甲壳素、壳聚糖材料

第5章甲壳素、壳聚糖材料Chapter5ChitinandChitosanMaterials

甲壳素壳聚糖甲壳素是地球上仅次于纤维素的第二大可再生资源，总产量100亿吨/年，水产加工废弃物中100万吨/年。主要来源：虾壳、蟹壳、昆虫壳等；广泛存在于节肢动物、软体动物、环节动物、原生动物、腔肠动物及真菌和藻类的细胞壁。主要特性：生物相容性一、甲壳素和壳聚糖的结构、性质甲壳素：N-乙酰-2-氨基-2-脱氧-D-葡萄糖以β-1,4-糖苷键连接的线性多糖壳聚糖：甲壳素脱去55%以上的N-乙酰基的产物1.分子结构纤维素甲壳素壳聚糖甲壳素和壳聚糖可认为是纤维素C-2羟基被乙酰氨基或氨基所取代壳聚糖：一般将N-脱乙酰度大于70%的甲壳素称为壳聚糖。事实上，得到100%脱乙酰度的壳聚糖是很困难的。甲壳素：C-2位并非100%的是乙酰氨基，约1/8的是氨基。在生产过程中用稀碱除蛋白质时又有部分乙酰基被脱掉，故商品甲壳素实际上有15-20%的脱乙酰度。甲壳素—多糖（1）一级结构β-1,4-糖苷键连接N-乙酰氨基葡萄糖（2）二级结构羟基和N-乙酰氨基形成各种分子内和分子间氢键—聚集体

氢键的存在：阻止了邻近糖残基沿糖苷键的旋转相邻糖环之间的空间位阻也降低了糖残基旋转的自由度2.聚集态结构分子内氢键：C3羟基—相邻糖苷键-O-C3羟基—同一分子链另一环上的氧分子间氢键：C3羟基—另一分子链糖苷键-O-C3羟基—另一分子链环上氧其它：C2位-NHCOCH3的羰基氧、C2的-NH2、C6上-OH

可形成一列的分子内和分子间氢键（3）三级结构糖链之间以氢键结合形成的各种聚集体，只与甲壳素分子主链的构象有关由一级结构和非共价相互作用造成的有序的二级结构使甲壳素在空间形成有规则而宏大的构象；但一级和二级结构中较大不规则的分支结构阻碍三级结构的形成。（4）四级结构甲壳素长链间以非共价结合规整排列和堆砌在一起形成的聚集体3.结晶结构甲壳素：α—甲壳素（虾蟹）由两条反向平行的糖链排列而成β—甲壳素（乌贼）由两条平行的糖链排列而成γ—甲壳素由三条糖链组成，两条糖链同向、一条糖链反向且上下排列4.物理性质甲壳素壳聚糖颜色状态白色或灰白色无定形态、半透明固体白色或灰白色无定形态、半透明且略有珍珠光泽的固体溶解性不溶于水、稀酸、稀碱或一般有机溶剂可溶于浓碱、浓盐酸、浓硫酸、浓磷酸和无水甲酸不溶于水、碱溶液、稀硫酸和稀磷酸可溶于稀盐酸、稀硝酸等无机酸以及大多数有机酸。（醋酸和甲酸）在酸或碱溶液中，甲壳素或壳聚糖发生水解或其它降解。

溶解甲壳素和壳聚糖的常用溶剂甲壳素壳聚糖二甲基甲酰胺+氯化锂稀甲酸六氟异丙醇稀乙酸六氟丙酮倍半水合物稀乳酸1,2-二氯乙醇+H2SO4壳聚糖的两项主要性能指标——N-脱乙酰度、黏度黏度标准：1%壳聚糖乙酸溶液高黏度—>1000×10-3Pa•S

