壳聚糖原始文档2 -

甲壳素和壳聚糖之所以具有重要的理论研究意义和商业价值，在于其分子结构和组成的独特性，它是自然界唯一的碱性多糖，是地球上数量最大的含氮有机化合物。甲壳素及其衍生物不但具有良好的生物相容性、低毒和生物降解性，还具有许多生物医学功能和药物作用，壳聚糖被誉为人体所需的第六大生命要素。许多甲壳素及其衍生物产品业已商业化，关于甲壳素／壳聚糖的国际会议每两年召开一次，关于甲壳素的国际性学术专刊“Advance in Chitin Science”也于上世纪九十年代创刊。甲壳素及其衍生物已经在生命科学、功能材料等领域形成了新的研究和开发热点。甲壳素和壳聚糖具有较复杂的双螺旋结构，螺距为0．515nm，一

个螺旋平面由6个糖残基组成。甲壳素的结构单元是甲壳二糖，壳聚 糖的结构单元是壳二糖。甲壳素大分子链上分布着许多羟基，N．乙酰 氨基和氨基，它们形成各种分子内和分子问的氢键。甲壳素的结构由 于氢键类型不同而有三种结晶体：a一甲壳素，由两条反向平行的糖 链组成，通常与矿物质沉积在一起形成坚硬的外壳，如虾蟹的外壳； B一甲壳素由两条同向平行的糖链组成；Y一甲壳素由三条糖链组成， 两条同向一条反向。B和Y一甲壳素与胶原蛋白相联结，表现出一定 的硬度、柔韧性和流动性，具有与支承体不同的许多生理功能，如电 解质的控制和聚阴离子的运送等。壳聚糖也存在这样的三种结晶状 态。B一甲壳素在6mol／L的盐酸中会转变为a一甲壳素，a一甲壳素的 酰胺I带在1660cm-‘和1630cm-1有特征吸收峰，而B一甲壳素在

1630cm-1没有红外吸收峰，因而可用红外吸收光谱便捷的区分两者。’。 甲壳素中大分子具有稳定的晶体结构，且大分子间存在较强的

氢键。因而具有稳定的物理化学性质。常温下既不熔融，也不溶于水、 稀酸、稀碱和一般的有机溶剂，这给甲壳素产品的加工造成了不便。 目前所发现的甲壳素的溶剂主要有氯化锂／N，N一二甲基乙酰胺

(LiCl／蹦Ac)、氯化锂／N_甲基砒咯烷酮(LiCl／N姬)、四氧化二氮／N，N- 二甲基甲酰胺(N20／DMF)、六氟异丙醇／六氟丙醇、甲酸／二氯乙酸、 氯乙醇／硫酸、三氯乙酸／二氯乙烷、甲烷磺酸和三氟醋酸等。最近日 本Tokura S．发现甲壳素在水合氯化钙的甲醇饱和溶液中具有良好的

溶解性阐。甲壳素在强酸(浓硫酸、浓盐酸和浓硝酸)中能够溶解，但 同时大分子长链会在连接结构单元的糖苷键处断裂，使相对分子量降 低。

壳聚糖大分子中大量的乙酰基被脱除，分子中大部分的氨基暴 露出来，氨基质子化后可溶于水，故其良溶剂主要为酸类“3：①形成 弱的非牛顿型溶液的溶剂，溶液没有很清楚的黏度界限，如乙酸、柠 檬酸、甲酸、羟基乙酸、乳酸、马来酸、丙二酸、丙酮酸和酒石酸的 水溶液；②形成的溶液具有一定的黏度界限，但又是非牛顿型溶液的 溶剂，如2mol／L的二氯乙酸和10％的草酸；③0．041mol／L的苯甲酸、0．36mol／L的水杨酸和0．052mol／L的对氨基苯磺酸，形成的壳聚糖

溶液初期黏度和溶解度较大，但总的溶解度较低：④溶液的黏度取决 于壳聚糖浓度的溶剂，如N，N-二甲基甲酰胺、二甲亚砜、乙胺、甘 氨酸、甲胺、异丙胺、砒啶、水杨酸、三氯乙酸和尿素的水溶液以及 2mol／L的苯甲酸一乙醇。N-脱乙酰度和溶液的黏度(反映平均分子量) 是壳聚糖的两项主要性能指标。甲壳素、壳聚糖分子中由于含有—0H基、讯基、吡喃环、氧桥

等功能基，其衍生化反应主要发生在这些基团上。如图1．2所示。1。 通过化学改性可得到不同性质和功效的甲壳索和壳聚糖衍生物，从而 拓宽其应用范围，提高其应用价值。1．1．3．1酰化反应 甲壳素和壳聚糖可与多种有机酸的衍生物如酸酐、酰卤等反应， 导入不同分子量的脂肪族或芳香族酰基，形成有机酸酯。这是甲壳素 和壳聚糖的化学反应中研究得最多的一类反应。根据反应的官能团不 同，甲壳素的酰化反应可分为胺基酰化(N_酰化)和羟基酰化(0_酰化) n03。酰化反应往往是既发生N-酰化又同时发生o_酰化，既发生c。—0H 的酰化又发生c。—oH的酰化。如果壳聚糖的C6-OH、G—0H和c—毗都 被酰化，则生成全酰化的甲壳素。酰化产物的生成与反应的溶剂、酰 化试剂的结构及催化剂等因素有关。壳聚糖要得到单一的o-酰化产 物，必须对—NH2基进行保护，可用四种方法实施：①先制备o_甲壳 素衍生物再用碱脱去乙酰基㈨；②预先使壳聚糖的_N也基与醛反应生

成西佛碱，发生o_酰化后再用酸解除去保护基“”；⑨利用金属离子 模板保护崛基，制备反应在cB-删上发生的o_酰化产物“3；④引入 邻苯二甲酰基，一方面保护-NH2基，另一方面反应产物在有机溶剂中 可溶，通过该反应已制备出许多具有特殊功能的壳聚糖衍生物“3“1。 1．1-3．2含氧无机酸的酯化反应

甲壳素和壳聚糖的硫酸酯的结构与肝素相似，也具有抗凝血功 能，设计壳聚糖硫酸酯的特定结构与分子量可制得抗凝血活性高于肝 素而没有副作用、价廉的肝素代用品。硫酸酯化试剂主要有：浓硫酸、 二氧化硫一三氧化硫、氯磺酸等，反应一般在非均相条件下进行。壳 聚糖可同时在羟基和氨基上生成磺酸酯键，如果将壳聚糖的c6-删氧 化成羧基再进行硫酸酯化，可制得结构与肝素更接近的产物。甲壳素 用碱处理后再与二硫化碳反应，可生成黄原酸酯。壳聚糖加到CS。和 Na0H的水溶液中，60。C反应6h得到N_黄原酸化壳聚糖，是一种有效 的重金属去除剂。甲壳素和壳聚糖在甲磺酸中用跳处理，可得到磷 酸酯；用硝酸或含硝酸的混合酸进行硝化反应可得到硝酸酯，壳聚糖 的硝酸酯不稳定“?。． 1．1．3．3醚化反应

甲壳素和壳聚糖的羟基可与烃基化试剂反应生成醚，如甲基醚、

乙基醚、苄基醚、羟乙基醚、氰乙基醚、羧甲基醚等，使之改善溶解性或赋予另外的特性，开发新材料。甲壳素的碱性溶液与环氧乙烷反

应，得到水溶性的羟乙基化衍生物，反应过程中甲壳素同时发生脱乙 酰化哺，。壳聚糖在碱眭条件下羟基与环氧丙烷反应，在酸性条件下反 应发生在氨基上，羟丙基化壳聚糖具有水溶性可用于化妆品n?。羧甲 基甲壳素是由碱化甲壳素与一氯乙酸反应得到，产物在日用化学品、 医药等方面具有广泛的应用前景。 1．1．3．4 N_衍生物

