殼聚糖交聯(lián)改性及其衍生物的研究進(jìn)展

朱金禹，畢 華，張雪峰，閆美宏，樊曉霞

(延安大學(xué) 醫(yī)學(xué)院，陜西 延安 716000)

殼聚糖是甲殼素脫乙酰化產(chǎn)物，是β-(1，4)-N-乙?；?D-氨基葡萄糖和D-氨基葡萄糖混合組成的無規(guī)則混合物，是自然界中發(fā)現(xiàn)的唯一的天然堿性多糖[1，2]。它是一種天然聚陽離子多糖，具有無毒、生物相容性好、無免疫原性以及能夠被溶菌酶降解的優(yōu)點，降解后生成氨基葡萄糖[3]。同時，殼聚糖具有抗菌、止血、調(diào)節(jié)免疫力、促進(jìn)傷口愈合、吸收傷口滲出物、減少疤痕生成等功能[4，5]。但是，以殼聚糖為原料制備的水凝膠存在脆性大、黏彈性及保水能力弱等問題。為增強(qiáng)殼聚糖的性能，通常采用物理交聯(lián)或化學(xué)交聯(lián)法對其進(jìn)行改性。殼聚糖重復(fù)單元中的第三和第六位碳原子上的羥基以及第二位碳原子上的氨基是殼聚糖化學(xué)改性的主要官能團(tuán)，能夠進(jìn)行?；Ⅳ然?、酯化、烷基化、醚化、鹵化、氧化、疊氮化、席夫堿化等反應(yīng)[6]。化學(xué)交聯(lián)是聚合物官能團(tuán)間形成共價鍵或離子鍵，脫乙酰殼聚糖上游離的NH2-和OH-與其他聚合物或交聯(lián)劑形成酰胺鍵或亞胺鍵，從而形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可長期儲存[7]。化學(xué)交聯(lián)法是殼聚糖水凝膠制備的主要方法，也是研究者研究最多的殼聚糖交聯(lián)法。殼聚糖可通過共混或小分子無機(jī)物填充的方式進(jìn)行物理改性。物理交聯(lián)利用分子間的靜電力、氫鍵、物理纏結(jié)等形式形成水凝膠，穩(wěn)定性差，機(jī)械性能較差，易于恢復(fù)原溶液狀態(tài)[8]。共混改性是物理改性常用的一種方式，共混能同時發(fā)揮殼聚糖和共混聚合物的優(yōu)點[9]。本文綜述了殼聚糖的化學(xué)交聯(lián)改性法和物理交聯(lián)改性法，并對殼聚糖衍生物的應(yīng)用研究進(jìn)展進(jìn)行闡述。

1 殼聚糖化學(xué)與物理交聯(lián)改性

1.1 化學(xué)交聯(lián)改性

1.1.1 醛類交聯(lián)劑

交聯(lián)殼聚糖水凝膠的醛類有戊二醛、香草醛、甲醛和對苯二甲醛等，醛類交聯(lián)劑是一類共價交聯(lián)劑。戊二醛是使用最廣泛的殼聚糖交聯(lián)劑之一，交聯(lián)殼聚糖程度較大，交聯(lián)易于控制，但毒性較大。香草醛是從植物中提取的一種香料，毒性低，與殼聚糖交聯(lián)形成的化學(xué)鍵易斷裂。Zilouei等[10]以戊二醛為交聯(lián)劑制備了殼聚糖/聚乙烯醇納米纖維，將其應(yīng)用于吸附水中的四環(huán)素，結(jié)果表明該納米纖維吸附規(guī)律符合擬二級動力學(xué)方程。劉軍海等[11]以戊二醛為交聯(lián)劑制備了殼聚糖凝膠，并對該凝膠的溶脹性能和Ni2+吸附效果進(jìn)行研究。結(jié)果表明，戊二醛用量越大，殼聚糖交聯(lián)密度越高，但溶脹性能變差；用交聯(lián)殼聚糖處理含Ni2+的廢水，廢水二次吸附后能達(dá)到污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)。李瑞潔等[12]應(yīng)用仿生思想，將對苯二甲醛與生物體內(nèi)廣泛存在的亞精胺交聯(lián)形成寡聚亞胺交聯(lián)劑，設(shè)計了具有較好生物相容性的仿生殼聚糖水凝膠，并以阿霉素為藥物模型，制備出具有藥物緩釋功能的材料。詹瑋等[13]通過香草醛交聯(lián)制備了殼聚糖水凝膠，該水凝膠同時具備可逆的席夫堿和物理氫鍵結(jié)構(gòu)，適量交聯(lián)劑可制備具有自愈合性能的殼聚糖水凝膠。

