一、壳聚糖的概况 1. 1壳聚糖的性质 壳聚糖是美国食品药品监督管理局批准的药用辅料之一，又因其具有生物可降解性、无免疫原性、无毒、抗菌、抗炎、抗氧化和促进伤口愈合能力等优良特性，被认为是最有前途的药物递送载体。利用壳聚糖基材料独特的生物相容性、黏膜黏附性、促渗作用等特点，作为药物载体可以提高药物的溶解性、增强药物的稳定性，延长药物在口腔黏膜的滞留时间，促进药物的持续释放，从而提高药物的生物利用度。 壳聚糖可以溶解在许多稀的无机酸和某些有机酸中，如稀的盐酸、甲酸、乙酸、10%柠檬酸、水杨酸、酒石酸、丙酮酸、乳酸、琥珀酸、苹果酸、已二酸、抗坏血酸等；也能溶解在浓的盐酸，硝酸，高氯酸、磷酸中，但需要长时间的搅拌加热；壳聚糖也能溶解在一些混合有机溶剂中，如DMF-N2O4(3:1).壳聚糖在稀酸中的溶解先是糖残基上的－NH2与H+形成阳离子－NH3+配合物，使壳聚糖成为带正电荷的聚电解质，破坏了壳聚糖分子内和分子间氢键，使之溶于水中，换言之，壳聚糖在稀酸中的溶解实际上是阳离子壳聚糖盐（聚电解质）溶于水中。 因此，壳聚糖在稀酸中的溶解，受到脱乙酰度、相对分子量和酸种类的影响。壳聚糖脱乙酰度越高，分子链上的游离氨基越多，在稀酸中形成的阳离子壳聚糖电荷密度越高，亲水性越强，溶解度越高。壳聚糖分子在分子间和分子内形成许多强弱不同的氢键，使得分子链彼此缠绕在一起且比较僵硬，造成分子质量越大，缠绕越厉害，溶解度越小，溶解速度越慢。 相对分子质量小于8000的壳聚糖可直接溶解于水中而不必借助于酸的作用。酸在壳聚糖的溶解中不仅提供H+,使壳聚糖氨基阳离子化，其自身阴离子也参与了反应，与阳离子化的壳聚糖形成盐，有的盐能溶于水，有的盐不能溶于水。 如稀硫酸、稀硫酸就不能溶解壳聚糖。壳聚糖在稀酸中有一个逐渐溶解的过程，开始一段时间是氨基结合氢质子的过程，看不到壳聚糖的溶解。当阳离子聚电解质形成并达到一定数量，才开始有少量壳聚糖溶解，这些早期溶解的壳聚糖，一般都是那些脱乙酰度高而相对分子质量低的；然后溶解速度越来越快，到最后，又慢下来，这是相对分子量高而脱乙酰度低的壳聚糖的溶解，如果脱乙酰度太低，则不能溶解。 加热和搅拌能促进壳聚糖溶解，但壳聚糖的糖苷键对酸不稳定，在壳聚糖溶解的同时也伴有少量的降解，温度越高，时间越长，酸浓度越大，搅拌越激烈，壳聚糖的降解越严重。故此，壳聚糖要现用现配。 1. 2壳聚糖的合成 壳聚糖（CS)是一种天然高分子，其基本结构如图1所示，甲壳素为碳水化合物中的含氮多糖，其分子链主要是由N-乙酰氨基葡萄糖单元组成的，同时含有少量的氨基葡萄糖单元，壳聚糖是甲壳素N-脱已酰基葡萄糖，其分子链主要是由氨基葡萄糖单元组成的，同时含有少量N-乙酰胺基葡萄糖。其化学名称为β-(1, 4)-2-氨基－2-脱氧－D-葡萄糖。 二、研究背景 地球上矿物质、石油和天然气等资源的储量有限，在未来几百年将有被耗尽的困境。近年来，诸多的因素引起人们极大的兴趣开始去关注并研究可再生资源。这些因素主要包括：（1)石油产品生产的化纤类物质降解速度缓慢，这势必造成对环境的污染；（2)石油价格的不断飙升以及今后石油资源匮乏的问题迫使人们去寻求新的能源；（3)科学技术的进步和发展，人类可以利用发展的技术来使可再生资源符合应用要求。 