甲壳素和壳聚糖的改性及其应用

甲壳素和壳聚糖的改性及其应用
1. 前言
1811年，法国人于大自然中最早发现了甲壳素，之后于1859年又发现了甲壳素的脱乙酰基产物壳聚糖—一种唯一的碱性天然多糖。

它是许多低等动物，特别是节肢动物（如虾、蟹等）外壳的重要成分，同时也存在于低等植物如真菌的细胞壁中，分布十分广泛。

自然界每年生物合成的甲壳素多达数十亿吨[1]，是一种十分丰富的自然资源。

甲壳素（chitin）化学命名为β- (1→4) -2- 乙酰氨基 -2- 脱氧-D- 葡萄糖。

壳聚糖（chitosan）是甲壳素的脱乙酰基产物，也叫脱乙酰甲壳素，简称（CTS）。

它们的结构式分别为：
甲壳素结构与纤维素类似，分子中含有H - OH和H - NH键，还含有分子间氢键。

甲壳素的这种有序的大分子结构，在一般的溶剂中不容易溶解。

壳聚糖的分子结构中含有游离氨基，溶解性能有了一些改观，但也只能溶于某些稀酸，如盐酸、醋酸、乳酸、苯甲酸、甲酸等，不溶于水及碱溶液。

甲壳素与壳聚糖无毒，无害，易于生物降解，不污染环境，而且在自然界中含量仅次于纤维素，并以相同的循环速率产生和消失。

近年来，国内外学者应用各种方法对甲壳素或壳聚糖进行改性以开发其潜在的应用价值，拓宽了壳聚糖及其衍生物的应用领域。

甲壳素和壳聚糖的改性按方法分为物理改性和化学改性。

2. 化学改性
2.1 酰化反应及应用
在甲壳素和壳聚糖的化学改性中，酰化改性是研究得较多的。

甲壳素和壳聚糖通过与酰氯或酸酐反应，在大分子链上导入不同分子量的脂肪族或芳香族酰基，所得的产物在有机溶剂中的溶解度可大大提高。

酰化反应可在羟基(O-酰化)或氨基(N-酰化)上进行[2]。

酰化产物的生成与反应溶剂、酰基结构、催化剂种类和反应温度有关。

最早是用干燥氯化氢饱和的乙酐对甲壳素及壳聚糖进行乙酰化的。

这种反应较慢，而且甲壳素的降解产物很多。

现在有在甲磺酸中进行的酰化反应的报道[1]，如用4份甲磺酸和6份乙酸酐与1份甲壳素在均相中的反应；4份甲磺酸、6分冰醋酸和计算量的乙酸酐与1份甲壳素在非均相中的反应。

酰化甲壳素及其衍生物中的酰基破坏了甲壳素及其衍生物大分子间的氢键，改变了它们的晶态结构，提高了甲壳素材料的溶解性。

如高取代的苯甲酰化甲壳素溶于苯甲醇、二甲基亚砜；高取代的己酰化、癸酰化、十二酰化甲壳素可溶于苯、苯酚、四氢呋喃、二氯甲烷。

除此之外，酰化甲壳素及其衍生物的成型加工性也大大改善了[3]。

酰化甲壳素可应用于化妆品方面，如3 ,4 ,5 -三甲氧基苯甲酰甲壳素能吸收紫外线，可用于防晒护肤品的添加剂[4]。

还可应用于环境分析方面，如酰化壳聚糖可制成多孔微粒用作分子筛或液相色谱载体，分离不同分子量的葡萄糖或氨基酸[5]；还可制成胶状物用于酶的固定和凝胶色谱载体[4]。

应用于医药方面，如双-乙酰化甲壳素具有良好的抗凝血性能[6]；甲酰化和乙酰化物的混合物可制成可吸收性手术缝合线、医用无纺布[7]；N -乙酰化甲壳素可模塑成型为硬性接触透镜，有较好的透氧性和促进伤口愈合的特性，能作为
发炎和受伤眼睛的辅助治疗[5]。

2.2 羧基化反应及应用
羧基化反应是指用氯代烷酸或乙醛酸，在甲壳素或壳聚糖的6-羟基或胺基上引入羧烷基基团，研究最多的是羧甲基化反应, 其相应的产物为羧甲基甲壳素(CM - chitin)、O-羧甲基壳聚糖(O-CM-chitosan)、N-羧甲基壳聚糖(N-CM-chitosan)和O,N -羧甲基壳聚糖
(O,N-CM-chitosan)，这是一类很重要的衍生物。

