壳聚糖生物医用材料的研究进展.docx

壳聚糖生物医用材料的研究进展.docx

《壳聚糖生物医用材料的研究进展.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《壳聚糖生物医用材料的研究进展.docx（8页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

壳聚糖生物医用材料的研究进展

壳聚糖生物医用材料的研究进展

冯秀清

（海南大学材料与化工学院，08材料1班，20080403B004）

摘要：

壳聚糖作为一种天然的材料,不仅无毒、无污染,而且具有很好的生物降解性和相容性，有着广泛的应用前景。

本文从壳聚糖的制备、应用两个方面对壳聚糖生物材料进行了综述。

关键词：

壳聚糖；生物材料；制备；应用.

1前言

壳聚糖（chitosan）为甲壳素N-脱乙酰基所得的产物,在天然高分子中的含量仅次于纤维素。

其结构示意图如下[1]：

甲壳素又名几丁质、壳多糖、甲壳质等,是自然界中唯一带正电荷的天然可降解高分子聚合物,广泛分布于植物细胞的细胞壁,动物的角质上皮,海洋无脊椎动物、昆虫的外壳以及真菌菌体的细胞壁中,其中以甲壳类虾蟹壳中含量最高[2]。

由于甲壳素在甲壳类虾蟹壳中含量最高，所以，由甲壳素制备壳聚糖时，主要是以虾、蟹类作为原料,而我国的虾、蟹类分布量大、资源丰富,这为壳聚糖的生产提供了充足的原材料。

壳聚糖是一种新型的天然医用生物材料,它具有无毒性、生物可降解、生物活性、生物相容性和抗菌性等众多优点，广泛应用于水处理、生物医学、化妆品、农业和食品工业中。

另外,有研究表明壳聚糖能促进凝血,促进生长因子TGF-β1的释放,从而加快伤口愈合的作用。

壳聚糖作为一种天然的材料,不仅无毒、无污染,而且具有很好的生物降解性和相容性，这符合环保以及经济可持续发展的要求[3、4]。

故而，对于壳聚糖的研究，有很大的必要性及经济性，符合发展要求。

本文将从壳聚糖的制备及其在生物医用材料领域的应用两个方面来论述壳聚糖生物医用材料的研究进展。

1壳聚糖的制备

关于壳聚糖的制备方法,其工艺流程大体相同。

下面，我们以蚕蛹壳聚糖的制备工艺来具体说明其制备方法。

并介绍几种壳聚糖复合材料的制备方法.

1.1蚕蛹壳聚糖的制备工艺[5、6、7、8]

蚕蛹壳中含有丰富的甲壳素,是提取壳聚糖的优质原料。

但是，由于蚕蛹壳中存在的蛋白质和色素含量高、脱乙酰基困难等问题,利用蚕蛹壳生产壳聚糖的工艺技术也要求较高。

目前国内蚕蛹壳生产壳聚糖仍然参照虾、蟹壳聚糖的提取工艺,其流程为:

