天然多糖微球的制備及功能應用

喬亮智，杜開峰

（四川大學化學工程學院，四川成都 610065）

天然多糖微球為直徑一般在微米到毫米范圍，形狀為完美球或類球形態(tài)的功能材料，是一類重要的高附加值化工產(chǎn)品，可作為微反應器、微分離器、微結構單元等，應用于吸附分離、催化、組織工程、藥物緩控釋等領域，涉及人們生活的方方面面[1-4]。根據(jù)孔尺寸的區(qū)別，可分為微孔（<2nm）、介孔（2～50nm）、大孔（50～100nm）和超大孔微球（>100nm）；根據(jù)孔形貌的區(qū)別，可分為實心結構、核-殼結構、多層結構、空心結構等微球；根據(jù)孔分布的區(qū)別，可分為單孔、雙孔以及多級孔微球。相比于有機合成高分子微球和無機微球，天然多糖微球由于在材料性質(zhì)和性能兩方面的優(yōu)勢，備受科學家的關注和重視。在性質(zhì)上，天然多糖具有可完全生物降解、無毒性、生物相容性好、可再生等優(yōu)點，在可持續(xù)再生材料和醫(yī)藥領域具有得天獨厚的優(yōu)勢。在性能上，天然多糖單元不僅含有豐富的可改性基團如羥基、氨基等，同時微球三維網(wǎng)絡結構具有充足的負載空間去結合其他異質(zhì)功能組分，賦予其更加多樣化的功能[5]。近年來，隨著多種綠色多糖溶劑的開發(fā)，特別是離子液體和堿/脲溶解體系，極大地拓展了天然多糖材料中如纖維素、甲殼素、殼聚糖功能材料的應用[2,6-8]。

本文綜述了近年來天然多糖微球功能材料的研究新進展，首先介紹了兩種典型的多糖微球制備方法，然后著重介紹了多糖微球功能材料的構建策略以及在吸附分離、催化、組織工程與藥物釋放、能源轉(zhuǎn)化與儲存四個領域的應用進展，為進一步設計構建高性能多糖基微球功能材料提供參考和指導。

1 多糖微球的制備方法

目前，多糖微球的制備方法已有大量文獻報道，包括使用不同的溶劑體系、成形技術以及再生方法[9-11]，見圖1。通過改變微球合成過程中的工藝參數(shù)，例如纖維素種類、纖維素濃度、纖維素溶解體系、成球方法、再生浴等，可獲得具有不同粒徑和結構的多糖微球。這些方法主要的制備過程都包括溶解、成球和再生三個環(huán)節(jié)。其中，球形貌構筑最為關鍵的步驟在于成球環(huán)節(jié)，最為常見的兩種成球技術是滴定法和乳化法。

圖1 多糖微球制備技術路線

1.1 滴定法

滴定法被認為是最簡單的成球方法，制備的微球粒徑通常在毫米尺寸。在壓力或重力的作用下，多糖溶液從噴嘴中射出，在表面張力的作用下形成球型液滴，最后落入凝固浴中固化成型（圖2）。Kamal Mohamed等[12]采用NaOH/尿素作為纖維素溶劑，通過簡單的玻璃滴管滴定，制備出了粒徑在2～2.5mm的纖維素凝膠球，并且探究了ZnO濃度對纖維素凝膠球結構的影響。結果顯示，當ZnO質(zhì)量分數(shù)為0.1%～0.4%時，纖維素凝膠球表面產(chǎn)生褶皺結構；質(zhì)量分數(shù)上升到0.5%～2.0%時，纖維素球呈現(xiàn)出完美的球形和均勻的孔隙結構。Sescousse等[13]通過改變纖維素溶液濃度、凝膠時間、固化浴溫度以及滴定距離4個因素，可以實現(xiàn)纖維素材料形狀在扁平圓盤狀到球狀之間的調(diào)變。

