绪论1、壳聚糖1、1、1 壳聚糖简介甲壳素(Chitin)又名甲壳质、几丁质，是一种氨基多糖聚合物，系统名为1, 4- 2- 氨基- 2 脱氧- - D 葡萄糖，分子式为C8H15NO6。甲壳素是一种天然生物高分子聚合物，广泛存在于低等动物如虾、蟹等甲壳，蟋蟀等昆虫的甲皮，丽文蛤、牡蛎的贝壳中以及一些低等植物如真菌、藻类的细胞壁中，另外也可源于有机酸类、抗生素和酶的酿造副产物。它是世界上仅次于纤维素的第二大类天然高分子化合物。甲壳素的结构式如图1-1：壳聚糖( Chitosan, CTS) 是天然类多糖甲壳素的重要衍生物, 其化学结构为 1, 4- 2- 氨基- 2 脱氧- - D 葡萄糖,广泛存在于甲壳类动物如虾蟹及昆虫等的外壳以及许多低等植物如菌藻类的细胞壁中,是自然界中储量仅次于纤维素的最丰富的天然高分子材料。壳聚糖是由甲壳素经脱乙酰化处理后得到,其结构式如图1-2。壳聚糖为白色或淡黄色半透明状固体, 略有珍珠光泽; 无毒, 无害, 具有良好的保湿性、 润湿性, 能防止静电;化学稳定性良好,但吸湿性较强。壳聚糖分子结构中存在大量游离氨基, 是天然多糖中少见的带正电荷的高分子化合物。壳聚糖是一种高效的阳离子型絮凝剂, 能有效地沉淀溶液中的有机物,并能抑制细菌生长发育, 其净水效果优于活性炭 2。甲壳素和壳聚糖有重要的生物活性, 特别是壳聚糖大分子链上分布着许多羟基、 氨基,还有部分N- 乙酰基,这些基团的存在使壳聚糖表现出许多独特的化学性质,其溶解性能提高,反应活性增强。壳聚糖作为易于降解的天然高分子材料,已在化妆品、纺织、 印染、 医药、 食品、 生物以及环保等众多领域内均有较广泛的用途 2, 3。由于壳聚糖分子中含有大量游离氨基和羧基, 能与重金属离子形成稳定的螯合物。并且壳聚糖对人和生物无毒,在自然界中受到放射菌的作用能逐步降解,是典型的环境友好材料 1。1、1、2壳聚糖的应用广泛应用于医药卫生方面，其制作的保健品胶囊，具有减肥、降脂、降胆固醇和防治动脉粥样硬化，提高机体的免疫能力等作用。 羧化壳聚糖特性： 白色或类白色、无味、无定形、半透明状固体。 遇水即溶，水溶液清澈透明，性质稳定。用途： 羧化壳聚糖具有突出的水溶性、稳定性、保湿保水性、成膜性、调理性、润肤性和抗菌性等特点，并无毒无副作用，可生物降解。使用含有羧甲基壳聚糖的美容化妆品，能使皮肤更富有弹性，光泽润滑。含有羧甲基壳聚糖的固发调理剂，能使发感柔软，发丝飞扬，控制性极好。1、2水凝胶1、2、1水凝胶的分类水凝胶种类繁多，可以依据原料来源、高分子网络的交联方式、交联结构、尺寸和形状等进行分类。根据来源可分为天然凝胶和合成凝胶。天然凝胶由生物体如琼脂、魔芋、蛋白质等制备。合成凝胶由人工合成交联高分子，同时或在令其吸水而成凝胶。根据水凝胶的网络键和作用，可分为物理凝胶和化学凝胶。物理凝胶是通过物理所用如静电作用、氢键、链的缠绕等形成的。化学凝胶是含有化学交联形成的网络聚合物，其性能较物理凝胶稳定。根据凝胶尺寸可分为微凝胶和宏观凝胶。微凝胶极其微小，由线性分子内交联构成的网络，或者几个分子间发生交联的网络与所含溶剂组成。宏观凝胶成块状，极端情况下所有高分子都交联起来成为一个巨大的溶胀体。根据形状，凝胶可分为柱状、多孔海绵状、纤维状、球状等。1、2、2 水凝胶的应用由于水凝胶具有良好的生物相容性，亲水性，可生物降解，柔软类似生物体组织等性质，并且生物稳定性高，不宜长菌，不会在离子作用下严重收缩，目前水凝胶在医学领域已经被广泛使用。1、3 壳聚糖水凝胶的制备方法和应用1、3、1 壳聚糖类水凝胶的制备方法壳聚糖类凝胶为物理或化学交联的网络。壳聚糖由于其分子间的氢键作用，其酸性水溶液具有一定粘度，而遇到碱性试剂，壳聚糖会立即形成凝胶，但该凝胶受环境，PH影响较大，且凝胶强度不够，在水中的溶胀度也不大。