壳聚糖改性研究与应用

壳聚糖改性研究与应用赵朝霞（1142032224）四川大学化学学院2011级本科摘要：甲壳素是一种天然多糖，脱除乙酰基的产物是壳聚糖，作为新型功能生物材料，它们已在水处理、日用化学品、生物工程和医药等领域得到了应用。本文综述了近年来关于壳聚糖改性研究进展，以及将其应用到医学、食品、化学工业等各个领域的概况，重点介绍了化学和物理修饰方法的应用研究。关键词：壳聚糖化学改性与修饰物理改性与修饰功能材料甲壳素的化学名称为(1，4)一2一乙酰氨基一2一脱氧一β—D—葡聚糖，它是通过β-1-4糖苷键相连的线性生物高分子，分子量从几十万到几百万。甲壳素脱除乙酰基后的产物是壳聚糖，其化学名称为(1，4)一2一氨基一2—脱氧—β一D—葡聚糖。甲壳素和壳聚糖具有与纤维素很相近的化学结构，它们的区别仅是在C位上的羟基分别被一个乙酰氨基和氨基所代替(如图）但它们的化学性质却有较大差别。甲壳素和壳聚糖具有生物降解性、细胞亲和性和生物效应等许多独特的性质，尤其是含有游离氨基的壳聚糖，是天然多糖中唯一的碱性多糖[1-4]。因此，它们已在废水处理、食品工业、纺织、化工、日用化学品、农业、生物工程和医药等方面得到应用。一、医药领域聚乳酸一羟基乙酸共聚物(PLGA)微粒广泛用于蛋白、多肽、核酸等生物大分子给药。由于PL-GA纳米微球表面缺乏可用于共价修饰的基团，所以难以在表面负载生物活性物质如DNA、配体和疫苗等，不易于通过受体或抗体进行靶向给药。因此，人们尝试用不同方法将PLGA表层包裹不同的聚合物以达到物理改性PLGA微球表面的目的。如阳离子表面修饰是基于PLGA表层负电荷而设计的，这种方式使PLGA的表面活化成为可能。将壳聚糖(CHS)选做纳米微球表面修饰材料是因为它具有阳离子电荷，生物可降解，黏膜黏附性等特性。阎晓霏等以溶菌酶为模型蛋白，将改性PLGA与溶菌酶通过化学键结合并以CHS修饰得到一种新型阳离子纳米微球，达到增大纳米微球的包封率、载药量并促进蛋白类药物吸收的目的[5]。壳聚糖在医药测定方面也有着十分积极的作用。Zhang等[6]首先制备了壳聚糖包覆的CdSe／ZrKS量子点作为Her2／neu基因小分子干扰RNA(smallinterferingRNA，siRNA)的载体。并通过跟踪量子点的荧光信号证实药物载体靶向传送到乳腺肿瘤细胞，利用荧光索酶和酶联免疫分析验证导入细胞的siRNA的基因沉默效应。钟文英[7]等壳聚糖包覆的Ccrre量子点为荧光探针，基于荧光猝灭法建立了吉米沙星定量测定方法。以壳聚糖为载体合成新型疏水色谱填料[8]，有效分离提纯枯草芽孢杆菌α一淀粉酶、鸡卵粘蛋白、AS1.398中性蛋白酶以及伪单孢杆菌脂肪酶[9]，以壳聚糖为载体的亲和吸附剂和壳聚糖固定化蛋白酶均具有广泛应用价值．壳聚糖羧甲基化后，与磷酸钙生成螯合物，它可促进骨骼的矿化，在医药上可作为成骨的促进剂[10]。二、化工领域武美霞[11]等以壳聚糖为络合剂、稳定剂或保护剂，通过简单的化学还原法制备了具有超小尺寸的非晶态NiB．CS催化剂，并且使活性组分Ni分散均匀。壳聚糖修饰炭黑负载Pt—Au催化剂，对原电极有相当好的物理极化学性质的改良作用。Sugunan[12]等认为，壳聚糖之所以能够捕获并起到稳定金纳米粒子的作用，一是由于两者之间存在静电作用；二是壳聚糖具有足够大的立体位阻效应，从而避免了金纳米粒子的聚集并能使金纳米粒子功能化。因此，可以认为，壳聚糖中的多个NH基团具有与金纳米粒子相结合的能力，使得金粒子在该聚合物表面具有良好的分散，不易发生团聚，金粒子粒径较小.陈伟等[13]也通过实验进一步证实了这一点。壳聚糖(CS)作为一种天然高分子，具有良好的生物相溶和降解性及无毒副作用，具有增色和固色作用。壳聚糖的糖残基在C2上有一个乙酸基或氨基，c3上有一个羟基，由于这些平伏键特殊结构，对具有一定离子半径的某些金属离子在一定的pH值下具有一定的鳌合作用，也可吸附溶液中一些带电荷的悬浮物和有机物等。