壳聚糖微球的制备及其在生物医药领域的应用
杨 婷,侯文龙,杨越冬*
(河北科技师范学院理化学院,秦皇岛 066004)
摘要:壳聚糖是唯一天然碱性氨基多糖,它具有良好的生物相容性、低毒性和生物可降解性,是制备微球的
良好材料。本文综述了近年来国内外壳聚糖微球的制备方法,如喷雾干燥法、乳化交联法、逐层自组装法、界面
聚合法、溶剂蒸发法以及离子凝胶法,分析了不同制备方法的优点及不足。壳聚糖微球不仅可作为固定化酶或
细胞的载体,而且是一种具有广泛应用前景的新型药物载体,本文还对壳聚糖微球在固定化酶或细胞和包埋药
物领域的应用进行了概述。
关键词:壳聚糖;微球;生物医药;应用
微球能保护包埋物免受外界环境影响,以及屏蔽味道、颜色或气味,降低挥发性和毒性,控制可持续释放等多种作用。近年来,微球已被广泛应用于生物、医药和食品等多个领域[1~2]。壳聚糖(CS)是经甲壳素脱乙酰化的线性高分子,是唯一天然碱性氨基多糖,具有良好的生物相容性、低毒性、生物可降解性,有抗菌、防腐、止血和促进伤口愈合等特殊功能和抗酸、抗溃疡的能力,可阻止或减弱药物在胃中的刺激作用,是制备微球的良好材料,在生物医学[3]、药学[4~8]以及固定酶或细胞[9~10]领域倍受专家青睐。壳聚糖作为药物载体,具有控制药物释放、延长药物疗效、降低药物毒副作用、提高疏水性药物对细胞膜的通透性、增强药物稳定性及改变给药途径等特点,是一种新型药物制剂辅料;壳聚糖作为固定化酶的载体,其机械性能良好、化学性质稳定、耐热性强,特别是分子中含有氨基,容易和蛋白质或酶结合,可络合金属离子,使酶免受金属离子的抑制;另外,壳聚糖来自于生物体,细胞毒性极低、亲和性好、安全性高,是固定细胞的良好材料。因此,近几年壳聚糖微球的制备和应用成为研究的热点。本文主要介绍了喷雾干燥、乳液交联、逐层自组装、界面聚合等多种制备壳聚糖微球的方法及其在生物医药等领域的应用。
1 壳聚糖微球的制备
1 1 喷雾干燥法
喷雾干燥法是工业中制备壳聚糖微球较广泛的方法之一,此方法是以热气流干燥雾化液滴为基础的。图1为喷雾干燥法工艺流程[11],首先将壳聚糖溶于酸性水溶液中,再将其它药物溶解或分散于该壳聚糖溶液,加入合适的交联剂,然后进入喷雾干燥器雾化,形成小液滴,溶剂瞬间蒸发可形成自由流动的粒子。微球的粒径取决于喷嘴的直径、喷雾流率、雾化压力、入口温度和交联程度等因素。Cev her等[12]以壳聚糖微球装载不同质量的盐酸万古霉素,将壳聚糖溶于1%(v/v)酸溶液得到0 5%(w/v)浓度的聚合物溶液,再将不同质量的盐酸万古霉素分散至该聚合物溶液中。然后将配制好的溶液进行喷雾干燥,其过程工艺参数为:入口温度130 2 ,出口温度90 2 ,喷雾流率600NL/h,喷嘴直径0 5m m。装载盐酸万古霉素的壳聚糖微球可以持续的保持药效。H e等[13]制备壳聚糖微球时也采用了喷雾干燥法,将配制好的壳聚糖水溶液与一定比例的戊二醛水溶液混合均匀,然后进行喷雾干燥,所用的喷嘴规格为0 5mm,入口温度与喷雾流率分别为160 和6m L/min,所制备出的壳聚糖微球的粒径在3~12 m之间。Williams等[14]在酸中配制一定比例的壳聚糖溶液,加入交联剂,调整参数:喷嘴直径0 3mm,入口、出口温度分别为142 3 、84 3 ,空气流量始终保持在450NL/h。Shi等[15]向壳聚糖酸溶液中加入
基金项目:河北省自然科学基金项目(B2009000862);
作者简介:杨婷(1984-),女,硕士研究生,主要从事天然产物化学研究工作;
*通讯联系人:T el:0335 *******,E mail:kycyy d@https://www.doczj.com/doc/9e16559656.html,.
适量VD 2,将配置好的壳聚糖溶液进行喷雾干燥,调节入口温度至168 ,流量为5m L/min,压力为0 38M Pa 。经过试验测定,药物装载率大于86%,在胃酸环境下药物有明显缓释现象。另外,Jeong [16]和M uzzarelli [17]
也通过喷雾干燥法制备了壳聚糖微球。
应用喷雾干燥法制备壳聚糖微球具有粒径分布范围窄、制备过程连续、操作简单、反应无污染等许多优点,制备过程中不需要模板,从而使得该方法的成本较低,适于工业生产。但传统喷雾干燥技术制备的壳聚糖微球因骨架密度低,较难包载药物,突释效应难以避免。另外,应针对不同的聚合物材料和药物选择适当的干燥温度,
该方法不适合包埋对温度敏感的药物。图1 喷雾干燥法制备壳聚糖微球工艺流程示意图[11]
F ig ur e 1 Schemat ic representat ion of preparat ion of chito san particulat e
systems by spr ay dry ing method [11]
1 2
乳化交联法
图2 乳化法制备壳聚糖微球SEM 照片[19]F igur e 2 SEM pho tog raphs o f chitosan m icrospheres prepared by emulsification technique [19]
乳化交联法是制备壳聚糖微球的常用方法之
一。此方法是指在油相中乳化壳聚糖水溶液形成
油包水(w/o)乳液,然后用戊二醛等交联剂加固液
滴形成稳定的乳液。采用乳化交联法,可以通过
控制含水液滴的大小来控制微球的粒径,最终产
物微球的粒径也取决于在形成乳液时的交联程度
和搅拌速度。Saha 等[18]将壳聚糖和一定量的二
亚乙基三胺五乙酸钆(Gd DPT A)溶解在酸溶液
中,在充分搅拌下加入含有适量Span80的甲苯,
形成w/o 乳液,然后加入一定量的饱和戊二醛 甲
苯(GST )溶液,在室温下搅拌一夜得到交联的壳
聚糖微球,微球的粒径在11 7 m 左右。Wang [19]
等将适量壳聚糖溶于含有氯化钠的酸溶液中,再将壳聚糖溶液倒入容器中作为分散相(水相),并在N 2压力下通过膜孔进入连续相(油相),形成w /o 乳液。在搅拌的同时缓慢地加入饱和戊二醛 甲苯(GST )溶液,形成壳聚糖微球(见图2)。Wilso n 等[20]在磁力搅拌下把药物溶于壳聚糖凝胶中,再将用乙醇浸湿的(粒径为1 m )磁铁矿加入壳聚糖 药物溶液,混合均匀。在搅拌下将混合液滴加到盛有油相的容器里,半小时后缓慢地加入饱和戊二醛 甲苯(GST )溶液进行交联反应得到磁性壳聚糖微球。Sui 等[21]将配制好的壳聚糖溶液加入到含有适量Span80和硬脂
酸镁的油相中搅拌,再加入肝素钠溶液与硫酸软骨素溶液,最后慢慢地加入戊二醛水溶液,反应完全后即可离心分离出壳聚糖微球,采用该方法所得的微球粒径为20~80 m。李俊峰等[22]以香草醛为交联剂,以盐酸小檗碱为模型药物,采用乳化交联法制备了香草醛交联壳聚糖载药微球,其球形度较好,微球表面致密,微球中位粒径D50为20 m,且载药微球缓释效果明显。另外,李扬等[23~29]利用乳化交联法也制备了载药壳聚糖微球,并对壳聚糖微球的释药性能进行了深入的研究。
与其它制备方法相比,乳液聚合法制备微球具有装置简单、容易操作、微球粒径分布窄、形成的微球较为致密等特点。应用该方法的缺点是:步骤较繁琐,加入交联剂可能引发副反应,在反应结束后除去未反应的交联剂比较困难,微球较为致密影响释药速率,且产物结构及性能单一,难于工业化生产。
1 3 逐层自组装法
逐层自组装法适用于制备球壁厚度可控的空心微球,它的制备原理与模板法相似。微球的球壳是通过溶质逐层沉降制得的,通过限制溶质沉降次数可控制空心微球的球壳厚度,除去微球中的核物质即可获得所需的空心结构。彭湘红等[30]将壳聚糖和碘甲烷反应得到具有两亲性的N 甲基壳聚糖(NMC), NM C可作为乳化剂乳化环己烷,并吸附在环己烷的液滴表面。向乳状液体系中加入沉淀剂,乳滴聚集成微球的沉淀物,再加入戊二醛作交联剂,当微球表面完全交联形成壳时,球内的环己烷挥发形成空心微球。经测定,N 甲基化壳聚糖空心微球的平均粒径为3 5 m。逐层自组装法也可用于制备实心微球, Shao[31]将聚苯乙烯磺酸钠/壳聚糖聚电解质溶液吸附于制备好的壳聚糖微球模板表面,经过调节pH 值,层层沉积后,进一步处理即可得到所需的壳聚糖微球(如图3所示)。
图3 逐层自组装法制备壳聚糖微球工艺流程[31]
Figure3 Pr epar ation o f chit osan microspher es by the L BL self assembling metho d[31]
逐层自组装法制备的壳聚糖微球球壳厚度均一,球表面形态良好。但是,自组装制备过程较繁琐、耗时,在工业生产领域受到较大限制,材料的生物相容性差、药物透过速度慢。自组装法所制备的微球组成相对单一,不适合固定酶(细胞)或包埋药物等。
