壳聚糖基水凝胶的制备及应用研究进展

李月生,饶 璐,刘东亮,王智俊,付娌丽,杨金玉,陈黄琴

(1. 辐射化学与功能材料湖北省重点实验室,湖北 咸宁 437100;2.湖北科技学院 药学院,湖北 咸宁 437100;3. 湖北科技学院 口腔与眼视光医学院,湖北 咸宁 437100)

一、引言

水凝胶是通过物理交联[1-3]和化学键[4]交联等形成的三维网络结构,在水中能长时间保持溶胀状态但不会溶解,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。因其可回收性、溶胀性、生物可降解性、易于使用等特点,被广泛应用于农业、食品包装、药物传递等领域[5,6],尤其在医疗卫生领域有很重要的价值:创面敷料和软骨组织工程[7,8]。水凝胶由于类似细胞外基质且有一定的力学性能,有利于细胞和骨蛋白的再生,进而促进伤口的愈合和软骨的形成。

壳聚糖在自然界中分布广泛,是一种可再生资源。人们可以在虾蟹等海洋节肢动物、软体动物和昆虫的甲壳及高等植物的细胞壁中提取甲壳素,然后进行脱乙酰化制备而成[9]。壳聚糖分子中的羟基和氨基,可用于制备具有不同性质的水凝胶。He等[10]通过氨基与戊二醛交联剂进行反应合成力学性能优良、成本低廉、可循环利用的羧甲基壳聚糖-高岭石复合水凝胶(图1)。该水凝胶将壳聚糖的活泼基团与Cu2+进行化学吸附和高岭石的无机吸附结合,对Cu2+具有较高的吸附效率,为重金属离子的去除提供了崭新的思路。

图1 壳聚糖-高岭土复合水凝胶的合成工艺[10]

壳聚糖主要通过分子之间发生交联形成三维网络状的水凝胶,其制备方法有物理交联和化学交联。

(一)物理交联

物理交联是通过分子与分子的作用力使壳聚糖成为水凝胶。主要通过分子间静电相互作用、金属离子配位键合方式和疏水作用使其成为水凝胶。

1.静电相互作用

静电相互作用是通过阴离子分子和壳聚糖的氨基之间发生作用使其凝胶化。壳聚糖作为一种良好的生物相容性阳离子聚合物,被研究人员广泛研究,尤其是与阴离子大分子聚合物DNA结合。Chen等人[11]通过壳聚糖和DNA骨架之间的静电相互作用制备了一种新型可调、高度生物相容性和可注射的DNA-壳聚糖混合水凝胶。 Ishii-Mizuno等人[12]利用静电相互作用将壳聚糖与免疫刺激性DNA水凝胶混合,发现其比未混合的免疫刺激性DNA水凝胶更稳定,更坚韧,结合水更多,在体外释放模型抗原卵清蛋白的速度更慢,能有效诱导抗原特异性免疫应答。 Zhang等[13]利用壳聚糖(CS)网络和聚磺基甜菜碱-丙烯酸共聚物(P(SBMA-co-AAc))网络制备了双物理交联的高透明、自愈性、自粘、抗疲劳的聚磺基甜菜碱-丙烯酸共聚物/壳聚糖-柠檬酸盐(P(SBMA-co-AAc)/CS-CIT)双网络水凝胶。该水凝胶是由CS网络和P(SBMA-co-AAc)共聚物网络组成的纯物理交联双网络水凝胶,其中CS网络通过静电相互作用被柠檬酸离子交联,而P(SBMA-co-AAc)网络通过两性离子相互作用和羧基之间的氢键交联(图2)。其具有大范围的应变敏感,在变形条件下具有稳定可靠的相对电阻变化。

图2 P(SBMA-co-AAc)/CS-CIT 水凝胶的网络合成路线[13]

