殼聚糖基水凝膠的制備及應用研究進展

李月生,饒 璐,劉東亮,王智俊,付娌麗,楊金玉,陳黃琴

(1. 輻射化學與功能材料湖北省重點實驗室,湖北 咸寧 437100;2.湖北科技學院 藥學院,湖北 咸寧 437100;3. 湖北科技學院 口腔與眼視光醫學院,湖北 咸寧 437100)

一、引言

水凝膠是通過物理交聯[1-3]和化學鍵[4]交聯等形成的三維網絡結構,在水中能長時間保持溶脹狀態但不會溶解,不僅具有良好的生物相容性和生物可降解性,而且還具備一定的抗菌、止血作用。因其可回收性、溶脹性、生物可降解性、易于使用等特點,被廣泛應用于農業、食品包裝、藥物傳遞等領域[5,6],尤其在醫療衛生領域有很重要的價值:創面敷料和軟骨組織工程[7,8]。水凝膠由于類似細胞外基質且有一定的力學性能,有利于細胞和骨蛋白的再生,進而促進傷口的愈合和軟骨的形成。

殼聚糖在自然界中分布廣泛,是一種可再生資源。人們可以在蝦蟹等海洋節肢動物、軟體動物和昆蟲的甲殼及高等植物的細胞壁中提取甲殼素,然后進行脫乙酰化制備而成[9]。殼聚糖分子中的羥基和氨基,可用于制備具有不同性質的水凝膠。He等[10]通過氨基與戊二醛交聯劑進行反應合成力學性能優良、成本低廉、可循環利用的羧甲基殼聚糖-高嶺石復合水凝膠(圖1)。該水凝膠將殼聚糖的活潑基團與Cu2+進行化學吸附和高嶺石的無機吸附結合,對Cu2+具有較高的吸附效率,為重金屬離子的去除提供了嶄新的思路。

圖1 殼聚糖-高嶺土復合水凝膠的合成工藝[10]

殼聚糖主要通過分子之間發生交聯形成三維網絡狀的水凝膠,其制備方法有物理交聯和化學交聯。

(一)物理交聯

物理交聯是通過分子與分子的作用力使殼聚糖成為水凝膠。主要通過分子間靜電相互作用、金屬離子配位鍵合方式和疏水作用使其成為水凝膠。

1.靜電相互作用

靜電相互作用是通過陰離子分子和殼聚糖的氨基之間發生作用使其凝膠化。殼聚糖作為一種良好的生物相容性陽離子聚合物,被研究人員廣泛研究,尤其是與陰離子大分子聚合物DNA結合。Chen等人[11]通過殼聚糖和DNA骨架之間的靜電相互作用制備了一種新型可調、高度生物相容性和可注射的DNA-殼聚糖混合水凝膠。 Ishii-Mizuno等人[12]利用靜電相互作用將殼聚糖與免疫刺激性DNA水凝膠混合,發現其比未混合的免疫刺激性DNA水凝膠更穩定,更堅韌,結合水更多,在體外釋放模型抗原卵清蛋白的速度更慢,能有效誘導抗原特異性免疫應答。 Zhang等[13]利用殼聚糖(CS)網絡和聚磺基甜菜堿-丙烯酸共聚物(P(SBMA-co-AAc))網絡制備了雙物理交聯的高透明、自愈性、自粘、抗疲勞的聚磺基甜菜堿-丙烯酸共聚物/殼聚糖-檸檬酸鹽(P(SBMA-co-AAc)/CS-CIT)雙網絡水凝膠。該水凝膠是由CS網絡和P(SBMA-co-AAc)共聚物網絡組成的純物理交聯雙網絡水凝膠,其中CS網絡通過靜電相互作用被檸檬酸離子交聯,而P(SBMA-co-AAc)網絡通過兩性離子相互作用和羧基之間的氫鍵交聯(圖2)。其具有大范圍的應變敏感,在變形條件下具有穩定可靠的相對電阻變化。

圖2 P(SBMA-co-AAc)/CS-CIT 水凝膠的網絡合成路線[13]

