壳聚糖及其衍生物的研究进展

李靖雅 钟志梅(内蒙古农业大学理学院，内蒙古 呼和浩特 010018)

0 引言

壳聚糖是甲壳素的脱乙酰化产物，又称脱乙酰甲壳素，化学名称为β-(1-4)-2-氨基-2-脱氧-D-葡萄糖。壳聚糖没有毒性，可生物降解，物理吸附性很好。在壳聚糖的结构中，同时存在氨基和羟基这两种基团，可以将壳聚糖进行特定的化学反应，制造出水溶性相对较好而且功能更丰富的壳聚糖衍生物。

1 壳聚糖及其衍生物在医学领域的研究进展

壳聚糖具有良好的生物相容性及多种生理学活性，例如抗肿瘤活性可以应用于基因治疗，良好的组织修复特性可以应用于组织工程学，抗菌活性可以应用于促进伤口愈合的创面辅料等，在医学领域有广泛的应用空间。

壳聚糖基于生物聚合物和碳同素异形体的模板，同时无毒且具有良好的生物相容性，因此在生物医学领域受到关注。贵金属纳米粒子(np’s)由于其独特的物理学、化学和生物学特性而在生物医学领域引起了越来越多的兴趣和研究[1]。S.Dhanavel等[2]通过简单且经济高效的化学还原方法合成了在壳聚糖/还原氧化石墨烯(Gr)上负载新型抗癌药的钯np，分别以偶联形式制备5-氟尿嘧啶(5-FU)和姜黄素负载的纳米复合材料，然后使用各种表征手段分析了载药复合材料，结论为壳聚糖/Gr上的Pd纳米球有助于药物的持续释放，从而减少了给药剂量。对人结肠癌细胞(HT-29)的细胞毒性分析显示了该系统有效抑制细胞生长的功效。

组织工程学是当前和未来医学的重要治疗策略。最近的研究表明，壳聚糖及其衍生物因为其多孔结构，凝胶构成特性，易于化学修饰，对体内大分子具有高亲和力等好处，有望作为组织工程学应用的支持功能性材料。In-Yong Kim和Seog-Jin Seo集中于研究各种类型的壳聚糖衍生物及其在各种组织工程中的用途，即皮肤，骨骼，软骨，肝脏，神经和血管，发现壳聚糖在相关领域有非常出彩的应用效果[3]。

近年来，对基于壳聚糖(CS)的材料及其在整形外科组织工程领域的应用给予了相当大的关注。壳聚糖之所以在该领域能够得到应用，靠的是其最小的异物反应、固有的抗菌性质以及能够以各种几何形式模制的能力，因而适用于细胞向内生长和骨传导。高嘉[4]利用脂肪组织工程技术，以小鼠为实验对象，成功制备出了壳聚糖支架，细胞在壳聚糖支架上有良好的粘附生长效果，并且得到了对小鼠细胞无毒性、生物相容性良好等结果，为软组织缺损的修复重建技术提供了新的思路与实验数据。

壳聚糖的阳离子性质使其能够复合DNA分子，成为基因递送策略的理想候选者。使用这种材料操纵和重构组织结构与功能具有巨大的临床意义，并且可能在未来几年中在细胞和基因治疗中发挥关键作用。张文华[5]依据透明质酸(HA)的受体CD44在非小细胞肺癌(NSCLC)中具有高表达性的特点，制备了透明质酸修饰的新型壳聚糖纳米载体，为非小细胞肺癌的基因靶向治疗方法提供了新的理论依据。

罗晓梅等综述了利用壳聚糖微囊化药物各种特性的见解，还综述了用于制备壳聚糖微球和评价这些微球的各种技术，该评价还包括影响壳聚糖微球药物的包封效率和释放动力学的因素[6]。

张春礼等为了研究医用羧甲基壳聚糖改善甲状腺术后颈部活动舒适度的效果，通过对患者的资料进行分析，将患者分为试验组和对照组，试验组在术中使用医用羧甲基壳多糖对患处进行涂抹，而对照组则不使用医用羧甲基壳多糖，评估甲状腺术后一个月及三个月的颈部活动舒适度。结果显示，甲状腺术后一个月以及三个月的试验组，患者颈部活动舒适度明显高于对照组，这两组试验的差异有统计学意义，得出结论为医用羧甲基壳多糖具有改善甲状腺患者术后颈部活动舒适度的效果，值得临床推广应用[7]。