蚕蛹壳预处理→酸脱无机盐、碱脱蛋白→水洗干燥→脱色干燥→甲壳素→浓碱脱乙酰→水洗、过滤干燥→壳聚糖。

具体流程图如下：

下面，我们来了解各个步骤的具体操作。

1.1.1　蚕蛹壳的预处理

从生产蚕蛹蛋白前处理工艺中分离出的残渣主要成份为蛹壳,蛹壳是多种成分的复合体,主要包括甲壳素、蛋白、无机盐等,结构十分紧密,另外残渣中还附有一些杂质。

因此第一步是除杂,然后烘干以为制备甲壳素（壳聚糖）提供优质的原材料。

1.1.2　脱无机盐

蚕蛹壳中的无机盐组分主要为碳酸钙,约占蛹壳质量的30%,通常采用稀盐酸在常温下浸泡的方法,使其与盐酸反应生成易溶于水的氯化钙。

在脱盐过程中，盐酸浓度和浸酸时间是影响蛹壳中无机盐洗脱的主要因素。

具体过程如下：

（1）浸泡初期,盐酸只在蚕蛹壳表面反应,脱钙速度较快,但盐酸很快被消耗而使其浓度降低,对甲壳素分子链的影响减弱。

（2）随着浸泡时间的延长,脱钙反应速度减慢,盐酸对表面已脱去钙的甲壳素分子链的破坏也逐渐增大,且时间越长其破坏作用也越大,导致甲壳素聚合度下降。

另外,生成的沉淀堆积在蛹壳表面或溶解于盐酸液中,使盐酸溶液具有一定的饱和度,阻碍盐酸与蛹壳的脱钙反应速度,延长了浸酸的有效时间,由此也会导致甲壳素的聚合度下降。

由于工业用甲壳素的质量标准GB643226439要求甲壳素有较高的聚合度,因此用酸处理蚕蛹壳时,要注意酸的浓度和浸酸时间,尽量避免甲壳素分子间的断裂。

1.1.3　脱蛋白

蚕蛹壳中的甲壳层很薄,但含有一定量的蛋白质（质量分数约为30%）与少量脂肪,难以用物理方法除去。

甲壳素不溶于稀碱,但是脂肪和蛋白质等物质能与酸碱溶液发生水解反应,而且脂肪在碱的作用下还能生成钠皂或钾皂,有助于脱蛋白,所以一般采用稀碱煮沸法脱去蛹壳蛋白。

有研究表明，脱无机盐与脱蛋白的先后顺序对后续工艺也有一定的影响。

由于碱处理对甲壳素大分子链的影响比酸处理要小得多,而且蛋白质在碱液中溶解时间短,溶解较完全,因此先用NaOH溶液洗脱蛋白质,再用HCl去除无机盐的效果较好。

1.1.4脱色

蚕蛹壳中含有色素,然而如果蚕蛹甲壳素颜色较深,会严重影响其应用范围。

常用脱色方法有乙醇-NaOH法、KMnO4法、H2O2法等。

这里不再一一赘述。

感兴趣者可查阅相关资料。

1.1.5脱乙酰基

壳聚糖是甲壳素经过脱乙酰基制备而成的,可采用化学、物理和生物方法制备。

化学方法是利用化学反应使甲壳素分子结构中的糖苷键发生断裂而生成壳聚糖,常见的有盐酸、亚硝酸、过醋酸等酸降解法,NaOH碱降解法和H2O2氧化降解法。

物理方法是用微波加热使甲壳素脱乙酰基后生成壳聚糖,是对环境无污染的绿色生产工艺技术。

生物方法是用专一性酶或非专一性酶通过生物降解甲壳素而得到壳聚糖,使用的降解酶主要有甲壳素酶、甲壳胺酶、溶菌酶和乙酰葡糖胺酶等。

生物降解法条件温和,降解产物的相对分子质量易于控制,且不会对环境造成污染。

但是，反应条件不易控制，且成本较高。

以龙虾壳为原料制备壳聚糖的工艺大致相同，具体过程如下：

首先，我们经脱钙、脱蛋白、脱色等工艺制备出甲壳素，然后再由甲壳素经过脱乙酰化反应制得壳聚糖[9]。

1.2壳聚糖基杂化生物功能材料的制备方法

　壳聚糖基生物杂化材料以多种多样形式应用于不同的场合,除了粉末、薄片外,以凝胶形式居多,如珠粒、薄膜、微胶囊、纤维、中空纤维、纱布、支架等。

其制备方法繁多,我们主要介绍冷冻干燥法之一种方法。

冷冻干燥法是将壳聚糖溶液冻结成凝胶,然后进行冷冻干燥。

由此可以得到膜、管状、珠粒等形式的三维多孔海棉或支架。

其孔隙度和形态取决于壳聚糖相对分子质量、初始溶液的组成和浓度,但最重要的是冻结温度和冻结速度[10]。

单程[11]等利用冷冻干燥法采用-20℃冷冻后,部分熔融再进行液氮重冻的预冻方式,冷冻干燥制备了厚度约2mm的仿生多层软骨支架。

经研究发现,该支架在湿润状态下具有很大的断裂伸长率,并且宏观上具有良好的柔韧性,可满足对其进行剪切、移植等操作的要求。

力学分析还表明,在湿润状态下,仿生结构支架的各层具有不同的力学性能。

生物组织工程的核心问题是建立由细胞和生物材料组成的三维空间复合体,即具有生命力的活体组织,用以对病损组织进行形态、结构和功能的重建并达到永久性替代。

其中,支架材料的性质直接影响着细胞的迁移、分化和增殖。

理想的支架材料应该具有良好的生物相容性、生物可降解性、生物活性、适当的孔隙率及孔径等。

用壳聚糖制备的生物材料具有较好的物理机械性能和良好的吸水性,与上皮细胞、成纤维细胞、肝细胞、软骨细胞及神经细胞等都有较好的相容性[13]，由其与一些大分子共混即可接近理想支架材料的要求。

