范曉坤，李想，李朔

（湖南工業(yè)大學(xué)包裝與材料工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

引言

水凝膠是一種以水為分散介質(zhì)的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的柔性材料，可以在水中長(zhǎng)時(shí)間保持溶脹狀態(tài)但不會(huì)溶解。殼聚糖（Chitosan，CS）是自然界中發(fā)現(xiàn)的唯一的堿性多糖，可以由甲殼素經(jīng)過(guò)脫乙酰作用得到，也是自然界中含量第二多的多糖。殼聚糖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。本文介紹了殼聚糖基水凝膠的交聯(lián)合成方法和特性，以及最近報(bào)道的殼聚糖基復(fù)合水凝膠的功能特性和研究進(jìn)展。

1 殼聚糖特性

殼聚糖的化學(xué)名稱為聚葡萄糖胺（1-4）-2-氨基-b-d 葡萄糖，其結(jié)構(gòu)式如圖1 所示。殼聚糖可以通過(guò)甲殼素脫乙酰化得到。其大分子鏈中含有大量的氨基、羥基和醚鍵，可進(jìn)行酰化、酯化、羧基化、醚化、氧化、席夫堿化等反應(yīng)[1]。

1.1 溶解性能

由于殼聚糖存在大量分子間和分子內(nèi)氫鍵導(dǎo)致高結(jié)晶，從而不能熔融而且難于溶于水溶劑一般有機(jī)溶劑。殼聚糖分子鏈中含有大量的氨基基團(tuán)。由于氨基在酸性介質(zhì)中可以質(zhì)子化，因此可以溶解在稀酸（醋酸、鹽酸等）中[2]。

目前有研究人員使用堿/尿素溶劑體系在低溫環(huán)境成功將殼聚糖溶解，并且相對(duì)于酸性體系構(gòu)建的殼聚糖水凝膠，堿性體系構(gòu)建的殼聚糖水凝膠力學(xué)性能和抗菌性能更加優(yōu)異[3]。

同時(shí)，在殼聚糖結(jié)構(gòu)中引入小的化學(xué)基團(tuán)，例如烷基（羥丙基殼聚糖[4]）或羧甲基基團(tuán)可以顯著增加殼聚糖的溶解度[5]。使用一系列低分子量殼聚糖樣品開發(fā)了一種簡(jiǎn)單且改進(jìn)的制備高溶解性殼聚糖（半N-乙?；瘹ぞ厶牵┑姆椒╗6]。對(duì)殼聚糖進(jìn)行改性，接枝羧甲基、季銨鹽基團(tuán)，不僅增強(qiáng)了殼聚糖的溶解性能還增強(qiáng)了殼聚糖的抗菌性能。

1.2 抗菌性

已有大量研究表明，殼聚糖對(duì)許多細(xì)菌、真菌和酵母菌具有滅活作用[7]。殼聚糖的抗菌機(jī)理主要在于其線性分子鏈上的氨基基團(tuán)能結(jié)合酸性分子并帶正電荷，使其與細(xì)菌蛋白質(zhì)的負(fù)電荷部分結(jié)合，從而使細(xì)菌失活[8]。殼聚糖對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌和革蘭氏陰性菌具有廣譜抑菌性和高滅殺率，且對(duì)哺乳動(dòng)物的細(xì)胞毒性低[9]。

1.3 吸附作用

殼聚糖分子鏈上有大量羥基和氨基，可以形成大量氫鍵，因此具有良好的螯合吸附能力，可有效地吸附帶電荷的物質(zhì)，對(duì)重金屬離子、陰離子聚合物等都有一定的螯合作用[10]，因此殼聚糖在污水處理、水體軟化等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

2 殼聚糖基水凝膠的交聯(lián)方式

殼聚糖基水凝膠的交聯(lián)方式主要分為物理交聯(lián)和化學(xué)交聯(lián)[11]。物理交聯(lián)主要是通過(guò)氫鍵、靜電作用、疏水作用等構(gòu)建水凝膠網(wǎng)絡(luò)。相比較化學(xué)交聯(lián)，物理交聯(lián)的殼聚糖水凝膠可以被反復(fù)溶解加工。殼聚糖化學(xué)交聯(lián)一般通過(guò)氨基或者羧基反應(yīng)形成醚鍵、席夫堿鍵等強(qiáng)共價(jià)鍵，一般力學(xué)性能較好[12]。殼聚糖水凝膠常用的化學(xué)交聯(lián)劑一般有甲醛、戊二醛、環(huán)氧氯丙烷、京平尼等，但大多化學(xué)交聯(lián)劑一般都會(huì)帶有一定的毒性。