中黏度—（1000～100）×10-3Pa•S

低黏度—<100×10-3Pa•S脱乙酰度（DD）——甲壳素分子链上脱乙酰基的程度（%）测定方法：IR、NMR、紫外、GPC、电位滴定、元素分析

Da全称道尔顿（Dalton），是分子量常用单位，是用来衡量原子或分子质量的单位，它被定义为碳12原子质量的1/12。其实最开始道尔顿计算出的原子量是我们现在用的当量。分子量是没有单位的，它是相对分子质量，比值是固定的，用原子量算出来的氯化钠的分子量是58.5道尔顿，他们在数值上是相同的。氯化钠的分子量是58.5，这个也可称作为式量氯化钠摩尔质量就为58.5g/mol。道尔顿就是原子质量单位，在生物化学、分子生物学和蛋白组学中经常用Da或KDa，其分子量就是将分子中所有原子按个数求原子量的代数和。蛋白质是大分子，所以常用kDa（千道尔顿）来表示。5.甲壳素和壳聚糖的提取甲壳素的提取，两步法：（1）4~6wt%HCl溶液重复浸泡，脱钙24h以上去除矿物质可以用溶剂萃取或氧化剂（如NaClO、H2O2）（2）40wt%NaOH溶液在115°C保温6h，通过离心和洗涤脱除蛋白反复循环过程。壳聚糖的制备——甲壳素脱乙酰的产物常用方法——异相反应反应条件：强碱—40wt%NaOH

温度—135°C其它方法——酶催化脱乙酰特点：（1）脱乙酰过程中，C2位上的乙酰基和羟基重排，阻隔碍反应的进行；（2）分子链断裂降解。如有体系中加入与溶于水的有机溶剂（如异丙醇、丙酮），可降低反应温度和碱度，但其脱乙酰度范围小。1.壳聚糖降解二、甲壳素和壳聚糖的化学改性及其衍生物(1)物理降解法超声波降解

射线照射下的辐射降解光降解(3)化学降解法

Ⅰ—酸降解:盐酸、磷酸、氢氟酸。壳聚糖在酸性溶液中不稳定，会发生长链的部分水解，即糖苷键的断裂，形成许多相对分子质量大小不等的片段，严重水解变成单糖。(2)酶降解法酶法降解是用专一性的甲壳素酶和壳聚糖酶，以及非专一性的其它酶种来对甲壳素或壳聚糖进行生物降解。Ⅱ—NaNO2降解:

在壳聚糖酸性溶液中滴加NaNO2，使-NH2发生重氮化反应，脱去一分子N2，引起

-糖苷健断裂。每摩尔的氨基反应需消耗1摩尔的HONO，在断裂聚合物的还原端生成1摩尔的2,5-脱水-D-甘露糖单元。还原端基可以用NaBH4还原。这是传统的化学降解方法，降解产物的分子量可以通过改变NaNO2的加入量和反应时间来控制。该方法虽然端基结构有所改变，但对于制备较高分子量的低聚糖的性质应无较大影响。不过对于寡糖生物活性尚需进一步研究，因还原端基单元无氨基。Ⅲ—氧化降解

过氧化氢法—过氧化氢是一种很强的氧化剂，在酸、碱和中性条件下都可以使壳聚糖主链发生断裂，得到低分子量壳聚糖。过氧化氢无残毒，易处理。

O3法—在均相或非均相条件下，O3可使壳聚糖发生氧化降解。

-糖苷键的氧化断裂是一个基础反应，反应过程无杂质引入，后处理简单。但氧化断裂时，在还原端残基产生了羧基，未保护的氨基也存在脱氨反应。

高碘酸盐的氧化—高碘酸盐氧化邻位二醇或邻位氨基醇形成二醛，断裂C-C键。用高碘酸盐氧化纤维素，除失水葡萄糖环在C2-C3处裂开外，在适当的条件下可发生纤维素分子还原端的“过度氧化”。不过，产物的收率过低，可能是由于“剥皮反应”所致。次卤酸盐氧化剂—次氯酸钠同样可以降解壳聚糖，得到水溶性产物。反应过程中，壳聚糖的氨基含量下降。2.水解（1）酸水解碱性条件下——甲壳素和壳聚糖较稳定酸性条件下——水解（2）酶水解特点：高度选择性不发生副反应水解产物——单糖和低聚糖低分子量甲壳素和壳聚糖具有不同的物理性质和生物活性：植物抗生素、抗菌活性、免疫促进活性甲壳素和壳聚糖的糖残基上两个活性羟基：一个是C6位-OH——一级羟基，空间位阻小，活性大；一个是C3位-OH——二级羟基，空间位阻大，活性小；壳聚糖——氨基3.甲壳素和壳聚糖的化学改性及其衍生物化学改性的目的:一解决在水中或有机溶剂中的溶解性；二通过化学改性引入基团和侧链并进行各种分子设计；（1）酰化反应羟基

