壳聚糖季铵盐的应用

壳聚糖季铵盐的应用

地壳聚糖是甲基物质的n-脱甲基糖的产物。结构方法如图1所示。它是一种性质活泼的高分子聚合物,结晶度较高,一般不溶于水,也不溶于硫酸、硝酸等强酸,但在乙酸等有机弱酸中可发生溶胀或部分溶解,在稀盐酸中可完全溶解。壳聚糖是天然糖类中唯一大量存在的碱性氨基多糖,具有许多特殊的物理化学性质和生理功能,如良好的吸附性、成膜性、成纤性、吸湿和保湿性能,生物相容性和降解性能十分优良。在纺织、印染、食品、环保、农业及医药等领域都有很高的实用价值。虽然壳聚糖用途广泛,但由于受其溶解性能的影响,一定程度上限制了它的应用,因此对壳聚糖进行化学结构修饰、改善其溶解性能、拓宽其应用范围是壳聚糖研究的重要课题之一。壳聚糖的季铵化改性是一类重要的和研究较早的壳聚糖改性方法之一,它是在壳聚糖的氨基上引入季铵基团,或者把一个低分子季铵盐接到氨基上而得到的一类壳聚糖衍生物。由于季铵化壳聚糖的水溶性比甲壳素和壳聚糖要好,使其能更好地发挥壳聚糖的功效。改性得到的壳聚糖季铵盐不但具有典型的季铵盐的性质,如抗菌抑菌性和吸湿保湿性,而且保持了壳聚糖原有良好的成膜性、絮凝性、生物相容性和生物降解等性能,使其在功能高分子材料、工业水处理、纺织品加工等领域有潜在的应用价值。另外,由于壳聚糖季铵盐中的季铵基团是连接在线性高分子骨架上的,这又使它可作为载体用于药物、助剂、生物材料的负载等,拓宽了它的应用范围。本文作者主要介绍了壳聚糖季铵盐的制备方法及其性质以及其在抗菌、保湿、絮凝、催化和医药等领域的应用,并且展望了今后的研究方向。2壳聚糖的季铵化改变2.1季铵化壳聚糖直接季铵化是壳聚糖分子结构中的—NH2在碱性条件下直接与活性卤代烃作用,使其转化为季铵基团,生成壳聚糖的季铵盐衍生物,其反应式如图2所示。张冕和张灿等都是采用这种方法对壳聚糖进行季铵化改性,并研究了产物的性能和应用。Hamman等在4-二甲胺基吡啶的碱性条件下对壳聚糖进行季铵化,产物的季铵化度相对较高(59%),但由于是在碱性条件下经过多步反应得到的高取代度,所以壳聚糖的降解比较严重,在保证壳聚糖不降解的条件下产物的季铵化度只能达到34.4%。由于碘甲烷价格较高,易挥发且致癌,而且是一种受控的危险化学品,因此Britto等最近用硫酸二甲酯作为甲基化试剂,开发出一种新的季铵化壳聚糖的合成方法。硫酸二甲酯沸点高,比碘甲烷更便宜,毒性也低,这种反应不需要溶剂,而且反应效率很高,在室温下反应6h就可以得到季铵化度52.5%的季铵化产物。2.2壳聚糖的合成及其抗菌性能的研究壳聚糖分子结构中的—NH2先与羰基化合物形成希夫碱,并将希夫碱中的C=N还原为—NH—CH—,反应式如图3所示,再与活性卤代烃作用,转化为季铵盐。这种季铵化方法可以在壳聚糖分子结构中引入不同碳数的烃基,从而得到不同碳链长度的壳聚糖季铵盐衍生物。郭占勇用这种方法合成了一系列N-烷基化壳聚糖季铵盐,并研究了它们对葫芦科刺盘孢菌和番茄灰霉病菌等的抗菌性能,结果显示这种季铵化壳聚糖比壳聚糖具有更好的抑菌效果,其抗菌效果受结构中的阳离子影响较大。用碘甲烷与烷基化壳聚糖反应制备N-三烷基壳聚糖衍生物已经有包括本课题组在内的很多研究人员制备过,如ElisabeteCurti采用一种交替的方法用碘甲烷与壳聚糖反应制备高阳离子度的壳聚糖,得到一种类似于二氯化胆碱的功能化合物,如图4所示。贾之慎、VanderLubben、Uchegbu和Kim等均是以这种方式对壳聚糖进行季铵化改性得到其相应的壳聚糖季铵盐衍生物。