这进一步验证了壳聚糖生物材料的优越性。

1.3电化学沉积法制备羟基磷灰石/壳聚糖复合材料

接下来,让我们一起了解一下如何用电化学沉积法来制备羟基磷灰石/壳聚糖复合材料。

电化学沉积法是利用壳聚糖的－NH2在一定的pH值条件下会质子化的原理，外加电场使质子化的壳聚糖向阴极迁移，在电化学条件控制下，电沉积溶液Ca（NO3）2和NH4H2PO4在电极/溶液界面合适的化学环境下与壳聚糖发生共沉积。

电化学沉积法的优点在于可以方便地通过精确控制电压大小、电流强度、通电程序和电极材料选择等因素在多孔或不规则形状物体表面沉积羟基磷灰石以及控制其形貌；但也存在明显的缺点，即要求基体材料导电，而壳聚糖或一般高分子材料本身不具备导电性或导电性较差[12]。

2壳聚糖作为生物医用材料的应用实例

2.1壳聚糖在止血方面的应用

出血是创伤后主要并发症，成年人出血量超过0.8～1.0L将引起休克，危及生命，因此及时有效止血对挽救生命具有特殊意义。

壳聚糖（chitosan，CS）具有良好的生物相容性、可降解性，独特的抑菌、抗菌性以及促进止血和伤口愈合的功能，已成为止血材料的研究热点。

但是，目前研究的CS止血膜止血效果不理想，CS/羧甲基壳聚糖（carboxymethylchitosan，CMCS）止血膜柔韧性差，成膜率低。

李保强等[14]基于甘油的低介电常数和促使CS溶胶-凝胶转变的作用，引入了甘油和酚磺乙胺,达到了提高CS/CMCS止血膜的柔韧性和止血效果的作用。

2.2壳聚糖在口腔医学的应用[15、16]

2.2.1对口腔内细菌的抑制作用

菌斑细菌及其产物是牙周病的主要致病因素，减少菌斑形成和抑制致病菌,有助于预防牙周病的发生。

研究表明，壳聚糖对口腔常见菌有不同程度的凝集作用。

利用这一特性,可将牙周袋内的细菌凝集沉淀在牙周袋局部,进行局部针对性用药,提高药物疗效。

龋病发生的必要条件之一是细菌的粘附。

有学者研究了壳聚糖衍生物对口腔链球菌属细菌的抑菌效果，低分子量壳聚糖，N-羧甲基壳聚糖和咪唑基壳聚糖均能选择性阻止变形链球菌在羟基磷灰石牙表面黏附，并增高菌斑的pH值，在口腔溶菌酶的作用下发生降解，代谢产物含有氨基呈碱性可以吸附带有负电荷的细菌，使细菌溶解、破裂、死亡，这可望作为防治龋齿的新型药剂。

2.2.2引导牙周组织重建

促进牙周组织再生,重建因疾病丧失的牙周组织功能是牙周病治疗的理想目标。

组织工程技术为牙周组织的重建开辟了新的治疗途径,它要求植入膜有良好的组织相容性:

材料要有惰性,不会因物理化学或生物性质的变化而引起不良组织反应;材料要有活性,可以激发正常的组织活动,调节组织工程产品中的细胞粘附、迁移、生长、分化和凋亡。

而我们的壳聚糖为天然的高分子材料,其降解产物为氨基多糖,为机体代谢所需产物,不会产生不良组织反应,并且材料表面具有润滑性,可减少组织的粘附,降低细菌的附着,插入或植入时能极大减少体内细胞和组织受损。

