改性殼聚糖的研究進展及其應用前景

莊金娟，王香梅

（中北大學理學院，山西太原030051）

改性殼聚糖的研究進展及其應用前景

莊金娟，王香梅

（中北大學理學院，山西太原030051）

簡要綜述殼聚糖化學改性和衍生物的研究進展,討論了烷基化、酰基化、醚化、酯化、Shiff堿化、季銨鹽化及接枝共聚等化學改性方法,簡要介紹了改性殼聚糖在化妝品、醫學和環保方面的應用,展望了殼聚糖及其衍生物研究進展及應用前景,旨在為殼聚糖化學改性和衍生物的研究提供一定理論基礎。

殼聚糖;改性;衍生物

1 殼聚糖的改性

1.1 烷基化改性

殼聚糖分子上的氨基基團,攜帶一對孤對電子，烷基化反應可以在殼聚糖的氨基上進行（N-烷基化），生成相應的N-烷基化產物。用鹵代烷對殼聚糖改性，可以制備乙基殼聚糖，丁基殼聚糖，辛基殼聚糖和十六烷基殼聚糖等[1]。殼聚糖的烷基化反應主要發生在C2位的氨基上,C3、C6位的羥基上也可發生取代反應。

在殼聚糖烷基化反應中,經過改性的烷基化殼聚糖可以完全溶于水、甲醇、乙二醇、1,3-丁二醇、丙三醇，也部分溶解于氯乙醇、丙二醇中,在甲酰、N，N-二甲基甲酰胺、二甲亞砜等溶劑中溶脹。此外通過烷基化改性的殼聚糖，可以改善殼聚糖分子的機械性能及疏水性質。

1.2 酰基化改性

殼聚糖改性通常是指殼聚糖分子上的氨基基團和羥基基團，與酰氯、酸酐等有機酸衍生物發生反應，在大分子鏈上導入不同分子量的脂肪族或芳香族酰基，包括O-酰化生成酯以及N-酰化生成酰胺[2]。

在實現殼聚糖酰基化改性中，國內外有許多成功的例子。如在酸性溶液中以沉淀法制備了殼聚糖與Carbopol的高分子互聚物IPC。以此種IPC為基體,制得的茶堿藥片與廣泛使用的HPMC性能接近,可以持續、長期地釋放藥物,并且有良好pH依賴性；經乳化/內部凝膠作用制得藻酸鹽微球體，可有效地簡化操作,并最大限度地避免微球體內蛋白質的損失。

1.3 醚化改性

醚化改性通常是指殼聚糖與醚化試劑反應，生成羥烷基殼聚糖和羧烷基殼聚糖。如甲基醚、乙基醚、芐基醚、羥乙基醚、羥甲基等。醚殼聚糖與氯代烷基酸或乙醛酸反應，可以得到溶于水的羧烷基殼聚糖。研究最多的羧甲基化反應,可以得到O-羧甲基殼聚糖、N-羧甲基殼聚糖和O-N-羧甲基殼聚糖。董炎明等[3]采用堿殼聚糖方法合成的液晶性殼聚糖衍生物羥乙基殼聚糖具有不同摩爾醚化度。郭立民等[4]通過醚化途徑,制備殼聚糖的衍生物,得出了以異丙醇為介質對殼聚糖進行改性研究的最佳反應條件。

1.4 酯化改性

酯化改性通常是指用含氧無機酸作酯化劑,使殼聚糖中的羥基形成有機酯類衍生物。酯化產物包括無機酸酯和有機酸酯兩種。常見的酯化反應有硫酸酯化和磷酸酯化。殼聚糖與硫酸直接反應可得到其硫酸酯，具有好的抗凝活性。硫酸酯化試劑主要有濃硫酸、SO2、SO3、氯磺酸等；磷酸酯化反應一般是在甲磺酸中與殼聚糖反應。

1.5 shiff堿反應

shiff堿反應通常是指殼聚糖上的氨基與醛酮發生反應,生成相應的醛亞胺和酮亞胺多糖。此反應一方面可保護游離NH2,在氨基上引人其它基團；另一方面再還原可得到相應的一取代多糖。

1.6 殼聚糖季銨鹽化

殼聚糖季銨鹽化是指用縮水甘油三甲基氯化銨與殼聚糖反應,可在殼聚糖分子中引入季銨鹽基團,制得殼聚糖季銨鹽。由于在殼聚糖中引入位阻大、水合能力強的季按鹽基團，大大削弱了殼聚糖分子間的氫鍵，增大了殼聚糖衍生物的水溶性。殼聚糖季銨鹽除直接溶于水外，還能與某些有機溶劑以任意比例混合。

1.7 殼聚糖接枝共聚反應

殼聚糖接枝可以在——OH與——NH2兩個功能團上，自由基引發，通過雙官能團的醛、酸、環氧化物等進行分子內或分子間交聯,得到殼聚糖接枝共聚物。傳統的引發方法有氧化還原引發體系法、偶氮二異丁腈法、輻射引發法以及紫外線法等。目前殼聚糖的接枝共聚主要有與醇類接枝共聚,殼聚糖與酯類接枝共聚,殼聚糖與酸類接枝共聚,殼聚糖與酰胺類接枝共聚[5]。而研究最多的是殼聚糖與酸類的接枝共聚[6,7]。如殼聚糖與鄰苯二甲酸酐的接枝，采用“保護氨基-接枝反應-脫保護”的接枝路線。

