域中的重要應用之一。粘膜粘附給藥系統(tǒng)能延長藥物在作用位點或吸收位點的停留時間，有助于藥物與主要吸收部位表面的充分接觸，從而改進藥性并提高藥效。

孫多先等[15]以N-羥丙基三甲基季銨化殼聚糖(HTCC)處理了中藥材紅花的水提液,發(fā)現(xiàn)當其濃度為0.05～0.25 g·L-1時,濁度去除率在95%以上,而藥液的指標成分紅花黃色素的保留率則在76%以上,這說明HTCC能有效除去藥液中的雜質(zhì)而保留其有效成分。

Sajomsang等[11]用粘蛋白粒子法研究了季銨化N-(4-吡啶甲基)殼聚糖的粘膜粘附作用。他們假設，如果一個聚合物具有粘附特性，那么粘液顆粒表面的物質(zhì)能改變聚合物的附著力。在攪拌之前，粘液粒子的澤塔潛力值是一個負值；通過增加季銨化N-(4-吡啶甲基)殼聚糖的量，粘液顆粒的澤塔潛力值逐漸增大，由負值變?yōu)檎?；當粘液的澤塔潛力值超過臨界值(約為10 mV)時，就會發(fā)生聚集。季銨化N-(4-吡啶甲基)殼聚糖的濃度越高，澤塔潛力值的變化越大。

Kumar等[7]研究了殼聚糖希夫堿的流變學特性，殼聚糖希夫堿由殼聚糖與4-吡啶或2,6-吡啶在室溫下發(fā)生凝膠反應得到。他們發(fā)現(xiàn)，在剪切速率為0～20 000 s-1范圍內(nèi)，粘度隨著剪切速率加快而迅速降低，這種效應被稱為剪切變稀效應。隨著掃描頻率的增大，儲能模量(G′)和損耗模量(G″)都急劇增加，結果伴隨著殼聚糖4-吡啶或2,6-吡啶衍生物活性的改變。

2.4 抗凝血材料

抗凝血材料的開發(fā)是研制各種與血液相接觸的人工器官所迫切需要解決的問題。改善材料的血液相容性有兩條基本策略，其一是合成對血液完全呈惰性的新材料；其二是對現(xiàn)有機械性能較好、適用范圍較廣的生物材料進行表面修飾以提高其抗凝血性能，而后者更具實用價值。

屠美等[16]在酸性條件下向殼聚糖季銨鹽中加入肝素鈉，以戊二醛作固定劑，然后與殼聚糖攪拌均勻，流延成膜。該復合膜對兔子無毒、無刺激，具有良好的生物相容性、組織相容性和抗凝血性能。

2.5 傳感器

研究發(fā)現(xiàn)，加入硅烷和戊二醛，可將N-(2-吡啶亞甲基烷氧基)殼聚糖修飾成電極分離的壓電石英晶體，該電極適用于酸性、中性甚至堿性條件。在含乙二胺四乙酸(EDTA)的氯化銨緩沖溶液中，可以選擇性地將銀(I)離子從諸多共存的金屬離子中吸附出來。在銀(I)濃度為10～8 nmol·L-1范圍內(nèi)，由銀(I)吸附引起的頻率波動與銀(I)濃度成比例。這種方法操作簡便且具有較高的靈敏度和選擇性[17]。

Rodrigues等[18]制備了一種二價離子和N-(4-吡啶基亞甲基)殼聚糖形成的配合物并研究了其特點，發(fā)現(xiàn)此配合物可應用于傳感器和電化學生物傳感器領域。

2.6 金屬離子吸附及廢水處理

殼聚糖是一種吸附材料，這是由于其骨架上的伯氨基能作為金屬離子的結合位點。殼聚糖經(jīng)季銨化，不僅能避免其在酸性介質(zhì)(pH<2)中溶解，還能增強吸附能力。相比殼聚糖而言，N-(2-吡啶甲基)殼聚糖能選擇性吸附一些過渡金屬離子。

Rodrigues等[19]研究了N-(2-吡啶甲基)殼聚糖和N-(4-吡啶甲基)殼聚糖與銅(Ⅱ)形成配合物的選擇性螯合能力。結果表明，N-(2-吡啶甲基)殼聚糖的吸附能力約是N-(4-吡啶甲基)殼聚糖的2.5倍。

