改性殼聚糖微球的制備及其應(yīng)用研究進(jìn)展

黨明巖，李俊杰，張曉磊

(1.沈陽理工大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159；2.沈陽石蠟化工有限公司，遼寧 沈陽 110141)

甲殼素是地球上含量僅次于纖維素的天然高分子化合物，其來源廣泛，價廉易得。甲殼素經(jīng)脫乙酰處理后可生成具有游離氨基和羥基的殼聚糖。殼聚糖由于具有良好的粘合性、生物可降解性、生物相溶性和無毒等特點而廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、食品、化工等眾多領(lǐng)域。若將殼聚糖通過化學(xué)改性方法制成高分子微球,不但可以改善其比表面積、孔結(jié)構(gòu)等物理性能，同時，采用不同的制備方法，也可改善其分子結(jié)構(gòu)，使其具有更好的化學(xué)性能[1-3]。本文就改性殼聚糖微球的不同制備方法及其應(yīng)用等進(jìn)行敘述。

1 改性殼聚糖微球的制備

目前殼聚糖微球的制備方法主要有以下幾種：乳化交聯(lián)法、凝聚法、離子交聯(lián)法、懸浮聚合法、化學(xué)交聯(lián)法等。

1.1 乳化交聯(lián)法

乳化交聯(lián)法是指藥物與載體材料溶液混合后，分散在不相混溶的介質(zhì)中形成類似油包水(W/O)或水包油(O/W)型乳劑，再根據(jù)所需要的交聯(lián)密度，投入相應(yīng)劑量的甲醛、戊二醛等交聯(lián)劑，并過濾或離心形成的微球，用適當(dāng)?shù)娜軇┫礈旌透稍?，即可獲得殼聚糖微球。

李峻峰等[4]以殼聚糖溶液為水相、液體石蠟為油相形成油包水型乳液，以香草醛為交聯(lián)劑，選用鹽酸小檗堿為模型藥物,制備了香草醛交聯(lián)的殼聚糖載藥微球，結(jié)果顯示：載藥微球表面致密且球形度好，微球粒徑在5～15μm之間。丁德潤等[5]采用“保護(hù)氨基—改性反應(yīng)—脫保護(hù)恢復(fù)氨基”技術(shù)對殼聚糖(CTS)改性制備了殼聚糖衍生物2-N-羧甲基-6-O-二乙胺基乙基-殼聚糖(DEAE-CMC)，并用DEAE-CMC吸附(絡(luò)合)鈣制備DEAE-CMC和鈣的絡(luò)合物DEAE-CMC-Ca2+，采用乳化交聯(lián)法制備改性殼聚糖Ca2+得到平均粒徑為8.92μm微球。

乳化交聯(lián)法的優(yōu)點是能夠包埋多種藥物，所需設(shè)備簡單，制備工藝易操作性強。但是交聯(lián)反應(yīng)多發(fā)生在殼聚糖的氨基上，因此會影響藥物的釋放性能，且會使某些藥物失活。

1.2 凝聚法

凝聚法適用于親水性藥物微球制備，由于殼聚糖溶于稀酸溶液后其氨基基團發(fā)生質(zhì)子化而提高了溶解度，因而制備過程中不需有機試劑和交聯(lián)劑。凝聚法包括單凝聚法和復(fù)凝聚法。單凝聚法又稱為沉淀法，是將殼聚糖只溶解在稀酸溶液中(如稀醋酸)，通過某種或某些外界物理化學(xué)因素的影響，改變它的溶解度使其沉淀析出，過濾后將所得微球洗凈、干燥，即可。復(fù)凝聚法是利用殼聚糖和兩種帶有相反電荷的高分子材料相互發(fā)生交聯(lián)作用，因體系溶解度降低從溶液中析出，共沉淀成微球。由于殼聚糖的酸性水溶液帶正電荷，因此它可以與任何陰離子聚合物復(fù)凝聚成球。

