壳聚糖及其衍生物的制备和在医药方面的研究进展*

田 园，邹淑君，付起凤，金 政,许树军

（1.黑龙江中医药大学，黑龙江 哈尔滨150040;2.黑龙江大学，黑龙江 哈尔滨150080）

壳聚糖及其衍生物的制备和在医药方面的研究进展*

田 园1，邹淑君1，付起凤1，金 政2,许树军1

（1.黑龙江中医药大学，黑龙江 哈尔滨150040;2.黑龙江大学，黑龙江 哈尔滨150080）

壳聚糖是一种新型的高分子功能材料，具有无毒、可生物降解、良好的生物相容性等特点。综述了壳聚糖微球的制备方法及其常见的化学改性方法，对其在生物医药方面的应用做了简要介绍。

壳聚糖；改性；制备方法；应用

前言

壳聚糖的自然资源丰富，具有良好的生物相容性，可以生物降解，其降解的最终产物为二氧化碳和水，安全性高、毒性小、价格低廉的优点，同时具有良好的吸附性、成膜性、吸湿性等特性。壳聚糖相对分子质量越大，电荷密度越高，但大相对分子质量壳聚糖带来的关键问题是水溶性差。壳聚糖骨架上丰富的羟基和氨基使其易于引入化学基团，从而有效改善壳聚糖的物理和化学性质，合成了各种不同的壳聚糖衍生物，拓宽了壳聚糖的应用范围。

1 壳聚糖微球的制备及其在医药中的应用

目前壳聚糖作为固定化酶载体有以下几种形态：微球、薄膜、纳米颗粒、无定型颗粒,而应用最多的是微球。壳聚糖微球作为药物载体具有以下优点：功能基团丰富、黏附性好、靶向性强、细胞间渗透能力强。

1.1 壳聚糖微球的制备

乳化交联法：是制备壳聚糖微球最常见的方法，即将溶有药物的壳聚糖醋酸溶液作为分散相，加入到含有表面活性剂的油相中，经搅拌或超声，形成油包水（W/O）或水包油（O/W）型乳液，用交联剂戊二醛、甲醛等交联，经离心分离即可制得壳聚糖微球[1～4]。杨亚冬[5]等以吐温-80作为乳化剂，多聚磷酸钠作为交联剂，在乙酸中采用乳化交联的方法制得了壳聚糖微球。Mi F L[6]等也采用此方法从栀子中提取天然交联剂格尼泊素，制得了壳聚糖微球注射剂，具有稳定性好，靶向性强的特点，可用于长循环注射给药系统的聚合物载体。Akbuga J[7]用类似的方法，将壳聚糖醋酸溶液分散在油相中，通过乳化剂的作用，形成W/O乳液，向其中加入戊二醛交联剂，经洗涤、干燥得到壳聚糖微球，其中搅拌速度和交联剂的用量直接影响微球的大小。丁明[8]等以液体石蜡为分散相，甲醛、戊二醛作交联剂，经乳化交联法制得了微米级壳聚糖微球。研究表明，要制得粒径均一、分散性好的微球，液体石蜡与水溶液的最佳体积比为1∶1.5，且搅拌速度越高，微球球形越好，分散得越均匀。

为了提高载药率，采用复乳法，可实现水溶性药物和油溶性药物的包埋和释放。即先制备O/W初乳，加入到油相中形成O/W/O型复乳，再加入戊二醛等交联剂，经离心干燥制得壳聚糖微球。吴婉莹等用此方法制得了包含抗肿瘤药物金雀异黄素的壳聚糖微球，载药微球包封率达38.4%[9]。

离子交联法：壳聚糖的醋酸溶液具有阳离子特性，滴入阴离子水溶液后产生沉淀或凝胶，再将微球从反离子溶液中取出，经洗涤、干燥即可。Dambies[10]等在用钼酸盐作交联剂制备壳聚糖微球的研究中，在pH=6，钼酸盐浓度为7g/L的最佳条件下，制得的空白微球具有薄的外层和含有小孔内层的双层结构。ZENG[11]等采用离子交联法制备了神经因子壳聚糖微球，释放缓慢，无明显突释作用，在神经组织再生方面有广阔的应用前景。Bodmeier[12]等在壳聚糖的醋酸溶液中加入三聚磷酸盐溶液，利用氨基基团与磷酸基团正负电荷吸引，制得壳聚糖微球。