通过化学交联的方法，使线性的壳聚糖链通过共价键交联变成网络结构，或是壳聚糖链通过氢键、库仑力等分子问的作用力或高分子链相互缠结等物理作用形成网络结构的超分子体系。这样一方面可以使壳聚糖分子对酸性溶液的稳定性增强，另一方面可使其对环境的刺激产生可逆响应。这类凝胶可用于制备智能凝胶或分离膜材料。目前常用的制备方法有： (1)使用一些化学交联剂使其交联； (2)光照或辐射与其他高分子形成半互穿或互穿网络； (3)加入一些聚电解质通过静电作用或氢键键合，使其交联。1、3、1、 1化学交联剂形成的壳聚糖水凝胶壳聚糖主链上含有大量的亲水基团 ,尤其是2位上的氨基常作为交联点 ,能与甲醛、 戊二醛等双官能团交联剂反应 ,使线性壳聚糖链间由碳氧双键交联成凝胶。杨丹等1 将甲壳素进行脱乙酰化反应后 ,用以甲醛为主体配制而成的交联剂进行交联 ,加入适量增强剂 ,制得对蒸馏水保水值达 12001500 倍、对自来水保水值大于500倍的超级保水凝胶。从 Schiff 碱反应机理 ,结合红外光谱 ,得出甲醛交联壳聚糖交联点是2位的氨基 ,且适量增强剂的加入 ,使保水凝胶放置数周无水化现象 ,提高了保水凝胶的强度。易国斌等1 以硫酸铈铵为引发剂 ,戊二醛为交联剂 ,合成了 N2乙烯基吡咯烷酮(NVP) 接枝壳聚糖水凝胶。当NVPP 壳聚糖的质量比为6、 引发剂硫酸铈铵用量为壳聚糖质量的 0.4 %、 交联剂戊二醛用量为单体NVP质量的0.2 %、 聚合温度60 和乙酸浓度10 %时 ,NVP接枝壳聚糖反应的接枝率达到 300 %以上 , 且所得凝胶的溶胀性能较好 ,凝胶在40 出现最大溶胀率 ,并观察到凝胶由透明转变为均匀浑浊的一级相转变现象;与聚乙烯吡咯烷酮凝胶相比 ,NVP 接枝壳聚糖水凝胶在NaCl 溶液中表现出反聚电解质效应;凝胶在中性或弱酸性溶液中溶胀性能较好。用差示扫描量热(DSC) 法和动态力学分析(DMA) 法研究戊二醛交联的壳聚糖P 聚醚半互穿聚合物网络(Cr2CsP PE semi2IPN ) 水凝胶中水的状态和玻璃化转变 , 结果表明在此水凝胶中存在 3 种状态的水 , 而水凝胶的玻璃化转变温度随凝胶中不冻结水的含量增大而降低 ,显示水的增塑作用。且用 X2射线衍射分析得出水对聚合物结晶区的增塑作用实际上是对原有结晶的破坏。赵育等2 用氯乙醇对甲壳素进行醚化改性 ,得到水溶性甲壳素衍生物 羟乙基甲壳素(HECH) ,用丙三醇三缩水甘油醚(PTGE) 对羟乙基甲壳素进行交联 ,得到了新型的水凝胶。该水凝胶是pH 敏感性水凝胶 ,在pH 6 .98的缓冲溶液中 ,凝胶的溶胀度随着pH 的下降而迅速增大 ,在pH = 1 的缓冲溶液中 ,凝胶的溶胀度达到了最大值;在去离子水中凝胶的溶胀度随着温度的升高而增大 ,是 “热胀型凝胶” 。Mahdavinia 等3 以过二硫酸钾作为自由基引发剂 ,亚甲基二丙烯酰胺作交联剂 ,将丙烯酸和丙烯酰胺共聚接枝到壳聚糖上 ,得到的水凝胶不仅是两性的 ,对pH的响应具有可逆性 ,并且该凝胶还表现出对盐的敏感性和阳离子交换的性质。以交联剂化学交联壳聚糖制备水凝胶 ,方法比较简单 ,对实验设备要求不高 ,但目前多采用戊二醛、甲醛等毒性较高的交联剂。壳聚糖类物质因其良好的生物相容性、 可生物降解性 ,其水凝胶常被设计用作生物医用材料 ,因此要选择合适的交联反应和交联剂 ,不能影响细胞和药物的活性 ,不能损害人体健康。1、3、1、2 光照或辐射交联形成的壳聚糖水凝胶Y oshii 等4 用电子束或伽马射线分别辐射多糖衍生物羧甲基纤维素(CMC) 、 羧甲基淀粉(CMS) 、 羧甲基甲壳素(CM2chitin) 和羧甲基壳聚糖(CM2chitosan) 时发现 ,在高浓度糊状的水溶液中 ,多糖衍生物辐射交联成水凝胶 ,且都具有良好的溶胀性和生物降解性。羧甲基壳聚糖还表现出对埃希氏属的大肠杆菌有较好的抗菌性。