2.金属离子配位

金属离子配位是通过分子间的配位键来合成凝胶的,形成的水凝胶更加稳定。Visuta等人[14]通过三唑键合,金属配位制备基于壳聚糖/透明质酸的三联网络水凝胶,可通过改变壳聚糖、透明质酸摩尔比来调控水凝胶的机械性能和形态。Yan等人[15]将壳聚糖掺入热可重构琼脂糖凝胶介质中,通过强配位相互作用成功地制备了新型的金属-生物聚合物配位双网络水凝胶,具有多种刺激的响应能力,自我修复,形状记忆和抗菌特性。壳聚糖通过螯合机理与许多金属离子具有配位的能力。Li等[16]采用氨熏蒸和金属离子络合法制备了综合性能优良的壳聚糖物理水凝胶(CTS-Cu2+/NH3)。上述物理水凝胶具有优异的力学性能,即使在Cu2+含量低的情况下,其机械强度也能达到0.30 MPa,显著高于CTS/NH3水凝胶;同时,其热稳定性也优于CTS/NH3水凝胶。此外,对铜绿假单胞菌具有特异性杀伤作用。

3.疏水作用

Wang等[17]以CS、羟丙基甲基纤维素(HPMC)和甘油为原料,在生理条件下制备了一种新型热敏水凝胶。HPMC通过大量的疏水作用促进壳聚糖热凝胶化。热敏感水凝胶的生理pH值为6.8-6.9,凝胶时间为15 min,具有良好的生物降解性能、较低的细胞毒性。Tang等人[18]通过壳聚糖(CS)、聚乙烯醇(PVA)和碳酸氢钠的共混制备了热敏水凝胶,该凝胶在低温(约4°C)下,PVA上的羟基与CS分子上的羟基和氨基形成氢键,体系以溶液状态存在,但在生理条件下,PVA分子与CS分子间的氢键遭到破坏,CS分子间疏水相互作用增强而发生聚集,形成凝胶。

(二)化学交联

化学交联是指大分子链间由共价键结合而成,形成高分子聚合物的过程。壳聚糖基水凝胶的化学交联制备法可以分为引发剂引发、光引发及辐射交联法。

1.引发剂引发交联法

引发剂是能引起单体进行聚合的物质,可以使壳聚糖及其衍生物分子通过共价键结合在一起形成网状结构,提高材料的强度、弹性等性能。Juan等人[19]以功能化的纤维素纳米纤维作为交联引发剂,制备壳聚糖复合自修复水凝胶和形状记忆冷冻凝胶,纳米纤维素-壳聚糖复合水凝胶具有有效的自我修复和剪切稀化特性,且具有可调节的机械性能。Garg等[20]用对苯二甲酸/戊二醛和过硫酸钾分别作为交联剂及引发剂,通过丙烯酸自由基聚合反应在壳聚糖上合成交联水凝胶(CAAT和CAAG),并比较了它们对水中合成阴离子染料的去除效果(图3)。结果证明水凝胶选择性吸附阴离子染料,CAAT的吸附性能优于CAAG,且具有良好的循环重复使用潜力,有助于设计吸附染料的废水处理系统。化学交联引发剂会导致有毒物质残留,Huber等人[21]使用漆酶活化的酚类作为交联引发剂形成壳聚糖水凝胶,生物相容性结果未显示对HEK293细胞系生长有明显的抑制作用,证明漆酶氧化的酚类化合物是一种合成壳聚糖水凝胶的新型绿色方法。Martínez-Martínez等[22]以四甲基氯化磷作为引发剂合成壳聚糖共价水凝胶。该水凝胶具有pH敏感,低毒性,生物相容性和黏附性,并允许被包裹药物喜树碱的改性释放持续48小时。结果表明,通过水凝胶口服喜树碱可以在吸收部位提供低浓度的药物,避免载体饱和,降低其肠道毒性。