+—NH2有机酸酸酐酰氯O-酰化（酯）N-酰化（酰胺）甲壳素和壳聚糖三类酰化反应体系：第一类：甲磺酸酰化甲磺酸——催化剂、溶剂温度——0°C，温度高易降解

体系——均相产物——O-长链酰基壳聚糖、N-芳酰基化壳聚糖产物制备方法：（1）将甲壳素/壳聚糖加入甲磺酸和丙酸酐的混合物中，0°C搅拌2h，得到凝胶产物；

（2）-20°C保存12h以上；（3）加冰屑沉淀（4）用氨水中和悬浮液，过滤，水洗并真空干燥得酰化产物。第二类：酰氯反应溶剂——氯仿和吡啶等非质子极性溶剂温度——室温体系——非均相，反应之前原料需经特殊处理提高取代度——溶剂长时间浸泡、疏松处理产物——N,O-酰基化壳聚糖

取代度高——高于50%第三类：甲/乙醇、有机酸和水组成的体系体系——均相体系（有机醇的含量高达80%）特点——先在C2氨基上进行（选择性），通过酸酐的用量控制产物的酰化程度。制备方法：（1）将壳聚糖溶于10%乙酸水溶液中，再加甲醇稀释；（2）在搅拌条件下按氨基物质的量的0.5倍加入正已酸酐；（3）室温放置24h后加入400mL丙酮作为沉淀剂；（4）沉淀物经甲醇或乙醚洗涤后得N-酰化壳聚糖衍生物。乙酰化产物（1）甲壳素的乙酰化反应体系：乙酸酐和盐酸/甲磺酸反应特点：优先发生在游离氨基上，其次是羟基反应混合物初期呈非均相，随乙酰化程度增加，逐渐演变成均相；

（2）壳聚糖的乙酰化反应体系：乙酸酐水溶液/吡啶溶液反应特点：先溶胀，然后进行N-乙酰化反应可获得50%N-乙酰化、溶于水N-酰化程度—50%壳聚糖，水溶性好高于或低于50%，水溶性低应用：N-酰化水溶性壳聚糖可进一步衍生化或用作医用材料如N-马来酰化壳聚糖与丙烯酰胺共聚，得水凝胶。O-酰化壳聚糖——氨基保护法Shiff碱(2)醚化反应

——甲壳素或壳聚糖的羟基与羟基化试剂反应生成醚常用产物：O-甲基化、O-乙基化、O-苄基化羧甲基甲壳素/壳聚糖制备方法：第一种方法——碱化甲壳素或壳聚糖与2-氯乙酸在异丙醇中反应羧基化制备方法：（1）将壳聚糖加入50%NaOH溶液中碱化，再加异丙醇；（2）加氯乙酸反应2h，升温至65°C

再反应2h后停止加热；（3）调节溶液的pH值至中性，甲醇反复洗涤后烘干，得到溶于水的羧甲基壳聚糖；条件：

NaOH——碱化壳聚糖异丙醇——溶剂、膨松剂温度对取代位置的影响较大：

30°C——O-羧甲基化产品；

60°C——N,O-羧甲基化产品；第二种方法：基本原理：甲壳素或壳聚糖与乙醛酸或丙酮酸反应，醛基或酮基与壳聚糖上的氨基形成Schiff碱，再通过还原亚胺形成C-N-C键，得到羧甲基化壳聚糖。特点：反应活性高、N-取代；制备过程：(1)将壳聚糖用蒸馏水溶胀；(2)加入一定量的丙酮酸，室温搅拌1h，得透明的粘性溶液；(3)用玻璃纤维过滤，滤液用稀NaOH溶液调pH为4~5；(4)搅拌一段时间后缓慢加入硼氢化钠溶液，用稀HCl调pH=6~7，再反应24h；(5)最后用乙醇沉淀。应用：醚化制备壳聚糖季铵盐制备方法：（1）将壳聚糖加入异丙醇溶液中，升温至60°C

