甲壳素,又名甲壳质、几丁质,化学名称(1,4)-2-乙酰氨基-2-脱氧-β-D-葡聚糖。是一种天然高分子多糖[1],大量存在于海洋节肢动物,如虾、蟹的甲壳之中,也存在于菌类、昆虫类、藻类细胞膜和高等植物的细胞壁中[2],分布极其广泛。甲壳素在自然界每年的生物合成量仅次于纤维素,是地球上第2大可再生资源。
甲壳质最早在1811年由法国科学家Braconot从霉菌中发现,1859年法国人C.Rouget用浓KOH处理甲壳质,出现了壳聚糖。直到20世纪50年代,才对甲壳质的化学结构、性质和制备方法有了较深透的了解。
壳聚糖(Chitosan),又名:脱乙酰甲壳质、可溶性甲壳素、聚氨基葡萄糖,化学名称为:β-(1,4) -2-氨基-2-脱氧-D-葡聚糖,是由甲壳质经脱乙酰作用,脱去C2上的乙酰基而得到。
甲壳质经过脱乙酰基即可制取壳聚糖,常用质量分数为45%-50%氢氧化钠溶液浸泡甲壳质并加热至105℃,保温2h,水洗至中性,抽滤,干燥即可得到白色略带珍珠光泽的壳聚糖。其中碱液浓度、反应温度及反应时间是影响壳聚糖的性能指标(脱乙酰度和相对分子量)的主要因素。
虽然甲壳质在大自然中分布广泛,且储量巨大,但高纯度的壳聚糖,要通过先进的生物工程技术提纯而来,因此成本并不低。而且只有脱乙酰纯度达到90%以上的壳聚糖才有极强的活性,才能达到医学或护肤用途的标准。
目前提纯工艺最好的壳聚糖成品是法国南部布列塔尼大学海洋生物研究所研制,其通过先进生物工程技术,将甲壳素里面的乙酰基逐步脱掉达到纯度高于普通级别脱乙酰度55%,目前全球壳聚糖药用原材料70%来自布列塔尼地区,其出品的医药级壳聚糖是脱乙酰度95%以上的成品。脱乙酰纯度达到95%以上的壳聚糖纯度较高,有极强的活性,主要用于医药领域,对伤口的愈合有着快速的修复,并有抑菌性预防伤口感染,高纯度壳聚糖的多效作用已经越来越被外科医生所追捧。
在医药学领域,甲壳素或壳聚糖及其衍生物还可以提高黏膜的通透性,可以作为靶向载体,可以用于制备生物材料等。如Kotze-AF实验发现,三甲基壳聚糖四聚体的盐酸盐可提高消化道黏膜通透性[3];以壳聚糖制成胶囊包裹R68070(一种新型的血栓烷合成酶抑制剂)用来治疗溃疡性结肠炎,可避免药物在酸性环境中的破坏和吸收,使其到达病变结肠部位(pH约为7.4),取得良好的治疗效果[4];以壳聚糖制成的生物管用于桥接缺损神经,可以抑制成纤维细胞的生长,进而防止神经瘤的形成,为轴突的生长创造有利的微环境;在磷酸钙骨水泥中加入壳聚糖作为配料,可以提高骨水泥的内聚力,防止其在体内降解,并具有良好的组织相容性[5];甲壳素或壳聚糖及其衍生物也可用于酶的固定化方面;可作为骨缺损支架材料,还可制备组织工程所需的支架材料,用于人工骨等人工器官的体外培养;各种微球形壳聚糖胺基衍生物可有效地吸附牛血清蛋白,为新型功能吸附剂[6]。
由于甲壳质、壳聚糖具有与人体良好的生物相溶性和生物可降解性,其降解产物可被人体吸收,在体内不蓄积,无免疫原性,在医药卫生方面有着广泛的应用[7]。在2008年4月的美军战术区战伤救治的变革的(TCCC)指南中,美国军方特别批准使用壳聚糖敷料作为止血剂[8]。
1.1 医用纤维和膜材料
用甲壳质、壳聚糖纤维制成的手术缝合线已应用于临床.与传统的羊肠线相比,用壳聚糖制成的吸收型外科手术缝合线材料柔软,易打结,机械强度高,易被机体吸收,同时不改变皮肤胶原蛋白中羟脯氨酸含量,无炎症反应,还可用常规方法消毒,增加伤口的抗张强度,加速伤口愈合。
用壳聚糖制成的医用纤维膜具有均匀、透明、手感好、柔软、良好的透气性、吸水性和杀菌性等优点。
1.2 药物载体
用壳聚糖作为药物载体可以稳定药物中的成分,促进药物吸收,延缓或控制药物的溶解速度,帮助药物达到靶器官,并且抗酸、抗溃疡,防止药物对胃的刺激。
1.3 凝血作用