甲壳素乙酰氨基N上的H在某些强烈条件下能发生取代反应。 壳聚糖的氨基属于一级氨基，具有一对孤对电子亲核性很强，N上的 H较活泼，能发生N_酰化反应和N-烷基化反应“刀。壳聚糖与卤代烷

反应首先发生的是N—烷基化“?，与环氧衍生物的加成反应得到N-烷 基化衍生物“”。壳聚糖在中性介质中很容易与芳香醛(或酮)、脂肪醛 反应生成西佛碱(SchifPs bases)，这个反应一方面可用于保护氨基， 然后在羟基上进行各种反应，反应结束后可方便的脱去保护基；另一 方面有些特殊的醛形成的西佛碱经氰硼化钠还原可合成一些很有用 的N～衍生物嘲。壳聚糖分子的每个糖残基上都有一个游离氨基，很 容易制成各种季铵盐。壳聚糖的季铵盐是在糖分子链上分布着许多季 铵基团，从一个糖残基来看是葡萄糖残基的砒喃环的G上存在一个 季铵基，而葡萄糖残基除CB外，其他的c都是不对称C原子。具有 不对称C原子的季铵盐可能具有特殊的生物活性，对不对称合成的相 转移催化反应有特殊作用㈨。羧酸酐在高温下能与壳聚糖发生猛烈反 应形成州}化衍生物，可用于壳聚糖的氨基保护便于进行o_衍生化 反应，同时有些N_衍生物对有些癌细胞有选择性聚合作用，有作为 抗癌新药的诱人前景，因而研究较多嗌，。 1．1．3．5接枝共聚

甲壳素和壳聚糖的接枝共聚合反应通过在甲壳素和壳聚糖的葡 胺糖单元上接枝乙烯基单体或其他单体来合成半聚合物多糖，将合成 聚合物的优异性能赋予甲壳素，因而成为甲壳素改性的一大热点。其 接枝共聚有化学法和辐射法两种，按反应机理可以分为自由基引发和 离子引发接枝。自由基引发接枝关键是产生自由基，目前甲壳素自由基接枝共聚的引发体系有：①氧化还原引发体系，主要是铈离子乜}“、

三丁基硼烷。?、过硫酸钾∞捌和}∞。_Fe”汹1引发烯类单体如丙烯酸、 丙烯酸酯、丙稀酰胺、甲基丙烯酸甲酯和苯乙烯等接枝到糖残基上； ②偶氮二异丁腈引发丙稀腈、甲基丙烯酸甲酯在壳聚糖氨基上接枝 跚1；⑨辐射引发法，”co的Y射线和低压汞灯产生的紫外线可用于甲 壳素、壳聚糖的接枝共聚。”1。离子引发接枝共聚研究较少，碘代甲 壳素分散在硝基苯中加入路易斯酸SnCI。与苯乙烯按阳离子接枝共聚 机理得到接枝共聚物∞1；另一个例子是壳聚糖与非烯类单体的N一羧 酸酐接枝共聚，可得到称之为多糖肽的新型接枝共聚物㈨。

1．1．3．6甲壳素和壳聚糖的降解反应㈣71

由于低分子量的甲壳素和壳聚糖具有许多优异性能，特别是具有 生物活性的甲壳素和壳聚糖的五～九糖在抑制肿瘤方面的特殊功能， 使得甲壳低聚糖制备成为当今国内外研究开发的重点领域。甲壳低聚 糖主要用以下几种方法获得：①合成法，主要有化学合成、利用糖基 转移法合成和利用转基因法合成；②降解法，包括物理降解法(如超 声波和辐照法)、化学法(如H她、NaNQ及酸对壳聚糖实施降解，其 中}l如降解产品已经商业化)和酶解法(用专一性壳聚糖酶或非专一 性酶如蛋白酶、纤维素酶、半纤维素酶和果胶酶等)。甲壳素和壳聚糖分子中毹f-OH、—NH极性基团，具有较好的吸

湿性、保湿性。壳聚糖吸湿性很强，仅次于甘油，比聚乙二醇、山梨 醇高。甲壳素、壳聚糖及其衍生物具有良好的生物相容性和生物降解 性，降解产物对人体无毒副作用，体内不积蓄，无抗原免疫性：具有 抗菌杀菌、抗肿瘤作用；具有加快伤口愈合、促进组织修复及止血能 力，对受损伤的生物体能诱生特殊细胞加快创伤愈合；壳聚糖作为天 然抗酸剂，具有中和胃酸、抗溃疡作用，还可以降低肾病患者血清胆 固醇、尿素及肌酸水平“1。 1．1．5甲壳素和壳聚糖的应用

甲壳素、壳聚糖由于其独特的分子结构，呈现出许多特殊的物理

化学性质和生物沂眭，在废水处理、食品工业、农业、轻工业、化妆品、化学工业、医药工业及生物工程等方面得到了广泛应用。目前研

究的热点为生物医用材料和功能材料。科学家已经尝试用甲壳素及其 衍生物制备外科手术缝合线、人工透析膜、医用微胶囊和药物缓释剂、 医用敷料、人工皮肤、抗凝血剂和接触眼镜等，近年已有少量产品进 入临床实用阶段。甲壳素纤维纺织品不但具有抗菌防霉作用，同时还 具有良好的生物学效应。商业上已经将各种不同尺寸的甲壳素和壳聚 糖微球用于金属离子、尿激肽释放酶、尿激酶的吸附剂‘”?。甲壳素、壳聚糖由于其独特的分子结构，呈现出许多特殊的物理

化学性质和生物活性，聚氨酯是大分子主链中含有重复的氨基甲酸酯

链段的合成聚合物，广泛应用于各个领域。近年来以天然高聚物甲壳 素及其衍生物与合成高聚物聚氨酯制备综合性能优良的复合材料引 起了人们广泛的研究兴趣。1．2．2接枝共聚改性

甲壳素、壳聚糖与聚氨酯的接枝共聚物是以天然聚合物(多糖链) 为主链，以合成聚合物为侧链的半合成聚合物，兼具天然聚合物和合 成聚合物的某些性质。Simone S．Si lva等∞1研究了聚氨酯一壳聚糖接 枝共聚物。接枝共聚物的制各是分两步进行的：先将分子量为600 或1500的聚乙二醇(PEG)和异佛尔酮二异氰酸酯(IPI)I)按—NC0／一 oH摩尔比为l：1或1．05：l缩聚反应制备聚氨酯预聚体。将壳聚糖分 散在D岍／冰乙酸混合溶剂中充分溶胀，加入到聚氨酯预聚体中于105 ℃搅拌反应2h。所制各的接枝共聚物的取代度(Ds)为0，12～o．59， IR和”CNMR结果表明蹦F／冰乙酸体积比为50／50是壳聚糖较好的溶 胀剂，在稀醋酸溶液中样品随DS的刚氐溶解性交差，但仍保持成膜 能力；随接枝度增加样品将形成凝胶或变为不溶。