3 殼聚糖基水凝膠的應(yīng)用

殼聚糖是用于制備水凝膠最廣泛使用的材料之一。殼聚糖（Chitosan，CS）是自然界中發(fā)現(xiàn)的唯一的堿性多糖，也是自然界中含量第二多的多糖，已被應(yīng)用于污水處理、藥物傳送、組織工程、生物傳感等領(lǐng)域（圖2）。

由于殼聚糖溶解性能差、純殼聚糖水凝膠力學(xué)性能差，這限制了其單獨(dú)應(yīng)用。使用殼聚糖與一些天然高分子和一些合成高分子混合制備的水凝膠，往往具備優(yōu)良的綜合性能，可以大大彌補(bǔ)殼聚糖水凝膠的力學(xué)性能不足、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)。

Sabadini 等[13]利用殼聚糖與陰離子聚合物的聚電解質(zhì)絡(luò)合，制備了殼聚糖/結(jié)冷膠水凝膠。殼聚糖和結(jié)冷膠組成比為1∶4時(shí)，最大吸水率為219 g/g。水分蒸發(fā)分析表明，水凝膠樣品保留水分約9 h，而純水蒸發(fā)約4 h。此外，將CS/結(jié)冷膠樣品作為商業(yè)磷酸二氫鉀（MKP）肥料釋放劑進(jìn)行測(cè)試，并證明在大約8 小時(shí)內(nèi)幾乎完全釋放。

Huy 等[14]開發(fā)一種新的CO2活化殼聚糖吸附技術(shù)。CO2活化的殼聚糖水凝膠對(duì)染料的吸附速度明顯快于純水中的殼聚糖水凝膠，提高了對(duì)染料的吸附量和去除效率。此外，研究了在不同溫度和初始染料濃度下，CO2活化殼聚糖水凝膠對(duì)染料的吸附。二氧化碳活化殼聚糖水凝膠為廢水處理提供了一種高效、清潔處理染料的方式。

灌溉水和飲用水中過(guò)量的硼會(huì)分別對(duì)植物產(chǎn)量和人類神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面影響。Kluczka 等[15]使用基于殼聚糖和錳（II-IV）的混合吸附水凝膠從水中去除硼。結(jié)果表明，該吸附水凝膠在中性pH 條件下，水/水凝膠比為20 mL/g，2 h 內(nèi)能有效去除水介質(zhì)中的硼酸，最大吸附量接近190 mg/g。通過(guò)FTIR、RS、XRD、SEM 和ICP-OES 進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征，發(fā)現(xiàn)錳在殼聚糖結(jié)構(gòu)上的良好附著使硼得以吸附。這項(xiàng)研究的結(jié)果表明，使用基于殼聚糖和錳（II-IV）的混合吸附水凝膠珠可以有效改善水質(zhì)，有助于減少水環(huán)境的污染。

Guo 等[16]通過(guò)在LiOH/urea 水溶液中混合纖維素和羧甲基殼聚糖（CMCS），然后用環(huán)氧氯丙烷交聯(lián)，制備了新型纖維素/羧甲基殼聚糖（CMCS）復(fù)合水凝膠。復(fù)合水凝膠對(duì)L929 細(xì)胞沒有細(xì)胞毒性，表明具有良好的生物相容性。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，所制備纖維素/CMCS 復(fù)合水凝膠可以有效地用作傷口敷料，應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

Wang 等[17]開發(fā)出一種由3,4-二羥苯基丙酸修飾的殼聚糖（DCS）和對(duì)羥基苯甲醛修飾聚乙二醇（PEGSH）組成的多功能粘附生物水凝膠。該生物水凝膠表現(xiàn)出良好的拉伸性、凝血性、強(qiáng)粘附性、自愈合性、良好的細(xì)胞相容性和抗菌性能，是一種極具潛力的止血材料。該水凝膠無(wú)需額外的黏合劑和抗菌劑，可以克服傳統(tǒng)止血?jiǎng)┰诔睗癍h(huán)境下拉伸能力差和自粘不良的缺點(diǎn)。

Lin 等[18]將聚乙烯醇（PVA）、葡聚糖和殼聚糖整合以制備理想的傷口敷料，使用戊二醛（GA）作為交聯(lián)劑。結(jié)果表明，6%的PVA水凝膠與0.25%的殼聚糖具有良好的抗菌能力。將PVA/殼聚糖水凝膠與4%葡聚糖結(jié)合，利用GA 交聯(lián)制備的水凝膠呈現(xiàn)出較高的細(xì)胞增殖能力，表明該水凝膠具有作為傷口敷料的潛力。

