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1、甲壳素和壳聚糖之所以具有重要的理论研究意义和商业价值，在于其分子结 构和组成的独特性，它是自然界唯一的碱性多糖，是地球上数量最大的含氮有机 化合物。甲壳素及其衍生物不但具有良好的生物相容性、低毒和生物降解性，还 具有许多生物医学功能和药物作用，壳聚糖被誉为人体所需的第六大生命要素。 许多甲壳素及其衍生物产品业已商业化，关于甲壳素壳聚糖的国际会议每两年 召开一次，关于甲壳素的国际性学术专刊“Advance in Chitin Science也于上世 纪九十年代创刊。甲壳素及其衍生物已经在生命科学、功能材料等领域形成了新 的研究和开发热点。甲壳素和壳聚糖具有较复杂的双螺旋结构，螺距为0. 515n
2、m,个螺旋平面由6个糖残基组成。甲壳素的结构单元是甲壳二糖，壳聚 糖的结构单元是壳二糖。甲壳素大分子链上分布着许多羟基，N.乙酰 氨基和氨基，它们形成各种分子内和分子问的氢键。甲壳素的结构由 于氢键类型不同而有三种结晶体：a甲壳素，由两条反向平行的糖 链组成，通常与矿物质沉积在一起形成坚硬的外壳，如虾蟹的外壳； B甲壳素由两条同向平行的糖链组成；Y甲壳素由三条糖链组成， 两条同向一条反向。B和Y甲壳素与胶原蛋白相联结，表现出一定 的硬度、柔韧性和流动性，具有与支承体不同的许多生理功能，如电 解质的控制和聚阴离子的运送等。壳聚糖也存在这样的三种结晶状 态。B甲壳素在6mol / L的盐酸中会转变
3、为a甲壳素，a甲壳素的 酰胺I带在1660cm- 和1630cm-1有特征吸收峰，而B甲壳素在 1630cm-1没有红外吸收峰，因而可用红外吸收光谱便捷的区分两者。 甲壳素中大分子具有稳定的晶体结构，且大分子间存在较强的 氢键。因而具有稳定的物理化学性质。常温下既不熔融，也不溶于水、 稀酸、稀碱和一般的有机溶剂，这给甲壳素产品的加工造成了不便。 目前所发现的甲壳素的溶剂主要有氯化锂/ N，N二甲基乙酰胺 （LiCl/蹦Ac）、氯化锂/N_甲基砒咯烷酮（LiCl/N姬）、四氧化二氮/N, N- 二甲基甲酰胺（N20/DMF）、六氟异丙醇/六氟丙醇、甲酸/二氯乙酸、 氯乙醇/硫酸、三氯乙酸/二氯乙
4、烷、甲烷磺酸和三氟醋酸等。最近日 本Tokura S.发现甲壳素在水合氯化钙的甲醇饱和溶液中具有良好的 溶解性阐。甲壳素在强酸（浓硫酸、浓盐酸和浓硝酸）中能够溶解，但 同时大分子长链会在连接结构单元的糖苷键处断裂，使相对分子量降 低。 壳聚糖大分子中大量的乙酰基被脱除，分子中大部分的氨基暴 露出来，氨基质子化后可溶于水，故其良溶剂主要为酸类“3：形成 弱的非牛顿型溶液的溶剂，溶液没有很清楚的黏度界限，如乙酸、柠 檬酸、甲酸、羟基乙酸、乳酸、马来酸、丙二酸、丙酮酸和酒石酸的 水溶液；形成的溶液具有一定的黏度界限，但又是非牛顿型溶液的 溶剂口2mol/L的二氯乙酸和10%的草酸；0. 041mol
5、/L的苯甲酸、0. 36mol / L的水杨酸和0. 052mol / L的对氨基苯磺酸，形成的壳聚糖 溶液初期黏度和溶解度较大，但总的溶解度较低：溶液的黏度取决 于壳聚糖浓度的溶剂，如N, N-二甲基甲酰胺、二甲亚砜、乙胺、甘 氨酸、甲胺、异丙胺、砒啶、水杨酸、三氯乙酸和尿素的水溶液以及 2mol / L的苯甲酸一乙醇。N-脱乙酰度和溶液的黏度（反映平均分子量） 是壳聚糖的两项主要性能指标。甲壳素、壳聚糖分子中由于含有一0H基、 讯基、吡喃环、氧桥 等功能基，其衍生化反应主要发生在这些基团上。如图1. 2所示。 1。通过化学改性可得到不同性质和功效的甲壳索和壳聚糖衍生物，从而 拓宽其应用范围
