殼聚糖是一種來(lái)自甲殼素的線(xiàn)性的、半結晶態(tài)的天然多糖，主要存在于甲殼類(lèi)動(dòng)物和真菌的細胞壁中，其結構如下圖所示。殼聚糖不溶于水和大多數有機溶劑，但可溶于稀酸中，使質(zhì)子化的氨基變成多元陽(yáng)離子，能與各種各樣的天然或合成的陰離子或聚合物形成離子復合物，如 DNA、蛋白質(zhì)、脂類(lèi)、聚丙烯酸等。殼聚糖具有優(yōu)異的生物學(xué)特性，包括良好的生物安全性、黏膜黏附性、血液相容性、生物降解性等，并具有抗氧化劑和抗菌特性。在生物醫學(xué)領(lǐng)域，殼聚糖最初作為一種止血敷料進(jìn)入臨床研究中，近年來(lái)，基于殼聚糖出色的載藥性能和優(yōu)良的骨傳導性，越來(lái)越多的研究人員將殼聚糖用于構建藥物遞送系統和組織工程支架。此外，通過(guò)對殼聚糖進(jìn)行化學(xué)修飾引入功能基團形成殼聚糖衍生物，可以進(jìn)一步改善其某方面的特性以達到研究需求。常見(jiàn)的殼聚糖衍生物包括?；瘹ぞ厶?、羧基化殼聚糖、烷基化殼聚糖、季銨化殼聚糖等。
殼聚糖分子結構(來(lái)源參考文獻[2])
殼聚糖的常見(jiàn)衍生物
1、?；瘹ぞ厶茄苌?/strong>
殼聚糖的氨基和羥基可與多種有機酸或酸酐、酰氯等發(fā)生反應生成?；瘹ぞ厶茄苌?，引入的基團可削弱殼聚糖的分子內和分子間氫鍵，使衍生物的水溶性提高。?；瘹ぞ厶菓梅秶^廣，高溶解度的?；瘹ぞ厶强勺鳛樗幬镞f送載體，而高結晶度?；瘹ぞ厶莿t具有良好的加工性，可增強纖維的韌性。
2、羧基化殼聚糖衍生物
殼聚糖的羧化主要通過(guò)乙醛酸與殼聚糖的-OH 或-NH2 基團反應實(shí)現，羧化殼聚糖衍生物有-COOH 和-NH2 兩親性基團，在酸性條件下中氨基質(zhì)子化使羧甲基殼聚糖帶正電荷；在堿性條件下中，羧基電離使羧甲基殼聚糖帶負電荷，其水溶性主要受到取代度的影響。羧基化殼聚糖衍生物的黏膜黏附性強，常被作為黏膜藥物遞送載體，在腸道、鼻黏膜和口腔遞送方面均有廣泛應用。
3、烷基化殼聚糖衍生物
殼聚糖主要通過(guò)氨基發(fā)生烷基化反應，生成N-烷基化衍生物，羥基也可參與烷基化，產(chǎn)生O-烷基化衍生物，與殼聚糖相比，烷基化的殼聚糖分子內氫鍵顯著(zhù)弱化，水溶性有所增加，引入的長(cháng)鏈烷基具有疏水性，因此可以通過(guò)調整引入的烷基來(lái)控制烷基化殼聚糖衍生物的水溶性。烷基化殼聚糖衍生物與殼聚糖相比有更理想的凝血效果和生物相容性，其止血特性受到烷基鏈長(cháng)度的影響，可作為理想的止血材料。
4、季銨化殼聚糖衍生物
季銨化殼聚糖通常是由殼聚糖直接 N 取代或與季環(huán)氧化物反應產(chǎn)生的富有正電荷的陽(yáng)離子聚合物，季環(huán)氧化物所攜帶的烷基基團可使形成的季銨化殼聚糖具有不同的親水/疏水特性，常見(jiàn)的季銨化殼聚糖有N,N,N-三甲基殼聚糖、N,N,N-三甲基O-(2-羥基-3-三甲基銨丙基)殼聚糖、N-2-羥丙基二甲基乙基氯化銨殼聚糖等。季銨化引入了大量正電荷增加了衍生物親水性，使得季銨化殼聚糖在中性和堿性溶液中的溶解性大幅提升，因此季銨化殼聚糖具有比未修飾殼聚糖更廣泛的應用范圍和更有效的抗菌性能。
殼聚糖的生物學(xué)性能及其應用
1、殼聚糖及其衍生物的抗菌性能及應用
殼聚糖對細菌和真菌具有廣泛的抗菌活性，其抗菌作用主要在細胞膜表面實(shí)現，也可因微生物種類(lèi)和殼聚糖分子量的不同引發(fā)細胞內的抗菌效應。它的抗菌效果受到脫乙酰度、分子量、pH、濃度等多種因素的影響，此外，殼聚糖對不同菌株的抗菌效果也不盡相同，其對大腸桿菌的抗菌性能優(yōu)于無(wú)害李斯特氏菌和金黃色葡萄球菌。目前關(guān)于殼聚糖抗菌機制有以下推論：①作為螯合劑，選擇性地結合金屬離子，抑制微量元素和營(yíng)養素的吸收，從而抑制毒素的產(chǎn)生和微生物的生長(cháng)；②活化結合細胞壁成分，使細菌因細胞壁分解而死亡；③所帶正電荷能與帶負電荷的微生物細胞膜相互作用，導致細菌生物膜破裂，引發(fā)蛋白質(zhì)等細胞成分外泄，導致細菌死亡；④進(jìn)入微生物細胞核中與 DNA 相結合，干擾和抑制蛋白質(zhì)的合成。
