殼聚糖基納米纖維膜的交聯(lián)方法

夏鈺華，吳 鵬，徐長安，唐 旭

(1.福州大學(xué) 生物科學(xué)與工程學(xué)院，福州 350108； 2.自然資源部第三海洋研究所，廈門 361005)

殼聚糖是甲殼素的脫乙酰產(chǎn)物，被認(rèn)為是最豐富的天然多糖之一，是目前自然界唯一帶正電的堿性多糖[1]。殼聚糖對多種細(xì)菌、真菌都具有抑菌活性[2]，是一種具有較高活性的廣譜抗菌劑[3-5]。殼聚糖具有良好的生物相容性、可降解性、抗菌性、成膜性好、無毒等特點(diǎn)，屬于可再生資源，并且其來源廣泛[6]，使其在生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護(hù)、食品包裝等領(lǐng)域均具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，采用靜電紡絲技術(shù)制備殼聚糖基納米纖維膜的研究較多，因?yàn)闅ぞ厶窃诟哽o電壓作用下拉伸，溶劑快速蒸發(fā)后固化形成的納米纖維具有直徑小、比表面積大、孔隙度高、纖維連續(xù)性好等優(yōu)點(diǎn)。區(qū)別于傳統(tǒng)的紡絲技術(shù)，靜電紡絲裝置簡單、紡絲成本低、可紡物質(zhì)多、工藝可控，已成為制備納米纖維的重要技術(shù)[7-9]。但是殼聚糖基納米纖維如果未經(jīng)交聯(lián)，由于纖維的比表面積大，使其極易溶于水、適用pH范圍小、機(jī)械強(qiáng)度差等缺點(diǎn)，因此通過有效的交聯(lián)方法獲得具有穩(wěn)定性能的殼聚糖基納米纖維膜非常重要。

1 高壓靜電紡絲制備殼聚糖基納米纖維膜

殼聚糖基納米纖維靜電紡絲過程如圖1所示，由殼聚糖配置而成的紡絲液，在10～30 kV的高壓靜電場及外力推動下，在金屬噴頭處形成液滴，由于液滴表面張力不足以支撐靜電相斥力而形成泰勒錐，此時聚合物射流在高壓靜電場中高速拉伸、溶劑揮發(fā)、溶質(zhì)固化，最終沉積在接收裝置表面，從而得到殼聚糖纖維[9，13]。

圖1 靜電紡絲制備殼聚糖基納米纖維膜示意Fig.1 Preparation of chitosan-based nanofiber membranes by electrospinning1—注射器;2—?dú)ぞ厶菑?fù)合紡絲液;3—高壓靜電;4—泰勒錐射流;5—鞕動射流;6—接收電極

表1 殼聚糖基納米纖維膜的交聯(lián)方法及性能和應(yīng)用場景Tab.1 Crosslinking method and properties and application of chitosan-based nanofiber membranes

2 殼聚糖基納米纖維膜的交聯(lián)方法

2.1 化學(xué)交聯(lián)

2.1.1 戊二醛

通過戊二醛對殼聚糖基納米纖維膜進(jìn)行交聯(lián)是最為常見和有效的方法之一。殼聚糖與戊二醛通過席夫堿反應(yīng)生成亞胺結(jié)構(gòu)，如圖2所示[16]。

圖2 殼聚糖與戊二醛交聯(lián)示意Fig.2 Schematic diagram of crosslinking between chitosan and glutaraldehyde

