王丹+單小紅+郜建銳

摘要：本文對純殼聚糖，殼聚糖與人工合成材料的混合物、與其它天然生物材料的混合物，以及殼聚糖衍生物等靜電紡納米纖維的制備方法和技術(shù)特點(diǎn)等進(jìn)行了介紹。

關(guān)鍵詞：純殼聚糖；人工合成材料；天然生物材料；殼聚糖衍生物；靜電紡

中圖分類號：TQ341 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Development of Chitosan Nanofiber Made by Electrospinning

Abstract： Preparation methods and technology characteristics of electrospinning of pure chitosan nanofiber， blended chitosan/synthetic materials nanofiber or chitosan/other natural biomaterials nanofiber， as well as chitosan derivative nanofiber， were introduced in this article.

Key words： pure chitosan； synthetic materials； natural biomaterials； chitosan derivative； electrospinning

殼聚糖是自然界中甲殼素脫乙?；蟮漠a(chǎn)物，具有優(yōu)異的性能，如親水性、生物相容性、生物可降解性、抗菌、無毒、抗凝血性能等，在生物醫(yī)學(xué)方向應(yīng)用廣泛。而靜電紡被認(rèn)為是一種有效的制備微納米纖維的方法。本文主要從 4 個(gè)方面對部分殼聚糖納米纖維的制備進(jìn)行描述。

1 純殼聚糖靜電紡絲

殼聚糖由于其氨基的質(zhì)子化作用使其可溶于大多數(shù)的酸，又因其黏度較大，在靜電紡高壓作用下，聚合物內(nèi)部離子基團(tuán)的排斥力增加，聚合物難以從針頭處噴射出來，且因其大的黏度容易堵塞針頭，限制了純殼聚糖的靜電紡絲。

Ohkawa等以三氟乙酸（TFA）為溶劑，殼聚糖分子量為21萬，脫乙酰度78%。當(dāng)殼聚糖的濃度低于6%時(shí)，掃描電鏡下觀察纖維和珠狀物共存；當(dāng)殼聚糖濃度為7%時(shí)，主要以纖維為主，串珠大大減少，當(dāng)殼聚糖濃度為8%時(shí)，掃描電鏡下觀察纖維為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，但仍有少量串珠，纖維平均直徑為490 nm。TFA為溶劑的殼聚糖溶液能成功紡成纖維是因?yàn)槠淦茐牧藲ぞ厶欠肿又g的氫鍵，使純殼聚糖紡絲變得容易。Sangsanoh等用TFA和二氯甲烷（DCM）以70︰30（V/V）的比例為溶劑，二氯甲烷的加入提高了殼聚糖靜電紡纖維的均勻性，得到了無珠狀的均勻纖維，在最佳條件下，纖維平均直徑為（160±20）nm。

除TFA外，另一種有效的有機(jī)溶劑是濃乙酸。Cheng等研究了不同濃度乙酸為溶劑時(shí)的殼聚糖靜電紡絲。隨著乙酸的濃度增加，掃描電鏡下觀察接收物由珠狀逐漸變成纖維狀。當(dāng)乙酸的濃度高于50%時(shí)，纖維和珠狀物并存，當(dāng)乙酸的濃度增大到90%時(shí)，可得到無珠狀的納米纖維，此時(shí)溶液的表面張力為30.76 mN/m。這是因?yàn)闅ぞ厶侨芤旱谋砻鎻埩﹄S著乙酸濃度的增大而減少，電壓更容易克服溶液的表面張力而獲得連續(xù)的纖維。纖維的平均直徑隨著溶液濃度的增大而減小。Gu等研究了超聲處理對殼聚糖溶液靜電紡絲的影響。結(jié)果表明：超聲處理時(shí)間的長短可以改變靜電紡殼聚糖納米纖維的孔徑大小和膜的厚度，最佳條件下得到的殼聚糖納米纖維能夠獲得更大的孔隙率，吸水時(shí)間也從原來的110 s減少到 9 s，大大增加了殼聚糖纖維的親水性。

相關(guān)研究表明，在靜電紡過程中，溶液黏度對纖維的直徑和形貌起到?jīng)Q定性作用。當(dāng)溶液黏度很低時(shí)，紡絲時(shí)大多形成串珠或液滴，無法形成連續(xù)的纖維；而當(dāng)溶液黏度過高時(shí)，溶液因高壓電流作用被擠出針頭后很難形成泰勒錐，甚至很容易堵塞針頭，給紡絲過程帶來極大的不便。另外，溶劑的濃度對實(shí)驗(yàn)過程也有很大影響。當(dāng)溶劑濃度過低時(shí)，溶液的黏度較低但表面張力過高，增加了紡絲難度；而當(dāng)溶劑濃度過高時(shí)，殼聚糖很難溶解充分，這樣不僅影響紡絲液的穩(wěn)定性，還會影響纖維的質(zhì)量。因此，制備好的紡絲液是紡制品質(zhì)良好的纖維的前提條件。

