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1、甲壳素和壳聚糖的改性及其应用 1. 前言 1811 年法国人于大自然中最早发现了甲壳素之后于1859 年又发现了甲壳素的脱乙酰基产物壳聚糖一种唯一的碱性天然多糖。它是许多低等动物特别是节肢动物,如虾、蟹等,外壳的重要成分同时也存在于低等植物如真菌的细胞壁中 1分布十分广泛。自然界每年生物合成的甲壳素多达数十亿吨是一种十分丰富的自然资源。 甲壳素,chitin,化学命名为 - (1?4) -2- 乙酰氨基 -2- 脱氧 -D- 葡萄糖。壳聚糖,chitosan,是甲壳素的脱乙酰基产物也叫脱乙酰甲壳素简称,CTS,。它们的结构式分别为: 甲壳素结构与纤维素类似分子中含有 H - OH 和 H -
2、NH 键还含有分子间氢键。甲壳素的这种有序的大分子结构在一般的溶剂中不容易溶解。壳聚糖的分子结构中含有游离氨基溶解性能有了一些改观但也只能溶于某些稀酸如盐酸、醋酸、乳酸、苯甲酸、甲酸等不溶于水及碱溶液。甲壳素与壳聚糖无毒无害易于生物降解不污染环境而且在自然界中含量仅次于纤维素并以相同的循环速率产生和消失。近年来国内外学者应用各种方法对甲壳素或壳聚糖进行改性以开发其潜在的应用价值拓宽了壳聚糖及其衍生物的应用领域。甲壳素和壳聚糖的改性按方法分为物理改性和化学改性。 2. 化学改性 2.1 酰化反应及应用 在甲壳素和壳聚糖的化学改性中酰化改性是研究得较多的。甲壳素和壳聚糖 通过与酰氯或酸酐反应在大分
3、子链上导入不同分子量的脂肪族或芳香族酰基所得的产物在有机溶剂中的溶解度可大大提高。酰化反应可在羟基(O-酰化)或氨基(N- 2。酰化产物的生成与反应溶剂、酰基结构、催化剂种类和反应温度有酰化)上进行 关。最早是用干燥氯化氢饱和的乙酐对甲壳素及壳聚糖进行乙酰化的。这种反应较 1慢而且甲壳素的降解产物很多。现在有在甲磺酸中进行的酰化反应的报道如用 4 份甲磺酸和 6 份乙酸酐与 1 份甲壳素在均相中的反应,4 份甲磺酸、6 分冰醋酸和计算量的乙酸酐与 1 份甲壳素在非均相中的反应。酰化甲壳素及其衍生物中的酰基破坏了甲壳素及其衍生物大分子间的氢键改变了它们的晶态结构提高了甲壳素材料的溶解性。如高取代
4、的苯甲酰化甲壳素溶于苯甲醇、二甲基亚砜,高取代的己酰化、癸酰化、十二酰化甲壳素可溶于苯、苯酚、四氢呋喃、二氯甲烷。除此之外酰化 3甲壳素及其衍生物的成型加工性也大大改善了。酰化甲壳素可应用于化妆品方面 4如 3 ,4 ,5 -三甲氧基苯甲酰甲壳素能吸收紫外线可用于防晒护肤品的添加剂。还可应用于环境分析方面如酰化壳聚糖可制成多孔微粒用作分子筛或液相色谱载 5体分离不同分子量的葡萄糖或氨基酸,还可制成胶状物用于酶的固定和凝胶色 46谱载体。应用于医药方面如双-乙酰化甲壳素具有良好的抗凝血性能,甲酰化 7和乙酰化物的混合物可制成可吸收性手术缝合线、医用无纺布,N -乙酰化甲壳素可模塑成型为硬性接触透
5、镜有较好的透氧性和促进伤口愈合的特性能作为发炎 5和受伤眼睛的辅助治疗。 2.2 羧基化反应及应用 羧基化反应是指用氯代烷酸或乙醛酸在甲壳素或壳聚糖的 6-羟基或胺基上引入羧烷基基团研究最多的是羧甲基化反应, 其相应的产物为羧甲基甲壳素(CM - chitin)、O-羧甲基壳聚糖(O-CM-chitosan)、N-羧甲基壳聚糖(N-CM-chitosan)和O,N -羧甲基壳聚糖(O,N-CM-chitosan)这是一类很重要的衍生物。R.Muzzarelli对它们的制备方法及应用作了较全面的综述。将甲壳素在冷冻下用十二烷基硫酸钠(SDS) 8碱化后悬浮于异丙醇中室温下与氯乙酸反应而得到 CM