R.Muzzarelli对它们的制备方法及应用作了较全面的综述。

将甲壳素在冷冻下用十二烷基硫酸钠(SDS) 碱化后，悬浮于异丙醇中，室温下与氯乙酸反应而得到
CM-chitin[8]。

若在30 ℃左右进行碱化反应，则得到O-CM-chitosan[9]。

CM-chitin能吸附Ca2+，对碱土金属离子也有吸附作用，可用于金属离子的提取和回收[10]；在医药上可作为免疫辅助剂，能有效地诱导细胞毒性巨噬细胞[11]；用于化妆品中能使化妆品具有润滑作用和持续的保温作用，还能使化妆品的贮藏性能、稳定性能良好。

O-CM-chitosan的保水性能很好，几乎可与透明质酸相当，可作为保水剂应用于化妆品中取代透明质酸。

O-CM-chitos an在农业上用于抑制甲壳素酶和壳聚糖酶的活性，促进植物的生长[12]。

N-CM-chitos an是通过壳聚糖与乙醛酸反应形成可溶性酰亚胺，再用NaBH3C N还原而得到[13]。

N -CM-chitosan能螯合过渡金属离子[10]，也可用于化妆品中，可辅佐抗皮肤过敏；具有很好的保温性能和稳定性能，还具有抑菌性，对口腔细菌特别有效[10]。

O , N-CM -chitosan (简称NOCC) 是通过壳聚糖悬浮于异丙醇中加NaOH 搅拌使其膨胀，再与氯乙酸反应，加热后即得NOCC[14]。

R. Muzzarelli 则通过先制成O-CM-chitosan，再与乙醛酸反应而得到[15]。

NOCC能溶于pH = 2～6范围之外的溶液中，NOCC与碱土金属离子和NH4+形成的盐是水溶性的；
与重金属和大分子有机阳离子络合反应形成沉淀，利用此特性可用来纯化水。

NOCC在水溶液中易形成牢固膜，此膜对气体有选择渗透性，适合于作食品保藏剂[15]。

NOCC与双醛试剂交联形成凝胶，可作创可贴、止血剂[16]。

NOCC具有阳离子性质，可用于化妆品中[15]。

2.3 烷基化反应及应用
烷基化反应可以在甲壳素的羟基上(O-烷基化)，也可以在壳聚糖的氨基上进行( N-烷基化)，以N-烷基化较易发生。

一般是甲壳素碱与卤代烃或硫酸酯反应生成烷基化产物。

用不同碳链长度的卤代烷对壳聚糖进行改性，可制备乙基壳聚糖( E-CT S)，丁基壳聚糖(B-CTS)，辛基壳聚糖(O-CTS)和十六烷基壳聚糖(C-CTS)[17]。

壳聚糖的烷基化反应主要发生在C2上的-NH2上,C3、C6位的-OH上也可发生取代反应。

壳聚糖引入烷基后，CTS的分子间氢键被显著削弱，因此烷基化壳聚糖溶于水，但若引入的烷基链太长，则其衍生物会不完全溶于水，甚至不完全溶于酸性水溶液，如C-CTS。

烷基化壳聚糖可用于化妆品中，如双二羟正丙基壳聚糖能与阴离子洗涤剂相容，适用于洗发香波水；烷基化壳聚糖还可用于医学方面，如甲基化壳聚糖碘化物对草蓝无阳性菌具有很强的抗菌作用[18]；烷基化壳聚糖还具有良好的抗凝血性能[17]。

2.4 醚化反应及应用
与羧甲基反应类似，在甲壳素和壳聚糖羟基上形成相应的醚类衍生物。

甲壳素醚类衍生物经脱乙酰化反应后可得到壳聚糖类衍生物。

甲壳素与聚氧乙烯反应生成的醚化物具有良好的保水性能，几乎与透明质酸相当。

可使化妆品不发粘，保湿性好，用于护发品中，使头发具有自然光泽[19]。

6-O-羟乙基壳聚糖与O-CM-chitosan 作用类似，也能促进植物生长[12]。

用于化妆品中，能使化妆品不发粘，手感好，且保水性好[20]。

甲壳素在碱性条件下与N , N-二乙氨基氯乙烷反应，可制得6-O-二乙氨基乙基化甲壳素，该化合物具有高度的阳电离，可作为吸附剂、螯合剂，水溶性阳离子高聚物支持剂[21]。

