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壳聚糖纤维的理化性能和生物活性研究进展

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第40卷　第5期2019年5月纺　织　学　报JournalofTextileResearchVol.40,No.5May,2019

DOI:10.13475/j.fzxb.20180406107壳聚糖纤维的理化性能和生物活性研究进展

秦益民1,2(1.嘉兴学院材料与纺织工程学院,浙江嘉兴　314001;2.海藻活性物质国家重点实验室,山东青岛　266400)

摘　要　为促进壳聚糖纤维在医疗和卫生产品中的应用,开发壳聚糖基功能纺织材料和先进医用纺织品,总结了壳聚糖纤维的理化特性及其吸附铜离子和锌离子的性能,分析了壳聚糖纤维的细胞活性、生物相容性及其在与伤口、血液、人体组织接触过程中产生的止血、抗菌、抑制基质金属蛋白酶、促进伤口愈合等生物活性。指出壳聚糖的氨基多糖结构及其对体液中金属离子的吸附性能使壳聚糖纤维和壳聚糖基纺织品在医用止血材料、伤口敷料、面膜制品、日用卫生品、抗菌纺织品等领域起到止血、抗菌、排毒、促愈、美白等生物活性和应用功效,具有很高的应用价值。关键词　甲壳素;壳聚糖;功能纤维;医用敷料;生物医用材料;生物活性中图分类号:TS131.9 文献标志码:A

PhysicochemicalpropertiesandbioactivitiesofchitosanfibersQINYimin1,2

(1.CollegeofMaterialsandTextileEngineering,JiaxingUniversity,Jiaxing,Zhejiang　314001,China;2.StateKeyLaboratoryofBioactiveSeaweedSubstances,Qingdao,Shandong　266400,China)

Abstract　Inordertopromotetheapplicationofchitosanfibersinmedicalandhygieneproducts,anddevelopfunctionaltextilematerialsandadvancedmedicaltextileproducts,thispapersummarizedthechemicalandphysicalpropertiesofchitosanfibersandtheirabsorptionpropertiesforcopperandzincions,andanalyzedtheircellactivities,biocompatibilitiesandthevariousbioactivitieswhileincontactwithwound,bloodandtissue,suchashaemostasis,antimicrobial,enzymeinhibition,woundhealingpromotion,etal.Itwaspointedoutthattheglucosaminestructureandthecapabilitytobindmetalionsplayanimportantroleinhaemostasis,antimicrobial,detoxication,woundhealingpromotion,whiteningandotherbioactivitiesandfunctionalities,whicharehighlyvaluableinmedicalhaemostaticmaterials,wounddressings,facemasks,hygieneproductsandantimicrobialtextileproducts.Keywords　chitin;chitosan;functionalfiber;wounddressing;biomedicalmaterial;biologicalactivity

收稿日期:2018-04-27 修回日期:2018-12-31基金项目:国家重点研发计划项目(2018YFC1105600)作者简介:秦益民(1965—),男,教授,博士。主要研究方向为功能性纤维的研究与开发。E-mail:yiminqin1965@126.com。

壳聚糖,也称甲壳胺,是甲壳素的脱乙酰基衍生物。以壳聚糖为原料通过湿法纺丝制备的壳聚糖纤维具有优良的生物相容性、生物可降解性、亲水性等特性,且其独特的化学结构赋予纤维一系列优良使用功效,在功能纺织材料及医疗卫生领域的应用中产生抗菌、止血、促进伤口愈合等优异性能[1-3]。通