这完全符合组织工程材料要求,安全有保障。

有研究表明，在治疗牙周疾病方面，羧甲基壳聚糖比唾液腺素、壳聚糖黏度大，易黏附于伤口，其抑菌作用能够较充分发挥。

2.2.3在口腔外科领域的应用

（1）神经修复　颌面部有许多重要的运动神经和感觉神经。

在进行颌面部外伤及血管瘤、淋巴管瘤或恶性肿瘤等疾病的手术治疗时,常不可避免地造成神经损伤。

而在神经损伤修复过程中,断端神经胶质及结缔组织的增生会形成瘢痕组织,阻碍再生神经纤维向前生长,使再生的神经纤维达不到原位而失去功能。

有学者将结合有骨形态发生蛋白-2（bonemarphogenicprotein-2,BMP-2）的壳聚糖神经支架和单纯壳聚糖神经支架分别吻合于动物模型面神经缺损处,发现可吸收性BMP-2与壳聚糖神经支架复合体能更有效引导兔面神经再生并恢复其功能。

这就使再生神经纤维达不到原位而失去功能这一难题得到了很好的解决。

（2）抗肿瘤　壳聚糖具有免疫调节活性,对机体免疫系统作用时,一方面可通过激活补体系统来介导补体的系列生物学效应,提高巨噬细胞吞噬能力,增强其抗原提呈能力;另一方面,还能激活T细胞和B细胞,增强其在免疫应答中的协同效应,介导机体的细胞免疫应答和体液免疫应答,从而抑制肿瘤生长及转移。

2.3壳聚糖及其衍生物作为药物载体材料[17、18]

2.3.1在药物制剂中作为缓控释材料

壳聚糖是目前发现的天然多糖中唯一的碱性多糖,分子链上有羟基和胺基两种活泼的反应基团,可通过酯化、酰化、醚化、羧基化、醛化、水解等各种反应,引入亲水基团而得到水溶性的衍生物,可在盐酸、醋酸等低pH水溶液及酸性消化液中膨胀形成凝胶,从而阻止药物的扩散和溶出,依此特性可制成各种缓控释剂型。

纳米粒是目前作为缓控制剂研究的热点，经过大量研究表明，它具有良好的缓释作用。

此外，在凝胶剂、膜剂中壳聚糖也用作基质具有缓控释的特性。

2.3.2作靶向药物载体

　研究表明,用壳聚糖作为载体材料具有靶向性,能够起到肝、脾、肺及结肠靶向的作用。

有学者采用星点设计法优化汉防己甲素壳聚糖微球的处方,以乳化交联法制备壳聚糖微球,自变量为汉防己甲素和壳聚糖的重量比、水相和油相的体积比、壳聚糖浓度,所制微球粒径大小适宜,可满足肺靶向的要求。

有研究指出，将药物包覆于壳聚糖的磁性微粒中,外加磁场将药物浓集于病灶靶区,可使药物缓慢地释放而发挥作用。

2.3.3作为基因传递载体

壳聚糖作为一种非病毒基因输送系统,其高效、安全、来源广泛等优点使其成为代替病毒输送基因的理想载体系统。

有许多学者做了大量的工作,深入研究了壳聚糖的最佳配方以及壳聚糖载体和其他病毒或非病毒载体在基因表达效率上的差异等。

2.4在组织工程中的应用[19、20、21]

2.4.1壳聚糖在骨组织工程中的应用

信号分子、支架材料和靶细胞是骨组织工程的三个关键因素。

其中，支架材料作为信号分子的载体和新骨的生长框架，应具备良好的生物相容性、生物可降解性、一定的机械强度和多孔结构。

有研究表明，壳聚糖作为促进成骨细胞和软骨细胞生长的基质材料，具有较好的生物相容性。

利用壳聚糖复合材料做成的支架材料具有三维多孔结构，通过调节组成成份的比例可以控制孔隙率，这种复合物能促进成骨细胞附着、增值及表达，培养期间可观察到骨胶原以及蛋白多糖类似物等细胞外基质的生成，整个细胞/支架结构呈现较好的生物矿化效应。

尽管近20年来对壳聚糖支架材料进行了全面的研究，但是对其诱导血管生成的研究并不深入，在体外实验中发现壳聚糖材料可以支持血管内皮细胞的生长和迁移，预示了其具有诱导血管生成的潜能。