2.金屬離子配位

金屬離子配位是通過分子間的配位鍵來合成凝膠的,形成的水凝膠更加穩定。Visuta等人[14]通過三唑鍵合,金屬配位制備基于殼聚糖/透明質酸的三聯網絡水凝膠,可通過改變殼聚糖、透明質酸摩爾比來調控水凝膠的機械性能和形態。Yan等人[15]將殼聚糖摻入熱可重構瓊脂糖凝膠介質中,通過強配位相互作用成功地制備了新型的金屬-生物聚合物配位雙網絡水凝膠,具有多種刺激的響應能力,自我修復,形狀記憶和抗菌特性。殼聚糖通過螯合機理與許多金屬離子具有配位的能力。Li等[16]采用氨熏蒸和金屬離子絡合法制備了綜合性能優良的殼聚糖物理水凝膠(CTS-Cu2+/NH3)。上述物理水凝膠具有優異的力學性能,即使在Cu2+含量低的情況下,其機械強度也能達到0.30 MPa,顯著高于CTS/NH3水凝膠;同時,其熱穩定性也優于CTS/NH3水凝膠。此外,對銅綠假單胞菌具有特異性殺傷作用。

3.疏水作用

Wang等[17]以CS、羥丙基甲基纖維素(HPMC)和甘油為原料,在生理條件下制備了一種新型熱敏水凝膠。HPMC通過大量的疏水作用促進殼聚糖熱凝膠化。熱敏感水凝膠的生理pH值為6.8-6.9,凝膠時間為15 min,具有良好的生物降解性能、較低的細胞毒性。Tang等人[18]通過殼聚糖(CS)、聚乙烯醇(PVA)和碳酸氫鈉的共混制備了熱敏水凝膠,該凝膠在低溫(約4°C)下,PVA上的羥基與CS分子上的羥基和氨基形成氫鍵,體系以溶液狀態存在,但在生理條件下,PVA分子與CS分子間的氫鍵遭到破壞,CS分子間疏水相互作用增強而發生聚集,形成凝膠。

(二)化學交聯

化學交聯是指大分子鏈間由共價鍵結合而成,形成高分子聚合物的過程。殼聚糖基水凝膠的化學交聯制備法可以分為引發劑引發、光引發及輻射交聯法。

1.引發劑引發交聯法

引發劑是能引起單體進行聚合的物質,可以使殼聚糖及其衍生物分子通過共價鍵結合在一起形成網狀結構,提高材料的強度、彈性等性能。Juan等人[19]以功能化的纖維素納米纖維作為交聯引發劑,制備殼聚糖復合自修復水凝膠和形狀記憶冷凍凝膠,納米纖維素-殼聚糖復合水凝膠具有有效的自我修復和剪切稀化特性,且具有可調節的機械性能。Garg等[20]用對苯二甲酸/戊二醛和過硫酸鉀分別作為交聯劑及引發劑,通過丙烯酸自由基聚合反應在殼聚糖上合成交聯水凝膠(CAAT和CAAG),并比較了它們對水中合成陰離子染料的去除效果(圖3)。結果證明水凝膠選擇性吸附陰離子染料,CAAT的吸附性能優于CAAG,且具有良好的循環重復使用潛力,有助于設計吸附染料的廢水處理系統。化學交聯引發劑會導致有毒物質殘留,Huber等人[21]使用漆酶活化的酚類作為交聯引發劑形成殼聚糖水凝膠,生物相容性結果未顯示對HEK293細胞系生長有明顯的抑制作用,證明漆酶氧化的酚類化合物是一種合成殼聚糖水凝膠的新型綠色方法。Martínez-Martínez等[22]以四甲基氯化磷作為引發劑合成殼聚糖共價水凝膠。該水凝膠具有pH敏感,低毒性,生物相容性和黏附性,并允許被包裹藥物喜樹堿的改性釋放持續48小時。結果表明,通過水凝膠口服喜樹堿可以在吸收部位提供低濃度的藥物,避免載體飽和,降低其腸道毒性。