溶剂蒸发法又称液中干燥法，即在壳聚糖醋酸溶液中加入甲苯，形成W/O型溶剂，加入含有戊二醛的甲苯，常温搅拌得交联的微球，经离心、蒸发溶剂，即可分离得到微球。此方法制得的微球粒径在纳米范围内，不需要过高的温度也不会引起相分离[13]。Tomoaki Yoshiho[14]等将壳聚糖醋酸溶液加入到硅油中，采用此方法制得了5-氟尿嘧啶、四氢呋喃氟尿嘧啶、去氧氟尿苷的壳聚糖微球，其粒径大，含药量高。

喷雾干燥法：将药物、壳聚糖混合溶液溶于冰醋酸-水-丙酮内，在惰性热气流下进行喷雾干燥，复合溶剂冰醋酸-水-丙酮迅速蒸发，从而形成壳聚糖微球。Shwu Jen Chang[15]等研究了高压喷雾法制备壳聚糖微球，同时研究了微球制备条件对其缓释效果的可控性。He[16]等在配好的壳聚糖水溶液中加入一定量的戊二醛溶液，用喷雾干燥法制得了表面光滑，带有正电荷的壳聚糖微球，微球粒径分布均匀，但表面形态扭曲。Filipovic GJ[17]和El-Gibaly I[18]也通过喷雾干燥法制得了壳聚糖微球。

1.2 壳聚糖在药物缓释中的应用

随着生化、医学的发展，壳聚糖作为一种新型材料，具有良好的生物相容性、无毒性、可自然降解等特性被广泛应用于食品、化工、医药中。其中在生物和医学领域上的应用较突出，壳聚糖有明显的降血脂、降血糖及增强免疫的作用[19]。通过其抗凝活性还可制成抗凝血活性复合膜[20]。壳聚糖具有良好的成球性和药理活性，因此被广泛用作药物载体，控释和输送药物。壳聚糖还具有止痛、止血、促进伤口愈合等作用[21]。其独特的物理化学性质和生物功能，已在药物控释载体、人工透析膜、人造皮肤等方面有应用[22]。

2 壳聚糖的改性及在药物缓释中的应用

不经过任何修饰的壳聚糖不溶于水和有机溶剂，分子呈紧密的晶体结构，限制了其活性和应用，因此通过化学改性的方法引入新的功能性基团，不但可以提高壳聚糖在水和有机溶液中的溶解性，而且还可以在性能上有所改善，具有易分离、可再生等优点，拓宽了其应用范围。

2.1 壳聚糖的化学改性方法

烷基化，壳聚糖分子上的氨基基团与氯代烷酸或乙醛酸作用，在壳聚糖6-羟基或氨基上引入烷基基团，生成相应的N-烷基化产物。壳聚糖烷基化后分子间和分子内的氢键都有所削弱和破坏，因此改性得到的烷基化壳聚糖具有溶解性。王爱勤等[23]采用溶解沉淀法以乙醇为介质，制备了高脱乙酰度的壳聚糖。烷基化的壳聚糖抑菌性和抗凝血性能突出，可用于医疗行业。

酰基化，壳聚糖分子有大量羟基和氨基，与酰氯或酸酐反应形成酯或酰胺，从而导入了不同相对分子质量的脂肪族和芳香族酰基。壳聚糖酰基化产物的生成与反应溶剂、酰基结构、催化剂及反应温度等有关，酰基化后壳聚糖在水中和有机溶剂中的溶解性得到大幅改善。Huang等[24]先制得壳聚糖硫酸盐后得到N-酰化壳聚糖。郑化等[25]用饱和醋酸酐和壳聚糖经酰化反应制备了N-酰化壳聚糖。Lee等[26]用己酸酸酐（C6）、月桂酸酸酐（C12）、棕榈酸酸酐（C16）与壳聚糖反应制得了N-酰化壳聚糖衍生物。

羧甲基化，一般用氯代烷酸或乙醛酸，在壳聚糖的羟基或氨基上引入羧甲基基团，其产物有：O-羧烷基壳聚糖、N-羧烷基壳聚糖、O,N-羧烷基壳聚糖。Muzzarelli等[27]先制成O-羧甲基壳聚糖，而后与乙醛酸反应制备了O,N-羧烷基壳聚糖衍生物。O,N-羧烷基壳聚糖与双醛试剂交联形成的凝胶可用作激素、杀菌剂等的药物缓释载体和降胆固醇剂。陈凌云等[28]研究了异丙醇和水温度对壳聚糖羧甲基化反应的影响。