刘静等[13]利用壳聚糖(CS)这些优势改性DSD-FBs，使其中的荧光活性组分同壳聚糖高分子链以共价键相连，改善其结构稳定性、水溶性以及纸张耐光性，为开发绿色无毒、生物相容性好的壳聚糖类环保型荧光增白剂产品奠定基础。壳聚糖作为一种新型功能单体已用于离子印迹技术中，它含有大量的氨基和羟基，可以同大多数过渡金属形成稳定的螯合物[14]。Li[15]等嗍将多孔硅胶与壳聚糖结合用于金属离子的测定；李诚等[16]将碳纳米管壳聚糖修饰电极测定cu2+，但将壳聚糖接枝到碳纳米管上，用于金属离子的分离富集则鲜有报道。杨潇等[17]通过酰胺化反应将壳聚糖接枝到碳纳米管面，以乙烯化壳聚糖(cs)为功能单体，乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA)为交联剂，偶氮二异丁腈为引发剂，在碳纳米管表面接枝一层Pb2+印迹聚合物。结合原子吸收光谱技术，建立Pb2+印迹一固相萃取分离富集方法，并用于废水中Pb2+的分离与检测。壳聚糖交联膜、共混膜还可用于乙二醇一水、异丙醇一水[18]、甲醇一甲基、n一丁基醚[19]、乙醇一水体系中的分离、浓缩。在酸性介质中，壳聚糖与乙醛酸反应生成席夫碱，再进行还原可得N一羧甲基化壳聚糖[20]。交联N一羧甲基壳聚糖可以从盐水中吸附微量的金属离子，比如从核废水中吸附放射性的60co和从饮用水中除去有毒污染物[21]。它还可以抑制Aspergillusflvuas和A.Parasiticus中的黄曲霉菌和真菌的繁殖[22]。三、农业领域农业上作为植物生长调节剂和新型生物农药。甲壳四、五、六聚糖含量大于80％，对多品种水果、蔬菜、粮食等作物进行大田试验，在抗病虫害和促进生长方面有显著作用．用分子量2000以下的壳聚糖溶液进行小麦、豌豆等拌种，可以防止地下霉菌对种子的危害，提高抗病能力，抗倒伏能力，增产可达10％～30％。除此之外，其作为土壤改良剂对于污染的土壤也具有很好的修复效果。壳聚糖是由甲壳素经脱乙酰基而得到的一种天然阳离子多糖。既可作为重金属离子的螯合剂和吸附剂，又可作为植物的抗菌剂，因此可用于重金属污染土壤修复[23]。有关结果表明，增施壳聚糖可提高土壤中铜、镉活性，二氧化钛则钝化了土壤中重金属的活性，其中纳米二氧化钛和试剂型二氧化钛的钝化效果差别不大[24]。三、生物医学在医学相关测定方面，蒋园园等[25]采用茜素(AR)掺杂石墨烯(CRG)、壳聚糖(cs)制备了AR／cRG—cs电极。该修饰电极在pH7．4的PBS中出现了一对可逆的氧化还原峰，阳极峰的峰电位为_0．573V，阴极峰峰电位为_0．652V。通过循环伏安法(cV)证明AR在电极上发生了两电子两质子的氧化还原可逆过程，电子传递速率K。为1．69s～。基于AR与人类端粒DNA相互作用导致的AR峰电流减弱及式量电位(∥)负移的电化学信号，建立了一种灵敏简便、重现性好、稳定性好的测定人类端粒DNA的电化学方法。在生物医学材料方面,壳聚糖(chitosan，CS)，由甲壳素经N一脱乙酰化处理后得到，是迄今为止发现的惟一一种天然碱性多糖，不仅生物相容性良好，可生物降解，降解产物安全无毒，具有广泛的抗菌、止血、止痛作用，而且还具有选择性促进表皮细胞生长的独特的生物活性[26]。因此，其在软骨组织、骨组织、皮肤组织等生物材料方面都有着很重要的地位[27]。然而，研究者在将壳聚糖移植到生物体内的研究中发现壳聚糖移植部位有炎性反应及小脓肿等形成。例如，张建湘等[28]将市售壳聚糖制备的壳聚糖钉固定兔胫骨近端截骨研究时发现，3周时壳聚糖移植处有软组织肿块形成。组织学观察发现壳聚糖钉周围以淋巴细胞、中性粒细胞和异物巨细胞为主的炎性反应存在，以及小脓肿形成，认为中性粒细胞和小脓肿的出现是由非特异性的异物、排斥反应所致。