6、-chitin。若在30 ?左 92+右进行碱化反应则得到 O-CM-chitosan。CM-chitin 能吸附 Ca对碱土金属离子 10也有吸附作用可用于金属离子的提取和回收,在医药上可作为免疫辅助剂能 11有效地诱导细胞毒性巨噬细胞,用于化妆品中能使化妆品具有润滑作用和持续的 保温作用还能使化妆品的贮藏性能、稳定性能良好。O-CM-chitosan 的保水性能很好几乎可与透明质酸相当可作为保水剂应用于化妆品中取代透明质酸。 12O-CM-chitos an 在农业上用于抑制甲壳素酶和壳聚糖酶的活性促进植物的生长。N-CM-chitos an 是通过壳聚糖与乙醛酸反应形成可溶性酰亚胺再用N
7、aBHC N 还原 3 1310而得到。N -CM-chitosan 能螯合过渡金属离子也可用于化妆品中可辅佐抗皮肤过敏,具有很好的保温性能和稳定性能还具有抑菌性对口腔细菌特别有效10。O , N-CM -chitosan (简称 NOCC) 是通过壳聚糖悬浮于异丙醇中加 NaOH 搅拌使 14其膨胀再与氯乙酸反应加热后即得 NOCC。R. Muzzarelli 则通过先制成 15O-CM-chitosan再与乙醛酸反应而得到。NOCC 能溶于 pH = 2，6 范围之外的溶液 4+中NOCC 与碱土金属离子和 NH 形成的盐是水溶性的,与重金属和大分子有机阳离子络合反应形成沉淀利用此特性可用
8、来纯化水。NOCC 在水溶液中易形成牢固膜此 15膜对气体有选择渗透性适合于作食品保藏剂。NOCC 与双醛试剂交联形成凝胶 1615可作创可贴、止血剂。NOCC 具有阳离子性质可用于化妆品中。 2.3 烷基化反应及应用 烷基化反应可以在甲壳素的羟基上(O-烷基化)也可以在壳聚糖的氨基上进行( N-烷基化)以 N-烷基化较易发生。一般是甲壳素碱与卤代烃或硫酸酯反应生成烷基化产物。用不同碳链长度的卤代烷对壳聚糖进行改性可制备乙基壳聚糖( E-CT 17S)丁基壳聚糖(B-CTS)辛基壳聚糖(O-CTS)和十六烷基壳聚糖(C-CTS)。壳聚糖的烷基化反应主要发生在 C 上的-NH 上,C、C 位的-
9、OH 上也可发生取代反应。壳聚糖 2236 引入烷基后CTS 的分子间氢键被显著削弱因此烷基化壳聚糖溶于水但若引入的烷基链太长则其衍生物会不完全溶于水甚至不完全溶于酸性水溶液如C-CTS。烷基化壳聚糖可用于化妆品中如双二羟正丙基壳聚糖能与阴离子洗涤剂相容适用于洗发香波水,烷基化壳聚糖还可用于医学方面如甲基化壳聚糖碘化物对草蓝 1817无阳性菌具有很强的抗菌作用,烷基化壳聚糖还具有良好的抗凝血性能。 2.4 醚化反应及应用 与羧甲基反应类似在甲壳素和壳聚糖羟基上形成相应的醚类衍生物。甲壳素醚类衍生物经脱乙酰化反应后可得到壳聚糖类衍生物。甲壳素与聚氧乙烯反应生成的醚化物具有良好的保水性能几乎与透明
10、质酸相当。可使化妆品不发粘保湿性 19。6-O-羟乙基壳聚糖与 O-CM-chitosan 作好用于护发品中使头发具有自然光泽 12用类似也能促进植物生长。用于化妆品中能使化妆品不发粘手感好且保 20水性好。甲壳素在碱性条件下与 N , N-二乙氨基氯乙烷反应可制得 6-O-二乙氨基乙基化甲壳素该化合物具有高度的阳电离可作为吸附剂、螯合剂水溶性阳 21离子高聚物支持剂。壳聚糖的醚化物还可进一步进行衍生生成新的衍生物。 2.5 酯化反应及应用 22常见的酯化反应有硫酸酯化和磷酸酯化。用含氧无机酸作酯化剂使甲壳素或壳聚糖中的羟基形成有机酯类衍生物。硫酸酯化试剂主要有浓硫酸、SO、SO、氯 23 磺
