甲壳素和壳聚糖之所以具有重要的理论研究意义和商业价值，在于其分子结 构和组成的独特性，它是自然界唯一的碱性多糖，是地球上数量最大的含氮有机 化合物。甲壳素及其衍生物不但具有良好的生物相容性、低毒和生物降解性，还 具有许多生物医学功能和药物作用，壳聚糖被誉为人体所需的第六大生命要素。 许多甲壳素及其衍生物产品业已商业化，关于甲壳素壳聚糖的国际会议每两年 召开一次，关于甲壳素的国际性学术专刊“Advance in Chitin Science也于上世 纪九十年代创刊。甲壳素及其衍生物已经在生命科学、功能材料等领域形成了新 的研究和开发热点。甲壳素和壳聚糖具有较复杂的双螺旋结构，螺距为0. 515nm,个螺旋平面由6个糖残基组成。甲壳素的结构单元是甲壳二糖，壳聚 糖的结构单元是壳二糖。甲壳素大分子链上分布着许多羟基，N.乙酰 氨基和氨基，它们形成各种分子内和分子问的氢键。甲壳素的结构由 于氢键类型不同而有三种结晶体：a甲壳素，由两条反向平行的糖 链组成，通常与矿物质沉积在一起形成坚硬的外壳，如虾蟹的外壳； B甲壳素由两条同向平行的糖链组成；Y甲壳素由三条糖链组成， 两条同向一条反向。B和Y甲壳素与胶原蛋白相联结，表现出一定 的硬度、柔韧性和流动性，具有与支承体不同的许多生理功能，如电 解质的控制和聚阴离子的运送等。壳聚糖也存在这样的三种结晶状 态。B甲壳素在6mol / L的盐酸中会转变为a甲壳素，a甲壳素的 酰胺I带在1660cm- 和1630cm-1有特征吸收峰，而B甲壳素在 1630cm-1没有红外吸收峰，因而可用红外吸收光谱便捷的区分两者。 甲壳素中大分子具有稳定的晶体结构，且大分子间存在较强的 氢键。因而具有稳定的物理化学性质。常温下既不熔融，也不溶于水、 稀酸、稀碱和一般的有机溶剂，这给甲壳素产品的加工造成了不便。 目前所发现的甲壳素的溶剂主要有氯化锂/ N，N二甲基乙酰胺 （LiCl/蹦Ac）、氯化锂/N_甲基砒咯烷酮（LiCl/N姬）、四氧化二氮/N, N- 二甲基甲酰胺（N20/DMF）、六氟异丙醇/六氟丙醇、甲酸/二氯乙酸、 氯乙醇/硫酸、三氯乙酸/二氯乙烷、甲烷磺酸和三氟醋酸等。最近日 本Tokura S.发现甲壳素在水合氯化钙的甲醇饱和溶液中具有良好的 溶解性阐。甲壳素在强酸（浓硫酸、浓盐酸和浓硝酸）中能够溶解，但 同时大分子长链会在连接结构单元的糖苷键处断裂，使相对分子量降 低。 壳聚糖大分子中大量的乙酰基被脱除，分子中大部分的氨基暴 露出来，氨基质子化后可溶于水，故其良溶剂主要为酸类“3：形成 弱的非牛顿型溶液的溶剂，溶液没有很清楚的黏度界限，如乙酸、柠 檬酸、甲酸、羟基乙酸、乳酸、马来酸、丙二酸、丙酮酸和酒石酸的 水溶液；形成的溶液具有一定的黏度界限，但又是非牛顿型溶液的 溶剂口2mol/L的二氯乙酸和10%的草酸；0. 041mol/L的苯甲酸、0. 36mol / L的水杨酸和0. 052mol / L的对氨基苯磺酸，形成的壳聚糖 溶液初期黏度和溶解度较大，但总的溶解度较低：溶液的黏度取决 于壳聚糖浓度的溶剂，如N, N-二甲基甲酰胺、二甲亚砜、乙胺、甘 氨酸、甲胺、异丙胺、砒啶、水杨酸、三氯乙酸和尿素的水溶液以及 2mol / L的苯甲酸一乙醇。N-脱乙酰度和溶液的黏度（反映平均分子量） 是壳聚糖的两项主要性能指标。甲壳素、壳聚糖分子中由于含有一0H基、 讯基、吡喃环、氧桥 等功能基，其衍生化反应主要发生在这些基团上。如图1. 2所示。 1。通过化学改性可得到不同性质和功效的甲壳索和壳聚糖衍生物，从而 拓宽其应用范围，提高其应用价值。 1. 1. 3. 1酰化反应 甲壳素和壳聚糖可与多种有机酸的衍生物如酸酐、酰卤等反应， 导入不同分子量的脂肪族或芳香族酰基，形成有机酸酯。这是甲壳素 和壳聚糖的化学反应中研究得最多的一类反应。根据反应的官能团不 同，甲壳素的酰化反应可分为胺基酰化（N_酰化）和羟基酰化（0_酰化） n03。