2 壳聚糖以及衍生物在农业领域的研究进展

农业生产的发展主要体现在产量的提升，防治农作物病虫害、提高作物低温抗性等问题是农业领域的研究热点，将壳聚糖及其衍生物应用到农药、植物生长调节剂中，为这些问题提供了新的解决思路。同时，蔬果及动物产品的品质安全问题也受到社会的关注，壳聚糖具有无毒性、可降解性的优点，使其在饲料添加剂、水土重金属离子吸附剂及保鲜剂中都得到了广泛的推广应用。

根结线虫是一类土传性植物病原线虫，它能阻碍植物根系发育、地上部生长和植物生产。这种线虫侵害的植物种类十分广泛，幼虫可以进入植物根部，使根部形成根结，从而破坏了根系吸收养分的功能，导致植物不能正常吸收水分与养分，对植物的正常生长和发育造成了严重阻碍。朱俊[8]以壳寡糖为原料，以活性亚结构拼接法接枝不同活性基团，预先设计后，合成了氨基脲类、胍类和马来酰化类壳寡糖衍生物，再以南方根结线虫为实验对象，通过根结线虫的反应，测试和评价这三类壳寡糖衍生物的体外活性。以壳寡糖为原料进行接枝修饰改性，制备杀线虫活性衍生物，不仅拓宽了壳寡糖的应用领域，也对新型杀线虫剂的开发提供了新的思路。

新烟碱类农药如25%的阿克泰、20%呋虫胺水分散剂和莫比朗等，杀虫效率高，适应范围广，同时对动物及人体的毒性相对较低，在杀虫农药产品中占据了很大的市场，但是其药效时间短、水溶性差和利用率低等问题一直没有很好的解决[9]。王羿博研究了疏水性环糊精(TA-β-CD)、亲水性环糊精(β-CD、HP-β-CD、β-CDP)与壳聚糖(CTS)微球包埋β-CD/THX包合物对药物增溶和缓释的作用，结果表明，亲水性环糊精中的β-CD、HPβ-CD包埋难溶药物，可以增大难溶药物的溶解度，进而促进药物的快速释放；疏水性环糊精TA-β-CD包埋难溶性药物，则可以达到缓释的效果；由此得出，β-CDP水溶性极好，是控释的良好载体；CTS通过与TPP形成核壳结构包埋β-CD/THX，可以得到具有缓释效果的药物[10]。

枯萎病是一类危害严重的土传类病害，其主要的致病菌是尖孢镰刀菌，可以发生在植物整个生长期间，危害严重，目前尚无有效的方法防治枯萎病。可以通过改变土壤中微生物的营养环境、优化微生物群落结构、提高土壤中微生物多样性而达到抑制枯萎病侵染植株，降低枯萎病发生的目的，曹健[11]选择壳聚糖和海藻多糖，采用双氧水、氢氧化钠等手段制备其寡糖，选择哈茨木霉T22 B1-2和淡紫拟青霉B10-1菌株，采用固体发酵方式制备孢子粉，构建了基于叶片侵染的防效评价方案，探索了采用生防菌和生物诱抗分子的两种方式抑制尖镰孢菌的生长，防治枯萎病的发生。其研究结果为生物防治枯萎病提供了借鉴，补充了枯萎病的防治手段，也为以后的农业产业的发展提供了帮助。

薯蓣(山药)具有药用、食用价值，在我国种植十分广泛。山药炭疽病是影响山药产量的重要因素。陈伟益等研究了壳聚糖及其衍生物壳寡糖等对山药炭疽病病原菌菌落直径、抑菌持效期及炭疽病发病情况的影响，结果表明壳聚糖及其衍生物对山药炭疽病的防治有显著效果，其防治机理为壳聚糖、壳寡糖可以通过抑制病原菌菌丝的伸长，从而改变菌丝结构，达到防治山药炭疽病的目的[12]。