；（2）加入20mL37%缩水甘油三甲基氯化铵溶液，升温至80°C

；（3）反应一段时间后过滤，并经异丙醇洗涤和真空干燥后得产品。体系pH=9~10制备方法：（1）将壳聚糖与NaI加入1-甲基-2-吡咯烷酮；（2）60°C下加NaOH后，再加CH3I，继续反应1~4h；（3）加NaCl静置，用乙醇沉淀。体系pH=9~10主要醚化产物：羟乙基、羟丙基壳聚糖制备方法：①将壳聚糖加入50%NaOH溶液，置于冰箱中冷冻碱化；②然后，解冻后，挤压除去过剩碱液；③加入异丙醇溶胀；④最后加环氧乙烷/环氧丙烷反应；(3)酯化反应——甲壳素或壳聚糖的羟基与酸反应生成酯硫酸酯试剂：浓硫酸、氯磺酸、二氧化硫、三氧化硫特点：非均相反应；浓硫酸具有降解作用；改进：主要为SO3—有机胺的络合物如SO3-吡啶、SO3-甲酰胺、SO3-DMF有机溶剂：DMF、甲酰胺、DMSO特点：价格贵、保存苛刻发展——氯磺酸-甲酰胺磺化试剂制备方法：（1）以甲酰胺为介质，5℃加入氯磺酸制备氯磺酸-甲酰胺磺化试剂；（2）加入壳聚糖，搅拌升温到68℃；（3）反应一段时间后，过滤除去未反应物质；（4）透析，加入NaOH调pH=12-14；（5）再透析，浓缩，即获得磺化壳聚糖；特点：降解比SO3—有机胺络合物严重，但适于大规模生产；硫酸选择性酯化反应：C2的选择性酯化——利用氨基与羟基在弱碱性条件下反应活性差异使反应完全发生在氨基上。C6的选择性酯化——利用Cu2+的配合作用将氨基保护起来，而实际上Cu2+不仅与氨基配合，与C3位的羟基同样有配合作用，从而保护C3位不发生酯化反应。C3的选择性酯化——复杂的保护基团第一条路线：先保护C6位羟基；再保护C2位氨基；再进行C3位硫酸酯化第二条路线：(4)烷基化反应—甲壳素或壳聚糖的羟基与羟基化试剂反应生成烷基醚常用产物：O-甲基化、O-乙基化、O-苄基化，不包括N-烷基化N-烷基化途径：4.接枝共聚反应化学法——自由基引发和离子引发射线辐射法——自由基引发机械法例：催化剂——硝酸铈铵或硫酸铈铵单体——乙烯基单体（丙烯酰胺、丙烯酸）接枝率——240%和200%氧化还原剂——三氯乙酰-碳酰锰单体——MMA接枝率——600%溶剂——乙酸乙酯交联剂——γ-甲基–谷氨酸支链——聚多肽催化剂——硝基苯或氯化锡单体——苯乙烯单体与碘代甲壳素聚合机理——阳离子接枝共聚接枝率——800%溶解——溶于质子型极性溶剂如LiCl的DMAC溶剂中5.交联反应

双官能团化合物：醛（戊二醛、甲醛、乙二醛）—室温、高速醛+氨→席夫碱羟基+羟基→酸酐产物：不溶于稀酸、水溶液中稳定6.医用材料衍生化反应

（1）硫醇基团壳聚糖硫基乙醇壳聚糖—结肠黏附性提高紫外交联—柔软水凝胶生物黏合物（2）氟化壳聚糖特点：稳定性好、界电常数低、表面活性低和吸水性能低;

C-F键在氢键形成中作为质子受体，在生物体系中能通过特殊反应产生各种性能。（3）荧光素硫代羰基壳聚糖衍生物肝脏特效药丝裂霉素在肝脏转移中的药物载体。（4）半乳糖苷壳聚糖衍生物肝脏附属物上很好的人工合成胞外母体。（5）环糊精（CD）交联壳聚糖