董岸杰等㈨利用壳聚糖大分子链上盼—oH租叫吼基团与两性聚 氨酯∽U)预聚体的端—Noo基团反应，将两性聚氨酯链接枝到壳聚 糖分子链上，为聚电解质及纳米胶体粒子间的组装、复合性质的研究 提供模型化物。这种接枝共聚物的大分子链在盐酸水溶液中不是以壳 聚糖的伸展链状态存在，而是呈类似于APU的胶束形式，具有独特的 流变性，接枝度对大分子链结构形态产生很大影响，接枝共聚物的结 晶熔融峰随接枝程度的增大而向低温方向移动。 1．2．3共混改性

共混改性是合成高聚物与天然高聚物制备综合性能优良的共混 材料的简便而易行的方法，通过与合成聚合物混合，是改善甲壳素和 壳聚糖物理性能的有效方法。Hiraoko，Kyoko等H51将甲壳素与聚氨酯 共混制备了一种新的功能复合材料。二异氰酸酯与聚合物多元醇于 80℃氮气气氛中反应生成—NcO封端的预聚物，将不同量的甲壳素粉 末与催化剂一同加入预聚物中充分混合，于70～90℃压模成型l～ 7h。甲壳素加入量的最佳值为60wt％，压力成型的最佳时间、温度和

压力分别为4h、90℃和30Mpa。在二异氰酸酯Coronate T100、 Millionate MT、HDI、MDI和1，4-甲苯二异氰酸酯(TDI)和聚合物多 元醇聚氧化亚乙基二醇、聚氧四亚甲基二醇(PTMG)中，HDI和PTMG1．2．4互穿网络聚合物(IPN)

互穿网络聚合物膜是指两种聚合物材料以网状的形式分别存在 于膜中，两种聚合物之间必须直接存在聚合或交联。龚平等酬以蓖麻 油、TDI和高脱乙酰度的解聚壳聚糖合成了聚氨酯一壳聚糖互穿网络 (PU--CH)涂料，在无催化剂存在条件下固化速度比聚氨酯要快。解聚 壳聚糖与Pu—CH膜中的PU预聚物发生接枝和交联反应生成了接枝的 IPNs，增强了膜的热稳定性和光透过性，使固化速度更快。PU-CH膜 的T。和△H。分别为10℃和14．25KJ／∞1，高于对应的PU膜的值，证 明PU—a{膜中链活动性明显受阻。将这种IPN涂料涂覆在再生纤维素 膜(RC膜)上于70～90℃固化5rain可得到防水膜嘲。这种膜的拉伸 强度为853Kg／cm2(干态)和503Kg／em2(湿态)，明显高于没有涂覆和 以PU涂覆的膜。PU-CH涂覆膜不仅更容易固化，而且比Pu涂覆膜具 有更好的防水性、低的透湿性、良好的尺寸稳定性和生物降解性。 PU-CH涂层中PU预聚物通过界面渗入到Rc膜中与纤维素部分交联形 成半互穿网络聚合物(semi—IPNs)；涂层中的解聚壳聚糖与RC膜之 间形成了强的界面键，使涂层与Rc之问发生交联和接枝反应，使涂 层更易固化且改善了涂覆膜的机械性能和生物降解性能刚。张俐娜、 周金平等渊研究了PU--Cd涂覆RC膜的生物降解性。涂层膜在土壤中 的降解速率低于未涂覆的RC膜，它们在30℃土壤中的降解半衰期分 别为32天和19天。Slim、DSC和IR测试证明在土壤中微生物直接进 攻防水涂层表面，然后进入纤维素主体迅速代谢，涂层中的聚氨酯和 壳聚糖被微生物分解为芳香醚和单糖衍生物，可完全降解。HAIQING LIU等呻1制备了三羟甲基丙烷型聚氨酯／硝化壳聚糖(T-PU／NcH)和 蓖麻油型聚氨酯／硝化壳聚糖(c-PU／N硎)两种半互穿网络聚合物。经 丙酮萃取发现在T-PU和pPU IPN中凝胶含量分别为95％和80％，即 网络中大量的硝化壳聚糖不能被热丙酮再溶解，表明NCH与semi—IPN

中的部分PU发生了接枝反应，且在C-PU中NCH与PU的相互反应相 对较弱。T—PU和C-PU系列中拉伸强度分别在NCH含量为5％和10％时 达到最大值，而后随NCH含量增加稍有俐氐，但均高于各自相应的 PU膜；且由于T—Pu和NCH分子间的相互贯穿和缠结作用较强，使得T—Pu系列IPN的强度明显高于C-PU系列。两种semi—IPN涂层的密

度均高于各自相应的PU。以两种semi—IPN涂覆胶棉，由于Pu预聚 物分子扩散到胶棉中，使得T—PU和c—PU均与胶棉中纤维素产生强的 界面键，使涂覆膜具有良好透光性，机械强度和抗水性均有明显改善。 1．3本论文的主要研究目的和意义

甲壳素作为一种资源丰富且可再生的生物高分子在生态材料及 生物材料的研究中显示了巨大潜力。壳聚糖由于其独特的分子结构， 呈现出许多特殊的物理化学性质和生物活性，在生物医学方面有多种 用途，如：可吸收的缝合线、药物载体、人造血管、抗肿瘤因子、止 血成分和伤口愈合成分等，其中作为人工皮肤膜的研究最为引人注 目。但是壳聚糖膜透气率太大，动物试验外贴烫伤面时导致伤口面干 燥结痂，达不到最佳效果，且壳聚糖膜存在湿态强度较低和尺寸稳定 性较差的缺点。聚氨酯(PU)是一类用途广泛、性能优异的高分子合成 材料，广泛应用于各个工业部门。本文试图通过将具有良好力学性能 和透气性的聚氨酯上层膜与具有优良的组织相容性和生物可吸收性 的壳聚糖下层膜复合，以期得到一种具有优良性能的复合膜，并测定 了复合膜的静态力学性能，根据两单组分膜和复合膜的应力一应变行 为判断复合膜界面粘合的牢固性，讨论了复合膜的粘合机理，研究了 复合膜的溶胀性、吸湿性和透湿性以及电性能。

共混是新型聚合物复合材料合成和改性的重要方法。本文通过将 甲壳素与聚氨酯共混，以期制备一种不损害材料力学性能，又能提高 与水亲合力，具有抗菌除臭等功效的新型功能材料，并对共混材料的 热性能、力学性能、抗水性，溶胀性和保湿性以及在不同环境中的降 解性能进行了研究。

我国甲壳素资源丰富，但我国甲壳素产业仅限于初产品加工，其

中大量初产品被出口至国外，经深加工成高附加值产品后再返销回国 内。本文的研究对于扩大甲壳素的应用范围，提高甲壳素的附加价值， 改变我国甲壳素产业局限于初产品加工的局面，具有一定的社会意义 和经济价值。壳聚糖因含有游离氨基能结合酸分子，是天然多糖中唯一的碱|生

多糖，具有良好的生物相容性、生物降解性以及抗菌、止血和促进创 伤愈合等功能，并且具有良好的成膜性。壳聚糖膜的应用研究已有人 工皮肤膜、药物控制释放载体、血液透析膜、食物保鲜膜、化工生物 产品分离膜以及化妆品面膜等。本章对壳聚糖膜的成膜条件及膜的性 能进行了研究，为壳聚糖一聚氨酯复合膜的制备寻求较佳条件。壳聚糖，是一种