6、，提高其应用价值。 1. 1. 3. 1酰化反应 甲壳素和壳聚糖可与多种有机酸的衍生物如酸酐、酰卤等反应， 导入不同分子量的脂肪族或芳香族酰基，形成有机酸酯。这是甲壳素 和壳聚糖的化学反应中研究得最多的一类反应。根据反应的官能团不 同，甲壳素的酰化反应可分为胺基酰化（N_酰化）和羟基酰化（0_酰化） n03。酰化反应往往是既发生N-酰化又同时发生o_酰化，既发生c。一0H 的酰化又发生c。一oH的酰化。如果壳聚糖的C6-OH、G0H和c毗都 被酰化，则生成全酰化的甲壳素。酰化产物的生成与反应的溶剂、酰 化试剂的结构及催化剂等因素有关。壳聚糖要得到单一的o-酰化产 物，必须对一NH2基进行保护，
7、可用四种方法实施：先制备o甲壳 素衍生物再用碱脱去乙酰基；预先使壳聚糖的_N也基与醛反应生 成西佛碱，发生0_酰化后再用酸解除去保护基“”；利用金属离子 模板保护崛基，制备反应在cB-删上发生的o_酰化产物“3；引入 邻苯二甲酰基，一方面保护-NH2基，另一方面反应产物在有机溶剂中 可溶，通过该反应已制备出许多具有特殊功能的壳聚糖衍生物“3“1。 11-32含氧无机酸的酯化反应甲壳素和壳聚糖的硫酸酯的结构与肝素相似，也具有抗凝血功 能，设计壳聚糖硫酸酯的特定结构与分子量可制得抗凝血活性高于肝 素而没有副作用、价廉的肝素代用品。硫酸酯化试剂主要有：浓硫酸、 二氧化硫一三氧化硫、氯磺酸等，反应一般
8、在非均相条件下进行。壳 聚糖可同时在羟基和氨基上生成磺酸酯键，如果将壳聚糖的c6-删氧 化成羧基再进行硫酸酯化，可制得结构与肝素更接近的产物。甲壳素 用碱处理后再与二硫化碳反应，可生成黄原酸酯。壳聚糖加到CS。和 Na0H的水溶液中，60。C反应6h得到N_黄原酸化壳聚糖，是一种有效 的重金属去除剂。甲壳素和壳聚糖在甲磺酸中用跳处理，可得到磷 酸酯；用硝酸或含硝酸的混合酸进行硝化反应可得到硝酸酯，壳聚糖 的硝酸酯不稳定“。.1133醚化反应 甲壳素和壳聚糖的羟基可与烃基化试剂反应生成醚，如甲基醚、 乙基醚、苄基醚、羟乙基醚、氰乙基醚、羧甲基醚等，使之改善溶解性或赋 予另外的特性，开发新材料。甲
9、壳素的碱性溶液与环氧乙烷反应，得到水溶性的羟乙基化衍生物，反应过程中甲壳素同时发生脱乙 酰化哺，。壳聚糖在碱眭条件下羟基与环氧丙烷反应，在酸性条件下反 应发生在氨基上，羟丙基化壳聚糖具有水溶性可用于化妆品n。羧甲 基甲壳素是由碱化甲壳素与一氯乙酸反应得到，产物在日用化学品、 医药等方面具有广泛的应用前景。1. 1. 3. 4 N_衍生物甲壳素乙酰氨基N上的H在某些强烈条件下能发生取代反应。壳聚糖的氨基属于一级氨基，具有一对孤对电子亲核性很强，N上的 H较活泼，能发生N_酰化反应和N-烷基化反应“刀。壳聚糖与卤代烷 反应首先发生的是N烷基化“，与环氧衍生物的加成反应得到N-烷 基化衍生物“”。壳
10、聚糖在中性介质中很容易与芳香醛（或酮）、脂肪醛 反应生成西佛碱（SchifPs bases），这个反应一方面可用于保护氨基， 然后在羟基上进行各种反应，反应结束后可方便的脱去保护基；另一 方面有些特殊的醛形成的西佛碱经氰硼化钠还原可合成一些很有用 的N衍生物嘲。壳聚糖分子的每个糖残基上都有一个游离氨基，很 容易制成各种季铵盐。壳聚糖的季铵盐是在糖分子链上分布着许多季 铵基团，从一个糖残基来看是葡萄糖残基的砒喃环的G上存在一个 季铵基，而葡萄糖残基除CB外，其他的c都是不对称C原子。具有 不对称C原子的季铵盐可能具有特殊的生物活性，对不对称合成的相 转移催化反应有特殊作用（九）。羧酸酐在高温下能
11、与壳聚糖发生猛烈反 应形成州化衍生物，可用于壳聚糖的氨基保护便于进行o_衍生化 反应，同时有些N_衍生物对有些癌细胞有选择性聚合作用，有作为 抗癌新药的诱人前景，因而研究较多嗌，。1135接枝共聚 甲壳素和壳聚糖的接枝共聚合反应通过在甲壳素和壳聚糖的葡 胺糖单元上接枝乙烯基单体或其他单体来合成半聚合物多糖，将合成 聚合物的优异性能赋予甲壳素，因而成为甲壳素改性的一大热点。其 接枝共聚有化学法和辐射法两种，按反应机理可以分为自由基引发和 离子引发接枝。自由基引发接枝关键是产生自由基，目前甲壳素自由基接枝 共聚的引发体系有：氧化还原引发体系，主要是铈离子乜 “、三丁基硼烷。、过硫酸钾a捌和8。_F
