殼聚糖功能材料由于優(yōu)異的特性在藥物控緩釋、水處理、催化等領(lǐng)域顯示出許多優(yōu)勢而受到研究者的普遍關(guān)注，近年來發(fā)展起來的微流控技術(shù)為制備結(jié)構(gòu)、尺寸可控的殼聚糖功能材料提供了可靠的新方法。本文綜述了微流控技術(shù)對于殼聚糖功能材料的形貌調(diào)控以及在此基礎(chǔ)上的應(yīng)用研究進(jìn)展。

1微流控技術(shù)制備殼聚糖功能材料

殼聚糖微球或微膠囊的制備

通過設(shè)計不同的微通道結(jié)構(gòu)形式，或?qū)Σ僮鳁l件進(jìn)行調(diào)控，可以制備不同類型的殼聚糖微球。Xu等將殼聚糖溶解于含有2%(質(zhì)量)乙酸的水溶液中制成4%(質(zhì)量)的殼聚糖溶液作為分散相，以含有2%(質(zhì)量)司班80和30%(質(zhì)量)三辛胺的正辛醇溶液作為連續(xù)相，在圖1所示的同軸環(huán)管微通道中制備單分散的殼聚糖液滴，利用三辛胺對液滴中乙酸的萃取作用，實(shí)現(xiàn)液滴的固化，制備得到相對致密的殼聚糖微球，如圖2(a)所示。在此基礎(chǔ)上，以2%(質(zhì)量)的殼聚糖的乙酸水溶液為分散相，以含有2%(質(zhì)量)司班80的正辛醇溶液作為連續(xù)相，含有0.015%(質(zhì)量)戊二醛的正辛烷溶液為凝固浴，通過正辛醇對液滴內(nèi)水的溶劑萃取與氨基和醛基間的化學(xué)交聯(lián)作用相結(jié)合對液滴進(jìn)行固化，僅通過控制液滴在凝固浴中的停留時間，即可實(shí)現(xiàn)整體多孔，殼層致密、內(nèi)部多孔和整體致密3種不同結(jié)構(gòu)微球的一步制備，如圖2(b)所示。較之目前制備不同結(jié)構(gòu)殼聚糖微球需對殼聚糖進(jìn)行不同的改性，缺乏簡單統(tǒng)一的制備方法的現(xiàn)狀，該方法簡化了不同結(jié)構(gòu)殼聚糖微球的制備過程，利于進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。

Liu等利用雙重同軸環(huán)管型微通道，以2%(質(zhì)量)水溶性殼聚糖和1.5%(質(zhì)量)PluronicF-127水溶液為中間相，同時加入2%(質(zhì)量)羥乙基纖維素調(diào)節(jié)體系黏度，以含有2%(質(zhì)量)對苯二甲醛的大豆油與苯甲酸芐酯1:2（體積比）的混合液為內(nèi)相，含有8%(質(zhì)量)PGPR的大豆油為外相，制備油包水包油的雙重乳液。所制備得到的乳液放置12h確保微膠囊得到徹底固化，如圖2(c)所示。由于殼聚糖與對苯二甲醛之間的交聯(lián)反應(yīng)受pH影響，因此所得到的微膠囊具有pH響應(yīng)性。在中性環(huán)境下保持微膠囊結(jié)構(gòu)，當(dāng)pH降低至3.1時，由于氨基更易與氫離子結(jié)合，導(dǎo)致氨基與醛基之間的雙鍵打開，微膠囊殼層在122s左右完全溶解，內(nèi)核釋放。該方法為油溶性藥物的運(yùn)載和快速釋放提供了很好的基礎(chǔ)。

圖1同軸環(huán)管型微流控裝置

圖2殼聚糖微球/微膠囊的形貌

Yang等分別以殼聚糖水溶液和葵花籽油溶液作為分散相和連續(xù)相，在同軸環(huán)管型微通道中制備單分散的油包水乳液，并由三聚磷酸鹽或硫酸鹽水溶液進(jìn)行收集，通過殼聚糖與鹽類之間的靜電作用實(shí)現(xiàn)交聯(lián)。當(dāng)含有殼聚糖液滴的葵花籽油進(jìn)入收集水相時，葵花籽油由于較小的密度而位于水相上方，而由于三相界面張力的作用，殼聚糖液滴在一定程度鋪展于油水界面，因此固化后即可得到半球形或圓盤形狀，如圖2(d)所示。通過調(diào)節(jié)水相或油相的密度以及界面張力，可以調(diào)節(jié)半球形的大小。雖然作者并未對半球形殼聚糖微球的應(yīng)用進(jìn)行探索，但若能分別對半球形微球的球面和平面進(jìn)行不同的功能化，制備Janus結(jié)構(gòu)，則有望在催化領(lǐng)域拓展?jié)撛趹?yīng)用。

