水凝胶高分子骨架材料介绍-甲壳素、壳聚糖和羧甲基壳聚糖
水凝胶高分子骨架材料介绍-甲壳素、壳聚糖和羧甲基壳聚糖
甲壳素、壳聚糖和羧甲基壳聚糖是自然界中重要的生物可降解高分子材料，具有良好的生物相容性、机械强度和抗菌性能。本文详细介绍了这三种材料的分子结构、特性及其在水凝胶领域的应用，为相关领域的研究和应用提供了有价值的参考。
甲壳素、壳聚糖和羧甲基壳聚糖的分子结构和特性
1. 甲壳素的分子结构
甲壳素的研究历史始于1811年，由法国科学家Henri Braconnot首次在蘑菇中发现，当时命名为真菌素。1823年A.奥地尔在昆虫外壳中发现了同一物质，命名为甲壳素。后面人们研究发现，甲壳素的基本单位为N-乙酰氨基葡萄糖(GlcNAc)，是由1000～3000个乙酰葡萄糖胺残基通过β-1, 4糖苷键连接形成的线性共聚物，分子式为(C8H13NO5)n。
图2. 甲壳素的分子结构式
甲壳素分子间和分子内可形成大量的氢键，致使结构紧密，难溶于水。根据分子链的排列方式，甲壳素可分为α、β和γ三种类型：α型甲壳素在自然界中含量最丰富，由反向平行排列的GlcNAc聚合长链通过氢键最大限度地连接堆积而成，构成斜方晶胞。α-甲壳素结晶度最高，高于80%，通常与β折叠蛋白质相结合，构成节肢动物表皮和海绵纤维细胞外基质的主要成分；β型甲壳素由同向平行排列的链形成单斜晶性结构，稳定性比α型甲壳素差，遇水会膨胀，主要存在鱿鱼、硅藻与蠕虫等生物体中；γ型甲壳素为a型甲壳素和β型甲壳素的混合体，主要存在于鱿鱼的胃及蚕等昆虫茧中，用于形成物理屏障。
2. 壳聚糖的分子结构
壳聚糖主要来源于甲壳素，是甲壳素在碱性条件下通过脱N-脱乙酰基作用生成的多糖，由2-乙酰氨基-2-脱氧-D-吡喃葡萄糖（GlcNAc）和2-氨基-2-脱氧-D吡喃葡萄糖（GlcN）通过β（1→4）连接而成。通常来讲，甲壳素中的N-乙酰基脱去55%以上后就可被称为壳聚糖。如图3，x为脱乙酰度，脱乙酰度在55%-70%之间的称为低脱乙酰度壳聚糖；70%-85%之间的称为中脱乙酰度壳聚糖；85%-95%之间的称为高脱乙酰度壳聚糖；95%-100%之间的称为超高脱乙酰度壳聚糖。脱乙酰度为100%的壳聚糖极难制得。
图3. 壳聚糖的分子结构式
壳聚糖的内部呈线性双螺旋结构，6个糖残基构成一个螺旋平面，螺旋间距为0.515 mm。壳聚糖分子中的羟基、氨基和未脱去的N-乙酰氨基在分子间和分子内形成大量氢键，使壳聚糖分子形成紧密的晶体结构（即晶相区），难溶于水和碱性溶液，可溶于稀有机酸和部分无机酸，如盐酸、醋酸、乳酸、苯甲酸、甲酸等稀酸溶液，不溶于稀硫酸、稀硝酸、稀磷酸和草酸等。壳聚糖在酸溶液中会缓慢水解，导致粘度降低，所以壳聚糖溶液一般现用现配。
3. 羧甲基壳聚糖的分子结构
羧甲基壳聚糖是壳聚糖经羧甲基化反应后的壳聚糖衍生物。在取代反应时，羧甲基可以与壳聚糖分子中的O（C-3和C-6）和N（C-2）上，即与存在游离氨基和羟基反应，因此羧甲基壳聚糖结构式如图所示。依据羧甲基化的不同位置取代，将羧甲基壳聚糖分为N-羧甲基壳聚糖（N-CMCS）、O-羧甲基壳聚糖（O-CMCS）、N，O-羧甲基壳聚糖（N，O-CMCS）和N，N-羧甲基壳聚糖（N，N-CMCS）4类。
图4. 羧甲基壳聚糖结构式
由于羧甲基是一种亲水性基团，在壳聚糖分子上引入羧甲基有效降低了分子间的相互作用力，使其结晶度大大降低，因此与壳聚糖相比，羧甲基壳聚糖的水溶性大大增强，且随着羧甲基取代度的增大，其水溶性也会进一步的提高。
4. 甲壳素、壳聚糖和羧甲基壳聚糖的主要特性
甲壳素是一种重要的可生物降解的生物质多糖。甲壳素具有独特的物理、化学和生物特性，包括阳离子聚电解质性、安全可再生性、生物可降解性、抗菌性、止血性、金属螯合性等。此外，甲壳素还有良好的吸湿性、纺丝性和成膜性。但是因其结晶度高，溶解性差，难以被加工利用的缺陷，生产中最常使用的是其改性衍生物—壳聚糖和羧甲基壳聚糖。