Hu等[20]將叉乙二胺合鈷(CoSalen)固定于N-(4-吡啶乙胺)殼聚糖上，用作氧氣氧化3,4-二羥基苯丙氨酸多巴的催化劑。他們發(fā)現(xiàn)，N-(4-吡啶亞甲基)殼聚糖與鈷形成的配合物的催化效率比其它物質(zhì)都高。

Dhakal等[21]合成了N-(2-吡啶甲基)殼聚糖，然后絡合鎳(Ⅱ)和銅(Ⅱ)印跡其幾何平面，再交聯(lián)2-氯環(huán)氧乙烷，他們發(fā)現(xiàn)，相比其它殼聚糖，N-(2-吡啶甲基)殼聚糖吸附金屬離子所要求的pH值要低得多，并且還能增強印跡材料平整度的識別性能，能從金屬離子混合物中選擇性吸附鈀(Ⅱ)、金(Ⅲ)、銅(Ⅱ)和鎳(Ⅱ)。

黃瑞華等[22]制備了季銨化殼聚糖/PAN復合納濾膜，該復合膜對不同類型的無機鹽呈現(xiàn)不同的截留規(guī)律，尤其對鈣、鎂高價陽離子有很高的截留率，可用于脫鈣、脫鎂及硬水的軟化。

研究表明，對殼聚糖進行季銨化改性，得到的殼聚糖季銨鹽絮凝性能優(yōu)于殼聚糖，是一種具有良好反應活性的高分子絮凝劑，這是因為季銨化能提高殼聚糖的正電性和陽離子強度，pH值適用范圍廣。

肖玲等[23]對殼聚糖季銨鹽進一步改良，將其適當交聯(lián)，與常用的低成本聚合鋁進行復配，發(fā)現(xiàn)殼聚糖季銨鹽絮凝效果與取代度有關，取代度在85%時絮凝效果較好。用復合絮凝劑對造紙廢水和味精廢水進行處理，濁度去除率高達95%，COD去除率達38%。復合絮凝劑具有好的除濁效果，投藥量低，pH值適用范圍廣，在達到良好的除濁效果的同時還降低了殘留鋁的濃度，減少了對人和環(huán)境的危害。

3 結語

目前，殼聚糖季銨鹽及其衍生物已經(jīng)在許多領域中被廣泛應用，這是因為它們較原始殼聚糖具有以下優(yōu)勢：第一，水溶性有較寬的pH值范圍，如中性、酸性甚至堿性，此特性一方面拓展了其作為藥物載體的適用范圍，另一方面作為抗菌創(chuàng)傷材料的抗菌性和吸水性也得到提高；第二，聚合物骨架上存在強正電荷，使殼聚糖季銨鹽復合物不僅可以作為基因載體、抗菌、抗凝血、水處理等材料，而且由于季銨基比氨基具有更強的靜電吸引力，使其在吸附負電荷藥物或基因時表現(xiàn)出更高的載藥量，廢水處理應用的耐久性、絮凝效果也更好；第三，溫度、pH值響應性好，且藥物突釋量比殼聚糖復合物小，可作靶向給藥或長期給藥載體?，F(xiàn)在，研究人員已提出各種殼聚糖季銨鹽及其衍生物的合成路線，并嘗試合成一系列生物學特性改良的殼聚糖季銨鹽衍生物以應用于特殊領域。

參考文獻：

[1] Muzzarelli R A A.Chitin[M].Oxford:Pergamon Press.1997：56-68.

[2] Mourya V K,Inamdar Nazma N.Chitosan-modifications and applications:Opportunities galore[J].Reactive and Functional Polymers,2008,68(6):1013-1051.

[3] Chung Y C,Chen C Y.Antibacterial characteristics and activity of acid-soluble chitosan[J].Bioresource Technology,2008,99(8):2806-2814.

[4] 李淑榮.殼聚糖季銨鹽衍生物抗菌機理的初步研究[J].信陽師范學院學報,2008,21(4)：509-511.