殼聚糖纖維的制備

Yeh等利用圖3(a)中所示的水力學(xué)聚焦型微通道，分別以殼聚糖溶液和三聚磷酸鈉為分散相和連續(xù)相，通過調(diào)節(jié)兩相流量形成層流流動，制備得到了殼聚糖纖維，如圖3(b)所示。He等在雙重同軸環(huán)管型微通道內(nèi)，以4%(質(zhì)量)的殼聚糖水溶液為中間相，50%戊二醛的水溶液為外相，20%PEG的水溶液或者有機(jī)溶劑苯甲酸芐酯為內(nèi)相，利用層流流動和苯甲酸芐酯在殼聚糖相中的液滴存在形式，分別制備得到了殼聚糖管狀纖維和具有豌豆莢形貌的殼聚糖纖維，如圖4所示。不同形貌的殼聚糖纖維的制備，為后續(xù)的功能化和應(yīng)用提供了良好的基礎(chǔ)。

圖3微通道和殼聚糖纖維的顯微照片

圖4殼聚糖纖維SEM照片

殼聚糖膜的制備

Luo等利用殼聚糖在不同pH條件下的溶解性能不同，酸性條件下溶解，中性和堿性環(huán)境下不溶，制備得到了半滲透的殼聚糖膜，其原理如圖5(a)所示。以HCl調(diào)節(jié)水溶液pH約為3，將0.5%的殼聚糖溶解于其中，攪拌溶解后作為一股流體，以磷酸鹽配制堿性的緩沖溶液，作為另一股流體。兩股流體通過不同的形式分別導(dǎo)入到X形微通道中，通過兩股流體之間界面的不同，制備得到了不同尺寸的殼聚糖膜，如圖5(b)所示。該殼聚糖膜可以透過水溶液，且具有幾納米大小的孔，這一尺寸大小也是抗體的尺寸范圍，因此，殼聚糖膜在生化、生物分析、生物傳感和細(xì)胞培養(yǎng)等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用。但微流控裝置在對復(fù)雜體系、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的調(diào)控和制備方面具有優(yōu)勢，而以其為平臺，制備結(jié)構(gòu)相對單的殼聚糖膜是否具有優(yōu)勢，還有待進(jìn)一步的探討。

圖5殼聚糖膜的形成

2殼聚糖功能材料的應(yīng)用

2.1殼聚糖材料在吸附領(lǐng)域的應(yīng)用

殼聚糖的分子鏈上含有大量的氨基，因此可以螯合金屬離子實(shí)現(xiàn)對金屬離子的吸附。Zhao等利用殼聚糖溶液和硅溶膠的混合液作為分散相在同軸環(huán)管型微通道中制備得到復(fù)合型微球，通過控制微球在含有戊二醛的正辛醇溶液中的停留時間，得到了具有不同孔結(jié)構(gòu)和宏觀形貌的復(fù)合微球，由于該復(fù)合微球的海綿狀孔結(jié)構(gòu)使得其具有較大的比表面積，因此利用其進(jìn)行銅離子的吸附，在6h左右即可達(dá)到吸附平衡53mg·g?1。Xu等為了提高殼聚糖微球?qū)τ阢~離子的吸附性能，分別在殼聚糖分散相中加入致孔劑PEG或聚丙烯酸，通過增大比表面積或引入?yún)f(xié)同吸附劑的形式，使得微球的最大吸附容量由33mg·g?1分別增加到52mg·g?1和66.3mg·g?1。He等則通過離子印跡的方式，在分散相殼聚糖溶液中直接加入鉛離子，制備帶有鉛離子印跡的殼聚糖微球，通過EDTA將作為印跡的鉛離子洗掉，所得到的殼聚糖微球可以在30min內(nèi)實(shí)現(xiàn)79.2mg·g?1的吸附容量。表1中列出了不同的殼聚糖微球?qū)τ诮饘匐x子的吸附性能比較，通過與非微流控方法制備的殼聚糖-纖維素復(fù)合微球以及接枝氨丙基的SBA-15進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，由于大量氨基的存在，殼聚糖基微球具有更優(yōu)的金屬離子吸附性能，而通過微流控技術(shù)對微球結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的調(diào)控，可以使其實(shí)現(xiàn)更好的吸附性能，且同軸環(huán)管型微通道易于進(jìn)行數(shù)目放大，生產(chǎn)規(guī)模具有保證，因此殼聚糖基微球在廢水處理、有機(jī)催化等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。但是以殼聚糖材料進(jìn)行金屬離子的吸附也存在著不可回避的不足，例如殼聚糖的生物可降解性雖然使得其具有環(huán)境友好的優(yōu)勢，但是當(dāng)用于廢水中金屬離子去除時，較短的吸附壽命也限制了其應(yīng)用，此外，也存在成本較高的問題。因此，通過殼聚糖與其他材料的復(fù)合，延長殼聚糖的使用壽命，降低材料成本，還有待進(jìn)一步的研究。

