天然多糖微球的制备及功能应用

乔亮智，杜开峰

（四川大学化学工程学院，四川成都 610065）

天然多糖微球为直径一般在微米到毫米范围，形状为完美球或类球形态的功能材料，是一类重要的高附加值化工产品，可作为微反应器、微分离器、微结构单元等，应用于吸附分离、催化、组织工程、药物缓控释等领域，涉及人们生活的方方面面[1-4]。根据孔尺寸的区别，可分为微孔（<2nm）、介孔（2～50nm）、大孔（50～100nm）和超大孔微球（>100nm）；根据孔形貌的区别，可分为实心结构、核-壳结构、多层结构、空心结构等微球；根据孔分布的区别，可分为单孔、双孔以及多级孔微球。相比于有机合成高分子微球和无机微球，天然多糖微球由于在材料性质和性能两方面的优势，备受科学家的关注和重视。在性质上，天然多糖具有可完全生物降解、无毒性、生物相容性好、可再生等优点，在可持续再生材料和医药领域具有得天独厚的优势。在性能上，天然多糖单元不仅含有丰富的可改性基团如羟基、氨基等，同时微球三维网络结构具有充足的负载空间去结合其他异质功能组分，赋予其更加多样化的功能[5]。近年来，随着多种绿色多糖溶剂的开发，特别是离子液体和碱/脲溶解体系，极大地拓展了天然多糖材料中如纤维素、甲壳素、壳聚糖功能材料的应用[2,6-8]。

本文综述了近年来天然多糖微球功能材料的研究新进展，首先介绍了两种典型的多糖微球制备方法，然后着重介绍了多糖微球功能材料的构建策略以及在吸附分离、催化、组织工程与药物释放、能源转化与储存四个领域的应用进展，为进一步设计构建高性能多糖基微球功能材料提供参考和指导。

1 多糖微球的制备方法

目前，多糖微球的制备方法已有大量文献报道，包括使用不同的溶剂体系、成形技术以及再生方法[9-11]，见图1。通过改变微球合成过程中的工艺参数，例如纤维素种类、纤维素浓度、纤维素溶解体系、成球方法、再生浴等，可获得具有不同粒径和结构的多糖微球。这些方法主要的制备过程都包括溶解、成球和再生三个环节。其中，球形貌构筑最为关键的步骤在于成球环节，最为常见的两种成球技术是滴定法和乳化法。

图1 多糖微球制备技术路线

1.1 滴定法

滴定法被认为是最简单的成球方法，制备的微球粒径通常在毫米尺寸。在压力或重力的作用下，多糖溶液从喷嘴中射出，在表面张力的作用下形成球型液滴，最后落入凝固浴中固化成型（图2）。Kamal Mohamed等[12]采用NaOH/尿素作为纤维素溶剂，通过简单的玻璃滴管滴定，制备出了粒径在2～2.5mm的纤维素凝胶球，并且探究了ZnO浓度对纤维素凝胶球结构的影响。结果显示，当ZnO质量分数为0.1%～0.4%时，纤维素凝胶球表面产生褶皱结构；质量分数上升到0.5%～2.0%时，纤维素球呈现出完美的球形和均匀的孔隙结构。Sescousse等[13]通过改变纤维素溶液浓度、凝胶时间、固化浴温度以及滴定距离4个因素，可以实现纤维素材料形状在扁平圆盘状到球状之间的调变。

图2 滴定法制备微球

使用玻璃滴管或者注射器等仪器的滴定方法虽然操作简单，成本低廉，但微球球形度差，整个过程生产效率低下，批次差较大。近几年，随着一些先进滴定技术的开发和应用，高度均一和球形度完美的纤维素球更加容易被大量制备。高压静电技术是通过溶液表面和收集器产生的静电排斥力来大量生产尺寸均一颗粒或纤维的一种简单连续技术。与上述所讲的传统滴定法相比，高压静电法可实现完全自动化，产量和规模更适用于工业化生产。同时，可以通过调节电压、浓度以及滴定距离，制备不同粒径的微球。Li等[14]采用高压静电技术制备了一系列高度均匀的纤维素/大豆分离蛋白复合微球，并探究了电压和组分比例对微球的影响。结果显示，当纤维素/大豆分离蛋白组分比例固定，随着电压从0增加到5kV，微球的粒径逐渐从(1971±48)μm减小到(808±37)μm；当电压不变，大豆分离蛋白的质量分数从0增加到50%，复合微球的粒径则从(1868±42)μm减小至(1006±63)μm。除此之外，采用高压静电技术制备其他多糖微球，如海藻酸钠微球[15]、甲壳素微球[16]等也有报道。