过与细胞和组织的相互作用,壳聚糖纤维可以影响人体中的酶、细胞、组织等生物活性,产生独特的医疗和保健功效[4-5]。

壳聚糖纤维可通过纺纱、机织、针织、非织造等工艺制备医用纺织材料:以壳聚糖纤维为原料制备的手术缝合线具有生物可降解特性,可通过控制脱乙酰度调节其降解速度,壳聚糖纤维的机织和针织物是多孔结构支架材料,可用于细胞移植和组织再生,壳聚糖针刺非织造布可用于伤口护理,壳聚糖水刺非织造布在功能性美容化妆品领域具有独特的应用价值,其良好的吸湿性、保湿性以及排毒、养颜特性深受消费者喜爱。本文结合壳聚糖纤维研究领域的最新成果,分析总结了壳聚糖纤维的离子交换特性及其在与人体第5期秦益民:壳聚糖纤维的理化性能和生物活性研究进展 细胞和组织接触过程中产生的抑制细菌增长、止血、抑制基质金属蛋白酶、促进伤口愈合等各种生物活性,对进一步开发其在医疗、卫生、保健、化妆品等领域中的应用有很高的实用价值。1　壳聚糖纤维的离子交换性能铜和锌离子在体液中的质量浓度约为1mg/L,在人体组织的各种生物活性中起重要作用。文献[6]显示铜离子在诱导血管生成、血管内皮生长因子、皮肤细胞外蛋白的表达和稳定过程中起关键作用。糖尿病足溃疡、静脉溃疡、褥疮等慢性伤口的患者,局部铜离子含量较低时伤口愈合缓慢。壳聚糖分子结构中的氨基对铜、锌等金属离子有很强的螯合作用,在与伤口接触时,壳聚糖纤维可通过其对铜离子的富集作用促进血管生成和皮肤再生,对伤口愈合有促进作用。图1示出与CuSO4水溶液接触后壳聚糖纤维中的铜离子含量的变化。发现Cu(II)离子很快被纤维吸收,其含量达到纤维质量的9.0%[7]。表1示出乙酰度对壳聚糖纤维吸附铜离子的影响。充分吸附后纤维中铜离子与氨基的量比约为3∶1[8]。图1　与硫酸铜溶液接触后壳聚糖纤维中的铜离子含量Fig.1　CopperioncontentinchitosanfiberwhileincontactwithCuSO4solution表1　乙酰度对壳聚糖纤维吸附铜离子性能的影响Tab.1　Influenceofdegreeofacetylationonabsorptionofcopperionsbychitosanfibers乙酰度/%铜离子质量分数/%—NH2与Cu(II)的量比0.868.22.936.65.42.960.83.62.897.20.61.2锌离子与壳聚糖纤维的螯合作用在临床上也有重要的应用价值。张海峰等[9]研究表明,在糖尿病患者的伤口上局部涂抹硫酸锌可降低基质金属蛋白酶MMP-2活性,强化创面组织微血管密度,提高增殖性细胞核抗原阳性细胞表达,创面局部富集锌离子对慢性伤口愈合有较强的促进作用。

2　壳聚糖纤维的生物相容性

壳聚糖具有良好的生物相容性,在体内和体外可通过各种化学催化作用使其分子结构中的β(1-4)糖苷键在脂肪酶、溶菌酶、淀粉酶等催化作

用下分解为氨基葡萄糖,而被组织细胞吸收。程友等[10]研究了壳聚糖非织造布在体外、体内的降解性能及其生物相容性,首先将其加入溶菌酶溶液中,于37℃恒温振荡水浴中放置一定时间后取出,依据质

量变化跟踪降解速度。结果显示,壳聚糖在质量分数为1%溶菌酶溶液中放置1周和2周的平均降解质量损失分别为5.52%和9.36%。植入体内后,壳聚糖非织造布周围无结节,随时间延长淋巴细胞浸润减少,具有良好的生物相容性[11]。

3　壳聚糖纤维的细胞活性

壳聚糖纤维的细胞活性体现在其与细胞接触后的黏附、形态、生长、增殖、分化、再生等状况。在与细胞接触时,纤维的理化性质决定了其表面黏附的蛋白质种类、数量、构像和分布[12-13]。丁勇等[14]研究了壳聚糖对巨噬细胞活性的影响,结果显示壳聚糖在活化巨噬细胞后促进其分泌出多种细胞因子,有利于慢性伤口愈合。张文达等[15]用壳聚糖溶液培养人体上皮细胞,溶液中上皮细胞数量随壳聚糖质量浓度增加而增多,在壳聚糖质量浓度为0.6g/L时能明显增殖。杨红等[16]研究了壳聚糖质量浓度对神经细胞生长的影响,把乳鼠视网膜神经细胞在有壳聚糖存在的环境中体外培养,结果显示细胞不仅生长良好,其存活时间及存活细胞数量均较优。Heinemann等[17]

的研究结果显示壳聚糖纤维支架

对小鼠成骨细胞的增殖分化有促进作用。壳聚糖的细胞活性可通过理化改性技术的应用进一步改善[18]。Budirahar等[19]通过共价键合把骨形态发生蛋白与壳聚糖结合,促进了成骨细胞的黏附、增殖和分化。Yang等[20]把壳聚糖与白细胞介素等细胞因子结合后有效增强其抗肿瘤作用。Custodio等[21]