中性或堿性殼聚糖懸浮液抑菌活性低于酸性殼聚糖溶液，殼聚糖的最 佳抑菌pH為6. 0，且隨殼聚糖脫乙?；潭鹊脑黾佣龃?。與低分子殼聚糖一樣，高分子殼聚糖的抑菌活性也是由其分子側鏈在酸性溶液中氨基質(zhì)子化和陽(yáng)離子化而產(chǎn)生的，其長(cháng)分子鏈有利于包覆和結合細菌，間接提高了抗菌活性，細菌首先被殼聚糖抑制，然后細胞壁逐漸斷裂和分解，導致細胞死亡。殼聚糖中的電荷密度也是影響抗菌活性的關(guān)鍵因素，這和殼聚糖與細菌細胞膜脂質(zhì)雙層電荷表面的強靜電作用有關(guān)。殼聚糖及其衍生物抗菌活性好，被廣泛應用于制備抗菌材料、組織工程材料等。殼聚糖及其衍生物因其抗菌活性也被制備為各種制劑如納米粒、薄膜、水凝膠、復合敷料等。關(guān)于殼聚糖抑菌劑的研究較多，但大多停留在實(shí)驗室階段，實(shí)際應用還有待進(jìn)一步研究。
2、殼聚糖及其衍生物的載藥性能及應用
殼聚糖可以被加工為薄膜、水凝膠、纖維、微球、納米顆粒等多種形式，并且具有獨特的黏膜黏附和滲透增強性，這些特性使殼聚糖成為一種理想的藥物遞送物質(zhì)。近年來(lái)殼聚糖自組裝納米顆粒作為一種更為先進(jìn)的遞送系統備受青睞，殼聚糖具有自組裝性能，并且在生物相容性、降解性、安全性等方面優(yōu)于目前常見(jiàn)的納米顆粒遞送系統。研究發(fā)現這種遞送系統經(jīng)口腔、黏膜、皮膚等多種給藥途徑均獲得了較為理想的遞送效果。
殼聚糖具有抑菌作用、殺菌作用、止血性、抗潰瘍、抗炎、抗氧化、抗糖尿病和神經(jīng)保護作用，其結構與膠原相似，可用于模擬細胞外基質(zhì)。以殼聚糖為基礎的藥物遞送系統，可用于蛋白質(zhì)/肽、生長(cháng)因子、抗炎藥、抗生素、抗癌藥物、**等的傳遞，也可用于基因治療。殼聚糖的一個(gè)重要特點(diǎn)是其黏附力強，原因是聚合物鏈上帶正電荷的氨基與富含唾液酸和磺酸的帶負電荷的黏蛋白殘基之間的靜電相互作用。殼聚糖基納米載體具有體積小、比表面積大、黏附性能好等優(yōu)點(diǎn)，能促進(jìn)藥物進(jìn)入細胞，增強藥物穩定性，實(shí)現藥物的控釋、緩釋或降低藥物的細胞**。殼聚糖無(wú)論是單用還是作為復合材料使用，均適合于制備不同類(lèi)型的載藥制劑，如納米粒、水凝膠、復合材料、微球、創(chuàng )面材料等。此外，殼聚糖基藥物載體有緩釋控釋作用，間接提高了藥效，同時(shí)還具有靶向性及提高黏附能力的特性。
3、殼聚糖及其衍生物的再礦化性能及應用
殼聚糖具有調節脫礦和再礦化平衡，減少鈣磷等礦物質(zhì)流失并抑制脫礦的功能。它不僅可以通過(guò)靜電作用吸附在硬組織表面形成擴散屏障來(lái)減少礦物質(zhì)流失，還能結合酸性環(huán)境中的氫離子，抑制 pH 值下降，減少其對硬組織的腐蝕；同時(shí)，殼聚糖分子中的氨基能與鈣離子發(fā)生化學(xué)結合，聚集和攜帶無(wú)定型鈣擴散進(jìn)入深層脫礦病損中，并誘導無(wú)定型磷酸鈣向羥基磷灰石轉化。目前，基于殼聚糖的載體性能和再礦化作用，聯(lián)合殼聚糖和再礦化藥物開(kāi)發(fā)新型的促礦化藥物是再礦化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
4、殼聚糖及其衍生物的骨再生性能及其作為組織工程材料的應用
殼聚糖基于其良好的生物相容性和骨傳導性，作為一種優(yōu)良的支架材料被廣泛應用于骨組織工程中。一方面，殼聚糖可與其他材料聯(lián)合制成殼聚糖復合支架材料，改善其機械性能，同時(shí)在復合支架中摻入生物活性分子可加速骨再生并增強體內新血管形成。另一方面，殼聚糖及其復合材料可以作為處理骨種植體和合成支架的表面改性劑，以增強生物活性，提高成骨潛力。此外，殼聚糖還能解聚釋放殼聚糖單體，通過(guò) mRNA水平的信號轉導激活絲裂原活化蛋白激酶 (Mitogen-activated protein kinase，MAPK) 級聯(lián)反應，活化成骨細胞。
殼聚糖基材料不僅具有良好的生物相容性和生物可降解性，還具有能形成不同結構、與多種生物活性材料結合等優(yōu)異性能，是理想的生物活性材料。目前殼聚糖基組織工程材料主要應用于軟骨組織工程、骨組織工程、椎間盤(pán)組織工程、血管組織工程、角膜再生、皮膚組織工程、牙周組織工程等。殼聚糖基組織工程材料在皮膚、血管、角膜、骨等組織和器官中的應用，預示著(zhù)其在修復、固定和再生方面的應用前景。
參考文獻
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作者簡(jiǎn)介：小泥沙，食品科技工作者，現就職于國內某大型藥物研發(fā)公司，從事?tīng)I養食品及功能性食品的開(kāi)發(fā)與研究。
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