殼聚糖靜電紡納米纖維的研究進展

王丹+單小紅+郜建銳

摘要：本文對純殼聚糖，殼聚糖與人工合成材料的混合物、與其它天然生物材料的混合物，以及殼聚糖衍生物等靜電紡納米纖維的制備方法和技術特點等進行了介紹。

關鍵詞：純殼聚糖；人工合成材料；天然生物材料；殼聚糖衍生物；靜電紡

中圖分類號：TQ341 文獻標志碼：A

Development of Chitosan Nanofiber Made by Electrospinning

Abstract： Preparation methods and technology characteristics of electrospinning of pure chitosan nanofiber， blended chitosan/synthetic materials nanofiber or chitosan/other natural biomaterials nanofiber， as well as chitosan derivative nanofiber， were introduced in this article.

Key words： pure chitosan； synthetic materials； natural biomaterials； chitosan derivative； electrospinning

殼聚糖是自然界中甲殼素脫乙酰化后的產物，具有優(yōu)異的性能，如親水性、生物相容性、生物可降解性、抗菌、無毒、抗凝血性能等，在生物醫(yī)學方向應用廣泛。而靜電紡被認為是一種有效的制備微納米纖維的方法。本文主要從 4 個方面對部分殼聚糖納米纖維的制備進行描述。

1 純殼聚糖靜電紡絲

殼聚糖由于其氨基的質子化作用使其可溶于大多數的酸，又因其黏度較大，在靜電紡高壓作用下，聚合物內部離子基團的排斥力增加，聚合物難以從針頭處噴射出來，且因其大的黏度容易堵塞針頭，限制了純殼聚糖的靜電紡絲。

Ohkawa等以三氟乙酸（TFA）為溶劑，殼聚糖分子量為21萬，脫乙酰度78%。當殼聚糖的濃度低于6%時，掃描電鏡下觀察纖維和珠狀物共存；當殼聚糖濃度為7%時，主要以纖維為主，串珠大大減少，當殼聚糖濃度為8%時，掃描電鏡下觀察纖維為網狀結構，但仍有少量串珠，纖維平均直徑為490 nm。TFA為溶劑的殼聚糖溶液能成功紡成纖維是因為其破壞了殼聚糖分子之間的氫鍵，使純殼聚糖紡絲變得容易。Sangsanoh等用TFA和二氯甲烷（DCM）以70︰30（V/V）的比例為溶劑，二氯甲烷的加入提高了殼聚糖靜電紡纖維的均勻性，得到了無珠狀的均勻纖維，在最佳條件下，纖維平均直徑為（160±20）nm。

除TFA外，另一種有效的有機溶劑是濃乙酸。Cheng等研究了不同濃度乙酸為溶劑時的殼聚糖靜電紡絲。隨著乙酸的濃度增加，掃描電鏡下觀察接收物由珠狀逐漸變成纖維狀。當乙酸的濃度高于50%時，纖維和珠狀物并存，當乙酸的濃度增大到90%時，可得到無珠狀的納米纖維，此時溶液的表面張力為30.76 mN/m。這是因為殼聚糖溶液的表面張力隨著乙酸濃度的增大而減少，電壓更容易克服溶液的表面張力而獲得連續(xù)的纖維。纖維的平均直徑隨著溶液濃度的增大而減小。Gu等研究了超聲處理對殼聚糖溶液靜電紡絲的影響。結果表明：超聲處理時間的長短可以改變靜電紡殼聚糖納米纖維的孔徑大小和膜的厚度，最佳條件下得到的殼聚糖納米纖維能夠獲得更大的孔隙率，吸水時間也從原來的110 s減少到 9 s，大大增加了殼聚糖纖維的親水性。

