改性壳聚糖的研究进展及其应用前景

庄金娟，王香梅

（中北大学理学院，山西太原030051）

改性壳聚糖的研究进展及其应用前景

庄金娟，王香梅

（中北大学理学院，山西太原030051）

简要综述壳聚糖化学改性和衍生物的研究进展,讨论了烷基化、酰基化、醚化、酯化、Shiff碱化、季铵盐化及接枝共聚等化学改性方法,简要介绍了改性壳聚糖在化妆品、医学和环保方面的应用,展望了壳聚糖及其衍生物研究进展及应用前景,旨在为壳聚糖化学改性和衍生物的研究提供一定理论基础。

壳聚糖;改性;衍生物

1 壳聚糖的改性

1.1 烷基化改性

壳聚糖分子上的氨基基团,携带一对孤对电子，烷基化反应可以在壳聚糖的氨基上进行（N-烷基化），生成相应的N-烷基化产物。用卤代烷对壳聚糖改性，可以制备乙基壳聚糖，丁基壳聚糖，辛基壳聚糖和十六烷基壳聚糖等[1]。壳聚糖的烷基化反应主要发生在C2位的氨基上,C3、C6位的羟基上也可发生取代反应。

在壳聚糖烷基化反应中,经过改性的烷基化壳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、二甲亚砜等溶剂中溶胀。此外通过烷基化改性的壳聚糖，可以改善壳聚糖分子的机械性能及疏水性质。

1.2 酰基化改性

壳聚糖改性通常是指壳聚糖分子上的氨基基团和羟基基团，与酰氯、酸酐等有机酸衍生物发生反应，在大分子链上导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]。

在实现壳聚糖酰基化改性中，国内外有许多成功的例子。如在酸性溶液中以沉淀法制备了壳聚糖与Carbopol的高分子互聚物IPC。以此种IPC为基体,制得的茶碱药片与广泛使用的HPMC性能接近,可以持续、长期地释放药物,并且有良好pH依赖性；经乳化/内部凝胶作用制得藻酸盐微球体，可有效地简化操作,并最大限度地避免微球体内蛋白质的损失。

1.3 醚化改性

醚化改性通常是指壳聚糖与醚化试剂反应，生成羟烷基壳聚糖和羧烷基壳聚糖。如甲基醚、乙基醚、苄基醚、羟乙基醚、羟甲基等。醚壳聚糖与氯代烷基酸或乙醛酸反应，可以得到溶于水的羧烷基壳聚糖。研究最多的羧甲基化反应,可以得到O-羧甲基壳聚糖、N-羧甲基壳聚糖和O-N-羧甲基壳聚糖。董炎明等[3]采用碱壳聚糖方法合成的液晶性壳聚糖衍生物羟乙基壳聚糖具有不同摩尔醚化度。郭立民等[4]通过醚化途径,制备壳聚糖的衍生物,得出了以异丙醇为介质对壳聚糖进行改性研究的最佳反应条件。

1.4 酯化改性

酯化改性通常是指用含氧无机酸作酯化剂,使壳聚糖中的羟基形成有机酯类衍生物。酯化产物包括无机酸酯和有机酸酯两种。常见的酯化反应有硫酸酯化和磷酸酯化。壳聚糖与硫酸直接反应可得到其硫酸酯，具有好的抗凝活性。硫酸酯化试剂主要有浓硫酸、SO2、SO3、氯磺酸等；磷酸酯化反应一般是在甲磺酸中与壳聚糖反应。

1.5 shiff碱反应

shiff碱反应通常是指壳聚糖上的氨基与醛酮发生反应,生成相应的醛亚胺和酮亚胺多糖。此反应一方面可保护游离NH2,在氨基上引人其它基团；另一方面再还原可得到相应的一取代多糖。

1.6 壳聚糖季铵盐化

壳聚糖季铵盐化是指用缩水甘油三甲基氯化铵与壳聚糖反应,可在壳聚糖分子中引入季铵盐基团,制得壳聚糖季铵盐。由于在壳聚糖中引入位阻大、水合能力强的季按盐基团，大大削弱了壳聚糖分子间的氢键，增大了壳聚糖衍生物的水溶性。壳聚糖季铵盐除直接溶于水外，还能与某些有机溶剂以任意比例混合。

1.7 壳聚糖接枝共聚反应

壳聚糖接枝可以在——OH与——NH2两个功能团上，自由基引发，通过双官能团的醛、酸、环氧化物等进行分子内或分子间交联,得到壳聚糖接枝共聚物。传统的引发方法有氧化还原引发体系法、偶氮二异丁腈法、辐射引发法以及紫外线法等。目前壳聚糖的接枝共聚主要有与醇类接枝共聚,壳聚糖与酯类接枝共聚,壳聚糖与酸类接枝共聚,壳聚糖与酰胺类接枝共聚[5]。而研究最多的是壳聚糖与酸类的接枝共聚[6,7]。如壳聚糖与邻苯二甲酸酐的接枝，采用“保护氨基-接枝反应-脱保护”的接枝路线。

