改性殼聚糖的研究進(jìn)展及其應(yīng)用前景

莊金娟，王香梅

（中北大學(xué)理學(xué)院，山西太原030051）

改性殼聚糖的研究進(jìn)展及其應(yīng)用前景

莊金娟，王香梅

（中北大學(xué)理學(xué)院，山西太原030051）

簡(jiǎn)要綜述殼聚糖化學(xué)改性和衍生物的研究進(jìn)展,討論了烷基化、酰基化、醚化、酯化、Shiff堿化、季銨鹽化及接枝共聚等化學(xué)改性方法,簡(jiǎn)要介紹了改性殼聚糖在化妝品、醫(yī)學(xué)和環(huán)保方面的應(yīng)用,展望了殼聚糖及其衍生物研究進(jìn)展及應(yīng)用前景,旨在為殼聚糖化學(xué)改性和衍生物的研究提供一定理論基礎(chǔ)。

殼聚糖;改性;衍生物

1 殼聚糖的改性

1.1 烷基化改性

殼聚糖分子上的氨基基團(tuán),攜帶一對(duì)孤對(duì)電子，烷基化反應(yīng)可以在殼聚糖的氨基上進(jìn)行（N-烷基化），生成相應(yīng)的N-烷基化產(chǎn)物。用鹵代烷對(duì)殼聚糖改性，可以制備乙基殼聚糖，丁基殼聚糖，辛基殼聚糖和十六烷基殼聚糖等[1]。殼聚糖的烷基化反應(yīng)主要發(fā)生在C2位的氨基上,C3、C6位的羥基上也可發(fā)生取代反應(yīng)。

在殼聚糖烷基化反應(yīng)中,經(jīng)過改性的烷基化殼聚糖可以完全溶于水、甲醇、乙二醇、1,3-丁二醇、丙三醇，也部分溶解于氯乙醇、丙二醇中,在甲酰、N，N-二甲基甲酰胺、二甲亞砜等溶劑中溶脹。此外通過烷基化改性的殼聚糖，可以改善殼聚糖分子的機(jī)械性能及疏水性質(zhì)。

1.2 ?；男?/h3>

殼聚糖改性通常是指殼聚糖分子上的氨基基團(tuán)和羥基基團(tuán)，與酰氯、酸酐等有機(jī)酸衍生物發(fā)生反應(yīng)，在大分子鏈上導(dǎo)入不同分子量的脂肪族或芳香族?；∣-?；甚ヒ约癗-?；甚０穂2]。

在實(shí)現(xiàn)殼聚糖?；男灾?，國內(nèi)外有許多成功的例子。如在酸性溶液中以沉淀法制備了殼聚糖與Carbopol的高分子互聚物IPC。以此種IPC為基體,制得的茶堿藥片與廣泛使用的HPMC性能接近,可以持續(xù)、長(zhǎng)期地釋放藥物,并且有良好pH依賴性；經(jīng)乳化/內(nèi)部凝膠作用制得藻酸鹽微球體，可有效地簡(jiǎn)化操作,并最大限度地避免微球體內(nèi)蛋白質(zhì)的損失。

1.3 醚化改性

醚化改性通常是指殼聚糖與醚化試劑反應(yīng)，生成羥烷基殼聚糖和羧烷基殼聚糖。如甲基醚、乙基醚、芐基醚、羥乙基醚、羥甲基等。醚殼聚糖與氯代烷基酸或乙醛酸反應(yīng)，可以得到溶于水的羧烷基殼聚糖。研究最多的羧甲基化反應(yīng),可以得到O-羧甲基殼聚糖、N-羧甲基殼聚糖和O-N-羧甲基殼聚糖。董炎明等[3]采用堿殼聚糖方法合成的液晶性殼聚糖衍生物羥乙基殼聚糖具有不同摩爾醚化度。郭立民等[4]通過醚化途徑,制備殼聚糖的衍生物,得出了以異丙醇為介質(zhì)對(duì)殼聚糖進(jìn)行改性研究的最佳反應(yīng)條件。

1.4 酯化改性

酯化改性通常是指用含氧無機(jī)酸作酯化劑,使殼聚糖中的羥基形成有機(jī)酯類衍生物。酯化產(chǎn)物包括無機(jī)酸酯和有機(jī)酸酯兩種。常見的酯化反應(yīng)有硫酸酯化和磷酸酯化。殼聚糖與硫酸直接反應(yīng)可得到其硫酸酯，具有好的抗凝活性。硫酸酯化試劑主要有濃硫酸、SO2、SO3、氯磺酸等；磷酸酯化反應(yīng)一般是在甲磺酸中與殼聚糖反應(yīng)。

