壳聚糖静电纺纳米纤维的研究进展

王丹+单小红+郜建锐

摘要：本文对纯壳聚糖，壳聚糖与人工合成材料的混合物、与其它天然生物材料的混合物，以及壳聚糖衍生物等静电纺纳米纤维的制备方法和技术特点等进行了介绍。

关键词：纯壳聚糖；人工合成材料；天然生物材料；壳聚糖衍生物；静电纺

中图分类号：TQ341 文献标志码：A

Development of Chitosan Nanofiber Made by Electrospinning

Abstract： Preparation methods and technology characteristics of electrospinning of pure chitosan nanofiber， blended chitosan/synthetic materials nanofiber or chitosan/other natural biomaterials nanofiber， as well as chitosan derivative nanofiber， were introduced in this article.

Key words： pure chitosan； synthetic materials； natural biomaterials； chitosan derivative； electrospinning

壳聚糖是自然界中甲壳素脱乙酰化后的产物，具有优异的性能，如亲水性、生物相容性、生物可降解性、抗菌、无毒、抗凝血性能等，在生物医学方向应用广泛。而静电纺被认为是一种有效的制备微纳米纤维的方法。本文主要从 4 个方面对部分壳聚糖纳米纤维的制备进行描述。

1 纯壳聚糖静电纺丝

壳聚糖由于其氨基的质子化作用使其可溶于大多数的酸，又因其黏度较大，在静电纺高压作用下，聚合物内部离子基团的排斥力增加，聚合物难以从针头处喷射出来，且因其大的黏度容易堵塞针头，限制了纯壳聚糖的静电纺丝。

Ohkawa等以三氟乙酸（TFA）为溶剂，壳聚糖分子量为21万，脱乙酰度78%。当壳聚糖的浓度低于6%时，扫描电镜下观察纤维和珠状物共存；当壳聚糖浓度为7%时，主要以纤维为主，串珠大大减少，当壳聚糖浓度为8%时，扫描电镜下观察纤维为网状结构，但仍有少量串珠，纤维平均直径为490 nm。TFA为溶剂的壳聚糖溶液能成功纺成纤维是因为其破坏了壳聚糖分子之间的氢键，使纯壳聚糖纺丝变得容易。Sangsanoh等用TFA和二氯甲烷（DCM）以70︰30（V/V）的比例为溶剂，二氯甲烷的加入提高了壳聚糖静电纺纤维的均匀性，得到了无珠状的均匀纤维，在最佳条件下，纤维平均直径为（160±20）nm。

除TFA外，另一种有效的有机溶剂是浓乙酸。Cheng等研究了不同浓度乙酸为溶剂时的壳聚糖静电纺丝。随着乙酸的浓度增加，扫描电镜下观察接收物由珠状逐渐变成纤维状。当乙酸的浓度高于50%时，纤维和珠状物并存，当乙酸的浓度增大到90%时，可得到无珠状的纳米纤维，此时溶液的表面张力为30.76 mN/m。这是因为壳聚糖溶液的表面张力随着乙酸浓度的增大而减少，电压更容易克服溶液的表面张力而获得连续的纤维。纤维的平均直径随着溶液浓度的增大而减小。Gu等研究了超声处理对壳聚糖溶液静电纺丝的影响。结果表明：超声处理时间的长短可以改变静电纺壳聚糖纳米纤维的孔径大小和膜的厚度，最佳条件下得到的壳聚糖纳米纤维能够获得更大的孔隙率，吸水时间也从原来的110 s减少到 9 s，大大增加了壳聚糖纤维的亲水性。

相关研究表明，在静电纺过程中，溶液黏度对纤维的直径和形貌起到决定性作用。当溶液黏度很低时，纺丝时大多形成串珠或液滴，无法形成连续的纤维；而当溶液黏度过高时，溶液因高压电流作用被挤出针头后很难形成泰勒锥，甚至很容易堵塞针头，给纺丝过程带来极大的不便。另外，溶剂的浓度对实验过程也有很大影响。当溶剂浓度过低时，溶液的黏度较低但表面张力过高，增加了纺丝难度；而当溶剂浓度过高时，壳聚糖很难溶解充分，这样不仅影响纺丝液的稳定性，还会影响纤维的质量。因此，制备好的纺丝液是纺制品质良好的纤维的前提条件。

2 壳聚糖与人工合成材料的混合物静电纺

2.1 壳聚糖与聚氧乙烯（PEO）混纺

人工合成材料静电纺丝时容易出现珠状物等问题，通常可以用加入盐、离子表面活性剂、聚电解质或超声处理等方法来克服。壳聚糖与人工合成材料的混纺可以提高纤维的生物相容性、生物可降解性能及抗菌性等。

