殼聚糖基納米纖維膜的交聯方法

夏鈺華，吳 鵬，徐長安，唐 旭

(1.福州大學 生物科學與工程學院，福州 350108； 2.自然資源部第三海洋研究所，廈門 361005)

殼聚糖是甲殼素的脫乙酰產物，被認為是最豐富的天然多糖之一，是目前自然界唯一帶正電的堿性多糖[1]。殼聚糖對多種細菌、真菌都具有抑菌活性[2]，是一種具有較高活性的廣譜抗菌劑[3-5]。殼聚糖具有良好的生物相容性、可降解性、抗菌性、成膜性好、無毒等特點，屬于可再生資源，并且其來源廣泛[6]，使其在生物醫學、環境保護、食品包裝等領域均具有廣闊的應用前景。目前，采用靜電紡絲技術制備殼聚糖基納米纖維膜的研究較多，因為殼聚糖在高靜電壓作用下拉伸，溶劑快速蒸發后固化形成的納米纖維具有直徑小、比表面積大、孔隙度高、纖維連續性好等優點。區別于傳統的紡絲技術，靜電紡絲裝置簡單、紡絲成本低、可紡物質多、工藝可控，已成為制備納米纖維的重要技術[7-9]。但是殼聚糖基納米纖維如果未經交聯，由于纖維的比表面積大，使其極易溶于水、適用pH范圍小、機械強度差等缺點，因此通過有效的交聯方法獲得具有穩定性能的殼聚糖基納米纖維膜非常重要。

1 高壓靜電紡絲制備殼聚糖基納米纖維膜

殼聚糖基納米纖維靜電紡絲過程如圖1所示，由殼聚糖配置而成的紡絲液，在10～30 kV的高壓靜電場及外力推動下，在金屬噴頭處形成液滴，由于液滴表面張力不足以支撐靜電相斥力而形成泰勒錐，此時聚合物射流在高壓靜電場中高速拉伸、溶劑揮發、溶質固化，最終沉積在接收裝置表面，從而得到殼聚糖纖維[9，13]。

圖1 靜電紡絲制備殼聚糖基納米纖維膜示意Fig.1 Preparation of chitosan-based nanofiber membranes by electrospinning1—注射器;2—殼聚糖復合紡絲液;3—高壓靜電;4—泰勒錐射流;5—鞕動射流;6—接收電極

表1 殼聚糖基納米纖維膜的交聯方法及性能和應用場景Tab.1 Crosslinking method and properties and application of chitosan-based nanofiber membranes

2 殼聚糖基納米纖維膜的交聯方法

2.1 化學交聯

2.1.1 戊二醛

通過戊二醛對殼聚糖基納米纖維膜進行交聯是最為常見和有效的方法之一。殼聚糖與戊二醛通過席夫堿反應生成亞胺結構，如圖2所示[16]。

圖2 殼聚糖與戊二醛交聯示意Fig.2 Schematic diagram of crosslinking between chitosan and glutaraldehyde

殼聚糖也可以通過邁克爾加成反應與戊二醛末端的醛基生成羰基[16]。汪希銘等[17]在常溫下通過使用戊二醛蒸氣對殼聚糖/聚環氧乙烯復合納米纖維膜進行交聯，結果顯示交聯后的納米纖維膜在耐水性能上有了明顯的改善，使其更加適合應用于傷口敷料。其主要是由于交聯處理后殼聚糖與戊二醛的分子之間生成了亞胺鍵，增加了其剛性，同時發現交聯時間在0～24 h內隨著交聯時間的延長，納米纖維的直徑也相應變大。竇涌等[18]采用質量分數為25%的戊二醛溶液對殼聚糖/聚乙烯醇進行24 h熏蒸后得到了熱穩定性、耐水性更好的納米纖維膜，是生物醫學中一種潛在的組織工程支架；通過紅外分析發現交聯后的納米纖維出現了新的羰基吸收強峰，熱重分析結果也顯示交聯后的納米纖維具有更高的熔融溫度，說明在交聯過程中形成了更多的新的化學鍵。通過戊二醛熏蒸的方法，能夠使殼聚糖基納米纖維膜得到有效的交聯，其操作簡便易行、生產成本低的特點使其被廣泛地使用；但考慮到殘留的戊二醛具有一定的細胞毒性，并且醛類交聯劑與殼聚糖形成的席夫堿具有化學不穩定性，因此在實際應用中受到一定的限制。