本课题组也进行了这方面的研究工作,在成功地合成出N,N-双烷基壳聚糖的基础上,用碘甲烷对其进行季铵化改性,制备了N-甲基-N,N-双长链烷基化壳聚糖季铵盐,产物不仅具有很好的乳化性能和表面活性,而且其抗菌性能也得到了明显提高。2.3-氯-2-羟丙基-三甲基氯化胺的制备壳聚糖与带季铵基团的改性试剂作用,分子中的活性H被含季铵基团的其它基团部分取代得到季铵化的壳聚糖衍生物。根据在改性过程中壳聚糖分子中的—NH2是否被保护,所得到的衍生物有2种类型:氧取代的壳聚糖季铵化产物和氮取代的壳聚糖季铵化产物。在—NH2不受保护的情况下,由于—NH2反应活性较大,季铵化的产物一般是氮取代的产物,如Viviane、吴杰、Jaepyoung、杜予民和Balint等在文章中都讨论过这种反应。其合成路线如图5所示。这种类型的壳聚糖季铵化改性是目前使用最多的方法,Mrunal等对这类改性反应的机理有过详细的讨论,见图6所示。在碱性条件下,3-氯-2-羟丙基-三甲基氯化胺会转化成环氧化物2,3-环氧丙基三甲基氯化胺,这样就很容易和壳聚糖上活泼的—NH2进行亲核加成反应而生成相应的壳聚糖季铵盐。Lim等合成了在—NH2和—OH上都发生取代的壳聚糖季铵盐,如图7所示。先合成N-取代的壳聚糖季铵盐(HTCC),然后在C6的—OH上引入功能基团丙烯酰胺基,生成O-丙烯酰胺-N-壳聚糖季铵盐(NMA-HTCC)。通过其中丙烯酰胺上的双键在碱性条件下与纤维素结合,得到一种抗菌性能优良、且耐久和耐洗性能优良的纺织涂敷材料。在壳聚糖C6位—OH上连接季铵基团的O-取代季铵化壳聚糖是目前使用较少的季铵化方法。高艳丽等直接对甲壳素的C6位—OH进行了季铵化,得到了O-取代季铵化甲壳素,如图8所示。林友文等用苯甲醛与壳聚糖反应生成希夫碱,对C2位上的—NH2进行保护,用2,3-环氧丙基三甲基氯化铵与希夫碱反应后再脱保护,合成了氧取代的季铵化壳聚糖。这种方法得到的季铵化壳聚糖保留了壳聚糖分子中活泼的氨基,为进一步改性和应用创造了条件。Stepnova等用2-乙氧基-1-乙氧碳酰基-1,2-二氢喹啉(EEDQ)做耦合试剂,在pH值为5.5的水溶液中,用甜菜碱和壳聚糖反应,得到一种双亲性的季铵化壳聚糖,结构式如图9所示,产物的季铵化度可以由EEDQ与壳聚糖的比例来控制。虽然反应伴有副产物N-乙氧羰基化合物,但由于N-乙氧羰基化产物可使其在形成纳米粒子时粒子的大小和结构更易控制,所以这种副产物并不是必须要避免的。这种方法为合成新的双亲性壳聚糖季铵盐提供了一种新思路。3海洋中的铵盐使用3.1对克氏原螯虾小鼠使用免疫药物的影响壳聚糖季铵盐在生物医学与制药方面的应用是目前研究的热点之一,近年来出现了大量的相关文献,所涉及的研究范围十分广泛。低分子量壳聚糖是近来广受关注的一个研究热点。王梅等在血管平滑肌细胞增殖方面,张建国等在抑制肿瘤和对机体免疫功能的影响方面,刘其凤等在对乳腺癌细胞作用的研究方面都利用低分子量壳聚糖季铵盐做了相应的研究工作。Thanou等进行了季铵化壳聚糖低聚物(糖单元小于20)作为一种新型基因靶向上皮细胞输送方面的研究,结果显示,季铵化壳聚糖能很好地与DNA结合,形成粒径在200~500nm的复合物,然后转染COS-1(一类带有噬菌体DNA黏性末端顺序的质粒DNA分子)细胞,形成DNA/阳离子脂质体复合物。在此过程中,季铵化壳聚糖的转染率明显高于壳聚糖的转染率,因此在基因靶向传递方面这种季铵化的壳聚糖具有潜在的应用价值。