相關研究表明，在靜電紡過程中，溶液黏度對纖維的直徑和形貌起到決定性作用。當溶液黏度很低時，紡絲時大多形成串珠或液滴，無法形成連續(xù)的纖維；而當溶液黏度過高時，溶液因高壓電流作用被擠出針頭后很難形成泰勒錐，甚至很容易堵塞針頭，給紡絲過程帶來極大的不便。另外，溶劑的濃度對實驗過程也有很大影響。當溶劑濃度過低時，溶液的黏度較低但表面張力過高，增加了紡絲難度；而當溶劑濃度過高時，殼聚糖很難溶解充分，這樣不僅影響紡絲液的穩(wěn)定性，還會影響纖維的質量。因此，制備好的紡絲液是紡制品質良好的纖維的前提條件。

2 殼聚糖與人工合成材料的混合物靜電紡

2.1 殼聚糖與聚氧乙烯（PEO）混紡

人工合成材料靜電紡絲時容易出現珠狀物等問題，通?？梢杂眉尤臌}、離子表面活性劑、聚電解質或超聲處理等方法來克服。殼聚糖與人工合成材料的混紡可以提高纖維的生物相容性、生物可降解性能及抗菌性等。

Mehdi等將脫乙酰度為97.5的殼聚糖（80 ～ 90 kDa）和PEO（600 kDa）混合，以質量分數為50%的乙酸溶液為溶劑，殼聚糖在殼聚糖/PEO混合溶液濃度為4%的情況下，通過靜電紡絲可制成平均直徑為60 ～ 120 nm的纖維?；旌先芤褐袣ぞ厶堑臐舛扔?0%增至90%時發(fā)現，隨著混合溶液中殼聚糖濃度的增加，纖維的直徑由123 nm減小到63 nm。Su等分別在脫乙酰度為90%的殼聚糖（50 kDa）和PEO（700 kDa）為溶質、乙酸為溶劑的溶液中加入濃度不同的單價、二價或三價金屬離子，鈣離子和鐵離子的加入減小了纖維的直徑和串珠的數量，這是由于發(fā)生在質子化殼聚糖與金屬離子分子及分子內的交聯，鈣離子和鐵離子盡可能均勻分布在纖維里面。然而鈉離子和鉀離子的加入使纖維中含有堿性金屬離子，傅里葉紅外光譜和流變測試表明金屬離子破壞了分子間的氫鍵且溶液的黏度降低了45% ～ 60%，這些結果證實堿性金屬離子在水和乙酸蒸發(fā)時優(yōu)先與氯離子再結晶。Soumi等將脫乙酰度小于90%的殼聚糖（710 kDa）與PEO（200 kDa）以質量比4︰1溶于乙酸中，在靜電紡絲作用下制得平均直徑為0 ～ 78 nm的纖維，實驗結果表明，乙酸濃度升高時，溶液的表面張力和導電性下降。制得的纖維用磷酸三苯酯（TPP）交聯后，纖維顯示出良好的細胞粘附、細胞增殖、細胞活性和細胞相容性，可用作特定的皮膚組織工程支架用于皮膚重建。

2.2 殼聚糖與聚乙烯醇（PVA）混紡

PVA是一種可溶于水、生物相容性和生物可降解性均較好的人工合成材料，其可紡性較好，通?？梢杂脕砼c殼聚糖混紡以提高殼聚糖的可紡性。

Hang等將銀離子加入殼聚糖與PVA的混合溶液中進行靜電紡絲。實驗發(fā)現銀離子的加入提高了混合溶液的可紡性和纖維的抗菌性，且當混合溶液中殼聚糖的濃度小于6%時，加入了銀離子的溶液的導電性高于未加銀離子溶液的導電性，大于6%時恰好相反。這是因為螯合作用抑制了殼聚糖中氨基的電離度，溶液的導電性降低。也有學者將鈣離子加入殼聚糖與PVA的混合溶液中，通過靜電紡可制備出一種新型的生物復合材料，具有良好的力學和生物學性能，在生物醫(yī)用材料方面有較好的應用。Mottaghitalab等用殼聚糖與PVA的混合溶液以靜電紡成功制備了神經組織工程支架。Yan等采用同軸靜電紡絲制備出了以PVA為芯層、殼聚糖為殼層的芯殼結構纖維。