1.5 shiff堿反應(yīng)

shiff堿反應(yīng)通常是指殼聚糖上的氨基與醛酮發(fā)生反應(yīng),生成相應(yīng)的醛亞胺和酮亞胺多糖。此反應(yīng)一方面可保護(hù)游離NH2,在氨基上引人其它基團(tuán)；另一方面再還原可得到相應(yīng)的一取代多糖。

1.6 殼聚糖季銨鹽化

殼聚糖季銨鹽化是指用縮水甘油三甲基氯化銨與殼聚糖反應(yīng),可在殼聚糖分子中引入季銨鹽基團(tuán),制得殼聚糖季銨鹽。由于在殼聚糖中引入位阻大、水合能力強(qiáng)的季按鹽基團(tuán)，大大削弱了殼聚糖分子間的氫鍵，增大了殼聚糖衍生物的水溶性。殼聚糖季銨鹽除直接溶于水外，還能與某些有機(jī)溶劑以任意比例混合。

1.7 殼聚糖接枝共聚反應(yīng)

殼聚糖接枝可以在——OH與——NH2兩個(gè)功能團(tuán)上，自由基引發(fā)，通過雙官能團(tuán)的醛、酸、環(huán)氧化物等進(jìn)行分子內(nèi)或分子間交聯(lián),得到殼聚糖接枝共聚物。傳統(tǒng)的引發(fā)方法有氧化還原引發(fā)體系法、偶氮二異丁腈法、輻射引發(fā)法以及紫外線法等。目前殼聚糖的接枝共聚主要有與醇類接枝共聚,殼聚糖與酯類接枝共聚,殼聚糖與酸類接枝共聚,殼聚糖與酰胺類接枝共聚[5]。而研究最多的是殼聚糖與酸類的接枝共聚[6,7]。如殼聚糖與鄰苯二甲酸酐的接枝，采用“保護(hù)氨基-接枝反應(yīng)-脫保護(hù)”的接枝路線。

2 改性殼聚糖的應(yīng)用

2.1 改性殼聚糖在化妝品方面的應(yīng)用

殼聚糖分子自身具有免疫性、抗菌性、創(chuàng)傷愈合性等良好的生物性能,而且具有良好的親水性、親蛋白性膜對(duì)皮膚無過敏、無刺激、無毒性反應(yīng)，有抗菌活性，因此是化妝品工業(yè)上的優(yōu)良添加劑。如用縮水甘油三甲胺鹵化物與殼聚糖反應(yīng)所得到的陰離子聚合物,用于洗發(fā)香波水中,洗過的頭發(fā)易于梳理,柔滑[8]；3,4,5-三甲氧基苯甲酰甲殼素能吸收紫外線,可用于防曬護(hù)膚品的添加劑[9]；在化妝品中加入醚化殼聚糖可以起到潤(rùn)滑、保濕和抗皮膚過敏[10]；O-CM-chitosan可作為保水劑代替透明質(zhì)酸[11]；N-CM-chitosan可輔助抗皮膚過敏[17]。

2.2 改性殼聚糖在醫(yī)藥方面的應(yīng)用

由于殼聚糖本身具有多種藥理功能，生物相容性，無免疫原性，無毒無味，可生物降解，降解產(chǎn)物一般對(duì)人體無毒副作用，在體內(nèi)不積蓄，無免疫原性，抗?jié)兊人幚碜饔?，甚至還可以啟動(dòng)免疫功能。因此它最早被用在醫(yī)學(xué)方面。經(jīng)過纖維二糖烷化修飾的殼聚糖，若不考慮二糖種類對(duì)其抗菌性能的影響，在取代度為30%～40%時(shí)，對(duì)Escherichia coli和Staphylococcusaureus細(xì)菌的抑制作用最強(qiáng)。烷基化殼聚糖還具有良好的抗凝血性能[9]；雙-乙?；讱に鼐哂辛己玫目鼓阅躘12]；甲?；鸵阴；锏幕旌衔锟芍瞥煽晌招允中g(shù)縫合線、醫(yī)用無紡布；N-乙?；讱に乜赡Ｋ艹尚蜑橛残越佑|透鏡，有較好的透氧性和促進(jìn)傷口愈合的特性，能作為發(fā)炎和受傷眼睛的輔助治療；醚化殼聚糖能夠有效地誘導(dǎo)細(xì)胞毒性巨嗜細(xì)胞，抑制口腔細(xì)菌和抑制癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移等；羧甲基殼聚糖能抗心率失常。Khaled等[10]，以2,2-偶氮二-（2-甲基丙腈）（AMPN）為引發(fā)劑使甲基丙烯酸（MAA）與殼聚糖接枝共聚。產(chǎn)物通過在堿性介質(zhì)中與表氯醇的反應(yīng),進(jìn)一步制備交聯(lián)的殼聚糖/聚甲基丙烯酸接枝共聚物，顯示對(duì)Cu2+以及肝炎A病毒等的良好的吸附性能。

