壳聚糖交联改性及其衍生物的研究进展

2019-12-09朱金禹张雪峰闫美宏樊晓霞

延安大学学报（自然科学版） 2019年3期

朱金禹，毕华，张雪峰，闫美宏，樊晓霞

(延安大学医学院，陕西延安 716000)

壳聚糖是甲壳素脱乙酰化产物，是β-(1，4)-N-乙酰基-D-氨基葡萄糖和D-氨基葡萄糖混合组成的无规则混合物，是自然界中发现的唯一的天然碱性多糖[1，2]。它是一种天然聚阳离子多糖，具有无毒、生物相容性好、无免疫原性以及能够被溶菌酶降解的优点，降解后生成氨基葡萄糖[3]。同时，壳聚糖具有抗菌、止血、调节免疫力、促进伤口愈合、吸收伤口渗出物、减少疤痕生成等功能[4，5]。但是，以壳聚糖为原料制备的水凝胶存在脆性大、黏弹性及保水能力弱等问题。为增强壳聚糖的性能，通常采用物理交联或化学交联法对其进行改性。壳聚糖重复单元中的第三和第六位碳原子上的羟基以及第二位碳原子上的氨基是壳聚糖化学改性的主要官能团，能够进行酰化、羧基化、酯化、烷基化、醚化、卤化、氧化、叠氮化、席夫碱化等反应[6]。化学交联是聚合物官能团间形成共价键或离子键，脱乙酰壳聚糖上游离的NH2-和OH-与其他聚合物或交联剂形成酰胺键或亚胺键，从而形成稳定的三维网状结构，可长期储存[7]。化学交联法是壳聚糖水凝胶制备的主要方法，也是研究者研究最多的壳聚糖交联法。壳聚糖可通过共混或小分子无机物填充的方式进行物理改性。物理交联利用分子间的静电力、氢键、物理缠结等形式形成水凝胶，稳定性差，机械性能较差，易于恢复原溶液状态[8]。共混改性是物理改性常用的一种方式，共混能同时发挥壳聚糖和共混聚合物的优点[9]。本文综述了壳聚糖的化学交联改性法和物理交联改性法，并对壳聚糖衍生物的应用研究进展进行阐述。

1 壳聚糖化学与物理交联改性

1.1 化学交联改性

1.1.1 醛类交联剂

交联壳聚糖水凝胶的醛类有戊二醛、香草醛、甲醛和对苯二甲醛等，醛类交联剂是一类共价交联剂。戊二醛是使用最广泛的壳聚糖交联剂之一，交联壳聚糖程度较大，交联易于控制，但毒性较大。香草醛是从植物中提取的一种香料，毒性低，与壳聚糖交联形成的化学键易断裂。Zilouei等[10]以戊二醛为交联剂制备了壳聚糖/聚乙烯醇纳米纤维，将其应用于吸附水中的四环素，结果表明该纳米纤维吸附规律符合拟二级动力学方程。刘军海等[11]以戊二醛为交联剂制备了壳聚糖凝胶，并对该凝胶的溶胀性能和Ni2+吸附效果进行研究。结果表明，戊二醛用量越大，壳聚糖交联密度越高，但溶胀性能变差；用交联壳聚糖处理含Ni2+的废水，废水二次吸附后能达到污水综合排放标准。李瑞洁等[12]应用仿生思想，将对苯二甲醛与生物体内广泛存在的亚精胺交联形成寡聚亚胺交联剂，设计了具有较好生物相容性的仿生壳聚糖水凝胶，并以阿霉素为药物模型，制备出具有药物缓释功能的材料。詹玮等[13]通过香草醛交联制备了壳聚糖水凝胶，该水凝胶同时具备可逆的席夫碱和物理氢键结构，适量交联剂可制备具有自愈合性能的壳聚糖水凝胶。

1.1.2 三聚磷酸钠交联剂

三聚磷酸钠(TPP)是一种离子交联剂，毒性低。TPP中含有PO-Na+基团，与溶解在醋酸中的壳聚糖-NH3+基团形成分子内和分子间交联。Femandesa等[14]以三聚磷酸盐为交联剂制备了壳聚糖微球生物传感器，该传感器具有较高的灵敏度和准确度，可用于药物芸香苷的检测。司徒文贝等[15]以三聚磷酸钠为交联剂制备了交联壳聚糖水凝胶，探讨了该材料对活性物质的控释性能。结果表明，交联反应增强了薄膜的三维网络结构，使其溶胀吸水性能提高，交联后的壳聚糖薄膜耐酸性能提升，具有作为活性物质载体材料的潜质。Ouyang等[16]以三聚磷酸钠为交联剂制备了壳聚糖和罗非鱼胶原肽复合止血海绵，该止血海绵能够增加血小板粘附，加速血液凝固，促进纤维蛋白原向纤维蛋白的转变。建立新西兰大白兔耳部和股骨动脉出血模型，使用该止血海绵可明显缩短出血时间，减少出血部位出血量。