壳聚糖的醚化物还可进一步进行衍生，生成新的衍生物。

2.5 酯化反应及应用
常见的酯化反应有硫酸酯化和磷酸酯化[22]。

用含氧无机酸作酯化剂，使甲壳素或壳聚糖中的羟基形成有机酯类衍生物。

硫酸酯化试剂主要有浓硫酸、SO2、SO3、氯磺酸等，反应一般为非均相反应，通常发生在C6位的-OH上。

硫酸酯化甲壳素或壳聚糖的结构与肝素相似，抗凝血性高于肝素而且没有副作用，还可制成人工透析膜。

甲壳素硫酸酯能明显的抑制动脉粥样硬化斑块的形成[23]。

浓度为4mg/mL、pH =5.4～6.4的N-羧丁基壳聚糖-3 ,6-二硫酸酯对体外培养的金黄色葡萄球菌、链球菌、奇异变形菌、大肠杆菌、浓绿杆菌、肺炎杆菌和柠檬酸细菌属有抑制作用。

壳聚糖与CS2和NaOH的水溶液在60℃下反应6h后再与丙酮反应，可得到N-黄原酸化壳聚糖钠盐[1]。

它是一种重金属去除剂，其水溶液可喷丝制壳聚糖纤维。

2.6 Shiff碱反应及应用
壳聚糖与醛酮进行Shiff碱反应，生成相应的醛酮亚胺多糖。

利用此反应，一方面可保护游离NH2，在羟基上引入其它基团[24]；另一方面再还原可得到相应的N-取代多糖。

这种还原物对水解反应不敏感，有聚两性电解质的性质[25]。

由简单的醛酮与壳聚糖反应得到N-烷基壳聚糖，这类衍生物对某些金属离子如Cu2+、Hg2+、Pb2+有特殊的螯合能力。

利用席夫碱反应可以把还原性碳水化合物作为支链连接到壳聚糖的N上，形成N-支链的水溶性产物。

乳糖与壳聚糖进行还原性烷基化反应，其产物的溶
液具有特殊的流变学性质[26]。

2.7 其它化学反应
接枝共聚反应：这是甲壳素和壳聚糖最有吸引力的化学改性之一。

乙烯基单体在甲壳素和壳聚糖上进行接枝聚合，可得到新型的特种合成多糖聚合物。

接枝共聚物在生物医学上具有很大的应用价值。

交联反应：壳聚糖与交联剂戊二醛发生交联反应是一种应用很多的交联改性方法，反应能在均相或非均相条件下，在较宽的pH值范围内于室温下迅速进行。

常用的交联剂还有环氧氯丙烷、环硫氯丙烷等。

另外，还能把壳聚糖用三氯乙酸酰化成光敏聚合物后在紫外光照射下交联。

交联作用可发生在同一直链的不同链节之间，也可发生在不同直链间。

交联壳聚糖是网状结构的高分子聚合物。

甲壳素或壳聚糖的化学改性除了以上所提到的外，还有水解反应、降解反应、成盐反应、螯合反应等。

3. 物理改性
3.1 聚电解质复合
壳聚糖是聚阳离子聚合物，在各种生物流体中可与酸性蛋白质形成聚电解质复合物[27]。

壳聚糖与葡糖胺多糖如硫酸软骨素和透明质酸可形成聚电解质复合物。

另外，将壳聚糖与水杨酸衍生物聚（4-N-甲基丙烯酸氨基苯甲酸）等摩尔浓度混合，也可制得聚电解质互聚物。

卵磷脂是细胞质膜中的重要成分，具有带正电荷的极性头部和两条长的烃链，因而兼有亲水性和疏水性。

将卵磷脂与壳聚糖复合成膜，可提高膜的拉伸强度。

将壳聚糖与明胶共混，同样可提高壳聚糖的力学性能。

3.2 小分子无机物填充
羟基磷灰石具有与人体骨组织中无机组成相同的化学组成—唾晶
体结构，是一种较为理想的骨替代材料，近年来广泛被用于生物材料的填充。

在兔体中进行壳聚糖羟基磷灰石自体硬化粥实验，证实复合物具有骨诱导特性[27]。

相似的效应在兔骨膜内损伤也有报道。

但壳聚糖使骨细胞增殖的机理还有待于进一步确认。

海藻酸钠是一种阴离子聚电解质，与CaCl2交联形成微囊，微囊外表面与聚-1-赖氨酸离子键合构成选择渗透膜，包埋同体或异体细胞（如胰岛和PC12 细胞）可治疗糖尿病等疾病。

另一项研究表明，壳聚糖与PAN/PVC 复合时可支持成纤维细胞的粘附和扩散。

海藻酸钠-壳聚糖-海藻酸钠作肝细胞包囊可治疗大鼠急性肝功能衰竭。

4. 结束语
经过化学和物理改性的甲壳素和壳聚糖，其溶解性提高，成膜性和纺丝性良好；随着改性的深入，其模塑加工性也将会有所改善，这都会扩大甲壳素材料的应用范围。

可以预见，甲壳素将有着广阔的应用前景。