2.光引发交联法

光引发交联法主要的光源为高能量的紫外线,光源引发分子链间的作用促进壳聚糖构成水凝胶结构。Hu等人[23]在Irgacure2959存在下通过光引发聚合反应和紫外线照射将水溶性壳聚糖衍生物制得生物相容性壳聚糖水凝胶,该水凝胶的胶凝时间在5-50分钟的范围内可调节,具有更好的综合性能,特别是更好的生物相容性。Maiz-Fernndez等人[24]介绍了基于甲基丙烯酸化壳聚糖和透明质酸的可光交联的自愈水凝胶,表现出可调节的物理化学性质。Fu等[25]通过核黄素产生的光诱导自由基引发壳聚糖与明胶发生交联反应合成壳聚糖-明胶(CS/GE)水凝胶珠。CS/GE水凝胶珠为粗糙的空心结构,核黄素和壳聚糖的存在为其提供了对大肠杆菌良好的抗菌活性。此材料的成功制备为功能性水凝胶产品的开发提供了崭新的思路。

3.辐射交联法

辐射交联法是利用辐射源与物质的作用,电离并激发生成活化原子与分子,使物质之间进行交联[26]。辐射交联法包括电子加速器和γ射线等,相对于以上方法具有操作便捷、易于控制、绿色环保等优点。Li等[27]利用冷冻循环和电子束辐射合成了壳聚糖复合水凝胶(TiO2/CMCS/PVA),并对其抑菌性能和细胞毒性进行测定。复合水凝胶对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌都有较好的抗菌效果(图4),同时该水凝胶对L929细胞无明显的毒性。Ghobashy等[28]通过γ辐照交联CS与两种阴离子聚合物(丙烯酸)-共-(2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷-磺酸)(AAc/AMPS),得到两亲性水凝胶。Cs/AAc/AMPS水凝胶具有pH敏感性,可用于给药系统。

图4 不同水凝胶的菌落分布效果图:(a)大肠杆菌,(b)金黄色葡萄球菌[27]

壳聚糖作为一种具有可降解性、抗菌性、生物相容性、价格低廉的水凝胶基材,同时结合水凝胶的高吸水性和不溶解性可以广泛应用于各个领域:环境、医疗卫生、农业及食品包装领域(图5)。

图5 壳聚糖水凝胶的应用[30,31,33,36]

(一)环境领域

涂料,食品,制药等多个行业的废水中含有重金属离子、染料和有机物质,直接排放到水资源中,造成了严重的环境问题。吸附处理操作简单、成本低、效果好而受到广泛的关注。壳聚糖水凝胶通过静电和氢键吸附染料和重金属离子,且成本低、再生能力强,因此,在废水处理领域占有重要的地位。Yang等[29]以提高壳聚糖水凝胶的机械强度为目标,通过非共价相互作用和金属配位初步制备了没食子酸改性羧甲基壳聚糖/铁离子(GA-CMCS/FeIII)复合水凝胶。GA-CMCS/Fe3+凝胶具有良好的机械强度(1.59 MPa)和高效吸附能力,对Pb2+、Cd2+和Cu2+的吸附能力分别达到97.15 mg/g、99.75 mg/g和98.50 mg/g。其高效吸附能力、可回收利用等优点,有望成为污水处理的新材料。Vo等[30]提出了一种环保、可循环、可再生的氧化石墨烯-壳聚糖水凝胶柱(GCCHC),对阴离子和阳离子染料都有极佳的吸收能力。水凝胶柱通过连续的吸附和洗涤循环,样品可以再生和回收,而不损失污染物去除能力,是一种有效的废水处理方法。

(二)医疗卫生领域

壳聚糖水凝胶的高含水量,机械强度及物理化学性质与天然的细胞外基质平行,使其在医疗卫生领域占有重要的地位:药物传递、治疗愈合及组织再生等。Zheng等[31]在常温下把壳聚糖(CS)液体打入肿瘤中,β甘油磷酸酯(β-GP)的存在使其加热至体温后自动形成凝胶。将MoS2/Bi2S3-PEG (MBP)纳米片和阿霉素(DOX)溶解到水凝胶中,凝胶系统可以包裹DOX和MBP纳米片,防止它们进入血液循环损伤正常组织和细胞,实现局部肿瘤光热和化疗的结合,有望作为肿瘤高效治疗的平台(图6)。Huang等[32]利用壳聚糖与含有硼酸或Tris和葡萄糖酸钙的缓冲溶液(CHS-BA-CG和CHS-Tris-CG)的水凝胶,并构建了小鼠氢氟酸(HF)烧伤模型。壳聚糖水凝胶与缓冲液联合使用可以减轻HF烧伤的不适感,防止HF渗透到皮肤和维持组织pH值。结果表明壳聚糖在伤口愈合中增强上皮性质和抗菌作用,壳聚糖基水凝胶与缓冲液联合治疗HF烧伤可能有助于皮肤护理或组织修复。

