1.3　壳聚糖的改性

壳聚糖是一种天然的吸附剂，其分子中含有大量含孤对电子的氮原子和氧原子，对重金属离子有很好的吸附能力。但是由于配位原子含量不多、螯合能力弱、架桥能力差、适用的pH值范围较窄等不足，在实际应用中受到限制。近年来，根据壳聚糖在吸附重金属离子方面存在的不足，许多学者已经进行了大量的研究，并取得了丰硕的成果。对壳聚糖进行改性是目前研究的热点，改性能提高壳聚糖的稳定性，增加壳聚糖分子上吸附位点的数量，进而增加壳聚糖对重金属离子的吸附量。目前已报道了很多壳聚糖改性的方法，归纳起来可以分为两类：物理改性和化学改性。

1.3.1　物理改性

物理改性即通过物理的方法将壳聚糖进行处理，以期最大限度地发挥其功能。这包括进一步减小壳聚糖颗粒的粒径，来增加其比表面积，进而更好地发挥其吸附性能；还可以将壳聚糖与其他多孔无机物共混，这样可以同时发挥多种聚合物的优点，有效地扩大了壳聚糖的应用范围。

1.3.1.1　壳聚糖的共混改性

共混改性是壳聚糖物理改性的一种常用方法，它可以同时发挥壳聚糖和共混聚合物的优点，使壳聚糖的应用范围更广。壳聚糖可以与许多聚合物共混，形成热力学稳定的体系。但是也有与壳聚糖相容性不好的聚合物，为了解决这个问题，可以加入适量交联剂，让混合组分连接到一块，从而达到共混的目的。文献指出^{［84，85］}，壳聚糖与胶原有很好的相容性；与壳聚糖共混之后，明显改善了胶原基质材料的机械性能和生物学性能，两者以1∶1混合时分子间作用力最强。侯进等^［86］把壳聚糖溶于醋酸溶液中，并加入小分子添加剂，然后将此溶液均匀地涂在聚丙烯腈膜上，并用戊二醛进行交联，制得了壳聚糖/聚丙烯腈共混复合纳滤膜，从而改善了复合膜的柔韧性和透水性。壳聚糖与一些聚酰胺类化合物共混时相容性也很好，红外结果证明壳聚糖与它们之间有氢键形成。

1.3.1.2　小分子无机物填充

壳聚糖不仅能和有机聚合物共混，也能和许多无机物共混，使得共混物兼有多种优点。壳聚糖与磷酸三钙或羟基磷灰石等无机材料复合后，对医疗支架材料的生物相容性、韧性和强度有很大改善^［87］，壳聚糖羟基磷灰石复合材料已应用到了骨组织工程中。Mukherjee等^［88］将谷氨酸盐加入到壳聚糖羟基磷灰石浆糊状中，制得了骨骼的修复材料，并用于兔子颅骨缺损的修复。Takagi等^［89］用壳聚糖和磷酸三钙（四钙）制得了具有良好生物亲和性和赋形性的硬组织修复材料，该复合物的理化性质与人体的骨组织很接近。

1.3.1.3　壳聚糖型聚电解质复合

两种带相反电荷的聚合物混合时，由于静电吸引作用会形成聚电解质复合物（PEC）。由于PEC有其独特的性质，因此也引起了很多人的关注。由于壳聚糖分子中含有氨基，因此，本身可带有正电荷。壳聚糖有很强的化学活性，很容易对其进行化学修饰，可引入带负电荷的基团如—COO^-、—S等。当带有正电荷的壳聚糖与带负电荷的混合时，就会形成PEC。实验条件对PEC的一些性质有很大的影响，通过改变实验条件可以得到微球、纤维、薄膜、胶囊、海绵等满足不同需求状态的PEC^［90］。Park等^［91］报道了将壳聚糖与硫酸软骨素混合形成PEC，然后用冷冻干燥技术把其做成多孔海绵状结构，用其来考察血小板诱导生长因子的释放速度。由于硫酸软骨素和血小板诱导生长因子都带有负电荷，因此，当硫酸软骨素单独作为包覆材料时，由于同种电荷的排斥作用会导致突发性释放。但是壳聚糖与硫酸软骨素混合制成的海绵状结构的PEC很好地解决了这一缺点，且生长因子的活性更好，成骨细胞迁移增殖率也明显加快。赵伟等^［92］以海藻酸钠-壳聚糖聚电解质复合平板膜为研究模型，利用渗透池法，重点考察溶氧在膜中的扩散行为及其影响因素。结果显示：复合膜的扩散系数和孔隙率均低于海藻酸钙，复合膜中溶氧扩散系数为（7～13）×10^-10m²/s，为水中的23.3%～43.3%，孔隙率为93%～97%；扩散系数随海藻酸钠特性黏度的增大而减小，随壳聚糖分子量的增大而减小。