殼聚糖也可以通過邁克爾加成反應(yīng)與戊二醛末端的醛基生成羰基[16]。汪希銘等[17]在常溫下通過使用戊二醛蒸氣對殼聚糖/聚環(huán)氧乙烯復(fù)合納米纖維膜進(jìn)行交聯(lián)，結(jié)果顯示交聯(lián)后的納米纖維膜在耐水性能上有了明顯的改善，使其更加適合應(yīng)用于傷口敷料。其主要是由于交聯(lián)處理后殼聚糖與戊二醛的分子之間生成了亞胺鍵，增加了其剛性，同時發(fā)現(xiàn)交聯(lián)時間在0～24 h內(nèi)隨著交聯(lián)時間的延長，納米纖維的直徑也相應(yīng)變大。竇涌等[18]采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的戊二醛溶液對殼聚糖/聚乙烯醇進(jìn)行24 h熏蒸后得到了熱穩(wěn)定性、耐水性更好的納米纖維膜，是生物醫(yī)學(xué)中一種潛在的組織工程支架；通過紅外分析發(fā)現(xiàn)交聯(lián)后的納米纖維出現(xiàn)了新的羰基吸收強(qiáng)峰，熱重分析結(jié)果也顯示交聯(lián)后的納米纖維具有更高的熔融溫度，說明在交聯(lián)過程中形成了更多的新的化學(xué)鍵。通過戊二醛熏蒸的方法，能夠使殼聚糖基納米纖維膜得到有效的交聯(lián)，其操作簡便易行、生產(chǎn)成本低的特點(diǎn)使其被廣泛地使用；但考慮到殘留的戊二醛具有一定的細(xì)胞毒性，并且醛類交聯(lián)劑與殼聚糖形成的席夫堿具有化學(xué)不穩(wěn)定性，因此在實(shí)際應(yīng)用中受到一定的限制。

2.1.2 環(huán)氧氯丙烷

殼聚糖與環(huán)氧氯丙烷交聯(lián)如圖3所示[30]，環(huán)氧氯丙烷是一種環(huán)氧類化合物，化學(xué)性質(zhì)活潑，易發(fā)生開環(huán)反應(yīng)。

圖3 殼聚糖與環(huán)氧氯丙烷交聯(lián)示意Fig.3 Schematic diagram of crosslinking between chitosan and epichlorohydrin

鄭化等[31]使用環(huán)氧氯丙烷對殼聚糖納米纖維進(jìn)行交聯(lián)獲得了一種有望應(yīng)用于可控降解的生物醫(yī)學(xué)材料，研究發(fā)現(xiàn)使用環(huán)氧氯丙烷對殼聚糖進(jìn)行交聯(lián)時，其交聯(lián)方式受到溫度的影響，交聯(lián)溫度低于40 ℃時殼聚糖只有氨基參與反應(yīng)，當(dāng)溫度大于40 ℃時，殼聚糖中氨基和羥基均能發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)。M.S.AUSTERO等[16]和A.E.DONIUS等[21]通過體積比10:1的殼聚糖與環(huán)氧氯丙烷對殼聚糖納米纖維膜進(jìn)行交聯(lián)，得到了直徑為(896±435) nm的殼聚糖納米纖維，該殼聚糖納米纖維膜在pH 為3的環(huán)境中具有良好的穩(wěn)定性，同時其機(jī)械強(qiáng)度也得到了顯著提高，為其作為濾膜、生物組織支架提供了可能。環(huán)氧氯丙烷交聯(lián)殼聚糖基納米纖維膜可以通過調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度來選擇交聯(lián)基團(tuán)進(jìn)行反應(yīng)，可以通過提高溫度來得到力學(xué)性能更好的殼聚糖基納米纖維膜。但隨著交聯(lián)反應(yīng)的溫度升高，對于納米纖維封裝的活性物質(zhì)可能產(chǎn)生不利影響，同時環(huán)氧氯丙烷其本身的細(xì)胞毒性也不容忽視。