用途广泛的生物高分子材料，也是生物界中大量存在的唯一的一种碱性多糖。由于甲壳索来源丰富、制备简单、价格便宜，不仅能根据结构上的相似找

到类同纤维素的用途，而且从氨基多糖的特点出发，能发现更多很有魅力的新

用途。国外十分重视对甲壳素的开发和利用，有关甲壳素方面的国际性学术讨

论会相继召开。对甲壳素／壳聚糖的研究也十分活跃，尤其是近十多年来的研

究更为深入和广泛。但是甲壳素不溶于普通溶剂，反应也较纤维素困难；壳聚

糖性质活泼，但不直接溶于水，应用受到一定的限制，也影响了对此研究的开

展。对甲壳素／壳聚糖进行化学改性，提高其溶解性，开发更新用途，这是甲

壳素／壳聚糖研究中最为活跃的课题。甲壳素，壳聚糖分子中的羟基、乙酰氨基

和氨基，可进行多功能基化学反应。大的分子量、多变的配位数和晶体形态， 能形成金属络合物、高分子离子复合物、亲和复合物，可得到一系列不同优

异

性能的衍生物，从而极大地丰富了甲壳素／壳聚糖的研究内容陋”1。通过化学

4

改性12””，一方面改善了甲壳素／壳聚糖的溶解性能，增加了水溶性，从而扩

大了应用范围；另一方面，提高了甲壳素／壳聚糖原有的特性，使其作用效果

更强更好，更重要的是制得新的衍生物，开发出更有魅力的新产品。现就有关

的一些主要化学改性简单叙述如下：

酰化反应12sI甲壳素／壳聚糖通过与酰氯或酸酐反应，在大分子链上导入 不同分子量的脂肪族或芳香族酰基。酰化反应可在羟基(0．酰化)或氨基(N．酰

化)上进行。烷基化反应126、271烷基化反应可以在甲壳素的羟基上(o一烷基

化)，也可以在壳聚糖的氨基上进行(N．烷基化)，以N．烷基化较易发生。醚化

反应忙驯用类似纤维素改性的方法，在甲壳素／壳聚糖羟基上可形成相应的醚

类衍生物。壳聚糖的醚化物还可进一步进行衍生化，在N上引入基团，如羧丙

酰基、羧甲氧基乙酰基、羧甲基等生成新的衍生物。羧基化反应1291羧基化 反应是指用氯代烷酸或乙醛酸，在甲壳素／壳聚糖的6．羟基或氨基上引入羧烷

基基团，得到溶于水的羧烷基甲壳素或羧烷基壳聚糖，研究最多的是羧甲基化

反应。酯化反应130’用含氧无机酸作酯化剂，可使甲壳素／壳聚糖中的羟基形

成有机酯类衍生物，常见的反应有硫酸酯化和磷酸酯化。Shiff碱反应””壳 聚糖上的氨基可以与醛酮发生Shiff碱反应，生成相应的醛亚胺和酮亚胺多糖。

利用此反应，一方面可保护游离NH2，在羟基上引入其它基团；另一方面再用

硼氢化钠还原可得到相应的N．取代多糖。利用Shiff碱反应可以把还原性碳水

化合物作为支链连接到壳聚糖的N上，形成N一支链的水溶性产物。Shifr碱反应

也是制备N一烷基化衍生物的一个重要途径。壳聚糖季铵盐1321用缩水甘油三

甲基氯化铵对壳聚糖进行化学结构修饰，可在壳聚糖分子中引入季铵盐基团，

制得壳聚糖季铵盐。交联反应p3‘这是甲壳素／壳聚糖最有吸引力的化学改性

之一。壳聚糖分子中．OH和一NH2均可与交联剂进行交联改性，交联壳聚糖是网

状结构的高分子聚合物。壳聚糖分子中一NH2先与过渡金属离子形成配合物，

再与交联剂进行交联，具有“模板剂”的“记忆力”和选择吸附性能。甲壳素

／壳聚糖还可与双官能团的醛或酸酐等交联，这样的交联产物不溶解，溶胀也

很小，性质很稳定，适用于层析的载体，固定化酶载体或金属离子的螯合剂。 常用的交联剂有甲醛、戊二醛、水杨醛、环氧(硫)氯丙烷、邻甲酰苯甲酸、水

合乙醛酸、聚乙二醇双缩水甘油醚、乙醇双环氧丙基醚等。接枝反应134。61通

过在甲壳素／壳聚糖的葡胺糖单元上接枝乙烯基单体或其它单体，可得到新

型

的特种合成多糖聚合物，可将合成聚合物的优异性能赋予甲壳素／壳聚糖。其

他反应137挪1氧化反应(甲壳素／壳聚糖上伯醇基可被氧化成羧基)；重氮化反

应(甲壳素／壳聚糖与亚硝酸反应消除氨基，得到末端链上带有醛基的低聚合度

葡胺糖)；卤化反应(是新近开发的一种反应，甲壳素被甲苯磺酰氯酰化，再用

碘代作用，可得到碘代甲壳素，反应主要是在立体位阻较小的c6伯醇基上发生，

这种碘代甲壳素显示了较高的反应活性，是各种反应的有用前体，也是一种很