酰化反应往往是既发生N-酰化又同时发生o_酰化，既发生c。一0H 的酰化又发生c。一oH的酰化。如果壳聚糖的C6-OH、G0H和c毗都 被酰化，则生成全酰化的甲壳素。酰化产物的生成与反应的溶剂、酰 化试剂的结构及催化剂等因素有关。壳聚糖要得到单一的o-酰化产 物，必须对一NH2基进行保护，可用四种方法实施：先制备o甲壳 素衍生物再用碱脱去乙酰基；预先使壳聚糖的_N也基与醛反应生 成西佛碱，发生0_酰化后再用酸解除去保护基“”；利用金属离子 模板保护崛基，制备反应在cB-删上发生的o_酰化产物“3；引入 邻苯二甲酰基，一方面保护-NH2基，另一方面反应产物在有机溶剂中 可溶，通过该反应已制备出许多具有特殊功能的壳聚糖衍生物“3“1。 11-32含氧无机酸的酯化反应甲壳素和壳聚糖的硫酸酯的结构与肝素相似，也具有抗凝血功 能，设计壳聚糖硫酸酯的特定结构与分子量可制得抗凝血活性高于肝 素而没有副作用、价廉的肝素代用品。硫酸酯化试剂主要有：浓硫酸、 二氧化硫一三氧化硫、氯磺酸等，反应一般在非均相条件下进行。壳 聚糖可同时在羟基和氨基上生成磺酸酯键，如果将壳聚糖的c6-删氧 化成羧基再进行硫酸酯化，可制得结构与肝素更接近的产物。甲壳素 用碱处理后再与二硫化碳反应，可生成黄原酸酯。壳聚糖加到CS。和 Na0H的水溶液中，60。C反应6h得到N_黄原酸化壳聚糖，是一种有效 的重金属去除剂。甲壳素和壳聚糖在甲磺酸中用跳处理，可得到磷 酸酯；用硝酸或含硝酸的混合酸进行硝化反应可得到硝酸酯，壳聚糖 的硝酸酯不稳定“。.1133醚化反应 甲壳素和壳聚糖的羟基可与烃基化试剂反应生成醚，如甲基醚、 乙基醚、苄基醚、羟乙基醚、氰乙基醚、羧甲基醚等，使之改善溶解性或赋 予另外的特性，开发新材料。甲壳素的碱性溶液与环氧乙烷反应，得到水溶性的羟乙基化衍生物，反应过程中甲壳素同时发生脱乙 酰化哺，。壳聚糖在碱眭条件下羟基与环氧丙烷反应，在酸性条件下反 应发生在氨基上，羟丙基化壳聚糖具有水溶性可用于化妆品n。羧甲 基甲壳素是由碱化甲壳素与一氯乙酸反应得到，产物在日用化学品、 医药等方面具有广泛的应用前景。1. 1. 3. 4 N_衍生物甲壳素乙酰氨基N上的H在某些强烈条件下能发生取代反应。壳聚糖的氨基属于一级氨基，具有一对孤对电子亲核性很强，N上的 H较活泼，能发生N_酰化反应和N-烷基化反应“刀。壳聚糖与卤代烷 反应首先发生的是N烷基化“，与环氧衍生物的加成反应得到N-烷 基化衍生物“”。壳聚糖在中性介质中很容易与芳香醛（或酮）、脂肪醛 反应生成西佛碱（SchifPs bases），这个反应一方面可用于保护氨基， 然后在羟基上进行各种反应，反应结束后可方便的脱去保护基；另一 方面有些特殊的醛形成的西佛碱经氰硼化钠还原可合成一些很有用 的N衍生物嘲。壳聚糖分子的每个糖残基上都有一个游离氨基，很 容易制成各种季铵盐。壳聚糖的季铵盐是在糖分子链上分布着许多季 铵基团，从一个糖残基来看是葡萄糖残基的砒喃环的G上存在一个 季铵基，而葡萄糖残基除CB外，其他的c都是不对称C原子。具有 不对称C原子的季铵盐可能具有特殊的生物活性，对不对称合成的相 转移催化反应有特殊作用（九）。羧酸酐在高温下能与壳聚糖发生猛烈反 应形成州化衍生物，可用于壳聚糖的氨基保护便于进行o_衍生化 反应，同时有些N_衍生物对有些癌细胞有选择性聚合作用，有作为 抗癌新药的诱人前景，因而研究较多嗌，。1135接枝共聚 甲壳素和壳聚糖的接枝共聚合反应通过在甲壳素和壳聚糖的葡 胺糖单元上接枝乙烯基单体或其他单体来合成半聚合物多糖，将合成 聚合物的优异性能赋予甲壳素，因而成为甲壳素改性的一大热点。其 接枝共聚有化学法和辐射法两种，按反应机理可以分为自由基引发和 离子引发接枝。自由基引发接枝关键是产生自由基，目前甲壳素自由基接枝 共聚的引发体系有：氧化还原引发体系，主要是铈离子乜 “、三丁基硼烷。