新型殼聚糖基復(fù)合水凝膠的應(yīng)用和研究進(jìn)展

范曉坤，李想，李朔

（湖南工業(yè)大學(xué)包裝與材料工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

引言

水凝膠是一種以水為分散介質(zhì)的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的柔性材料，可以在水中長時間保持溶脹狀態(tài)但不會溶解。殼聚糖（Chitosan，CS）是自然界中發(fā)現(xiàn)的唯一的堿性多糖，可以由甲殼素經(jīng)過脫乙酰作用得到，也是自然界中含量第二多的多糖。殼聚糖不僅具有良好的生物相容性和生物可降解性，而且還具備一定的抗菌、止血作用。本文介紹了殼聚糖基水凝膠的交聯(lián)合成方法和特性，以及最近報(bào)道的殼聚糖基復(fù)合水凝膠的功能特性和研究進(jìn)展。

1 殼聚糖特性

殼聚糖的化學(xué)名稱為聚葡萄糖胺（1-4）-2-氨基-b-d 葡萄糖，其結(jié)構(gòu)式如圖1 所示。殼聚糖可以通過甲殼素脫乙?；玫健Ｆ浯蠓肿渔溨泻写罅康陌被?、羥基和醚鍵，可進(jìn)行?；?、酯化、羧基化、醚化、氧化、席夫堿化等反應(yīng)[1]。

1.1 溶解性能

由于殼聚糖存在大量分子間和分子內(nèi)氫鍵導(dǎo)致高結(jié)晶，從而不能熔融而且難于溶于水溶劑一般有機(jī)溶劑。殼聚糖分子鏈中含有大量的氨基基團(tuán)。由于氨基在酸性介質(zhì)中可以質(zhì)子化，因此可以溶解在稀酸（醋酸、鹽酸等）中[2]。

目前有研究人員使用堿/尿素溶劑體系在低溫環(huán)境成功將殼聚糖溶解，并且相對于酸性體系構(gòu)建的殼聚糖水凝膠，堿性體系構(gòu)建的殼聚糖水凝膠力學(xué)性能和抗菌性能更加優(yōu)異[3]。

同時，在殼聚糖結(jié)構(gòu)中引入小的化學(xué)基團(tuán)，例如烷基（羥丙基殼聚糖[4]）或羧甲基基團(tuán)可以顯著增加殼聚糖的溶解度[5]。使用一系列低分子量殼聚糖樣品開發(fā)了一種簡單且改進(jìn)的制備高溶解性殼聚糖（半N-乙?；瘹ぞ厶牵┑姆椒╗6]。對殼聚糖進(jìn)行改性，接枝羧甲基、季銨鹽基團(tuán)，不僅增強(qiáng)了殼聚糖的溶解性能還增強(qiáng)了殼聚糖的抗菌性能。

1.2 抗菌性

已有大量研究表明，殼聚糖對許多細(xì)菌、真菌和酵母菌具有滅活作用[7]。殼聚糖的抗菌機(jī)理主要在于其線性分子鏈上的氨基基團(tuán)能結(jié)合酸性分子并帶正電荷，使其與細(xì)菌蛋白質(zhì)的負(fù)電荷部分結(jié)合，從而使細(xì)菌失活[8]。殼聚糖對革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌具有廣譜抑菌性和高滅殺率，且對哺乳動物的細(xì)胞毒性低[9]。

1.3 吸附作用

殼聚糖分子鏈上有大量羥基和氨基，可以形成大量氫鍵，因此具有良好的螯合吸附能力，可有效地吸附帶電荷的物質(zhì)，對重金屬離子、陰離子聚合物等都有一定的螯合作用[10]，因此殼聚糖在污水處理、水體軟化等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

2 殼聚糖基水凝膠的交聯(lián)方式

殼聚糖基水凝膠的交聯(lián)方式主要分為物理交聯(lián)和化學(xué)交聯(lián)[11]。物理交聯(lián)主要是通過氫鍵、靜電作用、疏水作用等構(gòu)建水凝膠網(wǎng)絡(luò)。相比較化學(xué)交聯(lián)，物理交聯(lián)的殼聚糖水凝膠可以被反復(fù)溶解加工。殼聚糖化學(xué)交聯(lián)一般通過氨基或者羧基反應(yīng)形成醚鍵、席夫堿鍵等強(qiáng)共價鍵，一般力學(xué)性能較好[12]。殼聚糖水凝膠常用的化學(xué)交聯(lián)劑一般有甲醛、戊二醛、環(huán)氧氯丙烷、京平尼等，但大多化學(xué)交聯(lián)劑一般都會帶有一定的毒性。