好的接枝共聚起始原料，可使得接枝共聚在特定的位置上有效进行)；此外， 成盐、蝥合等反应的特点是不改变甲壳素或壳聚糖的化学结构，但其产物性质

改变，还有硝化、脱氨基化、硅烷基化、热分解反应等。

总之，甲壳素／壳聚糖通过进行一系列的化学改性，制成各种各样的衍生 物，极大地丰富了它们的研究内容，而且其制备工艺简单，原料来源丰富，具

有广阔的应用前景。冠醚化合物能与许多金属离子形成主——客体络合物，络合选择性高，在

金属分离(特别是对稀有金属、贵金属和重金属的分离)、浓缩、精制、回收等

方面都有广泛的应用，特别是分析化学中高分子冠醚用作相转移催化反应的催

化剂获得了很好的效果。高分子冠醚化合物具有几个优点为一般低分子冠醚所

不及。一般低分子冠醚或穴醚合成困难、价格昂贵、有一定毒性、使用后不

易

回收，因此在实际应用中受到限制。人们根据低分子冠醚的不足，将低分子冠

醚通过化学反应接枝到高分子化合物的分子上，制备出具有高分子化合物和冠

醚化合物双重结构和特性的高分子冠醚[76】。这类高分子冠醚化合物具有的高

分子特性，可以增强低分子冠醚本身固有的络合性能，又具有高分子化合物易

于加工成粉末、颗粒、或薄膜等特点，更有利于进行金属离子的选择分离。因

其不易溶解，易于回收，故便于重复使用。此外，高分子冠醚化合物毒性低、 价格也相对比较低廉，越来越受到人们的重视。冠醚化合物以其独特的选择配

位性能在化学领域中得到了广泛的应用，如进行元素、同位素的浓缩分离，液

膜分离技术等；近年还在核能、电子、电化学、感光材料、精细化工及国防工

业领域中有广泛应用，并显示出优越的特性。另外，由于高分子效应产生的协

同作用，其络合性能和选择性都会比相应的化合物有不同程度的提高[77-82】，因

而新化合物的研究及其在工业上的应用都在积极开展。由于壳聚糖资源丰富，其衍生物的结构独特，特别是冠醚接枝壳聚糖和冠

醚交联壳聚糖，既具有高分子聚合物易于加工成粉末和颗粒状，易于回收和重

复使用，又具有一般冠醚所特有的络合吸附性，并且无毒无害，是一类“环境友好”材料，不会造成二次污染，还具有操作简便、易于推广应用等许多优点。

壳聚糖是直链型高分子，因此交联作用可发生在同一直链的不同链节之间，

也

可在不同直链间进行，最后形成网状结构的新型高分子聚合物，通过其网状结

构中不同数量和不同结构的冠醚单元，使它们兼有冠醚和壳聚糖的双重结构和

特性，既对金属阳离子有较好的选择吸附性，网状结构又对体积较大阴离子有

独特的富集分离能力，且网孑L结构的大小不同，有利于提高其离子选择性和富

集分离的效果；另外，空腔结构有利于不同金属离子的富集分离，而且不同交

联度、不同结构、不同链接方式的冠醚交联壳聚糖，在冠醚和交联壳聚糖的协

同作用下，对环境中贵重金属离子及不同元素形态有独特的选择吸附性，它还

极大地提高了络合吸附选择性，使得形态分析方法更加优化、简便，从而极大

地提高了其富集分离效果。作为高效有选择性的富集分离吸附剂在环境样品的

痕量、超痕量分析及形态分析中必将有广阔的应用前景【83_8“。壳聚椿，即可溶性甲壳素、或甲壳胺，由蟹、虾等水产加I：废弃物提取精制甲壳素

后经过脱乙酰基而制取，广泛存在甲壳纲动物外壳及某些细菌、真菌和藻类的细胞壁中。

它是一种天然的生物高分子，属线性多糖类。作为一种能再生的能源及工业原材料，它

的产最仅次于纤维素，自然界每年生物合成的甲壳质估计可达十亿至百亿吨，是一种十

分丰富的自然资源。近年来，随着生物医学的发展，对其研究日益活跃。由于其安全无

毒、几乎无免疫原性、可生物降解并有良好的生物相容性，在医药上可用作药物缓释剂、

人：【：皮肤、手术缝合线，并具有抗溃疡、抗肿瘤、调节机体免疫的功能。甲壳质、壳聚糖分子巾具有很多可修饰的基因，如．NH2基和．OH基。利用胺基或

羟基的反应活性，可以进行酰化，硫酸酯化及氧化，羧甲基化、烷基化、脱氨化等一些

反应，得到相应的甲壳质，壳聚糖衍生物。

甲壳质、壳聚糖及其衍生物在多种条件下会发生降解，在浓无机酸中降解生成氨基

葡萄糖，在蜗牛壳质酶和溶菌酶的作用下可发生生物降解，生成对生物体无害的氨基葡

萄糖，因此生物相容性好，无毒，几乎无过敏作用，还可食用。1．1-2壳聚糖在生物和医药方面的应用?5]