季铵化主要指在壳聚糖的氨基上引入季铵基团或小分子的季铵盐。引入位阻大、水合能力强的季铵盐基团可以增大壳聚糖衍生物的水溶性。林友文等[29]用苯甲醛与壳聚糖反应，合成了氧取代的季铵化壳聚糖。李涛[30]等做了季铵化壳聚糖/海藻酸盐复合纳米粒子的蛋白质靶向输送方面的研究，探讨了牛血清白蛋白的载药量受其浓度、分子参数和牛血清白蛋白的浓度等因素的影响。贾之慎和李世迁等也制备了季铵盐壳聚糖，并研究了其抗菌性[31～32]。

酯化，通常指用一些含氧无氧酸或其酸酐作酯化剂，在壳聚糖的6-羟基上发生反应，形成有机酯类衍生物，其中硫酸酯化和磷酸酯化是常见的酯化反应。壳聚糖经硫酸酯化后，有较好的抗凝血功能；高取代度的磷酸酯化壳聚糖可溶于水。余艺华等[33]研究发现了磺化羟基化的壳聚糖对血清中的低密度脂蛋白有选择性吸附作用，能有效降低了冠状动脉粥样硬化发病率。Terbojevich等[34]将硫酸酐加入壳聚糖中，经搅拌得到壳聚糖硫酸酯。Baumann等[35]用硫酸作酯化剂，制备了壳聚糖的衍生物。

醚化，与羧甲基化反应类似，壳聚糖的羟基与醚化试剂反应，生成羟烷基壳聚糖和羧烷基壳聚糖，如甲基醚、羟甲基醚、乙基醚、羟乙基醚、氰乙基醚、苄基醚等。郭立民等[36]以异丙醇为介质研究了壳聚糖醚化改性反应的最佳反应条件。

接枝共聚反应，有化学法、辐射法和机械法。在壳聚糖的6-羟基和C3仲羟基和氨基处均可成为接枝点。Zhang等[37]用引发剂硝酸铈铵在乙酸中使N,N-二甲基-N-甲基丙烯酰基-乙氧基-N-（3-硫代丙基）铵接枝到壳聚糖上。Sun等[38]在水溶液中以过硫酸铵为引发剂，将羧甲基壳聚糖与甲基丙烯酸接枝共聚，产物的水溶性得到了显著提高。研究了最佳反应条件：反应温度在60～70℃之间，[过硫酸铵]=8mmol/L,[甲基丙烯酸]=2.4mol/L，反应时间为2h。

2.2 壳聚糖的衍生物在药物缓释中的应用

近年来，随着人们对壳聚糖化学改性的研究和其在生物医学方面的发展，壳聚糖的衍生物在医学方面的应用日益增多。改性后的壳聚糖具有良好的生物相容性和可降解性，可以促进伤口愈合、光谱抗菌、增强免疫、抗癌、凝血等生理活性作用[39]。烷基化壳聚糖有优异的抗凝血性能[23]。酰基化的壳聚糖有止血功效，N-己酰基和N-辛酰基壳聚糖纤维可用作抗凝血酶原料[40]。甲酰化和乙酰化的壳聚糖混合物制成医用无纺布、可吸收性手术缝合线。羧基化壳聚糖有明显的皮肤抗敏功效，尤其可以抑制口腔细菌的生成[41]。季铵化的壳聚糖可与食物中的脂肪类物质络合，用作降胆固醇药物。醚化的壳聚糖可抑制口腔细菌的生成和抑制癌细胞的转移[42]。

3 结语

壳聚糖在自然界储藏量十分丰富，其分子中存在羟基和氨基等多种基团，因其独特的化学结构和优良的性能，被人们视为人体的“第六生命要素”。随着人们对壳聚糖化学改性方法的不断研究和发展，成功制备了许多新型材料，使壳聚糖在医药等方面的研究和应用日益增多。可以预见，壳聚糖及其化学改性方法的研究必将越来越受到重视。

［1］ GOMBOTZ W R,PETTIT D K.Biodegradable polymers for protein and peptide drug delivery［J］.Bioconjug Chem,1995,6（4）: 332～351.

［2］ SEPPAS N A,BURES P,LEOBANDUNG W,et al.Hydrogels in pharmaceutical formulation［J］.Eur.J.Pharm.Biopharm., 2000,50（1）:27～46.

［3］ SERSHEN S,WEST J.Implantable polymeric systems for modulated drug delivery［J］.Adv.Drug.Deliv.Rev.,2002,54（9）:1225～1235.