Mehdi等将脱乙酰度为97.5的壳聚糖（80 ～ 90 kDa）和PEO（600 kDa）混合，以质量分数为50%的乙酸溶液为溶剂，壳聚糖在壳聚糖/PEO混合溶液浓度为4%的情况下，通过静电纺丝可制成平均直径为60 ～ 120 nm的纤维。混合溶液中壳聚糖的浓度由50%增至90%时发现，随着混合溶液中壳聚糖浓度的增加，纤维的直径由123 nm减小到63 nm。Su等分别在脱乙酰度为90%的壳聚糖（50 kDa）和PEO（700 kDa）为溶质、乙酸为溶剂的溶液中加入浓度不同的单价、二价或三价金属离子，钙离子和铁离子的加入减小了纤维的直径和串珠的数量，这是由于发生在质子化壳聚糖与金属离子分子及分子内的交联，钙离子和铁离子尽可能均匀分布在纤维里面。然而钠离子和钾离子的加入使纤维中含有碱性金属离子，傅里叶红外光谱和流变测试表明金属离子破坏了分子间的氢键且溶液的黏度降低了45% ～ 60%，这些结果证实碱性金属离子在水和乙酸蒸发时优先与氯离子再结晶。Soumi等将脱乙酰度小于90%的壳聚糖（710 kDa）与PEO（200 kDa）以质量比4︰1溶于乙酸中，在静电纺丝作用下制得平均直径为0 ～ 78 nm的纤维，实验结果表明，乙酸浓度升高时，溶液的表面张力和导电性下降。制得的纤维用磷酸三苯酯（TPP）交联后，纤维显示出良好的细胞粘附、细胞增殖、细胞活性和细胞相容性，可用作特定的皮肤组织工程支架用于皮肤重建。

2.2 壳聚糖与聚乙烯醇（PVA）混纺

PVA是一种可溶于水、生物相容性和生物可降解性均较好的人工合成材料，其可纺性较好，通常可以用来与壳聚糖混纺以提高壳聚糖的可纺性。

Hang等将银离子加入壳聚糖与PVA的混合溶液中进行静电纺丝。实验发现银离子的加入提高了混合溶液的可纺性和纤维的抗菌性，且当混合溶液中壳聚糖的浓度小于6%时，加入了银离子的溶液的导电性高于未加银离子溶液的导电性，大于6%时恰好相反。这是因为螯合作用抑制了壳聚糖中氨基的电离度，溶液的导电性降低。也有学者将钙离子加入壳聚糖与PVA的混合溶液中，通过静电纺可制备出一种新型的生物复合材料，具有良好的力学和生物学性能，在生物医用材料方面有较好的应用。Mottaghitalab等用壳聚糖与PVA的混合溶液以静电纺成功制备了神经组织工程支架。Yan等采用同轴静电纺丝制备出了以PVA为芯层、壳聚糖为壳层的芯壳结构纤维。

2.3 壳聚糖与聚己酸内酯（PCL）混纺

PCL因其生物相容性和较缓慢的生物可降解性被列为最常用的医用人工合成材料之一，但其是疏水性的且没有细胞识别结构，因此常与其它天然生物材料混纺。Shalumon等将壳聚糖与PCL混合，以甲酸和丙酮的混合溶液为溶剂，根据壳聚糖与PCL溶液比例的不同，得到两种直径不同的纤维。当壳聚糖与PCL溶液比例为1∶1时，纤维直径为（116±27）nm，当比例为1︰3时，纤维直径减小到（102±24）nm。

2.4 壳聚糖与人工合成材料混合物静电纺的特点

壳聚糖具有生物可降解性，良好的生物相容性、吸附性和成膜性等优点，但其力学性能较差，一般需与人工合成材料混纺以改善其力学性能，以提高纺丝后的纤维质量。相关报道证实，随着混合溶液中人工合成材料比例的增大，纤维的力学性能增加，直径增大，并且极大地提高了壳聚糖的可纺性，壳聚糖与人工合成材料的混纺目前已广泛用于生物医学方向，如伤口敷料、人工心脏、人工血管等。

3 壳聚糖与其它天然生物材料混纺

天然生物材料一般具有细胞信号识别，促进细胞粘附、增殖和分化，良好的生物相容性及生物降解性等优点，这类材料可加工成医学制品，广泛用于临床研究。

Cai等以六氟异丙醇/TFA为纺丝溶剂制备了壳聚糖/丝素（SF）静电纺纳米纤维用于加工伤口敷料。实验结果表明纤维的平均直径随着混合溶液中壳聚糖含量的增加而降低，纤维的抗菌性随之增强，纤维的力学性能则随之减弱。随着混合溶液中壳聚糖和丝素含量的变化，得到的纤维平均直径的范围为（185.5±114.7）～（484.6±410.8）nm。Ye等以胶原蛋白和透明质酸为内饰、改性的壳聚糖为涂层材料、乙酸为溶剂制成了仿生纳米纤维膜。与人体羊膜相比，胶原蛋白/透明质酸/壳聚糖混纺纤维膜显示出优越的力学和生物性能，比人体羊膜更适用于角膜移植。Wang等将不同比例的壳聚糖和胶原混合，六氟异丙醇和TFA以80︰20比例混合的溶液为溶剂，通过静电纺丝得到了一种适用于血管移植的血管组织工程支架，结果表明当壳聚糖和胶原的比例为50︰50和20︰80时，可获得与人体血管最接近的血管组织工程支架。