1 4 界面聚合法
界面聚合法是借鉴膜科学领域的制膜技术,将含有亲水性单体溶液(多元胺、多元酚、多元醇等)乳化分散在疏水性的有机溶剂中,然后加入溶于该有机溶剂的疏水性单体(多元酰氯、多元磺酰氯、多异氰酸酯等),使两种单体在水/油界面处发生缩聚反应形成聚合物球壳。Wang等[32]在温和的条件下通过界面聚合法一步制备多糖 多肽复合空心微球(见图4)。先将壳聚糖与 氨基N CA(N carbo xy anhydride)接枝共聚,再将一定量L 亮氨酸NCA分散至乙酸乙酯中,并用Span 80乳化后与水溶性壳聚糖在一定条件下反应2h,经进一步处理可得壳聚糖空心微球。
界面聚合反应所制得的微球球壳致密性好,反应速率较快,反应条件温和,且聚合物分子量高。但在缩聚过程中会产生强酸性物质,而且疏水性单体易水解,较适合包埋药物。
图4 界面聚合法制备空心微球示意图[32]
F ig ure4 Schematic procedur e for t he hollo w microspher es via
inter facial po lymer izatio n approach[32]
1 5 其它方法
制备壳聚糖微球的方法还有很多。溶剂蒸发法又称液中干燥法,常用的溶剂蒸发法是根据聚合物与药物的性质制成乳液体系,形成稳定乳液后,采用升温、减压抽提或连续搅拌等方法使有机溶剂扩散进入连续相并通过连续相和空气的界面蒸发,微球固化,并经过处理最终得到载药微球的过程。该方法可以将微球的粒径控制在纳米范围内,既不需要提高温度也不需引起相分离的凝聚剂[33]。Guo等[34]将聚丙交酯 乙交酯(PLGA)溶于二氯甲烷,加入壳聚糖和聚乙烯醇的混合溶液中,在室温下磁力搅拌形成乳液,蒸发二氯甲烷得到复合壳聚糖微球。Zheng等[35]用双乳液 溶剂蒸发法制备装载牛血清蛋白的壳聚糖复合微球。常见的壳聚糖微球制备方法还有离子凝胶法[36,37],将一定量的三聚磷酸钠滴入壳聚糖溶液中搅拌并经过适当处理即可得到壳聚糖微球。还有报道[38]通过聚电解质络合原理制备壳聚糖微球并对其性能进行了研究,所得微球强度小,易受酸碱及离子强度等外界环境的影响。
2 壳聚糖微球在生物医药领域的应用
2 1 壳聚糖微球固定酶或细胞
壳聚糖微球可以作为酶或细胞的载体。固定化酶或细胞是指利用物理吸附或化学结合法将自由酶或细胞固定到载体上以提高酶或细胞的操作稳定性的技术。现在已经成功在壳聚糖微球上固定了淀粉酶、天冬氨酸酶、纤维素酶、蛋白酶、脲酶等多种酶,并固定化了酵母细胞[39]等细胞。张所信[40]等制备了壳聚糖空心微球并固定了 淀粉酶,测定1%酶液活力为460U/mL,1g壳聚糖载体上 淀粉酶负载量30mg,固定化酶的活力为1g壳聚糖820U,酶保留活力59%。用底物缓冲液通过48h后,固定化酶的残余活力为1g壳聚糖800U。李红等[41]采用悬浮交联法制备壳聚糖微球,用吸附 交联法固定木瓜蛋白酶,研究了木瓜蛋白酶的最佳固定化条件,所制得的固定化木瓜蛋白酶活力达38 49U/g,酶活力回收率平均达66 60%。钟方旭等[42]筛选具有较好形态及表面结构的壳聚糖微球固定化 甘露聚糖酶,当采用透平油为分散介质,壳聚糖浓度2 5%、戊二醛浓度为0 42%时,固定化酶的酶活回收率最高,达到63%。Jiang等[43]通过磁性壳聚糖微球吸附以及戊二醛的交联作用固定了漆酶,经过研究得出固定化漆酶在pH为3 0时具有最大酶活,固定漆酶的最佳温度为10 和55 ,漆酶经过固定化各项参数的稳定
性得到显著提高,且经过固定化的漆酶在酸性环境下的稳定性有所改良。
2 2 壳聚糖微球包埋药物
壳聚糖微球在医药方面的应用主要有:缓释剂、控释剂及药物运送载体等。所包埋的常见药物有:牛血清白蛋白(BSA)、青霉素、四环素、维生素等。Wang等[19]采用膜乳化技术制备出壳聚糖微球并通过吸附法包埋BSA。当pH值为8 09时包埋率最高,包埋率随交联度的增加而降低,当BSA浓度低于4mg/ mL时包埋率随BSA浓度的增加而升高,氨基与醛基比为1 0 7、交联时间为40min、BSA浓度为4mg/ mL时可达到包埋率最大值(0 4mg BSA/mg微球)。可通过改变交联度、pH值、BSA浓度调控BSA的释放速率。Anal等[44]将 氨基苄青霉素溶于壳聚糖溶液在三聚磷酸盐(TPP)溶液中交联,并分别通过乳化法和喷雾干燥法制备包埋有 氨基苄青霉素的壳聚糖微球。在T PP不存在的情况下,4~8h药物完全释放;而T PP作为交联剂存在时,壳聚糖微球释放药物时间可延长24h以上。H ejazi等[45]采用离子交联法制备壳聚糖微球并包埋四环素,最大包埋率达到69%。Burgaz[46]制备的壳聚糖/羧甲基纤维素钠复合物在pH值为1 2时克拉霉素释放率最高,而在pH值为4 2时药物释放率为零。Gibaly[47]制备的二辛基磺化琥珀酸钠/壳聚糖空心微球药物包埋率与壳聚糖的浓度有密切联系,其中漂浮型壳聚糖微球能够持续释放药物,释药50%所需的时间(T50%)为1 75~6 7h。周永国等[48]用质量分数为10%的壳聚糖溶液通过乳液法与戊二醛交联合成了壳聚糖微球(CM),在其表面吸附一层Fe3O4制得磁性壳聚糖微球(M CM),体外测试表明,CM包封阿斯匹林(AS)微球(CM AS)在1h内释药量达40%,而M CM AS 仅为15%,CM AS和M CM AS释药量达50%的时间分别为1 4和5h;MCM和MCM AS均具有较强的磁性,后者在外磁场作用下能够实现靶向给药。
3 展望
壳聚糖微球固定化酶或细胞可提高酶或细胞的操作稳定性,壳聚糖微球包埋药物有控制药物释放、延长药物疗效等优良特性,壳聚糖微球已经成为具有广阔应用前景的固定酶或细胞和药物载体的良好材料。但药物包封效果仍需改进,粒子单分散性不好,制备过程中使用有机溶剂可能带来毒性,药物释放过程存在突释等问题,有待进一步深入研究。运送具有生物活性的大分子药物,设计具有靶向选择性的纳米粒子、磁性微球将是壳聚糖药物缓释体系的研究热点。一步法制备壳聚糖微球并固定酶或细胞、包埋药物技术也将成为今后关注的焦点。
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The Preparation of Chitosan Microspheres and Application
in Biology and Medicine
YANG T ing,H OU Wen long,YANG Yue do ng*
(College of P hy sics and Chemis try,H ebei N ormal Univer sity of S cience&T echnology,Q inhuangdao066004,China)
Abstract:Chitosan is the only natural o ccurr ing basic polysaccharide containing amino g roups, w hich show s favorable biocompatibility,low tox icity,biolog ical degr adability,and is suitable fo r preparing m icrospheres.In this paper,the preparatio n m ethods o f chitosan m icrospheres are review ed, w hich include spray drying,emulsio n crosslinking,lay er by lay er self assem bly,interfacial polym er ization,solv ent evapor ation and ionotro pic gelatio n method.T he advantages and disadvantag es of different methods are discussed.Chitosan micr ospheres can im mobilized enzym e or cells,and has w ide prospect in application for carr ier drugs.The application o f chitosan micro spheres in im mobilized enzyme or cells and embedding drugs is also review ed.
