《生物工程进展》1999年第19卷第2期

中国科学院大连化学物理研究所116023

王勇解玉冰马小军

摘要壳聚糖作为一种阳离子聚电解质，由于其良好的生物相容性、原料易得及价格便宜而倍受从事生物微胶囊研究的科学工作者的关注。本文综述了壳聚糖和海藻酸钠制备生物微胶囊的原理、方法、影响因素和应用背景。

关键词：壳聚糖；海藻酸钠；生物微胶囊

自从A．M．Sun发明海藻酸钠-聚赖氨酸-海藻酸钠（APA）生物微胶囊（简称微胶囊）以来，微胶囊技术广泛用于人工器官研制，动植物细胞、微生物及酶固定化，药物控制释放^［1］，使得微胶囊在生物医学工程以及其它生物技术领域具有了广泛的应用前景。

制备微胶囊的原理有多种，其中通过聚电解质络合原理制备微胶囊是采用较多的一种。通过这种原理制备微胶囊的显著优点是制备过程温和，微囊化的生物活性物质在制备过程中活性损失很少或不损失。通过这种原理制备微胶囊所选用的阴、阳离子聚电解质材料也有多种，本文着重介绍壳聚糖和海藻酸钠这两种天然聚电解质材料制备微胶囊的原理、方法、影响因素和应用背景。

1 壳聚糖和海藻酸钠反应原理

壳聚糖是通过甲壳素脱乙酰化制备的天然高分子直链多糖，化学名称为（1-4）-2-氨基-2-脱氧-β-D-葡聚糖。海藻酸钠是存在于褐藻类中的天然高分子，从其结构上看是由β-1，4结构的D型甘露糖醛酸的钠盐（M）和α-1，4结构的L型古罗糖醛酸的钠盐（G）共聚而成。由于壳聚糖分子链上有大量的伯氨基，海藻酸钠的分子链上有大量的羧基，所以壳聚糖和海藻酸钠可以通过正、负电荷吸引形成聚电解质膜，反应简图如下：

2 制备方法

采用上述原理制备壳聚糖／海藻酸钠微胶囊，在制备方法上，可以分为一步法^［2～17］、两步法^［18］和复合法^［19］。

2.1 一步法

采用一步法主要有两种方式。一种方式是将壳聚糖和氯化钙的混合溶液直接滴入海藻酸钠溶液中反应形成微胶囊；最终得到了含有壳聚糖沉积层、壳聚糖／海藻酸钠络合层和海藻酸钙凝聚层共三层，内部是液态的微胶囊^［2—4］。另外一种方式是反向操作，即将海藻酸钠溶液滴入壳聚糖和氯化钙的混合溶液中形成微胶囊^［4—17］。

2.2 两步法

这种合成方法类似于传统的APA微胶囊的制备方法。过程简述如下^［18］：

(1)海藻酸钠溶液滴入氯化钙溶液形成海藻酸钙凝胶珠；

(2) 海藻酸钙凝胶珠再和壳聚糖反应形成微胶囊；

2.3 复合法

复合法是在上述两种方法基础上建立起来的，先制备壳聚糖／海藻酸钠微胶囊，然后再以双功能团分子对微胶囊的表面进行修饰，制备过程如下^［19］：

(1) 海藻酸钠溶液乳化、凝胶化；

(2)凝胶化海藻酸盐与壳聚糖进行反应形成微胶囊；

(3)微胶囊用戊二醛、1，6-己二异氰酸脂或苯四甲酸二酐溶液进行表面交联。

上述三种制备方法各有优缺点。一步法的显著优点是制备方法简单，成囊速度快，微囊化物质不容易在制备过程中流失，比较适合于蛋白分子的微囊化。但是，由这种方法制备的微胶囊球性度和光洁度较差，制备过程中微胶囊之间容易粘接。两步法制备的微胶囊球性度和光洁度好，但是制备过程相对繁琐；而且，在制备海藻酸钙胶珠时，微囊化物质容易流失，因此，这种方法相对而言更适合于细胞的微囊化。复合法制备的微胶囊强度较好，但也存在着制备过程繁琐这样的缺点，而且制备条件激烈。因此，这种方法较适合于对环境不很敏感的某些微生物进行微囊化。

3 影响微胶囊性能的主要因素

在壳聚糖／海藻酸钠微胶囊的研究中，主要考察的因素有：壳聚糖分子量、pH值和溶液浓度等。这些因素对微胶囊性能的影响程度主要是通过对微胶囊的强度和控释性来表征的。

3.1 壳聚糖分子量对微胶囊强度与控释性的影响

从Polk等^［5］和Goosen等^［18］的实验可以得出这样一个结论：壳聚糖分子量对微胶囊的强度和控释性的影响是最主要的。

polk等在实验中发现：高分子量壳聚糖制备的微胶囊强度较低；低分子量壳聚糖制备的微胶囊强度较高；而二者按照一定比例混合制备的微胶囊的强度最高。Goosen等发现：随着壳聚糖分子量的降低，制备的微胶囊强度提高。但是，当壳聚糖的分子量过低时，所制备的微胶囊的韧性或者弹性开始降低。

polk等发现：牛血清白蛋白在高分子量壳聚糖制备的微胶囊中释放速度要比在低分子量壳聚糖制备的微胶囊中慢，而在混合壳聚糖制备的微胶囊中释放的速度最慢。Huguet等^［6－7］也发现，高分子量壳聚糖制备的微胶囊释放血红蛋白的速度要慢于低分子量壳聚糖制备的微胶囊。