2.3 改性殼聚糖在環(huán)境保護(hù)方面的應(yīng)用

殼聚糖分子中有游離氨基，是陽離子絮凝劑和高分于螯合劑，具有金屬絡(luò)合性，可使水中的懸浮物凝聚而沉降。改性殼聚糖類絮凝劑以其天然無毒、可生物降解、可再利用等優(yōu)越性能在水處理和污泥處理中得到廣泛應(yīng)用。如醚化殼聚糖可用于金屬離子的提取和回收，螯和過渡金屬離子和純化水等。大量研究表明,殼聚糖作為無機(jī)高分子絮凝劑具有沉降時(shí)間短,脫色效果好的優(yōu)點(diǎn)。

2.4 改性殼聚糖在化工方面的應(yīng)用

磷酸酯化衍生物有好的水溶性和耐熱性，有強(qiáng)的吸附重金屬離子的能力；用A-羥基苯甲醛與殼聚糖反應(yīng)再經(jīng)還原得到A-羥基-芐基殼聚糖,產(chǎn)物對(duì)Cu2+、Hg2+等有特殊的螯合能力[11]。?；瘹ぞ厶强芍瞥啥嗫孜⒘Ｓ米鞣肿雍Y或液相色譜載體,分離不同分子量的葡萄糖或氨基酸。乙醛酸和殼聚糖反應(yīng),產(chǎn)物經(jīng)還原得到乙酸取代殼聚糖,具有很好的水溶性和流動(dòng)性；利用殼聚糖氨基與醛基反應(yīng)生成Schiff堿的性質(zhì)，選擇分子結(jié)構(gòu)中含有羧基、羥基等親水性基團(tuán)的醛，可實(shí)現(xiàn)羧甲基化反應(yīng)。羥丙基三甲基氯化胺與殼聚糖反應(yīng)制得的殼聚糖季胺鹽,與椰油酰胺,甜菜堿的配位性良好,可用作陽離子表面活性劑。1989年Akira等[12]用低壓汞燈的輻射光引發(fā)MMA與甲殼素及氧化甲殼素的接枝反應(yīng),指出溶劑體系對(duì)接枝度有顯著影響。1994年Singh等[13]用γ-射線在水和甲醇中引發(fā)羥乙基丙烯酸酯接枝殼聚糖的反應(yīng),指出溶劑體系對(duì)接枝度有顯著影響。

3 結(jié)論與展望

基于殼聚糖分子中的羥基和氨基特征結(jié)構(gòu),可以多種方式對(duì)其進(jìn)行物理和化學(xué)改性,烷基化、?；?、醚化、酯化、Shiff堿化、季銨鹽化及接枝共聚等都是常用的改性方式。殼聚糖及其衍生物越來越受到人們的關(guān)注,也越來越得到廣泛的應(yīng)用,在今后的研究中,應(yīng)多引入新的反應(yīng)原料,開發(fā)新的反應(yīng)路線，要努力以殼聚糖為原料來生產(chǎn)新產(chǎn)品和改造老產(chǎn)品。

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O631

A

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殼聚糖是甲殼素脫乙?；玫降漠a(chǎn)物，它是一種無定形的半透明物質(zhì)，無毒、無害、易生物降解，不污染環(huán)境，并具有良好的吸附性、成膜性、吸濕性等特性的環(huán)境友好型功能高分子材料。

雖然殼聚糖中含有游離的氨基，但是它只能溶于鹽酸、醋酸、乳酸、苯甲酸、甲酸等稀酸，而不能溶于水、堿溶液以及大多有機(jī)溶劑。這就大大限制了殼聚糖的應(yīng)用。而基于殼聚糖中含有的——OH和——NH2具有一定的化學(xué)活性，可通過改性的方法，引入化學(xué)基團(tuán)對(duì)其進(jìn)行物理化學(xué)方面的改性。殼聚糖的改性技術(shù)主要是烷基化、?；?、醚化、酯化、Shiff堿化、季銨鹽化及接枝共聚等方式。近年來殼聚糖的化學(xué)改性方面研究十分活躍，本文結(jié)合我們的研究工作，對(duì)殼聚糖改性及其衍生物的研究進(jìn)展及應(yīng)用前景進(jìn)行了綜述。

2010-11-25

莊金娟（1984-），女，碩士研究生，從事功能高分子方面研究。