壳聚糖是一种来自甲壳素的线性的、半结晶态的天然多糖，主要存在于甲壳类动物和真菌的细胞壁中，其结构如下图所示。壳聚糖不溶于水和大多数有机溶剂，但可溶于稀酸中，使质子化的氨基变成多元阳离子，能与各种各样的天然或合成的阴离子或聚合物形成离子复合物，如 DNA、蛋白质、脂类、聚丙烯酸等。壳聚糖具有优异的生物学特性，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，并具有抗氧化剂和抗菌特性。在生物医学领域，壳聚糖最初作为一种止血敷料进入临床研究中，近年来，基于壳聚糖出色的载药性能和优良的骨传导性，越来越多的研究人员将壳聚糖用于构建药物递送系统和组织工程支架。此外，通过对壳聚糖进行化学修饰引入功能基团形成壳聚糖衍生物，可以进一步改善其某方面的特性以达到研究需求。常见的壳聚糖衍生物包括酰化壳聚糖、羧基化壳聚糖、烷基化壳聚糖、季铵化壳聚糖等。

       壳聚糖分子结构(来源参考文献[2])

       壳聚糖的常见衍生物

       1、酰化壳聚糖衍生物

       壳聚糖的氨基和羟基可与多种有机酸或酸酐、酰氯等发生反应生成酰化壳聚糖衍生物，引入的基团可削弱壳聚糖的分子内和分子间氢键，使衍生物的水溶性提高。酰化壳聚糖应用范围较广，高溶解度的酰化壳聚糖可作为药物递送载体，而高结晶度酰化壳聚糖则具有良好的加工性，可增强纤维的韧性。

       2、羧基化壳聚糖衍生物

       壳聚糖的羧化主要通过乙醛酸与壳聚糖的-OH 或-NH2 基团反应实现，羧化壳聚糖衍生物有-COOH 和-NH2 两亲性基团，在酸性条件下中氨基质子化使羧甲基壳聚糖带正电荷；在碱性条件下中，羧基电离使羧甲基壳聚糖带负电荷，其水溶性主要受到取代度的影响。羧基化壳聚糖衍生物的黏膜黏附性强，常被作为黏膜药物递送载体，在肠道、鼻黏膜和口腔递送方面均有广泛应用。

       3、烷基化壳聚糖衍生物

       壳聚糖主要通过氨基发生烷基化反应，生成N-烷基化衍生物，羟基也可参与烷基化，产生O-烷基化衍生物，与壳聚糖相比，烷基化的壳聚糖分子内氢键显著弱化，水溶性有所增加，引入的长链烷基具有疏水性，因此可以通过调整引入的烷基来控制烷基化壳聚糖衍生物的水溶性。烷基化壳聚糖衍生物与壳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链长度的影响，可作为理想的止血材料。

       4、季铵化壳聚糖衍生物

       季铵化壳聚糖通常是由壳聚糖直接 N 取代或与季环氧化物反应产生的富有正电荷的阳离子聚合物，季环氧化物所携带的烷基基团可使形成的季铵化壳聚糖具有不同的亲水/疏水特性，常见的季铵化壳聚糖有N,N,N-三甲基壳聚糖、N,N,N-三甲基O-(2-羟基-3-三甲基铵丙基)壳聚糖、N-2-羟丙基二甲基乙基氯化铵壳聚糖等。季铵化引入了大量正电荷增加了衍生物亲水性，使得季铵化壳聚糖在中性和碱性溶液中的溶解性大幅提升，因此季铵化壳聚糖具有比未修饰壳聚糖更广泛的应用范围和更有效的抗菌性能。

       壳聚糖的生物学性能及其应用

       1、壳聚糖及其衍生物的抗菌性能及应用

       壳聚糖对细菌和真菌具有广泛的抗菌活性，其抗菌作用主要在细胞膜表面实现，也可因微生物种类和壳聚糖分子量的不同引发细胞内的抗菌效应。它的抗菌效果受到脱乙酰度、分子量、pH、浓度等多种因素的影响，此外，壳聚糖对不同菌株的抗菌效果也不尽相同，其对大肠杆菌的抗菌性能优于无害李斯特氏菌和金黄色葡萄球菌。目前关于壳聚糖抗菌机制有以下推论：①作为螯合剂，选择性地结合金属离子，抑制微量元素和营养素的吸收，从而抑制毒素的产生和微生物的生长；②活化结合细胞壁成分，使细菌因细胞壁分解而死亡；③所带正电荷能与带负电荷的微生物细胞膜相互作用，导致细菌生物膜破裂，引发蛋白质等细胞成分外泄，导致细菌死亡；④进入微生物细胞核中与 DNA 相结合，干扰和抑制蛋白质的合成。