來水利等[6]以胰島素為目標(biāo)藥物,以絲素(SF)和羥丙基殼聚糖(HPCS)為包藥材料,利用復(fù)凝聚法制備SF-HPCS載藥微球；分析表明,所制備的載藥微球表面密實,平均粒徑22.4μm,呈正態(tài)分布。De等[7]制備了殼聚糖-藻酸酸鈉納米球，研究顯示：當(dāng)陽離子聚合物(聚-L-賴氨酸或殼聚糖)、CaCl2和藻酸鈉的最佳質(zhì)量比為10∶17∶100時，可以在未凝聚的殼聚糖溶液中形成納米球，同時發(fā)現(xiàn)納米球在陽離子聚合物濃度低時不能形成,只有濃度高時才能形成。

凝聚法的工藝條件不易控制，且復(fù)凝聚法制備殼聚糖微球時，多采用天然高分子材料，而不同材料之間的結(jié)構(gòu)差異又比較大，更加不好控制。同時復(fù)凝聚法多采用注射滴加，不易產(chǎn)業(yè)化。

1.3 離子交聯(lián)法

離子交聯(lián)法指通過殼聚糖和帶相反電荷的大分子間的絡(luò)合形成的結(jié)構(gòu)高分子為網(wǎng)狀或體形的制備微球的工藝，條件簡單溫和，受到人們越來越多的關(guān)注。

石晶等[8]采用三聚磷酸鈉(TPP)作為離子交聯(lián)劑，制備負(fù)載流感疫苗的殼聚糖微球，研究結(jié)果表明：pH=5.6的殼聚糖溶液,固化比為1∶3,TPP的質(zhì)量濃度為400μg/mL，是較理想的流感疫苗殼聚糖微球的制備條件。另有報道，易文清[9]等采用三聚磷酸鈉(TPP)和六偏磷酸鈉(SHMP)為復(fù)合交聯(lián)劑，制備了離子交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的殼聚糖水凝膠微球；分析表明：微球具有較好的離子強度和pH敏感性,在酸性介質(zhì)中有較高的溶脹度。

此種制備方法可以避免在殼聚糖微球化學(xué)交聯(lián)過程中引入有毒的有機試劑和不必要的影響,最大程度地保護(hù)疫苗抗原的活性.但小分子電解質(zhì)會影響殼聚糖在溶液中的構(gòu)象轉(zhuǎn)變，進(jìn)而對藥物的緩釋作用產(chǎn)生影響。

1.4 懸浮聚合法

懸浮聚合法是以溶劑(油相)為分散介質(zhì)，水溶性單體在懸浮劑和強烈攪拌作用下分散成懸浮水相液滴，引發(fā)劑溶解在水相液滴中而進(jìn)行的聚合方法，是目前研究最多、制備殼聚糖微球最常用的一種方法。

辛梅華等[10]以殼聚糖、環(huán)氧氯丙烷、α-酮戊二酸等為原料，采用反相懸浮法制備交聯(lián)殼聚糖微球，再與α-酮戊二酸反應(yīng)生成Schiff堿，經(jīng)NaBH4還原制得改性殼聚糖微球；分析表明：改性CTS微球的平均粒徑為56μm，并研究了該微球?qū)?,4-二硝基酚的吸附性能。張靜等[11]采用反相懸浮聚合法制備殼聚糖微球，對微球進(jìn)行羥丙基氯化及氨基化，并偶聯(lián)色素配體Cibacron Blue F3GA，得到一種新型染料親和吸附劑，以牛血清白蛋白(BSA)為目標(biāo)蛋白，考察了該染料親和吸附劑的吸附性能。陳水平等[12]以殼聚糖為原料，液體石蠟為分散介質(zhì)，甲醛、戊二醛為交聯(lián)劑，通過反相懸浮聚合制備了粒徑小于100μm的殼聚糖多孔微球。

反相懸浮法具有反應(yīng)熱易排除、聚合過程穩(wěn)定、能直接得到粒狀產(chǎn)品、無須粉碎工序、產(chǎn)品易干燥、產(chǎn)物的綜合吸水性能好等優(yōu)點，已引起專家學(xué)者的廣泛關(guān)注。