、过硫酸钾a捌和8。_Fe”汹1引发烯类单体如丙烯酸、 丙烯酸酯、丙稀酰胺、甲基丙烯酸甲酯和苯乙烯等接枝到糖残基上； 偶氮二异丁腈引发丙稀腈、甲基丙烯酸甲酯在壳聚糖氨基上接枝 跚1;辐射引发法，” co的Y射线和低压汞灯产生的紫外线可用于甲 壳素、壳聚糖的接枝共聚。” 1。离子引发接枝共聚研究较少，碘代甲 壳素分散在硝基苯中加入路易斯酸SnCI。与苯乙烯按阳离子接枝共聚 机理得到接枝共聚物-1;另一个例子是壳聚糖与非烯类单体的N羧 酸酐接枝共聚，可得到称之为多糖肽的新型接枝共聚物九。1. 1. 3. 6甲壳素和壳聚糖的降解反应71 由于低分子量的甲壳素和壳聚糖具有许多优异性能，特别是具有生物活性的甲壳素和壳聚糖的五九糖在抑制肿瘤方面的特殊功能，使得甲壳低聚糖制备成为当今国内外研究开发的重点领域。甲壳低聚 糖主要用以下几种方法获得：合成法，主要有化学合成、利用糖基 转移法合成和利用转基因法合成；降解法，包括物理降解法（如超 声波和辐照法）、化学法（如H她、NaNQ及酸对壳聚糖实施降解，其 中1如降解产品已经商业化）和酶解法（用专一性壳聚糖酶或非专一 性酶如蛋白酶、纤维素酶、半纤维素酶和果胶酶等）。甲壳素和壳聚糖分子 中毹f-OH、一NH极性基团，具有较好的吸湿性、保湿性。壳聚糖吸湿性很强，仅次于甘油，比聚乙二醇、山梨 醇高。甲壳素、壳聚糖及其衍生物具有良好的生物相容性和生物降解 性，降解产物对人体无毒副作用，体内不积蓄，无抗原免疫性：具有 抗菌杀菌、抗肿瘤作用；具有加快伤口愈合、促进组织修复及止血能 力，对受损伤的生物体能诱生特殊细胞加快创伤愈合；壳聚糖作为天 然抗酸剂，具有中和胃酸、抗溃疡作用，还可以降低肾病患者血清胆 固醇、尿素及肌酸水平“1。1. 1. 5甲壳素和壳聚糖的应用 甲壳素、壳聚糖由于其独特的分子结构，呈现出许多特殊的物理 化学性质和生物沂眭，在废水处理、食品工业、农业、轻工业、化妆品、化 学工业、医药工业及生物工程等方面得到了广泛应用。目前研究的热点为生物医用材料和功能材料。科学家已经尝试用甲壳素及其 衍生物制备外科手术缝合线、人工透析膜、医用微胶囊和药物缓释剂、 医用敷料、人工皮肤、抗凝血剂和接触眼镜等，近年已有少量产品进 入临床实用阶段。甲壳素纤维纺织品不但具有抗菌防霉作用，同时还 具有良好的生物学效应。商业上已经将各种不同尺寸的甲壳素和壳聚 糖微球用于金属离子、尿激肽释放酶、尿激酶的吸附剂” 。甲壳素、壳 聚糖由于其独特的分子结构，呈现出许多特殊的物理化学性质和生物活性，聚氨酯是大分子主链中含有重复的氨基甲酸酯 链段的合成聚合物，广泛应用于各个领域。近年来以天然高聚物甲壳 素及其衍生物与合成高聚物聚氨酯制备综合性能优良的复合材料引 起了人们广泛的研究兴趣。122接枝共聚改性 甲壳素、壳聚糖与聚氨酯的接枝共聚物是以天然聚合物(多糖链) 为主链，以合成聚合物为侧链的半合成聚合物，兼具天然聚合物和合 成聚合物的某些性质。Simone S. Silva等1研究了聚氨酯一壳聚糖接 枝共聚物。接枝共聚物的制各是分两步进行的：先将分子量为600 或1500的聚乙二醇(PEG)和异佛尔酮二异氰酸酯(IPI) I)按一NC0/一 oH摩尔比为1：1或1. 05： l缩聚反应制备聚氨酯预聚体。将壳聚糖分 散在D岍/冰乙酸混合溶剂中充分溶胀，加入到聚氨酯预聚体中于105 搅拌反应2h。所制各的接枝共聚物的取代度(Ds)为0, 12o. 59, IR和” CNMR结果表明蹦F /冰乙酸体积比为50 / 50是壳聚糖较好的溶 胀剂，在稀醋酸溶液中样品随DS的刚氐溶解性交差，但仍保持成膜 能力；随接枝度增加样品将形成凝胶或变为不溶。董岸杰等利用壳聚糖大分子链上盼一oH租叫吼基团与两性聚 氨酯s U)预聚体的端一Noo基团反应，将两性聚氨酯链接枝到壳聚 糖分子链上，为聚电解质及纳