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(xué)與功能材料湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 咸寧 437100;2.湖北科技學(xué)院 藥學(xué)院,湖北 咸寧 437100;3. 湖北科技學(xué)院 口腔與眼視光醫(yī)學(xué)院,湖北 咸寧 437100)

一、引言

水凝膠是通過(guò)物理交聯(lián)[1-3]和化學(xué)鍵[4]交聯(lián)等形成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),在水中能長(zhǎng)時(shí)間保持溶脹狀態(tài)但不會(huì)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(diǎn),被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、食品包裝、藥物傳遞等領(lǐng)域[5,6],尤其在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域有很重要的價(jià)值:創(chuàng)面敷料和軟骨組織工程[7,8]。水凝膠由于類(lèi)似細(xì)胞外基質(zhì)且有一定的力學(xué)性能,有利于細(xì)胞和骨蛋白的再生,進(jìn)而促進(jìn)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(jié)肢動(dòng)物、軟體動(dòng)物和昆蟲(chóng)的甲殼及高等植物的細(xì)胞壁中提取甲殼素,然后進(jìn)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(zhì)的水凝膠。He等[10]通過(guò)氨基與戊二醛交聯(lián)劑進(jìn)行反應(yīng)合成力學(xué)性能優(yōu)良、成本低廉、可循環(huán)利用的羧甲基殼聚糖-高嶺石復(fù)合水凝膠(圖1)。該水凝膠將殼聚糖的活潑基團(tuán)與Cu2+進(jìn)行化學(xué)吸附和高嶺石的無(wú)機(jī)吸附結(jié)合,對(duì)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(fù)合水凝膠的合成工藝[10]

殼聚糖主要通過(guò)分子之間發(fā)生交聯(lián)形成三維網(wǎng)絡(luò)狀的水凝膠,其制備方法有物理交聯(lián)和化學(xué)交聯(lián)。

(一)物理交聯(lián)

物理交聯(lián)是通過(guò)分子與分子的作用力使殼聚糖成為水凝膠。主要通過(guò)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(guò)陰離子分子和殼聚糖的氨基之間發(fā)生作用使其凝膠化。殼聚糖作為一種良好的生物相容性陽(yáng)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(jié)合。Chen等人[11]通過(guò)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(diào)、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(fā)現(xiàn)其比未混合的免疫刺激性DNA水凝膠更穩(wěn)定,更堅(jiān)韌,結(jié)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(dǎo)抗原特異性免疫應(yīng)答。 Zhang等[13]利用殼聚糖(CS)網(wǎng)絡(luò)和聚磺基甜菜堿-丙烯酸共聚物(P(SBMA-co-AAc))網(wǎng)絡(luò)制備了雙物理交聯(lián)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(wǎng)絡(luò)水凝膠。該水凝膠是由CS網(wǎng)絡(luò)和P(SBMA-co-AAc)共聚物網(wǎng)絡(luò)組成的純物理交聯(lián)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠,其中CS網(wǎng)絡(luò)通過(guò)靜電相互作用被檸檬酸離子交聯(lián),而P(SBMA-co-AAc)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)兩性離子相互作用和羧基之間的氫鍵交聯(lián)(圖2)。其具有大范圍的應(yīng)變敏感,在變形條件下具有穩(wěn)定可靠的相對(duì)電阻變化。

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

2.金屬離子配位

金屬離子配位是通過(guò)分子間的配位鍵來(lái)合成凝膠的,形成的水凝膠更加穩(wěn)定。Visuta等人[14]通過(guò)三唑鍵合,金屬配位制備基于殼聚糖/透明質(zhì)酸的三聯(lián)網(wǎng)絡(luò)水凝膠,可通過(guò)改變殼聚糖、透明質(zhì)酸摩爾比來(lái)調(diào)控水凝膠的機(jī)械性能和形態(tài)。Yan等人[15]將殼聚糖摻入熱可重構(gòu)瓊脂糖凝膠介質(zhì)中,通過(guò)強(qiáng)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(wǎng)絡(luò)水凝膠,具有多種刺激的響應(yīng)能力,自我修復(fù),形狀記憶和抗菌特性。殼聚糖通過(guò)螯合機(jī)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(luò)合法制備了綜合性能優(yōu)良的殼聚糖物理水凝膠(CTS-Cu2+/NH3)。上述物理水凝膠具有優(yōu)異的力學(xué)性能,即使在Cu2+含量低的情況下,其機(jī)械強(qiáng)度也能達(dá)到0.30 MPa,顯著高于CTS/NH3水凝膠;同時(shí),其熱穩(wěn)定性也優(yōu)于CTS/NH3水凝膠。此外,對(duì)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?xiàng)l件下制備了一種新型熱敏水凝膠。HPMC通過(guò)大量的疏水作用促進(jìn)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(shí)間為15 min,具有良好的生物降解性能、較低的細(xì)胞毒性。Tang等人[18]通過(guò)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(tài)存在,但在生理?xiàng)l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(qiáng)而發(fā)生聚集,形成凝膠。

