改性壳聚糖微球的制备及其应用研究进展

党明岩，李俊杰，张晓磊

(1.沈阳理工大学 环境与化学工程学院，辽宁 沈阳 110159；2.沈阳石蜡化工有限公司，辽宁 沈阳 110141)

甲壳素是地球上含量仅次于纤维素的天然高分子化合物，其来源广泛，价廉易得。甲壳素经脱乙酰处理后可生成具有游离氨基和羟基的壳聚糖。壳聚糖由于具有良好的粘合性、生物可降解性、生物相溶性和无毒等特点而广泛应用于医学、食品、化工等众多领域。若将壳聚糖通过化学改性方法制成高分子微球,不但可以改善其比表面积、孔结构等物理性能，同时，采用不同的制备方法，也可改善其分子结构，使其具有更好的化学性能[1-3]。本文就改性壳聚糖微球的不同制备方法及其应用等进行叙述。

1 改性壳聚糖微球的制备

目前壳聚糖微球的制备方法主要有以下几种：乳化交联法、凝聚法、离子交联法、悬浮聚合法、化学交联法等。

1.1 乳化交联法

乳化交联法是指药物与载体材料溶液混合后，分散在不相混溶的介质中形成类似油包水(W/O)或水包油(O/W)型乳剂，再根据所需要的交联密度，投入相应剂量的甲醛、戊二醛等交联剂，并过滤或离心形成的微球，用适当的溶剂洗涤和干燥，即可获得壳聚糖微球。

李峻峰等[4]以壳聚糖溶液为水相、液体石蜡为油相形成油包水型乳液，以香草醛为交联剂，选用盐酸小檗碱为模型药物,制备了香草醛交联的壳聚糖载药微球，结果显示：载药微球表面致密且球形度好，微球粒径在5～15μm之间。丁德润等[5]采用“保护氨基—改性反应—脱保护恢复氨基”技术对壳聚糖(CTS)改性制备了壳聚糖衍生物2-N-羧甲基-6-O-二乙胺基乙基-壳聚糖(DEAE-CMC)，并用DEAE-CMC吸附(络合)钙制备DEAE-CMC和钙的络合物DEAE-CMC-Ca2+，采用乳化交联法制备改性壳聚糖Ca2+得到平均粒径为8.92μm微球。

乳化交联法的优点是能够包埋多种药物，所需设备简单，制备工艺易操作性强。但是交联反应多发生在壳聚糖的氨基上，因此会影响药物的释放性能，且会使某些药物失活。

1.2 凝聚法

凝聚法适用于亲水性药物微球制备，由于壳聚糖溶于稀酸溶液后其氨基基团发生质子化而提高了溶解度，因而制备过程中不需有机试剂和交联剂。凝聚法包括单凝聚法和复凝聚法。单凝聚法又称为沉淀法，是将壳聚糖只溶解在稀酸溶液中(如稀醋酸)，通过某种或某些外界物理化学因素的影响，改变它的溶解度使其沉淀析出，过滤后将所得微球洗净、干燥，即可。复凝聚法是利用壳聚糖和两种带有相反电荷的高分子材料相互发生交联作用，因体系溶解度降低从溶液中析出，共沉淀成微球。由于壳聚糖的酸性水溶液带正电荷，因此它可以与任何阴离子聚合物复凝聚成球。

来水利等[6]以胰岛素为目标药物,以丝素(SF)和羟丙基壳聚糖(HPCS)为包药材料,利用复凝聚法制备SF-HPCS载药微球；分析表明,所制备的载药微球表面密实,平均粒径22.4μm,呈正态分布。De等[7]制备了壳聚糖-藻酸酸钠纳米球，研究显示：当阳离子聚合物(聚-L-赖氨酸或壳聚糖)、CaCl2和藻酸钠的最佳质量比为10∶17∶100时，可以在未凝聚的壳聚糖溶液中形成纳米球，同时发现纳米球在阳离子聚合物浓度低时不能形成,只有浓度高时才能形成。

凝聚法的工艺条件不易控制，且复凝聚法制备壳聚糖微球时，多采用天然高分子材料，而不同材料之间的结构差异又比较大，更加不好控制。同时复凝聚法多采用注射滴加，不易产业化。

1.3 离子交联法

离子交联法指通过壳聚糖和带相反电荷的大分子间的络合形成的结构高分子为网状或体形的制备微球的工艺，条件简单温和，受到人们越来越多的关注。

石晶等[8]采用三聚磷酸钠(TPP)作为离子交联剂，制备负载流感疫苗的壳聚糖微球，研究结果表明：pH=5.6的壳聚糖溶液,固化比为1∶3,TPP的质量浓度为400μg/mL，是较理想的流感疫苗壳聚糖微球的制备条件。另有报道，易文清[9]等采用三聚磷酸钠(TPP)和六偏磷酸钠(SHMP)为复合交联剂，制备了离子交联网络结构的壳聚糖水凝胶微球；分析表明：微球具有较好的离子强度和pH敏感性,在酸性介质中有较高的溶胀度。

