壳聚糖季铵盐及其衍生物的应用研究进展

1 前言

甲壳素是世界上第二大来源丰富的天然多糖，一般存在于甲壳动物、昆虫、软体动物器官和真菌中，是由β-(1→4)-2-乙酰氨基-2-脱氧-D-葡萄糖(GlcNAc)作为重复单元聚合而成。壳聚糖由甲壳素转化而来，是GlcNAc与β-(1→4)-2-氨基-2-脱氧-D-葡萄糖(GlcN)的共聚物，其中GlcN的含量超过50%[1]。甲壳素在碱性条件下水解得到壳聚糖，然而，大多数壳聚糖不是完全乙酰化，因此，经常用乙酰化程度(DDA)来表示壳聚糖。

甲壳素和壳聚糖具有无毒、可生物相容和可生物降解等特点，引起了人们的广泛关注。但由于甲壳素不溶于水和大部分有机溶剂、壳聚糖仅溶于稀的有机酸，甲壳素和壳聚糖的应用受到了很大限制。为了提高壳聚糖的溶解度并改善其理化及生物学特性，以扩大其应用范围，有必要对壳聚糖进行化学修饰[2]。由于存在可反应的羟基和氨基，壳聚糖容易进行如季铵化(图1)、酰基化、羧基化、醚化等化学修饰。壳聚糖季铵盐及其衍生物是壳聚糖经化学修饰后的产物，使壳聚糖季铵化的化学试剂有碘甲烷、缩水甘油醚三甲基酰氯及其它季铵化因子等。作者在此综述了壳聚糖季铵盐及其衍生物的应用前景。

图1 壳聚糖的季铵化反应

2 壳聚糖季铵盐及其衍生物的应用

2.1 抗菌活性

壳聚糖显示出优良抗菌性能。迄今为止，壳聚糖及其衍生物的抗菌机制仍存在争议，最可行的机制是：壳聚糖骨架所带正电荷与微生物细胞膜所带负电荷之间的静电作用破坏了细胞膜，从而导致蛋白质及细胞其它成分的泄漏。这一现象可以用扫描电子显微镜观察到[3]。但是，壳聚糖仅在酸性介质中表现出抗菌活性，而在其它pH值条件下溶解性差。将季铵基引入到壳聚糖骨架中，可以改善其在水中的溶解度，壳聚糖季铵盐衍生物是一种可以在生理条件下被吸收的新型壳聚糖衍生物。

李淑荣[4]探索了一种含季铵离子的壳聚糖接枝共聚物(Chitosan-g-DMAE-BC)的抗菌机理。结果发现,壳聚糖季铵盐衍生物作用于大肠杆菌和金黄色葡萄球菌15 min,杀菌率分别为99.70%和87.40%，表明壳聚糖季铵盐衍生物有较强的灭菌作用。

Kim等[5]发现壳聚糖季铵盐衍生物中烷基取代基链越长，其抗菌活性越强。另外，壳聚糖季铵盐衍生物在酸性介质中的抗菌活性强于在水中的活性，且抗菌活性随酸浓度的增大而提高。在醋酸溶液中，N-(3-吡啶甲基)壳聚糖浓度为最大有效浓度(EC50)的一半，即分别为2.18 mg·mL-1、0.80 mg·mL-1和2.23 mg·mL-1时，对土传病原真菌、稻瘟病菌、腐霉和枯萎病显示出杀菌活性[6]。当N-(3-吡啶甲基)壳聚糖用量为3 mg·g-1时，对棉花叶虫、斜纹夜蛾幼虫显示出生长抑制作用和拒食作用。由此可见，与壳聚糖相比，N-(3-吡啶甲基)壳聚糖具有较高的杀菌、杀虫活性。

Kumar等[7]研究发现，在醋酸溶液中，壳聚糖席夫碱、壳聚糖-4-吡啶衍生物和壳聚糖-2,6-吡啶衍生物对大肠杆菌(ATCC 9637)、铜绿假单胞菌(ATCCBAA 427)、金黄色葡萄球菌(ATCC 25923)、肺炎克雷伯菌(ATCC 7736)、白色念珠菌、隐球菌、申克孢子丝菌、毛癣菌、烟曲霉和近平滑念珠菌(ATCC 22019)显示出抗细菌和抗真菌活性，它的最低抑菌浓度(MIC50)≥50 μg·mL-1。

Sajomsang等[8]指出，在水中，季铵化N-(4-吡啶甲基)壳聚糖氯化物(QPyMeC)对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的MIC90为64～128 μg·mL-1。