随着人类社会愈加现代化与城市化，土壤重金属污染也愈加严重，在化肥、农药中，汞、砷、镉等重金属元素的超标也加重了对土壤的污染，这不仅会影响农作物的产量，同时也会影响危害人体健康。焦常锋等研究了碳酸钙-壳聚糖联用对As污染石灰性土壤的影响，结果表明Ca+C联用可以使玉米籽粒、根、茎、叶的As含量显著降低，即碳酸钙-壳聚糖联用的方法可应用于石灰性土壤砷污染的修复[13]。

养殖水体中的重金属污染也是水产农业面临的问题之一。李俭平等利用蒙脱石负载羧乙基壳聚糖制备成复合吸附剂，结果表明将该吸附剂应用于淡水养殖鱼塘水体中，可以有效去除水体中的Cu2+。同时，该吸附剂具有性能良好、环保、再生利用效果好的优点，值得推广应用[14]。

低温是影响各种农作物种植分布及生长发育的重要生态因子，提高作物抵御低温环境的能力是农业发展需要解决的问题。近来研究发现壳聚糖及其衍生物可以作为新型植物生长调节剂，促进植物生长，诱导植物产生抵御病原物质的抗性蛋白，参与植物细胞的防卫反应机制，使植物体自身抗体增强。朱云林等以水稻品种淮稻11为对象，用不同浓度的壳聚糖在低温下来处理水稻幼苗，结果表明遇到低温的情况下，喷施壳聚糖后水稻生长状态良好，可溶性糖、脯氨酸的含量增加，超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶等抗氧化酶的活性增强，即提高了水稻幼苗的抗冷能力[15]。牛云然以辣椒为实验对象，用不同浓度的精胺、亚精胺、水杨酸和壳聚糖进行叶面喷施，并测其各项生理、生长及形态等指标，结果为辣椒幼苗的脯氨酸含量、可溶性蛋白含量和可溶性糖含量明显增高，电解质渗透率、MDA含量和冷害指数有所上升但低于对照组，表明添加壳聚糖等外源物质可以提高辣椒幼苗的抗冷性[16]。

畜禽业生产中，饲料添加剂含有促进畜禽生长发育不可缺少的物质，关于饲料添加剂安全性的问题引起了越来越多的关注。为避免动物源食品受到化学物、药物污染，农业农村部鼓励企业和研发机构加快生物饲料、酶制剂等抗生素的替代产品开发，推动全行业抗生素减量替代，确保畜禽产品质量安全。何雪萍等研究了壳聚糖对黄羽肉鸡生长性能、脂质代谢、屠宰性能及肉品质的影响，对两组黄羽鸡分别饲喂基础饲粮(对照组)及添加不同分子质量壳聚糖的试验饲粮，结果表明壳聚糖能显著降低粗脂肪代谢率，饲粮中添加分子质量分别为2374、3600u的壳聚糖可降低血脂水平，并降低胸肌滴水损失，改善鸡肉品质[17]。Pereira等将壳聚糖作为饲料添加剂，用于反刍动物饮食中以代替抗生素，实验中测试评估了壳聚糖对羔羊生长性状、营养物质消化率、肌肉和脂肪沉、肉类脂肪酸(FA)、肉质性状和血清代谢组的影响，得到的数据表明壳聚糖可以改变肌肉的新陈代谢，从而改善肌肉质量沉积和羔羊的生产性能。此外，壳聚糖还导致了FA代谢改变，羊羔肉质也得到了改善[18]。

随着农业生产的发展，对农产品保鲜的研究也逐渐成为农业领域的热点研究方向。在水产品保鲜方面，生物保鲜剂因其安全、高效的优点得到广泛研究应用。李佳艺等分别以壳聚糖复合保鲜液(10mg/mL壳聚糖+5mg/mL茶多酚+2000U/mL溶菌酶)和无菌水(对照组)处理草鱼片，通过对比草鱼冷藏过程中鲜度(K值)、ATP关联物、汁液流失率等指标，分析了壳聚糖对草鱼品质变化的影响，结果表明壳聚糖保鲜液可以延缓鱼类变质过程[19]。潘婷婷等将连翘提取物与壳聚糖进行复配，涂在圣女果表面，测定了失重率、腐烂率等指标，结果表明不同配比的连翘-壳聚糖复配物均可以延缓圣女果的衰败，即对圣女果有明显良好的保鲜作用[20]。

