壳聚糖基纳米纤维膜的交联方法

夏钰华，吴 鹏，徐长安，唐 旭

(1.福州大学 生物科学与工程学院，福州 350108； 2.自然资源部第三海洋研究所，厦门 361005)

壳聚糖是甲壳素的脱乙酰产物，被认为是最丰富的天然多糖之一，是目前自然界唯一带正电的碱性多糖[1]。壳聚糖对多种细菌、真菌都具有抑菌活性[2]，是一种具有较高活性的广谱抗菌剂[3-5]。壳聚糖具有良好的生物相容性、可降解性、抗菌性、成膜性好、无毒等特点，属于可再生资源，并且其来源广泛[6]，使其在生物医学、环境保护、食品包装等领域均具有广阔的应用前景。目前，采用静电纺丝技术制备壳聚糖基纳米纤维膜的研究较多，因为壳聚糖在高静电压作用下拉伸，溶剂快速蒸发后固化形成的纳米纤维具有直径小、比表面积大、孔隙度高、纤维连续性好等优点。区别于传统的纺丝技术，静电纺丝装置简单、纺丝成本低、可纺物质多、工艺可控，已成为制备纳米纤维的重要技术[7-9]。但是壳聚糖基纳米纤维如果未经交联，由于纤维的比表面积大，使其极易溶于水、适用pH范围小、机械强度差等缺点，因此通过有效的交联方法获得具有稳定性能的壳聚糖基纳米纤维膜非常重要。

1 高压静电纺丝制备壳聚糖基纳米纤维膜

壳聚糖基纳米纤维静电纺丝过程如图1所示，由壳聚糖配置而成的纺丝液，在10～30 kV的高压静电场及外力推动下，在金属喷头处形成液滴，由于液滴表面张力不足以支撑静电相斥力而形成泰勒锥，此时聚合物射流在高压静电场中高速拉伸、溶剂挥发、溶质固化，最终沉积在接收装置表面，从而得到壳聚糖纤维[9，13]。

图1 静电纺丝制备壳聚糖基纳米纤维膜示意Fig.1 Preparation of chitosan-based nanofiber membranes by electrospinning1—注射器;2—壳聚糖复合纺丝液;3—高压静电;4—泰勒锥射流;5—鞕动射流;6—接收电极

表1 壳聚糖基纳米纤维膜的交联方法及性能和应用场景Tab.1 Crosslinking method and properties and application of chitosan-based nanofiber membranes

2 壳聚糖基纳米纤维膜的交联方法

2.1 化学交联

2.1.1 戊二醛

通过戊二醛对壳聚糖基纳米纤维膜进行交联是最为常见和有效的方法之一。壳聚糖与戊二醛通过席夫碱反应生成亚胺结构，如图2所示[16]。

图2 壳聚糖与戊二醛交联示意Fig.2 Schematic diagram of crosslinking between chitosan and glutaraldehyde

壳聚糖也可以通过迈克尔加成反应与戊二醛末端的醛基生成羰基[16]。汪希铭等[17]在常温下通过使用戊二醛蒸气对壳聚糖/聚环氧乙烯复合纳米纤维膜进行交联，结果显示交联后的纳米纤维膜在耐水性能上有了明显的改善，使其更加适合应用于伤口敷料。其主要是由于交联处理后壳聚糖与戊二醛的分子之间生成了亚胺键，增加了其刚性，同时发现交联时间在0～24 h内随着交联时间的延长，纳米纤维的直径也相应变大。窦涌等[18]采用质量分数为25%的戊二醛溶液对壳聚糖/聚乙烯醇进行24 h熏蒸后得到了热稳定性、耐水性更好的纳米纤维膜，是生物医学中一种潜在的组织工程支架；通过红外分析发现交联后的纳米纤维出现了新的羰基吸收强峰，热重分析结果也显示交联后的纳米纤维具有更高的熔融温度，说明在交联过程中形成了更多的新的化学键。通过戊二醛熏蒸的方法，能够使壳聚糖基纳米纤维膜得到有效的交联，其操作简便易行、生产成本低的特点使其被广泛地使用；但考虑到残留的戊二醛具有一定的细胞毒性，并且醛类交联剂与壳聚糖形成的席夫碱具有化学不稳定性，因此在实际应用中受到一定的限制。