Key words:Chitosan;M icr ospheres;Bio logy and medicine;Application
甲壳素是一种白色或灰白色的半透明无定形固体，通常在270℃分解。甲壳素基本上不溶解于水、乙醇、乙醚、稀酸以及稀碱等物质，它可溶于浓度较高的无机酸，但不溶于稀硫酸等稀酸。壳聚在溶液状态时，需要被放置在酸性环境中，但是，由于壳聚糖具有醛基结构，因此，壳聚糖在酸性溶液中易发生降解，从而使壳聚糖溶液粘度下降，通过加入甲醇、丙酮、乙醇等物质可以使壳聚糖的溶液粘度升高，在试验中一般常用乙醇，作用最为明显。由于甲壳质中含有羟基，壳聚糖中同时含有羟基和氨基，因此，壳聚糖和甲壳质可以通过酚化、羧基化、氰化、螫合、水解、醚化、酯化、醛亚胺化、烷化、叠氮化、羟基化、成盐、氧化、卤化、接枝与交联等反应生成不同结构和不同性能的衍生物[29]。 甲壳质通过脱乙酰反应可制得壳聚糖，通常使用质量分数为50%左右的氢氧化钠溶液处理甲壳质并加热到105℃，在该温度下保持两小时，然后将材料水洗至中性，经过抽滤、干燥即可得到白色的壳聚糖。壳聚糖的脱乙酰度和相对分子量受反应温度、反应时间以及碱液浓度的影响，使用蟹虾壳海蟹壳、对虾壳、河虾壳和蚕蛹等原料在同一方法和条件下制备壳聚糖，其中以海蟹壳的产率最高，可见海蟹壳是制备壳聚糖的最佳原料。除此之外，还以使用酶法、微波法等方法制备壳聚糖[30]。2.1.2.2 壳聚糖的纯化及脱乙酰 壳聚糖（Chitosan）的纯化： （1）用天平称取6 g chitosan 于800 ml 1％（V/V）的醋酸溶液中，磁力搅拌 溶解2h，待完全溶解后静置2h，可见烧杯底有大量沉淀； （2）将壳聚糖溶液倒入离心管，用普通天平平衡后，再用高速离心机9 000 rmp, 离心10 min 收集上清，倒入另一干净的1 L 烧杯中； （3）边用磁力搅拌器搅拌，边用5 ％NaOH 溶液缓慢调pH 值到9，静置2 h， 待chitosan 完全析出； （4）再用高速离心机9 000 rmp, 离心10 min，或者使用真空泵抽滤以收集 纯化的chitosan； （5）放入－70 ℃冰箱过夜，用冻干机干燥备用[31]。 壳聚糖（Chitosan）的脱乙酰： 1）用500 ml 三口瓶配40 ％(W/V) NaOH 溶液，与壳聚糖混合，然后将洗 净的磁力搅拌子放入其中； （2）打开磁力搅拌器总开关及加热开关，将反馈式温度计插入硅油中，并将温 度计导线接入仪器后座插口，调节温度计旋钮将温度设定为95℃，待温度达到预定 值时，将三口瓶架入油浴槽，装好冷凝管，打开自来水水龙头和搅拌开关，反应2 h； （3）关闭仪器各开关，将三口瓶架在空中，让瓶底的油滴到用油浴槽内，同时 让温度自然冷切； （4）加入三蒸水稀释后，倒入垫有双层定性滤纸的陶瓷漏斗中，用真空泵抽滤， 多次稀释抽滤洗涤至中性； （5）收集脱乙酰壳聚糖，放入－20 ℃冰箱过夜，用冻干机干燥[31]。 脱乙酰度测定 测定脱乙酰度的方法很多，常用的有FT－IR、NMR、紫外、元素分析等，但是 常用为双突跃电位滴定法，其步骤如下[31]： （1）配制壳聚糖溶液：用电子天平精确称量0.2 g Chitosan 于100 ml 烧杯中， 加入20 ml 0.1 M HCl 溶液，再加40 ml 三蒸水，用保鲜膜封口后磁力搅拌至充分溶解； （2）配制0.4 g/ml NaOH 标准溶液：用电子天平精确称量1.6 g NaOH 于50 ml 烧杯中，溶解后用100 ml 容量瓶定容； （3）用标准缓冲液校正酸度计； （4）边搅拌边滴定，记录数据； （5）用Excel 和Origin 处理数据，画出滴定曲线,得出取代度。 2.1.2.3 壳聚糖改性
磁性壳聚糖微球在水处理中应用的研究进展 孙晓航崔丽梁吉艳王新 （沈阳工业大学理学院，沈阳，辽宁） 摘要：磁性壳聚糖微球具有经济、环保、易回收等特点，在水处理领域中具有良好的效果。本文在 介绍磁性壳聚糖微球的基本特点、结构及水处理机理的基础上，介绍磁性壳聚糖改性的及其在金属离 子、染料、含酚废水等污水处理中应用的研究进展，并指出磁性壳聚糖微球在废水处理方面存在的问 题及进一步研究探索的方向。 关键词：磁性壳聚糖；改性；水处理 Current Research Status of Magnetic Chitosan Microspheres Applied in Water Treatment Sun Xiaohang,Cui Li,Liang Jiyan,Wang Xin (Shen Yang University of Technology,Shenyang,Liaoning) Abstract:Magnetic chitosan microsphere has many characteristics,such as economy,environmental, recyclable and well applied in the field of water treatment.Based on the introduction of the basic characteristics and structure of magnetic chitosan microspheres and its mechanism of water treatment,the current states of the modification of magnetic chitosan microsphere and its application in metal ions,dye, phenol wastewater are introduced.The problems and directions of further research of the magnetic chitosan microspheres in the field of wastewater treatment are figured out. Key words:magnetic chitosan microsphere,modification,water treatment 前言 壳聚糖分子链中含有反应性基团—NH2，—OH，具有良好的絮凝性及络合作用，能与水中的过渡金属离子、腐殖酸类物质及表面活性剂等产生络合作用，实现对水溶性有机污染物的脱除，在水处理材料领域有很好的应用前景[1]。但其在酸性溶液中会溶解，稳定性差，且对污染物经吸附脱除后，很难有效快速地从水体中分离。因此需对其进行引进多功能基团改性以提高稳定性和吸附性能。近年来，有科研人员将壳聚糖引入铁氧体磁核，改性后的壳聚糖具有磁性，与水中污染物作用后，可用外加磁场对其进行分离，进而洗脱再生，循环使用，大大提高了壳聚糖的机械性能和循环使用性[2]。 1.磁性壳聚糖微球简介 磁性壳聚糖纳米粒子是近二十年来发展起来的，以壳聚糖为高分子材料、具有磁性的纳米粒子为磁性物质的一种可降解的新型功能高分子材料[3]。 其核心部位是磁性粒子，赋予磁性微球以分离功能，外层生物高分子功能基团赋予磁性微球以载体的功能。磁性壳聚糖微球的壳层与磁核的结合主要是通过范德华力、氢键、配位键的作用。磁性壳聚糖纳米粒子的结构一般为有四种，一是磁性物质为核，壳聚糖为壳层或者以壳聚糖纳米粒子为核，磁性物质为壳层的核/壳结构；二是层与内层为壳聚糖，而中间为磁性物质的夹心结构；三是磁性壳聚糖纳米胶囊的中空结构，包括磁性物质在壳聚糖纳米胶囊内部和外部两种；四是磁