N-三甲基壳聚糖季铵盐(TMC)也是生物医学与制药中应用比较多的一种壳聚糖季铵盐。何文等[27,28,29,30,31,32]在TMC对胰岛素的体内外吸收以及雌二醇凝胶等药物经皮给药方面做了大量的工作。仲晖等用氯化TMC作为肽类药物的口服吸收促进剂,取得了良好的效果。Worawan等研究了壳聚糖和TMC作为在鼻腔黏膜给药系统中一种免疫佐剂诱发小鼠对卵清蛋白的免疫反应。Amidi等则在TMC(季铵化度50%)粉末微粒包埋白喉类毒素(DT)的肺部给药系统方面做了相关研究。结果表明,TMC微粒在为治疗肺部DT输送抗体的给药系统方面是十分有效的。Giuseppina等对TMC基纳米粒子包埋药物在肠道黏膜给药系统方面做了体内外评估实验,在其进行的体外Caco-2细胞(人结肠癌细胞)和小鼠空肠体内实验中发现,TMC对肠内黏膜具有很好的吸附能力,对肽类药物的包埋率较高,并能很好地防治其在肠道内的降解。随着TMC的季铵化度的增加,粒子在肠道内的停留时间相应延长,从而有效地促进了药物的吸收。李涛等近来做了季铵化壳聚糖/海藻酸盐复合纳米粒子的蛋白质靶向输送方面的研究。结果表明,这种表面带正电荷、直径约200nm左右的纳米粒子,对牛血清白蛋白(BSA)的载药量受其浓度、分子参数和BSA的浓度等因素的影响。在0.1mol/L的磷酸盐缓冲溶液(PBS,pH=7.4)中BSA释放迅速,而在0.1mol/L的HCl(pH=1.2)溶液中却能释放缓慢。在酸性条件下,相对分子质量越大,释放速率越快;BSA在HCl和PBS中的释放速率都是随着季铵化度的升高而降低。徐淑芳等用季铵化壳聚糖与三聚磷酸钠(TPP)粒子交联制备了纳米粒子以及BSA的缓释实验。肖玲等则制备了镶嵌壳聚糖季铵盐微纳米粒子的壳聚糖/β-甘油磷酸钠温敏凝胶以及对BSA的缓释效果实验。高长有等合成了一种具有热响应性能的壳聚糖季铵盐-聚异丙基丙烯酰胺共聚物,其低温临界溶解温度为32℃。这种共聚物与DNA在磷酸盐缓冲溶液中混合,形成的球形纳米粒子在200~900nm之间,其大小主要由氨基基团和磷酸盐的比例决定,受温度的影响很小。体外培养HEK293细胞(人胚肾293细胞系)的实验表明,其基因转染率可以由温度来控制,在37℃下培养的基因转染率明显高于在25℃下的转染率,而且没有表现出任何的细胞毒性。因此这种壳聚糖季铵盐共聚物在基因载体方面以其细胞毒性小、基因转染率高而表现出了明显的优势。特别值得注意的是,2007年度诺贝尔生理学或医学奖就授予了在改造生物体内特定基因的“基因靶向”技术方面做出奠基性贡献的马丁·埃文斯、马里奥·卡佩基和奥利弗·史密斯,相信这无疑会推动壳聚糖及其季铵盐在这方面的研究与发展。Fiddes等对由壳聚糖季铵盐包敷形成的微凝胶胶囊在有一定形貌的微通道中的流体动力学问题进行了研究。采用2-羟丙基-3-甲基氯化铵壳聚糖(HACC)包敷分别带有正电荷和负电荷的海藻酸盐微凝胶形成胶囊,然后让其流过微通道小孔并观察包敷效果、微胶囊与通道管壁表面的相互作用以及其通过小孔的流速。结果发现,通过调节HACC所带的正电荷与微通道管壁的负电荷之间的静电作用,在不同的流速下可以得到不同直径的微胶囊,而且可控性非常好。预计这种方法能够在细胞或其它相关生物粒子悬浮液的流体研究中得到广泛的应用。Qu等合成了季铵化-棕榈酰化-乙二醇壳聚糖,这种以壳聚糖为主链的双亲性三嵌段接枝高分子形成的新型自组装微囊,具有很高的包埋率(1mol聚合物包埋48~67mol药物)。