根据微胶囊强度和控释性分析，壳聚糖分子量对制备微胶囊性能的影响主要由两方面调控：①壳聚糖进入海藻酸钠体系发生络合反应的深度；②单个壳聚糖分子结合海藻酸钠负电荷位点数，或者说在海藻酸钠分子间架桥的能力。对于同样分子量的壳聚糖来讲，如果进入海藻酸钠体系越深，所形成微胶囊的强度就会越高，控释性也相应就越强；而对于不同分子量的壳聚糖来讲，如果进入海藻酸钠体系的深度一样，分子量越大的壳聚糖和海藻酸钠结合的位点数就越多或者说在海藻酸钠间架桥的能力就越强，所形成的微胶囊的强度也会越高，控释性相应就会越强。介于这两点，无论大分子量的壳聚糖还是小分子量的壳聚糖对微胶囊强度和控释性分别都有正反两方面的影响。因此，很好地控制分子量的大小是决定微胶囊性能的关键因素。

3.2pH值

对微胶囊强度和控释性的影响pH值也是影响微胶囊性能的一个主要因素。在微胶囊的制备、后处理和存放过程中，壳聚糖溶液、后处理溶液和存放溶液的pH值对微胶囊的性能都有一定影响。

polk等^［5］发现：pH值为5.5时，制备的微胶囊强度最高；高于或低于5.5，制备的微胶囊强度略有下降。Knorr等^［2］为了提高微胶囊的强度，在制备微胶囊后，用不同种类和不同pH值的缓冲溶液对微胶囊进行后处理。结果表明：使用不同溶液进行后处理，微胶囊的机械强度不同。磷酸盐缓冲溶液处理的微胶囊机械强度最差；pH3的硼砂缓冲溶液处理的微胶囊机械强度相对较好，能承受住6.28×103Pa的压力；而pH8～9TrizmaBase溶液处理的微胶囊的41机械强度最好，能承受住2.18×104Pa的压力。

huguet等^［6－7］和Kim等^［8］发现：随着pH值的升高，微胶囊释放蛋白的速度增加；而且释放速度随蛋白分子量的降低而增加。最近，Lee等^［9］分别用不同pH值的壳聚糖溶液对愈创木酚甘油醚进行微囊化，结果表明：在pH等于4.8时，微胶囊的控释性最强，释放愈创木酚甘油醚的速度最慢；在pH值低于或高于4.8时，微胶囊的控释性都较弱，释放愈创木酚甘油醚速度都较快。另外，Polk等^［5］在实验中发现：同样条件下制备的微胶囊在不同pH值的存放溶液中所表现的控释性也不同，微囊化的牛血清白蛋白释放速度随着存放溶液pH的降低而减慢。

pH值对微胶囊的各方面的性能产生影响，是因为影响了壳聚糖所带电荷、空间构象以及和海藻酸盐的相互作用。另外，pH值对包埋物质的空间构象以及所带电荷也会有一定的影响，从而对微胶囊的控释性也产生影响。

3.3 壳聚糖浓度对控释性的影响

polk等^［5］考察0.1％（w／v）到0.2％（w／v）的壳聚糖溶液制备微胶囊时，发现牛血清白蛋白的释放速率随壳聚糖浓度的升高而升高。但是Kim等^［8］发现：随着壳聚糖的浓度的继续升高，如从0.25％（w／v）升高到1％（w／v），微囊化牛血清白蛋白的释放速率开始逐渐减慢，微胶囊的控释性增强。Huguet等^［6］的试验也证实了这一点，当用0.2％（w／v）的壳聚糖溶液制备微胶囊时，制备过程中微囊化的血红蛋白释放90％以上；而用0.8％（w／v）的壳聚糖溶液制备微胶囊时，制备过程中微囊化的血红蛋白释放仅1％。

上述试验说明，壳聚糖浓度对微胶囊控释性的影响应该分成两个区间来考虑，即：在一定低浓度范围（＜0.25％）内随着壳聚糖浓度的升高，微胶囊的控释性渐弱；而超出这个范围（＞0.25％），随着壳聚糖浓度的升高，微胶囊的控释性逐渐增强。

3.4 其它因素的影响

除了上述三种因素之外，其它考察的因素有：添加剂、海藻酸钠浓度、壳聚糖侧链结构、成囊反应时间等。

knorr等^［2］和Daly等^［3］发现葡萄糖作为一种可塑剂加入到壳聚糖溶液中有利于微胶囊强度的提高。Okhamafe等^［10］发现乙酸丁二酸羟丙基甲基纤维（HPMCAS）可以作为一种微胶囊的控释调节剂。Polk等^［5］