新型壳聚糖基复合水凝胶的应用和研究进展

2022-03-17范晓坤李想李朔

西部皮革 2022年5期

范晓坤，李想，李朔

（湖南工业大学包装与材料工程学院，湖南株洲 412007）

引言

水凝胶是一种以水为分散介质的三维网络结构的柔性材料，可以在水中长时间保持溶胀状态但不会溶解。壳聚糖（Chitosan，CS）是自然界中发现的唯一的碱性多糖，可以由甲壳素经过脱乙酰作用得到，也是自然界中含量第二多的多糖。壳聚糖不仅具有良好的生物相容性和生物可降解性，而且还具备一定的抗菌、止血作用。本文介绍了壳聚糖基水凝胶的交联合成方法和特性，以及最近报道的壳聚糖基复合水凝胶的功能特性和研究进展。

1 壳聚糖特性

壳聚糖的化学名称为聚葡萄糖胺（1-4）-2-氨基-b-d 葡萄糖，其结构式如图1 所示。壳聚糖可以通过甲壳素脱乙酰化得到。其大分子链中含有大量的氨基、羟基和醚键，可进行酰化、酯化、羧基化、醚化、氧化、席夫碱化等反应[1]。

1.1 溶解性能

由于壳聚糖存在大量分子间和分子内氢键导致高结晶，从而不能熔融而且难于溶于水溶剂一般有机溶剂。壳聚糖分子链中含有大量的氨基基团。由于氨基在酸性介质中可以质子化，因此可以溶解在稀酸（醋酸、盐酸等）中[2]。

目前有研究人员使用碱/尿素溶剂体系在低温环境成功将壳聚糖溶解，并且相对于酸性体系构建的壳聚糖水凝胶，碱性体系构建的壳聚糖水凝胶力学性能和抗菌性能更加优异[3]。

同时，在壳聚糖结构中引入小的化学基团，例如烷基（羟丙基壳聚糖[4]）或羧甲基基团可以显著增加壳聚糖的溶解度[5]。使用一系列低分子量壳聚糖样品开发了一种简单且改进的制备高溶解性壳聚糖（半N-乙酰化壳聚糖）的方法[6]。对壳聚糖进行改性，接枝羧甲基、季铵盐基团，不仅增强了壳聚糖的溶解性能还增强了壳聚糖的抗菌性能。

1.2 抗菌性

已有大量研究表明，壳聚糖对许多细菌、真菌和酵母菌具有灭活作用[7]。壳聚糖的抗菌机理主要在于其线性分子链上的氨基基团能结合酸性分子并带正电荷，使其与细菌蛋白质的负电荷部分结合，从而使细菌失活[8]。壳聚糖对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌具有广谱抑菌性和高灭杀率，且对哺乳动物的细胞毒性低[9]。

1.3 吸附作用

壳聚糖分子链上有大量羟基和氨基，可以形成大量氢键，因此具有良好的螯合吸附能力，可有效地吸附带电荷的物质，对重金属离子、阴离子聚合物等都有一定的螯合作用[10]，因此壳聚糖在污水处理、水体软化等领域有广泛的应用。

2 壳聚糖基水凝胶的交联方式

壳聚糖基水凝胶的交联方式主要分为物理交联和化学交联[11]。物理交联主要是通过氢键、静电作用、疏水作用等构建水凝胶网络。相比较化学交联，物理交联的壳聚糖水凝胶可以被反复溶解加工。壳聚糖化学交联一般通过氨基或者羧基反应形成醚键、席夫碱键等强共价键，一般力学性能较好[12]。壳聚糖水凝胶常用的化学交联剂一般有甲醛、戊二醛、环氧氯丙烷、京平尼等，但大多化学交联剂一般都会带有一定的毒性。

3 壳聚糖基水凝胶的应用

壳聚糖是用于制备水凝胶最广泛使用的材料之一。壳聚糖（Chitosan，CS）是自然界中发现的唯一的碱性多糖，也是自然界中含量第二多的多糖，已被应用于污水处理、药物传送、组织工程、生物传感等领域（图2）。

由于壳聚糖溶解性能差、纯壳聚糖水凝胶力学性能差，这限制了其单独应用。使用壳聚糖与一些天然高分子和一些合成高分子混合制备的水凝胶，往往具备优良的综合性能，可以大大弥补壳聚糖水凝胶的力学性能不足、稳定性差等缺点。

Sabadini 等[13]利用壳聚糖与阴离子聚合物的聚电解质络合，制备了壳聚糖/结冷胶水凝胶。壳聚糖和结冷胶组成比为1∶4时，最大吸水率为219 g/g。水分蒸发分析表明，水凝胶样品保留水分约9 h，而纯水蒸发约4 h。此外，将CS/结冷胶样品作为商业磷酸二氢钾（MKP）肥料释放剂进行测试，并证明在大约8 小时内几乎完全释放。

Huy 等[14]开发一种新的CO2活化壳聚糖吸附技术。CO2活化的壳聚糖水凝胶对染料的吸附速度明显快于纯水中的壳聚糖水凝胶，提高了对染料的吸附量和去除效率。此外，研究了在不同温度和初始染料浓度下，CO2活化壳聚糖水凝胶对染料的吸附。二氧化碳活化壳聚糖水凝胶为废水处理提供了一种高效、清洁处理染料的方式。