表1不同殼聚糖微球吸附性能比較

2.2殼聚糖材料在催化領(lǐng)域的應(yīng)用

基于殼聚糖對于金屬離子和蛋白質(zhì)的良好吸附作用，可以利用其負(fù)載金屬催化劑或酶進(jìn)行有機(jī)或生物催化。Zhao等在雙重同軸環(huán)管型微通道內(nèi)，分別以殼聚糖水溶液和硅溶膠作為內(nèi)部流體和中間流體，以正辛醇為外相流體，制備殼聚糖/硅凝膠核殼型復(fù)合微球，該微球具有優(yōu)異的吸附性能，利用其進(jìn)行Cu(I)的固定，并催化芐基疊氮和苯乙炔之間的點(diǎn)擊反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了在室溫下水環(huán)境中3h內(nèi)99%的轉(zhuǎn)化率，且由于殼聚糖分子上大量還原性基團(tuán)羥基的存在，減緩了Cu(I)的氧化過程，催化劑循環(huán)使用多次后均可保持較高的收率。當(dāng)由于催化劑被氧化而導(dǎo)致收率下降時，利用抗壞血酸鈉對其還原，催化效果恢復(fù)。Xu等利用殼聚糖與丙烯酸混合溶液作為分散相，制備單分散液滴后引發(fā)丙烯酸聚合以及殼聚糖交聯(lián)，得到二者的復(fù)合微球，并進(jìn)行葡萄糖異構(gòu)酶的吸附固定，通過酶活實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，固定化葡萄糖異構(gòu)酶與自由酶相比，具有更高的溫度、pH穩(wěn)定性，且循環(huán)使用多次后仍保持較高的酶活。這是因?yàn)闅ぞ厶堑纳锵嗳菪裕沟妹冈谄渲幸子诒┞痘钚晕稽c(diǎn)，固定化后，酶的構(gòu)象被固定，因此具有更好的穩(wěn)定性，這進(jìn)一步證明了殼聚糖作為催化劑載體在有機(jī)催化和生物催化中的良好應(yīng)用前景。

2.3殼聚糖材料在藥物遞送領(lǐng)域的應(yīng)用

殼聚糖作為生物相容性、生物可降解性良好的材料，在藥物遞送等生物領(lǐng)域具有重要作用，表2中列出了殼聚糖材料在藥物遞送領(lǐng)域的研究進(jìn)展。Lan等在同軸環(huán)管型微通道中，以殼聚糖溶液與硅溶膠直接混合作為分散相，以含有三辛胺的正辛醇溶液作為連續(xù)相制備殼聚糖-二氧化硅的復(fù)合微球，通過凝固浴中油酸含量的調(diào)節(jié)，使得制備得到的復(fù)合微球具有不同的孔結(jié)構(gòu)。由于殼聚糖與二氧化硅之間的協(xié)同作用，使得所制備得到的復(fù)合微球?qū)τ谀Ｐ退幬锱Ｑ宓鞍祝˙SA）具有更好的吸附性能，通過將微球在BSA溶液中浸泡3d，實(shí)現(xiàn)了50mg·g?1的最大吸附量。Zhao等將BSA直接包埋在制備得到的不同結(jié)構(gòu)的殼聚糖微球中，簡化了包覆過程，同時，不同微球?qū)τ贐SA具有不同的釋放速度，使其可以滿足不同類型藥物的釋放要求。Majedi等將殼聚糖進(jìn)行疏水改性，將其與紫杉醇溶解于酸性水溶液中作為分散相，以pH=7.4的堿性水溶液作為連續(xù)相，在水力學(xué)聚焦型微通道中形成層流流動，由于疏水改性后的殼聚糖在弱堿性環(huán)境下易于進(jìn)行自組裝，因此，在流動過程中，殼聚糖逐漸自組裝形成微球，將紫杉醇負(fù)載在微球內(nèi)部。包覆效率隨著流速的增大、主體混合的增強(qiáng)而逐漸降低，并在約4d內(nèi)具有緩釋效果。Yang等[23]在同軸環(huán)管型微通道中制備出原位包埋氨芐青霉素的單分散殼聚糖液滴，通過將液滴引入CuSO4水溶液中，利用離子誘導(dǎo)殼聚糖凝膠化，實(shí)現(xiàn)了對氨芐青霉素的快速負(fù)載。通過控制微球尺寸，得到不同的傳質(zhì)距離，實(shí)現(xiàn)了氨芐青霉素從3h到18h之間的不同速度的釋放。殼聚糖優(yōu)異的生物相容性、生物可降解性、黏膜黏附性等奠定了其在藥物遞送領(lǐng)域的優(yōu)勢，微流控技術(shù)的引入可以對藥物包覆量、釋放速度等進(jìn)行精確的調(diào)控。目前殼聚糖已在很多藥物中得到了實(shí)際應(yīng)用，為了拓展其應(yīng)用，對殼聚糖材料的尺寸以及制備過程中引入的其他物質(zhì)的生物相容性等方面還需要深入優(yōu)化。