天然生物材料之间的混合溶液制备出的纤维因力学性能上的缺陷，通常只能应用于对力学性能要求不高的领域，极大地阻碍了壳聚糖的应用与发展。

4 壳聚糖衍生物的静电纺丝

4.1 己酰化壳聚糖静电纺丝

己酰化壳聚糖可以抵抗细胞中溶酶体的水解，并且具有抗血栓的作用。Neamnark等将8%的己酰化壳聚糖氯仿溶液和7.5%的壳聚糖吡啶甲酸溶液混合进行静电纺丝。纺丝 8 h后测得纤维膜的厚度约为（83±9）μm，单纤维的直径范围为0.4 ～ 3.2 μm，平均直径约为1.5 μm。在老鼠体内进行生物相容性和细胞毒性测试显示，己酰化壳聚糖纤维膜无毒性且在宿主体内未释放有害物质。就人角质纤维细胞和人包皮成纤维细胞的吸附和增殖而言，壳聚糖纤维膜很适宜作皮肤组织工程支架。Peesan等采用静电纺丝制备出了己酰化壳聚糖/聚乳酸混合纳米纤维。当壳聚糖与聚乳酸的比例不大于50%时，可以得到无珠状的纳米纤维。随着壳聚糖含量的增加，溶液的黏度降低，得到的纤维尺寸减小。

己酰化壳聚糖在壳聚糖和壳聚糖衍生物中具有最好的生物相容性，这是因为己酰化壳聚糖中含有大量的酸酐，血液中的酸酐能将大量二氧化碳转变成碳酸根离子，使之溶于血液中，同时也能将碳酸根离子转化成二氧化碳，在肺泡中释放，表现出良好的抗血栓作用。

4.2 羧甲基壳聚糖静电纺丝

对壳聚糖的羧甲基化作用是获得水溶性羧甲基壳聚糖的一种化学方法，且与壳聚糖相比具有更好的生物相容性。Fouda等将银离子加入羧甲基壳聚糖与PEO的混合溶液中进行静电纺丝，所得纳米纤维的直径为50 ～ 300 nm。银离子的加入增强了混合溶液的导电性，因此在纺丝过程中纤维的直径减小，同时利用X射线探测器分析观察发现银离子进入了纤维内部，并且在纳米纤维内部直径每12 ～ 18 nm处均匀稳定地分布。Sohofi等以TFA和二甲基甲酰胺（DCM）混合溶剂为纺丝溶剂成功制得了纯羧甲基壳聚糖（取代率DS= 0.65）静电纺纳米纤维，最佳的纺丝条件是羧甲基壳聚糖浓度为5%，TFA与DCM的比例为70︰30，得到的纤维平均直径为（260±42）nm。

羧甲基壳聚糖的水溶性好，一方面是因为自身是羧酸盐溶于水，另一方面由于羧甲基的导入破坏了壳聚糖分子的二次结构，结晶度大大降低，又因为其结构上的羧基和胺基都是亲水基团，吸湿性较好，所以羧甲基壳聚糖静电纺得到的纤维性能优于壳聚糖静电纺得到的。

4.3 季胺化壳聚糖静电纺丝

在众多的壳聚糖衍生物中，季胺化壳聚糖因其氨基的作用具有最好的抗菌性能。Mi等分别将壳聚糖和PVA溶于超纯水中配制成浓度为10%的溶液，壳聚糖溶液与PVA溶液的比例在3︰7 ～ 7︰3之间，随着壳聚糖溶液比例的增加，混合溶液的黏度增加、导电性增强，纤维的平均直径减小。制得的纤维膜用戊二醛进行交联，扫描电镜下观察到在适合的戊二醛浓度及交联时间交联后，纤维膜在水中的稳定性增加，可用作除去饮用水中病原菌的滤膜。Toshkova等将壳聚糖和聚乳酸混合，溶于二甲基甲酰胺（DMF）和二甲基亚砜（DMSO）（DMF︰DMSO=60︰40）的混合溶剂中，配制成浓度为6%的溶液，通过静电纺成功制备了平均直径为（830±115）nm的纤维，随后在混合溶液中加入适量的抗肿瘤药物阿霉素（DOX），纤维平均直径下降到（580±90）nm，这是因为DOX中有机盐的存在增加了溶液的导电性。

在壳聚糖的氨基上引入羟丙基三甲基氯化铵，生成羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖（HACC），经季胺化可形成较强的阳离子聚电解质，削弱了分子间的氢键作用，从而可提高壳聚糖的可纺性。

5 结语

壳聚糖因具有氨基，在酸性水溶液中具有聚阳离子的特征，极大地提高了溶液的表面张力，因此很难通过静电纺丝成为纤维结构。虽然目前壳聚糖静电纺丝技术较过去已取得了较大发展，制成了各种特定用途的纳米纤维产品，但仍存在许多亟待解决的技术问题，如壳聚糖纳米纤维的机械性能较差、大部分纺丝溶剂有毒性等，极大地限制了壳聚糖在静电纺方面的开发。

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