壳聚糖纳米复合材料的制备与性能

第1章 壳聚糖的结构、性质与应用 壳聚糖（chitosan，CS）是一种含氮碱性多糖，其被认为是一种非常有前途的可再生生物大分子多糖[1， 2]。壳聚糖是甲壳质（chitin）经过脱乙酰氨基得到的产物。甲壳质是地球上仅次于纤维素的第二大可再生资源，主要来源于节肢动物外壳、甲壳类动物外骨骼、昆虫和真菌细胞壁等。甲壳质于1811年由法国自然科学家H.Braconnot发现，当时他用水、乙醇和稀碱反复处理蘑菇，进而获得了一些纤维状白色残渣，并将其命名为fungine，意为真菌纤维素。1823年，法国科学家A.Odier从甲壳昆虫的翅鞘中分离出相同的物质，并将其命名为chitin。1859年，法国C.Rouget将甲壳质放在浓碱溶液中沸煮，所得产物可以溶解于有机酸溶液中。直至1894年，F.Hoppe-Seiler将这种脱掉了部分乙酰氨基的chitin命名为chitosan，即壳聚糖。 1.1 壳聚糖的结构 壳聚糖是甲壳质经过脱乙酰作用得到的。甲壳质是由N-乙酰-2-氨基-2-脱氧-D-葡萄糖以β-1， 4糖苷键形式连接而成的多糖。自然界中的甲壳质有三种结构，即α型、β型、γ型，其中*为常见的是α型。地球上每年甲壳质的生物合成量极高，可达到数十亿吨，它是产量仅次于纤维素的天然高分子化合物。一般而言，甲壳质的N-乙酰氨基脱去55%以上称为壳聚糖。壳聚糖是由氨基葡萄糖单元和N-乙酰氨基葡萄糖单元组成的，其结构式如图1.1所示。在结构上，壳聚糖是具有带正电荷天然氨基的代表性多糖，该氨基赋予壳聚糖在中性或生理pH下的阳离子特性。 图1.1 壳聚糖的结构式[3] 壳聚糖为氨基弱碱性多糖，这赋予了壳聚糖优异的生物相容性、生物可降解性和生物活性，壳聚糖广泛应用在药物释放载体、组织工程支架、可降解骨植入材料和组织修复敷料等领域[4]。壳聚糖分子中脱去乙酰氨基的链节数占所有链节数的百分比定义为壳聚糖N-脱乙酰度（degree of deacetylation，DD）。DD值是壳聚糖的重要性能参数。DD值在55%～70%定义为低脱乙酰度壳聚糖；DD值在70%～85%定义为中脱乙酰度壳聚糖；DD值在85%～95%定义为高脱乙酰度壳聚糖；DD值在95%～100%定义为超高脱乙酰度壳聚糖。 壳聚糖在发现初期并未受到研究者的关注，直至20世纪初期才出现了多种制备壳聚糖的方法，并清楚了壳聚糖的物理性质和化学性质，对其结构也有所了解[5]。1934年美国首次出现了有关壳聚糖的专利，1941年制备出了壳聚糖人工皮肤和手术缝合线。20世纪80～90年代是壳聚糖快速发展阶段，研究者针对壳聚糖的医疗保健作用进行了广泛的研究，发现了低聚壳聚糖的一系列新应用，进而推动了壳聚糖研究的进步。图1.2为1990～2020年每年发表的壳聚糖相关文章情况。1990年之后，随着日本、美国、中国在壳聚糖产品开发方面投入的增加，壳聚糖及其复合材料的研究取得了较大的进步，并伴随着大量研究成果的发表。近30年来，壳聚糖在环境领域和生物领域的应用取得了较多研究成果，如壳聚糖基吸附剂、壳聚糖基凝胶、壳聚糖基药物载体和壳聚糖基细胞支架等[6， 7]。 图1.2 1990～2020年每年发表的壳聚糖相关文章情况 1.2 壳聚糖的物理性质 壳聚糖是白色无定形、半透明粉末，相对密度为0.3，常温下稳定存在。因原料和制备方法的不同，壳聚糖的分子量从数万到数百万不等。壳聚糖不溶于水、碱溶液及绝大多数有机溶剂，具有良好的成膜性、吸附性、成纤性、吸湿性和保湿性。 壳聚糖分子内和分子间存在强烈的氢键作用，使得壳聚糖形成一定的结晶结构，导致其不溶于水、碱溶液及绝大多数有机溶剂。壳聚糖侧链上氨基的质子化会破坏壳聚糖分子间的氢键，故壳聚糖可溶于稀盐酸和硝酸等无机酸和大部分有机酸（如乙酸和丙烯酸），不溶于稀的硫酸和磷酸。