殼聚糖及其衍生物在生物醫學領域的應用研究進展*

陳 浩，秦曉飛，馮 昆

（遵義醫科大學珠海校區，廣東 珠海 519090）

甲殼素是自然界中僅次于纖維素的第二大生物活性多糖，不溶于有機溶劑，具有高度有序的結晶化結構及較低化學活性［1］。甲殼素最早由法國化學家Henri 于1811 年提出，源于希臘語單詞“chiton”，意為覆蓋、涵蓋之意，其基本單元是N- 乙酰氨基-D- 葡萄糖，由β-1，4糖苷鍵連接［2］。雖然在自然界中含量豐富，但水不溶性極大地限制了其應用。殼聚糖是甲殼素的脫乙酰化產物（常把脫乙酰度大于40%的甲殼素稱為殼聚糖，商業中售賣的殼聚糖脫乙酰化程度為70%～90%）［3］，具有良好的生物相容性、生物降解性、親水性、無毒無害性、抗氧化性及與離子、染料結合的性質，可作為抗菌劑、藥物載體、組織工程材料等廣泛使用。目前多數文獻側重于對殼聚糖單一的修飾或應用，關于殼聚糖的完整報道較少。在此對殼聚糖的來源、修飾改性、生物醫學應用進行總結，旨在為后續研究提供參考。

1 殼聚糖的來源

全球每年產生6 × 109～8 × 109kg 蝦蟹殼［4］，但利用并不充分，不僅造成了資源浪費，也帶來環境污染［5］。甲殼動物殼中甲殼素的含量為15%～40%［6］，如能得到充分利用，將帶來巨大的經濟效益和社會效益。

目前，關于自然界中直接獲得殼聚糖的報道較少，還有待發掘。漁業廢棄物蝦蟹殼、魚鱗等是目前殼聚糖的主要來源［1，7］，大多數昆蟲（如甲蟲、蝗蟲、蠶和食蟲）及真菌靈芝菌、植物唐菖蒲等中均含有甲殼素。近年來殼聚糖的各種生物來源及其表征方法見表1（表中，FT-IR 為傅里葉變換紅外光譜法，XRD 為X 射線衍射法，TGA為熱重分析法，DSC為差示掃描量熱法，DTA為差示熱分析法，SEM 為掃描電鏡法，EDS 為X 射線能譜分析法，NMR為核磁共振法）。

表1 殼聚糖的來源及表征方法Tab.1 Sources and characterization methods of chitosan

海產廢棄物利用率低，所致環境污染問題嚴重。利用海產廢棄物生產殼聚糖不僅能減少資源浪費，提高經濟效益，還能保護環境，是目前殼聚糖的主要來源［3］。此外，陸地甲殼動物的外骨骼、真菌及部分植物也是殼聚糖的重要來源，且不同來源的殼聚糖的理化性質不盡相同，應用方式也存在差異，更多的殼聚糖來源還有待發現。

2 殼聚糖的修飾改性

2.1 理論基礎

殼聚糖為線性陽離子多糖，呈白色片狀或粉末狀固體，無毒，不溶于普通有機溶劑。甲殼素脫乙酰化后使殼聚糖分子中含有游離的氨基，故殼聚糖能溶于酸性水溶液，且有陽離子特性，能與聚陽離子相互作用，形成聚電解質的配合物［8］。殼聚糖的脫乙酰化程度越高，分子鏈中氨基的質子化程度越高，溶解越容易，殼聚糖的相對分子質量越大，其聚合物鏈內和分子間氫鍵就越多，分子間相互糾纏，難以溶解［20］。殼聚糖中存在α，β 和γ 3種不同的晶體結構，與甲殼素的晶體結構相同。

盡管殼聚糖來源廣泛，但其自身固有理化性質也限制了對其的利用，故對其修飾改性必不可少［21］，殼聚糖獨特的結構為其修飾改性提供了豐富的思路。殼聚糖結構中存在3個活性基團：C—2位的氨基、C—3位的初級羥基和C—6位的次級羥基，初級羥基空間位阻較小可自由旋轉，而次級羥基空間位阻較大，不能轉動［20］。因此3 個活性基團的活躍順序為氨基> 初級羥基>次級羥基［22］。殼聚糖可在氨基和羥基上進行酰化、烷基化、羧化、四元化、接枝共聚等化學改性和物理改性。通過對殼聚糖進行物理化學修飾，以獲得具有更好的溶解度、生物相容性、抑菌活性及其他活性優異的衍生物，同時還能改善殼聚糖的熱穩定性、流變性和抗氧化性等。