2 改性壳聚糖的应用

2.1 改性壳聚糖在化妆品方面的应用

壳聚糖分子自身具有免疫性、抗菌性、创伤愈合性等良好的生物性能,而且具有良好的亲水性、亲蛋白性膜对皮肤无过敏、无刺激、无毒性反应，有抗菌活性，因此是化妆品工业上的优良添加剂。如用缩水甘油三甲胺卤化物与壳聚糖反应所得到的阴离子聚合物,用于洗发香波水中,洗过的头发易于梳理,柔滑[8]；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[9]；在化妆品中加入醚化壳聚糖可以起到润滑、保湿和抗皮肤过敏[10]；O-CM-chitosan可作为保水剂代替透明质酸[11]；N-CM-chitosan可辅助抗皮肤过敏[17]。

2.2 改性壳聚糖在医药方面的应用

由于壳聚糖本身具有多种药理功能，生物相容性，无免疫原性，无毒无味，可生物降解，降解产物一般对人体无毒副作用，在体内不积蓄，无免疫原性，抗溃疡等药理作用，甚至还可以启动免疫功能。因此它最早被用在医学方面。经过纤维二糖烷化修饰的壳聚糖，若不考虑二糖种类对其抗菌性能的影响，在取代度为30%～40%时，对Escherichia coli和Staphylococcusaureus细菌的抑制作用最强。烷基化壳聚糖还具有良好的抗凝血性能[9]；双-乙酰化甲壳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镜，有较好的透氧性和促进伤口愈合的特性，能作为发炎和受伤眼睛的辅助治疗；醚化壳聚糖能够有效地诱导细胞毒性巨嗜细胞，抑制口腔细菌和抑制癌细胞的转移等；羧甲基壳聚糖能抗心率失常。Khaled等[10]，以2,2-偶氮二-（2-甲基丙腈）（AMPN）为引发剂使甲基丙烯酸（MAA）与壳聚糖接枝共聚。产物通过在碱性介质中与表氯醇的反应,进一步制备交联的壳聚糖/聚甲基丙烯酸接枝共聚物，显示对Cu2+以及肝炎A病毒等的良好的吸附性能。

2.3 改性壳聚糖在环境保护方面的应用

壳聚糖分子中有游离氨基，是阳离子絮凝剂和高分于螯合剂，具有金属络合性，可使水中的悬浮物凝聚而沉降。改性壳聚糖类絮凝剂以其天然无毒、可生物降解、可再利用等优越性能在水处理和污泥处理中得到广泛应用。如醚化壳聚糖可用于金属离子的提取和回收，螯和过渡金属离子和纯化水等。大量研究表明,壳聚糖作为无机高分子絮凝剂具有沉降时间短,脱色效果好的优点。

2.4 改性壳聚糖在化工方面的应用

磷酸酯化衍生物有好的水溶性和耐热性，有强的吸附重金属离子的能力；用A-羟基苯甲醛与壳聚糖反应再经还原得到A-羟基-苄基壳聚糖,产物对Cu2+、Hg2+等有特殊的螯合能力[11]。酰化壳聚糖可制成多孔微粒用作分子筛或液相色谱载体,分离不同分子量的葡萄糖或氨基酸。乙醛酸和壳聚糖反应,产物经还原得到乙酸取代壳聚糖,具有很好的水溶性和流动性；利用壳聚糖氨基与醛基反应生成Schiff碱的性质，选择分子结构中含有羧基、羟基等亲水性基团的醛，可实现羧甲基化反应。羟丙基三甲基氯化胺与壳聚糖反应制得的壳聚糖季胺盐,与椰油酰胺,甜菜碱的配位性良好,可用作阳离子表面活性剂。1989年Akira等[12]用低压汞灯的辐射光引发MMA与甲壳素及氧化甲壳素的接枝反应,指出溶剂体系对接枝度有显著影响。1994年Singh等[13]用γ-射线在水和甲醇中引发羟乙基丙烯酸酯接枝壳聚糖的反应,指出溶剂体系对接枝度有显著影响。

3 结论与展望

基于壳聚糖分子中的羟基和氨基特征结构,可以多种方式对其进行物理和化学改性,烷基化、酰基化、醚化、酯化、Shiff碱化、季铵盐化及接枝共聚等都是常用的改性方式。壳聚糖及其衍生物越来越受到人们的关注,也越来越得到广泛的应用,在今后的研究中,应多引入新的反应原料,开发新的反应路线，要努力以壳聚糖为原料来生产新产品和改造老产品。

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10.3969/j.issn.1008-1267.2011.02.003

O631

A

1008-1267（2011）02-0007-05

壳聚糖是甲壳素脱乙酰化而得到的产物，它是一种无定形的半透明物质，无毒、无害、易生物降解，不污染环境，并具有良好的吸附性、成膜性、吸湿性等特性的环境友好型功能高分子材料。

虽然壳聚糖中含有游离的氨基，但是它只能溶于盐酸、醋酸、乳酸、苯甲酸、甲酸等稀酸，而不能溶于水、碱溶液以及大多有机溶剂。这就大大限制了壳聚糖的应用。而基于壳聚糖中含有的——OH和——NH2具有一定的化学活性，可通过改性的方法，引入化学基团对其进行物理化学方面的改性。壳聚糖的改性技术主要是烷基化、酰基化、醚化、酯化、Shiff碱化、季铵盐化及接枝共聚等方式。近年来壳聚糖的化学改性方面研究十分活跃，本文结合我们的研究工作，对壳聚糖改性及其衍生物的研究进展及应用前景进行了综述。

2010-11-25

庄金娟（1984-），女，硕士研究生，从事功能高分子方面研究。