液滴微流控技术是一种新兴的微球制备技术。该技术通过在两相界面张力、连续相剪切力和内通道压力的共同作用下，将分散相挤压、断裂，可以制备出单分散的微球。Dong等[17]采用聚焦式微流控芯片，液体石蜡和石油醚混合液作为连续相，成功地制备出高度单分散的壳聚糖微球（分散度为1.86%）。通过精细调节两相流速和交联时间，可以实现对壳聚糖微球粒径和分布的精准控制[18]。随着流速和交联时间的增加，微球粒径随之减小。然而，这种技术最大的局限在于产量低，无法放大生产，目前仅处于实验室研究阶段。

1.2 乳化法

乳化法制备多糖微球是另一种比较常见的手段。将多糖溶液置于具有相反极性的溶剂中，经过高速剪切力作用获得稳定的乳液，最后通过溶胶-凝胶转化手段获得多糖微球。相较于滴定法，乳化法由于具有更好的分散性，所得微球粒径通常只有滴定法微球的1/10，在10～100μm范围内[9]。Luo等[19]采用NaOH/尿素溶液低温溶解纤维素，液体石蜡作为油相，加入定量和表面活性剂Span80乳化一段时间后，盐酸固化获得纤维素凝胶球。通过改变工艺参数，包括分散相量（1%～10%）、油水比例[(3～10)∶1]和搅拌速度(200～1000r/min)，制备出粒径5μm～1mm的再生纤维素微球。随着分散相量、油水比例和搅拌速度的增加，微球粒径迅速减小。过去几年，本文作者课题组[20-23]也采用乳化法分别制备了高性能的纤维素微球、琼脂糖微球、壳聚糖微球、甲壳素微球。乳化法制备多糖微球成型率高、形貌规则完整、易于放大生产，是目前工业上成熟度最高的技术。

传统的乳化主要是通过机械搅拌进行乳液分散，由于搅拌分散剪切场不均匀，难以制备尺寸均一的乳液，导致再生得到的微球粒径也不均匀，必须进行多次筛分，才能获得均一的产品，不仅需要额外的分离设备和加工时间，也导致了原料和能源的浪费。建立均一的剪切场是获得单分散微球的必要条件。以多孔膜为分散介质取代传统的搅拌分散进行乳化的方法，即膜乳化，逐渐开始占据乳化制球工艺的中心（图3）。Ma等[24]采用该方法成功制备出平均直径在108.4～385.4μm的琼脂糖微球。其中，最佳优化条件为琼脂糖质量分数3%、体积比为11∶1的液体石蜡与石油醚复合油相、膜乳化转速11∶1，制备的琼脂糖微球粒径为220μm，其分散值达到0.76。同时，该技术具有较佳的重复性，批次差小，制备的不同批次微球仍具有相同的粒径和分散值。

图3 膜乳化法制备微球

值得一提的是，上述多糖微球的制备工艺，无论是滴定法还是乳化法，均需要经过溶解、成形和再生3个必不可少的步骤，制备工艺较为繁琐，且需要大量的试剂和能量消耗。针对这一问题，本文作者课题组[25]在大量实验的基础上，利用廉价的木浆竹纤维为基本原料，通过一段时间高碘酸盐的强氧化作用，直接在高结晶度的竹纤维表面上自组装形成多孔纤维素微球（图4）。在氧化过程中，高结晶度的纤维素区逐渐转化为无定形的纤维素链，并且伴随着双醛的生成。随着“腌制”程度的逐渐加深，被氧化的纤维素链由于氢键作用逐渐聚集并且溶胀，经过层层组装形成微球。该工艺简单，无需大量溶剂以及搅拌的使用，是一种有实际应用潜力的纤维素微球制备方法。

图4 自组装多孔纤维素微球形成示意图和微球扫描电子显微镜图[25]

2 多糖微球的功能化及应用

2.1 吸附分离

多糖微球作为吸附材料具有得天独厚的优势，不仅含有大量的可改性位点为吸附配基提供锚点，还可通过与其他异质组分杂化进一步提高吸附性能，均一的球形形貌也使得吸附剂易于组装成吸附柱。本文作者课题组[26]利用碳酸钙颗粒作为大孔致孔剂，琼脂糖作为微/介孔致孔剂，成功制备了一种多级孔甲壳素微球（HCM），见图5。相比于未制孔的微球（CM），HCM表面呈现出明显的大孔结构，孔径在0.3～1.0μm，同时微/介孔含量明显提升，比表面积达到221.08m2/g，是CM的3.7倍。在这种多级孔结构中，大孔可以降低传质阻力，强化传质过程，提高吸附速率；而微/介孔则提供了大量的改性位点用于吸附配基的固定，提高吸附容量。其对Cu2+和Pb2+的最大吸附量分别达到197.35mg/g和574.70mg/g。在10min内，对Cu2+和Pb2+的吸附量可以达到饱和吸附容量的80%以上。此外，本文作者课题组[22,27-28]也采用其他富含氨基、羧基等官能团的吸附配基以及异质组分，如谷氨酸、威兰胶、羟基磷灰石等对多糖微球改性或杂化，制备了高性能的重金属离子纤维素、琼脂糖微球吸附剂。