另外，可再生资源本身的特性也使对于可再生资源的研究大有可为： （1)可再生性，再生资源高分子来自于太阳能所产生的生物，因此取之不尽、用之不竭; 2)多样性，生物的多样 性导致了可再生资源高分子的多样性； （3)环境相容性，可再生天然高分子材料及其制品废弃后在土壤或潮湿环境中可被多种微生物降解，因此是环境友好材料，同时其降解产物回归大自然后形成自然界的良性循环，有利于环境保护； （4)多功能性，可再生资源高分子具有独特的结构及可修饰性，可制备不同功能的材料； （5)可加工性，可将其加工成膜状、纤维状、板材、棒材及疏散结构状； （6)价廉性。 基于天然可再生资源的上述特性以及合成高分子材料长期使用所带来的越来越严重的资源和环境问题，世界各国正在努力探索废弃后合成高分子材料制品的回收与再利用途径，同时也投入了大量的人力和财力致力于天然高分子改性的基础和应用研究，利用天然高分子生产环境友好的生物可降解材料。 甲壳素英文名称为chitin,由希腊文 chiton 演变而来，意思为“膜，外壳”。甲壳素是节肢动物外壳和真菌细胞壁的主要结构成分，为自然界中产量最大的三大多糖之一，其产量仅次于纤维素，而在淀粉之上；甲壳素又为地球上产量最大的含氮化合物，其量在蛋白质之上。因此，甲壳素在自然界中占有重要地位。壳聚糖是甲壳素脱去乙酰基形成的衍生物，是天然多糖中唯一的碱性多糖，也是少数具有电荷特性的天然产物之一，具有特殊的物理，化学和生理功能。 医疗敷料领域中，壳聚糖因其良好的生物相容性和生物可降解性，在医疗敷料领域有广泛的应用。研究表明，壳聚糖能够展示不同的医疗性质，包括促进伤口愈合和抗菌活性。在医疗敷料中，壳聚糖基水凝胶的应用以及壳聚糖敷料的形态优化和制备技术也在不断发展。 纳米药物递送载体中，壳聚糖在纳米药物递送载体领域的应用也取得了显著进展。壳聚糖作为药物载体，因其良好的生物黏附性能，能够实现药物的跨屏障递送，如血脑屏障，实现靶向给药。壳聚糖基复合物在分子质量、形状、粒径分布、包封率和载药量上均有所不同，根据不同的需要制备出的复合物在药物包封率、载药量及释放速率上也有所不同。食品工业在食品工业中，壳聚糖因其抗菌特性被用于食品包装。 近年来，纳米薄膜中包含壳聚糖聚合物的研究受到关注，这种薄膜能够显著降低水蒸气透过性，是生物聚合物创新的一个重要进展。环保领域：壳聚糖也被用于水处理和农业领域，如作为植物病害保护、伤口愈合和药物递送的有前途的应用。此外，壳聚糖的生产对环境的影响相对较小，被认为是一种环境友好型材料。 随着科技发展，作为新型的功能膜材料，壳聚糖以其来源丰富、成膜性好、良好的生物相容性及生物活性而成为当前研究开发热点。目前，壳聚糖及其改性膜的研究主要集中在渗透蒸发膜、超滤膜、纳滤膜、食品包装膜等领域。 因此，在污水处理，化妆品，食品饮料，医药卫生，日用化工，功能材料，农业生产，轻工，纺织等领域存在巨大的应用潜力，其中在功能材料领域的应用已成为目前研究的热点。 三、国内外研究现状 近十年来，壳聚糖一直是天然高分子研究的热点。壳聚糖（chitosan,CS)是自然界中仅次于纤维素的第二大生物多糖，是由氨基葡萄糖单元通过β(1→4)糖苷键连接而成的线性高分子聚合物，具有无毒、无味及良好的生物降解性、抗菌性、生物相容性、可再生性和成膜性等优点。 目前，壳聚糖及其改性膜的研究主要集中在超滤膜、反渗透膜、渗透蒸发膜、食品包装膜及医用膜等领域。