1.1.2 三聚磷酸鈉交聯(lián)劑

三聚磷酸鈉(TPP)是一種離子交聯(lián)劑，毒性低。TPP中含有PO-Na+基團(tuán)，與溶解在醋酸中的殼聚糖-NH3+基團(tuán)形成分子內(nèi)和分子間交聯(lián)。Femandesa等[14]以三聚磷酸鹽為交聯(lián)劑制備了殼聚糖微球生物傳感器，該傳感器具有較高的靈敏度和準(zhǔn)確度，可用于藥物蕓香苷的檢測。司徒文貝等[15]以三聚磷酸鈉為交聯(lián)劑制備了交聯(lián)殼聚糖水凝膠，探討了該材料對活性物質(zhì)的控釋性能。結(jié)果表明，交聯(lián)反應(yīng)增強(qiáng)了薄膜的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使其溶脹吸水性能提高，交聯(lián)后的殼聚糖薄膜耐酸性能提升，具有作為活性物質(zhì)載體材料的潛質(zhì)。Ouyang等[16]以三聚磷酸鈉為交聯(lián)劑制備了殼聚糖和羅非魚膠原肽復(fù)合止血海綿，該止血海綿能夠增加血小板粘附，加速血液凝固，促進(jìn)纖維蛋白原向纖維蛋白的轉(zhuǎn)變。建立新西蘭大白兔耳部和股骨動脈出血模型，使用該止血海綿可明顯縮短出血時間，減少出血部位出血量。

1.1.3 京尼平交聯(lián)劑

京尼平是一種天然生物交聯(lián)劑，是從草本植物杜仲中提取的梔子苷經(jīng)過B-葡萄糖苷酶水解的產(chǎn)物。京尼平毒性低，交聯(lián)殼聚糖程度大，是一種生物相容性較好的交聯(lián)劑。趙秀娟等[17]采用京尼平為交聯(lián)劑制備了羧甲基殼聚糖和絲素蛋白的復(fù)合膜，該復(fù)合膜具有良好的親水性，且有利于小鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的黏附和增殖。賈偉建等[18]采用京尼平交聯(lián)殼聚糖，制備出具有不同力學(xué)性能的殼聚糖材料，材料的力學(xué)強(qiáng)度升高，細(xì)胞的成骨分化能力也增大。秦彥昌等[19]以京尼平為化學(xué)交聯(lián)劑，采用乳化-化學(xué)交聯(lián)法制備了包埋神經(jīng)生長因子的京尼平-殼聚糖微球，京尼平的濃度可影響微球體外釋放神經(jīng)生長因子的速度，高濃度京尼平交聯(lián)的微球能減緩并持續(xù)釋放神經(jīng)生長因子。李媛等[20]采用京尼平為交聯(lián)劑制備了殼聚糖和乳清蛋白復(fù)合膜，調(diào)控制備工藝可制得具有良好阻隔性能和抗菌性能的復(fù)合膜，可用于抗菌包裝和食品保鮮。

1.1.4 環(huán)氧氯丙烷交聯(lián)劑

環(huán)氧氯丙烷交聯(lián)殼聚糖毒性較大，較少應(yīng)用于交聯(lián)醫(yī)學(xué)用途的殼聚糖水凝膠。王棟等[21]在堿性條件下以環(huán)氧氯丙烷為交聯(lián)劑制備了一種交聯(lián)殼聚糖，利用該交聯(lián)殼聚糖對廢水中的六價鉻離子進(jìn)行吸附研究，結(jié)果表明該交聯(lián)殼聚糖對六價鉻離子的去除效率較高，能達(dá)到污水排放標(biāo)準(zhǔn)。解冰等[22]以環(huán)氧氯丙烷為交聯(lián)劑，通過化學(xué)交聯(lián)-溶液流延法制備了殼聚糖季銨鹽抑菌薄膜，該材料具有較好的抗菌活性，可用于食品包裝的抗菌涂層，水處理時的過濾膜和藥物緩釋載體。

