壳聚糖的结构、性质及其应用
张洁海洋药学0844130
摘要：生物相容性好、可降解、对组织和细胞无毒副作用的生物材料一直是生物医学领域研究的热点。壳聚糖(α(1-4)2-氨基2-去氧β-D葡聚糖)是甲壳素脱乙酰得到的天然多糖中惟一的碱性多糖,具有很多优良的特性。本文就壳聚糖的结构、性质及其应用进行综述。
关键词：壳聚糖，结构，性质，应用
壳聚糖(Chitosan，简称CTS)，壳聚糖是由N-乙酰糖胺组成,其中糖胺的含量超过90%,具有黏多糖相似的结构特点,而黏多糖在组织中分布广泛,是细胞膜有机组成成分之一,故壳聚糖具有优异的生物相容性⑴~⑵。表现为无毒、无刺激、无免疫抗原、无热原反应、不溶血,有抗菌消炎、促进伤口愈合,抗酸、抗溃疡、降脂和降低胆固醇的作用⑶~⑸。而且具有直接抑制肿瘤细胞的作用,并可通过活化免疫系统显示抗癌活性,与现有的抗癌药合用可增强抗癌效果,近年来其作为药物微球材料的研究也受到了极大的重视⑹,是一种安全可靠的天然生物活性多糖。本文就壳聚糖的结构、性质及其应用进行综述。
一．壳聚糖的结构与性质
1.壳聚糖的来源—甲壳素
壳聚糖来源于一种自然资源十分丰富的线性聚合物一甲壳素，是甲壳素经脱乙酰化反应后得到的一种生物高分子Ⅲ。甲壳素是一种天然多糖类生物高分子聚合物，在自然界中广泛存在于低等生物菌类、藻类的细胞，节支动物虾、蟹、昆虫的外壳，软体动物(如鱿鱼、乌贼)的内壳和软骨，高等植物的细胞壁等，将甲壳动物的外壳通过酸碱处理，脱去钙盐和蛋白质，即可得到甲壳素。甲壳素化学名为[(1，4)一2一乙酰胺基一2一脱氧一B—D-葡萄糖]，分子式为(C8H13N05)。，单体之间以B(1-4)糖苷键连接，分子量一般在lO6左右，理论胺含量为6．9％。甲壳素的化学结构与植物中广泛存在的纤维素结构非常相似(见图l)，故又称
为动物纤维素。
（a ）甲壳素（b ）纤维素
图1甲壳素和纤维素的结构
甲壳素是白色或灰白色无定型、半透明固体，不溶于水、稀酸、碱和一般的有机溶剂，可溶于浓的盐酸、硫酸、磷酸和无水甲酸。采用不同的原料和方法制备的甲壳素，溶解度、分子量、乙酰基值和比旋光度等均有差别。
2. 壳聚糖的结构和性质
壳聚糖，化学名为(1，4) ．2-胺一2．脱氧一0．D 一葡聚糖，是生物界中大量存在的唯一碱性多糖，结构如图2
所示。
图2壳聚糖的结构
壳聚糖是白色无定型、半透明、略有珍珠光泽的固体，因原料不同和制备方法不同，相对分子质量从数十万至数百万不等。不溶于水和碱溶液，可溶于稀的醋酸、盐酸、硝酸等无机酸和大多数有机酸，不溶于稀的硫酸、磷酸。在稀酸中，壳聚糖会缓慢水解，所以壳聚糖溶液一般是随用随配。
壳聚糖在密闭干燥容器中保存，常温下3年内不变质；吸湿或遇水引起分解反应，温度升高会加速分解反应。壳聚糖在酸性溶液中加热到100。C 时可完全水解为胺基葡糖，而在比较温和的条件下则水解为胺基葡糖、壳二糖、壳三糖等低分子量多糖。
壳聚糖分子具有复杂的双螺旋结构，含有大量的羟基和胺基，还有N 一乙酰胺基，易形成多种分子内和分子间的氢键。另外，壳聚糖分子中的羟基和胺基也会参与多种反应，如可通过修饰、活化和偶联等改性壳聚糖，形成性质不同的衍生物。
①通过羧基化反应在壳聚糖分子中的活性_NH2上导入羧基官能团，导入羧基后一方面能得到完全水溶性的高分子，更重要的是可得到含阴离子的两性壳聚糖衍生物。羧甲基的壳聚糖具有水溶性、抑菌性和无毒性，在日用化学方面显示了一定的应用前景。
②壳聚糖分子中的--OH 和--NH2可与交联剂进行交联，生成网状聚合物，
溶酸性和机械性能，并为进一步接枝改性提供条件。
③壳聚糖分子中的--OH 和一NH2具有配位螯合功能，可先与过渡金属离子
合物，再与交联剂进行交联，可制备具有“模板荆”的“记忆力”和选择
壳聚糖。
④壳聚糖分子中的--OH 和--NH2可与多种有机酸的衍生物如酸酐、酰卤等发生酰形成配改善其吸附性能的
化反应，导入不同分子量的脂肪族或芳香族酰基，反应一般得到N 一酰化产物，所得产物在有机溶剂中的溶解度大大改善。
⑤壳聚糖分子中的--OH 可与烃基化试剂如甲基醚、乙基醚、苄基醚、羟乙基醚等进行醚化反应，生成醚。此类反应可以开发出一些新型材料。
二、壳聚糖的应用
