改性壳聚糖的研究进展

改性壳聚糖的研究进展1壳聚糖的理化性质壳聚糖(chitosan，(1,4)-2-氨基-2-脱氧-β-D-葡聚糖)是甲壳素(chitin,(1,4)-2-乙酰氨基-2-脱氧-β-D-葡聚糖)部分脱乙酰化的产物。

甲壳素广泛存在于蟹、虾以及藻类、真菌等低等动植物中，含量极其丰富，自然界每年产量约在100亿吨，是仅次于纤维素的第二大多糖。

它是由葡萄糖结构单元组成的直链多糖，此多糖中含有数千个乙酰己糖胺残基，因此在分子间形成很强的氢键，导致其不溶于水和普通有机溶剂，这就大大限制了其应用范围。

将甲壳素在碱性条件下加热，脱去N-乙酰基后可生成壳聚糖。

人们常将N-脱乙酰度和粘度(平均相对分子质量)作为衡量壳聚糖性能的两项指标。

N-脱乙酰度是判定壳聚糖溶解性的依据，脱乙酰度越高，分子链上的游离氨基就越多，在酸中的溶解性就越好；而壳聚糖相对分子质量越大，分子之间的缠绕程度就越大，溶解度就越小。

壳聚糖是自然界中唯一的一种碱性多糖，它一般是白色无定型、半透明、略有珍珠光泽的固体。

壳聚糖可溶于大多数稀酸，如盐酸、醋酸、苯甲酸溶液，且溶于酸后分子中氨基可与质子结合，使自身带上正电荷。

甲壳素及壳聚糖的结构式如图1所示：图1壳寡糖与壳聚糖的结构式甲壳素和壳聚糖在自然界可以被各种微生物降解。

微生物中的甲壳素酶(chitinase)可以随机地水解甲壳素的N-乙酰-β-(1-4)糖苷键。

而壳聚糖可以被多种酶水解，包括壳聚糖酶(chitosanase)、麦芽糖酶、脂肪酶、以及各种来源的蛋白酶。

在人体内甲壳素酶和壳聚糖酶并非普遍存在，通过测定显示N-乙酰壳聚糖在人血清中可以被人体内普遍存在的溶菌酶(lysozyme)降解。

壳聚糖的主链结构中引入了2-氨基，化学性质区别于3,6-羟基，与甲壳素相比增加了反应选择性的功能基团。

由于C6-OH是一级羟基，C3-OH是二级羟基，空间位阻不同反应活性也不同，再加上C2-NH2，壳聚糖就具有三个活性不同的可供修饰的基团。

根据不同的需要，被修饰的壳聚糖作为一种功能大分子广泛用于各种领域。

由于壳聚糖只在酸性水溶液中溶解，而在中性或碱性水溶液中以及多数有机溶剂中不溶，限制了它的应用范围，因此科学家们采用衍生化的方法对壳聚糖进行改性获得了多种水溶性和可溶解于某些有机溶剂的衍生物，大大扩展了壳聚糖的应用范围。

其中包括对壳聚糖进行N-,O-酰化，含氧无机酸酯化，醚化，N-烷基化，C6-OH和C3-OH的氧化，以及鳌合、交联等，在此过程中获得了许多性能良好，甚至是独特性能的产品。

2壳聚糖及其衍生物的应用2.1壳聚糖作为生物医用材料的应用壳聚糖可作为外科手术可吸收缝合线，具有高强度、易打结、韧性好的机械性能和促进伤口愈合、抗溃疡等药理作用。

据报道，临床应用壳聚糖缝合线效果良好，无过敏、刺激、炎症等现象，并有消炎、促进伤口愈合和愈合后伤口平滑等优点。

壳聚糖具有止血作用，精制的壳聚糖细粉可明显地促进伤口愈合。

用甲壳素和壳聚糖制成的薄膜，或和其它纤维如棉花、纤维素等共混做成的无纺布可作为良好的创伤敷料，用于烧伤、植皮等部位的创面保护。

壳聚糖还可以作为组织修复材料，以其固定肝素、硫酸软骨素和葡聚糖等，可以有效地刺激硬组织尤其是骨组织的恢复和再生。

制备了加人血小板生长因子的壳聚糖/磷酸钙海绵。

体外骨成纤维细胞培养实验结果显示，细胞在海绵体基质中贴附、分化以及生长状况良好，具备诱导新骨生成的作用。

2.2壳聚糖在药物缓控释领域的应用壳聚糖微球是目前应用较多的药物缓释形式，根据制备原理及结构的不同可分为以下几类：1、通过乳化交联技术制备的糖或脂质覆盖的交联壳聚糖微球。