壳聚糖资源丰富，价格低廉，制备简单，它具有许多独特的化学物理性质，根据其

毕-lI科妓大学刚济I基学I坑硕士学位论文

酰化、硫酸酯化和氧化、接技与交联、羟乙基化、羟甲基化等反应还可制备成多种用途

的产品，面目．从氨基多糖的特点出发具有比纤维素更为广泛的用途。对壳聚糖的应用开

发研究，自本世纪六十年代以来就十分活跃，近年来国际上更是十分重视对它的深入开

发和应用。R前，闻际上应用[P壳质及其衍生物制备的海洋生物材料高科技产品不断推

出，应用产品已达五百种以上，美国、日本、意大利、挪威、印度和南朝鲜等国相继建

立甲壳质，壳聚糖生产J+，其中口本和美同是主要生产国家，同时又是主要的消费国。在

日本现在可以买到添加有壳聚糖的饼干、面条、牛奶以及甲壳质系列保健品。通过对甲

壳质和壳聚糖进行化学修饰与改性来制备性能独特的衍生物已经成为当今世界应用开

发的～个重要方面。壳聚糖被广泛用}：制药，感光材料，食品添自噱q。作为金属合刹以

及被用于食品果蔬的防腐与保鲜；用甲壳质制备的壳聚糖易溶于水，易被吸收，并且具

有抗蒲，抗肿瘤和提高植物防御能力等功效；在医药工业，可制成吸收性手术缝合线、

创可贴、免缝促进剂。利用其物理机械性能，可制成膜状、胶状、粉状物和润滑剂、抗

凝血剂、抗胆固醇荆、抗胃炎剂、酶固定化材料、隐形眼镜、透析膜、药物传送载体、

人工l肾、人』：心脏瓣膜、粘膜止血剂、人造皮肤等众多用途产品。其中最吸引人的应用

是利用它们的化学或生物活性性能，如细胞结合和细胞活化性能。也正是因为这些特征，

使得甲壳质／壳聚糖及其辑生物的应用领域几乎涉及到日常生活的各个方面。特别是当前

国际走向现代化时代，工业突飞猛进，可以预言，甲壳质及壳聚糖可望有朝一日将象塑

料一样融合进人们的日常生活，成为二十一世纪的支柱产业之一。 壳聚糖及其衍生物在生物和医药方面的应用主要有： 一、作为生物、医用高分子材料 l、制作手术缝合线p1

甲壳质和壳聚糖混合可以挤成很细但强度高的丝状原纤维，用作手术缝合线，其强

度不亚于聚醋缝合线，而且由于这种手术线能被生物体内的溶菌酶降解，伤

口愈合后不

需拆除，病人无须忍受折线的痛苦。该手术线在胆汁、尿液、胰液中可以很好地保持其

强度，而现有的可吸收的手术线难以做到这点。更好的优点还在于该手术线具有生物相

容性，不会产生过敏反应，还有促迸伤口愈合的作用。 2、制成人造皮肤和伤口敷料【6】

将甲壳质制成无纺布状的“人造皮肤”，是一种修饰烧伤、溃疡及皮肤感染的新型

材料。这种“人造皮肤”具有天然皮肤的功能，不仅能使伤口免受细菌的感染，而且还

可以渗透空气和水分，促进伤口愈合，还可以吸收从伤口渗出的体液，缓解疼痛。当伤

口愈合长出新的皮肤后，这种人造皮肤就会自行脱落，病人没有痛苦。甲壳质、壳聚糖

及其衍生物，不论是溶液还是固体粉末，都能有效地起到止血作用，把它们制成医用绷

带，可用于止血和加速伤ISl的愈合。壳聚糖是极好的伤口敷科，可以直接用于伤口。3、固定酶用载体\“j

吲定化酶较游离酶的突出优点是可以重复使川且易从被作用物中分离出来。大多数

聚合物的残存单体易使酶失活。壳聚糖不存在着残余单体，敞用它作为酶的载体较许多

聚合物有更大的优越性。日本，已有固定酶用的壳聚糖多孔颗粒商品。 4、细胞培养用微载体

微载体的细胞培养技术是为了适应大量的细胞生产的需求发展起来的。常用的微载

体材料有葡聚糖、塑料、明胶、纤维素等。壳聚糖来白于生物体，对细胞毒性极低，且

亲和性好，安全性高，故是细胞培养用微载体的很好材料。细胞在壳聚糖上的培养有两

种常用技术，一是将细胞封入壳聚糖形成的胶囊中，另一种是将细胞附着在壳聚糖微载

体表面上。

二、壳聚糖衍生物的药用功能

1、壳聚糖本身具有很多的药用功能。口服壳聚糖能抑制胃酸和抗溃疡，并兼有降

低胆固醇和时油三酯的作用。壳聚糖和它的盐可用来治疗胆红素过多症，含有N-长链

烷基壳聚糖的季铵盐对月孢子菌、大肠杆菌均有抗菌作用。甲壳质、壳聚糖具有抗肿瘤

作用。从甲壳质中提取的一种被称为水溶性N．乙酰化．6一葡胺糖的甲壳质衍生物，能显

著抑制癌细胞的增殖和转移。羧甲基甲壳质的磺化产物能通过显著降低肿瘤块的血管

数，从而直接抑制肿瘤生长和转移。部分乙酰化的壳聚糖可以选择性地富集到某些肿瘤

细胞中，并且通过抑制这些肿瘤细胞的生长来达到抗肿瘤性。武汉市职工医学院的研究

也表明，壳聚糖具有抑制癌细胞的转移和防治动脉粥样硬化的功能。 2、壳聚糖的硫酸化衍生物具有类似的肝素的性质，而肝素是一种被广泛使用的抗

凝血剂。研究的结果表明，硫酸酯化甲壳质和硫酰酯化壳聚糖均具有良好的抗凝血性。

抗凝血性与分‘f量的关系较大，此外与脱乙酰度，硫酸酯化度等因素也有关系。有实验

结果表明，乙胺糖单元上的6．C的磺酸基因是抗凝血性的主要活性点。3-C的磺酸基因

也能增强6-C磺酸基因的抗凝血性，但不是根本原因。同时也发现N一位上的磺酸基因

不是具有抗凝血性的先决条件。

3、壳聚糖经降解后可以得到D．氨基葡萄糖例，它具有多种生物活性，特别是对肿

瘤细胞有比较强的杀伤作用，能用作癌症化疗药物。D．氨基葡萄糖的盐酸盐和硫酸盐衍

生物也具有良好生物活性，可以用作抗骨关节炎和抗风湿关节炎的药物。 4、作植物生理剂用的壳聚糖，可以使植物细胞及组织产生甲壳素酶，从‘雨阻碍植

物病原菌的增殖。经壳聚糖处理的小麦及萝h在栽培中，可减少痫虫害的侵染，产量提

高7～13％。低分子量的壳聚糖可提高植物的甲壳质酶活性及其抗菌活性。用甲壳质合成

的抑制剂类杀虫剂具有特异性的杀虫机制，即通过抑制昆虫体壁甲壳质的合成而阻止昆

虫蜕皮，对不含甲壳质的其他生物低毒，而且，该药种在昆虫种间有较强的选择性，在

能够防治害虫的使用剂量下，对天敌影响较小。i、药物缓解基质“uJ 壳聚糖能被J’泛存在于生物体组织中的溶菌酶降解，生成的代谢物无毒而且能被生

物体完全吸收。由于甲壳质、壳聚糖及其衍生物所具备的海绵状的特殊结构和溶解性，

使它们用作药物缓释材料较许多非生物腐蚀性或不能生成无毒代谢的生物腐蚀性材料

有更大的优越性。将甲壳质、壳聚糖与各种药物一起制成凝胶或微胶囊，可以控制药物

释放，改善药物的溶解性和吸收性。例如用壳聚糖的稀醋酸溶液作粘合剂¨“，将阿斯匹

林用湿法制粒后压片，HJ制成长效阿斯匹林。通过控制壳聚糖在片剂中的含量来调节药

物的释放速率。一般分散在壳聚糖凝胶中药物的释放速度为零级动力学控制。将药物做

成球状颗粒，浸入壳聚糖稀酸溶液中，颗粒的外表面生成一层壳聚糖薄膜，经干燥后得

微胶囊。药物的释放速度受到壳聚糖衡酸溶液浓度的控制。此外，还可将甲壳质、壳聚

糖的多孑L小圆板，浸渍在药物的溶液中，药物吸附在多孔表面上，减压后，使药保留在

小孔内，在体内通过扩散释放。日本，已有以壳聚糖作为基质的缓释药物出售。

四、聚合药物载体

聚合药物是指将小分子药物通过共价的方式连接到本身具有生物活性的聚合物上

得到的大分子药物。其中聚合物起药物载体的作用。聚合药物也称为大分子前药或聚合

前药，具有控制药物缓释，增强药效，降低药物毒性的作用。具有生物可降解性和生物