壳聚糖无毒、无害、安全可靠、易于生物降解、不造成二次污染，是典型的环境友好材料，因此壳聚糖在许多领域里都有重要的应用。
1、食品工业
食品工业中，壳聚糖可用作果蔬涂膜保鲜剂酿酒和果汁澄清剂、食品添加剂、食醋防沉淀剂、原料糖汁纯化剂、饮用水高效复台絮凝剂等。
2、医药方面
由于壳聚糖良好的生物和血液相容性以及极佳的安全性，在医学临床应用中作为免疫吸附剂和脱毒剂，以清除血液中的内源性或外源性致病物质。在医药工业，壳聚糖用做药物载体缓释剂、血液凝固止血剂、体内重金属离子排泄剂、手术免拆缝合线，以及作为人造血管和人工肺基材等。
3、生化工程
生化工程壳聚糖主要作为酶蛋白吸附剂、固定化菌体法酶载体和产酶促进剂，利用不同壳聚糖衍生物的吸附差异性，有效地实现多种酶和抑制剂的吸附、分离和提纯。
4、环保方面
在环保和污水处理方面，由于游离胺基的存在，壳聚糖在酸性溶液中具有阳离子型聚电介质的性质，因此可作为凝聚剂。Huang 报道，壳聚糖能有效地凝聚膨润土悬浮液，可用于水的澄清。壳聚糖是高性能的重金属离子吸附剂，因此可用于污水处理和贵金属的回收，或放射性元素铀的捕集和核工业污水的处理。
5、其他方面
另外，壳聚糖还可作为烟草薄片胶粘剂、造纸工业添加剂、印染助剂、牙膏防龋抑菌剂、饲料添加剂等，并在组织工程⑺、酶和细胞的固定化、生化药物的分离精制、农业、纺织⑻、化工环保⑼、日用化学工业等工业中都显示了它保湿、透气、无毒、可生物降解、无二次污染等优良特性⑽。
三．研究进展与展望
从1859年发现壳聚糖到1910年期间，全世界仅有20篇论文发表，其开创性工作大多为法国人所做。1934年在美国首次出现了关于制备壳聚糖、壳聚糖膜、壳聚糖纤维的专利，并在1941年制备出壳聚糖人造皮肤和手术缝合线。1936年和1943年，苏联和R 本人分别投入到壳聚糖的研究。
20世纪70年代以前主要是欧美国家的科学家在研究壳聚糖，从70年代开始其重心便转移到了同本，从80年代中期到90年代后期的十几年中日本几乎每三天就申请～项专利，他们的科学家和工程师对甲壳素和壳聚糖的研究、新产品的开发及产业化，做出了很大的贡献。
在英国工作的意大利科学家R ．A ．A ．Muzzarelli 对甲壳素和壳聚糖的研究做出了巨大的贡献，他发表的论文超过百篇，今天世界上许多国家对壳聚糖的重视与他的研究是息息相关的。
我们中国是从1952年开始进行甲壳素研究的，20世纪80年代上半期，国内逐渐开始宣传甲壳素和壳聚糖，影响较大的是谢雅明和严俊㈣的文章。经过最近20年的发展，我国对甲壳素和壳聚糖的研究得到了空前的进展，特别是开发出了一批新产品，中国出现了一个以甲壳素和壳聚糖为原料生产新产品的新兴产业。
由于壳聚糖的众多优点与特性，在人类生活各个方面都有对其研究，特别是在医药方面。现在壳聚糖纳米粒成为研究的热点，它是新开发的一种安全、有效的非病毒基因载体。其不溶于水和一般的有机溶剂, 但能溶于大部分有机酸的水溶液而形成一种玻璃状的胶状物。部分有机酸的水溶液而形成一种玻璃状的胶状物。由于壳聚糖在pH
参考文献：
⑴Patil SD, Rhodes DG, Burgess DJ. DNA2based therapeutics andDNA delivery systems:a comp rehensive review [J ].AAPS J,2005, 7(1):61-77
⑵BakerLG, Specht CA,DonlinMJ, et al . Chitosan, the deacetylatedform of chitin, is necessary for cell wall integrity in cryp tococcusneoformans[J ].Eukaryot Cell, 2007, 6(5):855-867
⑶Yoo HS, Lee JE, Chung H, et al . Self2assembled nanoparticlescontaining
hydrophobically modified glycol chitosan for gene de2livery[J ].J Controlled
Release, 2005, 103(1):235-243.