体内外实验表明壳聚糖有诱导血管生成的潜能，但是壳聚糖这种作用与壳聚糖的相对分子质量和脱乙酰度密切相关。

2.4.2壳聚糖在软骨组织工程中的应用

近些年来，研究者们将组织工程的方法引入到软骨修复中，在透明软骨组织再生和软骨损伤的治疗中显示出了巨大的临床应用潜力。

基本的方法是将分离好的关节软骨细胞或其前体细胞接种到某种生物相容的基质或支架中，经体外培养后植入受损关节处。

氨基葡聚糖（GAGs）包括硫酸软骨素、透明质酸钠、硫酸角质素，后两者是软骨基质特有成分。

它们参与细胞间、细胞基质间的相互作用，调控细胞形态、分化、功能，是良好的软骨细胞载体。

壳聚糖结构与之类似，且具有众多优良理化特性和生物学活性，使得研究者们开始将其应用到软骨修复，模拟自体关节软骨基质。

3结束语

壳聚糖作为具有独特性能的生物材料,现已在纺织、印染、造纸、医药、食品、化工、环保等诸多领域中显示出其独特的应用价值。

特别是在生物医用方面,将越来越受到广泛的关注。

相信随着研究工作的深入,必定能使其发生突破性的进展,并产生巨大的经济效益。

4参考文献：

[1]李东旭,耿燕丽.壳聚糖的改性及作为生物材料的应用研究.材料科学与工程学报,2006,24

（2）:

301-305.

[2]赖坤平.甲壳素和壳聚糖在医药领域的应用.今日药学,2009,19（11）:

14-16.

[3]王畅,陈晓明.壳聚糖复合生物材料研究进展.化工中间体,2007

（2）:

1-3.

[4]杨艾玲.壳聚糖的研究进展.山西化工,2010,30

（1）:

30-33.

[5]刘伦杰,吴大洋.蚕蛹壳聚糖的制备及应用研究进展.蚕业科学,2010,36

（2）:

295-299.

[6]赵维,李建科,吴晓霞.蛹渣甲壳素的提取和壳聚糖的制备研究.食品工业科技,2010（6）:

248-251.

[7]胡章，李思东.壳聚糖制备工艺研究.广东化工,2009,36（7）:

14-15.

[8]付宁,杨俊玲,倪磊.壳聚糖制备条件的研究和结构表征.天津工业大学学报,2009,28

（2）:

63-66.

[9]贾荣仙，聂容春.龙虾壳甲壳素的提取和壳聚糖的制备及性能研究.安徽化工,2010,36

（1）:

41-43.

[10]何雪梅.壳聚糖基杂化功能材料制备新进展.化工时刊,2009,23（12）:

65-68.

[11]单程,孙晓丹,战景林.胶原-壳聚糖制备仿生多层结构软骨支架.医用生物力学,2010,25

（1）:

26-31.

[12]徐挺,何狄,周银银等.羟基磷灰石/壳聚糖生物复合材料的制备研究进展.生物骨科材料与临床研究,2008,5

（1）:

44-47.

[13]赵婷,李明忠.壳聚糖/蛋白质共混材料的研究进展.国外丝绸,2008（6）:

20-22.

[14]李保强,黄雁鸣,张宇锡等.壳聚糖复合止血膜的制备及性能评价.中国修复重建外科杂志,2010,24（3）:

340-343.

[15]薛涵,郭泾.壳聚糖及其衍生物在口腔医学应用研究新进展.广东牙病防治,2010,18（6）:

334-336.

[16]穆玉,彭伟.羧甲基壳聚糖在口腔科中的研究进展.军医进修学院学报,2010,30

（1）:

92-93.

[17]钱宏波.壳聚糖及其衍生物在药剂学中的应用概况.长江大学学报（自然科学版）,2009,6（4）:

203-206.

[18]乔明艳.壳聚糖及其衍生物在药物传递系统中的应用.医学理论与实践,2010,323（4）:

394-395.

[19]刘媛媛，吴海歌，姚子昂.天然组织工程材料诱导的血管生成：

理论研究与应用进展.中国组织工程研究与临床康复,2010,14（8）:

1433-1435.

[20]顾伟,刘雷艮,左保齐.天然生物可降解材料在生物医学领域中的应用.苏州大学学报（工科版）,2006,26

（1）:

69-72.

[21]孔祥烨,郑静,王晓军等.壳聚糖在组织工程中的应用.中国医学工程,2009,17（3）:

185-187.

[22]王峰,赵士贵,王旭波等.壳聚糖的化学改性及其在生物医药领域的应用进展.现代生物医学进展,2007,7（9）:

1405-1407.