现代食品科技 Modern Food Science and Technology 2008, Vol.24, No.10 1079 磁性壳聚糖微球的制备及其应用 杨晋青，叶盛权，郭祀远 （华南理工大学轻工与食品学院，广东广州 510640） 摘要：由新型的高分子材料制成的磁性壳聚糖微球具有很多优良的应用特性。本文着重综述磁性壳聚糖微球的制备方法和性能表征, 介绍其在生物医学，食品工程和废水处理方面的应用进展, 并展望其研究和开发的光明前景。 关键词：磁性壳聚糖微球；改性；医学；食品工程；废水处理 中图分类号：TQ333.99；文献标识码：A ；文章篇号:1673-9078(2008)10-1079-04 Review of Preparation and Application of Magnetic Chitosan Microspheres YANG Jin-qing, YE Sheng-quan, GUO Si-yuan （College of Light Industry & Food Sciences, South China University of Technology, Guangzhou 510640） Abstract: Magnetic chitosan microspheres made from novel polymer materials showed outstanding applied characteristics. In this paper, the preparation and characterization of magnetic chitosan microspheres were reviewed. The applications of magnetic chitosan microspheres in biomedical, food engineering and wastewater treatment were also introduced and their bright futures were prospected for further research and development. Key words: magnetic chitosan microspheres; modification; medicine; food engineering; wastewater treatment 新型的高分子微球材料因其具有很多优良特性为而被广为应用。如粒径小、表面积大、吸附性强，可通过共聚、表面改性赋予其多种功能性基团(如-OH 、-COOH 、-CHO 、-NH2、-SH 等)，进而可结合各种物质，使高分子微球具有多种功能。对于磁性高分子微球，由于其具有磁响应性，在外加磁场的作用下可以很方便地分离、回收。因此，在许多领域有广阔的开发前景[1,2]。 壳聚糖(CTS)是自然界存在的唯一碱性多糖，可由蟹、虾壳中的甲壳素经脱乙酰化反应而制得。其资源丰富，安全无毒，具有独特的分子结构和易于化学修饰、生物可相容性和可再生性等功能。它的胺基极易形成四级胺正离子，有弱碱性阴离子交换作用。壳聚糖在酸性溶液中会溶解，稳定性差[3,4]。将壳聚糖进行交联制成磁性壳聚糖（MCS ）微球[5,6]，不但可提高其稳定性及机械强度，而且使其易与介质分离，利于广泛应用于医学、食品、化工等领域[7]。本文通过对磁性壳聚糖微球的制备方法和性能表征方法及其在生物医药，食品工程和废水处理方面应用的综述，介绍磁性 收稿日期：2008-04-27 基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20050561014) 作者简介：杨晋青(1983-),硕士研究生,研究方向:糖类分离提纯新方法新技术 通讯作者：郭祀远，教授 壳聚糖微球有关领域的研究进展情况，并展望其发展 的前景。 1 磁性壳聚糖微球的制备及表征 1.1 乳化交联法 常用的磁性壳聚糖微球制备方法有乳化交联法[8]。将磁性Fe 3O 4粒子加到一定浓度的壳聚糖溶液中，经均质分散，再在适当的温度，pH 和搅拌条件下逐滴加入含有乳化剂的水相中，产生乳液，在常压下自由挥发或用真空抽提使溶剂挥发，通过洗涤、过滤和干燥等过程即可制得磁性壳聚糖微球[9,10]。 1.2 包埋法 1.2.1 磁性高分子微球的制备 运用机械搅拌、超声分散等方法将磁性粒子分散于高分子溶液中，通过雾化、絮凝、沉积、蒸发等过程得到内部包有磁性粒子的高分子微球，常用的包埋材料有壳聚糖、纤维素、尼龙、磷脂、聚酰胺、聚丙烯酰胺等。徐慧显利用葡聚糖制备了具有较好的单分散性磁性葡聚糖微球[11]，董聿生采用反相悬浮包埋技术合成了多分散性的磁性葡聚糖微球[12]。 1.2.2 改性磁性壳聚糖微球的制备 以(NH 4)2Fe(SO 4)2·6H 2O 、NH 4Fe(SO 4)2·12H 2O 和壳聚糖为原料，经羟丙基化、胺基化，采用一步包埋法制备了一种新型的多胺基化磁性壳聚糖微球[13]。此方 DOI:10.13982/j.mfst.1673-9078.2008.10.005
um regulating horm ones[J ].J Controlled Release ,2000,66 (223):12721331 [接受日期] 2006203216 3 通讯作者: 周建平,教授;研究方向: 药物新制剂与新剂型; T el :025*********; E 2m ail :zhoujp60@1631com 壳聚糖微球给药系统 张祖菲, 周建平3, 霍美蓉 (中国药科大学药剂学教研室,江苏南京210009) [摘 要] 主要介绍壳聚糖微球的制备方法,影响其载药的主要因素,及其在缓控释、靶向给药、黏膜给药、生物 大分子给药等方面的应用。近年来壳聚糖微球作为新型给药系统备受关注。 [关键词] 壳聚糖微球;药物载体;制备方法;缓控释 [中图分类号] R944.9;T Q314.1 [文献标识码] A [文章编号] 1001-5094(2006)06-0261-06 Chito san Micro sphere s Drug Delivery Systems ZH ANG Zu 2fei , ZH OU Jian 2ping 3, H UO Mei 2rong (Department o f Pharmaceutics ,China Pharmaceutical Univer sity ,Nanjing 210009,China ) [Abstract] The preparation methods and technology ,factors affecting the drug loading efficiency ,applica 2tion and the prospect of chitosan microspheres were reviewed.Chitosan microspheres ,as a novel drug delivery system ,have been widely investigated in recent years. [K ey w ords] Chitosan microspheres ;Drug carrier ;Preparation methods ;C ontrolled release 壳聚糖(chitosan )是甲壳素脱乙酰化的产物,是地球上仅次于纤维素的最丰富的天然聚合物,来源丰富、制备简单,具有良好的生物相容性。壳聚糖分子结构中含有呈弱碱性的游离氨基,能结合氢离子,使壳聚糖分子表面荷正电,因此,壳聚糖在酸性条件下呈现为线性高分子电解质,形成的溶液具有一定的黏度,溶液的浓度越高,壳聚糖的分子质量越大,相应的黏度则越大。壳聚糖的氨基属于较活泼的一级氨基,在中性介质中能与芳香醛或脂肪醛形成Schiff 碱,可以与具有双官能团的醛或者酸酐等交联,产物不易溶解,溶胀程度也较小,理化性质稳定。微球系以天然、合成或半合成高分子材料为基质,将药物均匀分散或包埋在骨架中而制成的球形 载体给药系统,属基质型骨架微粒,常见粒径为1～ 40μm 。目前,以壳聚糖为材料制备缓控释制剂的研究已经取得了较大的进展,其中壳聚糖微球因具有控制释药、组织靶向、提高药物稳定性等多方面的优势,已成为近年来新型给药系统研究的热点。本文就壳聚糖微球给药系统的研究进展进行综述。1 壳聚糖微球的制备方法 壳聚糖分子中含有氨基,易与其他化合物相应的活性基团发生反应,进一步交联形成微球。根据药物、载体材料壳聚糖的性质以及所需微球的释药性能和临床给药途径可选择不同的制备方法。目前,制备壳聚糖微球的方法主要有乳化交联、“液中
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/9e16559656.html, 壳聚糖的制备方法及研究进展 作者：张立英 来源：《山东工业技术》2018年第02期 摘要：壳聚糖作为一种碱性多糖被广泛应用于食品、生物、化工、医疗等领域。本文重点介绍了壳聚糖的制备方法及其研究进展，并对其发展趋势进行了展望。 关键词：壳聚糖；碱性多糖；制备方法 DOI：10.16640/https://www.doczj.com/doc/9e16559656.html,ki.37-1222/t.2018.02.016 壳聚糖本身的分子结构类似于纤维素，因其多了一个带正电荷的胺基，使其化学性质较为活泼。目前壳聚糖正因其优良的生理活性在食品、化妆品、医药、化工、污水处理等方面展现出广阔的应用前景，近十年来国内外对于壳聚糖的开发研究热度一直持续不减，各种新颖的制备方法也是层出不穷。 1壳聚糖的来源 壳聚糖通常是由甲壳素（又名几丁质）经脱乙酰基作用获得，甲壳素在自然界中广泛存在于高等真菌以及节肢动物（虾、蟹、昆虫等）的外壳中，其中虾壳、蟹壳是工业生产壳聚糖的主要原料。由于大分子间的氢键作用，天然存在的甲壳素构造坚固，化学性质稳定，不溶于水、酸碱和一般的有机溶剂，这也使得甲壳素的应用范围非常有限，因此甲壳素只有经脱乙酰基处理成壳聚糖才能获得广泛应用。 2壳聚糖的制备方法 （1）化学降解法。传统的壳聚糖生产多采用化学降解法。作为壳聚糖工业生产最常用的制备方法，化学降解法简便易行，效率高，整个生产过程容易控制，但该法环境污染较为严重，对周边环境具有一定的破坏性。欧阳涟等从蟹壳中获取甲壳素，并通过脱乙酰反应制备出了壳聚糖。试验探究了影响产物壳聚糖脱乙酰反应的各种因素，如反应温度、碱液含量及反应时间等，最终确定制备高脱乙酰度壳聚糖的条件为反应温度70℃，碱液质量分数47%，反应时间10 h。 （2）微生物培养法。微生物发酵法生产壳聚糖起源于美国，我国从上世纪90年代开始研究。其主要原理是利用微生物自身生产的酶进行催化，从而脱去甲壳素中的乙酰基，进而制备壳聚糖。目前该领域研究重点主要集中在优良菌株的选育和培养基的优化上。 贺淹才等首先采用电解法从培养的黑曲霉湿菌体中制得甲壳素，然后采用碱提取法从培养的黑曲霉湿菌体中制备壳聚糖。试验基于黑曲霉细胞壁的主要成分为蛋白质与甲壳素，而蛋白质带有可电离的基团，于溶液中可形成带电荷的阳离子和阴离子，在外加电场作用下发生迁
水溶性壳聚糖的制备方法，其特征在于包括以下步骤：（１）、原料处理：将壳体去除肉后，清水漂洗备用；（２）、稀酸处理：用壳体重２～４倍４～１０％的盐酸浸泡１～２天，再用清水漂洗；（３）、碱煮除蛋白脱脂：用２～４倍８～１２％氢氧化钠煮沸２～４小时，用清水漂洗；（４）、再脱钙处理：用２～４倍１０～１５％盐酸浸泡，以除去碳酸钙和磷酸钙，再用清水漂洗；（５）、脱色处理：用２～４倍清水调节ＰＨ值在５左右、在酸性条件下加入１％的ＫＭｎＯ↓［４］至紫红色不褪为止，以除去壳体的有机色素，再用清水漂洗；（６）、还原除去ＭｎＯ↓［２］：将脱色后的壳体浸泡于１～３％的ＮａＨＳＯ↓［３］溶液中，以除去ＭｎＯ↓［２］，再用１～４％的草酸漂白得到白净甲壳素；（７）、脱乙酰度：用２～４倍５５～７０％的浓氢氧化钠在７５～９５℃处理１０～２０小时，获得壳聚糖粗品；（８）、纯化分离：将粗品溶于８～１０倍３～６％稀醋酸，慢慢加入１０％左右的浓碱至出现粘液，冷却至５～２５℃，静置水解２～４小时，用稀盐酸中和至ＰＨ值在８～９，并产生絮状物，不断搅拌，至絮状物不再产生，过滤，洗涤除去氯化钠获得可溶性壳聚糖精品。 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。
壳聚糖及其衍生物的制备 甲壳素（chitin）在自然不仅含量十分丰富，而且可生物降解，是环境友好产品，利用沿海地区丰富的虾蟹壳为原料，可生产出甲壳素，变废为宝，净化环境。甲壳素经浓碱处理去掉乙酰其后得壳聚糖（chitosan），分子结构如下： O O CH2OH OH NH2n O 壳聚糖经化学改性可得系列的衍生物，如：羧甲基壳聚糖、低聚壳聚糖等。这些系列产品在许多方面有着极其广泛的用途。如在医学方面可作为抗癌制剂、手术缝线、人造皮肤、药物载体等；在轻工业上可作为化妆品填料、增白剂、固发剂或增强纸张的光洁度；在环保方面可作为絮凝剂、吸附剂，用于污水处理，还可用作饮料的澄清剂、无毒包装材料等；在农业方面是一种新型植物生长调节剂，促进植物生长、增加产量、提高品质、诱导植物的广谱抗病性，还可用于生产生物农药，用于果蔬保鲜。因此壳聚糖及其衍生物系列产品有很好的潜在需求和市场前景。 一、实验目的 1.了解壳聚糖及其衍生物的应用概况； 2.学习壳聚糖及其衍生物的制备原理和方法； 3.强化学生环保意识，变废为宝； 4.制备2～5g的产品。 二、实验内容 1．利用强碱制备壳聚糖； 2．测定壳聚糖的脱乙酰度。 三、实验原理