2 改性殼聚糖的應用

2.1 改性殼聚糖在化妝品方面的應用

殼聚糖分子自身具有免疫性、抗菌性、創傷愈合性等良好的生物性能,而且具有良好的親水性、親蛋白性膜對皮膚無過敏、無刺激、無毒性反應，有抗菌活性，因此是化妝品工業上的優良添加劑。如用縮水甘油三甲胺鹵化物與殼聚糖反應所得到的陰離子聚合物,用于洗發香波水中,洗過的頭發易于梳理,柔滑[8]；3,4,5-三甲氧基苯甲酰甲殼素能吸收紫外線,可用于防曬護膚品的添加劑[9]；在化妝品中加入醚化殼聚糖可以起到潤滑、保濕和抗皮膚過敏[10]；O-CM-chitosan可作為保水劑代替透明質酸[11]；N-CM-chitosan可輔助抗皮膚過敏[17]。

2.2 改性殼聚糖在醫藥方面的應用

由于殼聚糖本身具有多種藥理功能，生物相容性，無免疫原性，無毒無味，可生物降解，降解產物一般對人體無毒副作用，在體內不積蓄，無免疫原性，抗潰瘍等藥理作用，甚至還可以啟動免疫功能。因此它最早被用在醫學方面。經過纖維二糖烷化修飾的殼聚糖，若不考慮二糖種類對其抗菌性能的影響，在取代度為30%～40%時，對Escherichia coli和Staphylococcusaureus細菌的抑制作用最強。烷基化殼聚糖還具有良好的抗凝血性能[9]；雙-乙酰化甲殼素具有良好的抗凝血性能[12]；甲酰化和乙酰化物的混合物可制成可吸收性手術縫合線、醫用無紡布；N-乙酰化甲殼素可模塑成型為硬性接觸透鏡，有較好的透氧性和促進傷口愈合的特性，能作為發炎和受傷眼睛的輔助治療；醚化殼聚糖能夠有效地誘導細胞毒性巨嗜細胞，抑制口腔細菌和抑制癌細胞的轉移等；羧甲基殼聚糖能抗心率失常。Khaled等[10]，以2,2-偶氮二-（2-甲基丙腈）（AMPN）為引發劑使甲基丙烯酸（MAA）與殼聚糖接枝共聚。產物通過在堿性介質中與表氯醇的反應,進一步制備交聯的殼聚糖/聚甲基丙烯酸接枝共聚物，顯示對Cu2+以及肝炎A病毒等的良好的吸附性能。

2.3 改性殼聚糖在環境保護方面的應用

殼聚糖分子中有游離氨基，是陽離子絮凝劑和高分于螯合劑，具有金屬絡合性，可使水中的懸浮物凝聚而沉降。改性殼聚糖類絮凝劑以其天然無毒、可生物降解、可再利用等優越性能在水處理和污泥處理中得到廣泛應用。如醚化殼聚糖可用于金屬離子的提取和回收，螯和過渡金屬離子和純化水等。大量研究表明,殼聚糖作為無機高分子絮凝劑具有沉降時間短,脫色效果好的優點。

2.4 改性殼聚糖在化工方面的應用

磷酸酯化衍生物有好的水溶性和耐熱性，有強的吸附重金屬離子的能力；用A-羥基苯甲醛與殼聚糖反應再經還原得到A-羥基-芐基殼聚糖,產物對Cu2+、Hg2+等有特殊的螯合能力[11]。酰化殼聚糖可制成多孔微粒用作分子篩或液相色譜載體,分離不同分子量的葡萄糖或氨基酸。乙醛酸和殼聚糖反應,產物經還原得到乙酸取代殼聚糖,具有很好的水溶性和流動性；利用殼聚糖氨基與醛基反應生成Schiff堿的性質，選擇分子結構中含有羧基、羥基等親水性基團的醛，可實現羧甲基化反應。羥丙基三甲基氯化胺與殼聚糖反應制得的殼聚糖季胺鹽,與椰油酰胺,甜菜堿的配位性良好,可用作陽離子表面活性劑。1989年Akira等[12]用低壓汞燈的輻射光引發MMA與甲殼素及氧化甲殼素的接枝反應,指出溶劑體系對接枝度有顯著影響。1994年Singh等[13]用γ-射線在水和甲醇中引發羥乙基丙烯酸酯接枝殼聚糖的反應,指出溶劑體系對接枝度有顯著影響。

3 結論與展望

基于殼聚糖分子中的羥基和氨基特征結構,可以多種方式對其進行物理和化學改性,烷基化、酰基化、醚化、酯化、Shiff堿化、季銨鹽化及接枝共聚等都是常用的改性方式。殼聚糖及其衍生物越來越受到人們的關注,也越來越得到廣泛的應用,在今后的研究中,應多引入新的反應原料,開發新的反應路線，要努力以殼聚糖為原料來生產新產品和改造老產品。

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10.3969/j.issn.1008-1267.2011.02.003

O631

A

1008-1267（2011）02-0007-05

殼聚糖是甲殼素脫乙酰化而得到的產物，它是一種無定形的半透明物質，無毒、無害、易生物降解，不污染環境，并具有良好的吸附性、成膜性、吸濕性等特性的環境友好型功能高分子材料。

雖然殼聚糖中含有游離的氨基，但是它只能溶于鹽酸、醋酸、乳酸、苯甲酸、甲酸等稀酸，而不能溶于水、堿溶液以及大多有機溶劑。這就大大限制了殼聚糖的應用。而基于殼聚糖中含有的——OH和——NH2具有一定的化學活性，可通過改性的方法，引入化學基團對其進行物理化學方面的改性。殼聚糖的改性技術主要是烷基化、酰基化、醚化、酯化、Shiff堿化、季銨鹽化及接枝共聚等方式。近年來殼聚糖的化學改性方面研究十分活躍，本文結合我們的研究工作，對殼聚糖改性及其衍生物的研究進展及應用前景進行了綜述。

2010-11-25

莊金娟（1984-），女，碩士研究生，從事功能高分子方面研究。