2 殼聚糖與人工合成材料的混合物靜電紡

2.1 殼聚糖與聚氧乙烯（PEO）混紡

人工合成材料靜電紡絲時(shí)容易出現(xiàn)珠狀物等問題，通?？梢杂眉尤臌}、離子表面活性劑、聚電解質(zhì)或超聲處理等方法來克服。殼聚糖與人工合成材料的混紡可以提高纖維的生物相容性、生物可降解性能及抗菌性等。

Mehdi等將脫乙酰度為97.5的殼聚糖（80 ～ 90 kDa）和PEO（600 kDa）混合，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的乙酸溶液為溶劑，殼聚糖在殼聚糖/PEO混合溶液濃度為4%的情況下，通過靜電紡絲可制成平均直徑為60 ～ 120 nm的纖維?；旌先芤褐袣ぞ厶堑臐舛扔?0%增至90%時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著混合溶液中殼聚糖濃度的增加，纖維的直徑由123 nm減小到63 nm。Su等分別在脫乙酰度為90%的殼聚糖（50 kDa）和PEO（700 kDa）為溶質(zhì)、乙酸為溶劑的溶液中加入濃度不同的單價(jià)、二價(jià)或三價(jià)金屬離子，鈣離子和鐵離子的加入減小了纖維的直徑和串珠的數(shù)量，這是由于發(fā)生在質(zhì)子化殼聚糖與金屬離子分子及分子內(nèi)的交聯(lián)，鈣離子和鐵離子盡可能均勻分布在纖維里面。然而鈉離子和鉀離子的加入使纖維中含有堿性金屬離子，傅里葉紅外光譜和流變測試表明金屬離子破壞了分子間的氫鍵且溶液的黏度降低了45% ～ 60%，這些結(jié)果證實(shí)堿性金屬離子在水和乙酸蒸發(fā)時(shí)優(yōu)先與氯離子再結(jié)晶。Soumi等將脫乙酰度小于90%的殼聚糖（710 kDa）與PEO（200 kDa）以質(zhì)量比4︰1溶于乙酸中，在靜電紡絲作用下制得平均直徑為0 ～ 78 nm的纖維，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，乙酸濃度升高時(shí)，溶液的表面張力和導(dǎo)電性下降。制得的纖維用磷酸三苯酯（TPP）交聯(lián)后，纖維顯示出良好的細(xì)胞粘附、細(xì)胞增殖、細(xì)胞活性和細(xì)胞相容性，可用作特定的皮膚組織工程支架用于皮膚重建。

2.2 殼聚糖與聚乙烯醇（PVA）混紡

PVA是一種可溶于水、生物相容性和生物可降解性均較好的人工合成材料，其可紡性較好，通常可以用來與殼聚糖混紡以提高殼聚糖的可紡性。

Hang等將銀離子加入殼聚糖與PVA的混合溶液中進(jìn)行靜電紡絲。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)銀離子的加入提高了混合溶液的可紡性和纖維的抗菌性，且當(dāng)混合溶液中殼聚糖的濃度小于6%時(shí)，加入了銀離子的溶液的導(dǎo)電性高于未加銀離子溶液的導(dǎo)電性，大于6%時(shí)恰好相反。這是因?yàn)轵献饔靡种屏藲ぞ厶侵邪被碾婋x度，溶液的導(dǎo)電性降低。也有學(xué)者將鈣離子加入殼聚糖與PVA的混合溶液中，通過靜電紡可制備出一種新型的生物復(fù)合材料，具有良好的力學(xué)和生物學(xué)性能，在生物醫(yī)用材料方面有較好的應(yīng)用。Mottaghitalab等用殼聚糖與PVA的混合溶液以靜電紡成功制備了神經(jīng)組織工程支架。Yan等采用同軸靜電紡絲制備出了以PVA為芯層、殼聚糖為殼層的芯殼結(jié)構(gòu)纖維。