［4］ DORKOOSH F A,VERHOEF J C,AMBAGTS MHC,et al.Peroral delivery systems based on superporous hydrogel polymers:release characterization for peptide drugs buserelin,octreotide and insulin［J］.Eur.J.Pharm.Sci.,2002,15（5）:433～439.

［5］ 杨亚冬,张文元,房国坚.包裹转化生长因子β1壳聚糖缓释微球的研制［J］.中国组织工程研究与临床康复,2009,13（38）:7481～7484.

［6］ MI F L,TAN Y C,LIANG H F,et al,In vivo biocompatibility and degradability of a novel injectable chitosan－based implant［J］.Biomaterials,2002,23（1）:181～191.

［7］ AKBUGA J,DURMAZ G.Preparation and evaluation of crosslinked chitosan microspheres containing furosemide［J］.Int.J. Pharm.,1994,111:217～222.

［8］ 丁明,施建军,皇甫立霞.壳聚糖微球的制备研究［J］.化学世界, 1998（12）:636～640.

［9］ 吴婉莹,李云谷.金雀异黄素壳聚糖微球的制备方法［J］.中国中药杂志,2002,27（5）:353～355.

［10］ DAMBIES L,VINCENT T,DOMARD A,et al.Preparation of chitosan gel beads by ionotropic molybdate gelation［J］.Biomacromolecules,2001,2（4）:1198～1205.

［11］ ZENG WEN,HUANG JINGHUI,HU XUEYU,et al.Ionically cross－linked chitosan microspheres for controlled released of bioactive nerve growth factor［J］.International Jouenal of Pharmaceutics,2011,421（2）:283～290.

［12］ BODMEIER R,OH K H,PRAMAR Y.Preparation and evaluation of drug－containing chitosan beads［J］.Drug Dev.Ind.Pharm., 1989（15）:1475～1494.

［13］ 刘志挺.溶剂蒸发法在微球制备中的应用及研究进展［J］.广东药学院学报,2007,23（5）:596～600.

［14］ TOMOAKI YOSHIHO,YOSHIHARU MACHIDA,HIRAKU ONISHI,et al.Preparation and characterization of chitosan microspheres containing doxifluridine［J］.Drug Dev Ind Pharm,2003, 29（4）:417～427.

［15］ SHWU JEN CHANG,GREGORY C N,SHYH M K,et al.Prepa－ration and preliminary characterization of concentric multiwalled chitosan microspheres［J］.J.Biomed Mater Res.,2007,81: 554～556.

［16］ HE P,DAVIS S S,ILLUM L.Chitosan microspheres prepared by spray drying［J］,Int.J.Pharm.,1999,187:53～65.

［17］ FILIPOVIC－GRCIC J,PERISSUTTI B,MONEGHINI M,et al. Spraydried carbamazepine loaded chitosan and HPMC microspheres:preparation and characterization［J］.J Pharm Pharmacol,2003,55（7）:921～931.

［18］ El－GIBALY I.Development and in vitro evaluation of novel floating chitosan microcapsules for oral use:comparison with non－floating chitosan microspheres［J］.Int J Pharm,2002,249（1～2）:7～21.

［19］ 魏涛,唐粉芳,高兆兰.壳聚糖降血脂、降血糖及免疫作用的研究［J］.食品科学,2000,21（4）:48～52.

［20］ 屠美，崔莹，周长忍.肝素化壳聚糖季铵盐/壳聚糖复合膜抗凝血性能的研究［J］.功能高分子学报,1997,10（3）:328～332.

［21］ HOWLING G I,DETTMAR P W,GODDARD P A,et al.The effect of chitin and chitosan on the proliferation of human skin fibroblasts and keratinocytes in vitro［J］.Biomaterials,2001,（22）:2959～2966.

［22］ YUSOF NLBM,WEE A,LIM L Y,et al.Flexible chitin films as potential wound－dressing materials:wound model studies［J］.J. Biomed.Mater.Res.A.,2003,66A（2）:224～232.

［23］ 王爱勤,俞贤达.烷基化壳聚糖衍生物的制备与性能研究［J］.精细化工,1998（6）:17～21.

［24］ HUANG R H,DU Y M,ZHENG L S,et al.A new approach to chemically modified chitosan sulfates and study of their influences on the inhibition of Escherichia coli and Staphylococcus aureus growth［J］.Reactive Func Polym,2004,59（1）:41～51.

［25］ 郑化,杜予民.N－酰基壳聚糖的合成及膜的结构和性能［J］.功能高分子学报2004（17）:51～55.