包埋异丙酚在静脉注射的药效上比目前商业化的乳液配方提高了一个数量级;在眼部局部用药方面,其包埋的脱氢皮质醇也比目前脱氢皮质醇的悬浮液在药物输送能效上要高出10倍。本课题组在这方面也进行了相关的研究。通过苯甲醛保护季铵化反应,去保护后与醛生成希夫碱,还原后得到一种新型的双亲性O-季铵盐-N,N-双长链烷基化壳聚糖,所得产物由于季铵基团的引入,不仅抗菌性能增加,而且亲水性明显提高,双亲性体现得更加明显。其单分子膜的崩溃压比未季铵化的N,N-双烷基化壳聚糖更高,更容易形成稳定、致密的自组装纳米泡囊,使其有望成为一种很好的药物控释材料在药物输送系统中得到应用。3.2壳聚糖的抑菌性壳聚糖以其独特的结构,对许多真菌具有抑制作用,自1979年Allan首次发现壳聚糖具有广谱抗菌性以后,学术界对壳聚糖的抗菌作用进行了广泛的研究,并且已推广到日常生活的应用中。郭占勇合成了一系列壳聚糖衍生物:羧甲基壳聚糖希夫碱、N-取代羧甲基壳聚糖、脲取代羧甲基壳聚糖、壳聚糖季铵盐以及羧甲基壳聚糖季铵盐(HACC),通过抗菌性能实验发现,季铵化壳聚糖分子中带正电性的季铵基团能够明显地促进壳聚糖分子和菌体细胞壁负离子间的相互结合,致使菌体死亡。HACC是这些衍生物中抑菌活性最好的,并且其抑菌活性随着正电荷的增加而增强,这表明壳聚糖季铵盐中正电荷在抑菌活性中的作用是异常显著的。贾之慎等、Sun等和李世迁等在其所合成的壳聚糖季铵盐的抗菌性能实验中也有类似的结果。赵希荣等在对O-季铵盐-N-壳聚糖肉桂醛希夫碱的抗菌活性研究中也发现,具有电子接受中心和电子给予中心组成的体系可显著提高季铵化壳聚糖的抗菌活性。Ögmundur等合成了不同季铵化度的甲基化寡聚糖(MW=775Da)和壳聚糖(MW=8.1kDa),并研究了其对金黄葡萄球菌的抗菌性能,结果表明寡聚糖及其衍生物的抗菌活性并不活泼,而壳聚糖才有抗菌活性,并且当pH值为7.2时季铵化对抗菌性能起促进作用,为5.5时反而抑制了抗菌作用。可见在酸性条件下,发挥抗菌作用的主要是自由氨基、单取代氨基和双取代氨基。程国君等用γ射线降解高相对分子质量壳聚糖(MW=65.54kDa)得到低相对分子质量壳聚糖(MW=8.09kDa)后,进行季铵化,对其抗菌性的研究也得到了相似的结果。樊李红等用壳聚糖季铵盐对海藻酸盐/羧甲基壳聚糖共混纤维进行处理,得到了具有较高生物活性和抗菌性能的新型伤口敷料纤维。池伟林等研究了壳聚糖季铵盐和阴离子、阳离子、非离子及两性表面活性剂的配伍稳定性、表面张力及杀菌活性等。本课题组所制备的双亲性O-季铵盐-N,N-双长链烷基化壳聚糖,由于季铵基团的引入,抗菌性能增加。3.3hacc与分子量的关系季铵化壳聚糖以其良好的水溶性、pH值稳定性、与表面活性剂的良好配伍性、成膜调理性、保水吸水性和抗菌性等以及原料来源丰富、价廉、无毒、良好的生物相容性及易降解等优点,作为保水剂、防腐剂、固发添加剂、成膜调理剂和防霉剂等在化妆品方面具有很好的应用前景。壳聚糖分子中引入了季铵基团后,增强了分子的水合能力,其持水量增大,具有较高的吸湿和保湿性能,有望用来取代价格昂贵、材料来源困难的透明质酸在化妆品中的应用。樊木等研究了壳聚糖季铵盐分子结构与保湿吸湿性的关系,结果发现,HACC的保湿性能随分子量增加而增大,而吸湿性能却随分子量增加而减小;取代度小于43%时,HACC的吸湿保湿性能急剧减小;取代度大于43%时,HACC具有比透明质酸(HA)更好的吸湿性能,而其保湿性能和HA基本持平。