的研究证明壳聚糖及其衍生物可提高

细胞通透性,对酶具有抑制作用,同时增强亲水化合物的通透作用,提高其跨膜转运能力[22]。Jiang

等[23]通过物理包埋及化学键合蛋白质、寡肽等生物活性分子改善细胞与壳聚糖的相容性,使壳聚糖具有更好的稳定性,在组织工程领域有特殊的应用

·171· 纺织学报第40卷价值[24-25]。4　壳聚糖纤维的止血性能作为天然高分子,壳聚糖可加工成粉末、溶液、凝胶、薄膜、海绵、纤维、非织造布等多种形式的材料用于伤口止血[26],国内外大量研究结果已证实壳聚糖具有止血功效[27-29]。壳聚糖纤维无毒、无抗原性,是一种性能优良的止血材料。自Malette等[30]以壳聚糖为原料制备的很多种止血材料及其止血功效在医疗领域得到广泛关注,目前已有多种产品应用于临床止血。壳聚糖的止血功效与其脱乙酰度、分子量、质子化程度和物理形态密切相关。在与血液接触时,血纤维蛋白原、Y-球蛋白、白蛋白、凝血原酶等血浆蛋白迅速吸附到纤维表面,介导了血小板在纤维表面的黏附。血小板的形变和激活引起5-羟色胺、β-血小板球蛋白、促凝血激活物、腺苷核苷酸等血小板活性成分的释放,其中腺苷核苷酸能促进更多的血小板、血细胞、不溶性血纤维蛋白在纤维表面黏附,最终形成血栓。在pH值小于等于6.8时壳聚糖纤维表面显正电性,对血液中的细胞外基质蛋白、磷脂、黏多糖等多种显负电性的生物大分子有很强的吸附作用。Segal等[31]在研究海藻酸盐纤维的止血性能时发现其主要作用机制是凝血效应和对血小板的激化作用,海藻酸盐纤维释放出的钙离子在激化血小板后使其释放出纤维蛋白链而形成血栓,产生良好的止血功效。对于壳聚糖纤维,马军阳等[32]研究显示,通过蛋白质介导黏附血小板后形成壳聚糖与血小板复合物,该复合物可加速血纤维蛋白单体的聚合并共同形成凝块,同时壳聚糖通过诱导红细胞聚集而刺激血管收缩,最终形成血栓后封合伤口[33]。高金伟等[34]研究了壳聚糖纤维对肝脏的止血效果,空白组不使用任何材料,对照组使用速即纱,实验组使用壳聚糖纤维敷贴创面,记录各组的总出血量和止血率显示,空白组、对照组和实验组的止血率分别为0%、25%和100%,出血量分别为(2.121±0.190)、(0.702±0.056)和(0.443±0.030)g/kg,壳聚糖纤维敷料的止血效果明显优于对照组和空白组。5　壳聚糖纤维的抑菌性能壳聚糖具有广谱、高活性抗菌功效,可有效抑制细菌和真菌的生长和繁殖[35-37]。Amin等[38]在研究壳聚糖水凝胶敷料的抗菌性能时发现,人体皮肤表面pH值在4.5~6.5之间。壳聚糖分子结构中的氨基在与体表的酸性介质接触后形成带正电荷的高分子链,通过中和细菌表面的负电荷、与细菌胶合使其凋亡。pH值对壳聚糖的抑菌性能具有影响,当pH值升高时壳聚糖的质子化程度以及溶解性降低,