1)壳聚糖的主要理化性质
黏度：壳聚糖的重要质量指标，不同黏度的产品用途不同。国际上根据产品黏度不同分为3类：①高黏度壳聚糖。1%壳聚糖溶于1%乙酸溶液中，黏度大于1000 mPa·s。②中黏度壳聚糖。1%壳聚糖溶于1%乙酸溶液中，黏度为100～500 mPa·s。③低黏度壳聚糖。2%壳聚糖溶于2%乙酸溶液中，黏度为25～50 mPa·s。聚合度和脱乙酰度是影响黏度的重要参数。脱乙酰基程度越高，壳聚糖溶液的黏度越低，另外浓度的增加、温度的下降都会提升壳聚糖溶液的黏度。它的溶液黏度也与相对分子量、溶液pH值及离子种类有关。
脱乙酰度：壳聚糖生产中一个重要的质量和工艺指标。其定义为壳聚糖分子中氨基占总单位数的比例，反映了壳聚糖分子链上乙酰基的去除程度。脱乙酰的程度关系到壳聚糖的诸多结构变化和性质差异。概括来说，脱乙酰度越高，壳聚糖的溶解性越高，拉伸强度和刚度也越高，但也降低了柔韧性和伸长率。同时，脱乙酰化会使其微观结构更紧密，限制了水分渗透，从而降低溶胀率。高脱乙酰度壳聚糖因游离氨基含量高，具有较强的抗菌、保鲜、防腐和抗氧化效果，同时降解速度较快。低脱乙酰度壳聚糖则因降解性适中，成为生物医学领域的研究重点，特别是在软骨修复中，约80%的脱乙酰度能与人体修复时间匹配。此外，低脱乙酰度的壳聚糖对成骨细胞生长和破骨细胞生成因子的分泌具有促进作用，便于调控骨修复效果。
化学反应性：壳聚糖分子内含有大量的活性羟基（-OH）和氨基（-NH2），赋予其较强的化学反应活性，在一定pH值条件下，能和一定离子半径的金属离子形成配位键从而具有螯合作用。
pH响应性：在pH较低时壳聚糖的氨基质子化使其呈溶解状态，而pH升高时氨基去质子化使其变成不溶状态。壳聚糖可溶性与不溶性的转变大约在6到6.5之间。
2)壳聚糖的重要功能特性
抑菌性：壳聚糖对细菌、酵母、真菌等微生物都有很好的抑制作用，对一般人体表皮存在的细菌如表皮葡萄球菌，大肠杆菌和热带白色念珠菌以及烧伤病人易出现的绿脓杆菌、金黄色葡萄球菌和化脓性金黄色葡萄球菌感染等都有显著的抑制作用。壳聚糖抗菌机理主要包括三个方面：一是当壳聚糖分子中带正电荷的氨基吸附于细菌表面时，会形成一层阻碍物质运输的高分子膜，影响细胞正常的新陈代谢，并能使其絮凝、聚沉，从而抑制其繁殖能力；二是这些游离氨基能够和细菌细胞壁中带负电的磷壁酸结合影响其生理功能，破坏细胞壁合成，进而改变了细胞膜的屏障性能，引起菌体形变，导致质壁分离；三是低分子量的壳聚糖能够穿透细菌细胞膜进入菌体内，抑制不同的酶，干扰DNA的复制与转录，使其改性而抑制细菌生长，起到抑菌作用。
止血性：壳聚糖的止血机理至今尚未完全明白，但有研究表明壳聚糖对血小板起了激发作用。血小板活化后，在其表面出现的大量呈电负性的磷脂酰丝氨酸可能和壳聚糖发生静电吸引，当中和掉壳聚糖的正电荷后，血小板的黏附数目急剧下降。在血小板的活化和聚集过程中，Ca2+是决定血小板功能最主要的次级信号之一，吸附到壳聚糖材料上的血小板细胞内液中Ca2+含量明显提高，提高程度和壳聚糖的用量有关。
壳聚糖也有可能是通过使红细胞相互交联聚集或通过再聚合形成空间点阵诱捕红细胞形成血凝块促进止血的，这一过程并不依赖于血小板和凝血因子。壳聚糖对红细胞的黏附和凝聚作用除取决于其本身分子量和聚合物结构，更依赖于它的聚阳离子特性，不同脱乙酰度的壳聚糖上氨基含量不同，其止血效果也不相同。
3)羧甲基壳聚糖的主要性质
与甲壳素和壳聚糖不同的是，羧甲基壳聚糖除了溶解性的提高，还具有两性高分子电解质的特性，这得益于羧甲基基团的引入。作为一种两性电解质，羧甲基壳聚糖对Ca2+等金属阳离子有更强的螯合能力，而且羧甲基壳聚糖由含有羧甲基的长链组成，这些羧甲基保护金属离子不受组织中带负电的磷酸根离子的影响。因此在骨组织再生、牙体组织再生、牙周组织再生方面也有广阔的应用前景。