［26］ LEE M Y,HONG K J,KAJIUCHU T,et al.Synthesis of chitosan－based polymeric surfactants and their adsorption properties for heavy metals and fatty acids［J］.International Journal of Biological Macromolecules,2005,36（3）:152～158.

［27］ MUZZARELLI R A A,CATHERINE L,MONICA E.The Molecular Weight of Chitosan Studied by Laser Light－scattering［J］. Carbohydr Res,1987,164:433～442.

［28］ CHEN X G,PARK H J.Chemical characteristics of O－carboxymethyl chitosans related to the preparation conditions［J］. Carbohydr.Polym,2003,（53）:355～359.

［29］ 林友文,徐晨,卢灿辉.O－2－羟丙基三甲基氧化铵壳聚糖的合成与表征［J］.化学合成,2000（8）:167～170.

［30］ LI TAO,DU YUMIN.Quaternized chitosan/alginate nanoparticles for protein delivery［J］.J.Biomed.Mater.Res.:PartA,2007, 83:383～390.

［31］ JIA ZHISHEN,SHEN DONGFENG,XU WEILIANG.Synthesis and antibacterial activities of quaternary ammonium salt of chitosan［J］.Carbohydr.Res.,2001,333:1～6.

［32］ 李世迁,姚评佳,魏远安.羧甲基壳聚糖季铵盐的制备及其抑菌性能研究［J］.化学与生物工程,2006,23（11）:22～24.

［33］ 余艺华,何炳林.磺化羟乙基交联壳聚糖对血清中低密度脂蛋白的吸附性研究［J］.高分子学报,1997（5）:606～609.

［34］ TERBOJEVICH M,CARRARO C,COSANI A,et al.Solution Studies of Chitosan 6－O－sulfate［J］.Makramol Chem,1989,190（11）:2847.

［35］ BAUMANN H,FAUST V.Concepts for improved regioselective placement of O－sulfo,N－sulfo,N－acetyl,and N－carboxylmehyl groups in chitosan derivatives［J］.Carbohydr.Res.,2000（33）:43～46.

［36］ 郭立民,张谋真,刘勇.羧甲基壳聚糖的制备及应用［J］.化学工程师,2002,89（2）:50～51.

［37］ ZHANG J,YUAN Y,SHEN J,et al.Synthesis and Characterization of Chitosan Grafted Poly（N,N－dimethyI－N－methacryloxyethyI－N－（3－sulfopropyl）Ammomnium）Initiated by Ceric（iv）ion［J］.European Polymer Journal,2003,39（4）:847～850.

［38］ SUN T,XU P X,LIU Q,et al.Graft copolymerization of methacrylic acid onto carboxymethyl chitosan［J］.Eur Polym J,2003,39:189～192.

［39］ 王真,陈西广,郎刚华.甲壳质及其衍生物生理活性研究进展［J］.海洋科学,2000,24（9）:30～32.

［40］ HIRANO S,HAYASHI M,OKUNO S,et al.Chitin and Chitosan.Environmental Friendly and Versatile Biomaterials［M］. Bangkok:AIT,1996:22,188.

［41］ MUZZARELLI R A A.Carboxymethlated chitins and chitosans［J］.Carbohydrate Polymers,1988,8（1）:1～21.

［42］ 庄金娟,王香梅.改性壳聚糖的研究进展及其应用前景［J］.天津化工,2011,25（2）:7～9.

Progress in Research on the Preparation and Biomedicine Application of Chitosan and its Derivative

TIAN Yuan1,ZOU Shu-jun1,FU Qi-feng1,JIN Zheng2and XU Shu-jun1
（1.Heilongjiang University of Traditional Chinese Medicine,Harbin 150040,China;2.Heilongjiang University,Harbin 150080,China）

The chitosan is a new type of polymer functional materials.It has excellent properties such as non-toxicity,biodegradable characteristics and biocompatibility,etc.The progress in research on the preparation methods for chitosan microspheres and common chemical modifications of chitosan are summarized.And the application status of chitosan and its derivatives in biomedicine is introduced.

Chitosan;derivative;preparation method;application

TQ322.97

A

1001-0017（2015）04-0287-04

2015-04-26 *基金项目：中国博士后面上资助项目（编号：2014M551289），黑龙江省教育厅资助项目（编号：12531648）

田园（1987-）,女，黑龙江齐齐哈尔人，助理实验师，硕士，研究方向为生物高分子材料。E-mail:yuan.user@163.com