相容性的甲壳质，壳聚糖及其衍生物用于聚合药物载体的研究引起了人们广泛的兴趣，

有人将它们与一些抗癌药物如5，氟尿嘧啶生成复合抗癌药物，研究表明，这样的复合抗

癌物在抑制肿瘤生长及转移方面均较单一药剂有更好的效果或更低的毒性。 甲壳质，壳聚糖及其衍生物在生物和医药领域中的应用除上面所述以外，还可以用

于制造人造血管和止血海绵，制接触眼镜，制人工肝的吸附解毒剂[12q41，用于降胆固醇

剂等等从多的方面。壳

酶固定在壳聚糖自载膜上，制成生物传感器多功能敏感膜，应用此载酶壳聚糖膜与化

第一章绪论

学发光反应相结合可快速灵敏地检测生物样品中的微量HzOz。 (4)生物工程和组织工程材料

①细胞培养基壳聚糖及其衍生物材料机械性能较好、具有很好的细胞贴附性 且其本身就是细胞生长因子，可以控制细胞的增殖和生长。例如：壳聚糖可抑制成纤

维细胞的增殖而羧甲基壳聚糖则对成纤维细胞的增殖具有促进作用。所以，壳聚糖及

其衍生物材料作为细胞培养载体用于体外组织培养是安全可靠的。Koyano等【2副研究

了聚乙烯醇／壳聚糖共混凝胶膜上壳聚糖在表面的浓度和分布形式，并测定了影响细

胞贴附和生长行为的接触角和‘一电势。发现含40％壳聚糖的膜，壳聚糖分子分布均

一，而含15％壳聚糖的膜，壳聚糖分布于一个个小岛状的区域。结果表明：聚乙烯醇

的加入增强了膜载体的机械性能，而壳聚糖的含量则影响了细胞的培养状况。

Shanmugasundaram【24】制备了以戊二醛为交联剂的胶原蛋白一壳聚糖互穿聚合物网络

膜，既可作为人类表皮样癌(Hep一2)细胞的培养基也可用作测试抗癌药物的体外模

型。

②酶固定化载体壳聚糖分子结构中存在易于使酶固定的氨基，可满足作为大 部分酶固定化的载体的要求，因而壳聚糖及其衍生物作为酶固定化的载体获得了广

泛的应用。而许多固定化酶有重要的生物医学用途，如脲酶可用于血液中有

毒成分

(如尿素等)的脱除或人工肾渗析液的再生‘2甜。

③硬组织修复材料甲壳素和壳聚糖可以作为硬组织激发剂，以其固定肝素、 硫酸软骨素和葡聚糖等，可以有效地刺激硬组织尤其是骨组织的恢复和再生【26J。Lee

等【2 7】制备了加入血小板生长因子的壳聚糖／磷酸钙海绵。体外骨成纤维细胞培养实验

结果显示细胞在海绵体基质中贴附、分化以及生长状况良好，具备诱导新骨生成的作

用。骨折可吸收材料必须直接与人体组织、血液和体液接触，因此要求其不但应具备

生物相容性，还应具备一定的机械性能和成型加工性能以及与骨组织间的弹性模量

相匹配的物理性能。Nakagaki等[28】用甲壳素、壳聚糖和水溶性高分子及羟基磷酸钙

制备了有良好赋形性质和生物亲和性的硬组织修复基质材料。以改性甲壳素纤维为

增强纤维，高分子量聚乳酸为树脂基体，采用缠绕成型工艺制各并模压改性甲壳素纤

维增强聚乳酸复合材料，该材料用作骨折修复材料有望解决聚乳酸类材料降解过快

的问题129】。

④软组织修复材料细胞大规模培养技术的日臻成熟和生物相容性材料的开 ．笙二兰兰堕—————————————一

发和研究，使得活细胞和生物材料组成人造组织和器官成为可能。组织工程材料的研

究希望应用生命科学与工程原理及方法构建生物装置，利用细胞培养恢复受损组织

或器官的功能，达到制造生物仿生材料进而制造人造器官的目标a Lu等【30】

将壳聚糖

溶液注射到鼠的关节软骨腔内，使膝关节软骨密度明显增加，说明壳聚糖有利于关节

软骨损伤的愈合。Matthew等【31]将壳聚糖与带负电的硫酸软骨素～4复合制备了PECs

水凝胶，软骨细胞在水凝胶表面保持许多形态和功能的特征，此时的壳聚糖支架为种

植的软骨细胞提供暂时的生物力学环境。__药物控制释放材料从以上的综述可以看出，有关壳聚糖基材料在药物控释体系的研究颇为广泛和

深入。为了满足临床医学对药物及其剂型的理想要求——高效、无(低)毒、易操

作(无创伤)和舒适性，药物新剂型的研究己成为材料科学，特别是高分子材料科

学的一个重要研究方向。

壳聚糖是自然界存在的唯一碱性多糖。由于壳聚糖分子链上同时含有羟基和氨

基两种活泼基团，可以通过交联、烷化、酯化、酰化与接枝等化学反应进行改性，

以制各具有不同理化特性和不同用途的壳聚糖衍生物。壳聚糖及其衍生物具有良好

的生物相容性、生物可降解性及促进药物吸收等性能，因而有关壳聚糖作为生物医

用材料的研究近几十年来一直不断深入。

N一烷基化壳聚糖是一类重要的壳聚糖衍生物，它可改变壳聚糖的亲疏水性。因

而在化妆品、环保、纺织、医药等众多领域都有应用价值‘87删。有关N．烷基化壳聚

糖合成的报道，多集中于短链烷基‘911和卤代烃类p21。我们研究组曾直接用月桂醛通

过西佛碱反应制备N．十二烷基化壳聚糖‘9孙，但对分子量大于3千的壳聚糖其取代度

较低。为提高N．烷基化壳聚糖的取代度，本文首次提出在醛与壳聚糖反应体系中，

加入相转移催化剂十二烷基磺酸钠，有利长链脂肪醛与壳聚糖的反应。本研究的目

的是提高壳聚糖的N，N．双烷基取代度，制备泡囊材料。壳聚糖(chitosan)系甲壳素脱乙酰化后的衍生物，又名甲

壳胺、聚氨葡糖、脱乙酰壳多糖等，其分子式为：聚．2．氨基．2．脱氧．13一D一

葡萄糖。壳聚糖具有较好柔韧性、成膜性，且在局部还有一定抗菌、消 炎、止血作用，可促进创伤组织再生与修复61，由于壳聚糖的基本单位是 葡萄糖胺，而葡萄糖胺是人体内存在的物质，因此，壳聚糖与人体细胞有 良好的亲和性，无排斥反应，动物实验证明其无任何毒性㈣。总之，壳聚 糖来源丰富、具有生物相容性、生物降解性、成膜性、柔韧性，还有一定 的消炎、抗菌作用‘”，壳聚糖成为膜剂膜材研究的热点。

4-1.亲和膜色谱是生物分子分离技术中-f]新兴的技术。它将传统的亲和膜色 谱技术和膜分离技术结合起来，具有不但纯化倍数高，特异性好的特点，而且其

分离速度快，操作压低，在生物大分子的分离和纯化中得到了广泛的应用 天然高分子是制备亲和膜基质材料的一大类。与合成高分子相比，天然高 分子有着良好的亲水性，生物相容性和可反应性。我们以壳聚糖(cs)为基质，以

硅胶为致孔剂，制备了具有较高孔隙率和较大孔径的多孔膜。在对硅胶用量和孔

隙率间的关系的研究中，我们发现，当硅胶和壳聚糖的质量比为12：1时，多孔

膜的孔隙率达到最大我们将CS／Cu(II)配合物多孔膜用于对尿素的吸附 以考察其作为治疗尿毒症血透材料的潜力。结果表明CS／Cu(11)配合物多孔

膜对

尿素的吸附量随着膜中Cu(II)含量的增加而增加，最大可达78．8mg／g左右，在已

见报道的尿素吸附材料中处于领先地位。

4-2本论文的另一个研究内容是将羧甲基纤维素(CMC)与壳聚糖共混并加入戊

-醛作为交联剂，同样以硅胶为致孔剂，得到了CS／CMC半互穿网络型 (semi—IPN)膜。扫描电镜观察同样显示该膜孔洞分布均匀而又连续。因为CMC

上所含有的一COO’，因此CS／CMC半互穿网络型膜其实是一种新型的阳离子交换

膜，适合进行亲和膜分离。

壳聚糖(chitosan)是甲壳素的脱乙酰化产物，其化学名称为B(1—4)一2一氨 基一2一脱氧一D一葡萄糖。由于脱乙酰化破坏了甲壳素结构的规整性，其溶解性能较甲