1.1.5 其他常用交聯(lián)劑

楊金艷等[23]采用亞甲基雙丙烯酰胺作交聯(lián)劑制備了一種以殼聚糖為原料的共聚物水凝膠，研究了該水凝膠對Pb2+、Ni2+和Cr3+三種重金屬離子的吸附性能。趙婧等[24]以殼聚糖為載體，亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑制備了一種殼聚糖水凝膠，該水凝膠具有一定的溫度和pH敏感性，預(yù)計在藥物控釋、抗凝血材料、組織工程等領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。李圣平等[25]以殼聚糖季銨鹽為原料，分別以戊二醛和乙二醇二縮水甘油醚為交聯(lián)劑，制備了兩種不同交聯(lián)劑交聯(lián)的季銨化殼聚糖膜。結(jié)果表明，以乙二醇二縮水甘油醚為交聯(lián)劑的季銨化殼聚糖膜的導(dǎo)電性能、機(jī)械性能和含水率等指標(biāo)均優(yōu)于使用相同劑量的戊二醛為交聯(lián)劑的季銨化殼聚糖膜。宋林等[26]以殼聚糖作為載體材料，焦磷酸鈉作為交聯(lián)劑，在微波輻射下，采用離子交聯(lián)法制備了殼聚糖微粒，通過該方法獲得的殼聚糖微?？勺鳛橹委煼伟邢蛩幬锏妮d體，環(huán)保無毒，制備工藝簡便，成本低廉。藍(lán)廣芊等[27]以殼聚糖和明膠作為原料，經(jīng)正交實驗和單因素實驗，證明了戊二醛和單寧酸均具有很好的交聯(lián)作用。單寧酸交聯(lián)組的復(fù)合材料凝血效果最好，其止血效果是醫(yī)用明膠海綿和純殼聚糖海綿的3-4倍。

1.2 物理交聯(lián)改性

殼聚糖能與很多聚合物共混形成穩(wěn)定的體系。殼聚糖和聚乙烯醇的共混體系具有較好的機(jī)械性能和化學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[28]。Jin等[29]制備了殼聚糖/聚乙烯醇混合水凝膠用于吸附金屬鉛，該水凝膠的絡(luò)合作用、離子交換和靜電作用對吸附起了至關(guān)重要的作用。鮑文毅等[30]將殼聚糖包覆到纖維素表面制備了纖維素/殼聚糖共混膜，該共混膜不但保持了純纖維素膜的機(jī)械性能，且對纖維素膜的透明性無影響，殼聚糖包覆改性纖維素能夠明顯提高纖維素膜的抗菌性能。

2 殼聚糖衍生物

殼聚糖分子鏈含有多種活性基團(tuán)，分子內(nèi)部形成大量的氫鍵使得殼聚糖的水溶性較差，僅能溶于有機(jī)酸或無機(jī)酸溶液，不溶于水和堿性溶液，溶解度的問題限制了殼聚糖在各個行業(yè)的應(yīng)用。殼聚糖分子上活性基團(tuán)形成的氫鍵雖然影響了其水溶性，但也為化學(xué)修飾提供了可能。目前，研究人員將親水性基團(tuán)添加到殼聚糖的活性基團(tuán)上，獲得了水溶性較好的殼聚糖衍生物，如羧甲基殼聚糖、殼聚糖季銨鹽、殼聚糖鹽酸鹽和胍化殼聚糖等，也有部分學(xué)者對殼聚糖進(jìn)行疏水改性，如烷基化殼聚糖。

2.1 羧甲基殼聚糖

羧甲基殼聚糖是殼聚糖的一種陰離子衍生物，在任意pH的水溶液下均具有較好的溶解性，可通過改變羧甲基取代度調(diào)控其溶解性，且具有較好的生物可降解性、生物相容性、低免疫原性和抗氧化活性。Chen等[31]制備的羧甲基殼聚糖能夠促進(jìn)皮膚成纖維細(xì)胞的增殖，抑制瘢痕疙瘩皮膚成纖維細(xì)胞的增殖。Kalliola等[32]制備了一種具有pH敏感特性的羧甲基殼聚糖納米微球，可用于水污染中浮油的處理和物質(zhì)的控釋。