2.1.2 环氧氯丙烷

壳聚糖与环氧氯丙烷交联如图3所示[30]，环氧氯丙烷是一种环氧类化合物，化学性质活泼，易发生开环反应。

图3 壳聚糖与环氧氯丙烷交联示意Fig.3 Schematic diagram of crosslinking between chitosan and epichlorohydrin

郑化等[31]使用环氧氯丙烷对壳聚糖纳米纤维进行交联获得了一种有望应用于可控降解的生物医学材料，研究发现使用环氧氯丙烷对壳聚糖进行交联时，其交联方式受到温度的影响，交联温度低于40 ℃时壳聚糖只有氨基参与反应，当温度大于40 ℃时，壳聚糖中氨基和羟基均能发生交联反应。M.S.AUSTERO等[16]和A.E.DONIUS等[21]通过体积比10:1的壳聚糖与环氧氯丙烷对壳聚糖纳米纤维膜进行交联，得到了直径为(896±435) nm的壳聚糖纳米纤维，该壳聚糖纳米纤维膜在pH 为3的环境中具有良好的稳定性，同时其机械强度也得到了显著提高，为其作为滤膜、生物组织支架提供了可能。环氧氯丙烷交联壳聚糖基纳米纤维膜可以通过调节反应温度来选择交联基团进行反应，可以通过提高温度来得到力学性能更好的壳聚糖基纳米纤维膜。但随着交联反应的温度升高，对于纳米纤维封装的活性物质可能产生不利影响，同时环氧氯丙烷其本身的细胞毒性也不容忽视。

2.1.3 乙二醇二缩水甘油醚

乙二醇二缩水甘油醚比常用的化学交联剂戊二醛和环氧氯丙烷具有更低的细胞毒性[23]。如图4所示，乙二醇二缩水甘油醚具有两个环氧基团，可以与氨基、羟基、羧基进行反应，可以与壳聚糖中的胺的官能团进行交联[22]。但胺与双环氧化合物的反应在室温下很慢，可以通过提高温度来加快反应[32]。A.AQIL等[22]通过质量分数为1%的乙二醇二缩水甘油醚水溶液交联的壳聚糖/聚环氧乙烯复合纳米纤维膜能够在酸性溶液(pH为 5)中保持一定的强度，增加其耐水性和机械强度。皮肤成纤维细胞和内皮细胞在该纳米纤维膜上表现出了良好的附着性、增值能力和活性。A.DODERO等[23]将壳聚糖/聚环氧乙烯复合纳米纤维膜放在体积分数为2.5%和5%的乙二醇二缩水甘油醚水溶液中进行化学交联，红外分析结果显示纳米纤维膜上的胺官能团发生了减少或消失，这使得壳聚糖基纳米纤维膜的性能得以提升，可以进一步获得可用于细胞增殖的高性能材料。低浓度(质量分数为1%～5%)的乙二醇二缩水甘油醚即可与壳聚糖基纳米纤维进行高效交联，交联条件温和，相比于常用化学交联剂如戊二醛、环氧氯丙烷，具有更高的安全性，但交联过程是通过化合物共价结合，所以交联后的壳聚糖基纳米纤维膜中仍可能存在乙二醇二缩水甘油醚的残留。

图4 壳聚糖与乙二醇二缩水甘油醚交联示意Fig.4 Schematic diagram of crosslinking between chitosan and ethylene glycol diglycidyl ether

2.1.4 紫外光交联

紫外光交联的方法与化学共价交联法相比较具有更加高效和绿色环保的特点，在合适的光引发剂的存在下，通过紫外光的作用会产生自由基，进而形成交联网络[33]。甄洪鹏[24]通过在壳聚糖/聚乙烯醇纺丝液中加入质量分数为1%～5%的光交联单体三甘醇二甲基丙烯酸酯和质量分数为3%的光引发剂二羟基二甲基苯基丙酮得到的复合纳米纤维膜，进一步使用200 mW/cm2光强的紫外点光源进行10 min光交联得到了具有良好耐水性的医用高分子材料，可以作为生物矿化基质、药物缓释载体等。如图5所示，P.KIANFAR等[15,34]通过添加质量分数为2%的二苯甲酮作为光引发剂将壳聚糖/聚环氧乙烯复合纳米纤维膜直接使用高低两种紫外光强度(7 mW/cm2和70 mW/cm2)进行照射，结果显示聚环氧乙烯在紫外光的照射下进行了交联，壳聚糖发生部分裂解，从纤维形貌上看没有明显变化，复合纳米纤维膜的耐热性和耐水性均有改善，使其在生物医药、食品包装领域可以得到进一步的应用。紫外光交联的方法通过选取合适的光引发剂对壳聚糖基纳米纤维膜进行交联固化，具有高效、绿色、经济等优点。但在交联过程中壳聚糖的裂解使其无法得到在结构上更稳定的纳米纤维膜，同时为了防止高分子共混物发生光氧化，需要在氮气氛围中进行交联反应，操作繁琐。