图5 HCM微球的形貌及性能[26]

多糖具有良好的生物相容性，也是一种常用的生物分离介质，如琼脂糖微球、纤维素微球已有系列商品出现。本文作者课题组[23]利用双乳化法成功制备了一种大孔纤维素色谱微球。制备过程分为两次乳化过程。初次乳化促使油相在界面张力的作用下渗透进入纤维素溶液，两者形成互相穿透的双连续相；再将上述双连续相进行二次乳化得到同时具有10～20nm的扩散孔和800～2000nm的双孔纤维素微球。进一步交联和改性后，成功得到一种阴离子蛋白质吸附剂。相比于单乳化的微孔纤维素微球，双乳化大孔纤维素微球的渗透性提升了7.9倍，对牛血红蛋白动态吸附容量达到47.7mg/mL，优于目前同类型商业的琼脂糖微球，证实了这类新型纤维素微球能够实现对蛋白质高容量和快速分离。

2.2 催化剂载体

催化剂作为工业生产，尤其是化工行业中最为重要的组成单元之一，在实际生产中往往面临着过程损耗过大、回收率较低的问题。为了解决这个问题，人们常常将催化剂负载到固体基质，以达到保护催化剂、提高催化剂回收率的目的。多糖微球是一种合适的催化剂固定基质，微球内部丰富的孔道为催化剂提供了充足的负载空间，促进催化剂充分而均匀地分散，并且作为“保护伞”阻止外界环境对催化剂的腐蚀和破坏，从而延长催化剂使用寿命。Nie等[29]以甲壳素微球为前体，通过炭化还原过程原位合成了一种Pd/TiO2碳纤维微球（PCTNCM）（图6），用于易挥发有机物的光催化降解。实验结果表明，PCTNCM即使经过5次循环后，对甲苯和苯的有效降解率仍保持初始能力的90%以上，展现出优异的再生和循环性能。同时，PCTNCM对甲苯和苯的降解率分别达到96.4%和91.7%，相应的降解产物CO2浓度在200min内迅速增加到860μL/L和660μL/L。这种优异的催化性能是由于甲壳素炭化的纤维微球能够有效地分散Pd和TiO2纳米颗粒，提供了更多的催化位点。

图6 PCTNCM微球扫描电子显微镜图及对甲苯和苯的循环降解能力[29]

酶是一种具有高特异性和高催化效率的生物催化剂。然而，游离酶的稳定性通常比较差，在外界环境容易变性失活，导致催化活性降低，严重限制了酶在工业生产中的应用。固定化酶技术被认为是提高酶稳定性和重复使用性最有效的手段之一。Liu等[30]以磁性Fe3O4/纤维素/壳聚糖复合水凝胶球为载体，采用戊二醛作为交联剂，将葡萄糖氧化酶（GOx）固定在复合水凝胶球上。结果表明，在这种固定化酶的催化下，91.5%的葡萄糖仅在4h内就完全转化，在15次使用后仍保持初始活性的84.2%。同时，该酶催化剂在50℃加热28h后仍保持着初始活性的63%，可使用pH范围扩展到4～7，在2℃存储两个月仍保持着80%的活性，展现出更高的热稳定性、更宽泛的pH使用范围以及更长的存储稳定性。

2.3 组织工程与药物释放

组织工程支架可以模拟细胞微环境、提供细胞生存空间及必需物质。随着细胞治疗和细胞药物的发展，支持大规模细胞培养的组织工程支架备受学界和产业界的关注与重视。多糖微球不仅具有良好的生物和细胞相容性及理想的3D球型结构，而且微球的多孔结构为细胞所需的营养物质和产生的废物提供了宽阔的交换通道，被认为是组织工程支架最具潜力的生物材料之一[31-32]。

Duan等[11]采用“自下而上”的策略成功制备了一种纳米纤维甲壳素微球。制备过程中，通过控制热诱导温度和其他工艺参数，可以调控微球孔道在26～55nm和3～130μm范围变化。他们进一步将磁性Fe3O4复合到甲壳素微球，成功制备了磁性甲壳素微球（MNCM）细胞支架。细胞培养实验证明（图7），L02细胞在MNCM能够生存、生长和迅速增殖，并且牢牢地黏附在微球孔道中。微球的大孔结构不仅为细胞提供增殖空间，而且可以促进细胞与外界交换，为细胞提供必须的营养物质以及排出产生的废物。Su等[33]采用小粒径壳聚糖微球作为致孔剂制备了一种大孔甲壳素微球，大孔的孔径可以通过改变壳聚糖微球模板粒径实现调控。这种大孔甲壳素微球可以作为猴纤维细胞、人肝细胞、甚至人干细胞的生长支架，并且干细胞仍然保持了它们的3D结构和多谱系分化能力。