甲壳素是酰胺类多糖，壳聚糖的制备过程，就是酰胺的水解过程。酰胺有如下几种结构： 酰胺可在强酸或强碱条件下水解，对于低分子的酰胺，水解可以进行得比较 完全，但对于多糖来说，强酸更容易水解糖苷键，所以甲壳素的脱乙酰基，一般 情况下不采用强酸水解；相对说来，强碱造成糖苷键的断裂不像强酸那么严重， 所以都用强碱来脱乙酰基。 酸碱滴定法的原理是壳聚糖的自由氨基呈碱性，可与酸定量地发生质子化反应，形成壳聚糖地胶体溶液： 溶液中游离的H+用碱反滴定，这样，从用于溶解壳聚糖的酸量与滴定用去的碱量 之差，即可推算出壳聚糖自由氨基结合酸的量，从而计算出壳聚糖中自由氨基的 含量。 四、实验材料与设备 1．实验设备与仪器 水浴锅，电炉，烧杯，三角瓶，碱式滴定管，电子天平。 2．实验材料与试剂 甲壳素，NaOH，HCl，甲基橙指示剂，乙醇、丙酮。 五、实验步骤 1．壳聚糖的制备 （1）取三个烧杯，编号1﹟、2﹟、3﹟，于每个烧杯中加入甲壳素5g，于1﹟ 烧杯中加入40％NaOH 100mL,2﹟烧杯中加入50％NaOH 100mL, 3﹟烧杯中加入 60％NaOH 100mL,100℃煮沸2h,脱乙酰基。 （2）反应完毕取出，用蒸馏水洗至中性，再用乙醇、丙酮洗涤后，干燥，即得 白色壳聚糖。 2．脱乙酰度的测定 准确称取上述方法制备的三种壳聚糖各0.5g，分别置于250mL三角瓶中，加入
壳聚糖微球的制备及对染料的吸附性能 壳聚糖微球对阴离子染料具有较大的吸附容量，而壳聚糖微球对阳离子染料吸附容量较小。壳聚糖微球对染料的吸附过程受溶液初始浓度、pH值等因素的影响；当pH=2、温度为298 K时，壳聚糖微球对AO7的吸附率达93%，该吸附过程为具有化学吸附的自发过程。 标签：壳聚糖微球染料废水pH值吸附吸附量 一、印染废水的处理意义 印染废水中的污染物绝大部分来自织物本身和加工过程使用的化学染料以及辅助剂。随着工业的快速发展，人类正面临着越来越缺乏的可用的淡水资源，因此要求越来越高的污水处理回收技术。印染行业是工业废水，印染废水中较多的有机物类型和较高的COD、BOD值，高色度，高毒性。纺织废水成分复杂和不稳定，因此在废水处理中印染废水处理已成为一个焦点。 二、印染废水的处理办法 印染废水的处理过程主要包括：预处理和后续处理。预处理工艺的作用主要是去除部分污染物，改善污水水质，以提高后续处理的效果。大量的工业实践证明，印染水的综合治理过程中废水的预处理工艺具有极其重要的地位，它关系到整个系统的运行稳定和排放水质达标，同时也涉及到运行成本的高低。印染废水后续处理是废水处理的关键环节，目前所用的方法主要有化学处理法、生化处理法和物理处理法 三、壳聚糖吸附处理染料废水的研究进展 壳聚糖吸附染料是通过氢键，范德华力，静电引力来实现的。Mckay等首次研究了壳聚糖对印染废水的吸附性能，研究表明，染料种类、温度、pH、溶液初始浓度等对壳聚糖吸附效果有较大影响。随后国内外学者开始对壳聚糖吸附染料废水进行研究，近年来取得了丰硕的成果。实验数据表明，壳聚糖对很多种染料都有良好的吸附效果，尤其是对酸性染料具有较大的吸附容量，而对碱性染料吸附容量较小；壳聚糖对多数染料的吸附过程符合Langmuir吸附等温线。Wong 等用蟹壳分离出的甲壳素制成的壳聚糖来处理五种酸性染料（酸性绿25、酸性黄10、酸性黄12、酸性红18和酸性红73）废水，发现Langmuir吸附等温线与这四种染料的吸附过程有很好的关联。林静雯[1]等对壳聚糖改性，使壳聚糖与丙烯酰胺形成接枝共聚物，然后用这种改性的壳聚糖来处理一种色泽为深蓝色的印染废水，发现其去除率达到76%，脱色率达到95.92%。Annadurai等研究了壳聚糖吸附处理活性黑13染料，实验过程中控制反应时间、染料的初始浓度、壳聚糖颗粒大小、pH和温度，并对其进行优化，得出最佳吸附条件。在最佳吸附条件下，吸附容量达到130.0 mg/g。通过吸附热动力学研究，表明吸附过程为吸热反应。朱启忠[2]等研究壳聚糖对酸性品红染料的吸附性能，研究发现在一定
壳聚糖多孔微球制备与表征 摘要:用来源丰富且廉价，并具有许多优良生物性能的壳聚糖为原料，把他配成质量分数为1.5%的溶液，通过与戊二醛交联，用三氯甲烷作为制孔剂，制备一定粒径的壳聚糖多孔微球。用香兰素测试其吸附性能。 关键词：壳聚糖多孔微球吸附制备表征 在可生物降解天然大分子材料中, 壳聚糖是一类从虾、蟹等甲壳类动物中的甲壳素经化学方法脱乙酰基后提取的氨基高分子多糖, 它来源丰富、成本低廉, 是仅次于纤维素的第二大类天然大分子材料[ 1~ 3] . 它具有良好的生物相容性和生物降解性, 是目前唯一具备电正性特点的天然大分子, 已在医药、食品、农业、环保、日化等领域获得广泛的应用. 高分子微球由于其具有高分散性和大比表面积 的特点, 是一种性能优异的载体材料, 在药物控制释放、生物工程、废水处理等方面已被广泛研究, 有着广阔的应用前景[ 4] . 把壳聚糖材料制备成高分子微球,使壳聚糖和高分子微球的优异性能有机结合也是目前国内外较为热点的研究领域[ 5] . 壳聚糖(Chitosan)又称可溶性甲壳质、甲壳胺、几丁聚糖等，化学名为2-氨基-β-1，4-葡聚糖，分子式为:(C6H11O4N)n,结构式为:
壳聚糖它是甲壳质经脱乙酰基而得到的一种天然阳离子多糖。具有可降解性、良好的成膜性、良好的生物相容性及一定的抗菌和抗肿瘤等优异性能。广泛应用于医药、食品、化工、环保等行业，素有万能多糖的美誉[6]。 香兰素是人类所合成的第一种香精,由德国的M·哈尔曼博士与G·泰曼博士于1874年合成成功的。通常分为甲基香兰素和乙基香兰素。甲基香兰素（vanillin），化学名3-甲氧基-4-羟基苯甲醛，外观白色或微黄色结晶，具有香荚兰香气及浓郁的奶香，为香料工业中最大的品种，是人们普遍喜爱的奶油香草香精的主要成份[7]。其用途十分广泛，如在食品、日化、烟草工业中作为香原料、矫味剂或定香剂，其中饮料、糖果、糕点、饼干、面包和炒货等食品用量居多。目前还没有相关报道说香兰素对人体有害。乙基香兰素为白色至微黄色针状结晶或结晶性粉末,类似香荚兰豆香气,香气较甲基香兰素更浓。属广谱型香料,是当今世界上最重要的合成香料之一,是食品添加剂行业中不可缺少的重要原料,其香气是香兰素的3-4倍,具有浓郁的香荚兰豆香气,且留香持久。广泛用于食品、巧克力、冰淇淋、饮料以及日用化妆品中起增香和定香作用。另外乙基香兰素还可做饲料的添加剂、电镀行业的增亮剂,制药行业的中间体[8]。 香兰素为芳香酚类的代表, 被作为模型分子.为此, 针对香兰素分子中含有疏水性的苯环, 我们合成具有疏水性吸附能力的壳聚糖多