壳素大为改善，且化学性质也较活泼。壳聚糖具有一些独特的物化性质及生理功能，

在医药、食品、化妆品、农业及环保诸方面具有广阔的应用前景{2羽。特别是以此制

成的壳聚糖生物保健品具有诸多对人体有益的功效，己被欧美各国誉为除蛋白质、

脂肪、糖类、纤维素和矿物质以外人体所需之第六大生命要素f6】。近年来，壳聚糖

基生物医用材料的研制和开发成为甲壳素化学中非常活跃的研究方向，显示出了广

泛的应用前景。

聚糖(Chitosan)是甲党素的脱乙酰糖产物，它以天然、来源广泛、无毒，以及可

生物辫勰的特性，强承处理中粒成惩较菇广泛。黧零每年用予隶处理的甲巍索约

500盹，荚国国家环保局己批准将壳聚糖用于後用水的净化i艄。尤其是壳聚糖分

子内含商羟基、氨基镣多种活性官熊团，使它其肖较强的与金属离子配位的能力，

可作为一静吸附剂娥璎废水中的黧袅属离子。壳聚糖具有复杂懿双螺旋结稳，螺题为O。515rim，一个螺旋乎瓣出六个糖残

蒺组成。壳聚糖的结构单元不是单糖(氰基葡萄糖)，丽是二糖。谯壳聚糖酶蠢

然降解壳聚糖时，最后产物也是壳二糖。壳聚耱大分子链上分布着许多羟鏊、氨基，还夜一些N一乙酸懿鏊，它饲会

形成各种分予内和分子间的氢键，正因为这些氢键的稃在，才形成了壳聚糖大分

子酌二级结构。冠醚的化合物其有独特的分予结构，由予麓环的空澄大小可以变纯，敬能与

17

许多金属离子形成主一客体配合物，具有较好的选择性。轰聚藏蹩矗链型豹裹分子聚合豹，由于分予每存在游蕊爨基，在翡酸溶液孛

被质予化，从而使壳聚糖分子链上带上大量正电荷，成为～种典型的阳离子絮凝

剂。它兼有电中和絮凝和吸附絮凝的双重作用，即高分子链上的阳离子活性基团

与带受恕翡蕊胶俸微粒秘互吸；l，黪低中稿胶髂微粒兹表嚣壤蕊，围时压滚了徽

粒的扩散层而使胶侮微粒脱稳，并借助高分子链的吸附粘结釉架桥作用而产生絮

凝沉降，(3)俸麓分离貘糖辩

甲壳素及壳聚糖衍生物是近年来采用的新测膜材料。用究聚糖制备的薄膜柔 韧而不溶于水，对水的渗透率与玻璃纸相似。用壳聚糖制得的反渗透膜具有醋酸

纤维膜凭法毙毅的求逶量，对金鬣离子表瑷密霹蕊静截蜜率，戈其对二俊离子敢

效果嚣佳。交联改性的壳聚糖膜凝有耐酸性，可在较大的p聃范围内使用。以壳

聚糖及其衍生物可制成反渗透腆、烟a＆腆、渗遗汽化和然发渗透腆，用于趟纰水

照涮各、废承处理、海求淡让等嚣个方露。壳聚糖的分子结构与纤维素相似，分子呈直线状，极性强，易结晶，熔点高于自身

分解温度。根据分子链的排列方式，可把壳聚糖分为c【和P两种：a分子链以反平行方

浙江1：科学院硕十学何论文

式#lb-jS0，分子问有氢键作用，D分予则相反。壳聚糖本身带有活泼的氨基和羟基，易溶

于弱酸溶液巾且易发生化学反应，可以进行酰化、醚化、烷基化、酯化、羧基化等化学

反应，以制备符种各样的壳聚糖衍生物。目前，甲壳素／壳聚糖产品的丌发研究主要集中

在以下几个方面：壳聚糖降解制备低聚壳聚糖以及更小分子量的水溶性壳聚糖；对甲壳

质／壳聚糖进行化学修饰制备具}f4：同性能、不同川途的qI壳质／壳聚糖衍，上物；Ep壳质／

壳聚糖的应用研究。选,rlJ硅烷作为交联剂还有一个日的是对}}】6“四内外研究比较热门的有

机／无机纳米杂化材料做初步的探索。所谓杂化材料是继单组分材料、复合材料和梯度功

能材料之后的第四代功能材料。杂化材料是一种均匀的多棚材料，其中至少有一棚的尺

、j韵．，·个维度在纳米数量丛，纳米十u与其它十日fNJ通过化学(其价键、螫合键)与物理(氢

键等)作用在纳米水平上复合，即相分离的尺寸不得超过纳米数量基。关丁二S01．Gel制

螯有机／无机纳米杂化材料已有几十年的历史，近年柬在国外是十分热门的课题。而在我

豳，最近／j’有零星报道。杂化材料综合了各组分的优势，具有多功能的作用。由于它是

新材料，虽然目前还未实用化，但这方面的研究越来越活跃。可以预料，它是未来极有

发展前途的一类新型材料【4“。该材料的制备类型有很多种，其中最有效的方法是先用硅

烷交联剂或其它交联剂与有机材料发生交联反应，然后再与『F硅酸乙酯或甲酯的前驱体

发生水解缩合反应，而制得有机／无机杂化材料[47《21。曾有人研究过壳聚糖／Si02杂化膜

的制备[53,541，该膜材料是用共混法制得的，虽然得到的材料中二氧化硅以一定的烷氧键

的形式分散于壳聚糖中，但得到的杂化材料不具有光学透明性，且在水溶液中具有易溶

解性。山于壳聚糖本身的特点以及酸性条件下壳聚糖的氨基易变成萨离予使交联反应变

得困难等特点，限制了壳聚糖杂化材料的制备及应用研究。本论文在前人工作的基础上，

尝试了交联壳聚糖的制备，日的之一在于刁找一种合适的硅烷交联剂，并选择一定的实

验条4't二使硅烷交联剂与壳聚糖发生交联反应，为以后制备壳聚糖／Si02纳

米杂化材料提

供实验及理论上的指导。

本课题所选用的硅烷交联剂为3．失水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷 [(cH2cH0)cH20(cH2)3Si(OMe)3】，由于该交联剂含有化学性质比较活泼的环氧基团，因

而比较容易与含有氨基的高分子化合物发生化学反应[55I。由于壳聚糖上含有活泼的氨基，因而它也能与该交联剂发生化学反应。壳聚糖的金属配合物研究中，过渡金属配合物研究最多。大量研究表明

[132-137】，壳聚糖对金属离子的配合作用与壳聚糖的比表面积、脱乙酰度、溶

液温度与pH值以及金属离子有关。壳聚糖基本上不与碱金属、碱土金属离 子发生配合作用，而对过渡金属离子具有较强的富集能力。溶液pH5—7，吸

附温度30。c，脱乙酰度和比表面积较大时，壳聚糖对过渡金属离子的富集 能力最大，pH值的变化会影响壳聚糖对金属离子的配位能力【”8。1391。近年来

的研究结果表明，在壳聚糖的N一位和O一位引入羧基等富电子基团可进一步

改善其配位能力【14“?】。壳聚糖与金属离子的配位机理由Muzzarelli[130】等人于1973年首次提出

假设，认为壳聚糖与金属离子通过离子交换、吸附和螯合等方式发生配合作 用。随后，该假设被Focher、Domard和Ogawa掣142Ⅲ51许多研究耆运用ESR、 CD、IR、X—RD以及DTA—TG等诸多现代测试手段加以证实。并进一步提 出了壳聚糖配位机理的“桥式模型”(bddge model)【瑚’145】和“侧式模型”

(pendant model)【144“461。桥式模型中只有氨基参与配位；侧式模型中，配位

体中同时含有氨基和羟基。但到目前为止，这两种配位方式还有待于进一步佐证。配合物的结构研究中，Ogawa等人【l“J的成果引人注目，用x一射线衍

射对壳聚糖与Cd(It)、Zn(1I)和Cu(II)的金属配合物进行表征后发现壳聚糖在 金属配合物中分子构象并没有发生变化，其金属配合物由八个壳聚糖单元组 成有序结构，空间构型为P2．2。2．。该发现对揭示壳聚糖金属配合物的构效关

系将具有重要意义。

壳聚糖对金属离子具有配位作用，因而被广泛应用于重金属离子的回收 或富集。近年来，壳聚糖金属配合物的新型功能正不断地被发现，并已显示 出诱人的应用前景。如壳聚糖一铜(II)配合物在四氯化碳存在下可引发甲基丙

烯酸甲酯、丙烯腈等乙烯类单体聚合【147‘148I；壳聚糖一钇配合物／--异丁基铝／

苯甲酸甲酯三元体系可催化环氧氯丙烷开环聚合【1491；壳聚糖与Pd(II)、Pt(IVl

的配合物对共轭双键、叁键、芳香族硝基化合物以及丙烯酸具有较高的氢化 催化活性【”o。511：壳聚糖一Pt—Ni复合配合物可作为乙腈、丙腈、丁腈、苯基

腈的高效氢化催化剂，并可反复使用而不影响催化活性1152l。聚(4一乙烯吡啶)是一种多功能聚合物，其毗啶环具有毗啶的典型反应特

征，能与卤代烷烃反应生成季铵盐；能与过氧化氢反应生成聚(4一乙烯一N一氧

化毗啶)以及其它的一些卤代物如氯乙酸、氯代乙酸酯、氯代有机胺、氯代有

机醇反应，生成季铵盐阳离子聚电解质以及具有偶极离子对结构的铃盐，通过

这些衙生化反应能有效地在主链中引入不同的功能基团，改变其在不同溶剂中

的溶解性能。而且聚(4一乙烯毗啶)及其衍生物具有抗菌、杀菌、吸附、气体

选择渗透以及好的蒸汽渗透分离能力；通过衍生化，将在聚合物的共混研究

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