羟丙基壳聚糖的性能及应用

背景及概述^[1-2]

壳聚糖(Chitosan，简称CS)是天然多糖中唯一的碱性多糖，是甲壳素经浓碱处理脱去N-乙酰基的产物，含有游离的一级氨基，即β-(1，4)-2-氨基-2-脱氧-D-葡萄糖，分子量一般在1×105~6×105，CS可通过体内溶菌酶的作用，分解为葡胺糖，被人体吸收。因其来源丰富、无毒，且具有优良的生物相容性和阻止药物扩散及溶出等特性，可很好地用于药物载体。但CS水溶性较差，只能溶于弱酸，不溶于水和许多有机溶剂，在很大程度上限制了它的应用。因此，对其水溶性及部分活性的改性研究具有重要意义，进而使其在更广泛的外界条件下应用。将CS羟丙基化制备成水溶性的羟丙基壳聚糖hydroxypropylchitosan，简称HPCS)，不仅保留了CS碱性和正电性，同时还改善了CS的性能。由于在CS分子上引入了羟丙基团，改变了分子的空间结构，削弱了CS分子间和分子内的氢键作用，从而使其水溶性和反应活性得到改善和提高，且羟丙基化的HPCS具有良好的吸湿保湿性、抗菌性及吸附性等特点，对于进一步制备各种CS的衍生物，扩展CS在各领域的应用具有实用意义。

性能及应用^[2]

1）吸湿保湿性

高分子材料吸湿动力主要是水的扩散，扩散速度取决于两个因素：一是分子或其聚合物所形成的微孔；二是水分子与聚合物之间的吸引力。一般极性高分子化合物中，极性基团的数目对其吸湿性起着重要的作用。取代度越大，即引入的极性基团数目越多，与水分子之间的吸引力就越大，从而结合水的能力也越强，其吸湿性也就越好。在相同的湿度条件下，经过羟丙基化的HPCS由于引入了极性羟丙基团，使其亲水能力显著增强，吸湿率明显强于CS，且随着取代度(羟丙基团数量)的增大，吸湿率呈明显上升趋势。同时HPCS分子内具有羟丙基团，则其相对于CS的结晶性能减弱，水分子更易于渗入，且结合在HPCS高分子链上其他基团的水分子更加难以释放，所以同样显示出良好的保湿性。

2）抗菌性

HPCS的抗菌性来源于分子内的-NH2基团，在溶液环境下，-NH2能与自由H+结合形成-NH3+阳离子，-NH3+离子能与细菌细胞壁上的负电性阴离子结合，使细胞壁和细胞膜上的负电荷分布不均，打破其在自然状态下细胞壁的合成和溶解平衡，破坏细菌正常生理代谢，抑制其繁殖能力，从而起到抗菌的效果。多数细菌细胞表面常带有负电荷，因此一般情况下HPCS都具有良好的抗菌性。CS同样具有-NH2，但CS是一种弱碱性聚电解质，只有在酸性条件下能结合H+形成-NH3+，由于水溶性不佳，所以当溶液pH处于中性或以上时，其-NH2形成-NH3+的能力明显下降或丧失，近而失去抗菌性能。关于HPCS抗菌性，提出了另一种解释，即分子生物学机理，HPCS通过抑制细菌细胞内的DNA，HPCS分子通过一定途径进入细菌细胞内，与核内的核糖亚单元分子片段相互作用，破坏了细菌体内从DNA到RNA的转录，阻碍mRNA的密码子的翻译，导致细菌繁殖终止，近而达到抗菌目的。HPCS的抗菌性目前主要应用于纺织品的储存或材料的保护等方面。研究HPCS对织物的抗菌整理效果的影响，结果表明，经HPCS整理后的棉纺织物抗菌效率达到了94.3%，涤纶织物则达到了92.6%，并且HPCS具有抗菌性的pH值适用范围更为广泛。研究HPCS对大肠杆菌生长状况的影响，结果表明，不到2h的时间，80%的大肠杆菌已经死亡，在之后的24h，死亡率可接近95%以上，且证实了抑制因子为-NH2。

3）吸附性

HPCS具有吸附性主要机理有两点，一是静电吸附，这一点类似于CS，两者在溶液环境下均能形成-NH3+，使其周围可以形成带正电荷的区域，当附近出现负离子或负离子基团时，便可发生静电吸附作用，从而具有吸附性，相对于CS，HPCS由于在不同pH条件下溶解性更好，所以吸附性能更有优势。二是HPCS一般为聚合物高分子，具有良好的结晶性，且结晶时与CS类似，都会形成具有众多大小孔径的结晶体，这些孔径可为离子提供偶联或者结合空间，再者，HPCS在液态环境下易形成凝胶，通过黏附作用也可吸附离子。研究HPCS在液体环境下对Cr(VI)离子的吸附作用，结果表明HPCS对Cr(VI)离子具有良好的吸附作用，Cr(VI)在液态环境下通常以HCrO4-形式存在，通过静电作用达到吸附效果，且在pH5，Cr(VI)初始浓度为15mg/L时，吸附率为50%以上；并在之后的研究中发现，经过交联化的HPCS，即戊二醛交联HPCS(C-HPCS)对Cr(VI)的吸附效率可达到92%以上，并对其他重金属离子，如铅、锰、镍等亦有较好的吸附作用。

4）其他特性及应用

HPCS还具有良好的凝胶性和配伍性，可制备成聚合纳米胶体材料，或者与其他有机物分子交联形成新的纳米胶体颗粒，这类纳米颗粒具有良好的水溶性与交联性，能结合水溶性差的药物，提高机体内药物浓度，提高药物药效和释药性；也可结合稳定性差的药物，提高其稳定性。研究牛血清蛋白(BSA)偶联HPCS合成载药纳米微球及其缓释性能，结果表明载药纳米微球明显延长了药物释放时间，且释药过程比较均匀稳定，没有明显的突释现象，避免了单独使用BSA时过早被降解的问题，提高了药物利用率及药效。此外，在造纸过程中，HPCS还能够有效地加强纸质纤维之间的氢键结合，助剂中的氨基与纤维表面的羧基形成离子键，该离子键对二者间的结合有促进作用，有助于提高纸张的物理强度。用HPCS对纸质文物进行处理，研究其对纸质文物保护的影响，结果表明，纸样经HPCS处理后，抗张强度相对未处理提高了30%~85%，耐折度提高了20%~37%，且当HPCS质量分数为20%时，抗张强度和耐折度提高量。研究表明，HPCS能影响小麦中的硝酸还原酶、核酮糖二磷酸羧化酶等酶活性，进而促进小麦氮代谢，促其进抗性与光合作用。

制备^[3]

在三口瓶中将CS(DD%>96%)2.5g(约1.6×10-2mol葡萄糖基)在50%NaOH溶液20mL中浸泡过夜，加入异丙醇25mL，室温下搅拌30min，再加入2.5mL10%四甲基氢氧化铵溶液和一定量的环氧丙烷，室温下再搅拌1h后回流加热一定时间，冷却，过滤，滤饼用异丙醇洗涤数次后烘干，再用蒸馏水溶解，过滤，滤液用盐酸调pH值到中性，用大量丙酮析出沉淀，过滤得白色或淡黄色固体HPCS。

主要参考资料

[1] 水溶性羟丙基壳聚糖的性能研究

[2] 羟丙基壳聚糖的特性研究进展

[3] 羟丙基壳聚糖的制备