1.1.3 京尼平交联剂

京尼平是一种天然生物交联剂，是从草本植物杜仲中提取的栀子苷经过B-葡萄糖苷酶水解的产物。京尼平毒性低，交联壳聚糖程度大，是一种生物相容性较好的交联剂。赵秀娟等[17]采用京尼平为交联剂制备了羧甲基壳聚糖和丝素蛋白的复合膜，该复合膜具有良好的亲水性，且有利于小鼠骨髓间充质干细胞的黏附和增殖。贾伟建等[18]采用京尼平交联壳聚糖，制备出具有不同力学性能的壳聚糖材料，材料的力学强度升高，细胞的成骨分化能力也增大。秦彦昌等[19]以京尼平为化学交联剂，采用乳化-化学交联法制备了包埋神经生长因子的京尼平-壳聚糖微球，京尼平的浓度可影响微球体外释放神经生长因子的速度，高浓度京尼平交联的微球能减缓并持续释放神经生长因子。李媛等[20]采用京尼平为交联剂制备了壳聚糖和乳清蛋白复合膜，调控制备工艺可制得具有良好阻隔性能和抗菌性能的复合膜，可用于抗菌包装和食品保鲜。

1.1.4 环氧氯丙烷交联剂

环氧氯丙烷交联壳聚糖毒性较大，较少应用于交联医学用途的壳聚糖水凝胶。王栋等[21]在碱性条件下以环氧氯丙烷为交联剂制备了一种交联壳聚糖，利用该交联壳聚糖对废水中的六价铬离子进行吸附研究，结果表明该交联壳聚糖对六价铬离子的去除效率较高，能达到污水排放标准。解冰等[22]以环氧氯丙烷为交联剂，通过化学交联-溶液流延法制备了壳聚糖季铵盐抑菌薄膜，该材料具有较好的抗菌活性，可用于食品包装的抗菌涂层，水处理时的过滤膜和药物缓释载体。

1.1.5 其他常用交联剂

杨金艳等[23]采用亚甲基双丙烯酰胺作交联剂制备了一种以壳聚糖为原料的共聚物水凝胶，研究了该水凝胶对Pb2+、Ni2+和Cr3+三种重金属离子的吸附性能。赵婧等[24]以壳聚糖为载体，亚甲基双丙烯酰胺为交联剂制备了一种壳聚糖水凝胶，该水凝胶具有一定的温度和pH敏感性，预计在药物控释、抗凝血材料、组织工程等领域具有应用前景。李圣平等[25]以壳聚糖季铵盐为原料，分别以戊二醛和乙二醇二缩水甘油醚为交联剂，制备了两种不同交联剂交联的季铵化壳聚糖膜。结果表明，以乙二醇二缩水甘油醚为交联剂的季铵化壳聚糖膜的导电性能、机械性能和含水率等指标均优于使用相同剂量的戊二醛为交联剂的季铵化壳聚糖膜。宋林等[26]以壳聚糖作为载体材料，焦磷酸钠作为交联剂，在微波辐射下，采用离子交联法制备了壳聚糖微粒，通过该方法获得的壳聚糖微粒可作为治疗肺靶向药物的载体，环保无毒，制备工艺简便，成本低廉。蓝广芊等[27]以壳聚糖和明胶作为原料，经正交实验和单因素实验，证明了戊二醛和单宁酸均具有很好的交联作用。单宁酸交联组的复合材料凝血效果最好，其止血效果是医用明胶海绵和纯壳聚糖海绵的3-4倍。

1.2 物理交联改性

壳聚糖能与很多聚合物共混形成稳定的体系。壳聚糖和聚乙烯醇的共混体系具有较好的机械性能和化学性能，被广泛应用于生物医学领域[28]。Jin等[29]制备了壳聚糖/聚乙烯醇混合水凝胶用于吸附金属铅，该水凝胶的络合作用、离子交换和静电作用对吸附起了至关重要的作用。鲍文毅等[30]将壳聚糖包覆到纤维素表面制备了纤维素/壳聚糖共混膜，该共混膜不但保持了纯纤维素膜的机械性能，且对纤维素膜的透明性无影响，壳聚糖包覆改性纤维素能够明显提高纤维素膜的抗菌性能。