2.光引發交聯法

光引發交聯法主要的光源為高能量的紫外線,光源引發分子鏈間的作用促進殼聚糖構成水凝膠結構。Hu等人[23]在Irgacure2959存在下通過光引發聚合反應和紫外線照射將水溶性殼聚糖衍生物制得生物相容性殼聚糖水凝膠,該水凝膠的膠凝時間在5-50分鐘的范圍內可調節,具有更好的綜合性能,特別是更好的生物相容性。Maiz-Fernndez等人[24]介紹了基于甲基丙烯酸化殼聚糖和透明質酸的可光交聯的自愈水凝膠,表現出可調節的物理化學性質。Fu等[25]通過核黃素產生的光誘導自由基引發殼聚糖與明膠發生交聯反應合成殼聚糖-明膠(CS/GE)水凝膠珠。CS/GE水凝膠珠為粗糙的空心結構,核黃素和殼聚糖的存在為其提供了對大腸桿菌良好的抗菌活性。此材料的成功制備為功能性水凝膠產品的開發提供了嶄新的思路。

3.輻射交聯法

輻射交聯法是利用輻射源與物質的作用,電離并激發生成活化原子與分子,使物質之間進行交聯[26]。輻射交聯法包括電子加速器和γ射線等,相對于以上方法具有操作便捷、易于控制、綠色環保等優點。Li等[27]利用冷凍循環和電子束輻射合成了殼聚糖復合水凝膠(TiO2/CMCS/PVA),并對其抑菌性能和細胞毒性進行測定。復合水凝膠對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌都有較好的抗菌效果(圖4),同時該水凝膠對L929細胞無明顯的毒性。Ghobashy等[28]通過γ輻照交聯CS與兩種陰離子聚合物(丙烯酸)-共-(2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷-磺酸)(AAc/AMPS),得到兩親性水凝膠。Cs/AAc/AMPS水凝膠具有pH敏感性,可用于給藥系統。

圖4 不同水凝膠的菌落分布效果圖:(a)大腸桿菌,(b)金黃色葡萄球菌[27]

殼聚糖作為一種具有可降解性、抗菌性、生物相容性、價格低廉的水凝膠基材,同時結合水凝膠的高吸水性和不溶解性可以廣泛應用于各個領域:環境、醫療衛生、農業及食品包裝領域(圖5)。

圖5 殼聚糖水凝膠的應用[30,31,33,36]

(一)環境領域

涂料,食品,制藥等多個行業的廢水中含有重金屬離子、染料和有機物質,直接排放到水資源中,造成了嚴重的環境問題。吸附處理操作簡單、成本低、效果好而受到廣泛的關注。殼聚糖水凝膠通過靜電和氫鍵吸附染料和重金屬離子,且成本低、再生能力強,因此,在廢水處理領域占有重要的地位。Yang等[29]以提高殼聚糖水凝膠的機械強度為目標,通過非共價相互作用和金屬配位初步制備了沒食子酸改性羧甲基殼聚糖/鐵離子(GA-CMCS/FeIII)復合水凝膠。GA-CMCS/Fe3+凝膠具有良好的機械強度(1.59 MPa)和高效吸附能力,對Pb2+、Cd2+和Cu2+的吸附能力分別達到97.15 mg/g、99.75 mg/g和98.50 mg/g。其高效吸附能力、可回收利用等優點,有望成為污水處理的新材料。Vo等[30]提出了一種環保、可循環、可再生的氧化石墨烯-殼聚糖水凝膠柱(GCCHC),對陰離子和陽離子染料都有極佳的吸收能力。水凝膠柱通過連續的吸附和洗滌循環,樣品可以再生和回收,而不損失污染物去除能力,是一種有效的廢水處理方法。

(二)醫療衛生領域

殼聚糖水凝膠的高含水量,機械強度及物理化學性質與天然的細胞外基質平行,使其在醫療衛生領域占有重要的地位:藥物傳遞、治療愈合及組織再生等。Zheng等[31]在常溫下把殼聚糖(CS)液體打入腫瘤中,β甘油磷酸酯(β-GP)的存在使其加熱至體溫后自動形成凝膠。將MoS2/Bi2S3-PEG (MBP)納米片和阿霉素(DOX)溶解到水凝膠中,凝膠系統可以包裹DOX和MBP納米片,防止它們進入血液循環損傷正常組織和細胞,實現局部腫瘤光熱和化療的結合,有望作為腫瘤高效治療的平臺(圖6)。Huang等[32]利用殼聚糖與含有硼酸或Tris和葡萄糖酸鈣的緩沖溶液(CHS-BA-CG和CHS-Tris-CG)的水凝膠,并構建了小鼠氫氟酸(HF)燒傷模型。殼聚糖水凝膠與緩沖液聯合使用可以減輕HF燒傷的不適感,防止HF滲透到皮膚和維持組織pH值。結果表明殼聚糖在傷口愈合中增強上皮性質和抗菌作用,殼聚糖基水凝膠與緩沖液聯合治療HF燒傷可能有助于皮膚護理或組織修復。