甲壳素/壳聚糖的制备与应用 郭建民1,徐晓军2,李林1 (1.宁波市环境保护科学研究设计院,浙江宁波315010; 2.青岛建筑工程学院,山东青岛266000) [摘要]甲壳素/壳聚糖是一种资源丰富、用途广泛的天然高分子。简介了其物理化学性质及 常见的制备方法;详细介绍了功能化甲壳素/壳聚糖近期的研究状况;综述了甲壳素/壳聚糖的应用;展望了我国甲壳素/壳聚糖资源的开发利用趋势。[关键词]甲壳素;壳聚糖;制备;功能化;应用 [中图分类号]TQ282 [文献标识码]A [文章编号]1006-1878(2004)07-0126-03 甲壳素(chitin )学名为无水-N -乙酰基-D -氨基葡聚糖,是一种重要的天然高分子,其结构与纤维素相似,通常分子量为几百万,是多糖化合物中最重要的一种聚氨基葡萄糖。甲壳素因主要来源于节肢动物如虾、蟹等的甲壳而得名。它也广泛存在于低等植物如真菌、藻类的细胞壁中。据统计,自然界中每年甲壳素的生物合成量在1000kt 以上,可见其自然界储量之丰富。 壳聚糖(chitosan )是甲壳素脱乙酰化而得到的一种生物高分子。由于壳聚糖分子中有大量游离氨的存在,其溶解性大大优于甲壳素,兼具有甲壳素的天然、无毒、生物相容性好与易于降解等优点,所以壳聚糖有十分良好的经济应用价值。人们对壳聚糖的研究十分活跃,其应用领域也不断拓宽。 我国有着丰富的甲壳素资源。充分利用现有资源,结合区域优势,加强对甲壳素的开发研究及产业化是我国甲壳素化学工业发展的必然趋势。 1 甲壳素的提取 目前,甲壳素主要还是从工业废弃的虾、蟹壳中 提取。把甲壳中的甲壳素,蛋白质和无机物质分离开,最后再进行脱色,获得纯净的甲壳素,其工艺流程为:虾蟹壳—水洗—酸浸(6%HCl )—碱煮(10% NaOH )—脱色(KMnO 4)—干燥—甲壳素成品。可见甲壳素的制备过程主要由简单的酸碱处理 工艺组成,技术难度不大。但是以这种传统的工艺制得的甲壳素存在着一些不足,如溶解度不高,溶液过滤性差等。近年来又提出了一些新的方法,使传统工艺得到了改进。如采用浓度递减,循环酸浸以及脱蛋白质交叉工艺制取的甲壳素可以获得较高的粘度。但是在甲壳素的制取过程中,对于动物壳中 的蛋白质和有机肥料的综合利用程度低及工艺过程中排放的废水量大等缺点,仍然是甲壳素制备工艺中需要改进的问题。此外,从蚕蛹壳、蝉和蝇蛹中提取甲壳素都有过系统的报道。 由于壳聚糖还是真菌细胞壁的常见组成部分,因此以微生物发酵来制取壳聚糖也有着巨大的环保意义。陈忻等采用生物发酵放射毛霉为原料制备了壳聚糖。研究表明,在反应温度为28℃,摇床转速为250r/min ,p H 为7.4～7.6,培养时间为45h 的条件下,壳聚糖对菌丝体产率为15.68%,脱乙酰度85%～90%。谭天伟等提出了以发酵工业废菌丝体为原料生产壳聚糖的新工艺。该工艺成本低廉,经济效益可观。 2 甲壳素的功能化改性 活性侧基的存在,赋予甲壳素较之其他多糖更强的功能性,而通过化学修饰在高聚物骨架上引入其他基团,从而改变高分子的物理化学性质,赋予其新的功能,即高分子的功能化。它已经成为甲壳素应用研究的一个热点。甲壳素/壳聚糖的功能化主要是利用分子结构中的羟基/氨基等活性基团,通过对其进行酰化、酯化、交联、醚化等反应来完成。功能化后的甲壳素/壳聚糖的物化性质得到了改善而具有优异的功能。2.1 交联反应 为了使壳聚糖得到很好的应用,需要把它制成[收稿日期]2003-12-18;[修订日期]2004-02-12 [作者简介]郭建民(1977— )男,河北省宣化市人,宁波市环境保护科学研究设计院工程师,硕士,主要从事环保药剂的开发与三废处理技术研究。 ? 621?2004年第24卷 化 工 环 保 ENV IRONMEN TAL PRO TECTION OF CHEMICAL INDUSTR Y
壳聚糖微球的制备及其在生物医药领域的应用 杨 婷,侯文龙,杨越冬* (河北科技师范学院理化学院,秦皇岛 066004) 摘要:壳聚糖是唯一天然碱性氨基多糖,它具有良好的生物相容性、低毒性和生物可降解性,是制备微球的 良好材料。本文综述了近年来国内外壳聚糖微球的制备方法,如喷雾干燥法、乳化交联法、逐层自组装法、界面 聚合法、溶剂蒸发法以及离子凝胶法,分析了不同制备方法的优点及不足。壳聚糖微球不仅可作为固定化酶或 细胞的载体,而且是一种具有广泛应用前景的新型药物载体,本文还对壳聚糖微球在固定化酶或细胞和包埋药 物领域的应用进行了概述。 关键词:壳聚糖;微球;生物医药;应用 微球能保护包埋物免受外界环境影响,以及屏蔽味道、颜色或气味,降低挥发性和毒性,控制可持续释放等多种作用。近年来,微球已被广泛应用于生物、医药和食品等多个领域[1~2]。壳聚糖(CS)是经甲壳素脱乙酰化的线性高分子,是唯一天然碱性氨基多糖,具有良好的生物相容性、低毒性、生物可降解性,有抗菌、防腐、止血和促进伤口愈合等特殊功能和抗酸、抗溃疡的能力,可阻止或减弱药物在胃中的刺激作用,是制备微球的良好材料,在生物医学[3]、药学[4~8]以及固定酶或细胞[9~10]领域倍受专家青睐。壳聚糖作为药物载体,具有控制药物释放、延长药物疗效、降低药物毒副作用、提高疏水性药物对细胞膜的通透性、增强药物稳定性及改变给药途径等特点,是一种新型药物制剂辅料;壳聚糖作为固定化酶的载体,其机械性能良好、化学性质稳定、耐热性强,特别是分子中含有氨基,容易和蛋白质或酶结合,可络合金属离子,使酶免受金属离子的抑制;另外,壳聚糖来自于生物体,细胞毒性极低、亲和性好、安全性高,是固定细胞的良好材料。因此,近几年壳聚糖微球的制备和应用成为研究的热点。本文主要介绍了喷雾干燥、乳液交联、逐层自组装、界面聚合等多种制备壳聚糖微球的方法及其在生物医药等领域的应用。 1 壳聚糖微球的制备 1 1 喷雾干燥法 喷雾干燥法是工业中制备壳聚糖微球较广泛的方法之一,此方法是以热气流干燥雾化液滴为基础的。图1为喷雾干燥法工艺流程[11],首先将壳聚糖溶于酸性水溶液中,再将其它药物溶解或分散于该壳聚糖溶液,加入合适的交联剂,然后进入喷雾干燥器雾化,形成小液滴,溶剂瞬间蒸发可形成自由流动的粒子。微球的粒径取决于喷嘴的直径、喷雾流率、雾化压力、入口温度和交联程度等因素。Cev her等[12]以壳聚糖微球装载不同质量的盐酸万古霉素,将壳聚糖溶于1%(v/v)酸溶液得到0 5%(w/v)浓度的聚合物溶液,再将不同质量的盐酸万古霉素分散至该聚合物溶液中。然后将配制好的溶液进行喷雾干燥,其过程工艺参数为:入口温度130 2 ,出口温度90 2 ,喷雾流率600NL/h,喷嘴直径0 5m m。装载盐酸万古霉素的壳聚糖微球可以持续的保持药效。H e等[13]制备壳聚糖微球时也采用了喷雾干燥法,将配制好的壳聚糖水溶液与一定比例的戊二醛水溶液混合均匀,然后进行喷雾干燥,所用的喷嘴规格为0 5mm,入口温度与喷雾流率分别为160 和6m L/min,所制备出的壳聚糖微球的粒径在3~12 m之间。Williams等[14]在酸中配制一定比例的壳聚糖溶液,加入交联剂,调整参数:喷嘴直径0 3mm,入口、出口温度分别为142 3 、84 3 ,空气流量始终保持在450NL/h。Shi等[15]向壳聚糖酸溶液中加入 基金项目:河北省自然科学基金项目(B2009000862); 作者简介:杨婷(1984-),女,硕士研究生,主要从事天然产物化学研究工作; *通讯联系人:T el:0335 *******,E mail:kycyy d@https://www.doczj.com/doc/9e16559656.html,.