2.1.3 乙二醇二縮水甘油醚

乙二醇二縮水甘油醚比常用的化學(xué)交聯(lián)劑戊二醛和環(huán)氧氯丙烷具有更低的細(xì)胞毒性[23]。如圖4所示，乙二醇二縮水甘油醚具有兩個環(huán)氧基團(tuán)，可以與氨基、羥基、羧基進(jìn)行反應(yīng)，可以與殼聚糖中的胺的官能團(tuán)進(jìn)行交聯(lián)[22]。但胺與雙環(huán)氧化合物的反應(yīng)在室溫下很慢，可以通過提高溫度來加快反應(yīng)[32]。A.AQIL等[22]通過質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的乙二醇二縮水甘油醚水溶液交聯(lián)的殼聚糖/聚環(huán)氧乙烯復(fù)合納米纖維膜能夠在酸性溶液(pH為 5)中保持一定的強(qiáng)度，增加其耐水性和機(jī)械強(qiáng)度。皮膚成纖維細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞在該納米纖維膜上表現(xiàn)出了良好的附著性、增值能力和活性。A.DODERO等[23]將殼聚糖/聚環(huán)氧乙烯復(fù)合納米纖維膜放在體積分?jǐn)?shù)為2.5%和5%的乙二醇二縮水甘油醚水溶液中進(jìn)行化學(xué)交聯(lián)，紅外分析結(jié)果顯示納米纖維膜上的胺官能團(tuán)發(fā)生了減少或消失，這使得殼聚糖基納米纖維膜的性能得以提升，可以進(jìn)一步獲得可用于細(xì)胞增殖的高性能材料。低濃度(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%～5%)的乙二醇二縮水甘油醚即可與殼聚糖基納米纖維進(jìn)行高效交聯(lián)，交聯(lián)條件溫和，相比于常用化學(xué)交聯(lián)劑如戊二醛、環(huán)氧氯丙烷，具有更高的安全性，但交聯(lián)過程是通過化合物共價結(jié)合，所以交聯(lián)后的殼聚糖基納米纖維膜中仍可能存在乙二醇二縮水甘油醚的殘留。

圖4 殼聚糖與乙二醇二縮水甘油醚交聯(lián)示意Fig.4 Schematic diagram of crosslinking between chitosan and ethylene glycol diglycidyl ether

2.1.4 紫外光交聯(lián)

紫外光交聯(lián)的方法與化學(xué)共價交聯(lián)法相比較具有更加高效和綠色環(huán)保的特點(diǎn)，在合適的光引發(fā)劑的存在下，通過紫外光的作用會產(chǎn)生自由基，進(jìn)而形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)[33]。甄洪鵬[24]通過在殼聚糖/聚乙烯醇紡絲液中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%～5%的光交聯(lián)單體三甘醇二甲基丙烯酸酯和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的光引發(fā)劑二羥基二甲基苯基丙酮得到的復(fù)合納米纖維膜，進(jìn)一步使用200 mW/cm2光強(qiáng)的紫外點(diǎn)光源進(jìn)行10 min光交聯(lián)得到了具有良好耐水性的醫(yī)用高分子材料，可以作為生物礦化基質(zhì)、藥物緩釋載體等。如圖5所示，P.KIANFAR等[15,34]通過添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的二苯甲酮作為光引發(fā)劑將殼聚糖/聚環(huán)氧乙烯復(fù)合納米纖維膜直接使用高低兩種紫外光強(qiáng)度(7 mW/cm2和70 mW/cm2)進(jìn)行照射，結(jié)果顯示聚環(huán)氧乙烯在紫外光的照射下進(jìn)行了交聯(lián)，殼聚糖發(fā)生部分裂解，從纖維形貌上看沒有明顯變化，復(fù)合納米纖維膜的耐熱性和耐水性均有改善，使其在生物醫(yī)藥、食品包裝領(lǐng)域可以得到進(jìn)一步的應(yīng)用。紫外光交聯(lián)的方法通過選取合適的光引發(fā)劑對殼聚糖基納米纖維膜進(jìn)行交聯(lián)固化，具有高效、綠色、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。但在交聯(lián)過程中殼聚糖的裂解使其無法得到在結(jié)構(gòu)上更穩(wěn)定的納米纖維膜，同時為了防止高分子共混物發(fā)生光氧化，需要在氮?dú)夥諊羞M(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)，操作繁瑣。

圖5 二苯甲酮在紫外光下引發(fā)聚環(huán)氧乙烯交聯(lián)示意Fig.5 Crosslinking of polyethylene oxide initiated by benzophenone under ultraviolet light

2.2 物理交聯(lián)

2.2.1 非共價交聯(lián)

圖6 殼聚糖與離子交聯(lián)示意Fig.6 Schematic diagram of crosslinking between chitosan and

2.2.2 熱交聯(lián)