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壳聚糖的抗氧化性能及抑菌效果研究

壳聚糖的抗氧化性能及抑菌效果研究

壳聚糖的抗氧化性能及抑菌效果研究壳聚糖是一种天然多糖，由壳料中的壳聚糖骨架经过提取和纯化得到。

近年来，壳聚糖因其丰富的生物活性和良好的生物相容性而备受关注。

本文旨在探讨壳聚糖的抗氧化性能以及其在抑菌方面的作用。

抗氧化性能是评估一种物质对抗自由基损伤能力的重要指标。

自由基在体内产生并能引起许多疾病，如心血管疾病、癌症和老化等。

过高的自由基水平对人体健康造成巨大威胁，因此寻找天然的抗氧化剂成为了科研和食品工业领域的热点。

壳聚糖作为一种天然产物，被认为具有重要的抗氧化特性。

研究表明，壳聚糖具有显著的抗氧化活性。

壳聚糖中的氨基和羟基官能团具有氧化状马克的活性氧和自由基，有效清除自由基并捕捉活性氧分子。

此外，壳聚糖还可以通过增加抗氧化酶的活性、调节氧化还原平衡、抑制氧化脂质和蛋白质的降解等途径发挥其抗氧化作用。

这些研究结果表明，壳聚糖作为抗氧化剂具有巨大的潜力，可以在保健品和食品工业中得到广泛应用。

除了抗氧化性能，壳聚糖还具有显著的抑菌效果。

传统的抗菌剂存在着微生物耐药性的问题，因此寻找新型的抑菌剂成为当前的研究重点。

壳聚糖作为一种天然产物，被广泛研究其抑菌效果。

研究表明，壳聚糖具有广谱的抗菌活性，可以对多种病原微生物起到显著的抑制作用。

壳聚糖的抗菌机制主要包括：破坏细胞壁、干扰细胞膜的透性、干扰细胞代谢及抑制生物膜的形成等。

壳聚糖的阳离子性和高分子量使得其可以与细菌的阴离子表面结合形成很稳定的络合物，破坏微生物的细胞壁结构，导致细胞溶解和死亡。

此外，壳聚糖还可以通过改变细菌细胞膜的透性，抑制其对外界环境的正常吸收和排泄，从而干扰细菌的代谢。

这些抗菌机制使得壳聚糖在食品工业和医药领域中具有广泛的应用前景。

尽管壳聚糖具有出色的抗氧化性能和抑菌效果，但是其应用仍面临着一些挑战。

首先，壳聚糖的溶解度较低，难以被人体充分吸收。

此外，壳聚糖与其他物质的相容性也需要进一步研究。

因此，今后的研究可以针对这些问题进行改进和优化。

壳聚糖生物降解性能及其在药物缓释中的应用

壳聚糖生物降解性能及其在药物缓释中的应用

壳聚糖生物降解性能及其在药物缓释中的应用壳聚糖是一种生物可降解的天然聚合物，由葡萄糖和N-乙酰葡萄糖组成。

它具有广泛的应用领域，包括药物缓释系统。

本文将详细介绍壳聚糖的生物降解性能以及其在药物缓释中的应用。

首先，壳聚糖具有良好的生物降解性能。

与合成聚合物相比，壳聚糖在生物体内可以被酶降解为无毒的代谢产物，并进一步被身体排出。

这是由于壳聚糖分子链上的乙酰胺基团可以与生物体内的酶相互作用，从而使壳聚糖被降解。

此外，壳聚糖还具有可调控的降解速度，可以通过改变壳聚糖分子链的取代度或分子量来调节其降解速度，以满足特定的药物缓释需求。

其次，壳聚糖在药物缓释中的应用广泛。

壳聚糖可以用作药物缓释的载体，将药物包裹在壳聚糖颗粒中，并通过控制壳聚糖的降解速度来实现药物的缓释。

这种缓释系统具有以下优势：首先，壳聚糖具有优异的渗透性，可以保护药物免受外界环境的影响，避免药物过早地释放；其次，壳聚糖可以促进药物的稳定性，保持药物的活性；最后，壳聚糖还可以调节药物的释放速率，使药物能够长时间持续释放，从而减少药物的频繁给药。