图5 二苯甲酮在紫外光下引发聚环氧乙烯交联示意Fig.5 Crosslinking of polyethylene oxide initiated by benzophenone under ultraviolet light

2.2 物理交联

2.2.1 非共价交联

图6 壳聚糖与离子交联示意Fig.6 Schematic diagram of crosslinking between chitosan and

2.2.2 热交联

热交联的方法毫无疑问是一种更加安全和绿色的交联方法，交联过程无需添加化学试剂[41-43]。QIN Z Y等[25-26]在120℃下对壳聚糖/普鲁兰多糖纳米纤维膜进行热交联2 h处理发现，随着壳聚糖比例的增加，大量的-NH2与普鲁兰多糖发生美拉德反应，从而使纳米纤维膜的耐水性得以增强，为通过壳聚糖纳米纤维膜封装除氧剂、除湿剂、抗菌剂等活性物质在食品包装中发挥长效作用提供了进一步的实验基础。O.K.YUN等[27]对壳聚糖/聚乙烯醇纳米纤维膜进行150 ℃，10 min的热交联处理得到了耐水性和拉伸效果更好的伤口敷料；M .MOYDEEN[28]对壳聚糖/聚乙烯醇纳米纤维膜在120 ℃进行6 h交联，发现壳聚糖和聚乙烯醇形成了更多的分子间氢键，从而提高了耐水性和热稳定性，获得了一种应用于头孢氨苄的药物递送体系。如图7所示，JIANG M J等[29]对壳聚糖/聚丙烯酸钠纳米纤维膜在190 ℃进行12 h交联，得到了耐酸碱的纳米滤膜，对水溶液中铬(Cr)离子的去除率达到了79.3%，能对工业废水中的重金属离子进行有效吸附。热交联的方法为壳聚糖基纳米纤维膜的提供了一种安全可行、操作简便的交联方法，但热交联时需要较高的温度，生产成本较高。

3 结语与展望

壳聚糖基纳米纤维膜因其生物相容性、可降解性等特点，在生物医药、食品包装、环境保护等领域均具有潜在的应用价值。壳聚糖基纳米纤维膜的交联方法包括添加交联剂的化学交联、紫外光交联、非共价交联、热交联等，其中添加交联剂的化学交联是应用最早、最广和研究最多的交联方法，该方法能更好地获得机械强度高、耐水性强、耐热性强的生物材料，但化学物质本身存在细胞毒性等缺点；紫外光交联、非共价交联、热交联的方法提供了更为绿色、环保的解决方法，但其交联效果与添加交联剂的化学交联法还存在一定差距。

在药物递送体系、伤口敷料、组织工程支架等领域，通过不同交联方式均能加强纳米纤维膜的使用性能。在食品包装领域，通过戊二醛进行壳聚糖基复合纳米纤维膜的交联，使材料具有了一定的机械强度和耐水性，但由于戊二醛的细胞毒性，目前可以采用天然来源的肉桂醛代替戊二醛进行交联。未来，更为绿色、环保、安全的交联是该领域进一步研究的方向。在环保领域，壳聚糖基纳米纤维膜可应用于染料吸附、重金属离子吸附等工业废水处理，也可应用于去除细菌等水净化处理等。用于环保领域的壳聚糖基纳米纤维膜是近年来研究的热点，通过化学交联获得更加稳定和耐酸碱的纳米纤维膜是关键。总而言之，不同的交联方法均对壳聚糖基纳米纤维膜在使用性能上有了一定的提升，但面对具体的使用场景和实际使用需要，更为绿色、环保、安全的交联方式仍然需要进一步的研究和探索。