(二)化學(xué)交聯(lián)

化學(xué)交聯(lián)是指大分子鏈間由共價(jià)鍵結(jié)合而成,形成高分子聚合物的過(guò)程。殼聚糖基水凝膠的化學(xué)交聯(lián)制備法可以分為引發(fā)劑引發(fā)、光引發(fā)及輻射交聯(lián)法。

1.引發(fā)劑引發(fā)交聯(lián)法

引發(fā)劑是能引起單體進(jìn)行聚合的物質(zhì),可以使殼聚糖及其衍生物分子通過(guò)共價(jià)鍵結(jié)合在一起形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),提高材料的強(qiáng)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(lián)引發(fā)劑,制備殼聚糖復(fù)合自修復(fù)水凝膠和形狀記憶冷凍凝膠,納米纖維素-殼聚糖復(fù)合水凝膠具有有效的自我修復(fù)和剪切稀化特性,且具有可調(diào)節(jié)的機(jī)械性能。Garg等[20]用對(duì)苯二甲酸/戊二醛和過(guò)硫酸鉀分別作為交聯(lián)劑及引發(fā)劑,通過(guò)丙烯酸自由基聚合反應(yīng)在殼聚糖上合成交聯(lián)水凝膠(CAAT和CAAG),并比較了它們對(duì)水中合成陰離子染料的去除效果(圖3)。結(jié)果證明水凝膠選擇性吸附陰離子染料,CAAT的吸附性能優(yōu)于CAAG,且具有良好的循環(huán)重復(fù)使用潛力,有助于設(shè)計(jì)吸附染料的廢水處理系統(tǒng)。化學(xué)交聯(lián)引發(fā)劑會(huì)導(dǎo)致有毒物質(zhì)殘留,Huber等人[21]使用漆酶活化的酚類(lèi)作為交聯(lián)引發(fā)劑形成殼聚糖水凝膠,生物相容性結(jié)果未顯示對(duì)HEK293細(xì)胞系生長(zhǎng)有明顯的抑制作用,證明漆酶氧化的酚類(lèi)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(fā)劑合成殼聚糖共價(jià)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(shù)堿的改性釋放持續(xù)48小時(shí)。結(jié)果表明,通過(guò)水凝膠口服喜樹(shù)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(fā)交聯(lián)法

光引發(fā)交聯(lián)法主要的光源為高能量的紫外線,光源引發(fā)分子鏈間的作用促進(jìn)殼聚糖構(gòu)成水凝膠結(jié)構(gòu)。Hu等人[23]在Irgacure2959存在下通過(guò)光引發(fā)聚合反應(yīng)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(shí)間在5-50分鐘的范圍內(nèi)可調(diào)節(jié),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(zhì)酸的可光交聯(lián)的自愈水凝膠,表現(xiàn)出可調(diào)節(jié)的物理化學(xué)性質(zhì)。Fu等[25]通過(guò)核黃素產(chǎn)生的光誘導(dǎo)自由基引發(fā)殼聚糖與明膠發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)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(jié)構(gòu),核黃素和殼聚糖的存在為其提供了對(duì)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(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供了嶄新的思路。

3.輻射交聯(lián)法

輻射交聯(lián)法是利用輻射源與物質(zhì)的作用,電離并激發(fā)生成活化原子與分子,使物質(zhì)之間進(jìn)行交聯(lián)[26]。輻射交聯(lián)法包括電子加速器和γ射線等,相對(duì)于以上方法具有操作便捷、易于控制、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。Li等[27]利用冷凍循環(huán)和電子束輻射合成了殼聚糖復(fù)合水凝膠(TiO2/CMCS/PVA),并對(duì)其抑菌性能和細(xì)胞毒性進(jìn)行測(cè)定。復(fù)合水凝膠對(duì)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(shí)該水凝膠對(duì)L929細(xì)胞無(wú)明顯的毒性。Ghobashy等[28]通過(guò)γ輻照交聯(lián)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(tǒng)。

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(jià)格低廉的水凝膠基材,同時(shí)結(jié)合水凝膠的高吸水性和不溶解性可以廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域:環(huán)境、醫(yī)療衛(wèi)生、農(nóng)業(yè)及食品包裝領(lǐng)域(圖5)。

圖5 殼聚糖水凝膠的應(yīng)用[30,31,33,36]

(一)環(huán)境領(lǐng)域

涂料,食品,制藥等多個(gè)行業(yè)的廢水中含有重金屬離子、染料和有機(jī)物質(zhì),直接排放到水資源中,造成了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。吸附處理操作簡(jiǎn)單、成本低、效果好而受到廣泛的關(guān)注。殼聚糖水凝膠通過(guò)靜電和氫鍵吸附染料和重金屬離子,且成本低、再生能力強(qiáng),因此,在廢水處理領(lǐng)域占有重要的地位。Yang等[29]以提高殼聚糖水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度為目標(biāo),通過(guò)非共價(jià)相互作用和金屬配位初步制備了沒(méi)食子酸改性羧甲基殼聚糖/鐵離子(GA-CMCS/FeIII)復(fù)合水凝膠。GA-CMCS/Fe3+凝膠具有良好的機(jī)械強(qiáng)度(1.59 MPa)和高效吸附能力,對(duì)Pb2+、Cd2+和Cu2+的吸附能力分別達(dá)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(yōu)點(diǎn),有望成為污水處理的新材料。Vo等[30]提出了一種環(huán)保、可循環(huán)、可再生的氧化石墨烯-殼聚糖水凝膠柱(GCCHC),對(duì)陰離子和陽(yáng)離子染料都有極佳的吸收能力。水凝膠柱通過(guò)連續(xù)的吸附和洗滌循環(huán),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(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域