⑷Chew JL ,Wolfowicz CB ,Mao HQ , et al . Chitosan nanoparticlescontaining p lasmid DNA encoding house dust mite allergen, derp1for oral vaccination in mice[J ].Vaccine, 2003, 21(21-22) :2720-2729.
⑸Pouton CW, Seymour LW. Key issues in non2viral gene delivery[J ].Adv Drug Deliv Rev, 1998, 34(1):3-19.
⑹Suri SS, Fenniri H, Singh B. Nanotechnology2based drug deliverysystems[J ].Occup Med Toxicol, 2007, 2:16-21.
⑺Howing GI，DettmarP W，GoddardPA，eta1．Theeffect of ohitin and chitosan onthe proliferation of human skin fibrolasts and keratinocytes in vitro．Biomaterials[J]，2001，22(22)：2959"一2966．
⑻俞卫华，马正升．金山油化纤[J]。第22卷．
⑼杨安乐，陈长春，现代化工[J]。1999，19(4)：50～52．
⑽Majeti N V，RaviKumar．AReview of Chitin and Chitosan Applications Reactive ＆FunctionalPolymer[J]，2000．46：I．
⑾谢雅明．《化学世界》[J]，1983(4)：118～121．
⑿Siau K. Health care informatics [J ].IEEE Trans Inf TechnolBiomed, 2003, 7
(1):1-7.
壳聚糖的结构、性质及其应用
张洁海洋药学0844130
摘要：生物相容性好、可降解、对组织和细胞无毒副作用的生物材料一直是生物医学领域研究的热点。壳聚糖(α(1-4)2-氨基2-去氧β-D葡聚糖)是甲壳素脱乙酰得到的天然多糖中惟一的碱性多糖,具有很多优良的特性。本文就壳聚糖的结构、性质及其应用进行综述。
关键词：壳聚糖，结构，性质，应用
壳聚糖(Chitosan，简称CTS)，壳聚糖是由N-乙酰糖胺组成,其中糖胺的含量超过90%,具有黏多糖相似的结构特点,而黏多糖在组织中分布广泛,是细胞膜有机组成成分之一,故壳聚糖具有优异的生物相容性⑴~⑵。表现为无毒、无刺激、无免疫抗原、无热原反应、不溶血,有抗菌消炎、促进伤口愈合,抗酸、抗溃疡、降脂和降低胆固醇的作用⑶~⑸。而且具有直接抑制肿瘤细胞的作用,并可通过活化免疫系统显示抗癌活性,与现有的抗癌药合用可增强抗癌效果,近年来其作为药物微球材料的研究也受到了极大的重视⑹,是一种安全可靠的天然生物活性多糖。本文就壳聚糖的结构、性质及其应用进行综述。
一．壳聚糖的结构与性质
1.壳聚糖的来源—甲壳素
壳聚糖来源于一种自然资源十分丰富的线性聚合物一甲壳素，是甲壳素经脱乙酰化反应后得到的一种生物高分子Ⅲ。甲壳素是一种天然多糖类生物高分子聚合物，在自然界中广泛存在于低等生物菌类、藻类的细胞，节支动物虾、蟹、昆虫的外壳，软体动物(如鱿鱼、乌贼)的内壳和软骨，高等植物的细胞壁等，将甲壳动物的外壳通过酸碱处理，脱去钙盐和蛋白质，即可得到甲壳素。甲壳素化学名为[(1，4)一2一乙酰胺基一2一脱氧一B—D-葡萄糖]，分子式为(C8H13N05)。，单体之间以B(1-4)糖苷键连接，分子量一般在lO6左右，理论胺含量为6．9％。甲壳素的化学结构与植物中广泛存在的纤维素结构非常相似(见图l)，故又称
为动物纤维素。
（a ）甲壳素（b ）纤维素
图1甲壳素和纤维素的结构
甲壳素是白色或灰白色无定型、半透明固体，不溶于水、稀酸、碱和一般的有机溶剂，可溶于浓的盐酸、硫酸、磷酸和无水甲酸。采用不同的原料和方法制备的甲壳素，溶解度、分子量、乙酰基值和比旋光度等均有差别。