3 壳聚糖以及衍生物在纳米材料领域的研究进展

纳米材料作为一种由超微颗粒组成的、结构单元尺寸接近电子相干长度的新型材料，具有在光学、力学、化学等方面的独特性质。将壳聚糖与纳米材料复合，可以得到具有优异的稳定性、生物相容性和机械强度的复合材料，广泛应用于水处理、食品、纺织和医学等领域。

壳聚糖-DNA纳米颗粒可以采用复杂凝聚工艺进行制备。Priyanka Chhabra等[21]研究了纳米颗粒合成的重要参数，包括壳聚糖和DNA的分子量、DNA浓度，溶液温度，缓冲液的pH值以及硫酸钠的用量等，在氨基与磷酸基团之比(N/P比)介于3和8之间且壳聚糖浓度为100μg/mL的情况下，颗粒尺寸被优化至100～250nm，分布狭窄。这些颗粒的表面电荷在pH值低于6.0时具有+12～+18mV的zeta电位，略带正电，在pH 7.2时变为中性。电泳迁移率分析所示，壳聚糖-DNA纳米颗粒可以部分保护被包封的质粒DNA免受核酸酶降解。

Dongxue Han等开辟了一种将葡萄糖氧化酶固定在壳聚糖薄膜中的新型葡萄糖生物传感器，该壳聚糖薄膜是含有石墨烯和金纳米颗粒(AuNPs)的纳米复合材料[22]。所得石墨烯/AuNPs /壳聚糖复合膜对H2O2和O2表现出良好的电催化活性。良好的电催化活性可能归因于石墨烯和AuNPs的协同作用。以葡萄糖氧化酶(GOD)为模型，通过简单的铸造方法构建了石墨烯/ AuNPs / GOD /壳聚糖复合修饰电极，所得的生物传感器对葡萄糖表现出良好的安培响应。石墨烯/AuNPs/GOD/壳聚糖复合膜对葡萄糖的电化学反应显著，在葡萄糖的电化学检测中具有广阔的应用前景。

静电纺丝所制得的纳米纤维材料有利于细胞的附着、增殖，近年来在组织工程支架研究在受到广泛关注。为了将只溶于有机溶剂的疏水PLA材料与只溶于水的亲水海藻酸钠结合，王伟彬通过聚乳酸与壳聚糖混合静电纺丝并用EDC/NHS对纤维在水溶液中与海藻酸接枝改性，制备了聚乳酸复合纳米纤维膜PLA/CS-Al，用微观形貌分析、热重分析等技术手段测试复合材料的性能，实验结果表明用PLA与壳聚糖混合纺丝制备的PLA/CS-Al亲水性能、降解性能都得到了显著的提升[23]。

壳聚糖及其衍生物对重金属离子也展现出良好的吸附性能，设计制备机械性能提高、溶胀效应降低的壳聚糖复合材料成为重金属离子吸附剂的一种优化研究方向。刘婉霞采用化学接枝法，制备出以EDTA修饰改性的壳聚糖材料(CS-EDTA)，研究了该复合材料在水溶液中吸附钴离子的过程，表征分析了吸附机理，为以后制备性能更加优异的壳聚糖基复合材料提供了理论依据[24]。

4 结语

壳聚糖及其衍生物作为一种天然的聚氨基葡萄糖，原料来源广泛，对环境友好，易于化学修饰。同时凭借其优良的生物相容性、生物可降解性、抗菌等特性，在学术研究领域中得到了充分的创新和发展，并广泛应用于各领域中，均取得了较为突出的成绩。目前壳聚糖及其衍生物功能材料领域、医疗领域、农业领域和食品领域都有了相应的应用，但是长远来看其应用还有很大的拓展空间，比如一些细分的纳米医疗领域、小分子载体领域、绿色农药等，对壳聚糖进一步研究改性，可以为科技发展提供新的途径。