在抑菌方面，羧甲基壳聚糖分子上的C-2位的氨基对抑菌具有重要作用，氨基含量越高，其抑菌作用越强。O-CMC因取代只发生在O位上，保留了氮位上全部的氨基，使其氨基含量相对较高，因而其抑菌活性明显增强。
除此之外，羧甲基壳聚糖具有更好的水溶性、成膜性、促渗透性和可粘附性，能够装载疏水性药物且展现出较强的生物活度，这使它广泛用在不同药物缓释材料系统的制备和细胞组织培养方面。
壳聚糖/羧甲基壳聚糖的实际应用
1. 眼部药物的输送载体
由于眼部具有血眼屏障，角膜对药物的渗透性很低，还有泪液的快速消除、鼻泪管的排泄和全身吸收等影响，使眼部的局部用药变得困难。眼部转运的主要问题之一是要提供并维持足够浓度的药物到达角膜前的部位，用黏稠物质延长药物的滞留时间可以实现这一目的，研究表明壳聚糖制备的包衣纳米粒具有良好的角膜渗透性，因此得到了较好应用。
2. 药物缓控释材料
壳聚糖和羧甲基壳聚糖有良好的成膜性，可作为包裹或包含药物的膜或球等缓控释载体材料和控释膜材料，它所形成的薄膜对药物有良好的透过性；还可以作为微囊、微球及凝胶剂的赋形剂。其次，二者还可作为蛋白质、多肽类药物的口服缓控释制剂的赋形剂或保护剂，除了能保护药物不受胃肠道内环境的降解外，同时能控制药物的释放、增加药物在小肠的吸收等，可明显增加蛋白质、多肽等药物的生物利用度。
3. 骨组织工程支架
壳聚糖和羧甲基壳聚糖具有独特的止血性、促进组织愈合的生物活性和良好的生物相容性、可控的降解性，因此是优良的组织工程材料，特别是在骨组织工程中，壳聚糖可与羟基磷灰石制备成仿生复合材料，通过二者的强度和柔性互补，能够有效平衡支架机械性能，同时促进骨细胞的增殖和骨基质的形成，是非常重要的骨组织修复材料。
4. 食品应用
可用作抗菌剂、果蔬保鲜剂、抗氧化剂、保健食品添加剂及果汁的澄清剂等。
5. 化妆品
化妆品专用壳聚糖具有良好的吸湿、保湿、调理及抑菌等功能，适用于润肤霜、淋浴露、洗面奶、摩丝、高档膏霜、乳液及胶体化妆品等。
壳聚糖/羧甲基壳聚糖水凝胶
壳聚糖/羧甲基壳聚糖由于优异的生物相容性、止血、抗菌性以及可降解性等特性，在水凝胶领域的应用受到了广泛关注。然而壳聚糖在水溶液中的溶解性受pH值的影响，通常仅在酸性环境中具有较好的溶解性，这限制了其在不同生理环境中的应用。此外，壳聚糖的机械强度相对较低，且降解速率较快，这使其在组织工程和药物传递领域的应用面临一定的挑战。为了克服这些障碍，壳聚糖常通过化学修饰和交联处理进行改性。交联技术主要利用交联剂分子与壳聚糖分子链上的活性基团（如羟基和氨基）反应，形成稳定的三维网络结构，从而提高水凝胶的机械性能、增强其生物相容性，并有效调节其降解速率。
为了提高壳聚糖材料的综合性能，特别是机械性能，可以通过烷基化、季铵盐、接枝和交联反应等方式来实现。
甲基丙烯酰基（MA）是一种常用的带有双键的修饰基团，可以通过共聚合或交联反应与其他聚合物或单体结合。壳聚糖/羧甲基壳聚糖经过MA修饰后（ChMA和CMChMA），具备了光固化能力，形成的水凝胶属于紫外光（UV）交联水凝胶，这类水凝胶具有凝胶速度快、可控时空分布和体内原位交联的特点。由于这些特性，UV交联壳聚糖水凝胶也成为可注射水凝胶的研究热点，在骨缺损部位植入或注入含有药物的壳聚糖水凝胶，在骨修复过程中，随着凝胶的降解，药物得以长期释放且直接作用在病灶部位，有利于降低药物用量和对肝肾的毒副作用。在局部药物释放体系中，光交联壳聚糖可以在温和条件下载药，实现药物的原位包埋及均匀负载，载药过程简单，还容易控制药物的包封率。
总而言之，通过交联修饰后的壳聚糖水凝胶不仅保留了壳聚糖的天然优点，还拥有了更强的力学强度、较长的降解时间和更好的生物相容性。这种水凝胶在医学领域中，尤其在软骨修复、伤口愈合和药物缓释方面，展现出优异的性能。此外，它还可作为生物可降解的药物传递系统，有助于提高药物的生物利用度，并在临床治疗中具有较大潜力。