表2殼聚糖微球在藥物遞送領(lǐng)域的應(yīng)用

2.4殼聚糖材料在細(xì)胞培養(yǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用

殼聚糖良好的生物相容性、機(jī)械性和細(xì)胞黏附性等，使得其廣泛應(yīng)用于細(xì)胞培養(yǎng)、組織工程、DNA純化等領(lǐng)域。Lee等以殼聚糖為內(nèi)部流體，三聚磷酸鹽為外部流體，制備得到實(shí)心的殼聚糖纖維。在殼聚糖纖維上培養(yǎng)HepG2細(xì)胞，HepG2細(xì)胞會自聚集成為球形，且表現(xiàn)出更高的肝臟特定功能，在肝組織工程領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用。Oh等則在同軸環(huán)管型微通道中，以含有纖維細(xì)胞的磷酸緩沖溶液作為內(nèi)部流體，以殼聚糖和明膠的酸性水溶液作為外部流體，通過流量調(diào)節(jié)形成層流結(jié)構(gòu)，流體后續(xù)直接通入三聚磷酸鈉的溶液中進(jìn)行離子交聯(lián)固化，形成內(nèi)部直接黏附細(xì)胞的殼聚糖-明膠中空纖維，細(xì)胞成活率高達(dá)92%。在細(xì)胞培養(yǎng)液中培養(yǎng)3d后發(fā)現(xiàn)，明膠的加入有利于細(xì)胞在管壁的擴(kuò)散增殖。Lee等則利用殼聚糖與海藻酸鈣的混合液為內(nèi)部流體，以CaCl2的水溶液為外部流體，形成殼聚糖-海藻酸鈣的纖維。分別在纖維的壁面和纖維內(nèi)部培養(yǎng)HepG2細(xì)胞，并與僅采用海藻酸鈣纖維進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)進(jìn)行比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在殼聚糖-海藻酸鈣纖維的壁面所培養(yǎng)的細(xì)胞會發(fā)生自聚集，說明殼聚糖有效地提高了細(xì)胞和壁面之間的相互作用。而與在海藻酸鈣纖維內(nèi)部培養(yǎng)的細(xì)胞進(jìn)行比較，在殼聚糖-海藻酸鈣纖維內(nèi)部的細(xì)胞具有更高的細(xì)胞活性，說明殼聚糖為細(xì)胞提供了更適宜的生長環(huán)境。這對于殼聚糖實(shí)際應(yīng)用于細(xì)胞培養(yǎng)、細(xì)胞治療、組織再生等領(lǐng)域打下了良好的基礎(chǔ)。

3結(jié)論與展望

微流控技術(shù)的精確可控、操作簡易和高度的可重復(fù)性等在材料制備領(lǐng)域體現(xiàn)出前所未有的優(yōu)勢。殼聚糖作為生物相容、生物可降解、吸附性能好、成膜性好且來源廣泛的材料，在諸多領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用。以微流控技術(shù)作為平臺，實(shí)現(xiàn)對殼聚糖功能材料的可控制備，在傳統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)一步拓寬和優(yōu)化了殼聚糖的應(yīng)用。

然而，目前微流控制備殼聚糖功能材料還處于研究階段，對于殼聚糖的尺寸、結(jié)構(gòu)、形貌的調(diào)控范圍還難以完全滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，且復(fù)雜微通道形式下的材料調(diào)控制備還存在放大困難的問題，因此，如何在更大的范圍內(nèi)控制殼聚糖材料的尺寸、如何利用簡單的微通道結(jié)構(gòu)形式實(shí)現(xiàn)殼聚糖材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制備、如何利用殼聚糖與其他材料的復(fù)合延長其使用壽命、如何降低制備過程成本以及實(shí)現(xiàn)批量化可控制備等問題還有待進(jìn)一步的研究。

文獻(xiàn)來源化工學(xué)報 DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20150814  作者：趙紅，徐曉敏，徐建鴻，王濤，駱廣生（轉(zhuǎn)載僅供參考學(xué)習(xí)及傳遞有用信息，版權(quán)歸原作者所有，如侵犯權(quán)益，請聯(lián)系刪除）