11、酸等反应一般为非均相反应通常发生在 C 位的-OH 上。硫酸酯化甲壳素或壳聚 6 糖的结构与肝素相似抗凝血性高于肝素而且没有副作用还可制成人工透析膜。 23甲壳素硫酸酯能明显的抑制动脉粥样硬化斑块的形成。浓度为 4mg/mL、pH =5.4，6.4 的 N-羧丁基壳聚糖-3 ,6-二硫酸酯对体外培养的金黄色葡萄球菌、链球菌、奇异变形菌、大肠杆菌、浓绿杆菌、肺炎杆菌和柠檬酸细菌属有抑制作用。壳聚糖与 CS2 1和 NaOH 的水溶液在 60?下反应 6h 后再与丙酮反应可得到 N-黄原酸化壳聚糖钠盐。它是一种重金属去除剂其水溶液可喷丝制壳聚糖纤维。 2.6 Shiff 碱反应及应用 壳聚糖与醛酮
12、进行 Shiff 碱反应生成相应的醛酮亚胺多糖。利用此反应一方 24面可保护游离 NH在羟基上引入其它基团,另一方面再还原可得到相应的N-取代 2 25多糖。这种还原物对水解反应不敏感有聚两性电解质的性质。由简单的醛酮与 2+2+2+壳聚糖反应得到 N-烷基壳聚糖这类衍生物对某些金属离子如 Cu、Hg、Pb 有特殊的螯合能力。利用席夫碱反应可以把还原性碳水化合物作为支链连接到壳聚糖的 N 上形成 N-支链的水溶性产物。乳糖与壳聚糖进行还原性烷基化反应其产物的溶 26液具有特殊的流变学性质。 2.7 其它化学反应 接枝共聚反应:这是甲壳素和壳聚糖最有吸引力的化学改性之一。乙烯基单体在甲壳素和壳聚
13、糖上进行接枝聚合可得到新型的特种合成多糖聚合物。接枝共聚物在生物医学上具有很大的应用价值。 交联反应:壳聚糖与交联剂戊二醛发生交联反应是一种应用很多的交联改性方 法反应能在均相或非均相条件下在较宽的 pH 值范围内于室温下迅速进行。常用的交联剂还有环氧氯丙烷、环硫氯丙烷等。另外还能把壳聚糖用三氯乙酸酰化成光敏聚合物后在紫外光照射下交联。交联作用可发生在同一直链的不同链节之间也可发生在不同直链间。交联壳聚糖是网状结构的高分子聚合物。 甲壳素或壳聚糖的化学改性除了以上所提到的外还有水解反应、降解反应、成盐反应、螯合反应等。 3. 物理改性 3.1 聚电解质复合 壳聚糖是聚阳离子聚合物在各种生物流体
14、中可与酸性蛋白质形成聚电解质复 27。壳聚糖与葡糖胺多糖如硫酸软骨素和透明质酸可形成聚电解质复合物。另合物 外将壳聚糖与水杨酸衍生物聚,4-N-甲基丙烯酸氨基苯甲酸,等摩尔浓度混合也可制得聚电解质互聚物。卵磷脂是细胞质膜中的重要成分具有带正电荷的极性头部和两条长的烃链因而兼有亲水性和疏水性。将卵磷脂与壳聚糖复合成膜可提高膜的拉伸强度。将壳聚糖与明胶共混同样可提高壳聚糖的力学性能。 3.2 小分子无机物填充 羟基磷灰石具有与人体骨组织中无机组成相同的化学组成唾晶体结构是一种较为理想的骨替代材料近年来广泛被用于生物材料的填充。在兔体中进行壳聚 27糖羟基磷灰石自体硬化粥实验证实复合物具有骨诱导特性。相似的效应在兔骨膜内损伤也有报道。但壳聚糖使骨细胞增殖的机理还有待于进一步确认。海藻酸钠是一种阴离子聚电解质与 CaCl 交联形成微囊微囊外表面与聚-1-赖氨酸离子键 2 合构成选择渗透膜包埋同体或异体细胞,如胰岛和 PC12 细胞,可治疗糖尿病等疾病。另一项研究表明壳聚糖与 PAN/PVC 复合时可支持成纤维细胞的粘附和扩散。海藻酸钠-壳聚糖-海藻酸钠作肝细胞包囊可治疗大鼠急性肝功能衰竭。 4. 结束语 经过化学和物理改性的甲壳素和壳聚糖其溶解性提高成膜性和纺丝性良好,随着改性的深入其模塑加工性也将会有所改善这都会扩大甲壳素材料的应用范 围。可以预见甲壳素将有着广阔的应用前景。