在壳聚糖在药物缓释中的应用中，最常见的是利用壳聚糖制备微球或纳米颗粒。

壳聚糖微球是将药物包裹在壳聚糖的微球中，通过调节壳聚糖的降解速度来控制药物的释放。

壳聚糖纳米颗粒是将药物包裹在刚硬核心上，然后再利用壳聚糖形成的壳层来控制药物的释放。

这两种缓释系统都具有很强的可控性和稳定性，可以满足药物缓释的需求。

此外，壳聚糖还可以与其他材料结合来制备复合缓释系统。

例如，壳聚糖可以与聚乳酸酸、明胶等生物降解聚合物结合，形成复合纳米颗粒，以实现药物的双重缓释。

此外，壳聚糖还可以与金属离子或金属纳米粒子结合，形成纳米复合材料，以实现药物的靶向缓释。

总之，壳聚糖具有良好的生物降解性能，能够与药物形成稳定的缓释系统。

壳聚糖在药物缓释中的应用潜力巨大，可用于多种药物的缓释。

未来的研究重点将放在进一步提高壳聚糖缓释系统的可控性和稳定性上，以满足临床上不同药物的需求，并加强壳聚糖与其他材料的复合应用研究，以实现更广泛的应用。

壳聚糖在医药领域中的应用研究进展

壳聚糖在医药领域中的应用研究进展

壳聚糖在医药领域中的应用研究进展壳聚糖是一种天然的多胺，由葡萄糖和2-乙氨基-2-脱氧-D-葡萄糖组成。

它具有生物相容性、低毒性和可降解性等优点，因此在医药领域中有着广泛的应用前景。

近年来，壳聚糖在药物传递、组织工程、创伤愈合和抗菌等方面的研究取得了显著进展。

壳聚糖在药物传递方面的应用是其中最为重要的研究领域之一。

壳聚糖具有出色的药物负载能力和控释性能，可以将药物固定在其分子结构中，延长药物在体内的停留时间。

此外，壳聚糖还能通过改变pH值、离子强度等环境因素来控制药物的释放速率，提高药物的疗效以及减少副作用。

研究表明，壳聚糖纳米颗粒、壳聚糖微球和壳聚糖水凝胶等药物传递系统在靶向传递、靶向释放以及促进药物吸收等方面表现出优异的性能。

另外，壳聚糖在组织工程领域的应用也受到了广泛关注。

组织工程是一门利用生物材料和细胞来构建人体组织和器官的学科。

壳聚糖作为一种生物可降解的材料，具有良好的生物相容性和组织黏附性，可以作为三维支架来促进组织再生和修复。

研究人员利用壳聚糖的特性，制备了壳聚糖纤维膜、壳聚糖基质和壳聚糖海绵等支架，成功地应用于骨组织工程、软骨修复、神经再生和血管再生等方面。

壳聚糖在组织工程中的广泛应用为人体组织和器官的再生提供了新的思路和方法。

此外，壳聚糖在创伤愈合方面的研究也有着显著的进展。

伤口愈合是人体修复受损组织的一个重要过程，壳聚糖能够通过抑制炎症反应、促进细胞增殖和分化以及加速胶原合成等方式来促进伤口愈合。

研究表明，壳聚糖纳米颗粒和壳聚糖复合材料的应用可以显著地促进创伤愈合的速度和质量。

此外，壳聚糖在创面覆盖和修复方面也有着广泛应用，如壳聚糖纳米纤维膜和壳聚糖纳米凝胶等。

这些研究结果为创伤愈合的治疗和修复提供了新的途径。

最后，壳聚糖还具有优良的抗菌性能，被广泛应用于抗菌药物的合成和抗菌材料的制备。

壳聚糖具有阳离子性，在与阴离子性的细菌细胞膜相互作用时，可以改变细胞膜的渗透性，促使细菌死亡。

壳聚糖酶

壳聚糖酶

微生物壳聚糖酶的研究进展及应用现状几丁质（chitin）又名甲壳素、甲壳质，是N-乙酰-D-葡萄糖胺以β-1,4-糖苷键相连而成，是地球上仅次于纤维素的第二大类天然高分子化合物。

壳聚糖(chitosan)为几丁质脱乙酰化后的产物,是一种阳离子型多糖，也是目前唯一的商品化碱性多糖。

壳聚糖是一种高分子阳离子絮凝剂，由于具有无毒、可被生物降解、良好的生物容性和成膜性等优良特性，在医药卫生、农业等方面得到广泛的应用。

如可作为离子交换剂，毛发固定剂、保湿剂和柔软剂，药物缓释剂、增溶剂，饲料添加剂，种子处理剂等。

但是壳聚糖的分子量大，水溶性较差，在人体内不易吸收，使其应用受到限制。

而壳聚糖的降解产物壳寡聚糖（Chitooligosaccharides）不仅具有水溶性好、易吸收等优点，近年来更是发现，低分子量壳寡聚糖（如五糖、六糖）具有抗肿瘤、抗菌、免疫激活及保湿吸湿等特点，使其在医药领域有着广泛的应用前景。

壳寡糖的制备大多数是以虾、蟹等为原料，经过脱乙酰基等处理得到壳聚糖，再进一步水解得到壳寡糖。

目前，由壳聚糖制备壳寡糖主要有两种水解方法：酸解法和酶解法。

酸解法一般是用盐酸部分水解壳聚糖，用甲醇除去水解液中产生的大量单糖，经加Dowex离子交换树脂分离得到壳寡糖。

酸水解法的缺点是反应产物单糖较多，而壳寡糖含量低，反应条件苛刻，工艺烦琐，同时这一工艺由于产生大量废弃酸液，易给环境造成污染。

酶解法是指采用酶制剂在较温和的条件下降解壳聚糖。

一般分为两类：非专一性水解酶和专一性水解酶。

非专一性酶工艺，是利用如脂肪酶、溶菌酶等壳聚糖非专一性水解酶，降解壳聚糖。

但降解程度有限，而且产物复杂，不易分离，酶量使用大。

专一性水解酶是利用以壳聚糖为专一性底物的壳聚糖酶，专一性水解壳聚糖，该反应条件温和，可通过反应时间控制水解产物，为大规模生产壳寡糖提供了可能，是一种较为理想的壳寡糖制备方法。

壳聚糖酶（Chitosanase,EC.3.2.1.132）是催化壳聚糖降解的专一性酶。