此种制备方法可以避免在壳聚糖微球化学交联过程中引入有毒的有机试剂和不必要的影响,最大程度地保护疫苗抗原的活性.但小分子电解质会影响壳聚糖在溶液中的构象转变，进而对药物的缓释作用产生影响。

1.4 悬浮聚合法

悬浮聚合法是以溶剂(油相)为分散介质，水溶性单体在悬浮剂和强烈搅拌作用下分散成悬浮水相液滴，引发剂溶解在水相液滴中而进行的聚合方法，是目前研究最多、制备壳聚糖微球最常用的一种方法。

辛梅华等[10]以壳聚糖、环氧氯丙烷、α-酮戊二酸等为原料，采用反相悬浮法制备交联壳聚糖微球，再与α-酮戊二酸反应生成Schiff碱，经NaBH4还原制得改性壳聚糖微球；分析表明：改性CTS微球的平均粒径为56μm，并研究了该微球对2,4-二硝基酚的吸附性能。张静等[11]采用反相悬浮聚合法制备壳聚糖微球，对微球进行羟丙基氯化及氨基化，并偶联色素配体Cibacron Blue F3GA，得到一种新型染料亲和吸附剂，以牛血清白蛋白(BSA)为目标蛋白，考察了该染料亲和吸附剂的吸附性能。陈水平等[12]以壳聚糖为原料，液体石蜡为分散介质，甲醛、戊二醛为交联剂，通过反相悬浮聚合制备了粒径小于100μm的壳聚糖多孔微球。

反相悬浮法具有反应热易排除、聚合过程稳定、能直接得到粒状产品、无须粉碎工序、产品易干燥、产物的综合吸水性能好等优点，已引起专家学者的广泛关注。

1.5 化学交联法

化学交联法指的是在某种或某些条件和交联剂等作用下大分子之间的链通过化学键结合起来形成高分子的方法，其结构可能为体型或网状。一般情况下化学交联法不单独使用。 何强芳等[13]以壳聚糖为载体，戊二醛为交联剂，以span-80和硬脂酸镁为复合乳化剂，真空泵油和石蜡油相混合为油相，通过乳液-化学交联法制备了5-氟尿嘧啶壳聚糖微球，IR和SEM对微球进行的结构表征和形态观察表明：壳聚糖与5-氟尿嘧啶之间有比较强的分子间作用力，微球球形规整，分散性好,粒径分布在1～5μm之间。李和平等[14]采用超声乳化-化学交联法制备了具有空腔结构的壳聚糖微球，并对其大小和形貌进行了表征，还研究了此微球对甲基橙的吸附动力学和热力学，简单的探讨了吸附机理；结果表明：制备的微球外形较规整，粒径为1～10μm，在最佳吸附条件下，对甲基橙的吸附率达99.34%。

除上述制备方法外，还有利用乳化分散法[15]、溶剂蒸发法[16]、微孔膜乳化技术[17]、微波辐射法[18-19]、逐层自组装法[20]等也可得到粒径均匀的壳聚糖微球。注射法[21]、滴加法[22]等物理方法也取得了较大的进展。根据不同应用特性可选择相应的合成方法制备可控粒径和形貌的壳聚糖微球。

2 壳聚糖微球在废水处理方面的应用

2.1 壳聚糖微球在处理含有重金属离子废水中的应用

从目前的报道来看，壳聚糖微球用于处理水体中的重金属离子是其应用最广的一个领域，重金属离子的污染具有不能被去除和降解且在环境中容易沉积的特点，在处理时只能改变其价态或将其转移、稀释。壳聚糖分子链上游离的氨基和羧基，可以通过螯合作用与重金属离子结合在一起，达到有效吸附和捕集的目的。同时，壳聚糖微球的吸附性能还受温度、pH值、吸附时间、重金属离子初始浓度等因素的影响。

袁彦超等[23]通过反相悬浮交联法制备出新型壳聚糖树脂,研究了操作条件对合成树脂性能的影响；结果表明：按最佳合成条件可制备出耐酸性能好、吸附能力强(对Cu2+的饱和吸附量达2.983 mmol/g)、力学强度好、孔隙率较高(77.38%)的壳聚糖树脂。还有学者研究了壳聚糖微球经化学修饰用于重金属离子吸附，金惠等[24]用均苯四甲酸酐修饰交联的壳聚糖微球(CTS)，研究了它对水溶液中Pb2+和Cd2+的吸附行为及其影响因素；结果表明：当pH=5.0时，对Pb2+和Cd2+的最大吸附量分别为296.7mg/g和149.9mg/g。宋颖韬等[25]通过静态吸附实验研究了交联微球壳聚糖树脂对Zn(Ⅱ)的吸附行为；结果表明:该树脂对Zn(Ⅱ)的吸附速率较快，70min可达吸附平衡。