[5] Kim C H,Choi K S.Synthesis and antibacterial activity of quaternized chitosan derivatives having different methylene spacers[J].Journal of Industrial and Engineering Chemistry,2002,8(1):71-76.

[6] Badawy M E.Chemical modification of chitosan:Synthesis and biological activity of new heterocyclic chitosan derivatives[J].Polymer International,2008,57(2):254-261.

[7] Kumar S,Dutta J,Dutta P K.Preparation and characterization ofN-heterocyclic chitosan derivative based gels for biomedical applications[J].International Journal of Biological Macromolecules,2009,45(4):330-337.

[8] Sajomsang W,Tantayanon S,Tangpasuthadol V H.Synthesis of methylated chitosan containing aromatic moieties:Chemoselectivity and effect on molecular weight[J].Carbohydrate Polymers,2008,72(4):740-750.

[9] Thanou M,Florea B I,Geldof M,et al.Quaternized chitosan oligomers as novel gene delivery vectors in epithelial cell lines[J].Biomaterials,2002,23(1):153-159.

[10] Rojanarata T,Petchsangsai M,Opanasopit P,et al.MethylatedN-(4-N,N-dimethylaminobenzyl) chitosan for novel effective gene carriers[J].European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics,2008,70(1):207-214.

[11] Sajomsang W,Gonil P,Saesoo S.Synthesis and antibacterial activity of methylatedN-(4-N,N-dimethylaminocinnamyl) chitosan chloride[J].European Polymer Journal,2009,45(8):2319-2328.

[12] Sajomsang W,Ruktanonchai U,Gonil P,et al.MethylatedN-aryl chitosan derivative/DNA complex nanoparticles for gene delivery:Synthesis and structure-activity relationships[J].Carbohydrate Polymers,2009,78(4):743-752.

[13] 鐘婧,何卓晶,陶薇,等.殼聚糖季銨鹽作為基因遞送載體的初步研究[J].中國組織工程研究與臨床康復,2009,13(12)：2373-2377.

[14] Sajomsang W,Rungsardthong Ruktanonchai U,Gonil P,et al.Mucoadhesive property and biocompatibility of methylatedN-aryl chitosan derivatives[J].Carbohydrate Polymers,2009,78(4):945-952.

[15] 孫多先,徐正義,張曉行.季銨鹽改性殼聚糖的制備及其對紅花提取液的澄清效果[J].石油化工,2003,32(10):892-895.

[16] 屠美,崔瑩,周長忍,等．肝素化殼聚糖季銨鹽/殼聚糖復合膜抗凝血性能的研究[J].功能高分子學報,1997,10(3)：329-332.

[17] Bao S,Nomura T.Silver-selective sensor using an electrode-separated piezoelectric quartz crystal modified with a chitosan derivative[J].Analytical Sciences,2002,18(8):881-885.

[18] Rodrigues C A,Laranjeira M C M,Stadler E,et al.Preparation and characterization of the pentacyanoferrate(Ⅱ) on the surface ofN-(4-pyridilmethylidene)chitosan[J].Carbohydrate Polymers,2000,42(3):311-314.

[19] Rodrigues C A,Laranjeira M C M,de Favere V T,et al.Interaction of Cu (Ⅱ) onN-(2-pyridylmethyl) andN-(4-pyridylmethyl) chitosan[J].Polymer,1998,39(21):5121-5126.

[20] Hu D,Cui Y L,Dong X L,et al.Studies on CoSalen immobilized ontoN-(4-pyridylmethylidene) chitosan[J].Reactive and Functional Polymers,2001,48(1-3):201-207.

[21] Dhakal R P,Oshima T,Baba Y.Planarity-recognition enhancement ofN-(2-pyridylmethyl)chitosan by imprinting planar metal ions[J].Reactive and Functional Polymers,2008,68(11):1549-1556.

[22] 黃瑞華,陳國華,王娟.新型季銨化殼聚糖/聚丙烯腈(PAN)復合納濾膜的制備及其截留性能研究[J].現(xiàn)代化工,2006,26(S1)：204-208．

[23] 肖玲,張婧．交聯(lián)殼聚糖季銨鹽與聚合鋁復合的絮凝效果研究[J]．環(huán)境科學與技術,2006,29(10)：34-36．