殼聚糖及其衍生物的研究進展

李靖雅 鐘志梅(內蒙古農業大學理學院，內蒙古 呼和浩特 010018)

0 引言

殼聚糖是甲殼素的脫乙酰化產物，又稱脫乙酰甲殼素，化學名稱為β-(1-4)-2-氨基-2-脫氧-D-葡萄糖。殼聚糖沒有毒性，可生物降解，物理吸附性很好。在殼聚糖的結構中，同時存在氨基和羥基這兩種基團，可以將殼聚糖進行特定的化學反應，制造出水溶性相對較好而且功能更豐富的殼聚糖衍生物。

1 殼聚糖及其衍生物在醫學領域的研究進展

殼聚糖具有良好的生物相容性及多種生理學活性，例如抗腫瘤活性可以應用于基因治療，良好的組織修復特性可以應用于組織工程學，抗菌活性可以應用于促進傷口愈合的創面輔料等，在醫學領域有廣泛的應用空間。

殼聚糖基于生物聚合物和碳同素異形體的模板，同時無毒且具有良好的生物相容性，因此在生物醫學領域受到關注。貴金屬納米粒子(np’s)由于其獨特的物理學、化學和生物學特性而在生物醫學領域引起了越來越多的興趣和研究[1]。S.Dhanavel等[2]通過簡單且經濟高效的化學還原方法合成了在殼聚糖/還原氧化石墨烯(Gr)上負載新型抗癌藥的鈀np，分別以偶聯形式制備5-氟尿嘧啶(5-FU)和姜黃素負載的納米復合材料，然后使用各種表征手段分析了載藥復合材料，結論為殼聚糖/Gr上的Pd納米球有助于藥物的持續釋放，從而減少了給藥劑量。對人結腸癌細胞(HT-29)的細胞毒性分析顯示了該系統有效抑制細胞生長的功效。

組織工程學是當前和未來醫學的重要治療策略。最近的研究表明，殼聚糖及其衍生物因為其多孔結構，凝膠構成特性，易于化學修飾，對體內大分子具有高親和力等好處，有望作為組織工程學應用的支持功能性材料。In-Yong Kim和Seog-Jin Seo集中于研究各種類型的殼聚糖衍生物及其在各種組織工程中的用途，即皮膚，骨骼，軟骨，肝臟，神經和血管，發現殼聚糖在相關領域有非常出彩的應用效果[3]。

近年來，對基于殼聚糖(CS)的材料及其在整形外科組織工程領域的應用給予了相當大的關注。殼聚糖之所以在該領域能夠得到應用，靠的是其最小的異物反應、固有的抗菌性質以及能夠以各種幾何形式模制的能力，因而適用于細胞向內生長和骨傳導。高嘉[4]利用脂肪組織工程技術，以小鼠為實驗對象，成功制備出了殼聚糖支架，細胞在殼聚糖支架上有良好的粘附生長效果，并且得到了對小鼠細胞無毒性、生物相容性良好等結果，為軟組織缺損的修復重建技術提供了新的思路與實驗數據。

殼聚糖的陽離子性質使其能夠復合DNA分子，成為基因遞送策略的理想候選者。使用這種材料操縱和重構組織結構與功能具有巨大的臨床意義，并且可能在未來幾年中在細胞和基因治療中發揮關鍵作用。張文華[5]依據透明質酸(HA)的受體CD44在非小細胞肺癌(NSCLC)中具有高表達性的特點，制備了透明質酸修飾的新型殼聚糖納米載體，為非小細胞肺癌的基因靶向治療方法提供了新的理論依據。

羅曉梅等綜述了利用殼聚糖微囊化藥物各種特性的見解，還綜述了用于制備殼聚糖微球和評價這些微球的各種技術，該評價還包括影響殼聚糖微球藥物的包封效率和釋放動力學的因素[6]。

張春禮等為了研究醫用羧甲基殼聚糖改善甲狀腺術后頸部活動舒適度的效果，通過對患者的資料進行分析，將患者分為試驗組和對照組，試驗組在術中使用醫用羧甲基殼多糖對患處進行涂抹，而對照組則不使用醫用羧甲基殼多糖，評估甲狀腺術后一個月及三個月的頸部活動舒適度。結果顯示，甲狀腺術后一個月以及三個月的試驗組，患者頸部活動舒適度明顯高于對照組，這兩組試驗的差異有統計學意義，得出結論為醫用羧甲基殼多糖具有改善甲狀腺患者術后頸部活動舒適度的效果，值得臨床推廣應用[7]。