壳聚糖加热不熔化，高温直接炭化。这给壳聚糖的加工成型带来困难，也限制了其广泛应用。壳聚糖溶液行为表现为弱的聚阳离子电解质。壳聚糖的主链在稀酸溶液中会慢慢降解，并伴随着分子量下降和黏度减小，所以壳聚糖溶液一般随用随配。 DD值决定了壳聚糖分子链上氨基的含量，故DD值必将影响壳聚糖稀酸溶液中带电基团和聚电解质电荷密度，从而影响壳聚糖的溶解性能。当DD值大于80%时，质子化氨基之间的静电排斥作用占主导地位，从而使壳聚糖分子链呈现舒展状态；随着浓度的增加，壳聚糖分子链显现出聚集的趋势（产生聚集的质量浓度约1g/L），这是因为残余的乙酰氨基之间形成疏水作用；当DD值小于50%时，乙酰氨基之间的疏水相互作用占主导地位[8]，不利于壳聚糖的溶解。 壳聚糖分子链上分布着许多羟基和氨基，还有少量N-乙酰氨基，这些官能团可形成分子内和分子间的氢键，正是这些氢键形成了壳聚糖的二级结构[5]。图1.3（a）为壳聚糖的一个糖残基的C3羟基与相邻的糖苷基（—O—）形成的分子内的氢键。另一种分子内氢键是由一个糖残基的C3羟基与同分子链相邻的糖残基呋喃环上氧原子形成的[图1.3（b）]。C3羟基还可以与相邻的壳聚糖分子链的糖苷基形成分子间的氢键[图1.3（c）]。此外，C2氨基和C6羟基也可以形成分子内和分子间的氢键。 壳聚糖氢键使得壳聚糖分子具有较高的规整性，在X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）分析中可观察到衍射峰。壳聚糖的结晶度与其DD值有很大关系，当DD值从74%增加到85%时，壳聚糖膜的衍射峰会依次变得尖锐，说明壳聚糖的结晶度增加。图1.4为DD值为91%的壳聚糖的XRD图谱。图中20°衍射峰即为壳聚糖氢键导致其分子链具有较高的规整性引起的。需要注意的是，壳聚糖的制备方法、DD值以及干燥方式等均会影响壳聚糖的聚集态结构，进而导致其XRD图谱产生一定差异性。 图1.3 壳聚糖分子内和分子间氢键 图1.4 DD值为91%的壳聚糖的XRD图谱 1.3 壳聚糖的化学性质 由于壳聚糖分子链上存在大量氨基和羟基，壳聚糖化学性质较活泼，可以发生多种化学反应，如烷基化、酰基化反应等。国内外已有详细介绍壳聚糖化学反应及改性的书籍，在此不再赘述。壳聚糖具有无毒性、生物相容性、生物降解性、生物活性和黏膜黏附性[9， 10]。壳聚糖可被酶（如溶菌酶和壳聚糖酶）降解，以获得寡糖和单糖，随后被人体吸收[11]。尽管壳聚糖具有独特的物理、化学和生物学特性，但其溶解度低且力学性能差，因此尚未在临床上得到广泛应用[12， 13]。为解决壳聚糖溶解度低和力学性能差的问题，研究者开发了多种改性壳聚糖的方法[14， 15]。基于其与功能蛋白的高亲和力和自组装能力，壳聚糖游离氨基和羟基可用于制备多种具有改善溶解性的壳聚糖衍生物[16， 17]。 1.螯合能力 壳聚糖与金属离子通过离子交换、吸附和螯合三种形式发生结合，形成壳聚糖-金属离子螯合物（chitosan-metal ion complex，CS-M）。CS-M具有以下特点：①CS-M中壳聚糖结构并未改变，但产物的性质发生改变，大都伴随颜色的变化（CS-Fe2+为黄棕色螯合物，CS-Zn2+为白色螯合物）；②壳聚糖不与碱金属或碱土金属发生螯合，基于该性质，壳聚糖可用于从碱金属或碱土金属离子的溶液中分离出其他金属离子；③pH、离子强度和阴离子类型影响CS-M的形成。 国内外研究者针对壳聚糖对金属离子的螯合特性展开了广泛的研究，获得了多种CS-M（M为Cu2+、Zn2+、Fe2+、Hg2+、Pb2+、Mn2+和Cd2+）的形貌和结晶特征[18-20]。现阶段CS-M的研究集中在CS-M结构、热力学参数、结晶特征及其在环境水处理领域的应用。 