(三)農業領域

水是一種寶貴的、有限的自然資源,但在農業領域有大量的消耗。灌溉技術和水的用量都影響農作物的生存和產量。殼聚糖水凝膠作為一種高吸水性及可生物降解的聚合物,可以與肥料結合使用來獲得養分的持續釋放和提高土壤的保水能力。Iftime等[33]報道了殼聚糖與水楊醛原位水凝膠在尿素肥料作用下制備的新型土壤改良劑體系,旨在解決土壤的施肥和保水問題,優化后的組分具有較高的吸水率(68 g/g),土壤保水能力提高154%。尿素的釋放受水凝膠基質形態變化和錨定力的影響可以分為:5 h內釋放量為45%;11 d后延長釋放率達到75%,最終釋放殘余尿素至第35天。對番茄幼苗萌發試驗的初步研究表明,與參考土壤相比,土壤中氮含量增加了近2倍,植株生長提高了近70%。 另外,Hussain等[34]提出了用京尼平作為天然交聯劑,代替有毒的醛交聯劑,殼聚糖與尿素在油包水乳液中乳化制備了含尿素殼聚糖(CS)微球。當聚合物用量為0.1 mmol/g時,CS∶尿素質量比為0.5∶1.0的微球的最佳吸水率為1.64 g/g,相應的包封率為87%,7 d后尿素釋放率約為90%,能確保尿素有控制的釋放到土壤中,可提高農作物的產量。

(四)食品包裝領域

殼聚糖基水凝膠具有良好的溶脹性、吸收性和包埋性,是開發食品包裝與指示劑組成的智能食品包裝系統的基礎。其抗氧化性、吸濕性和抗菌活性可以作為食品包裝材料,有利于延長食品的保質期。Bandyopadhya等[35]開發了一種新型CMCH-PVP水凝膠,它與細菌纖維素和瓜爾膠結合,形成用于藍莓包裝的水凝膠膜。結果表明,水凝膠膜可使藍莓保鮮15天。該水凝膠膜具有良好的生物降解性,28天內可降解80%。El-Mekawy等[36]制備了一種水凝膠薄膜,該薄膜具有柔軟性、生物降解性和靈活性等性能,可用于肉類保鮮。結果表明,該水凝膠膜在7 d后抑制了肉的氧化,延長了肉的貨架期。由于果蔬的呼吸作用和微生物的代謝作用,食物在儲存和運輸過程中會發生許多變化,如pH值的變化。pH值是食品供應鏈中的一個重要參數,通常用來評價食品的新鮮度/變質程度。Fet等[37]采用一種含有花青素的殼聚糖基凝膠pH指示劑來觀察牛奶的新鮮度。乳酸菌代謝過程會產生乳酸,使牛奶pH值降低。結果表明,牛奶貯藏48 h后,pH指數由藍色變為紫色,對牛奶的新鮮度具有有效的指示作用。

四、總結與展望

殼聚糖基水凝膠因其優異的生物活性、刺激反應性、溶脹性、吸附能力、吸水性和保水性等特性,使其在環境、醫療衛生、農業及食品包裝等領域展示出良好的應用前景。但是,殼聚糖基水凝膠同時也存在一些不足之處,如在醫療衛生應用上,殼聚糖創面敷料得到產業化發展, 但在腫瘤治療等實際醫療問題上還未見應用;在食品行業,殼聚糖基水凝膠對于成熟/新鮮度指標(同時檢測多個相關元素)等復合指標還有待進一步發展。 此外,還可以通過接枝改性或者引入其他生物活性基團,拓展其應用范圍。