2.3 殼聚糖與聚己酸內(nèi)酯（PCL）混紡

PCL因其生物相容性和較緩慢的生物可降解性被列為最常用的醫(yī)用人工合成材料之一，但其是疏水性的且沒有細(xì)胞識別結(jié)構(gòu)，因此常與其它天然生物材料混紡。Shalumon等將殼聚糖與PCL混合，以甲酸和丙酮的混合溶液為溶劑，根據(jù)殼聚糖與PCL溶液比例的不同，得到兩種直徑不同的纖維。當(dāng)殼聚糖與PCL溶液比例為1∶1時(shí)，纖維直徑為（116±27）nm，當(dāng)比例為1︰3時(shí)，纖維直徑減小到（102±24）nm。

2.4 殼聚糖與人工合成材料混合物靜電紡的特點(diǎn)

殼聚糖具有生物可降解性，良好的生物相容性、吸附性和成膜性等優(yōu)點(diǎn)，但其力學(xué)性能較差，一般需與人工合成材料混紡以改善其力學(xué)性能，以提高紡絲后的纖維質(zhì)量。相關(guān)報(bào)道證實(shí)，隨著混合溶液中人工合成材料比例的增大，纖維的力學(xué)性能增加，直徑增大，并且極大地提高了殼聚糖的可紡性，殼聚糖與人工合成材料的混紡目前已廣泛用于生物醫(yī)學(xué)方向，如傷口敷料、人工心臟、人工血管等。

3 殼聚糖與其它天然生物材料混紡

天然生物材料一般具有細(xì)胞信號識別，促進(jìn)細(xì)胞粘附、增殖和分化，良好的生物相容性及生物降解性等優(yōu)點(diǎn)，這類材料可加工成醫(yī)學(xué)制品，廣泛用于臨床研究。

Cai等以六氟異丙醇/TFA為紡絲溶劑制備了殼聚糖/絲素（SF）靜電紡納米纖維用于加工傷口敷料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明纖維的平均直徑隨著混合溶液中殼聚糖含量的增加而降低，纖維的抗菌性隨之增強(qiáng)，纖維的力學(xué)性能則隨之減弱。隨著混合溶液中殼聚糖和絲素含量的變化，得到的纖維平均直徑的范圍為（185.5±114.7）～（484.6±410.8）nm。Ye等以膠原蛋白和透明質(zhì)酸為內(nèi)飾、改性的殼聚糖為涂層材料、乙酸為溶劑制成了仿生納米纖維膜。與人體羊膜相比，膠原蛋白/透明質(zhì)酸/殼聚糖混紡纖維膜顯示出優(yōu)越的力學(xué)和生物性能，比人體羊膜更適用于角膜移植。Wang等將不同比例的殼聚糖和膠原混合，六氟異丙醇和TFA以80︰20比例混合的溶液為溶劑，通過靜電紡絲得到了一種適用于血管移植的血管組織工程支架，結(jié)果表明當(dāng)殼聚糖和膠原的比例為50︰50和20︰80時(shí)，可獲得與人體血管最接近的血管組織工程支架。

天然生物材料之間的混合溶液制備出的纖維因力學(xué)性能上的缺陷，通常只能應(yīng)用于對力學(xué)性能要求不高的領(lǐng)域，極大地阻礙了殼聚糖的應(yīng)用與發(fā)展。

4 殼聚糖衍生物的靜電紡絲

4.1 己?；瘹ぞ厶庆o電紡絲

己?；瘹ぞ厶强梢缘挚辜?xì)胞中溶酶體的水解，并且具有抗血栓的作用。Neamnark等將8%的己酰化殼聚糖氯仿溶液和7.5%的殼聚糖吡啶甲酸溶液混合進(jìn)行靜電紡絲。紡絲 8 h后測得纖維膜的厚度約為（83±9）μm，單纖維的直徑范圍為0.4 ～ 3.2 μm，平均直徑約為1.5 μm。在老鼠體內(nèi)進(jìn)行生物相容性和細(xì)胞毒性測試顯示，己酰化殼聚糖纖維膜無毒性且在宿主體內(nèi)未釋放有害物質(zhì)。就人角質(zhì)纖維細(xì)胞和人包皮成纖維細(xì)胞的吸附和增殖而言，殼聚糖纖維膜很適宜作皮膚組織工程支架。Peesan等采用靜電紡絲制備出了己?；瘹ぞ厶?聚乳酸混合納米纖維。當(dāng)殼聚糖與聚乳酸的比例不大于50%時(shí)，可以得到無珠狀的納米纖維。隨著殼聚糖含量的增加，溶液的黏度降低，得到的纖維尺寸減小。