2.凝胶特性 壳聚糖水凝胶的形成过程是复杂的，它包括多种分子间的相互作用。壳聚糖水凝胶可通过控制壳聚糖的憎溶剂性和亲溶剂性来实现[21]。壳聚糖水凝胶主要由以下几个因素控制：①表面电荷密度，由中性化过程控制；②溶剂的介电常数，由溶剂的成分决定；③分子链上官能团类型及含量；④温度，影响引起物理交联的反应过程和扩散系数；⑤分子的移动能力，由分子构象、空间位阻和介质黏度决定。壳聚糖水凝胶的构建主要分为化学交联和物理交联两种方法。 化学交联构建壳聚糖水凝胶依靠的是改变壳聚糖氨基或酰氨基的状态，从而改变壳聚糖的水溶性[22， 23]。Guo等[24]用二醛类衍生物作为化学交联剂制备壳聚糖水凝胶，研究了水凝胶的动力学黏弹性与反应时间的关系，并由一系列的实验结果获得了水凝胶化所需的二醛类衍生物和壳聚糖的*低浓度。此外，Guo等还发现pH = 7时水凝胶化*快。戊二醛等其他醛类化合物也广泛用作化学交联剂来制备壳聚糖水凝胶。Roberts和Taylor[25]研究了不同酐对水凝胶化的影响，并发现随着乙酰化程度缓慢提高，壳聚糖的溶解性降低，当乙酰化程度达到70%时水凝胶形成。此外，壳聚糖浓度升高时，水凝胶化所需的乙酰化程度降低。 物理交联是构建壳聚糖水凝胶的另一种重要方法。利用壳聚糖与2-硫代乙二醇、丙烯酸、草酸和柠檬酸等相互作用可获得物理交联水凝胶。Rahman等[26]以丙烯酸为物理交联剂制备了丙烯酸-壳聚糖水凝胶，并探讨了该水凝胶的吸附行为。Chen等[27]以柠檬酸三钠为离子交联剂制备了壳聚糖水凝胶，并利用聚甲基丙烯酸（polymethacrylic acid，PMAA）进行包覆，从而获得了具有优良性能的药物载体。利用金属离子（Mo6+）或其他生物高分子（黄原胶和角叉胶）与壳聚糖之间的静电相互作用也可获得物理交联水凝胶[28-30]。 水凝胶形成机理尚不明确，有关水凝胶的众多研究都是经验性的，从而限制了其应用。Ladet等[31]采用多步间断法获得洋葱状壳聚糖水凝胶，并初步分析了中性化过程与水排出过程在水凝胶化中的作用，对中性化溶液浓度的影响也进行了初步的研究，为多层状水凝胶的获得奠定了基础。 3.生物相容性和生物活性 壳聚糖作为生物材料应用于生物医药领域时，必须首先考察其生物相容性，国内外已对壳聚糖进行了大量实验和毒理学研究。VandeVord等[32]将壳聚糖支架植入老鼠背部和腹部，并在1周、2周、4周、8周和12周时进行组织学评价和细胞免疫学反应研究。结果表明，壳聚糖支架的植入不存在炎症反应；中性粒细胞聚集在支架材料周围，并随植入时间的延长而逐渐消失；支架材料有非常低的细胞免疫反应。众多研究表明，壳聚糖无细胞毒性，未显示有遗传毒性和亚急性毒性，不溶血，不致癌，生物相容性良好。因此，壳聚糖在临床医学、医用生物材料和组织工程材料方面有广泛的应用。此外，壳聚糖不仅与人体的细胞和组织器官具有良好的生物相容性，其被人体吸收利用还表现出多种生物活性。众多研究表明，壳聚糖对心血管系统及免疫系统具有生物活性。 1.4 壳聚糖的应用 壳聚糖具有良好的生物相容性、生物降解性和良好的化学反应活性等，在生物医药领域作为组织工程材料和药物载体具有优异的表现[33-36]。壳聚糖已广泛用于各种生物医学和制药过程，如药物/基因/疫苗递送、组织工程、伤口愈合和化妆品的制造[37-39]。从壳聚糖成功开发的新型纳米医药材料已越来越多地见诸报道。这些新型纳米医药材料往往具有一个或多个以下特征[40， 41]：①生物相容性和与其他生物活性化合物的反应能力；②保护不稳定的药物分子免受强胃酸和血流反应；③黏附能力；④通过静电作用容易与阴离子生物大分子如DNA结合；⑤靶向给药。关于用于疾病治疗的壳聚糖纳米粒子系统及壳聚糖在生物学中的应用和评价也有报道[42， 43]。