2 殼聚糖以及衍生物在農業領域的研究進展

農業生產的發展主要體現在產量的提升，防治農作物病蟲害、提高作物低溫抗性等問題是農業領域的研究熱點，將殼聚糖及其衍生物應用到農藥、植物生長調節劑中，為這些問題提供了新的解決思路。同時，蔬果及動物產品的品質安全問題也受到社會的關注，殼聚糖具有無毒性、可降解性的優點，使其在飼料添加劑、水土重金屬離子吸附劑及保鮮劑中都得到了廣泛的推廣應用。

根結線蟲是一類土傳性植物病原線蟲，它能阻礙植物根系發育、地上部生長和植物生產。這種線蟲侵害的植物種類十分廣泛，幼蟲可以進入植物根部，使根部形成根結，從而破壞了根系吸收養分的功能，導致植物不能正常吸收水分與養分，對植物的正常生長和發育造成了嚴重阻礙。朱俊[8]以殼寡糖為原料，以活性亞結構拼接法接枝不同活性基團，預先設計后，合成了氨基脲類、胍類和馬來酰化類殼寡糖衍生物，再以南方根結線蟲為實驗對象，通過根結線蟲的反應，測試和評價這三類殼寡糖衍生物的體外活性。以殼寡糖為原料進行接枝修飾改性，制備殺線蟲活性衍生物，不僅拓寬了殼寡糖的應用領域，也對新型殺線蟲劑的開發提供了新的思路。

新煙堿類農藥如25%的阿克泰、20%呋蟲胺水分散劑和莫比朗等，殺蟲效率高，適應范圍廣，同時對動物及人體的毒性相對較低，在殺蟲農藥產品中占據了很大的市場，但是其藥效時間短、水溶性差和利用率低等問題一直沒有很好的解決[9]。王羿博研究了疏水性環糊精(TA-β-CD)、親水性環糊精(β-CD、HP-β-CD、β-CDP)與殼聚糖(CTS)微球包埋β-CD/THX包合物對藥物增溶和緩釋的作用，結果表明，親水性環糊精中的β-CD、HPβ-CD包埋難溶藥物，可以增大難溶藥物的溶解度，進而促進藥物的快速釋放；疏水性環糊精TA-β-CD包埋難溶性藥物，則可以達到緩釋的效果；由此得出，β-CDP水溶性極好，是控釋的良好載體；CTS通過與TPP形成核殼結構包埋β-CD/THX，可以得到具有緩釋效果的藥物[10]。

枯萎病是一類危害嚴重的土傳類病害，其主要的致病菌是尖孢鐮刀菌，可以發生在植物整個生長期間，危害嚴重，目前尚無有效的方法防治枯萎病。可以通過改變土壤中微生物的營養環境、優化微生物群落結構、提高土壤中微生物多樣性而達到抑制枯萎病侵染植株，降低枯萎病發生的目的，曹健[11]選擇殼聚糖和海藻多糖，采用雙氧水、氫氧化鈉等手段制備其寡糖，選擇哈茨木霉T22 B1-2和淡紫擬青霉B10-1菌株，采用固體發酵方式制備孢子粉，構建了基于葉片侵染的防效評價方案，探索了采用生防菌和生物誘抗分子的兩種方式抑制尖鐮孢菌的生長，防治枯萎病的發生。其研究結果為生物防治枯萎病提供了借鑒，補充了枯萎病的防治手段，也為以后的農業產業的發展提供了幫助。

薯蕷(山藥)具有藥用、食用價值，在我國種植十分廣泛。山藥炭疽病是影響山藥產量的重要因素。陳偉益等研究了殼聚糖及其衍生物殼寡糖等對山藥炭疽病病原菌菌落直徑、抑菌持效期及炭疽病發病情況的影響，結果表明殼聚糖及其衍生物對山藥炭疽病的防治有顯著效果，其防治機理為殼聚糖、殼寡糖可以通過抑制病原菌菌絲的伸長，從而改變菌絲結構，達到防治山藥炭疽病的目的[12]。