2.2 殼聚糖季銨鹽

殼聚糖季銨鹽是一種具有較強(qiáng)的陽離子強(qiáng)度的水溶性殼聚糖衍生物，具有殼聚糖的生物特性和化學(xué)特性，且具有較好的抗菌性能，在生物醫(yī)藥、環(huán)境和化妝品等行業(yè)具有較多的應(yīng)用。李繼城等[33]采用冷凍干燥法制備了以季銨化殼聚糖為原料，戊二醛為交聯(lián)劑的醫(yī)用止血海綿，制得的止血海綿呈雪白色，結(jié)構(gòu)疏松多孔，具有較好的吸水率。Song等[34]將殼聚糖季銨鹽加入聚甲基丙烯酸甲酯義齒材料中，得到無細(xì)胞毒性，抗菌和抗腐蝕性能較好的義齒復(fù)合材料，該材料有望應(yīng)用于牙齒修復(fù)。Wang等[35]制備了五種不同的水溶性殼聚糖季銨鹽，結(jié)果表明該類殼聚糖衍生物具有良好的生物相容性和抗菌性。

2.3 殼聚糖鹽酸鹽

殼聚糖鹽酸鹽是一種具有強(qiáng)陽離子性的殼聚糖衍生物，可直接溶于水，溶液呈弱酸性，具有殼聚糖的特性。高世博等[36]以戊二醛為交聯(lián)劑，采用乳化交聯(lián)法制備了殼聚糖鹽酸鹽微球，該微球表現(xiàn)出與酸溶性殼聚糖微球相似的理化性質(zhì)。郭厚勇等[37]以水溶性殼聚糖鹽酸鹽為誘導(dǎo)有機(jī)基質(zhì)，利用直接沉淀法仿生制備出核殼結(jié)構(gòu)的碳酸鈣。

2.4 胍化殼聚糖

胍基化反應(yīng)是指在酸性條件下使用一系列氰基胍將殼聚糖上的游離氨基進(jìn)行取代的反應(yīng)。胍化反應(yīng)可發(fā)生在氨基，也可發(fā)生在羥基。殼聚糖胍化生成的殼聚糖胍鹽分為單胍鹽化殼聚糖和雙胍鹽化殼聚糖。相比殼聚糖，殼聚糖胍鹽衍生物具有更好的水溶性，更好的穩(wěn)定性和抗菌活性[38]。Zhao等[39]在微波輻射條件下將殼聚糖與雙氰胺反應(yīng)制備了殼聚糖雙胍鹽酸鹽，相比殼聚糖，胍化殼聚糖具有更好的抗菌活性，殼聚糖雙胍鹽酸鹽的抗菌活性隨著胍基取代度的升高而增強(qiáng)。趙雪等[40]在微波輻射條件下以殼聚糖胍亞硫酸鹽和濃鹽酸為原料，成功合成了殼聚糖胍鹽酸鹽抗菌劑，將該抑菌劑用于羊毛織物抗菌整理。

2.5 烷基化殼聚糖

烷基化改性是將殼聚糖與鹵代烴或硫酸酯反應(yīng)生成疏水性烷基化殼聚糖衍生物。黃彧琛[41]使用烷基化疏水改性殼聚糖制備出N-十二烷基殼聚糖止血海綿，將該止血海綿用于大鼠股動脈止血模型中，止血時間相對未改性的殼聚糖縮短。代昭等[42]在堿性條件下對低分子量殼聚糖經(jīng)長鏈烷基改性，制備以撲熱息痛為模型藥物的烷基化殼聚糖納米微球，研究其藥物緩釋作用。Zhang等[43]通過冷凍干燥法制備了烷基化殼聚糖與氧化石墨烯止血海綿，該止血海綿具有較好的生物相容性和力學(xué)穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

殼聚糖及衍生物通過化學(xué)或物理方法交聯(lián)后機(jī)械性能提高，韌性提高。提高殼聚糖在水中的溶解度有利于將殼聚糖制備成不同的應(yīng)用產(chǎn)品，疏水化殼聚糖有利于其與其他疏水性物質(zhì)的結(jié)合。通過對殼聚糖進(jìn)行交聯(lián)改性和親/疏水性改性，對更好的開發(fā)利用殼聚糖具有十分重要的意義。