1.3.2　化学改性

物理改性是在不改变壳聚糖自身性质的状态下，靠改变壳聚糖的形态或引入其他物质来得到不同性质的复合物，这不能从本质上改变壳聚糖的性质。化学改性充分利用了壳聚糖的高化学反应性的特点，从本质上改变了壳聚糖的性质，使壳聚糖的应用范围变得更广。壳聚糖分子中含有大量的羟基和pK_a值很低的氨基，具有很强的化学反应性，可进行如下衍生化反应：酰基化、烷基化、酯化、羧甲基化、磺化、羟乙基化、季铵化等。还可进行各种交联反应、接枝聚合反应、重氮化反应等。

1.3.2.1　酰化反应

壳聚糖可与不同的脂肪族或芳香族的酸酐或酰氯反应，得到酰化的衍生物（图1-3），酰氯比酸酐更容易发生反应。壳聚糖分子中同时含有氨基和羟基，氨基更容易参与酰化反应，生成N-酰化衍生物，因此，酰胺类衍生物是酰化反应研究较多的一种反应。但是由于氨基有其特殊的功能，有时需要保留氨基，使酰化反应只在羟基上进行，生成O-酰化衍生物。因此，就需要先保护氨基，等酰化反应结束后再脱掉保护基，这样即可得到酯类酰化衍生物。壳聚糖酰化衍生物有许多重要的性质和用途，在医药领域有广泛的应用。

1.3.2.2　酯化反应

壳聚糖分子中的羟基，可以和许多无机酸、有机酸以及酸的衍生物发生酯化反应（图1-4）。如硫酸、黄原酸、磷酸、硝酸、苯甲酸、脂肪酸以及乙酸等。邬建敏等^［93］对哌啶-N-磺酸作为壳聚糖硫酸酯化试剂的酯化能力，以及各种反应条件对酯化程度的影响进行了初步的研究。结果表明，反应温度80℃，壳聚糖与哌啶-N-磺酸的质量比为1∶4时，产物有较高的硫酸酯化程度。直接用硫酸酯化会造成壳聚糖的严重降解，因此，现在一般首先将SO₃与一些有机胺进行络合，形成络合物，如SO₃-甲酰胺、SO₃-吡啶、SO₃-DMF等，然后在有机溶剂如甲酰胺、DMF、DMSO中反应，这样可以减少壳聚糖分子的降解。壳聚糖酯化衍生物也有广泛的用途，如硫酸化壳聚糖具有与肝素类似的结构和强聚阴离子性质，因此，在抗栓、抗凝、抗病毒和抗肿瘤等诸多生物活性方面的研究引起众多学者的关注。

1.3.2.3　醚化反应

壳聚糖分子中含有大量的羟基，其可与烃基化试剂反应生成醚（图1-5），如甲基醚、羟甲基醚、苄基醚等。壳聚糖分子中氨基的活性大于羟基的活性，因此，在进行醚化反应之前需要对氨基进行保护，反应完成之后再脱掉保护基，从而得到醚化衍生物。