12、e”汹1引发烯类单体如丙烯酸、 丙烯酸酯、丙稀酰胺、甲基丙烯酸甲酯和苯乙烯等接枝到糖残基上； 偶氮二异丁腈引发丙稀腈、甲基丙烯酸甲酯在壳聚糖氨基上接枝 跚1;辐射引发法，” co的Y射线和低压汞灯产生的紫外线可用于甲 壳素、壳聚糖的接枝共聚。” 1。离子引发接枝共聚研究较少，碘代甲 壳素分散在硝基苯中加入路易斯酸SnCI。与苯乙烯按阳离子接枝共聚 机理得到接枝共聚物-1;另一个例子是壳聚糖与非烯类单体的N羧 酸酐接枝共聚，可得到称之为多糖肽的新型接枝共聚物九。1. 1. 3. 6甲壳素和壳聚糖的降解反应71 由于低分子量的甲壳素和壳聚糖具有许多优异性能，特别是具有生物活性的甲壳素和壳聚糖的五九
13、糖在抑制肿瘤方面的特殊功能，使得甲壳低聚糖制备成为当今国内外研究开发的重点领域。甲壳低聚 糖主要用以下几种方法获得：合成法，主要有化学合成、利用糖基 转移法合成和利用转基因法合成；降解法，包括物理降解法（如超 声波和辐照法）、化学法（如H她、NaNQ及酸对壳聚糖实施降解，其 中1如降解产品已经商业化）和酶解法（用专一性壳聚糖酶或非专一 性酶如蛋白酶、纤维素酶、半纤维素酶和果胶酶等）。甲壳素和壳聚糖分子 中毹f-OH、一NH极性基团，具有较好的吸湿性、保湿性。壳聚糖吸湿性很强，仅次于甘油，比聚乙二醇、山梨 醇高。甲壳素、壳聚糖及其衍生物具有良好的生物相容性和生物降解 性，降解产物对人体无毒副作用
14、，体内不积蓄，无抗原免疫性：具有 抗菌杀菌、抗肿瘤作用；具有加快伤口愈合、促进组织修复及止血能 力，对受损伤的生物体能诱生特殊细胞加快创伤愈合；壳聚糖作为天 然抗酸剂，具有中和胃酸、抗溃疡作用，还可以降低肾病患者血清胆 固醇、尿素及肌酸水平“1。1. 1. 5甲壳素和壳聚糖的应用 甲壳素、壳聚糖由于其独特的分子结构，呈现出许多特殊的物理 化学性质和生物沂眭，在废水处理、食品工业、农业、轻工业、化妆品、化 学工业、医药工业及生物工程等方面得到了广泛应用。目前研究的热点为生物医用材料和功能材料。科学家已经尝试用甲壳素及其 衍生物制备外科手术缝合线、人工透析膜、医用微胶囊和药物缓释剂、 医用敷料、人
15、工皮肤、抗凝血剂和接触眼镜等，近年已有少量产品进 入临床实用阶段。甲壳素纤维纺织品不但具有抗菌防霉作用，同时还 具有良好的生物学效应。商业上已经将各种不同尺寸的甲壳素和壳聚 糖微球用于金属离子、尿激肽释放酶、尿激酶的吸附剂” 。甲壳素、壳 聚糖由于其独特的分子结构，呈现出许多特殊的物理化学性质和生物活性，聚氨酯是大分子主链中含有重复的氨基甲酸酯 链段的合成聚合物，广泛应用于各个领域。近年来以天然高聚物甲壳 素及其衍生物与合成高聚物聚氨酯制备综合性能优良的复合材料引 起了人们广泛的研究兴趣。122接枝共聚改性 甲壳素、壳聚糖与聚氨酯的接枝共聚物是以天然聚合物(多糖链) 为主链，以合成聚合物为侧链
16、的半合成聚合物，兼具天然聚合物和合 成聚合物的某些性质。Simone S. Silva等1研究了聚氨酯一壳聚糖接 枝共聚物。接枝共聚物的制各是分两步进行的：先将分子量为600 或1500的聚乙二醇(PEG)和异佛尔酮二异氰酸酯(IPI) I)按一NC0/一 oH摩尔比为1：1或1. 05： l缩聚反应制备聚氨酯预聚体。将壳聚糖分 散在D岍/冰乙酸混合溶剂中充分溶胀，加入到聚氨酯预聚体中于105 搅拌反应2h。所制各的接枝共聚物的取代度(Ds)为0, 12o. 59, IR和” CNMR结果表明蹦F /冰乙酸体积比为50 / 50是壳聚糖较好的溶 胀剂，在稀醋酸溶液中样品随DS的刚氐溶解性交差，但仍保持成膜 能力；随接枝度增加样品将形成凝胶或变为不溶。董岸杰等利用壳聚糖大分子链上盼一oH租叫吼基团与两性聚 氨酯s U)预聚体的端一Noo基团反应，将两性聚氨酯链接枝到壳聚 糖分子链上，为聚电解质及纳