熱交聯(lián)的方法毫無疑問是一種更加安全和綠色的交聯(lián)方法，交聯(lián)過程無需添加化學(xué)試劑[41-43]。QIN Z Y等[25-26]在120℃下對殼聚糖/普魯蘭多糖納米纖維膜進(jìn)行熱交聯(lián)2 h處理發(fā)現(xiàn)，隨著殼聚糖比例的增加，大量的-NH2與普魯蘭多糖發(fā)生美拉德反應(yīng)，從而使納米纖維膜的耐水性得以增強(qiáng)，為通過殼聚糖納米纖維膜封裝除氧劑、除濕劑、抗菌劑等活性物質(zhì)在食品包裝中發(fā)揮長效作用提供了進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。O.K.YUN等[27]對殼聚糖/聚乙烯醇納米纖維膜進(jìn)行150 ℃，10 min的熱交聯(lián)處理得到了耐水性和拉伸效果更好的傷口敷料；M .MOYDEEN[28]對殼聚糖/聚乙烯醇納米纖維膜在120 ℃進(jìn)行6 h交聯(lián)，發(fā)現(xiàn)殼聚糖和聚乙烯醇形成了更多的分子間氫鍵，從而提高了耐水性和熱穩(wěn)定性，獲得了一種應(yīng)用于頭孢氨芐的藥物遞送體系。如圖7所示，JIANG M J等[29]對殼聚糖/聚丙烯酸鈉納米纖維膜在190 ℃進(jìn)行12 h交聯(lián)，得到了耐酸堿的納米濾膜，對水溶液中鉻(Cr)離子的去除率達(dá)到了79.3%，能對工業(yè)廢水中的重金屬離子進(jìn)行有效吸附。熱交聯(lián)的方法為殼聚糖基納米纖維膜的提供了一種安全可行、操作簡便的交聯(lián)方法，但熱交聯(lián)時需要較高的溫度，生產(chǎn)成本較高。

3 結(jié)語與展望

殼聚糖基納米纖維膜因其生物相容性、可降解性等特點(diǎn)，在生物醫(yī)藥、食品包裝、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域均具有潛在的應(yīng)用價值。殼聚糖基納米纖維膜的交聯(lián)方法包括添加交聯(lián)劑的化學(xué)交聯(lián)、紫外光交聯(lián)、非共價交聯(lián)、熱交聯(lián)等，其中添加交聯(lián)劑的化學(xué)交聯(lián)是應(yīng)用最早、最廣和研究最多的交聯(lián)方法，該方法能更好地獲得機(jī)械強(qiáng)度高、耐水性強(qiáng)、耐熱性強(qiáng)的生物材料，但化學(xué)物質(zhì)本身存在細(xì)胞毒性等缺點(diǎn)；紫外光交聯(lián)、非共價交聯(lián)、熱交聯(lián)的方法提供了更為綠色、環(huán)保的解決方法，但其交聯(lián)效果與添加交聯(lián)劑的化學(xué)交聯(lián)法還存在一定差距。

在藥物遞送體系、傷口敷料、組織工程支架等領(lǐng)域，通過不同交聯(lián)方式均能加強(qiáng)納米纖維膜的使用性能。在食品包裝領(lǐng)域，通過戊二醛進(jìn)行殼聚糖基復(fù)合納米纖維膜的交聯(lián)，使材料具有了一定的機(jī)械強(qiáng)度和耐水性，但由于戊二醛的細(xì)胞毒性，目前可以采用天然來源的肉桂醛代替戊二醛進(jìn)行交聯(lián)。未來，更為綠色、環(huán)保、安全的交聯(lián)是該領(lǐng)域進(jìn)一步研究的方向。在環(huán)保領(lǐng)域，殼聚糖基納米纖維膜可應(yīng)用于染料吸附、重金屬離子吸附等工業(yè)廢水處理，也可應(yīng)用于去除細(xì)菌等水凈化處理等。用于環(huán)保領(lǐng)域的殼聚糖基納米纖維膜是近年來研究的熱點(diǎn)，通過化學(xué)交聯(lián)獲得更加穩(wěn)定和耐酸堿的納米纖維膜是關(guān)鍵?？偠灾?，不同的交聯(lián)方法均對殼聚糖基納米纖維膜在使用性能上有了一定的提升，但面對具體的使用場景和實(shí)際使用需要，更為綠色、環(huán)保、安全的交聯(lián)方式仍然需要進(jìn)一步的研究和探索。