灌溉水和饮用水中过量的硼会分别对植物产量和人类神经系统产生负面影响。Kluczka 等[15]使用基于壳聚糖和锰（II-IV）的混合吸附水凝胶从水中去除硼。结果表明，该吸附水凝胶在中性pH 条件下，水/水凝胶比为20 mL/g，2 h 内能有效去除水介质中的硼酸，最大吸附量接近190 mg/g。通过FTIR、RS、XRD、SEM 和ICP-OES 进行结构表征，发现锰在壳聚糖结构上的良好附着使硼得以吸附。这项研究的结果表明，使用基于壳聚糖和锰（II-IV）的混合吸附水凝胶珠可以有效改善水质，有助于减少水环境的污染。

Guo 等[16]通过在LiOH/urea 水溶液中混合纤维素和羧甲基壳聚糖（CMCS），然后用环氧氯丙烷交联，制备了新型纤维素/羧甲基壳聚糖（CMCS）复合水凝胶。复合水凝胶对L929 细胞没有细胞毒性，表明具有良好的生物相容性。经实验证明，所制备纤维素/CMCS 复合水凝胶可以有效地用作伤口敷料，应用于生物医学领域。

Wang 等[17]开发出一种由3,4-二羟苯基丙酸修饰的壳聚糖（DCS）和对羟基苯甲醛修饰聚乙二醇（PEGSH）组成的多功能粘附生物水凝胶。该生物水凝胶表现出良好的拉伸性、凝血性、强粘附性、自愈合性、良好的细胞相容性和抗菌性能，是一种极具潜力的止血材料。该水凝胶无需额外的黏合剂和抗菌剂，可以克服传统止血剂在潮湿环境下拉伸能力差和自粘不良的缺点。

Lin 等[18]将聚乙烯醇（PVA）、葡聚糖和壳聚糖整合以制备理想的伤口敷料，使用戊二醛（GA）作为交联剂。结果表明，6%的PVA水凝胶与0.25%的壳聚糖具有良好的抗菌能力。将PVA/壳聚糖水凝胶与4%葡聚糖结合，利用GA 交联制备的水凝胶呈现出较高的细胞增殖能力，表明该水凝胶具有作为伤口敷料的潜力。

Noori 等[19]开发了一种基于聚乙烯醇/壳聚糖/蜂蜜/粘土的新型纳米复合水凝胶，并将其作为一种新型伤口敷料进行性能评估。结果表明，水凝胶的溶胀度随着温度的升高而增加，在pH 值为2 时溶胀度最大。相应的结果表明，在较高的pH 值下，蜂蜜的释放率更快。MTT 结果显示，在纳米复合水凝胶体系中没有细胞毒性。抗菌活性研究表明，该复合水凝胶体系的抗菌活性超过99%。伤口模型证实了所开发纳米复合水凝胶体系具有促进伤口愈合的能力。

Chen 等[20]利用丝素蛋白（SF）通过氢键与羧甲基壳聚糖（CMCS）混合并交联，然后共沉积在石墨电极上。通过调整电沉积参数可以轻松控制SF/CMCS 水凝胶的厚度、质量和形状。通过SEM 观察所制备的水凝胶的形貌，发现了水凝胶内部存在规则的多孔网络结构。根据热重分析和流变学测量的结果，这种结构是由于SF 和CMC 之间的分子间氢键造成的。作为一种潜在的伤口敷料，SF/CMCS 水凝胶为伤口愈合保持了合适的水分环境，并在促进HEK-293 细胞增殖和对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌活性方面表现出独特的特性。此外，对覆盖有SF/CMCS 水凝胶的大鼠全层皮肤伤口进行了组织学研究，结果表明这种水凝胶可以促进伤口上皮再生并促进肉芽组织形成。这些结果说明了在伤口敷料的实践中使用开发的基于SF/CMCS 的水凝胶制造策略的可行性。

Cao 等[21]构建了一种具有自愈特性的新型可注射羧甲基壳聚糖（CMCh）水凝胶伤口敷料。首先，首先，在碱/尿素水溶液中合成CMCh 样品。随后，引入三价金属离子Fe3+和Al3+，与CMCh形成配位键，可以快速凝胶。通过改变CMCh 的浓度和金属离子的相对含量，可以获得一系列不同性能的水凝胶。由于配位键的动态和可逆特性，水凝胶表现出自修复、自适应和热响应能力。此外，由于CMCh 上的氨基与SO42-，水凝胶经历相分离，可以无痛地从皮肤上分离，几乎没有残留。利用这些特性，水凝胶被用作伤口敷料，可以显著加速皮肤组织再生和伤口闭合。

Yu 等[22]用氧化季铵化瓜尔胶（OQGG）和羧甲基壳聚糖（CMCS）设计了一种具有抗菌、止血、自修复和可注射特性的水凝胶。细胞毒性测试表明OQGG@CMCS 水凝胶具有良好的细胞相容性。此外，OQGG@CMCS 水凝胶显著促进了金黄色葡萄球菌感染大鼠伤口模型的伤口愈合。因此，水凝胶可以被用作伤口敷料。

Jin 等[23]通过一种简单的方法在室温下成功地设计和开发了受贻贝启发的、高粘附、导电、可自愈水凝胶。该水凝胶由壳聚糖（CS）、氧化石墨烯（GO）和多巴胺（DA）的混合物通过共价键、π-π 堆积键和氢键物理交联形成复合水凝胶，该水凝胶表现出快速的自愈能力和良好的自恢复能力，并且力学性能优异。CS-DA-GO 的交联网络赋予水凝胶比CS-DA 更好的稳定性。通过调整GO 的含量，可以方便调整水凝胶的力学性能、粘附性、溶胀率和孔径。该水凝胶具有良好的导电性能，可以应用于可穿戴传感器，用于检测人体活动。