2.2 常見方法

2.2.1 化學方法

酰化：殼聚糖的酰化是指殼聚糖與有機酸及其衍生物發生反應，在分子鏈上引入脂肪基團或芳香基團［23］。酰化是殼聚糖最常見的修飾方法，能破壞其分子內和分子間的氫鍵，降低結晶度，提高水溶性。與氨基發生酰化形成酰胺的反應稱為N-酰化，當C—2位存在保護基團時，酰化反應發生在C— 6 位的羥基上，這稱為O-酰化。O-酰化殼聚糖破壞了殼聚糖的氫鍵結構，提高了殼聚糖的脂溶性和疏水性，而使其可溶解于吡啶、氯仿等有機溶劑中［24］。O-酰化殼聚糖常見于高分子材料的薄膜中，可以提高材料的疏水性和穩定性。N- 酰化殼聚糖衍生物具有良好的生物相容性、抗凝血性和血液相容性，且不會引起機體的炎性反應［25］。N-酰化殼聚糖的溶解度取決于取代度和側鏈長度。研究表明，當取代度小于50%時，殼聚糖的取代度越大，溶解度也越大，且其側鏈越長，結晶度越高，溶解度越低［26］。N-酰化殼聚糖的溶解度較高，故可作為疏水性藥物的載體；結晶度較高，能提高纖維韌性和熱穩定性，故可用于制備聚氯乙烯纖維薄膜材料［25］。殼聚糖的酰化改性通常用來提高其溶解度，增加與材料結合的能力。

烷基化：原理與酰基化相同，均為破壞殼聚糖的氫鍵以提高其溶解度［27］。不同的是，烷基為疏水基團，其溶解度在引入過長的烷基時不增反減，表明殼聚糖烷基化衍生物的溶解度可通過調節烷基的長度來控制［28］。在殼聚糖的3 個活性位點中，C — 2 位的基團具有很強的親核孤對電子，因此更易發生N- 烷基化反應。WEI 等［29］設計并合成了一系列以6-O-氯代乙酰殼聚糖為原料的殼聚糖衍生物，發現隨著烷基鏈的延長，季銨鹽殼聚糖衍生物對真菌的抗菌性能下降。殼聚糖烷基化衍生物還能用于藥物傳遞載體材料和制備生物膜等。殼聚糖的N-烷基化反應，不僅改變了自身的溶解度，也改變了殼聚糖的活性。

羧化：主要利用氯代鏈烷酸或乙醛酸與殼聚糖基上C—2位的氨基或C—6位的羥基發生反應，生成含羧基的殼聚糖［30］，以此來提高殼聚糖的溶解性、保濕性和成膜性，擴大殼聚糖的應用范圍。目前，殼聚糖的羧化反應多以羧甲基化的形式進行。C—6位的羥基最易取代，其次是C — 3 位的羥基，難度最大的是C— 2 位的氨基。N- 羧甲基化、O- 羧甲基化或N，O- 羧甲基化殼聚糖可通過不同的反應條件和試劑制備［31］。O- 羧甲基化殼聚糖反應在一氯乙酸和氫氧化鈉的存在下，以異丙醇/ 水為溶劑，在室溫或冰浴中發生。N- 羧甲基化和N，O- 羧甲基化主要發生在溫度升高時。N-羧甲基化和N，N-羧甲基化可通過殼聚糖與乙醛酸反應，并使用氰基硼氫化鈉還原制備［32］。殼聚糖的羧化反應是大多數殼聚糖修飾的第一步，且較易發生，從而提高其活性。

四元化：殼聚糖中含游離氨基，故可制備為季銨鹽衍生物。殼聚糖季銨化的方法主要有直接季銨鹽取代法、N-烷基化法和環氧衍生物開環法，均是在氨基上引入具有較大的空間位阻及較強親水性的季銨鹽基團。因此，四元化的殼聚糖溶解度明顯提高［33］。季銨鹽殼聚糖衍生物還具有良好的生物相容性、生物降解性、抗菌性能、無毒性，以及優秀的黏附性能和穿透黏液層與上皮結合的能力，在生物醫學、能源等方面廣泛應用。