2.2 基因运载

基因治疗是将治疗基因插入到个体的细胞或组织中以取代有缺陷的、因疾病丢失的或未表达的基因。一般来说，基因运载有两种方式：病毒运载和非病毒运载。

非病毒运载因其安全性好而在基因治疗领域赢得了广泛的关注。壳聚糖季铵盐作为一种新型生物材料,具有作为基因载体的潜质，已报道的有：含不同芳基的季铵化壳聚糖(TMC)[9]、壳聚糖N-内铵盐[10]、季铵化N-(4-N，N-二甲基氨基苄基)壳聚糖氯化物(QDMBzC)[11]及脱氧胆酸共轭壳聚糖寡糖[12]等。目前，研究人员正致力于高转染效率的壳聚糖衍生物的研究。

钟婧等[13]研究发现，壳聚糖季铵盐纳米粒能转入人胚肾T细胞，虽然转染效率略逊于聚乙烯亚胺，但是细胞毒性明显小于聚乙烯亚胺。壳聚糖季铵盐纳米粒转染细胞72 h后效率较高，经综合分析，pcDNA质量为2 μg、壳聚糖季铵盐和pcDNA以质量比5∶1结合形成的纳米粒，在无血清条件下对人胚肾T细胞进行转染，转染效率最高。

Sajomsang等[14]研究聚合物的结构在不同季铵化壳聚糖的基因转染中的作用，这些壳聚糖季铵盐包括TMC、季铵化N-(4-N，N-二甲基氨基苯丙烯盐基)氯化壳聚糖(QDMCMC)、QDMBzC和QPyMeC。他们发现，这几种季铵化壳聚糖对Huh7细胞的基因转染效率由高到低依次为：QPyMeC>QDMBzC>TMC>QDMCMC。这可能是因为，与其它壳聚糖季铵盐衍生物相比，吡啶上的正电荷能通过共振效应去定域化，从而加强与DNA的凝聚作用。

2.3 给药系统

粘膜粘附给药系统是壳聚糖季铵盐在生物医学领域中的重要应用之一。粘膜粘附给药系统能延长药物在作用位点或吸收位点的停留时间，有助于药物与主要吸收部位表面的充分接触，从而改进药性并提高药效。

孙多先等[15]以N-羟丙基三甲基季铵化壳聚糖(HTCC)处理了中药材红花的水提液,发现当其浓度为0.05～0.25 g·L-1时,浊度去除率在95%以上,而药液的指标成分红花黄色素的保留率则在76%以上,这说明HTCC能有效除去药液中的杂质而保留其有效成分。

Sajomsang等[11]用粘蛋白粒子法研究了季铵化N-(4-吡啶甲基)壳聚糖的粘膜粘附作用。他们假设，如果一个聚合物具有粘附特性，那么粘液颗粒表面的物质能改变聚合物的附着力。在搅拌之前，粘液粒子的泽塔潜力值是一个负值；通过增加季铵化N-(4-吡啶甲基)壳聚糖的量，粘液颗粒的泽塔潜力值逐渐增大，由负值变为正值；当粘液的泽塔潜力值超过临界值(约为10 mV)时，就会发生聚集。季铵化N-(4-吡啶甲基)壳聚糖的浓度越高，泽塔潜力值的变化越大。

Kumar等[7]研究了壳聚糖希夫碱的流变学特性，壳聚糖希夫碱由壳聚糖与4-吡啶或2,6-吡啶在室温下发生凝胶反应得到。他们发现，在剪切速率为0～20 000 s-1范围内，粘度随着剪切速率加快而迅速降低，这种效应被称为剪切变稀效应。随着扫描频率的增大，储能模量(G′)和损耗模量(G″)都急剧增加，结果伴随着壳聚糖4-吡啶或2,6-吡啶衍生物活性的改变。

2.4 抗凝血材料

抗凝血材料的开发是研制各种与血液相接触的人工器官所迫切需要解决的问题。改善材料的血液相容性有两条基本策略，其一是合成对血液完全呈惰性的新材料；其二是对现有机械性能较好、适用范围较广的生物材料进行表面修饰以提高其抗凝血性能，而后者更具实用价值。

屠美等[16]在酸性条件下向壳聚糖季铵盐中加入肝素钠，以戊二醛作固定剂，然后与壳聚糖搅拌均匀，流延成膜。该复合膜对兔子无毒、无刺激，具有良好的生物相容性、组织相容性和抗凝血性能。