2.3 殼聚糖與聚己酸內酯（PCL）混紡

PCL因其生物相容性和較緩慢的生物可降解性被列為最常用的醫(yī)用人工合成材料之一，但其是疏水性的且沒有細胞識別結構，因此常與其它天然生物材料混紡。Shalumon等將殼聚糖與PCL混合，以甲酸和丙酮的混合溶液為溶劑，根據殼聚糖與PCL溶液比例的不同，得到兩種直徑不同的纖維。當殼聚糖與PCL溶液比例為1∶1時，纖維直徑為（116±27）nm，當比例為1︰3時，纖維直徑減小到（102±24）nm。

2.4 殼聚糖與人工合成材料混合物靜電紡的特點

殼聚糖具有生物可降解性，良好的生物相容性、吸附性和成膜性等優(yōu)點，但其力學性能較差，一般需與人工合成材料混紡以改善其力學性能，以提高紡絲后的纖維質量。相關報道證實，隨著混合溶液中人工合成材料比例的增大，纖維的力學性能增加，直徑增大，并且極大地提高了殼聚糖的可紡性，殼聚糖與人工合成材料的混紡目前已廣泛用于生物醫(yī)學方向，如傷口敷料、人工心臟、人工血管等。

3 殼聚糖與其它天然生物材料混紡

天然生物材料一般具有細胞信號識別，促進細胞粘附、增殖和分化，良好的生物相容性及生物降解性等優(yōu)點，這類材料可加工成醫(yī)學制品，廣泛用于臨床研究。

Cai等以六氟異丙醇/TFA為紡絲溶劑制備了殼聚糖/絲素（SF）靜電紡納米纖維用于加工傷口敷料。實驗結果表明纖維的平均直徑隨著混合溶液中殼聚糖含量的增加而降低，纖維的抗菌性隨之增強，纖維的力學性能則隨之減弱。隨著混合溶液中殼聚糖和絲素含量的變化，得到的纖維平均直徑的范圍為（185.5±114.7）～（484.6±410.8）nm。Ye等以膠原蛋白和透明質酸為內飾、改性的殼聚糖為涂層材料、乙酸為溶劑制成了仿生納米纖維膜。與人體羊膜相比，膠原蛋白/透明質酸/殼聚糖混紡纖維膜顯示出優(yōu)越的力學和生物性能，比人體羊膜更適用于角膜移植。Wang等將不同比例的殼聚糖和膠原混合，六氟異丙醇和TFA以80︰20比例混合的溶液為溶劑，通過靜電紡絲得到了一種適用于血管移植的血管組織工程支架，結果表明當殼聚糖和膠原的比例為50︰50和20︰80時，可獲得與人體血管最接近的血管組織工程支架。

天然生物材料之間的混合溶液制備出的纖維因力學性能上的缺陷，通常只能應用于對力學性能要求不高的領域，極大地阻礙了殼聚糖的應用與發(fā)展。

4 殼聚糖衍生物的靜電紡絲

4.1 己酰化殼聚糖靜電紡絲

己?；瘹ぞ厶强梢缘挚辜毎腥苊阁w的水解，并且具有抗血栓的作用。Neamnark等將8%的己?；瘹ぞ厶锹确氯芤汉?.5%的殼聚糖吡啶甲酸溶液混合進行靜電紡絲。紡絲 8 h后測得纖維膜的厚度約為（83±9）μm，單纖維的直徑范圍為0.4 ～ 3.2 μm，平均直徑約為1.5 μm。在老鼠體內進行生物相容性和細胞毒性測試顯示，己?；瘹ぞ厶抢w維膜無毒性且在宿主體內未釋放有害物質。就人角質纖維細胞和人包皮成纖維細胞的吸附和增殖而言，殼聚糖纖維膜很適宜作皮膚組織工程支架。Peesan等采用靜電紡絲制備出了己?；瘹ぞ厶?聚乳酸混合納米纖維。當殼聚糖與聚乳酸的比例不大于50%時，可以得到無珠狀的納米纖維。隨著殼聚糖含量的增加，溶液的黏度降低，得到的纖維尺寸減小。