3 殼聚糖基水凝膠的應(yīng)用

殼聚糖是用于制備水凝膠最廣泛使用的材料之一。殼聚糖（Chitosan，CS）是自然界中發(fā)現(xiàn)的唯一的堿性多糖，也是自然界中含量第二多的多糖，已被應(yīng)用于污水處理、藥物傳送、組織工程、生物傳感等領(lǐng)域（圖2）。

由于殼聚糖溶解性能差、純殼聚糖水凝膠力學(xué)性能差，這限制了其單獨(dú)應(yīng)用。使用殼聚糖與一些天然高分子和一些合成高分子混合制備的水凝膠，往往具備優(yōu)良的綜合性能，可以大大彌補(bǔ)殼聚糖水凝膠的力學(xué)性能不足、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)。

Sabadini 等[13]利用殼聚糖與陰離子聚合物的聚電解質(zhì)絡(luò)合，制備了殼聚糖/結(jié)冷膠水凝膠。殼聚糖和結(jié)冷膠組成比為1∶4時，最大吸水率為219 g/g。水分蒸發(fā)分析表明，水凝膠樣品保留水分約9 h，而純水蒸發(fā)約4 h。此外，將CS/結(jié)冷膠樣品作為商業(yè)磷酸二氫鉀（MKP）肥料釋放劑進(jìn)行測試，并證明在大約8 小時內(nèi)幾乎完全釋放。

Huy 等[14]開發(fā)一種新的CO2活化殼聚糖吸附技術(shù)。CO2活化的殼聚糖水凝膠對染料的吸附速度明顯快于純水中的殼聚糖水凝膠，提高了對染料的吸附量和去除效率。此外，研究了在不同溫度和初始染料濃度下，CO2活化殼聚糖水凝膠對染料的吸附。二氧化碳活化殼聚糖水凝膠為廢水處理提供了一種高效、清潔處理染料的方式。

灌溉水和飲用水中過量的硼會分別對植物產(chǎn)量和人類神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面影響。Kluczka 等[15]使用基于殼聚糖和錳（II-IV）的混合吸附水凝膠從水中去除硼。結(jié)果表明，該吸附水凝膠在中性pH 條件下，水/水凝膠比為20 mL/g，2 h 內(nèi)能有效去除水介質(zhì)中的硼酸，最大吸附量接近190 mg/g。通過FTIR、RS、XRD、SEM 和ICP-OES 進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征，發(fā)現(xiàn)錳在殼聚糖結(jié)構(gòu)上的良好附著使硼得以吸附。這項(xiàng)研究的結(jié)果表明，使用基于殼聚糖和錳（II-IV）的混合吸附水凝膠珠可以有效改善水質(zhì)，有助于減少水環(huán)境的污染。

Guo 等[16]通過在LiOH/urea 水溶液中混合纖維素和羧甲基殼聚糖（CMCS），然后用環(huán)氧氯丙烷交聯(lián)，制備了新型纖維素/羧甲基殼聚糖（CMCS）復(fù)合水凝膠。復(fù)合水凝膠對L929 細(xì)胞沒有細(xì)胞毒性，表明具有良好的生物相容性。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，所制備纖維素/CMCS 復(fù)合水凝膠可以有效地用作傷口敷料，應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

Wang 等[17]開發(fā)出一種由3,4-二羥苯基丙酸修飾的殼聚糖（DCS）和對羥基苯甲醛修飾聚乙二醇（PEGSH）組成的多功能粘附生物水凝膠。該生物水凝膠表現(xiàn)出良好的拉伸性、凝血性、強(qiáng)粘附性、自愈合性、良好的細(xì)胞相容性和抗菌性能，是一種極具潛力的止血材料。該水凝膠無需額外的黏合劑和抗菌劑，可以克服傳統(tǒng)止血劑在潮濕環(huán)境下拉伸能力差和自粘不良的缺點(diǎn)。

Lin 等[18]將聚乙烯醇（PVA）、葡聚糖和殼聚糖整合以制備理想的傷口敷料，使用戊二醛（GA）作為交聯(lián)劑。結(jié)果表明，6%的PVA水凝膠與0.25%的殼聚糖具有良好的抗菌能力。將PVA/殼聚糖水凝膠與4%葡聚糖結(jié)合，利用GA 交聯(lián)制備的水凝膠呈現(xiàn)出較高的細(xì)胞增殖能力，表明該水凝膠具有作為傷口敷料的潛力。