壳聚糖的制备 甲壳素是许多甲壳类动物(如虾、蟹)及昆虫等外壳的重要组成成分,同时也存在于菌类的细胞壁中，还可来源于有机酸类，抗生素与酶酿造副产物。甲壳素是一种十分丰富的天然资源，在自然界蕴藏量仅次于纤维素。它不溶于水和酸性介质，甲壳素脱乙酰后形成壳聚糖（CTS）。其溶解性较甲壳素大。它是生物合成的天然高 分子, 葡聚糖,酰度 ( 滴定法、热分析法、气相色谱法、元素分析法、紫外光谱一阶导数、苦味酸分光光度法等。常用的有酸碱滴定法、红外光谱法、紫外光谱法、电位滴定法等。 一、壳聚糖的制备 将虾壳去腿去杂质后,流水冲洗,洗净残余的虾肉,于60℃烘箱中烘干，用研钵
磨碎.称取10g虾壳3份,于100mL5%HCl中浸泡4h至无气泡冒出,再补加50mL5%HCl,浸泡2h,除去虾壳中的钙质和无机盐,抽滤用去离子水洗至中性,加100mL10%NaOH于50℃水浴中加热2h,除去蛋白,过滤,用去离子水80℃水浴中反应4h,水洗至中性,抽滤,烘干后得白色粉末状甲壳素分别为2.08,2.00,2,12g，平均产率为20.6%。 二、壳聚糖制备工艺的设计 30%以下,,但是 ℃进行 , ,真空干燥, 1. ,可与酸定量反应生成盐,且胺基特别稳定,即使在50%氢氧化钠溶液中，在150℃也不会分解,基于上述特性来测定脱乙酰度。准确称取0.2g样品置于250ml三角烧瓶中,加入0.2mol/L盐酸标准溶液25ml,搅拌0.5～1h完全溶解,以甲基橙作指示剂,0.2mol/L氢氧化钠标准溶液滴定过量的盐酸至终点,另取1份样品于105烘箱中
至恒重,测定样品含水量。 这种方法简单,但由于达到终点时,壳聚糖析出沉淀,使终点判定容易产生误差,尤其在样品摩尔质量较大情况下更是如此,从而导致实验的重复性差。而且样品受溶解度影响较大,有时需加热才能使样品完全溶解,这样使盐酸挥发,测定结果受到影响。但这种方法不需大型仪器,操作简便易行,经常操作,积累一定操作经验,会改 2. ,作 单,,应 3. , , 红88与壳聚糖的作用。酸性红88这种带负电荷的染料与壳聚糖大分子上质子化的氨基以1∶1的化学计量形成络和物,此时酸性红88的最大吸收波长为505nm,吸光度达到最低点,可以定量利用这一变色作用。本文用酸性红143,与已知含量壳聚糖作用,测定未知含量壳聚糖。
甲壳素的化学名称为(1,4)222乙酰胺基222脱 氧2β2D葡萄糖。当甲壳素通过脱乙酰基反应转变为壳聚糖时,由于游离胺基的产生,应用性大为增加。壳聚糖分子链上的胺基和羟基都是很好的配位基团,使其具有很多纤维素不具有的用途,它既是一种天然的高分子螯合剂,可与重金属离子如Hg2+、Cu2+、Ag+形成稳定的螯合物,用于提取回 收金属和从污水中去除有害的重金属离子[1,2] ,又是一种天然的阳离子型絮凝剂,能使水中的悬浮 物凝聚而沉降,用于污水的净化处理[3] 。表征壳聚糖性能的主要参数有:脱乙酰度和分子量,它们都受甲壳素脱乙酰化反应控制。因此甲壳素脱乙酰化反应是基础性研究工作,虽然已有一些论文报道了甲壳素脱乙酰化反应的研究结果[4] ,但尚不系统完全。另外由于壳聚糖的缩醛键结构,在H+ 的攻击下很容易水解,随着存贮时间的增长, 壳聚糖溶液的粘度将发生很大的变化,给应用带来影响。因此,对壳聚糖溶液存贮期间粘度变化的研究也是很有实际意义的。 1 实验部分 111 试剂及原料 所用试剂都是分析纯。甲壳素由青岛某生化公司提供。112 测定方法 脱乙酰度测定采用线性电位滴定法[5] ,溶液 粘度测定采用NDJ24型旋转粘度计测定 [6] 。 113 壳聚糖的制备 将甲壳素与氢氧化钠溶液在三口烧瓶中混合搅拌,在一定温度下回流一定时间后,过滤,洗涤,烘干,产物即为壳聚糖。114 壳聚糖的水解延缓将壳聚糖分别溶于醋酸水溶液,醋酸2乙醇水溶液,醋酸2甲醇水溶液,醋酸2丙酮水溶液,醋酸2丙酮2甲醇水溶液,常温下测定放置不同时间的上述各溶液的粘度。 2 结果和讨论 211 正交实验法确定反应条件 甲壳素脱乙酰化反应需在浓碱介质中进行,加温可有效地加速乙酰化反应,提高碱液浓度和延长反应时间也可以提高脱乙酰度。但是随着脱乙酰化反应条件的强化,甲壳素主链的降解也越来越严重,这又直接影响产品的质量。因此碱液浓度、温度和反应时间都是主要影响因素。控制脱乙酰化反应条件,就可获得不同脱乙酰度的壳聚糖。目前,常采用高温短时间反应和低温长时 间反应的壳聚糖碱液制备方法。韩怀芬等[7] 研究在100～120℃下反应2～4小时制备壳聚糖,脱乙酰度达89.31%。本实验在低温段80～90℃下反应12～16小时。 本实验首先进行三因素三水平L9(34 )正交实验,各因素和各水平见表1。实验结果见表2。对每个样品测其脱乙酰度。 表1 三因素三水平正交试验
实验一：壳聚糖制备工艺 一、实验目的 1、了解制备甲壳质和壳聚糖的意义； 2、学习甲壳质和壳聚糖制备工艺。 二、实验原理 壳聚糖是碱性多糖，有止酸、消炎作用，可抑制胃溃疡。动物实验表明，可降低胆固醇、血脂。国外已报道用作心血管系统降低胆固醇的药物。经分子修饰制得的肝素类似物，具有抗血栓作用，能与肝素妣美。壳聚糖广泛用于食品与医药，如用作药物的载体具有缓释、持效的优点；用于制作人造皮肤、人造血管、人工肾、手术缝合线等。 虾蟹壳含无机盐碳酸钙和磷酸盐约占45%；蛋白和脂肪约占27%；甲壳质约占20-25%（蟹壳含甲壳质17.1-18.2%;龙虾含甲壳质22.5%;虾壳含甲壳质20-25%）甲壳质是聚-2-乙酰氨基-2-脱氧-D-吡喃葡萄糖，以β-（1，4）糖苷键连接而成，是一种线型高分子多糖，天然的中性粘多糖。甲壳质一般与蛋白质或碳酸钙或两者紧密结合在一起。盐酸浸泡处理可除掉壳里的无机盐碳酸钙、磷酸盐，壳中的CaCO3与HCL生成CaCL存在于废酸液中被除掉。碱处理可除掉壳中的蛋白和脂肪。经分离制得的甲壳质为白色无定型粉末，或亮白色半透明的小片状物。甲壳质不溶于水、稀酸、碱溶液和乙醇、乙醚等有机溶剂，溶于无水甲酸、浓无机酸。 浓热碱液与甲壳质作用，可脱掉甲壳质分子结构上的乙酰基，生成壳聚糖。即壳聚糖是由甲壳质在高浓度碱液中脱乙酰制备而成。壳聚糖为可溶性甲壳质，化学名称为聚-2-氨基-2-脱氧-D-吡喃葡萄糖，以β-（1，4）糖苷键连接而成。相对分子量约为12万-59万，是一种大分子阳离子聚合物。壳聚糖不溶于水和一般有机溶剂，不溶于碱，可溶于酸性水溶液（但不溶于硫酸）。 制备高黏度（高分子量）壳聚糖，脱乙酰工艺路线有几条，学生自行设计： 1.60-70℃，40-41%NaOH溶液保温20h； 2.110-120℃，45-50% NaOH溶液反应1h左右； 3.间歇式工艺路线：100℃条件下，45%的NaOH 溶液，1+1间歇反应2次，每次反应1h，每次反应后水洗至中性。 三、实验材料 1.材料与试剂 虾壳，1mol/L盐酸，5%氢氧化钠，95%乙醇，乙醚，硼氢化钠 2.仪器与设备 粉碎机，20目筛，方盘，磁力搅拌器，电磁炉，恒温水浴锅，真空干燥箱，布氏漏斗，抽滤瓶，循环水泵，三口烧瓶，冷凝管，温度计，烧杯，量筒，pH试纸，滤纸，纱布。 四、实验步骤 虾壳（称重，取25g），加1mol/L盐酸溶液，（固液比1:10，搅拌，静置12h）过滤。加5% 氢氧化钠溶液，（固液比1:8），搅拌,隔水煮1h，过滤，得甲壳质，烘干，粉碎，待用。 取5g甲壳质于三口瓶中，加45%氢氧化钠溶液（固液比1:20），再加1% 硼氢化钠，于110-120℃搅拌反应1h，冷却，离心，移去上清液，水洗沉淀，再离心，再移去上清液，水洗沉淀，再移去上清液，以95%乙醇洗涤沉淀，一起倒入抽滤瓶中，抽滤，留滤饼，得壳聚糖，晾干，称重。 五、实验结果 1.测定产品的主要质量指标黏度和脱乙酰度；