甲基丙烯酰化壳聚糖的合成、性能与应用研究

摘要

壳聚糖（Chitosan）是一种来源广泛、生物相容性良好的天然阳离子多糖材料，在组织工程、生物医用材料和药物递送等领域展现出广泛应用价值。然而，其溶解性差、力学性能弱、化学改性位点有限，制约了其在先进生物材料中的进一步拓展。通过甲基丙烯酰化修饰，将甲基丙烯酰（MA）基团引入壳聚糖分子中，可赋予其光交联能力，从而形成结构可控、响应快速的水凝胶网络。本文系统阐述了甲基丙烯酰化壳聚糖的合成方法、理化性能、生物相容性与在3D生物打印、组织修复和药物缓释等方面的典型应用，并探讨了其未来发展方向。

一、引言

壳聚糖是脱乙酰壳质后得到的线性阳离子多糖，主要由β-(1→4)-D-葡萄糖胺单元组成，因其良好的生物降解性、生物相容性、菌性等特性，在生物医学材料领域被广泛研究。然而，天然壳聚糖存在以下问题：

• pH依赖性溶解性，仅在酸性条件下可溶；

• 缺乏足够的反应活性位点；

• 不具备交联能力，难以形成稳定三维结构。

甲基丙烯酰化壳聚糖通过在壳聚糖主链上引入甲基丙烯酰（–CH₂=C(CH₃)CO–）基团，能在光引发剂作用下通过自由基聚合反应形成交联网络，从而构建具有高稳定性和结构可控性的功能性水凝胶。

二、合成方法

1. 原料与基本反应

• 起始材料：壳聚糖（Chitosan）

• 修饰剂：甲基丙烯酰胺（Methacrylic anhydride，MAA）或甲基丙烯酰氯（Methacryloyl chloride）

• 溶剂体系：酸性水（通常为1%冰醋酸）或缓冲液

2. 典型合成步骤

1. 将壳聚糖溶解于1%醋酸溶液中，搅拌形成透明均一溶液；

2. 滴加甲基丙烯酰酐于壳聚糖溶液中（常用摩尔比1:1至5:1），控制反应温度在室温或37°C；

3. 反应时间通常为4–12小时；

4. 用透析袋透析除去未反应单体与副产物（MWCO约10 kDa）；

5. 冷冻干燥后获得Chitosan-MA干粉。

3. 影响因素

• pH控制：过酸或过碱会抑制MA反应或导致壳聚糖降解；

• 温度：过高可能导致MA分解；

• 甲基丙烯酰化程度（Degree of Substitution, DS）：可通过¹H-NMR、TNBS法、紫外滴定等表征，DS通常控制在10–50%。

三、光交联性能与水凝胶构建

甲基丙烯酰化壳聚糖可在紫外或可见光照射下，加入光引发剂（如Irgacure 2959，LAP等）后发生自由基聚合，快速交联形成三维水凝胶。

1. 光交联条件示例

2. 水凝胶性能调控因素

• MA取代度：影响交联密度、力学强度、孔隙结构；

• 溶液浓度：影响凝胶粘度与成型性；

• 交联光照时间：控制凝胶形成速率与完整性；

• 复合改性：可与明胶、海藻酸钠、透明质酸共混以改善机械性能或细胞亲和性。

四、主要物化与生物学性能

五、典型应用领域

1. 组织工程支架

• 可注射水凝胶用于软骨修复、神经导管、心肌贴片；

• 与3D生物打印技术结合，打印复杂结构支架；

• 可搭载干细胞、外泌体，实现局部细胞治疗。

2. 药物控释系统

• 药物可通过物理包埋、化学结合等方式负载；

• 利用光交联控制初始释放，凝胶孔隙调控长期缓释；

• 适用于小分子药、蛋白质、siRNA等递送。

3. 肿瘤治疗与免疫调控

• 局部注射形成原位凝胶屏障，加载化疗药物或免疫激活因子；

• 可添加光敏剂形成光热或光动力治疗平台；

• 表面可修饰抗体、糖类实现靶向识别。

4. 伤口敷料与菌材料

• 优异的水分保持与气体交换能力；

• 可负载银离子、生素用于感染控制；

• 适合糖尿病创面、烧伤敷料开发。

六、研究挑战与未来发展

1. 精确控制功能化程度

需建立标准化甲基丙烯酰化程度调控与定量方法，确保批次一致性。

2. 可降解性与生物响应调控

未来可设计智能响应型结构，如温度、酶、ROS响应性CS-MA水凝胶。

3. 多功能复合材料开发

结合无机纳米粒子（如Fe₃O₄、金纳米棒）、多肽、生长因子构建集诊疗于一体的复合体系。

4. 产业化与标准体系

现阶段CS-MA主要停留在实验室阶段，未来应开发GMP级材料、规模化合成与临床前评价体系。

七、结语

甲基丙烯酰化壳聚糖作为一种具备结构可调、生物可降解、光响应交联能力的功能高分子材料，正在成为组织工程、水凝胶药物系统及3D打印生物墨水的研究热点。随着合成方法、功能调控技术及应用体系的不断成熟，CS-MA有望在精准医疗与再生医学中发挥更为重要的作用。