接枝共聚：殼聚糖分子中前述3個活性基團均可作為接枝反應位點，與酚類化合物、聚醚鏈、烷基鏈等結合后，引入相應基團［34］。當通過化學改性引入各種側鏈時，位點特異性的定量引入成為難點，而殼聚糖3 個位點的反應活性差異很小，反應產物的分離純化也很困難，限制了殼聚糖的應用［35］。因此，合適的反應試劑、溫和的反應條件和高效的分離方法已成為殼聚糖接枝改性的研究熱點。常用的引發劑有過硫酸鉀、過硫酸銨、硝酸鈰銨、硫酸亞鐵銨等。ORTIZ 等［36］以硝酸鈰銨為引發劑，制備了馬來酸瓊脂糖乙烯基接枝共聚物，提高了產物的含氮量。

其他：殼聚糖修飾改性的其他化學方法還有酯化、硫醇化、羥基烷基化、磺化等［37］。殼聚糖的改性均是圍繞殼聚糖的溶解度、與材料的結合能力、生物活性進行修飾，期望得到活性更高、應用范圍廣泛、安全無毒的殼聚糖衍生物。

2.2.2 物理方法

目前主要使用化學方法對殼聚糖改性，但隨著研究的深入，其物理改性方法也越發受到重視。例如，機械研磨可產生高度均勻的納米結構材料，可優化材料的力學性能［38］；輻照主要用于引發接枝共聚，比化學方法簡單，且無須催化劑的參與［39］；超聲可有效破壞多糖聚合物的分子間或分子內氫鍵，使得聚合物斷裂，分子量降低。物理改性過程中無有毒試劑參與，最大優勢是安全無毒。

2.2.3 酶法

酶法反應條件溫和，且能避免化學試劑的使用［40］。

3 殼聚糖及其衍生物的應用

3.1 抑菌劑

殼聚糖由于自身優秀的抗菌性能、來源廣、產率高等優勢，被認為是理想的抗菌材料。目前關于其糖抗菌機制［20］（圖1）有以下推論：1）作為螯合劑，選擇性地結合金屬離子，抑制微量元素和營養素的吸收，從而抑制毒素的產生和微生物的生長；2）活化結合細胞壁成分，使細菌因細胞壁分解而死亡；3）所帶正電荷能與帶負電荷的微生物細胞膜相互作用，導致細菌生物膜破裂，引發蛋白質等細胞成分外泄，導致細菌死亡；4）進入微生物細胞核中與DNA 相結合，干擾和抑制蛋白質的合成［20，41］。

圖1 殼聚糖的抑菌機制Fig.1 Antibacterial mechanism of chitosan

中性或堿性殼聚糖懸浮液的抑菌活性低于酸性殼聚糖溶液。殼聚糖的最佳抑菌pH 為6.0，且隨殼聚糖脫乙酰化程度的增加而增大［42］。與低分子殼聚糖一樣，高分子殼聚糖的抑菌活性也是由其分子側鏈在酸性溶液中氨基質子化和陽離子化而產生的，其長分子鏈有利于包覆和結合細菌，間接提高了抗菌活性，細菌首先被殼聚糖抑制，然后細胞壁逐漸斷裂和分解，導致細胞死亡［43］。殼聚糖中的電荷密度也是影響抗菌活性的關鍵因素，這和殼聚糖與細菌細胞膜脂質雙層電荷表面的強靜電作用有關［44］。YAN 等［45］制備的新型殼聚糖衍生物顯示出對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的良好抑菌活性，能破壞細胞膜的完整性，同時也證明殼聚糖能降低細胞表面的疏水性、細胞活力和細胞內蛋白表達。

殼聚糖及其衍生物抗菌活性好，被廣泛應用于制備抗菌材料、組織工程材料等。殼聚糖支架材料正是研究的熱點之一。殼聚糖及其衍生物因其抗菌活性也被制備為各種制劑如納米粒、薄膜、水凝膠、復合敷料等［46］。ALQAHTANI 等［47］用離子凝膠法制備了殼聚糖納米粒，表現出對淋球菌的抑菌活性，同時對HeLa細胞無明顯的細胞毒作用，具有治療淋病的潛力。