隨著人類社會愈加現代化與城市化，土壤重金屬污染也愈加嚴重，在化肥、農藥中，汞、砷、鎘等重金屬元素的超標也加重了對土壤的污染，這不僅會影響農作物的產量，同時也會影響危害人體健康。焦常鋒等研究了碳酸鈣-殼聚糖聯用對As污染石灰性土壤的影響，結果表明Ca+C聯用可以使玉米籽粒、根、莖、葉的As含量顯著降低，即碳酸鈣-殼聚糖聯用的方法可應用于石灰性土壤砷污染的修復[13]。

養殖水體中的重金屬污染也是水產農業面臨的問題之一。李儉平等利用蒙脫石負載羧乙基殼聚糖制備成復合吸附劑，結果表明將該吸附劑應用于淡水養殖魚塘水體中，可以有效去除水體中的Cu2+。同時，該吸附劑具有性能良好、環保、再生利用效果好的優點，值得推廣應用[14]。

低溫是影響各種農作物種植分布及生長發育的重要生態因子，提高作物抵御低溫環境的能力是農業發展需要解決的問題。近來研究發現殼聚糖及其衍生物可以作為新型植物生長調節劑，促進植物生長，誘導植物產生抵御病原物質的抗性蛋白，參與植物細胞的防衛反應機制，使植物體自身抗體增強。朱云林等以水稻品種淮稻11為對象，用不同濃度的殼聚糖在低溫下來處理水稻幼苗，結果表明遇到低溫的情況下，噴施殼聚糖后水稻生長狀態良好，可溶性糖、脯氨酸的含量增加，超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、過氧化物酶等抗氧化酶的活性增強，即提高了水稻幼苗的抗冷能力[15]。牛云然以辣椒為實驗對象，用不同濃度的精胺、亞精胺、水楊酸和殼聚糖進行葉面噴施，并測其各項生理、生長及形態等指標，結果為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顯增高，電解質滲透率、MDA含量和冷害指數有所上升但低于對照組，表明添加殼聚糖等外源物質可以提高辣椒幼苗的抗冷性[16]。

畜禽業生產中，飼料添加劑含有促進畜禽生長發育不可缺少的物質，關于飼料添加劑安全性的問題引起了越來越多的關注。為避免動物源食品受到化學物、藥物污染，農業農村部鼓勵企業和研發機構加快生物飼料、酶制劑等抗生素的替代產品開發，推動全行業抗生素減量替代，確保畜禽產品質量安全。何雪萍等研究了殼聚糖對黃羽肉雞生長性能、脂質代謝、屠宰性能及肉品質的影響，對兩組黃羽雞分別飼喂基礎飼糧(對照組)及添加不同分子質量殼聚糖的試驗飼糧，結果表明殼聚糖能顯著降低粗脂肪代謝率，飼糧中添加分子質量分別為2374、3600u的殼聚糖可降低血脂水平，并降低胸肌滴水損失，改善雞肉品質[17]。Pereira等將殼聚糖作為飼料添加劑，用于反芻動物飲食中以代替抗生素，實驗中測試評估了殼聚糖對羔羊生長性狀、營養物質消化率、肌肉和脂肪沉、肉類脂肪酸(FA)、肉質性狀和血清代謝組的影響，得到的數據表明殼聚糖可以改變肌肉的新陳代謝，從而改善肌肉質量沉積和羔羊的生產性能。此外，殼聚糖還導致了FA代謝改變，羊羔肉質也得到了改善[18]。

隨著農業生產的發展，對農產品保鮮的研究也逐漸成為農業領域的熱點研究方向。在水產品保鮮方面，生物保鮮劑因其安全、高效的優點得到廣泛研究應用。李佳藝等分別以殼聚糖復合保鮮液(10mg/mL殼聚糖+5mg/mL茶多酚+2000U/mL溶菌酶)和無菌水(對照組)處理草魚片，通過對比草魚冷藏過程中鮮度(K值)、ATP關聯物、汁液流失率等指標，分析了殼聚糖對草魚品質變化的影響，結果表明殼聚糖保鮮液可以延緩魚類變質過程[19]。潘婷婷等將連翹提取物與殼聚糖進行復配，涂在圣女果表面，測定了失重率、腐爛率等指標，結果表明不同配比的連翹-殼聚糖復配物均可以延緩圣女果的衰敗，即對圣女果有明顯良好的保鮮作用[20]。