Zhao 等5 在室温下用电子束辐射的方法制备了聚乙烯醇(PVA)2羧甲基壳聚糖(CM2chitosan) 共混水凝胶。在辐射作用下 ,分羧甲基壳聚糖接枝到了 PVA 水凝胶上。与 PVA 水凝胶相比 ,共混水凝胶无论是在机械性能方面还是溶胀性上都有了明显提高 ,尤其是该水凝胶对埃希氏菌属大肠杆菌有较好的抗菌性。Dergunov等6 用伽马射线辐射的方法制备了壳聚糖2PVP 的水凝胶。该水凝胶的溶胀性对溶液的pH 具有依赖性 ,同时还呈现出对表面活性剂的吸收性。在十二烷基磺酸钠的溶液中 ,水凝胶由于络合作用而萎缩 ,但当十二烷基磺酸钠的浓度为胶束临界浓度(CMC) 时 ,凝胶先萎缩后膨胀。Fujita等7 用紫外光辐射含有纤维原细胞增长因子22 (FGF22) 的壳聚糖水凝胶 ,将其固定在慢性心肌梗死的兔子的缺血性心肌表面。研究发现具有生物活性的 FGF22 分子从 FGF22P 壳聚糖水凝胶中控制释放 ,导入到脉管源并可能在缺血性心肌的侧枝循环 ,从而保护了心肌。光照或辐射交联制备水凝胶可不需要用引发剂或其它有潜在危害的化学试剂 ,因此得到的水凝胶比较纯净。另外该过程可在室温下进行 ,因此通过控制制备过程 ,还能够精确控制交联密度 ,得到不同微观结构的水凝胶 ,可用于制备水凝胶纳米球和微米球 ,用作药物载体。但光照辐射所用的射线会对细胞和组织造成损伤 ,所以一般不用于体内组织工程。1、3、1、3 加入聚电解质形成聚电解质复合物的壳聚糖水凝胶聚电解质复合物(PEC)是由两种带相反电荷的聚电解质在溶液中反应的产物。通常指由聚阳离子和聚阴离子相互作用形成的一类物质。PEC 智能性水凝胶对环境刺激(pH、 温度等) 具有可感知、 可响应的能力。用这种方法制备水凝胶 ,不需要任何化学反应 ,分子链间的交联通过分子间相互作用力 ,在水中经过简单的相转变(溶胶2凝胶转变)就能形成水凝胶。选择合适的聚电解质 ,这类水凝胶可简单安全的用于体内。由于其对环境刺激具有可感知、 可响应的能力 ,因此用来制作药物缓释材料。由壳聚糖和果胶制成的聚电解质复合物水凝胶呈现半互穿网络构造 ,具有显著的溶胀特性 ,在酸性区域显著溶胀 ,在中性和碱性区域只发生有限的吸水溶胀 ,且具有较好的pH 刺激响应性。以此水凝胶制备的载药膜对药物具有良好的释放性能 ,在酸性介质中药物释放量比碱性介质中大 ,这和人体生理环境接近。Mitsumata 等8 合成了壳聚糖、 -角菜胶和羧甲基纤维素钠盐的复合水凝胶。复合水凝胶在 pH 为1112附近时显示出有最大溶胀度 ,最大溶胀度随盐浓度的增加而增大并达到一个常数 ,而溶胀的pH不随盐浓度而变化。陈凌云和杜予民等9 研究羧甲基壳聚糖和明胶制备的聚电解质凝胶 ,发现该水凝胶的溶胀度随NaCl 浓度的增加而降低。Ca2 +的加入使得凝胶收缩。随着羧甲基壳聚糖含量的增加 ,水凝胶对pH和离子强度的敏感性增强。水凝胶的溶胀性与自由离子重新分布的渗透压和氢键、 亲水作用的形成有关。Liu等10 考察由不同钙源制备的褐藻酸2壳聚糖水凝胶微囊 ,发现由低分子量和高浓度的壳聚糖制备的微囊具有较低的体积溶胀度 ,中性的pH 和较短的凝胶化时间有利于维持药物活性及药物的负载。且由所谓内凝胶化方法制备的微囊的体积溶胀度比外凝胶化方法制备的微囊要低。羧甲基壳聚糖有很强的吸湿保湿性能 ,并能促进伤口愈合 ,含有羧甲基壳聚糖的膜和凝胶用作伤口敷料、 人造皮肤 ,并可防止组织粘连。海藻酸纤维制成的医用敷料在吸入大量水分后可以形成一层潮湿的水凝胶 ,比传统纱布更能促进伤口复愈。基于此原理制备的海藻酸盐P 羧甲基壳聚糖共混纤维 ,两组分有较强的相互作用 ,且相容性良好 ,纤维吸水率随羧甲基壳聚糖含量的增加而显著提高。经壳聚糖季铵盐处理后 ,纤维对金黄色葡萄球菌具有较强的抑菌作用。1、3、2壳聚糖类水凝胶的应用壳聚糖类水凝胶因其毒性低