图7 L02细胞在MNCM以及纯甲壳素微球上的扫描电子显微镜图[11]

有效避免药物在体内传输过程中的损失，使得药物安全到达作用部位，是提高药效、降低药物副作用的重要手段。纤维素微球作为药物缓释控释载体已经有大量报道。随着pH的改变，纤维素会发生“溶胀→退胀”行为的转变，利用该性质可以控制负载在纤维素微球上药物的释放时间和作用部位[34]。Trygg等[35]通过控制TEMPO/NaClO2/NaClO氧化纤维素球的温度获得一种阴离子纤维素球，作为盐酸雷尼替丁的负载和缓释基体。结果显示，复合纤维素球在胃肠道模拟环境中表现出持续可控的释放行为，但不同氧化温度得到的混合纤维素球释放药物的程度不同。此外，Agarwal等[36]制备了一种海藻酸钙与纤维素复合球，用于结肠靶向药物释放。即使处于结肠酶环境中，该复合球仍可以释放90%的5-fluorouracil（抗癌药）。

2.4 能源转化与储存

碳基超级电容器可以通过电极材料与电解质离子的静电反应储存电荷，由于其低密度、高功率密度、快速的充电/放电行为以及较长的循环寿命，被认为是最有潜力的能源存储设备。理想的超级电容器材料应该具有多级孔结构和高的比表面积。一方面，较大的孔道（大孔和介孔）可以促进电解质的快速传输；另一方面，高的比表面积提供了充足的离子交换位点，提高电容器的电容和倍率性能。多糖微球3D多孔结构有益于电解质的渗透以及电子交换，同时含有的N、S等杂元素可以进一步提高比电容[38]，被认为是理想的碳基电容器材料之一。Duan等[37]以甲壳素微球作为前体，通过在氩气氛围中高温热解获得N原子掺杂的碳基微球（NCM），如图8。随着扫描速率从1000mV/s增加到10000mV/s，NCM仍展现出近乎矩形的循环伏安曲线；质量比电容达到110F/g，电荷传递电阻仅0.47Ω，能量密度最高达到5.8W·h/kg；经过10000次循环后，仍保持着超过96%的电容量，证明了NCM优异的倍率性能和循环性能。这种优异的性能主要是由于NCM特有的高比表面积互联贯通结构促进了电解液的渗透和电子的传输。

图8 NCM的性能[37]

Xu等[39]成功制备了一种多级N/S掺杂的纤维素碳微球钠离子电池阳极材料。首先将纤维素低温溶解于NaOH/尿素溶液中，加入聚苯胺获得纤维素/聚苯胺混合溶液，随后通过乳化制备出纤维素/聚苯胺复合微球；微球成型后，加入十二烷基苯磺酸作为S原子来源；最后通过炭化获得N/S掺杂的碳微球（NSC-SP）。实验结果表明，N/S掺杂造成的扩张碳层间距、缺陷和N/S异质原子协同促进了钠离子的扩散，增强了材料的电导率，提高了微球的储钠速率。值得注意的是，NSC-SP即使在10A/g的高电流密度下，电容量仍然达到130mA·h/g，优于过去所报道的钠离子电池材料。此外，在500A/g的电流密度下循环3400次后，电容量几乎保持不变，证明了NSC-SP的循环稳定性。

3 结语

多糖微球源于其自身独特的性质和结构，在吸附分离、催化、组织工程、药物负载以及能源转化与储存等领域都展现出巨大的应用潜力。多糖微球可以通过表面基团的改性制备出高效吸附分离介质，其多孔结构可以负载药物作为缓释胶囊，或者作为固定载体有效地分散和保护催化剂；此外，多糖微球也可以作为碳前体制备高性能电极电容材料。未来多糖微球的发展和应用还需重点关注以下两个方面。第一，粒径均一多糖微球的规模化制备。微球的均一性决定了其附加值，也是其获得成功应用的质量保证。然而，目前工业上使用的传统乳化技术由于剪切场的不均匀性，造成微球粒径分散度大，微球的均一性较差。膜乳化被认为是一种有潜力取代传统乳化的技术，未来可通过调控膜的机械强度、表面性质以及膜微结构，制备出适合多糖微球乳化的膜介质。第二，多糖微球孔结构的可控制备。多糖微球的孔结构，包括孔尺寸、形貌以及分布，对其应用有着至关重要的影响。未来还需要深入系统地研究与乳液结构相关的界面科学，以构建多样化的模板，用于设计不同孔结构的多糖微球材料，相关研究结果将为多糖微球的可控构建和应用提供新思路和指导。