1.5 化學(xué)交聯(lián)法

化學(xué)交聯(lián)法指的是在某種或某些條件和交聯(lián)劑等作用下大分子之間的鏈通過化學(xué)鍵結(jié)合起來形成高分子的方法，其結(jié)構(gòu)可能為體型或網(wǎng)狀。一般情況下化學(xué)交聯(lián)法不單獨使用。 何強芳等[13]以殼聚糖為載體，戊二醛為交聯(lián)劑，以span-80和硬脂酸鎂為復(fù)合乳化劑，真空泵油和石蠟油相混合為油相，通過乳液-化學(xué)交聯(lián)法制備了5-氟尿嘧啶殼聚糖微球，IR和SEM對微球進(jìn)行的結(jié)構(gòu)表征和形態(tài)觀察表明：殼聚糖與5-氟尿嘧啶之間有比較強的分子間作用力，微球球形規(guī)整，分散性好,粒徑分布在1～5μm之間。李和平等[14]采用超聲乳化-化學(xué)交聯(lián)法制備了具有空腔結(jié)構(gòu)的殼聚糖微球，并對其大小和形貌進(jìn)行了表征，還研究了此微球?qū)谆鹊奈絼恿W(xué)和熱力學(xué)，簡單的探討了吸附機理；結(jié)果表明：制備的微球外形較規(guī)整，粒徑為1～10μm，在最佳吸附條件下，對甲基橙的吸附率達(dá)99.34%。

除上述制備方法外，還有利用乳化分散法[15]、溶劑蒸發(fā)法[16]、微孔膜乳化技術(shù)[17]、微波輻射法[18-19]、逐層自組裝法[20]等也可得到粒徑均勻的殼聚糖微球。注射法[21]、滴加法[22]等物理方法也取得了較大的進(jìn)展。根據(jù)不同應(yīng)用特性可選擇相應(yīng)的合成方法制備可控粒徑和形貌的殼聚糖微球。

2 殼聚糖微球在廢水處理方面的應(yīng)用

2.1 殼聚糖微球在處理含有重金屬離子廢水中的應(yīng)用

從目前的報道來看，殼聚糖微球用于處理水體中的重金屬離子是其應(yīng)用最廣的一個領(lǐng)域，重金屬離子的污染具有不能被去除和降解且在環(huán)境中容易沉積的特點，在處理時只能改變其價態(tài)或?qū)⑵滢D(zhuǎn)移、稀釋。殼聚糖分子鏈上游離的氨基和羧基，可以通過螯合作用與重金屬離子結(jié)合在一起，達(dá)到有效吸附和捕集的目的。同時，殼聚糖微球的吸附性能還受溫度、pH值、吸附時間、重金屬離子初始濃度等因素的影響。

袁彥超等[23]通過反相懸浮交聯(lián)法制備出新型殼聚糖樹脂,研究了操作條件對合成樹脂性能的影響；結(jié)果表明：按最佳合成條件可制備出耐酸性能好、吸附能力強(對Cu2+的飽和吸附量達(dá)2.983 mmol/g)、力學(xué)強度好、孔隙率較高(77.38%)的殼聚糖樹脂。還有學(xué)者研究了殼聚糖微球經(jīng)化學(xué)修飾用于重金屬離子吸附，金惠等[24]用均苯四甲酸酐修飾交聯(lián)的殼聚糖微球(CTS)，研究了它對水溶液中Pb2+和Cd2+的吸附行為及其影響因素；結(jié)果表明：當(dāng)pH=5.0時，對Pb2+和Cd2+的最大吸附量分別為296.7mg/g和149.9mg/g。宋穎韜等[25]通過靜態(tài)吸附實驗研究了交聯(lián)微球殼聚糖樹脂對Zn(Ⅱ)的吸附行為；結(jié)果表明:該樹脂對Zn(Ⅱ)的吸附速率較快，70min可達(dá)吸附平衡。

2.2 殼聚糖微球在處理含有染料的廢水中的應(yīng)用

印染廢水是棉、毛、化纖等紡織產(chǎn)品在印染加工過程中各工序所排放的廢水混合而成的，其中的硝基、胺基化合物及銅、鉻、鋅、砷等重金屬離子具有較大的生物毒性，傳統(tǒng)的處理方法為利用活性炭或硅藻土物理吸附和物理吸附與生化處理相結(jié)合的方法，雖然傳統(tǒng)方法能達(dá)到綜合治理的目的.但使用成本高且難以再生，因此得不到推廣。殼聚糖分子鏈上具有大量的活性基團,對染料物質(zhì)具有良好的吸附性能,且無毒副作用易降解，特別將殼聚糖制成微球后，更增加了吸附性能，并容易分離再生。