       中性或碱性壳聚糖悬浮液抑菌活性低于酸性壳聚糖溶液，壳聚糖的最 佳抑菌pH为6. 0，且随壳聚糖脱乙酰化程度的增加而增大。与低分子壳聚糖一样，高分子壳聚糖的抑菌活性也是由其分子侧链在酸性溶液中氨基质子化和阳离子化而产生的，其长分子链有利于包覆和结合细菌，间接提高了抗菌活性，细菌首先被壳聚糖抑制，然后细胞壁逐渐断裂和分解，导致细胞死亡。壳聚糖中的电荷密度也是影响抗菌活性的关键因素，这和壳聚糖与细菌细胞膜脂质双层电荷表面的强静电作用有关。壳聚糖及其衍生物抗菌活性好，被广泛应用于制备抗菌材料、组织工程材料等。壳聚糖及其衍生物因其抗菌活性也被制备为各种制剂如纳米粒、薄膜、水凝胶、复合敷料等。关于壳聚糖抑菌剂的研究较多，但大多停留在实验室阶段，实际应用还有待进一步研究。

       2、壳聚糖及其衍生物的载药性能及应用

       壳聚糖可以被加工为薄膜、水凝胶、纤维、微球、纳米颗粒等多种形式，并且具有独特的黏膜黏附和渗透增强性，这些特性使壳聚糖成为一种理想的药物递送物质。近年来壳聚糖自组装纳米颗粒作为一种更为先进的递送系统备受青睐，壳聚糖具有自组装性能，并且在生物相容性、降解性、安全性等方面优于目前常见的纳米颗粒递送系统。研究发现这种递送系统经口腔、黏膜、皮肤等多种给药途径均获得了较为理想的递送效果。

       壳聚糖具有抑菌作用、杀菌作用、止血性、抗溃疡、抗炎、抗氧化、抗糖尿病和神经保护作用，其结构与胶原相似，可用于模拟细胞外基质。以壳聚糖为基础的药物递送系统，可用于蛋白质/肽、生长因子、抗炎药、抗生素、抗癌药物、**等的传递，也可用于基因治疗。壳聚糖的一个重要特点是其黏附力强，原因是聚合物链上带正电荷的氨基与富含唾液酸和磺酸的带负电荷的黏蛋白残基之间的静电相互作用。壳聚糖基纳米载体具有体积小、比表面积大、黏附性能好等优点，能促进药物进入细胞，增强药物稳定性，实现药物的控释、缓释或降低药物的细胞**。壳聚糖无论是单用还是作为复合材料使用，均适合于制备不同类型的载药制剂，如纳米粒、水凝胶、复合材料、微球、创面材料等。此外，壳聚糖基药物载体有缓释控释作用，间接提高了药效，同时还具有靶向性及提高黏附能力的特性。

       3、壳聚糖及其衍生物的再矿化性能及应用

       壳聚糖具有调节脱矿和再矿化平衡，减少钙磷等矿物质流失并抑制脱矿的功能。它不仅可以通过静电作用吸附在硬组织表面形成扩散屏障来减少矿物质流失，还能结合酸性环境中的氢离子，抑制 pH 值下降，减少其对硬组织的腐蚀；同时，壳聚糖分子中的氨基能与钙离子发生化学结合，聚集和携带无定型钙扩散进入深层脱矿病损中，并诱导无定型磷酸钙向羟基磷灰石转化。目前，基于壳聚糖的载体性能和再矿化作用，联合壳聚糖和再矿化药物开发新型的促矿化药物是再矿化领域的研究热点。

       4、壳聚糖及其衍生物的骨再生性能及其作为组织工程材料的应用

       壳聚糖基于其良好的生物相容性和骨传导性，作为一种优良的支架材料被广泛应用于骨组织工程中。一方面，壳聚糖可与其他材料联合制成壳聚糖复合支架材料，改善其机械性能，同时在复合支架中掺入生物活性分子可加速骨再生并增强体内新血管形成。另一方面，壳聚糖及其复合材料可以作为处理骨种植体和合成支架的表面改性剂，以增强生物活性，提高成骨潜力。此外，壳聚糖还能解聚释放壳聚糖单体，通过 mRNA水平的信号转导激活丝裂原活化蛋白激酶 (Mitogen-activated protein kinase，MAPK) 级联反应，活化成骨细胞。

       壳聚糖基材料不仅具有良好的生物相容性和生物可降解性，还具有能形成不同结构、与多种生物活性材料结合等优异性能，是理想的生物活性材料。目前壳聚糖基组织工程材料主要应用于软骨组织工程、骨组织工程、椎间盘组织工程、血管组织工程、角膜再生、皮肤组织工程、牙周组织工程等。壳聚糖基组织工程材料在皮肤、血管、角膜、骨等组织和器官中的应用，预示着其在修复、固定和再生方面的应用前景。

       参考文献

       [1]陈浩,秦晓飞,冯昆.壳聚糖及其衍生物在生物医学领域的应用研究进展[J].中国药业,2022,v.31;No.555(08):128-135.

       [2]隋振全,毛金超,徐桂云,范金石.天然生物质材料的制备、性质与应用（Ⅰ）——自然界唯一的碱性多糖：甲壳素/壳聚糖[J].日用化学工业,2022,52(01):7-14.

       [3]陈彦伶,张立,张凌琳,王琨.壳聚糖及其衍生物在口腔疾病防治中的研究进展[J].生物工程学报,2021,37(07):2322-2333.DOI:10.13345/j.cjb.200490.

       作者简介：小泥沙，食品科技工作者，现就职于国内某大型药物研发公司，从事营养食品及功能性食品的开发与研究。