抗菌劑是目前殼聚糖應用的研究熱點之一（見表2）。關于殼聚糖抑菌劑的研究較多，但大多停留在實驗室階段，實際應用還有待進一步研究。

表2 殼聚糖及其衍生物的抑菌作用Tab.2 Antibacterial function of chitosan and its derivatives

3.2 藥物載體

利用最新的納米技術開發聚合物給藥系統在醫藥領域引起關注。殼聚糖是一種很有前途的天然聚合物［65］，可用于納米給藥系統。殼聚糖具有抑菌作用、殺菌作用、止血性、抗潰瘍、抗炎、抗氧化、抗糖尿病和神經保護作用，其結構與膠原相似，可用于模擬細胞外基質［66］。以殼聚糖為基礎的藥物遞送系統，可用于蛋白質/肽、生長因子、抗炎藥、抗生素、抗癌藥物、疫苗［67］等的傳遞，也可用于基因治療［68］。

殼聚糖的一個重要特點是其黏附力強，原因是聚合物鏈上帶正電荷的氨基與富含唾液酸和磺酸的帶負電荷的黏蛋白殘基之間的靜電相互作用［69］。殼聚糖基納米載體具有體積小、比表面積大、黏附性能好等優點，能促進藥物進入細胞，增強藥物穩定性，實現藥物的控釋、緩釋或降低藥物的細胞毒性［70-71］。殼聚糖無論是單用還是作為復合材料使用，均適合于制備不同類型的載藥制劑，如納米粒、水凝膠、復合材料、微球、創面材料等［72-73］，相關研究進展見表3。殼聚糖基藥物載體有緩釋控釋作用，間接提高了藥效，同時還具有靶向性及提高黏附能力的特性。

表3 殼聚糖載藥制劑研究進展Tab.3 Research progress of chitosan drug loaded preparations

3.3 組織工程材料

生物材料在組織工程中的研究越發深入。生物工程材料是在金屬或高分子材料的基礎上形成不同的結構，并能引起特定組織的特定反應，因此它們需要有良好的物理、生物和力學性能［96］。殼聚糖基材料不僅具有良好的生物相容性和生物可降解性，還具有能形成不同結構、與多種生物活性材料結合等優異性能，是理想的生物活性材料［97］。目前殼聚糖基組織工程材料主要應用于軟骨組織工程、骨組織工程、椎間盤組織工程、血管組織工程、角膜再生、皮膚組織工程、牙周組織工程等［98］。殼聚糖基組織工程材料在皮膚、血管、角膜、骨等組織和器官中的應用，預示著其在修復、固定和再生方面的應用前景。但相互作用過程機制研究較少，形成的復合物結構復雜程度不夠，還有待更深入的研究。

MAHARJAN 等［99］將再生纖維素納米纖維引入殼聚糖水凝膠制備了再生纖維/ 殼聚糖復合支架，結果表明，該支架有更高的抗壓強度，能增強前成骨細胞活性、附著能力和增殖能力，具有良好的成骨分化能力。SHAABANI 等［100］開發了一種新型親水性半導電殼聚糖衍生物，將其作為新型成骨劑，表現出良好的形狀記憶性能和形狀恢復率，有良好的自愈合價值。這些多功能工程材料均為組織工程中有廣泛應用前途的生物材料。

4 結語

甲殼素與殼聚糖在自然界中含量豐富，深受人們的關注。目前，殼聚糖的主要來源仍是海產廢棄物，如蝦蟹殼等。同時，人們也致力于開發殼聚糖的其他來源，如陸地甲殼動物的外骨骼、蠶繭及真菌和植物來源，但此部分研究有待進一步開展。殼聚糖的修飾改性主要以其溶解性、藥理活性、抑菌活性及與材料結合的能力作為改性方向，旨在擴大殼聚糖的應用范圍。殼聚糖作為抑菌劑、藥物載體和組織工程材料得到廣泛使用，但在生物醫學應用中的機制探索層次較淺，復雜程度較低，要實現實際應用還需更深入地研究。