圖2 滴定法制備微球

使用玻璃滴管或者注射器等儀器的滴定方法雖然操作簡單，成本低廉，但微球球形度差，整個過程生產(chǎn)效率低下，批次差較大。近幾年，隨著一些先進滴定技術的開發(fā)和應用，高度均一和球形度完美的纖維素球更加容易被大量制備。高壓靜電技術是通過溶液表面和收集器產(chǎn)生的靜電排斥力來大量生產(chǎn)尺寸均一顆粒或纖維的一種簡單連續(xù)技術。與上述所講的傳統(tǒng)滴定法相比，高壓靜電法可實現(xiàn)完全自動化，產(chǎn)量和規(guī)模更適用于工業(yè)化生產(chǎn)。同時，可以通過調(diào)節(jié)電壓、濃度以及滴定距離，制備不同粒徑的微球。Li等[14]采用高壓靜電技術制備了一系列高度均勻的纖維素/大豆分離蛋白復合微球，并探究了電壓和組分比例對微球的影響。結果顯示，當纖維素/大豆分離蛋白組分比例固定，隨著電壓從0增加到5kV，微球的粒徑逐漸從(1971±48)μm減小到(808±37)μm；當電壓不變，大豆分離蛋白的質(zhì)量分數(shù)從0增加到50%，復合微球的粒徑則從(1868±42)μm減小至(1006±63)μm。除此之外，采用高壓靜電技術制備其他多糖微球，如海藻酸鈉微球[15]、甲殼素微球[16]等也有報道。

液滴微流控技術是一種新興的微球制備技術。該技術通過在兩相界面張力、連續(xù)相剪切力和內(nèi)通道壓力的共同作用下，將分散相擠壓、斷裂，可以制備出單分散的微球。Dong等[17]采用聚焦式微流控芯片，液體石蠟和石油醚混合液作為連續(xù)相，成功地制備出高度單分散的殼聚糖微球（分散度為1.86%）。通過精細調(diào)節(jié)兩相流速和交聯(lián)時間，可以實現(xiàn)對殼聚糖微球粒徑和分布的精準控制[18]。隨著流速和交聯(lián)時間的增加，微球粒徑隨之減小。然而，這種技術最大的局限在于產(chǎn)量低，無法放大生產(chǎn)，目前僅處于實驗室研究階段。

1.2 乳化法

乳化法制備多糖微球是另一種比較常見的手段。將多糖溶液置于具有相反極性的溶劑中，經(jīng)過高速剪切力作用獲得穩(wěn)定的乳液，最后通過溶膠-凝膠轉(zhuǎn)化手段獲得多糖微球。相較于滴定法，乳化法由于具有更好的分散性，所得微球粒徑通常只有滴定法微球的1/10，在10～100μm范圍內(nèi)[9]。Luo等[19]采用NaOH/尿素溶液低溫溶解纖維素，液體石蠟作為油相，加入定量和表面活性劑Span80乳化一段時間后，鹽酸固化獲得纖維素凝膠球。通過改變工藝參數(shù)，包括分散相量（1%～10%）、油水比例[(3～10)∶1]和攪拌速度(200～1000r/min)，制備出粒徑5μm～1mm的再生纖維素微球。隨著分散相量、油水比例和攪拌速度的增加，微球粒徑迅速減小。過去幾年，本文作者課題組[20-23]也采用乳化法分別制備了高性能的纖維素微球、瓊脂糖微球、殼聚糖微球、甲殼素微球。乳化法制備多糖微球成型率高、形貌規(guī)則完整、易于放大生產(chǎn)，是目前工業(yè)上成熟度最高的技術。

傳統(tǒng)的乳化主要是通過機械攪拌進行乳液分散，由于攪拌分散剪切場不均勻，難以制備尺寸均一的乳液，導致再生得到的微球粒徑也不均勻，必須進行多次篩分，才能獲得均一的產(chǎn)品，不僅需要額外的分離設備和加工時間，也導致了原料和能源的浪費。建立均一的剪切場是獲得單分散微球的必要條件。以多孔膜為分散介質(zhì)取代傳統(tǒng)的攪拌分散進行乳化的方法，即膜乳化，逐漸開始占據(jù)乳化制球工藝的中心（圖3）。Ma等[24]采用該方法成功制備出平均直徑在108.4～385.4μm的瓊脂糖微球。其中，最佳優(yōu)化條件為瓊脂糖質(zhì)量分數(shù)3%、體積比為11∶1的液體石蠟與石油醚復合油相、膜乳化轉(zhuǎn)速11∶1，制備的瓊脂糖微球粒徑為220μm，其分散值達到0.76。同時，該技術具有較佳的重復性，批次差小，制備的不同批次微球仍具有相同的粒徑和分散值。