2. 壳聚糖的结构和性质
壳聚糖，化学名为(1，4) ．2-胺一2．脱氧一0．D 一葡聚糖，是生物界中大量存在的唯一碱性多糖，结构如图2
所示。
图2壳聚糖的结构
壳聚糖是白色无定型、半透明、略有珍珠光泽的固体，因原料不同和制备方法不同，相对分子质量从数十万至数百万不等。不溶于水和碱溶液，可溶于稀的醋酸、盐酸、硝酸等无机酸和大多数有机酸，不溶于稀的硫酸、磷酸。在稀酸中，壳聚糖会缓慢水解，所以壳聚糖溶液一般是随用随配。
壳聚糖在密闭干燥容器中保存，常温下3年内不变质；吸湿或遇水引起分解反应，温度升高会加速分解反应。壳聚糖在酸性溶液中加热到100。C 时可完全水解为胺基葡糖，而在比较温和的条件下则水解为胺基葡糖、壳二糖、壳三糖等低分子量多糖。
壳聚糖分子具有复杂的双螺旋结构，含有大量的羟基和胺基，还有N 一乙酰胺基，易形成多种分子内和分子间的氢键。另外，壳聚糖分子中的羟基和胺基也会参与多种反应，如可通过修饰、活化和偶联等改性壳聚糖，形成性质不同的衍生物。
①通过羧基化反应在壳聚糖分子中的活性_NH2上导入羧基官能团，导入羧基后一方面能得到完全水溶性的高分子，更重要的是可得到含阴离子的两性壳聚糖衍生物。羧甲基的壳聚糖具有水溶性、抑菌性和无毒性，在日用化学方面显示了一定的应用前景。
②壳聚糖分子中的--OH 和--NH2可与交联剂进行交联，生成网状聚合物，
溶酸性和机械性能，并为进一步接枝改性提供条件。
③壳聚糖分子中的--OH 和一NH2具有配位螯合功能，可先与过渡金属离子
合物，再与交联剂进行交联，可制备具有“模板荆”的“记忆力”和选择
壳聚糖。
④壳聚糖分子中的--OH 和--NH2可与多种有机酸的衍生物如酸酐、酰卤等发生酰形成配改善其吸附性能的
化反应，导入不同分子量的脂肪族或芳香族酰基，反应一般得到N 一酰化产物，所得产物在有机溶剂中的溶解度大大改善。
⑤壳聚糖分子中的--OH 可与烃基化试剂如甲基醚、乙基醚、苄基醚、羟乙基醚等进行醚化反应，生成醚。此类反应可以开发出一些新型材料。
二、壳聚糖的应用
壳聚糖无毒、无害、安全可靠、易于生物降解、不造成二次污染，是典型的环境友好材料，因此壳聚糖在许多领域里都有重要的应用。
1、食品工业
食品工业中，壳聚糖可用作果蔬涂膜保鲜剂酿酒和果汁澄清剂、食品添加剂、食醋防沉淀剂、原料糖汁纯化剂、饮用水高效复台絮凝剂等。
2、医药方面
由于壳聚糖良好的生物和血液相容性以及极佳的安全性，在医学临床应用中作为免疫吸附剂和脱毒剂，以清除血液中的内源性或外源性致病物质。在医药工业，壳聚糖用做药物载体缓释剂、血液凝固止血剂、体内重金属离子排泄剂、手术免拆缝合线，以及作为人造血管和人工肺基材等。
3、生化工程
生化工程壳聚糖主要作为酶蛋白吸附剂、固定化菌体法酶载体和产酶促进剂，利用不同壳聚糖衍生物的吸附差异性，有效地实现多种酶和抑制剂的吸附、分离和提纯。
4、环保方面
在环保和污水处理方面，由于游离胺基的存在，壳聚糖在酸性溶液中具有阳离子型聚电介质的性质，因此可作为凝聚剂。Huang 报道，壳聚糖能有效地凝聚膨润土悬浮液，可用于水的澄清。壳聚糖是高性能的重金属离子吸附剂，因此可用于污水处理和贵金属的回收，或放射性元素铀的捕集和核工业污水的处理。
5、其他方面
另外，壳聚糖还可作为烟草薄片胶粘剂、造纸工业添加剂、印染助剂、牙膏防龋抑菌剂、饲料添加剂等，并在组织工程⑺、酶和细胞的固定化、生化药物的分离精制、农业、纺织⑻、化工环保⑼、日用化学工业等工业中都显示了它保湿、透气、无毒、可生物降解、无二次污染等优良特性⑽。
三．研究进展与展望
从1859年发现壳聚糖到1910年期间，全世界仅有20篇论文发表，其开创性工作大多为法国人所做。1934年在美国首次出现了关于制备壳聚糖、壳聚糖膜、壳聚糖纤维的专利，并在1941年制备出壳聚糖人造皮肤和手术缝合线。1936年和1943年，苏联和R 本人分别投入到壳聚糖的研究。
20世纪70年代以前主要是欧美国家的科学家在研究壳聚糖，从70年代开始其重心便转移到了同本，从80年代中期到90年代后期的十几年中日本几乎每三天就申请～项专利，他们的科学家和工程师对甲壳素和壳聚糖的研究、新产品的开发及产业化，做出了很大的贡献。