包扎用纱布经甲壳质粉末或壳聚糖溶液处理后包扎伤口,能立即止血,并有消炎作用,伤口愈合速度提高75%.伤口长好后纱布不粘连,甚至不留痕迹。用壳聚糖制成止血海绵,能够立即止血,临床效果非常好。
1.4 抗肿瘤作用
甲壳质能选择性地凝聚白血病的L 1210细胞、Ehrlich 腹水癌细胞,对正常的红血球骨髓细胞无影响。试验证明,将180肉瘤植入dd 小鼠体内,7d 后以静脉注射的方式将两种甲壳质(Hexa-N-acctylchitohexaose 和Chitohexaose)打入小鼠体内,连续注射3d(100mg(kg·d)),结果可明显抑制肿瘤生长,抑制率分别达到85%和93%。
1.5 增强免疫力
壳聚糖能有效地增加巨噬细胞的吞噬功能和水解酶的活性,通过增强机体非特异性免疫系统的功能而抑制肿瘤生长。巨噬细胞激活后,除了本身的吞噬杀灭肿瘤细胞等功能增强外,又能分泌多种免疫因子调节其他细胞免疫与体液免疫。此外,壳聚糖还可显著促进脾脏细胞生成抗体的能力。
1.6 降低脂肪和胆固醇
通过人体观察显示:摄食壳聚糖能有效降低血清胆固醇。8位健康男性成人,摄食壳聚糖3-6g/d,两周后其总血清胆固醇下降(由188mg/dl降为177mg/dl)并增加高密度胆固醇(HDL-cholesteral,由51mg/dl增至56mg/dl)。同时可降低胃酸,抑制溃疡,具有健胃的作用。
1.7其他方面
可用于治疗过敏性皮炎,预防龋齿和牙周炎,除去和减轻口臭,还可降低肾病患者血清胆固醇、尿素及肌酸水平。此外,还可制成各种人工器官,如:人工肝脏、人工肾、人造骨、人造血管等。
参考文献:
[1]杨冬梅,缪进康,黄明智. 天然生物材料-甲壳素和壳聚糖的开发及应用[J].化学工业与工程,1999,16(6):335-340.
[2]胡继飞. 甲壳质及其衍生物的开发利用[J].生物技术,1994(4):45-47.
[3]Kotze A F,Thanon M M, Luebetaen H H, et al. Enhancement of paracellular drug transport with highly quaternized N-trimethyl chitosan chloride in neutral environments: in vivo evaluation in intestinal cells (caro-2)[J].J Pharm Sci, 1999,88(2):253-257.
[4]Tozaki H ,Fujita T, Odorida T, et al. Colon-specific dwelivery of R68070, a new thromboxanesynthase inhibitor, using chitosan capsules; therapeutic effects against 2,4,6-trinitrobenzene sulfonic acid-induced ulcerative colitis in rats[J]. Life Sci,1999,64(13):1155-1162.
5]Khairoun I,Deriessens F C M, Boltong M G, et al. Addition of cohesion promoters to calcium phosphate cements[J]. Biomaterials, 1999,20(4):393-398.
[6]方波,宋道云,陈鸿雁等.微球型壳聚糖胺基吸附剂的制备及性能[J].化工科技,2000,8(3):20-23.
[7] 徐鑫,王静.甲壳质和壳聚糖的开发及应用[J].哈尔滨工业大学学报,Feb.2002vol,34 No,1
[8] 张良,张岫竹 ,张连阳,王正国. 美军战术区战伤救治的变革[J].中华灾害救援医学.2017年8月第5卷第8期.