圖3 膜乳化法制備微球

值得一提的是，上述多糖微球的制備工藝，無論是滴定法還是乳化法，均需要經(jīng)過溶解、成形和再生3個必不可少的步驟，制備工藝較為繁瑣，且需要大量的試劑和能量消耗。針對這一問題，本文作者課題組[25]在大量實驗的基礎上，利用廉價的木漿竹纖維為基本原料，通過一段時間高碘酸鹽的強氧化作用，直接在高結晶度的竹纖維表面上自組裝形成多孔纖維素微球（圖4）。在氧化過程中，高結晶度的纖維素區(qū)逐漸轉(zhuǎn)化為無定形的纖維素鏈，并且伴隨著雙醛的生成。隨著“腌制”程度的逐漸加深，被氧化的纖維素鏈由于氫鍵作用逐漸聚集并且溶脹，經(jīng)過層層組裝形成微球。該工藝簡單，無需大量溶劑以及攪拌的使用，是一種有實際應用潛力的纖維素微球制備方法。

圖4 自組裝多孔纖維素微球形成示意圖和微球掃描電子顯微鏡圖[25]

2 多糖微球的功能化及應用

2.1 吸附分離

多糖微球作為吸附材料具有得天獨厚的優(yōu)勢，不僅含有大量的可改性位點為吸附配基提供錨點，還可通過與其他異質(zhì)組分雜化進一步提高吸附性能，均一的球形形貌也使得吸附劑易于組裝成吸附柱。本文作者課題組[26]利用碳酸鈣顆粒作為大孔致孔劑，瓊脂糖作為微/介孔致孔劑，成功制備了一種多級孔甲殼素微球（HCM），見圖5。相比于未制孔的微球（CM），HCM表面呈現(xiàn)出明顯的大孔結構，孔徑在0.3～1.0μm，同時微/介孔含量明顯提升，比表面積達到221.08m2/g，是CM的3.7倍。在這種多級孔結構中，大孔可以降低傳質(zhì)阻力，強化傳質(zhì)過程，提高吸附速率；而微/介孔則提供了大量的改性位點用于吸附配基的固定，提高吸附容量。其對Cu2+和Pb2+的最大吸附量分別達到197.35mg/g和574.70mg/g。在10min內(nèi)，對Cu2+和Pb2+的吸附量可以達到飽和吸附容量的80%以上。此外，本文作者課題組[22,27-28]也采用其他富含氨基、羧基等官能團的吸附配基以及異質(zhì)組分，如谷氨酸、威蘭膠、羥基磷灰石等對多糖微球改性或雜化，制備了高性能的重金屬離子纖維素、瓊脂糖微球吸附劑。

圖5 HCM微球的形貌及性能[26]

多糖具有良好的生物相容性，也是一種常用的生物分離介質(zhì)，如瓊脂糖微球、纖維素微球已有系列商品出現(xiàn)。本文作者課題組[23]利用雙乳化法成功制備了一種大孔纖維素色譜微球。制備過程分為兩次乳化過程。初次乳化促使油相在界面張力的作用下滲透進入纖維素溶液，兩者形成互相穿透的雙連續(xù)相；再將上述雙連續(xù)相進行二次乳化得到同時具有10～20nm的擴散孔和800～2000nm的雙孔纖維素微球。進一步交聯(lián)和改性后，成功得到一種陰離子蛋白質(zhì)吸附劑。相比于單乳化的微孔纖維素微球，雙乳化大孔纖維素微球的滲透性提升了7.9倍，對牛血紅蛋白動態(tài)吸附容量達到47.7mg/mL，優(yōu)于目前同類型商業(yè)的瓊脂糖微球，證實了這類新型纖維素微球能夠?qū)崿F(xiàn)對蛋白質(zhì)高容量和快速分離。

2.2 催化劑載體

催化劑作為工業(yè)生產(chǎn)，尤其是化工行業(yè)中最為重要的組成單元之一，在實際生產(chǎn)中往往面臨著過程損耗過大、回收率較低的問題。為了解決這個問題，人們常常將催化劑負載到固體基質(zhì)，以達到保護催化劑、提高催化劑回收率的目的。多糖微球是一種合適的催化劑固定基質(zhì)，微球內(nèi)部豐富的孔道為催化劑提供了充足的負載空間，促進催化劑充分而均勻地分散，并且作為“保護傘”阻止外界環(huán)境對催化劑的腐蝕和破壞，從而延長催化劑使用壽命。Nie等[29]以甲殼素微球為前體，通過炭化還原過程原位合成了一種Pd/TiO2碳纖維微球（PCTNCM）（圖6），用于易揮發(fā)有機物的光催化降解。實驗結果表明，PCTNCM即使經(jīng)過5次循環(huán)后，對甲苯和苯的有效降解率仍保持初始能力的90%以上，展現(xiàn)出優(yōu)異的再生和循環(huán)性能。同時，PCTNCM對甲苯和苯的降解率分別達到96.4%和91.7%，相應的降解產(chǎn)物CO2濃度在200min內(nèi)迅速增加到860μL/L和660μL/L。這種優(yōu)異的催化性能是由于甲殼素炭化的纖維微球能夠有效地分散Pd和TiO2納米顆粒，提供了更多的催化位點。