环糊精——防水特性好，可以包合芳香族和其他有机小分子环糊精(Cyclodextrin，简称CD)是直链淀粉在由芽孢杆菌产生的环糊精葡萄糖基转移酶作用下生成的一系列环状低聚糖的总称，通常含有6~12个D-吡喃葡萄糖单元。其中研究得较多并且具有重要实际意义的是含有6、7、8个葡萄糖单元的分子，分别称为alpha-、beta-和gama-环糊精。根据X-RD、FTIR和NMR的结果，确定构成环糊精分子的每个D(+)-吡喃葡萄糖都是椅式构象。各葡萄糖单元均以1，4-糖苷键结合成环。由于连接葡萄糖单元的糖苷键不能自由旋转，环糊精不是圆筒状分子而是略呈锥形的圆环。其中，环糊精的伯羟基围成了锥形的小口，而其仲羟基围成了锥形的大口。交联反应：CD-6位羟基;CD-次级醇（2位和3位）环糊精（CD）交联壳聚糖——药物和化学品载体（6）乳酸改性壳聚糖壳聚糖的改性烷基化酰化羧基季铵盐接枝化交联酯化醚化三、甲壳素和壳聚糖改性材料1.生物医用材料（1）医用纤维植物纤维或合成纤维——引起感染发炎甲壳素或壳聚糖——生物相容性和消炎作用优点：可吸收降解医用纤维制备方法：湿法或干湿法纺丝壳聚糖溶液纺丝溶剂：1.1%乙酸溶液凝固液：2%NaOH溶液酰胺-氯化锂——N,N-二甲基甲酰胺(DMF)/LiCl为溶剂凝固液：异丁醇特点：干强度改善、湿强度不理想体系——磺化、卤化、酰胺-氯化锂磺化法——纤维素黏胶纤维制备方法相似①黄原化——甲壳素与CS2反应得到黄原酸酯衍生物②熟化处理③溶液纺丝凝固液——34%硫酸铵和5%硫酸的混合液④初生纤维依次用0.5%氨水和水冲洗⑤15%甘油表面处理缺点：纤维强度低、纤维残留硫酸会引起甲壳素降解、CS2和NaOH造成污染卤化法——以卤代烃为溶剂如三氯乙酸/水合三氯乙醛/二氯乙烷/（40：40：20）凝固液：丙酮处理液：NaOH甲醇溶液如三氯乙酸/二氯乙烷/（50：50）凝固液：丙酮处理液：NaOH甲醇溶液优点：提高了纤维的干强度缺点：湿强度不理想、氯代烷对环境有污染用途——外科手术（1）强度高；（2）生物适应性强；（3）生物降解性；发展——甲壳素/壳聚糖与高分子共混提高纤维强度和其它性能（2）医用敷料——水溶性壳聚糖优点：①良好的生物相容性,减少伤口的感染、抗菌消炎；②透气、吸水，抑痛止血功能；③促进皮肤损伤的创面愈合作用、抑制微生物的生长、创面止痛等效果；④引导组织再生能力；⑤可自行降解吸收，减少疤痕的形成；产品：壳聚糖无纺布、壳聚糖膜、壳聚糖涂层纱布壳聚糖无纺布——乙酸为溶剂壳聚糖膜①壳聚糖/淀粉/PVA

甘油——增塑剂原儿茶酸——烧伤、痂有特效中药环丙沙星——抗菌消炎②壳聚糖乙酸水溶液1～3wt%

双醛淀粉水溶液2～7wt%混合→离心脱泡→制膜→除酸→水洗→晾干优点：力学性能高、柔韧性好、抗菌性优良（3）人造皮肤上皮层特点：不致敏、无刺激、透气性好促进皮肤生长、止血和抑制疤痕壳聚糖Ⅰ型胶原Ⅱ型胶原糖胺聚糖交联多孔支架皮肤成纤细胞真皮层接种角细胞（4）组织工程——生物组织再生支架①神经导管

——神经组织生长的“脚手架”。将修复材料缝合于断裂的两断神经之间，神经纤维在其表面生长到所需长度并恢复正常功能时，此修复材料开始降解。生物相容性和生物降解性；具有神经再生所需的物质，支持神经再生及成熟；足够长度和直径；如2%壳聚糖充入硅胶管再生室。