陈忻等也发现HACC的吸水保水性是壳聚糖的3倍,而且将其加入化妆品中培养2周后,菌落总数少于100CFU/g,完全符合国家标准。羟基自由基(·OH)和超氧自由基(O2-·)等氧自由基可引起细胞损伤和死亡,从而引起皮肤衰老、色斑、皱纹及某些皮肤疾病的发生。在化妆品中经常会添加一些抗氧化成分,以增强机体清除自由基或抑制自由基的能力。沈巍等用方法更简便、成本较低的DMSO溶剂体系替代了1-甲基-2-吡咯烷酮溶剂体系,合成出季铵化度较高的水溶性N,N,N-三甲基壳聚糖碘化铵(TMCI),在对其抗氧化性能的研究中发现,低分子量产物的抗氧化性更好;随着季铵化度的增加,产物对羟基自由基(·OH)和超氧自由基(O2-·)清除率降低。邢荣娥等在HACC的抗氧化效率研究中也得到了相似的结果。程建华等合成了一种壳聚糖接枝聚季铵盐高分子香波调理剂,对其调理效果的研究表明,这种调理剂可以明显改善聚季铵盐类调理剂因吸附累积使发质滑而不柔的缺点,对干、湿发质的调理改善都有明显提高。季铵化壳聚糖类衍生物以其优异的性能和生理活性而应用于化妆品中,是化妆品行业的一个新趋势。但目前许多性能优良的壳聚糖衍生物仅在实验室合成,还未能实现大量工业化生产;而且一些溶解迅速、黏度较高产品的合成还需要进一步研究。3.4季铵化壳聚糖复合膜的制备季铵化壳聚糖因具有很好的亲水性、成膜性和生物相容性,已被广泛用于制备反渗透膜、纳滤膜、超滤膜和渗透汽化膜等。Hoven等分别用碘甲烷和5-甲酰-2-呋喃磺酸(FFSA)与壳聚糖反应,在壳聚糖分子中分别引入了正(氨基)负(N-糠基磺酸)电荷基团(见图10),获得了表面带电荷功能基团的改性壳聚糖薄膜。这种薄膜对与其带有相反电荷的蛋白质比单纯的壳聚糖膜具有更好的润湿性能和选择吸附能力,而且这种性能受pH值的影响较小,其应用范围比壳聚糖膜更加广泛。值得一提的是,带氨基正电荷的季铵化壳聚糖薄膜对蛋白质的吸附比较独特,其吸附总量受表面电荷影响小,反比于其与水的表面接触角,这表明其对蛋白质的吸附不再主要由亲/疏水相互作用和静电相互作用决定,而与薄膜的溶胀比关系紧密。黄瑞华等制备了一种新型季铵化壳聚糖/聚丙烯腈复合纳滤膜,该复合膜表层由较薄且致密的壳聚糖季铵盐组成,下层由非对称的多孔聚丙烯腈做支撑层,对纯水的渗透系数为16.6L/(h·m2·MPa),对不同类型的无机盐呈现不同的截留规律,对钙、镁高价阳离子有很高截留率,因此可应用于脱钙、脱镁以及水的软化等方面。肖玲等将壳聚糖季铵盐与滤纸用戊二醛交联制备了一种复合膜,该复合膜具有良好的力学性能,对胆红素的吸量远大于壳聚糖/滤纸复合膜。在絮凝性能方面,由于季铵阳离子的引入,壳聚糖季铵盐的正电性和阳离子强度大大提高,对于阴离子型或非离子型的工业废水絮凝效果好,是一种具有良好反应活性的高分子絮凝剂。蔡照胜等对羧甲基壳聚糖进行了季铵化,得到壳聚糖的双重改性产物:羧甲基壳聚糖季铵盐(CM-HACC)。对模拟Cd(Ⅱ)和Cr(Ⅵ)废水的絮凝去除实验表明,Cd(Ⅱ)和Cr(Ⅵ)的最佳去除pH值分别为8.5和5.0,去除率分别达到了99.7%和94.4%。姜翠玉等在有机溶剂中合成了壳聚糖羟丙基三甲基季铵盐,与聚合铝复配后对油田污水有非常好的絮凝净水效果。作为一种新型的水处理剂,壳聚糖季铵盐以其环境友好、不会造成二次污染等优点而具有潜在的应用前景。3.5季铵化壳聚糖黄驰等研究了季铵化壳聚糖在造纸系统中的助留助滤性能,发现虽然壳聚糖季铵盐的加入使其力学性能有所降低,但却可以明显增加纸浆中天然CaCO3填料和微粒物的助