2 壳聚糖衍生物

壳聚糖分子链含有多种活性基团，分子内部形成大量的氢键使得壳聚糖的水溶性较差，仅能溶于有机酸或无机酸溶液，不溶于水和碱性溶液，溶解度的问题限制了壳聚糖在各个行业的应用。壳聚糖分子上活性基团形成的氢键虽然影响了其水溶性，但也为化学修饰提供了可能。目前，研究人员将亲水性基团添加到壳聚糖的活性基团上，获得了水溶性较好的壳聚糖衍生物，如羧甲基壳聚糖、壳聚糖季铵盐、壳聚糖盐酸盐和胍化壳聚糖等，也有部分学者对壳聚糖进行疏水改性，如烷基化壳聚糖。

2.1 羧甲基壳聚糖

羧甲基壳聚糖是壳聚糖的一种阴离子衍生物，在任意pH的水溶液下均具有较好的溶解性，可通过改变羧甲基取代度调控其溶解性，且具有较好的生物可降解性、生物相容性、低免疫原性和抗氧化活性。Chen等[31]制备的羧甲基壳聚糖能够促进皮肤成纤维细胞的增殖，抑制瘢痕疙瘩皮肤成纤维细胞的增殖。Kalliola等[32]制备了一种具有pH敏感特性的羧甲基壳聚糖纳米微球，可用于水污染中浮油的处理和物质的控释。

2.2 壳聚糖季铵盐

壳聚糖季铵盐是一种具有较强的阳离子强度的水溶性壳聚糖衍生物，具有壳聚糖的生物特性和化学特性，且具有较好的抗菌性能，在生物医药、环境和化妆品等行业具有较多的应用。李继城等[33]采用冷冻干燥法制备了以季铵化壳聚糖为原料，戊二醛为交联剂的医用止血海绵，制得的止血海绵呈雪白色，结构疏松多孔，具有较好的吸水率。Song等[34]将壳聚糖季铵盐加入聚甲基丙烯酸甲酯义齿材料中，得到无细胞毒性，抗菌和抗腐蚀性能较好的义齿复合材料，该材料有望应用于牙齿修复。Wang等[35]制备了五种不同的水溶性壳聚糖季铵盐，结果表明该类壳聚糖衍生物具有良好的生物相容性和抗菌性。

2.3 壳聚糖盐酸盐

壳聚糖盐酸盐是一种具有强阳离子性的壳聚糖衍生物，可直接溶于水，溶液呈弱酸性，具有壳聚糖的特性。高世博等[36]以戊二醛为交联剂，采用乳化交联法制备了壳聚糖盐酸盐微球，该微球表现出与酸溶性壳聚糖微球相似的理化性质。郭厚勇等[37]以水溶性壳聚糖盐酸盐为诱导有机基质，利用直接沉淀法仿生制备出核壳结构的碳酸钙。

2.4 胍化壳聚糖

胍基化反应是指在酸性条件下使用一系列氰基胍将壳聚糖上的游离氨基进行取代的反应。胍化反应可发生在氨基，也可发生在羟基。壳聚糖胍化生成的壳聚糖胍盐分为单胍盐化壳聚糖和双胍盐化壳聚糖。相比壳聚糖，壳聚糖胍盐衍生物具有更好的水溶性，更好的稳定性和抗菌活性[38]。Zhao等[39]在微波辐射条件下将壳聚糖与双氰胺反应制备了壳聚糖双胍盐酸盐，相比壳聚糖，胍化壳聚糖具有更好的抗菌活性，壳聚糖双胍盐酸盐的抗菌活性随着胍基取代度的升高而增强。赵雪等[40]在微波辐射条件下以壳聚糖胍亚硫酸盐和浓盐酸为原料，成功合成了壳聚糖胍盐酸盐抗菌剂，将该抑菌剂用于羊毛织物抗菌整理。

2.5 烷基化壳聚糖

烷基化改性是将壳聚糖与卤代烃或硫酸酯反应生成疏水性烷基化壳聚糖衍生物。黄彧琛[41]使用烷基化疏水改性壳聚糖制备出N-十二烷基壳聚糖止血海绵，将该止血海绵用于大鼠股动脉止血模型中，止血时间相对未改性的壳聚糖缩短。代昭等[42]在碱性条件下对低分子量壳聚糖经长链烷基改性，制备以扑热息痛为模型药物的烷基化壳聚糖纳米微球，研究其药物缓释作用。Zhang等[43]通过冷冻干燥法制备了烷基化壳聚糖与氧化石墨烯止血海绵，该止血海绵具有较好的生物相容性和力学稳定性。