Noori 等[19]開發(fā)了一種基于聚乙烯醇/殼聚糖/蜂蜜/粘土的新型納米復(fù)合水凝膠，并將其作為一種新型傷口敷料進(jìn)行性能評(píng)估。結(jié)果表明，水凝膠的溶脹度隨著溫度的升高而增加，在pH 值為2 時(shí)溶脹度最大。相應(yīng)的結(jié)果表明，在較高的pH 值下，蜂蜜的釋放率更快。MTT 結(jié)果顯示，在納米復(fù)合水凝膠體系中沒有細(xì)胞毒性?？咕钚匝芯勘砻?，該復(fù)合水凝膠體系的抗菌活性超過(guò)99%。傷口模型證實(shí)了所開發(fā)納米復(fù)合水凝膠體系具有促進(jìn)傷口愈合的能力。

Chen 等[20]利用絲素蛋白（SF）通過(guò)氫鍵與羧甲基殼聚糖（CMCS）混合并交聯(lián)，然后共沉積在石墨電極上。通過(guò)調(diào)整電沉積參數(shù)可以輕松控制SF/CMCS 水凝膠的厚度、質(zhì)量和形狀。通過(guò)SEM 觀察所制備的水凝膠的形貌，發(fā)現(xiàn)了水凝膠內(nèi)部存在規(guī)則的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。根據(jù)熱重分析和流變學(xué)測(cè)量的結(jié)果，這種結(jié)構(gòu)是由于SF 和CMC 之間的分子間氫鍵造成的。作為一種潛在的傷口敷料，SF/CMCS 水凝膠為傷口愈合保持了合適的水分環(huán)境，并在促進(jìn)HEK-293 細(xì)胞增殖和對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌活性方面表現(xiàn)出獨(dú)特的特性。此外，對(duì)覆蓋有SF/CMCS 水凝膠的大鼠全層皮膚傷口進(jìn)行了組織學(xué)研究，結(jié)果表明這種水凝膠可以促進(jìn)傷口上皮再生并促進(jìn)肉芽組織形成。這些結(jié)果說(shuō)明了在傷口敷料的實(shí)踐中使用開發(fā)的基于SF/CMCS 的水凝膠制造策略的可行性。

Cao 等[21]構(gòu)建了一種具有自愈特性的新型可注射羧甲基殼聚糖（CMCh）水凝膠傷口敷料。首先，首先，在堿/尿素水溶液中合成CMCh 樣品。隨后，引入三價(jià)金屬離子Fe3+和Al3+，與CMCh形成配位鍵，可以快速凝膠。通過(guò)改變CMCh 的濃度和金屬離子的相對(duì)含量，可以獲得一系列不同性能的水凝膠。由于配位鍵的動(dòng)態(tài)和可逆特性，水凝膠表現(xiàn)出自修復(fù)、自適應(yīng)和熱響應(yīng)能力。此外，由于CMCh 上的氨基與SO42-，水凝膠經(jīng)歷相分離，可以無(wú)痛地從皮膚上分離，幾乎沒有殘留。利用這些特性，水凝膠被用作傷口敷料，可以顯著加速皮膚組織再生和傷口閉合。

Yu 等[22]用氧化季銨化瓜爾膠（OQGG）和羧甲基殼聚糖（CMCS）設(shè)計(jì)了一種具有抗菌、止血、自修復(fù)和可注射特性的水凝膠。細(xì)胞毒性測(cè)試表明OQGG@CMCS 水凝膠具有良好的細(xì)胞相容性。此外，OQGG@CMCS 水凝膠顯著促進(jìn)了金黃色葡萄球菌感染大鼠傷口模型的傷口愈合。因此，水凝膠可以被用作傷口敷料。

Jin 等[23]通過(guò)一種簡(jiǎn)單的方法在室溫下成功地設(shè)計(jì)和開發(fā)了受貽貝啟發(fā)的、高粘附、導(dǎo)電、可自愈水凝膠。該水凝膠由殼聚糖（CS）、氧化石墨烯（GO）和多巴胺（DA）的混合物通過(guò)共價(jià)鍵、π-π 堆積鍵和氫鍵物理交聯(lián)形成復(fù)合水凝膠，該水凝膠表現(xiàn)出快速的自愈能力和良好的自恢復(fù)能力，并且力學(xué)性能優(yōu)異。CS-DA-GO 的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)賦予水凝膠比CS-DA 更好的穩(wěn)定性。通過(guò)調(diào)整GO 的含量，可以方便調(diào)整水凝膠的力學(xué)性能、粘附性、溶脹率和孔徑。該水凝膠具有良好的導(dǎo)電性能，可以應(yīng)用于可穿戴傳感器，用于檢測(cè)人體活動(dòng)。

4 總結(jié)

殼聚糖水凝膠因其來(lái)源豐富、生物相容性好、可生物降解、安全等優(yōu)點(diǎn)在生物醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、廢水處理等領(lǐng)域的應(yīng)用上具有極大的潛力。