己酰化殼聚糖在殼聚糖和殼聚糖衍生物中具有最好的生物相容性，這是因為己酰化殼聚糖中含有大量的酸酐，血液中的酸酐能將大量二氧化碳轉變成碳酸根離子，使之溶于血液中，同時也能將碳酸根離子轉化成二氧化碳，在肺泡中釋放，表現出良好的抗血栓作用。

4.2 羧甲基殼聚糖靜電紡絲

對殼聚糖的羧甲基化作用是獲得水溶性羧甲基殼聚糖的一種化學方法，且與殼聚糖相比具有更好的生物相容性。Fouda等將銀離子加入羧甲基殼聚糖與PEO的混合溶液中進行靜電紡絲，所得納米纖維的直徑為50 ～ 300 nm。銀離子的加入增強了混合溶液的導電性，因此在紡絲過程中纖維的直徑減小，同時利用X射線探測器分析觀察發(fā)現銀離子進入了纖維內部，并且在納米纖維內部直徑每12 ～ 18 nm處均勻穩(wěn)定地分布。Sohofi等以TFA和二甲基甲酰胺（DCM）混合溶劑為紡絲溶劑成功制得了純羧甲基殼聚糖（取代率DS= 0.65）靜電紡納米纖維，最佳的紡絲條件是羧甲基殼聚糖濃度為5%，TFA與DCM的比例為70︰30，得到的纖維平均直徑為（260±42）nm。

羧甲基殼聚糖的水溶性好，一方面是因為自身是羧酸鹽溶于水，另一方面由于羧甲基的導入破壞了殼聚糖分子的二次結構，結晶度大大降低，又因為其結構上的羧基和胺基都是親水基團，吸濕性較好，所以羧甲基殼聚糖靜電紡得到的纖維性能優(yōu)于殼聚糖靜電紡得到的。

4.3 季胺化殼聚糖靜電紡絲

在眾多的殼聚糖衍生物中，季胺化殼聚糖因其氨基的作用具有最好的抗菌性能。Mi等分別將殼聚糖和PVA溶于超純水中配制成濃度為10%的溶液，殼聚糖溶液與PVA溶液的比例在3︰7 ～ 7︰3之間，隨著殼聚糖溶液比例的增加，混合溶液的黏度增加、導電性增強，纖維的平均直徑減小。制得的纖維膜用戊二醛進行交聯，掃描電鏡下觀察到在適合的戊二醛濃度及交聯時間交聯后，纖維膜在水中的穩(wěn)定性增加，可用作除去飲用水中病原菌的濾膜。Toshkova等將殼聚糖和聚乳酸混合，溶于二甲基甲酰胺（DMF）和二甲基亞砜（DMSO）（DMF︰DMSO=60︰40）的混合溶劑中，配制成濃度為6%的溶液，通過靜電紡成功制備了平均直徑為（830±115）nm的纖維，隨后在混合溶液中加入適量的抗腫瘤藥物阿霉素（DOX），纖維平均直徑下降到（580±90）nm，這是因為DOX中有機鹽的存在增加了溶液的導電性。

在殼聚糖的氨基上引入羥丙基三甲基氯化銨，生成羥丙基三甲基氯化銨殼聚糖（HACC），經季胺化可形成較強的陽離子聚電解質，削弱了分子間的氫鍵作用，從而可提高殼聚糖的可紡性。

5 結語

殼聚糖因具有氨基，在酸性水溶液中具有聚陽離子的特征，極大地提高了溶液的表面張力，因此很難通過靜電紡絲成為纖維結構。雖然目前殼聚糖靜電紡絲技術較過去已取得了較大發(fā)展，制成了各種特定用途的納米纖維產品，但仍存在許多亟待解決的技術問題，如殼聚糖納米纖維的機械性能較差、大部分紡絲溶劑有毒性等，極大地限制了殼聚糖在靜電紡方面的開發(fā)。

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