(三)农业领域

水是一种宝贵的、有限的自然资源,但在农业领域有大量的消耗。灌溉技术和水的用量都影响农作物的生存和产量。壳聚糖水凝胶作为一种高吸水性及可生物降解的聚合物,可以与肥料结合使用来获得养分的持续释放和提高土壤的保水能力。Iftime等[33]报道了壳聚糖与水杨醛原位水凝胶在尿素肥料作用下制备的新型土壤改良剂体系,旨在解决土壤的施肥和保水问题,优化后的组分具有较高的吸水率(68 g/g),土壤保水能力提高154%。尿素的释放受水凝胶基质形态变化和锚定力的影响可以分为:5 h内释放量为45%;11 d后延长释放率达到75%,最终释放残余尿素至第35天。对番茄幼苗萌发试验的初步研究表明,与参考土壤相比,土壤中氮含量增加了近2倍,植株生长提高了近70%。 另外,Hussain等[34]提出了用京尼平作为天然交联剂,代替有毒的醛交联剂,壳聚糖与尿素在油包水乳液中乳化制备了含尿素壳聚糖(CS)微球。当聚合物用量为0.1 mmol/g时,CS∶尿素质量比为0.5∶1.0的微球的最佳吸水率为1.64 g/g,相应的包封率为87%,7 d后尿素释放率约为90%,能确保尿素有控制的释放到土壤中,可提高农作物的产量。

(四)食品包装领域

壳聚糖基水凝胶具有良好的溶胀性、吸收性和包埋性,是开发食品包装与指示剂组成的智能食品包装系统的基础。其抗氧化性、吸湿性和抗菌活性可以作为食品包装材料,有利于延长食品的保质期。Bandyopadhya等[35]开发了一种新型CMCH-PVP水凝胶,它与细菌纤维素和瓜尔胶结合,形成用于蓝莓包装的水凝胶膜。结果表明,水凝胶膜可使蓝莓保鲜15天。该水凝胶膜具有良好的生物降解性,28天内可降解80%。El-Mekawy等[36]制备了一种水凝胶薄膜,该薄膜具有柔软性、生物降解性和灵活性等性能,可用于肉类保鲜。结果表明,该水凝胶膜在7 d后抑制了肉的氧化,延长了肉的货架期。由于果蔬的呼吸作用和微生物的代谢作用,食物在储存和运输过程中会发生许多变化,如pH值的变化。pH值是食品供应链中的一个重要参数,通常用来评价食品的新鲜度/变质程度。Fet等[37]采用一种含有花青素的壳聚糖基凝胶pH指示剂来观察牛奶的新鲜度。乳酸菌代谢过程会产生乳酸,使牛奶pH值降低。结果表明,牛奶贮藏48 h后,pH指数由蓝色变为紫色,对牛奶的新鲜度具有有效的指示作用。

四、总结与展望

壳聚糖基水凝胶因其优异的生物活性、刺激反应性、溶胀性、吸附能力、吸水性和保水性等特性,使其在环境、医疗卫生、农业及食品包装等领域展示出良好的应用前景。但是,壳聚糖基水凝胶同时也存在一些不足之处,如在医疗卫生应用上,壳聚糖创面敷料得到产业化发展, 但在肿瘤治疗等实际医疗问题上还未见应用;在食品行业,壳聚糖基水凝胶对于成熟/新鲜度指标(同时检测多个相关元素)等复合指标还有待进一步发展。 此外,还可以通过接枝改性或者引入其他生物活性基团,拓展其应用范围。