近几年来，有不少关于对壳聚糖膜进行改性的报道。Ricardo M. P.da Silva 等研究了一种在壳聚糖膜表面接枝聚（N-异丙基丙烯酰胺），赋予了膜特殊温敏性能。Andrew C. A. Wan等发现在壳聚糖表面进行特定修饰后，膜仅易于特定细胞的粘附。 Da-Guang Yu等通过层层自组装的方法，将壳聚糖组装到聚乳酸基材上，有效改变了膜表面的亲水性、抗菌活性和血液相容性。 Sundararajan V. Madihally 等将壳聚糖和聚已酸内酯共混成膜，发现聚已酸内酯的加入，有效的提高了膜的力学性能。Shin-Shing Shyu 等通过干湿相分离法，制备了含有致密层和海绵状多孔层的壳聚糖不对称膜，此膜能满足伤口敷料的基本需求。但是，通过溶液共混法，在壳聚糖膜中引入感光性高聚物的研究则鲜见报道。 制备光交联壳聚糖－（PVA-SbQ)共混膜，用扫描电镜、X-射线衍射、傅立叶红外等对膜的结构进行表征，并对膜的力学性能、吸湿率、透光率、接触角、水蒸气透过率等性能进行研究。 有以壳聚糖（CS)为基材，紫番茄花青素（PTA)为添加剂，采用混合 溶液的方法，制备了一种CS/PTA复合膜。也有通过将壳聚糖（CS)和纳米氧化锌（ZP)与紫番茄花青素（PTA)混合制备 CS/PTA/ZP薄膜。CS/PTA和CS/PTA/ZP薄膜在猪肉包装上的应用。 以鲜玫瑰香葡萄为原料，探讨壳聚糖与不同浓度的山梨酸钾复合涂膜处理对其贮藏品质的影响。采用1%壳聚糖溶液分别与0. 2%、0. 3%和0. 4%山梨酸钾溶液复配制成复合膜处理葡萄果实，定期测定其生理生化指标（腐烂率、落粒率、失重率、硬度、可溶性固形物含量、可滴定酸含量、相对电导率、丙二醛、过氧化物酶）。 近年来，基于壳聚糖的膜分离技术迅速发展，因其具有成本低、易生产、比表面积大、活性吸附位点多、可循环利用等优势。 现有人使用絮凝澄清法、吸附法、膜分离法利用壳聚糖去除水体中污染物方法。 四、总结 壳聚糖是一种天然高分子聚合物，具有多种独特的性质和广泛的应用。壳聚糖是由甲壳素经过脱乙酰化反应制得的，是一种白色无定型、半透明、略有珍珠光泽的固体。它不溶于水、丙酮和碱溶液，但可溶于稀酸。壳聚糖分子上含有大量的亲水基团氨基和疏水基团乙酰基，使其在酸性体系中表现出两性分子的特性，可以作为乳化剂使用。N-脱乙酰度和黏度是壳聚糖的两项主要性能指标，影响其应用效果。在医药应用方面可作为药物的缓控释材料、抗癌药物的递送载体、固体制剂的稀释剂、眼部药物的输送载体、基因递送的转染载体以及人体植入载体、人造组织及器官。壳聚糖有助于降低胆固醇和抑制细菌活性，并且可以预防和控制高血压。在食品工业中壳聚糖被用作增稠剂、乳化剂、果汁澄清剂、酶的固定化载体和功能性食品添加剂。它具有防腐保鲜、抗菌和作为果汁澄清剂的功能。 壳聚糖的成膜性能使其可以用于食品包装，作为蔬菜、水果、谷物和鱼类的抗菌涂层。此外，壳聚糖还可以作为微胶囊壁材，提高食品的附加值和扩大应用范围最新的研究发现壳聚糖及其衍生物在生物医药领域有广泛的应用研究进展，包括作为抗凝血材料和抗癌药物载体。 此外，壳聚糖的药理作用和临床应用也在不断发展中。综上所述，壳聚糖因其独特的物理化学性质和生物活性，在医药、食品、环保等多个领域展现出广泛的应用潜力。随着研究的深入，壳聚糖的应用领域和应用形式将继续扩展。