孟范平等[26]采用滴加成球法制備得到改性殼聚糖微球，在最佳的吸附條件下，微球?qū)BB和NYN的最大吸附量分別達(dá)到714.29mg/g和769.23mg/g，解析后，重復(fù)利用率高，節(jié)省脫色成本。伍嬋翠等[27]以殼聚糖粉末為原料,戊二醛進(jìn)行交聯(lián)、羧甲基化,制得羧甲基殼聚糖微球，最佳條件時，對初始濃度為560mg/L的曙紅Y染料的去除率可以達(dá)到90%以上。楊玉靜等[28]制備了交聯(lián)殼聚糖多孔微球,當(dāng)亮綠初始濃度10mg/L,pH=6,振搖30min時，吸附量達(dá)1.22mg/g，再生重復(fù)使用,其脫色率仍達(dá)90%以上。

2.3 處理其他工業(yè)廢水

殼聚糖微球除應(yīng)用于處理含重金屬離子的廢水和染料廢水之外，對于其他的工業(yè)廢水同樣具有良好的處理能力，例如含酚廢水、食品廢水、造紙污水等。

含酚廢水具有來源廣(如石油化工、木材加工、煤氣與煉焦等)、污染范圍大、危害程度深等特點，對其的有效處理非常必要。張興松等[29]利用制備的交聯(lián)羧化殼聚糖微球，進(jìn)行2,4-二硝基苯酚的吸附研究，結(jié)果表明:制備的殼聚糖微球具有較好的耐酸堿性能，吸附2,4-二硝基苯酚的性能良好，在pH=3.6的情況下，瞬間達(dá)到吸附平衡，吸附量高達(dá)230mg/g。方華等[30]合成了平均粒徑不超過5μm磁性殼聚糖微球。將其用于2,4-二氯苯酚(DCP)的吸附研究；結(jié)果表明：在最優(yōu)吸附條件下(吸附時間2h,溫度為25℃),吸附量達(dá)1.70 mg/g,對DCP的吸附率在80%以上，且吸附受到溫度的影響不大。有學(xué)者將殼聚糖微球應(yīng)用在處理食品工業(yè)廢水中，如董海麗等[31]使用磁性殼聚糖微球來吸附大豆乳清廢水中蛋白質(zhì)，最佳吸附條件下，對蛋白質(zhì)的去除率高達(dá)95.6%。近年來，還有人將殼聚糖微球應(yīng)用于處理含有砷的廢水中。楊金輝等[32]主要考察實驗室制得的乙二胺改性磁性殼聚糖微球?qū)Χ拘愿摺⑦w移能力強的As(Ⅲ)去除效果，實驗結(jié)果表明:在pH=2，吸附時間為90min，磁性殼聚糖微球投加量為0.4g時，對初始濃度為10mg/L，體積為100mL的As(Ⅲ)溶液去除率達(dá)到96.96%，并且該微球具有較好的可重復(fù)利用性。

3 展望

殼聚糖微球以其體積小、比表面積大、吸附性能良好等特點已作為一種具有廣闊應(yīng)用前景的新型有機高分子功能材料，對它的研究在世界范圍廣泛展開。但仍存在一些亟待解決的問題：目前的吸附多停留在靜態(tài)的研究如吸附柱、吸附流化床等方面,可以多嘗試一些動態(tài)吸附的研究;根據(jù)配合物的結(jié)構(gòu)和吸附機理來掌握吸附劑與污染物之間的作用機理,使吸附理論更加完善,并實現(xiàn)循環(huán)使用；吸附量不高、吸附后重復(fù)利用率低、實驗工藝參數(shù)的優(yōu)化以及如何投入實際生產(chǎn)；同時可以考慮將殼聚糖微球用在更加廣泛的領(lǐng)域。解決這些問題部分依賴于以往的技術(shù)經(jīng)驗，但更重要的在于去探索更先進(jìn)的改性殼聚糖微球制備方法。相信隨著殼聚糖化學(xué)改性方法研究的不斷深入發(fā)展，利用模板化處理、化學(xué)修飾和材料復(fù)合等技術(shù)使殼聚糖微球的合成工藝日趨完善，其各種優(yōu)勢也必會受到更多的關(guān)注，基于殼聚糖改性微球的吸附功能材料將在水處理等眾多領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。

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