2.5 传感器

研究发现，加入硅烷和戊二醛，可将N-(2-吡啶亚甲基烷氧基)壳聚糖修饰成电极分离的压电石英晶体，该电极适用于酸性、中性甚至碱性条件。在含乙二胺四乙酸(EDTA)的氯化铵缓冲溶液中，可以选择性地将银(I)离子从诸多共存的金属离子中吸附出来。在银(I)浓度为10～8 nmol·L-1范围内，由银(I)吸附引起的频率波动与银(I)浓度成比例。这种方法操作简便且具有较高的灵敏度和选择性[17]。

Rodrigues等[18]制备了一种二价离子和N-(4-吡啶基亚甲基)壳聚糖形成的配合物并研究了其特点，发现此配合物可应用于传感器和电化学生物传感器领域。

2.6 金属离子吸附及废水处理

壳聚糖是一种吸附材料，这是由于其骨架上的伯氨基能作为金属离子的结合位点。壳聚糖经季铵化，不仅能避免其在酸性介质(pH<2)中溶解，还能增强吸附能力。相比壳聚糖而言，N-(2-吡啶甲基)壳聚糖能选择性吸附一些过渡金属离子。

Rodrigues等[19]研究了N-(2-吡啶甲基)壳聚糖和N-(4-吡啶甲基)壳聚糖与铜(Ⅱ)形成配合物的选择性螯合能力。结果表明，N-(2-吡啶甲基)壳聚糖的吸附能力约是N-(4-吡啶甲基)壳聚糖的2.5倍。

Hu等[20]将叉乙二胺合钴(CoSalen)固定于N-(4-吡啶乙胺)壳聚糖上，用作氧气氧化3,4-二羟基苯丙氨酸多巴的催化剂。他们发现，N-(4-吡啶亚甲基)壳聚糖与钴形成的配合物的催化效率比其它物质都高。

Dhakal等[21]合成了N-(2-吡啶甲基)壳聚糖，然后络合镍(Ⅱ)和铜(Ⅱ)印迹其几何平面，再交联2-氯环氧乙烷，他们发现，相比其它壳聚糖，N-(2-吡啶甲基)壳聚糖吸附金属离子所要求的pH值要低得多，并且还能增强印迹材料平整度的识别性能，能从金属离子混合物中选择性吸附钯(Ⅱ)、金(Ⅲ)、铜(Ⅱ)和镍(Ⅱ)。

黄瑞华等[22]制备了季铵化壳聚糖/PAN复合纳滤膜，该复合膜对不同类型的无机盐呈现不同的截留规律，尤其对钙、镁高价阳离子有很高的截留率，可用于脱钙、脱镁及硬水的软化。

研究表明，对壳聚糖进行季铵化改性，得到的壳聚糖季铵盐絮凝性能优于壳聚糖，是一种具有良好反应活性的高分子絮凝剂，这是因为季铵化能提高壳聚糖的正电性和阳离子强度，pH值适用范围广。

肖玲等[23]对壳聚糖季铵盐进一步改良，将其适当交联，与常用的低成本聚合铝进行复配，发现壳聚糖季铵盐絮凝效果与取代度有关，取代度在85%时絮凝效果较好。用复合絮凝剂对造纸废水和味精废水进行处理，浊度去除率高达95%，COD去除率达38%。复合絮凝剂具有好的除浊效果，投药量低，pH值适用范围广，在达到良好的除浊效果的同时还降低了残留铝的浓度，减少了对人和环境的危害。

3 结语

目前，壳聚糖季铵盐及其衍生物已经在许多领域中被广泛应用，这是因为它们较原始壳聚糖具有以下优势：第一，水溶性有较宽的pH值范围，如中性、酸性甚至碱性，此特性一方面拓展了其作为药物载体的适用范围，另一方面作为抗菌创伤材料的抗菌性和吸水性也得到提高；第二，聚合物骨架上存在强正电荷，使壳聚糖季铵盐复合物不仅可以作为基因载体、抗菌、抗凝血、水处理等材料，而且由于季铵基比氨基具有更强的静电吸引力，使其在吸附负电荷药物或基因时表现出更高的载药量，废水处理应用的耐久性、絮凝效果也更好；第三，温度、pH值响应性好，且药物突释量比壳聚糖复合物小，可作靶向给药或长期给药载体。现在，研究人员已提出各种壳聚糖季铵盐及其衍生物的合成路线，并尝试合成一系列生物学特性改良的壳聚糖季铵盐衍生物以应用于特殊领域。

参考文献：

[1] Muzzarelli R A A.Chitin[M].Oxford:Pergamon Press.1997：56-68.

[2] Mourya V K,Inamdar Nazma N.Chitosan-modifications and applications:Opportunities galore[J].Reactive and Functional Polymers,2008,68(6):1013-1051.