3%壳聚糖→注入圆环体内制形凝胶管②肝组织再生材料良好的强度和韧性壳聚糖胶原蛋白明胶白蛋白交联细胞支架戊二醛肝细胞的形成和生长骨架③骨组织再生材料硫酸软骨素+壳聚糖→薄膜材料

氨基葡萄糖由虾壳制备氨基葡萄糖盐酸盐的工艺流程图

上百万人服用氨基葡萄糖和软骨素以治疗膝关节疼痛，但是美国研究人员近日却发现，这些药物对于关节炎来说并无太大疗效。不过，这些非处方药可能有助于缓解严重的病情。研究结果表明，最终至少有20％的患者疼痛减轻了。但研究人员认为一些症状严重的患者可以使用它们来缓解疼痛。摘自《新英格兰医学》杂志需要进一步研究

壳聚糖乙酸溶液PEG溶液纺丝造骨细胞培养载体钙离子溶液磷酸根离子溶液乙酸溶液模具成型、烘干壳聚糖多孔支架羟基磷灰石羟基磷灰石纳米级分散（5）药用载体药物制剂发展：三效—高效、速效、长效三小—毒性小、副作用小、剂量小无毒、生物相容和生物降解药物的缓释、控释材料甲壳素/壳聚糖及其衍生物——药物载体壳聚糖经常单独或与辅料和交联剂混合作用，共同作为片剂、胶囊剂、丸剂等制剂的药物骨架，制备缓释骨架制剂。胃肠液渗入骨架孔隙后，药物溶解并通过骨架中错综复杂的极细孔径，缓缓向外扩散而释放。稳定或保护药物中的有效成份；促进药物吸收；延缓和控制药物释放；结构：凝胶是一种特殊的分散体系，其中胶体颗粒或高聚物分子链以化学键相互连接，搭成架子，形成空间网状结构，液体或气体充满在结构空隙中，形成溶胀体。其性质介于固体和液体之间，从外表看，它成固体状或半固体状，有弹性；但又和真正的固体不完全一样，其内部结构的强度往往有限，易于破坏。①水凝胶

凝胶—高聚物以分子状态分散在溶剂中形成均相混合物称为高分子溶液,当浓度大时其中的高分子链相互交联使其失去流动性时，即成为凝胶。简单说：由液体和高分子网络组成。由于液体对高分子网络的亲和性，液体被高分子网络封闭在里面失去流动性。凝胶的分类：凝胶是个总的名称，根据分散相质点的性质(刚性还是柔性)和形成结构时质点间连接的性质(结构的强度)，可分为：刚性凝胶——多数的无机凝胶，如二氧化硅、三氧化二铁、二氧化钛、五氧化二钒等弹性凝胶——柔性的线型高聚物分子形成的凝胶，如橡胶、明胶、琼脂等。根据来源：天然凝胶和合成凝胶根据网络所含的液体：水凝胶和有机凝胶根据交联(高分子)方式：化学凝胶和物理凝胶凝胶的性质：凝胶的膨胀作用弹性凝胶由线型高分子构成，因分子链有柔性，故吸收或释出液体时很易改变自身的体积，其吸收液体使自身体积增大的现象称为膨胀作用。这种作用具有选择性，只能吸收对它来讲是亲合性很强的液体。其膨胀可以是有限的，也可以是无限的，与其内部结构连接的强度有关，改变条件也可使有限膨胀变成无限膨胀，即膨胀的结果是完全溶解和形成均相溶液。凝胶的脱水收缩作用凝胶在老化过程中会发生特殊的分层现象，称为脱水收缩作用或离浆作用，但析出的一层仍为凝胶，只是浓度比原先的大，而另一层也不是纯溶剂，是稀溶胶或高分子稀溶液。一般来说，弹性凝胶的离浆作用是个可逆过程，它是膨胀作用的逆过程；刚性凝胶的离浆作用是不可逆的。脱水收缩现象的实际例子很多，如人体衰老时皮肤的变皱、面制食品的变硬、淀粉浆糊的“干落”等。凝胶的扩散凝胶和液体一样，作为一种介质，各种物理过程都可在其中进行。物理过程主要是电导和扩散作用，当凝胶浓度低时，电导值与扩散速度和纯液体几乎没有区别，随着凝胶浓度的