2.1.2 環氧氯丙烷

殼聚糖與環氧氯丙烷交聯如圖3所示[30]，環氧氯丙烷是一種環氧類化合物，化學性質活潑，易發生開環反應。

圖3 殼聚糖與環氧氯丙烷交聯示意Fig.3 Schematic diagram of crosslinking between chitosan and epichlorohydrin

鄭化等[31]使用環氧氯丙烷對殼聚糖納米纖維進行交聯獲得了一種有望應用于可控降解的生物醫學材料，研究發現使用環氧氯丙烷對殼聚糖進行交聯時，其交聯方式受到溫度的影響，交聯溫度低于40 ℃時殼聚糖只有氨基參與反應，當溫度大于40 ℃時，殼聚糖中氨基和羥基均能發生交聯反應。M.S.AUSTERO等[16]和A.E.DONIUS等[21]通過體積比10:1的殼聚糖與環氧氯丙烷對殼聚糖納米纖維膜進行交聯，得到了直徑為(896±435) nm的殼聚糖納米纖維，該殼聚糖納米纖維膜在pH 為3的環境中具有良好的穩定性，同時其機械強度也得到了顯著提高，為其作為濾膜、生物組織支架提供了可能。環氧氯丙烷交聯殼聚糖基納米纖維膜可以通過調節反應溫度來選擇交聯基團進行反應，可以通過提高溫度來得到力學性能更好的殼聚糖基納米纖維膜。但隨著交聯反應的溫度升高，對于納米纖維封裝的活性物質可能產生不利影響，同時環氧氯丙烷其本身的細胞毒性也不容忽視。

2.1.3 乙二醇二縮水甘油醚

乙二醇二縮水甘油醚比常用的化學交聯劑戊二醛和環氧氯丙烷具有更低的細胞毒性[23]。如圖4所示，乙二醇二縮水甘油醚具有兩個環氧基團，可以與氨基、羥基、羧基進行反應，可以與殼聚糖中的胺的官能團進行交聯[22]。但胺與雙環氧化合物的反應在室溫下很慢，可以通過提高溫度來加快反應[32]。A.AQIL等[22]通過質量分數為1%的乙二醇二縮水甘油醚水溶液交聯的殼聚糖/聚環氧乙烯復合納米纖維膜能夠在酸性溶液(pH為 5)中保持一定的強度，增加其耐水性和機械強度。皮膚成纖維細胞和內皮細胞在該納米纖維膜上表現出了良好的附著性、增值能力和活性。A.DODERO等[23]將殼聚糖/聚環氧乙烯復合納米纖維膜放在體積分數為2.5%和5%的乙二醇二縮水甘油醚水溶液中進行化學交聯，紅外分析結果顯示納米纖維膜上的胺官能團發生了減少或消失，這使得殼聚糖基納米纖維膜的性能得以提升，可以進一步獲得可用于細胞增殖的高性能材料。低濃度(質量分數為1%～5%)的乙二醇二縮水甘油醚即可與殼聚糖基納米纖維進行高效交聯，交聯條件溫和，相比于常用化學交聯劑如戊二醛、環氧氯丙烷，具有更高的安全性，但交聯過程是通過化合物共價結合，所以交聯后的殼聚糖基納米纖維膜中仍可能存在乙二醇二縮水甘油醚的殘留。

圖4 殼聚糖與乙二醇二縮水甘油醚交聯示意Fig.4 Schematic diagram of crosslinking between chitosan and ethylene glycol diglycidyl ether

2.1.4 紫外光交聯

紫外光交聯的方法與化學共價交聯法相比較具有更加高效和綠色環保的特點，在合適的光引發劑的存在下，通過紫外光的作用會產生自由基，進而形成交聯網絡[33]。甄洪鵬[24]通過在殼聚糖/聚乙烯醇紡絲液中加入質量分數為1%～5%的光交聯單體三甘醇二甲基丙烯酸酯和質量分數為3%的光引發劑二羥基二甲基苯基丙酮得到的復合納米纖維膜，進一步使用200 mW/cm2光強的紫外點光源進行10 min光交聯得到了具有良好耐水性的醫用高分子材料，可以作為生物礦化基質、藥物緩釋載體等。如圖5所示，P.KIANFAR等[15,34]通過添加質量分數為2%的二苯甲酮作為光引發劑將殼聚糖/聚環氧乙烯復合納米纖維膜直接使用高低兩種紫外光強度(7 mW/cm2和70 mW/cm2)進行照射，結果顯示聚環氧乙烯在紫外光的照射下進行了交聯，殼聚糖發生部分裂解，從纖維形貌上看沒有明顯變化，復合納米纖維膜的耐熱性和耐水性均有改善，使其在生物醫藥、食品包裝領域可以得到進一步的應用。紫外光交聯的方法通過選取合適的光引發劑對殼聚糖基納米纖維膜進行交聯固化，具有高效、綠色、經濟等優點。但在交聯過程中殼聚糖的裂解使其無法得到在結構上更穩定的納米纖維膜，同時為了防止高分子共混物發生光氧化，需要在氮氣氛圍中進行交聯反應，操作繁瑣。