这类微球最早用于5-氟尿嘧啶的输送。

其基本方法与原理是将药物分散于壳聚糖醋酸溶液中，与含表面活性剂的液体石蜡超声分散均匀后，再用戊二醛、甲醛等乳化交联便可制成；2、壳聚糖明胶网络多聚物微球，药物的释放实验结果显示：杂交多聚物网状结构具有pH依赖的药物释放行为。

可通过改变微球的组成和壳聚糖脱乙酰度来控制药物的释放率；3、壳聚糖褐藻酸钙微囊。

壳聚糖具有氨基，可以与褐藻酸钠（聚阴离子）通过静电相互作用，在褐藻酸钠微囊表面复合一层聚电解质半透膜，从而提高微囊的稳定性和载药量，并可调节药物释放速度；4、壳聚糖多孔微球。

将壳聚糖溶于醋酸，用压缩的气泡向这种溶液吹入NaOH，NaOH甲醇或乙胺溶液凝聚层液滴。

接着用热水和冷水过滤冲洗，得到壳聚糖多孔微球。

有研究者制备了氨比西林和各种甾类激素的口服多孔壳聚糖微球，药物从这种壳聚糖载体中的释放是可以控制的，一般其在pH 1~2时的释放率高于pH 7.2~7.4。

近年来，壳聚糖纳米球的应用也开始吸引研究者的广泛注意。

纳米球的应用包括以下几个方面：1、多肽及蛋白类药物载体，由于形成壳聚糖纳米球的条件比较温和，这种药物运载系统适合于对环境比较敏感的大分子，如牛血清白蛋白、破伤风类毒素、白喉类毒素和胰岛素等。

应晓英等利用溶剂扩散法制备了含胰岛素的壳聚糖纳米粒子。

将含胰岛素的壳聚糖醋酸溶液滴加到乙醇和Span85的合溶液中，随后经离心、水超声处理得到纳米粒子，其粒径分布较窄。

放射免疫法测得的胰岛素包封率达72.6%。

壳聚糖及其衍生物能够有效的抑制酶的活性，可保护胰岛素避免生物体酶的破坏，提高生物利用度，并具有缓释作用。

2、难溶性抗肿瘤药物载体，Lee等利用自组装的方法制备了脱氧胆汁酸改性壳糖纳米胶束，包载阿霉素后的载药量可达49.6%,粒径随着载药量的增加而增大。

目前所包覆的抗肿瘤疏水性药物主要有：紫杉醇、喜树碱、阿霉素、顺铂等，对这些药物的增容性有很大的改善，提高了癌症的治疗效果，并且降低了副作用。

3、基因载体，2001年Mao等利用复凝聚技术制备了壳聚糖-DNA 纳米粒子，并且确定了DNA及壳聚糖的浓度、分子量、温度、缓冲液pH等因素对粒径尺寸及分散性的影响，结果发现壳聚糖-DNA纳米粒子在一定程度上能延缓核酸酶降解质粒DNA。

4、纳米探针，将壳聚糖制备成水溶性纳米胶束粒子，其内核为疏水性基团，利用其疏水性内核将量子点、氧化铁纳米晶、钆等包覆在胶束内核中。

这样就制备了生物相容应医用纳米探针，为癌症的诊断及早期治疗提供了重要手段，有着广泛的应用前景。

此外，壳聚糖在缓释片剂、缓释膜剂中也有一定的应用。

以壳聚糖作为骨架材料，利用壳聚糖在酸性介质中溶胀成凝胶的性质，可以作为缓释、控释片剂的骨架材料，可制备难溶性药物的亲水凝胶骨架片。

用壳聚糖制备片剂包衣，或者再加入多聚合磷酸盐制成电解质复合包衣，能够达到缓释的目的。

总之，关于壳聚糖的研究将会越来越深入，越来越广泛。

3已有的壳聚糖改性方法壳聚糖的主链结构中引入了2-氨基，化学性质区别于3,6-羟基，与甲壳素相比增加了反应选择性的功能基团。

由于C6-OH是一级羟基，C3-OH是二级羟基，空间位阻不同反应活性也不同，再加上C2-NH2，壳聚糖就具有三个活性不同的可供修饰的基团。

根据不同的需要，被修饰的壳聚糖作为一种功能大分子广泛用于各种领域。

而对壳聚糖的改性主要有N-,O-酰化，含氧无机酸酯化，醚化，N-烷基化，C6-OH和C3-OH的氧化，以及鳌合、交联等，在此过程中获得了许多性能良好，甚至是独特性能的产品。