Noori 等[19]開發(fā)了一種基于聚乙烯醇/殼聚糖/蜂蜜/粘土的新型納米復(fù)合水凝膠，并將其作為一種新型傷口敷料進(jìn)行性能評估。結(jié)果表明，水凝膠的溶脹度隨著溫度的升高而增加，在pH 值為2 時溶脹度最大。相應(yīng)的結(jié)果表明，在較高的pH 值下，蜂蜜的釋放率更快。MTT 結(jié)果顯示，在納米復(fù)合水凝膠體系中沒有細(xì)胞毒性?？咕钚匝芯勘砻?，該復(fù)合水凝膠體系的抗菌活性超過99%。傷口模型證實(shí)了所開發(fā)納米復(fù)合水凝膠體系具有促進(jìn)傷口愈合的能力。

Chen 等[20]利用絲素蛋白（SF）通過氫鍵與羧甲基殼聚糖（CMCS）混合并交聯(lián)，然后共沉積在石墨電極上。通過調(diào)整電沉積參數(shù)可以輕松控制SF/CMCS 水凝膠的厚度、質(zhì)量和形狀。通過SEM 觀察所制備的水凝膠的形貌，發(fā)現(xiàn)了水凝膠內(nèi)部存在規(guī)則的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。根據(jù)熱重分析和流變學(xué)測量的結(jié)果，這種結(jié)構(gòu)是由于SF 和CMC 之間的分子間氫鍵造成的。作為一種潛在的傷口敷料，SF/CMCS 水凝膠為傷口愈合保持了合適的水分環(huán)境，并在促進(jìn)HEK-293 細(xì)胞增殖和對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌活性方面表現(xiàn)出獨(dú)特的特性。此外，對覆蓋有SF/CMCS 水凝膠的大鼠全層皮膚傷口進(jìn)行了組織學(xué)研究，結(jié)果表明這種水凝膠可以促進(jìn)傷口上皮再生并促進(jìn)肉芽組織形成。這些結(jié)果說明了在傷口敷料的實(shí)踐中使用開發(fā)的基于SF/CMCS 的水凝膠制造策略的可行性。

Cao 等[21]構(gòu)建了一種具有自愈特性的新型可注射羧甲基殼聚糖（CMCh）水凝膠傷口敷料。首先，首先，在堿/尿素水溶液中合成CMCh 樣品。隨后，引入三價金屬離子Fe3+和Al3+，與CMCh形成配位鍵，可以快速凝膠。通過改變CMCh 的濃度和金屬離子的相對含量，可以獲得一系列不同性能的水凝膠。由于配位鍵的動態(tài)和可逆特性，水凝膠表現(xiàn)出自修復(fù)、自適應(yīng)和熱響應(yīng)能力。此外，由于CMCh 上的氨基與SO42-，水凝膠經(jīng)歷相分離，可以無痛地從皮膚上分離，幾乎沒有殘留。利用這些特性，水凝膠被用作傷口敷料，可以顯著加速皮膚組織再生和傷口閉合。

Yu 等[22]用氧化季銨化瓜爾膠（OQGG）和羧甲基殼聚糖（CMCS）設(shè)計(jì)了一種具有抗菌、止血、自修復(fù)和可注射特性的水凝膠。細(xì)胞毒性測試表明OQGG@CMCS 水凝膠具有良好的細(xì)胞相容性。此外，OQGG@CMCS 水凝膠顯著促進(jìn)了金黃色葡萄球菌感染大鼠傷口模型的傷口愈合。因此，水凝膠可以被用作傷口敷料。

Jin 等[23]通過一種簡單的方法在室溫下成功地設(shè)計(jì)和開發(fā)了受貽貝啟發(fā)的、高粘附、導(dǎo)電、可自愈水凝膠。該水凝膠由殼聚糖（CS）、氧化石墨烯（GO）和多巴胺（DA）的混合物通過共價鍵、π-π 堆積鍵和氫鍵物理交聯(lián)形成復(fù)合水凝膠，該水凝膠表現(xiàn)出快速的自愈能力和良好的自恢復(fù)能力，并且力學(xué)性能優(yōu)異。CS-DA-GO 的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)賦予水凝膠比CS-DA 更好的穩(wěn)定性。通過調(diào)整GO 的含量，可以方便調(diào)整水凝膠的力學(xué)性能、粘附性、溶脹率和孔徑。該水凝膠具有良好的導(dǎo)電性能，可以應(yīng)用于可穿戴傳感器，用于檢測人體活動。

4 總結(jié)

殼聚糖水凝膠因其來源豐富、生物相容性好、可生物降解、安全等優(yōu)點(diǎn)在生物醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、廢水處理等領(lǐng)域的應(yīng)用上具有極大的潛力。