圖6 PCTNCM微球掃描電子顯微鏡圖及對甲苯和苯的循環(huán)降解能力[29]

酶是一種具有高特異性和高催化效率的生物催化劑。然而，游離酶的穩(wěn)定性通常比較差，在外界環(huán)境容易變性失活，導致催化活性降低，嚴重限制了酶在工業(yè)生產(chǎn)中的應用。固定化酶技術被認為是提高酶穩(wěn)定性和重復使用性最有效的手段之一。Liu等[30]以磁性Fe3O4/纖維素/殼聚糖復合水凝膠球為載體，采用戊二醛作為交聯(lián)劑，將葡萄糖氧化酶（GOx）固定在復合水凝膠球上。結果表明，在這種固定化酶的催化下，91.5%的葡萄糖僅在4h內(nèi)就完全轉(zhuǎn)化，在15次使用后仍保持初始活性的84.2%。同時，該酶催化劑在50℃加熱28h后仍保持著初始活性的63%，可使用pH范圍擴展到4～7，在2℃存儲兩個月仍保持著80%的活性，展現(xiàn)出更高的熱穩(wěn)定性、更寬泛的pH使用范圍以及更長的存儲穩(wěn)定性。

2.3 組織工程與藥物釋放

組織工程支架可以模擬細胞微環(huán)境、提供細胞生存空間及必需物質(zhì)。隨著細胞治療和細胞藥物的發(fā)展，支持大規(guī)模細胞培養(yǎng)的組織工程支架備受學界和產(chǎn)業(yè)界的關注與重視。多糖微球不僅具有良好的生物和細胞相容性及理想的3D球型結構，而且微球的多孔結構為細胞所需的營養(yǎng)物質(zhì)和產(chǎn)生的廢物提供了寬闊的交換通道，被認為是組織工程支架最具潛力的生物材料之一[31-32]。

Duan等[11]采用“自下而上”的策略成功制備了一種納米纖維甲殼素微球。制備過程中，通過控制熱誘導溫度和其他工藝參數(shù)，可以調(diào)控微球孔道在26～55nm和3～130μm范圍變化。他們進一步將磁性Fe3O4復合到甲殼素微球，成功制備了磁性甲殼素微球（MNCM）細胞支架。細胞培養(yǎng)實驗證明（圖7），L02細胞在MNCM能夠生存、生長和迅速增殖，并且牢牢地黏附在微球孔道中。微球的大孔結構不僅為細胞提供增殖空間，而且可以促進細胞與外界交換，為細胞提供必須的營養(yǎng)物質(zhì)以及排出產(chǎn)生的廢物。Su等[33]采用小粒徑殼聚糖微球作為致孔劑制備了一種大孔甲殼素微球，大孔的孔徑可以通過改變殼聚糖微球模板粒徑實現(xiàn)調(diào)控。這種大孔甲殼素微球可以作為猴纖維細胞、人肝細胞、甚至人干細胞的生長支架，并且干細胞仍然保持了它們的3D結構和多譜系分化能力。

圖7 L02細胞在MNCM以及純甲殼素微球上的掃描電子顯微鏡圖[11]

有效避免藥物在體內(nèi)傳輸過程中的損失，使得藥物安全到達作用部位，是提高藥效、降低藥物副作用的重要手段。纖維素微球作為藥物緩釋控釋載體已經(jīng)有大量報道。隨著pH的改變，纖維素會發(fā)生“溶脹→退脹”行為的轉(zhuǎn)變，利用該性質(zhì)可以控制負載在纖維素微球上藥物的釋放時間和作用部位[34]。Trygg等[35]通過控制TEMPO/NaClO2/NaClO氧化纖維素球的溫度獲得一種陰離子纖維素球，作為鹽酸雷尼替丁的負載和緩釋基體。結果顯示，復合纖維素球在胃腸道模擬環(huán)境中表現(xiàn)出持續(xù)可控的釋放行為，但不同氧化溫度得到的混合纖維素球釋放藥物的程度不同。此外，Agarwal等[36]制備了一種海藻酸鈣與纖維素復合球，用于結腸靶向藥物釋放。即使處于結腸酶環(huán)境中，該復合球仍可以釋放90%的5-fluorouracil（抗癌藥）。