下面具体介绍一些壳聚糖改性的方法及实验过程。

3.1羧甲基化壳聚糖的制备羧甲基壳聚糖是壳聚糖改性中研究相对较早的方法，通过对壳聚糖上的羟基或者氨基进行羧甲基化，制备了水溶性较好的羧甲基化壳聚糖，这种壳聚糖由于具有良好的水溶性和生物相容性，因而使壳聚糖的应用有很大提高。

但这种方法也有缺点，第一，选择性不高，不能特定的制备氨基羧甲基化或羟基羧甲基化，对进一步修饰改性造成了困难。

第二，制备的壳聚糖只具有水溶性，性质单一，不能进行两亲性纳米粒子的制备与应用，限制了它的应用范围。

当然如果不是单纯的羧甲基化将有很大用处。

例如在羧甲基化之前进行烷基化或peg 化，这些在其它的科学工作中有所改进。

聚糖的梭甲基化反应示意如下。

在250ml三颈瓶中加入5g壳聚糖粉末和50ml异丙醇，在温度为30℃的水浴中搅拌，使壳聚糖均匀分散在异丙醇中，然后加入50%的NaOH溶液33ml，继续搅拌1h，，使壳聚糖碱化。

碱化结束后，滴加氯乙酸溶液(30g氯乙酸加50ml异丙醇溶液)，滴加完毕，水浴升温至70℃，恒温搅拌反应90min。

然后冷却反应体系，去掉上层，取下层水相，加100ml，蒸馏水，稀释下层糊浆液必要时搅拌，然后用稀中和pH7.0为左右，离心沉淀出来未参加反应的壳聚糖，用无水乙醇沉淀上层清夜得到梭甲基壳聚糖.图2羧甲基壳聚糖的制备3.2非均相反应制备叶酸偶联壳聚糖叶酸（Folic acid）维生素B复合体之一，相当于蝶酰谷氨酸（pteroylglutamic acid，PGA），是米切尔（H．K．Mitchell，1941）从菠菜叶中提取纯化的，故而命名为叶酸。

有促进骨髓中幼细胞成熟的作用，人类如缺乏叶酸可引起巨红细胞性贫血以及白细胞减少症，对孕妇尤其重要。

而医学研究表明叶酸具有抗肿瘤作用和靶向癌细胞作用，能够使肿瘤细胞凋亡，那么这种叶酸偶联的壳聚糖将具有很好的抗癌、靶向癌症的的作用，具有很好的应用前景。

称20mg壳聚糖（Mw=50kDa）悬浮于5mL无水DMSO中，磁力搅拌下逐滴滴入叶酸活性醋的DMSO溶液，在适当温度卜反应一定时间，反应停止后，过滤。

用蒸馏水洗涤数次。

将其溶解于2%醋酸溶液中，低速离心后取其上清液，用SepHadex G-10葡聚糖凝胶柱进行分离，以2%醋酸溶液为流动相进行洗脱，流速为1. 5mL/min 。

在363nm波长处监测洗脱过程，收集流出的第一个峰。

冷冻干燥后各用。

反应路线见图图3叶酸偶连壳聚糖的制备3.3长链卤代烷法制备烷基化壳聚糖壳聚糖由于其大量的氨基的作用，存在着很强的分子内氢键作用，因此壳聚糖具有很强的结晶性能，这使得壳聚糖的水溶性大大降低，那么增加壳聚糖水溶性之一的方法就是破坏其中的大量氢键。

通过给氨基上连接烷基链，一方面取代了部分氨基，降低了氢键数量，另一方面，烷基链的存在增加了氨基之间的相互作用距离，这也降低了氢键的相互作用，这些都是得烷基化壳聚糖的结晶性下降，溶解性增加。

而且由于壳聚糖糖环本省就具有亲水性，这样还使得壳聚糖具有了两亲性，能够制备壳聚糖纳米胶束。

以下为相关工作示例：准确称量壳聚糖1.0 g KOH 1.5 ~2.5 g异丙醇12 ml置于100 ml三口瓶中搅拌并平稳升温至40 ~60℃下并恒温0.5 ~2 h以使壳聚糖碱化碱化结束后在规定的反应温度下缓慢滴加一定量的卤代烷，并同时控制恒温反应时间在4 ~10 h后停止反应此时壳聚糖已经从白色粉末变成黄色粉末并有少量产物会粘附在三口瓶的瓶壁上往三口瓶中添加20ml甲醇可将产物洗出，然后用稀盐酸中和体系pH值至中性再往体系中添加10ml丙酮以使烷基壳聚糖能充分从体系中析出然后将混合体系充分静置沉淀后过滤再用丙酮和乙醚反复洗涤所得固体粉末产物以除掉多余的有机杂质和卤代烷然后烘干即的烷基化壳聚糖的粗制品。