己?；瘹ぞ厶窃跉ぞ厶呛蜌ぞ厶茄苌镏芯哂凶詈玫纳锵嗳菪?，這是因?yàn)榧乎；瘹ぞ厶侵泻写罅康乃狒?，血液中的酸酐能將大量二氧化碳轉(zhuǎn)變成碳酸根離子，使之溶于血液中，同時(shí)也能將碳酸根離子轉(zhuǎn)化成二氧化碳，在肺泡中釋放，表現(xiàn)出良好的抗血栓作用。

4.2 羧甲基殼聚糖靜電紡絲

對殼聚糖的羧甲基化作用是獲得水溶性羧甲基殼聚糖的一種化學(xué)方法，且與殼聚糖相比具有更好的生物相容性。Fouda等將銀離子加入羧甲基殼聚糖與PEO的混合溶液中進(jìn)行靜電紡絲，所得納米纖維的直徑為50 ～ 300 nm。銀離子的加入增強(qiáng)了混合溶液的導(dǎo)電性，因此在紡絲過程中纖維的直徑減小，同時(shí)利用X射線探測器分析觀察發(fā)現(xiàn)銀離子進(jìn)入了纖維內(nèi)部，并且在納米纖維內(nèi)部直徑每12 ～ 18 nm處均勻穩(wěn)定地分布。Sohofi等以TFA和二甲基甲酰胺（DCM）混合溶劑為紡絲溶劑成功制得了純羧甲基殼聚糖（取代率DS= 0.65）靜電紡納米纖維，最佳的紡絲條件是羧甲基殼聚糖濃度為5%，TFA與DCM的比例為70︰30，得到的纖維平均直徑為（260±42）nm。

羧甲基殼聚糖的水溶性好，一方面是因?yàn)樽陨硎囚人猁}溶于水，另一方面由于羧甲基的導(dǎo)入破壞了殼聚糖分子的二次結(jié)構(gòu)，結(jié)晶度大大降低，又因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)上的羧基和胺基都是親水基團(tuán)，吸濕性較好，所以羧甲基殼聚糖靜電紡得到的纖維性能優(yōu)于殼聚糖靜電紡得到的。

4.3 季胺化殼聚糖靜電紡絲

在眾多的殼聚糖衍生物中，季胺化殼聚糖因其氨基的作用具有最好的抗菌性能。Mi等分別將殼聚糖和PVA溶于超純水中配制成濃度為10%的溶液，殼聚糖溶液與PVA溶液的比例在3︰7 ～ 7︰3之間，隨著殼聚糖溶液比例的增加，混合溶液的黏度增加、導(dǎo)電性增強(qiáng)，纖維的平均直徑減小。制得的纖維膜用戊二醛進(jìn)行交聯(lián)，掃描電鏡下觀察到在適合的戊二醛濃度及交聯(lián)時(shí)間交聯(lián)后，纖維膜在水中的穩(wěn)定性增加，可用作除去飲用水中病原菌的濾膜。Toshkova等將殼聚糖和聚乳酸混合，溶于二甲基甲酰胺（DMF）和二甲基亞砜（DMSO）（DMF︰DMSO=60︰40）的混合溶劑中，配制成濃度為6%的溶液，通過靜電紡成功制備了平均直徑為（830±115）nm的纖維，隨后在混合溶液中加入適量的抗腫瘤藥物阿霉素（DOX），纖維平均直徑下降到（580±90）nm，這是因?yàn)镈OX中有機(jī)鹽的存在增加了溶液的導(dǎo)電性。

在殼聚糖的氨基上引入羥丙基三甲基氯化銨，生成羥丙基三甲基氯化銨殼聚糖（HACC），經(jīng)季胺化可形成較強(qiáng)的陽離子聚電解質(zhì)，削弱了分子間的氫鍵作用，從而可提高殼聚糖的可紡性。

5 結(jié)語

殼聚糖因具有氨基，在酸性水溶液中具有聚陽離子的特征，極大地提高了溶液的表面張力，因此很難通過靜電紡絲成為纖維結(jié)構(gòu)。雖然目前殼聚糖靜電紡絲技術(shù)較過去已取得了較大發(fā)展，制成了各種特定用途的納米纖維產(chǎn)品，但仍存在許多亟待解決的技術(shù)問題，如殼聚糖納米纖維的機(jī)械性能較差、大部分紡絲溶劑有毒性等，極大地限制了殼聚糖在靜電紡方面的開發(fā)。

參考文獻(xiàn)

[1] Kousaku Ohkawa，Dongil Cha，Hakyong Kim，et a1. Electrospinning of chitosan[J].Macromol Rapid Commun，2004，25（18）：1600-1605.