壳聚糖与氯乙酸反应后得到羧甲基化的壳聚糖，羧甲基后的壳聚糖可溶于水溶液，而且具有良好吸湿性和保湿性，在化妆品行业有广泛的应用。纪淑娟等^［94］通过实验确定了羧甲基壳聚糖的最佳制备工艺条件：m（壳聚糖）∶m（氢氧化钠）∶m（氯乙酸）=1∶4.5∶5，制得取代度为1.45的羧甲基壳聚糖。壳聚糖与环氧氯丙烷反应得到的产物仍有很高的活性，还可以与一些高含氮、氧和硫的化合物进一步反应，得到的最终衍生物对重金属离子有很高的吸附量，可以吸附和回收重金属离子。壳聚糖醚化衍生物在其他行业也有广泛的应用，如造纸工业、日用化学、烟草行业、医药行业等。

1.3.2.4　N-烷基化反应

壳聚糖分子中的氨基活性大于羟基，与烷基化试剂反应的时候首先在氨基上进行，得到N-烷基化衍生物（图1-6）。

壳聚糖分子中的氨基上有孤对电子，可进攻环氧衍生物分子中显正电的碳，发生亲核加成反应，生成N-烷基化衍生物，如壳聚糖与环氧丙醇反应制备的N-烷基化衍生物能溶于水。壳聚糖还可以与卤代烃发生反应，所用卤代烃碳链长度不同可得到不同的衍生物。Britto等^［95］为改善壳聚糖分子的机械性能及疏水性质，首先对其进行N-烷基化操作，分别引入丁基、辛基和十二烷基，然后进一步进行季铵化修饰，得到的壳聚糖衍生物成膜后脆性较大，基本不具备黏弹性。由于烷基的引入，壳聚糖分子内和分子间的氢键被破坏，因此，得到的烷基化衍生物溶解性大大增加。但是，如果烷基的链太长溶解度也会减小，链长达到一定程度得到的衍生物甚至不溶于酸。

1.3.2.5　席夫碱化反应

壳聚糖分子上的氨基很容易和醛酮发生席夫碱反应（图1-7），在壳聚糖改性过程中，这是一个很重要的反应。因为氨基的活性比较强，当反应需要在羟基上进行时，就需要把氨基先保护起来，等反应结束后，再通过化学方法将其去掉。再者，特殊的醛酮与壳聚糖反应得到的席夫碱，经硼氢化钠还原后，得到的衍生物有特殊的性质，用途广泛。

易国斌等^［96］报道了壳聚糖与丙酮酸形成的席夫碱有很好的溶解性，也有很好的抗菌效果，可用作蔬菜的保鲜剂。席夫碱化的壳聚糖对重金属离子也有很好的吸附能力，Xinhu Tang等^［97］将4'-甲酰基苯并21-冠-7醚引入到壳聚糖分子中，制备了Schiff碱壳聚糖冠醚（Ⅰ），将产物（Ⅰ）经硼氢化钠还原后得到仲胺型壳聚糖冠醚（Ⅱ），将产物（Ⅰ）经环氧氯丙烷交联后得到交联Schiff碱壳聚糖冠醚（Ⅲ）。以上三种壳聚糖冠醚在Hg²⁺、Pd²⁺和Cu²⁺共存的溶液中对Pd²⁺有良好的选择吸附性，其中产物Ⅱ的选择吸附性能最好，且表现出对Cu²⁺零吸附的状态。但从吸附容量来看，可能是由于空间位阻增大的原因，三种壳聚糖冠醚对金属离子的吸附量有所下降。

1.3.2.6　季铵化反应

壳聚糖季铵化改性之后不仅可以改善其水溶性，而且还具有抗菌、絮凝和保湿的性能。有两种方法可以制备季铵化的壳聚糖：一种是直接将壳聚糖分子中的氨基反应生成季铵盐的形式；另一种方法是把其他的季铵盐化合物接枝到壳聚糖分子上（图1-8）。这两种方法制得的衍生物都有很好的水溶性。