圖5 二苯甲酮在紫外光下引發聚環氧乙烯交聯示意Fig.5 Crosslinking of polyethylene oxide initiated by benzophenone under ultraviolet light

2.2 物理交聯

2.2.1 非共價交聯

圖6 殼聚糖與離子交聯示意Fig.6 Schematic diagram of crosslinking between chitosan and

2.2.2 熱交聯

熱交聯的方法毫無疑問是一種更加安全和綠色的交聯方法，交聯過程無需添加化學試劑[41-43]。QIN Z Y等[25-26]在120℃下對殼聚糖/普魯蘭多糖納米纖維膜進行熱交聯2 h處理發現，隨著殼聚糖比例的增加，大量的-NH2與普魯蘭多糖發生美拉德反應，從而使納米纖維膜的耐水性得以增強，為通過殼聚糖納米纖維膜封裝除氧劑、除濕劑、抗菌劑等活性物質在食品包裝中發揮長效作用提供了進一步的實驗基礎。O.K.YUN等[27]對殼聚糖/聚乙烯醇納米纖維膜進行150 ℃，10 min的熱交聯處理得到了耐水性和拉伸效果更好的傷口敷料；M .MOYDEEN[28]對殼聚糖/聚乙烯醇納米纖維膜在120 ℃進行6 h交聯，發現殼聚糖和聚乙烯醇形成了更多的分子間氫鍵，從而提高了耐水性和熱穩定性，獲得了一種應用于頭孢氨芐的藥物遞送體系。如圖7所示，JIANG M J等[29]對殼聚糖/聚丙烯酸鈉納米纖維膜在190 ℃進行12 h交聯，得到了耐酸堿的納米濾膜，對水溶液中鉻(Cr)離子的去除率達到了79.3%，能對工業廢水中的重金屬離子進行有效吸附。熱交聯的方法為殼聚糖基納米纖維膜的提供了一種安全可行、操作簡便的交聯方法，但熱交聯時需要較高的溫度，生產成本較高。

3 結語與展望

殼聚糖基納米纖維膜因其生物相容性、可降解性等特點，在生物醫藥、食品包裝、環境保護等領域均具有潛在的應用價值。殼聚糖基納米纖維膜的交聯方法包括添加交聯劑的化學交聯、紫外光交聯、非共價交聯、熱交聯等，其中添加交聯劑的化學交聯是應用最早、最廣和研究最多的交聯方法，該方法能更好地獲得機械強度高、耐水性強、耐熱性強的生物材料，但化學物質本身存在細胞毒性等缺點；紫外光交聯、非共價交聯、熱交聯的方法提供了更為綠色、環保的解決方法，但其交聯效果與添加交聯劑的化學交聯法還存在一定差距。

在藥物遞送體系、傷口敷料、組織工程支架等領域，通過不同交聯方式均能加強納米纖維膜的使用性能。在食品包裝領域，通過戊二醛進行殼聚糖基復合納米纖維膜的交聯，使材料具有了一定的機械強度和耐水性，但由于戊二醛的細胞毒性，目前可以采用天然來源的肉桂醛代替戊二醛進行交聯。未來，更為綠色、環保、安全的交聯是該領域進一步研究的方向。在環保領域，殼聚糖基納米纖維膜可應用于染料吸附、重金屬離子吸附等工業廢水處理，也可應用于去除細菌等水凈化處理等。用于環保領域的殼聚糖基納米纖維膜是近年來研究的熱點，通過化學交聯獲得更加穩定和耐酸堿的納米纖維膜是關鍵。總而言之，不同的交聯方法均對殼聚糖基納米纖維膜在使用性能上有了一定的提升，但面對具體的使用場景和實際使用需要，更為綠色、環保、安全的交聯方式仍然需要進一步的研究和探索。