殼聚糖水凝膠的高含水量,機(jī)械強(qiáng)度及物理化學(xué)性質(zhì)與天然的細(xì)胞外基質(zhì)平行,使其在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)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(dòng)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(tǒng)可以包裹DOX和MBP納米片,防止它們進(jìn)入血液循環(huán)損傷正常組織和細(xì)胞,實(shí)現(xiàn)局部腫瘤光熱和化療的結(jié)合,有望作為腫瘤高效治療的平臺(tái)(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(gòu)建了小鼠氫氟酸(HF)燒傷模型。殼聚糖水凝膠與緩沖液聯(lián)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(jié)果表明殼聚糖在傷口愈合中增強(qiáng)上皮性質(zhì)和抗菌作用,殼聚糖基水凝膠與緩沖液聯(lián)合治療HF燒傷可能有助于皮膚護(hù)理或組織修復(fù)。

(三)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域

水是一種寶貴的、有限的自然資源,但在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域有大量的消耗。灌溉技術(shù)和水的用量都影響農(nóng)作物的生存和產(chǎn)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(jié)合使用來(lái)獲得養(yǎng)分的持續(xù)釋放和提高土壤的保水能力。Iftime等[33]報(bào)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(wèn)題,優(yōu)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(zhì)形態(tài)變化和錨定力的影響可以分為:5 h內(nèi)釋放量為45%;11 d后延長(zhǎng)釋放率達(dá)到75%,最終釋放殘余尿素至第35天。對(duì)番茄幼苗萌發(fā)試驗(yàn)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(zhǎng)提高了近70%。 另外,Hussain等[34]提出了用京尼平作為天然交聯(lián)劑,代替有毒的醛交聯(lián)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(dāng)聚合物用量為0.1 mmol/g時(shí),CS∶尿素質(zhì)量比為0.5∶1.0的微球的最佳吸水率為1.64 g/g,相應(yīng)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(nóng)作物的產(chǎn)量。

(四)食品包裝領(lǐng)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(kāi)發(fā)食品包裝與指示劑組成的智能食品包裝系統(tǒng)的基礎(chǔ)。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(zhǎng)食品的保質(zhì)期。Bandyopadhya等[35]開(kāi)發(fā)了一種新型CMCH-PVP水凝膠,它與細(xì)菌纖維素和瓜爾膠結(jié)合,形成用于藍(lán)莓包裝的水凝膠膜。結(jié)果表明,水凝膠膜可使藍(lán)莓保鮮15天。該水凝膠膜具有良好的生物降解性,28天內(nèi)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(lèi)保鮮。結(jié)果表明,該水凝膠膜在7 d后抑制了肉的氧化,延長(zhǎng)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(chǔ)存和運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)發(fā)生許多變化,如pH值的變化。pH值是食品供應(yīng)鏈中的一個(gè)重要參數(shù),通常用來(lái)評(píng)價(jià)食品的新鮮度/變質(zhì)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(lái)觀察牛奶的新鮮度。乳酸菌代謝過(guò)程會(huì)產(chǎn)生乳酸,使牛奶pH值降低。結(jié)果表明,牛奶貯藏48 h后,pH指數(shù)由藍(lán)色變?yōu)樽仙?對(duì)牛奶的新鮮度具有有效的指示作用。

四、總結(jié)與展望

殼聚糖基水凝膠因其優(yōu)異的生物活性、刺激反應(yīng)性、溶脹性、吸附能力、吸水性和保水性等特性,使其在環(huán)境、醫(yī)療衛(wèi)生、農(nóng)業(yè)及食品包裝等領(lǐng)域展示出良好的應(yīng)用前景。但是,殼聚糖基水凝膠同時(shí)也存在一些不足之處,如在醫(yī)療衛(wèi)生應(yīng)用上,殼聚糖創(chuàng)面敷料得到產(chǎn)業(yè)化發(fā)展, 但在腫瘤治療等實(shí)際醫(yī)療問(wèn)題上還未見(jiàn)應(yīng)用;在食品行業(yè),殼聚糖基水凝膠對(duì)于成熟/新鮮度指標(biāo)(同時(shí)檢測(cè)多個(gè)相關(guān)元素)等復(fù)合指標(biāo)還有待進(jìn)一步發(fā)展。 此外,還可以通過(guò)接枝改性或者引入其他生物活性基團(tuán),拓展其應(yīng)用范圍。