2.4 能源轉(zhuǎn)化與儲存

碳基超級電容器可以通過電極材料與電解質(zhì)離子的靜電反應儲存電荷，由于其低密度、高功率密度、快速的充電/放電行為以及較長的循環(huán)壽命，被認為是最有潛力的能源存儲設備。理想的超級電容器材料應該具有多級孔結構和高的比表面積。一方面，較大的孔道（大孔和介孔）可以促進電解質(zhì)的快速傳輸；另一方面，高的比表面積提供了充足的離子交換位點，提高電容器的電容和倍率性能。多糖微球3D多孔結構有益于電解質(zhì)的滲透以及電子交換，同時含有的N、S等雜元素可以進一步提高比電容[38]，被認為是理想的碳基電容器材料之一。Duan等[37]以甲殼素微球作為前體，通過在氬氣氛圍中高溫熱解獲得N原子摻雜的碳基微球（NCM），如圖8。隨著掃描速率從1000mV/s增加到10000mV/s，NCM仍展現(xiàn)出近乎矩形的循環(huán)伏安曲線；質(zhì)量比電容達到110F/g，電荷傳遞電阻僅0.47Ω，能量密度最高達到5.8W·h/kg；經(jīng)過10000次循環(huán)后，仍保持著超過96%的電容量，證明了NCM優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)性能。這種優(yōu)異的性能主要是由于NCM特有的高比表面積互聯(lián)貫通結構促進了電解液的滲透和電子的傳輸。

圖8 NCM的性能[37]

Xu等[39]成功制備了一種多級N/S摻雜的纖維素碳微球鈉離子電池陽極材料。首先將纖維素低溫溶解于NaOH/尿素溶液中，加入聚苯胺獲得纖維素/聚苯胺混合溶液，隨后通過乳化制備出纖維素/聚苯胺復合微球；微球成型后，加入十二烷基苯磺酸作為S原子來源；最后通過炭化獲得N/S摻雜的碳微球（NSC-SP）。實驗結果表明，N/S摻雜造成的擴張?zhí)紝娱g距、缺陷和N/S異質(zhì)原子協(xié)同促進了鈉離子的擴散，增強了材料的電導率，提高了微球的儲鈉速率。值得注意的是，NSC-SP即使在10A/g的高電流密度下，電容量仍然達到130mA·h/g，優(yōu)于過去所報道的鈉離子電池材料。此外，在500A/g的電流密度下循環(huán)3400次后，電容量幾乎保持不變，證明了NSC-SP的循環(huán)穩(wěn)定性。

3 結語

多糖微球源于其自身獨特的性質(zhì)和結構，在吸附分離、催化、組織工程、藥物負載以及能源轉(zhuǎn)化與儲存等領域都展現(xiàn)出巨大的應用潛力。多糖微球可以通過表面基團的改性制備出高效吸附分離介質(zhì)，其多孔結構可以負載藥物作為緩釋膠囊，或者作為固定載體有效地分散和保護催化劑；此外，多糖微球也可以作為碳前體制備高性能電極電容材料。未來多糖微球的發(fā)展和應用還需重點關注以下兩個方面。第一，粒徑均一多糖微球的規(guī)模化制備。微球的均一性決定了其附加值，也是其獲得成功應用的質(zhì)量保證。然而，目前工業(yè)上使用的傳統(tǒng)乳化技術由于剪切場的不均勻性，造成微球粒徑分散度大，微球的均一性較差。膜乳化被認為是一種有潛力取代傳統(tǒng)乳化的技術，未來可通過調(diào)控膜的機械強度、表面性質(zhì)以及膜微結構，制備出適合多糖微球乳化的膜介質(zhì)。第二，多糖微球孔結構的可控制備。多糖微球的孔結構，包括孔尺寸、形貌以及分布，對其應用有著至關重要的影響。未來還需要深入系統(tǒng)地研究與乳液結構相關的界面科學，以構建多樣化的模板，用于設計不同孔結構的多糖微球材料，相關研究結果將為多糖微球的可控構建和應用提供新思路和指導。