[3] Chung Y C,Chen C Y.Antibacterial characteristics and activity of acid-soluble chitosan[J].Bioresource Technology,2008,99(8):2806-2814.

[4] 李淑荣.壳聚糖季铵盐衍生物抗菌机理的初步研究[J].信阳师范学院学报,2008,21(4)：509-511.

[5] Kim C H,Choi K S.Synthesis and antibacterial activity of quaternized chitosan derivatives having different methylene spacers[J].Journal of Industrial and Engineering Chemistry,2002,8(1):71-76.

[6] Badawy M E.Chemical modification of chitosan:Synthesis and biological activity of new heterocyclic chitosan derivatives[J].Polymer International,2008,57(2):254-261.

[7] Kumar S,Dutta J,Dutta P K.Preparation and characterization ofN-heterocyclic chitosan derivative based gels for biomedical applications[J].International Journal of Biological Macromolecules,2009,45(4):330-337.

[8] Sajomsang W,Tantayanon S,Tangpasuthadol V H.Synthesis of methylated chitosan containing aromatic moieties:Chemoselectivity and effect on molecular weight[J].Carbohydrate Polymers,2008,72(4):740-750.

[9] Thanou M,Florea B I,Geldof M,et al.Quaternized chitosan oligomers as novel gene delivery vectors in epithelial cell lines[J].Biomaterials,2002,23(1):153-159.

[10] Rojanarata T,Petchsangsai M,Opanasopit P,et al.MethylatedN-(4-N,N-dimethylaminobenzyl) chitosan for novel effective gene carriers[J].European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics,2008,70(1):207-214.

[11] Sajomsang W,Gonil P,Saesoo S.Synthesis and antibacterial activity of methylatedN-(4-N,N-dimethylaminocinnamyl) chitosan chloride[J].European Polymer Journal,2009,45(8):2319-2328.

[12] Sajomsang W,Ruktanonchai U,Gonil P,et al.MethylatedN-aryl chitosan derivative/DNA complex nanoparticles for gene delivery:Synthesis and structure-activity relationships[J].Carbohydrate Polymers,2009,78(4):743-752.

[13] 钟婧,何卓晶,陶薇,等.壳聚糖季铵盐作为基因递送载体的初步研究[J].中国组织工程研究与临床康复,2009,13(12)：2373-2377.

[14] Sajomsang W,Rungsardthong Ruktanonchai U,Gonil P,et al.Mucoadhesive property and biocompatibility of methylatedN-aryl chitosan derivatives[J].Carbohydrate Polymers,2009,78(4):945-952.

[15] 孙多先,徐正义,张晓行.季铵盐改性壳聚糖的制备及其对红花提取液的澄清效果[J].石油化工,2003,32(10):892-895.

[16] 屠美,崔莹,周长忍,等．肝素化壳聚糖季铵盐/壳聚糖复合膜抗凝血性能的研究[J].功能高分子学报,1997,10(3)：329-332.

[17] Bao S,Nomura T.Silver-selective sensor using an electrode-separated piezoelectric quartz crystal modified with a chitosan derivative[J].Analytical Sciences,2002,18(8):881-885.

[18] Rodrigues C A,Laranjeira M C M,Stadler E,et al.Preparation and characterization of the pentacyanoferrate(Ⅱ) on the surface ofN-(4-pyridilmethylidene)chitosan[J].Carbohydrate Polymers,2000,42(3):311-314.

[19] Rodrigues C A,Laranjeira M C M,de Favere V T,et al.Interaction of Cu (Ⅱ) onN-(2-pyridylmethyl) andN-(4-pyridylmethyl) chitosan[J].Polymer,1998,39(21):5121-5126.

[20] Hu D,Cui Y L,Dong X L,et al.Studies on CoSalen immobilized ontoN-(4-pyridylmethylidene) chitosan[J].Reactive and Functional Polymers,2001,48(1-3):201-207.

[21] Dhakal R P,Oshima T,Baba Y.Planarity-recognition enhancement ofN-(2-pyridylmethyl)chitosan by imprinting planar metal ions[J].Reactive and Functional Polymers,2008,68(11):1549-1556.

[22] 黄瑞华,陈国华,王娟.新型季铵化壳聚糖/聚丙烯腈(PAN)复合纳滤膜的制备及其截留性能研究[J].现代化工,2006,26(S1)：204-208．

[23] 肖玲,张婧．交联壳聚糖季铵盐与聚合铝复合的絮凝效果研究[J]．环境科学与技术,2006,29(10)：34-36．