[2] Sangsanoh P，Suwantong O，Neamnark A，et a1.In vitro biocompatibility of electrospun and solvent-cast chitosan substrata towards Schwann，osteoblast， keratinocyte and fibroblast cells [J]. European Polymer Journal，2010，46：428-440.

[3] Tong Cheng，Rolf-Dieter Hund，Dilibaier Aibibu，et a1.Pure chitosan and chitsoan/chitosan lactate blended nanofibres made by single step electrospinning[J]. Autex Research Journal，2013（4）：128-133.

[4] Bon Kang Gu，Sang Jun Park，Min Sup Kim，et a1.Fabrication of sonicated chitosan nanofiber mat with enlarged porosity for use as hemostatic materials[J].Carbohydrate Polymers，2013，97：65-73.

[5] Mehdi Pakravana，Marie-Claude Heuzey，Abdellah Ajji.A fundamental study of chitosan/PEO electrospinning[J].Polymer，2011，52：4813-4824.

[6] Peng Su，Changjun Wang，Xianyan Yang，et a1.Electrospinning of chitosan nanofibers：The favorable effect of metal ions[J]. Carbohydrate Polymers，2011，84：239-246.

[7] Soumi Dey Sarkar，Brooke L Farrugia，Tim R Dargaville，et a1. Physico-chemical/biological properties of tripolyphosphate cross-linked chitosan[J].2013，33：1446-1454.

[8] Au Thi Hang，Beomseok Tae，Jun Seo Park.Nonwoven mats of poly（vinylalcohol）/chitosan blends containing silver nanoparticles：fabrication and characterization[J].Carbohydrate Polymers，2010，82：427-429.

[9] Fatemeh Mottaghitalab，Mehdi Farokhi，Vahid Mottaghitalab，et a1.Enhancement of neural cell lines proliferation using nanostructured chitosan/poly（vinyl alcohol）scaffolds conjugated with nerve growth factor[J].Carbohydrate Polymers，2011，86：526-535.

[10] Eryun Yan，Yingmei Fan，Zhiyao Sun，et a1.Biocompatible core–shell electrospun nanofibers as potential application for chemotherapy against ovary cancer[J].Materials Science and Engineering C，2014，41：217-223.

[11] K T Shalumon，K H Anulekha，C M Girish，et a1.Single step electrospinning of chitosan/poly（caprolactone） nanofibers using formic acid/acetone solvent mixture[J].Carbohydrate Polymers，2010，80：413-419.

[12] Zengxiao Cai，Xiumei Mo，Kuihua Zhang，et a1.Fabrication of chitosan/silk fibroin composite nanofibers for wound-dressing applications[J].International Journal of Molecular Sciences，2010，11：3529-3539.

[13] Juan Ye，Xin Shi，Xiaoyi Chen，et a1.Chitosan-modified，collagen-based biomimeticnanofibrous membranes as selective cell adhering wound dressings in the treatment of chemically burned corneas[J].Journal of Materials Chemistry B，2014（2）：4226-4236.

[14] Peiwei Wang，Junli Liu，Teng Zhang.In vitro biocompatibility of electrospun chitosan/collagen scaffold[J].Journal of Nanomaterials，2013， 16：1-8.

[15] Artphop Neamnark，Neeracha Sanchavanakit，Prasit Pavasant，et a1.In vitro biocompatibility of electrospun hexanoyl chitosan fibrous scaffolds towards human keratinocytes and fibroblasts[J]. European Polymer Journal，2008，44：2060-2067.

[16] Manisara Peesan，Ratana Rujiravanit，Pitt Supaphol. Electrospinning of hexanoyl chitosan/polylactide blends[J].Journal of Biomaterials Science（Polymer Edition），2006（5）：547-565.

[17] Moustafa M G Fouda，M R El-Aassar，Salem S Al-Deyab. Antimicrobial activity of carboxymethyl chitosan/polyethylene oxide nanofibers embedded silver nanoparticles[J].Carbohydrate Polymers，2013，92：1012-1017.

[18] Negar Sohofi，Hossein Tavanai，Mohammad Morshed，et a1. Electrospinning of 100% carboxymethyl chitosan nanofibers[J]. Journal of Engineered Fibers and Fabrics，2014，9（1）：87-92.

[19] Xue Mi，K Saagar Vijayaragavan，Caryn L Heldt.Virus adsorption of water-stable quaternized chitosan nanofibers[J]. Carbohydrate Research，2014，387：24-29.