2.2 壳聚糖微球在处理含有染料的废水中的应用

印染废水是棉、毛、化纤等纺织产品在印染加工过程中各工序所排放的废水混合而成的，其中的硝基、胺基化合物及铜、铬、锌、砷等重金属离子具有较大的生物毒性，传统的处理方法为利用活性炭或硅藻土物理吸附和物理吸附与生化处理相结合的方法，虽然传统方法能达到综合治理的目的.但使用成本高且难以再生，因此得不到推广。壳聚糖分子链上具有大量的活性基团,对染料物质具有良好的吸附性能,且无毒副作用易降解，特别将壳聚糖制成微球后，更增加了吸附性能，并容易分离再生。

孟范平等[26]采用滴加成球法制备得到改性壳聚糖微球，在最佳的吸附条件下，微球对ABB和NYN的最大吸附量分别达到714.29mg/g和769.23mg/g，解析后，重复利用率高，节省脱色成本。伍婵翠等[27]以壳聚糖粉末为原料,戊二醛进行交联、羧甲基化,制得羧甲基壳聚糖微球，最佳条件时，对初始浓度为560mg/L的曙红Y染料的去除率可以达到90%以上。杨玉静等[28]制备了交联壳聚糖多孔微球,当亮绿初始浓度10mg/L,pH=6,振摇30min时，吸附量达1.22mg/g，再生重复使用,其脱色率仍达90%以上。

2.3 处理其他工业废水

壳聚糖微球除应用于处理含重金属离子的废水和染料废水之外，对于其他的工业废水同样具有良好的处理能力，例如含酚废水、食品废水、造纸污水等。

含酚废水具有来源广(如石油化工、木材加工、煤气与炼焦等)、污染范围大、危害程度深等特点，对其的有效处理非常必要。张兴松等[29]利用制备的交联羧化壳聚糖微球，进行2,4-二硝基苯酚的吸附研究，结果表明:制备的壳聚糖微球具有较好的耐酸碱性能，吸附2,4-二硝基苯酚的性能良好，在pH=3.6的情况下，瞬间达到吸附平衡，吸附量高达230mg/g。方华等[30]合成了平均粒径不超过5μm磁性壳聚糖微球。将其用于2,4-二氯苯酚(DCP)的吸附研究；结果表明：在最优吸附条件下(吸附时间2h,温度为25℃),吸附量达1.70 mg/g,对DCP的吸附率在80%以上，且吸附受到温度的影响不大。有学者将壳聚糖微球应用在处理食品工业废水中，如董海丽等[31]使用磁性壳聚糖微球来吸附大豆乳清废水中蛋白质，最佳吸附条件下，对蛋白质的去除率高达95.6%。近年来，还有人将壳聚糖微球应用于处理含有砷的废水中。杨金辉等[32]主要考察实验室制得的乙二胺改性磁性壳聚糖微球对毒性高、迁移能力强的As(Ⅲ)去除效果，实验结果表明:在pH=2，吸附时间为90min，磁性壳聚糖微球投加量为0.4g时，对初始浓度为10mg/L，体积为100mL的As(Ⅲ)溶液去除率达到96.96%，并且该微球具有较好的可重复利用性。

3 展望

壳聚糖微球以其体积小、比表面积大、吸附性能良好等特点已作为一种具有广阔应用前景的新型有机高分子功能材料，对它的研究在世界范围广泛展开。但仍存在一些亟待解决的问题：目前的吸附多停留在静态的研究如吸附柱、吸附流化床等方面,可以多尝试一些动态吸附的研究;根据配合物的结构和吸附机理来掌握吸附剂与污染物之间的作用机理,使吸附理论更加完善,并实现循环使用；吸附量不高、吸附后重复利用率低、实验工艺参数的优化以及如何投入实际生产；同时可以考虑将壳聚糖微球用在更加广泛的领域。解决这些问题部分依赖于以往的技术经验，但更重要的在于去探索更先进的改性壳聚糖微球制备方法。相信随着壳聚糖化学改性方法研究的不断深入发展，利用模板化处理、化学修饰和材料复合等技术使壳聚糖微球的合成工艺日趋完善，其各种优势也必会受到更多的关注，基于壳聚糖改性微球的吸附功能材料将在水处理等众多领域得以广泛应用。

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