[1]RobertsGAF.ChitinChemistry.London:MacmillanPress,1992.72[2]ApplicationsofChitinandChitosan(ed.GoosenMFA).Lancaster,PA:TechnomicPublishing,1997.7[3]ChitinHandbook(eds.MuzzarelliRAA,PeterMG).Grottamare:AtecEdizioni,1997,193[4]蒋挺大，甲壳素.中国环境科学出版社，1996,216[5]阎晓霏、陈劲春，壳聚糖修饰的Lysozyme—PLGA阳离子纳米药物的制备与表征，北京化工大学学报（自然科学版），2010，37（2）：39[6]]TanWB，HuangN，ZhangY．Biomateral，2007，28l1565．[7]钟文英，王妍，黄斌，舒畅，壳聚糖包覆的CdTe量子点荧光猝灭法测定吉米沙星,光谱学与光谱分析,2012,32(6)：1570[8]SensoA，OliverosL．MinguillonC．ChitosanDerivatiresasChiralSelectorsBondedonAllylSilicaGel．JChromatogA，1999，839(1-2)：15[9]]ZHAOGuo—jttn．JIANGYongming，HUJiantetalSomePropertiesofChitosanMicrocapsules．JFunctionalPolym。1999，12(1)：65(Ch)．[10]MuzzarelliRAA，RamosV，StanicVtetalOsteo—genesisPromotedbyCalciumPhosphateN，NdicarboxymethylChitosan．CarbohydPolym，1998，36(4)：267．[11]武美霞、李伟、张明慧、陶克毅，壳聚糖修饰的NiB非晶态合金的制备及表征,物理化学学报，2011,27（40）：953[12]SUGUNANA，THANACHAYANONTC，DUTTAJ，HILBORNJG．Heavy·metalionsensorsusingchitosan-cappedgoldnanopaficles[J]．SciTechAdvMater，2005，6(3／4)：335[13]刘静，张光华,壳聚糖改性荧光增白剂的合成及光学性能研究.功能材料,2011,42(4):685[14]陈伟，廖卫平，金明善，索掌怀，壳聚糖修饰炭黑负载Pt-Au催化剂对甲醇氧化的电催化性能,燃料化学学报,2012,40(12):1459[15]]NAMSY，CHUNHJ，LeeYM．PervaporationSeparationofWater-isopropanolMixtureUsingCarboxymethylatedpoly(Vinylalcoh01)CompositeMembranes．JApplPolymSci，1999，72(2)：241[16]李诚,马美萍，曹建明.壳聚糖碳纳米管修饰电极测定痕量铜.广东微量元素科学,2008，15(11)：24[17]杨潇，张朝晖，张华斌，张明磊，胡宇芳，罗丽娟，聂丽华,基于壳聚糖修饰碳纳米管表面铅离子印迹材料的制备及其性能研究.分析化学.2011,39(1):34[18]NAMSY，CHUNHJ，LeeYM．PervaporationSeparationofWater-isopropanolMixtureUsingCarboxymethylatedpoly(Vinylalcoh01)CompositeMembranes．JApplPolymSci，1999，72(2)：241．[19]NamSY，LeeYM．PervaporationSeparationofMethanolMethylt-ButylEtherthroughChitosanCompositeMembraneModifiedwithSurlaetants．JMerabr口neSci，1999t157(1)：63[20]MuzzareUiRAA．TanfaniF，EmanueuilliM.Carbohydr．Res．