3 殼聚糖以及衍生物在納米材料領域的研究進展

納米材料作為一種由超微顆粒組成的、結構單元尺寸接近電子相干長度的新型材料，具有在光學、力學、化學等方面的獨特性質。將殼聚糖與納米材料復合，可以得到具有優異的穩定性、生物相容性和機械強度的復合材料，廣泛應用于水處理、食品、紡織和醫學等領域。

殼聚糖-DNA納米顆粒可以采用復雜凝聚工藝進行制備。Priyanka Chhabra等[21]研究了納米顆粒合成的重要參數，包括殼聚糖和DNA的分子量、DNA濃度，溶液溫度，緩沖液的pH值以及硫酸鈉的用量等，在氨基與磷酸基團之比(N/P比)介于3和8之間且殼聚糖濃度為100μg/mL的情況下，顆粒尺寸被優化至100～250nm，分布狹窄。這些顆粒的表面電荷在pH值低于6.0時具有+12～+18mV的zeta電位，略帶正電，在pH 7.2時變為中性。電泳遷移率分析所示，殼聚糖-DNA納米顆粒可以部分保護被包封的質粒DNA免受核酸酶降解。

Dongxue Han等開辟了一種將葡萄糖氧化酶固定在殼聚糖薄膜中的新型葡萄糖生物傳感器，該殼聚糖薄膜是含有石墨烯和金納米顆粒(AuNPs)的納米復合材料[22]。所得石墨烯/AuNPs /殼聚糖復合膜對H2O2和O2表現出良好的電催化活性。良好的電催化活性可能歸因于石墨烯和AuNPs的協同作用。以葡萄糖氧化酶(GOD)為模型，通過簡單的鑄造方法構建了石墨烯/ AuNPs / GOD /殼聚糖復合修飾電極，所得的生物傳感器對葡萄糖表現出良好的安培響應。石墨烯/AuNPs/GOD/殼聚糖復合膜對葡萄糖的電化學反應顯著，在葡萄糖的電化學檢測中具有廣闊的應用前景。

靜電紡絲所制得的納米纖維材料有利于細胞的附著、增殖，近年來在組織工程支架研究在受到廣泛關注。為了將只溶于有機溶劑的疏水PLA材料與只溶于水的親水海藻酸鈉結合，王偉彬通過聚乳酸與殼聚糖混合靜電紡絲并用EDC/NHS對纖維在水溶液中與海藻酸接枝改性，制備了聚乳酸復合納米纖維膜PLA/CS-Al，用微觀形貌分析、熱重分析等技術手段測試復合材料的性能，實驗結果表明用PLA與殼聚糖混合紡絲制備的PLA/CS-Al親水性能、降解性能都得到了顯著的提升[23]。

殼聚糖及其衍生物對重金屬離子也展現出良好的吸附性能，設計制備機械性能提高、溶脹效應降低的殼聚糖復合材料成為重金屬離子吸附劑的一種優化研究方向。劉婉霞采用化學接枝法，制備出以EDTA修飾改性的殼聚糖材料(CS-EDTA)，研究了該復合材料在水溶液中吸附鈷離子的過程，表征分析了吸附機理，為以后制備性能更加優異的殼聚糖基復合材料提供了理論依據[24]。

4 結語

殼聚糖及其衍生物作為一種天然的聚氨基葡萄糖，原料來源廣泛，對環境友好，易于化學修飾。同時憑借其優良的生物相容性、生物可降解性、抗菌等特性，在學術研究領域中得到了充分的創新和發展，并廣泛應用于各領域中，均取得了較為突出的成績。目前殼聚糖及其衍生物功能材料領域、醫療領域、農業領域和食品領域都有了相應的應用，但是長遠來看其應用還有很大的拓展空間，比如一些細分的納米醫療領域、小分子載體領域、綠色農藥等，對殼聚糖進一步研究改性，可以為科技發展提供新的途徑。