在英国工作的意大利科学家R ．A ．A ．Muzzarelli 对甲壳素和壳聚糖的研究做出了巨大的贡献，他发表的论文超过百篇，今天世界上许多国家对壳聚糖的重视与他的研究是息息相关的。
我们中国是从1952年开始进行甲壳素研究的，20世纪80年代上半期，国内逐渐开始宣传甲壳素和壳聚糖，影响较大的是谢雅明和严俊㈣的文章。经过最近20年的发展，我国对甲壳素和壳聚糖的研究得到了空前的进展，特别是开发出了一批新产品，中国出现了一个以甲壳素和壳聚糖为原料生产新产品的新兴产业。
由于壳聚糖的众多优点与特性，在人类生活各个方面都有对其研究，特别是在医药方面。现在壳聚糖纳米粒成为研究的热点，它是新开发的一种安全、有效的非病毒基因载体。其不溶于水和一般的有机溶剂, 但能溶于大部分有机酸的水溶液而形成一种玻璃状的胶状物。部分有机酸的水溶液而形成一种玻璃状的胶状物。由于壳聚糖在pH
参考文献：
⑴Patil SD, Rhodes DG, Burgess DJ. DNA2based therapeutics andDNA delivery systems:a comp rehensive review [J ].AAPS J,2005, 7(1):61-77
⑵BakerLG, Specht CA,DonlinMJ, et al . Chitosan, the deacetylatedform of chitin, is necessary for cell wall integrity in cryp tococcusneoformans[J ].Eukaryot Cell, 2007, 6(5):855-867
⑶Yoo HS, Lee JE, Chung H, et al . Self2assembled nanoparticlescontaining
hydrophobically modified glycol chitosan for gene de2livery[J ].J Controlled
Release, 2005, 103(1):235-243.
⑷Chew JL ,Wolfowicz CB ,Mao HQ , et al . Chitosan nanoparticlescontaining p lasmid DNA encoding house dust mite allergen, derp1for oral vaccination in mice[J ].Vaccine, 2003, 21(21-22) :2720-2729.
⑸Pouton CW, Seymour LW. Key issues in non2viral gene delivery[J ].Adv Drug Deliv Rev, 1998, 34(1):3-19.
⑹Suri SS, Fenniri H, Singh B. Nanotechnology2based drug deliverysystems[J ].Occup Med Toxicol, 2007, 2:16-21.
⑺Howing GI，DettmarP W，GoddardPA，eta1．Theeffect of ohitin and chitosan onthe proliferation of human skin fibrolasts and keratinocytes in vitro．Biomaterials[J]，2001，22(22)：2959"一2966．
⑻俞卫华，马正升．金山油化纤[J]。第22卷．
⑼杨安乐，陈长春，现代化工[J]。1999，19(4)：50～52．
⑽Majeti N V，RaviKumar．AReview of Chitin and Chitosan Applications Reactive ＆FunctionalPolymer[J]，2000．46：I．
⑾谢雅明．《化学世界》[J]，1983(4)：118～121．
⑿Siau K. Health care informatics [J ].IEEE Trans Inf TechnolBiomed, 2003, 7
(1):1-7.