缩水甘油三甲基氯化铵修饰改性后的壳聚糖水溶性和稳定性明显增加，抗菌、絮凝及保湿性能也明显改善^［98］。姜翠玉等^［99］以缩水甘油三甲基氯化铵为醚化剂，制备了O-季铵化衍生物，产物有很好的转化率和水溶性，而且对油田污水有良好的絮凝净化作用。张灿等^［100］用碘甲烷进行了季铵化，通过分步加入碘甲烷的方式提高了季铵化的程度，但是这样也使羟基参与了反应，降低了产物的水溶性。

1.3.2.7　交联壳聚糖及其衍生物

壳聚糖本身也有一些缺点，如在酸性条件下能够溶解，而且在酸性或碱性溶液中会缓慢降解，这很大程度上限制了壳聚糖在废水处理领域的应用。将壳聚糖进行交联之后，其溶解性大大降低。高度交联的壳聚糖在强酸强碱溶液中几乎都不降解，这样就拓宽了壳聚糖的应用范围。因此，对壳聚糖交联化改性是壳聚糖研究较为重要的一方面。较为常见的壳聚糖交联剂有戊二醛、环氧氯丙烷以及冠醚等。完莉莉等^［101］用二苯并-18-冠-6作为交联剂对壳聚糖进行了交联，而且在交联的过程中又嵌入了一定量的冠醚，得到了同时具有交联壳聚糖和冠醚双重结构和性质的壳聚糖衍生物。这种新型的壳聚糖衍生物对吸附回收废水中的Pb²⁺和Cd²⁺有重要的作用。莫少波等^［102］用环氧氯丙烷对壳聚糖进行了交联实验研究，用制备的交联壳聚糖对Mo⁶⁺和Bi³⁺进行了吸附实验，实验结果表明：吸附的最佳pH值为3.0，在此条件下，交联壳聚糖对Mo⁶⁺和Bi³⁺的吸附率高达98.0%和100%，可见是非常有前景的废水中Mo⁶⁺和Bi³⁺的吸附回收的处理剂。Graciela Rojas等^［103］利用Schiff反应，在酸性条件下，壳聚糖与戊二醛交联得到了尺寸为0.85～2.0mm的片状壳聚糖与戊二醛的交联产物。研究及分析了产物在不同条件下对铬离子的吸附性能及其影响因素。通过测定发现对吸附容量影响最大的是pH值。在pH值为4.0的条件下，96h对Cr⁶⁺的吸附容量达到215mg/g，去除率达到99%，并对Cr⁶⁺表现出很强的选择性。

用交联剂直接交联得到的交联壳聚糖本身存在很大的缺陷，交联过程中不仅消耗了大量的活性基团，而且还隐藏了部分羟基和氨基，使得交联后的壳聚糖对金属离子的吸附量大大降低。因此，为了解决这一矛盾，对壳聚糖交联后或交联的同时必须对其进行化学改性。改性后的交联壳聚糖不仅拥有了交联壳聚糖的性质，而且表面也增加了大量的活性基团，对金属离子的吸附量也会大幅增加，这在很大程度上扩大了壳聚糖的应用范围。王志华等^［104］首先用醛将壳聚糖分子中的氨基保护起来，然后用环氧氯丙烷对壳聚糖进行交联，最后用多胺化合物对交联壳聚糖进行改性，制得了氨基化的交联壳聚糖。之后用此产物对金属离子进行了吸附实验，实验结果表明：对Cd²⁺吸附的最佳pH值为6，溶液中加入适量NaCl有助于氨基修饰交联壳聚糖对Cd²⁺的吸附。Ying Yi等^［105］首先将壳聚糖C-2位氨基用苯甲醛保护，然后C-6羟基与环氧氯丙烷交联，再由环氧基接入二乙烯三胺，制备了一种氨基含量比较多的重金属离子吸附剂，并分析了其对Pb²⁺、Ag⁺、Cu²⁺、Ni²⁺、Cd²⁺以及Co²⁺的吸附性能，结果表明：其对Pb²⁺和Ag⁺具有比较好的吸附性能，对Ag⁺的饱和吸附量为1.29mmol/L，在Cu²⁺和Ni²⁺共存的情况下可选择吸收Ag⁺，选择系数分别为、。