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壳聚糖季铵盐的抗菌性能及医用研究进展

发布时间:2020-07-21 15:12 | 阅读:67次

壳聚糖季铵盐的抗菌性能及医用研究进展

孟德茹
 
( 宜春学院    化学与生物工程学院,江西     宜春    336000)
 
 
摘  要: 壳聚糖季铵盐是一种壳聚糖季铵化产物,来源丰富,具有无毒、抗菌、抗凝、促愈等性能。本文综述了壳聚糖季铵盐的抗菌性能及其在医药领域应用的进展情况,并展望其研究趋势。
关键词: 壳聚糖季铵盐; 抗菌性; 医药应用
中图分类号: O636     文献标识码: A     文章编号: 1671 - 380X (2018) 09 - 0026 - 04
 
Research Progress of Chitosan Quaternary Salts Antibacterial and Medical Application
MENG  De - ru
( College of Chemistry and BioengineeringYichun UniversityYichun 336000,China)
Abstract: Chitosan quaternary ammonium salt is a kind of chitosan  Quaternate  product,which  is rich  in  nature,  and has the properties of non - toxic,harmless,antibacterial,anticoagulant and so on. In this paper,the anti- bacterial  properties of chitosan quaternary ammonium salt and its application in the field of medicine are reviewed,  and the trend of its research is also prospected.
Key words: Chitosan Quaternary Salts; antibacterial; medical application

     
      壳聚糖 ( Chitosan) ,一种天然高分子聚合物, 是由甲壳素 ( chitin) 脱乙酰化达到 40% 以上得到的产物,也称为脱乙酰甲壳素。它在自然界中的存 量庞大,是仅次于纤维素的第二大无毒害、无污 染、可再生的绿色物质资源,简称 ( CTS) 。壳聚糖具有良好的生物性能及广谱抗菌作用,易制成羧 甲基壳聚糖、烷基化壳聚糖、壳聚糖季铵盐等衍生  物[1,2]。由于 CTS 只能溶于少数酸性溶液,不易溶于水及碱性溶液等[3]的特点,极大限制了它的推 广应用。

      季铵盐又称四级铵盐,它是由烃基取代了铵离子中的四个氢原子而生成的化合物。季铵盐具有杀菌、抗菌、吸附、易溶等性能[4],现被广泛应用于农业杀菌剂、医疗杀菌消毒剂、蓝藻杀灭剂等杀菌消毒领域。
     
      壳聚糖季铵盐 ( HACC)  是将壳聚糖中的氨基基团替换成季铵基团而得到的壳聚糖衍生物,它融合了壳聚糖和季铵盐的优点,使季铵化壳聚糖在抗菌性、溶解性、吸附保湿性等方面都有了很大的提高。

1.CTS 的季铵化改性

1. 1 直接季铵化
      Zi[5]等将壳聚糖与 N - 甲基吡咯烷酮放置一起,加入碘甲烷和 NaOH 的混合溶液,反应生成三甲基壳聚糖碘化铵,再将产物加入到丙酮溶液中置换得到碘化 - N - 三甲基壳聚糖季铵盐。直接季铵化法的实质是将壳聚糖中对其他改性试剂具有亲核性能的氨基转化为季氨基团。

1. 2 间接季铵化
      间接季铵化是指含有季氨基基团的环氧键、卤素等的改性试剂与 CTS 进行反应,这些基团将会取代 CTS 分子中有活性的 H,生成 HACC。间接季铵化包括烷基化季铵化、氮取代季铵化及氧取代季铵化。
1. 2. 1 烷基化季铵化
      烷基化季铵化是将 CTS 分子中的—NH2  与羰基化合物进行反应生成席夫碱,再将席夫碱中的  - C = N 在硼氢化钠作用下还原为 - NH2 - CH - 后, 再与活性卤代烃进行二次还原反应,转化为季铵基 团,得到壳聚糖季铵盐。虽然这种合成方法较繁琐,但能在制备 CTS 过程中引入不同数量的烃基, 以便得到不同碳链的 HACC[6]
1. 2. 2     氮取代季铵化
      通常情况下,CTS 分子中的 C2 位 - NH2 和 C6 位 - OH 在 N、O 位上都可以与 CTS 发生反应,但由于 - NH2 的活性大于 - OH,所以在 - NH2 不受保护时,氮取代产物比氧取代产物更为多见。以水 作为溶剂,先后将壳聚糖与 3 - 氯 - 2 - 羟丙基三乙基氯化铵加入 75℃ 水中反应 12h,将乙醇沉淀、过滤,用水溶解出产物,再用丙酮同样沉淀、过 滤,得到了 N - 季铵化壳聚糖[7]。这是目前制备壳聚糖季铵盐最常用的方法[8]

1.2. 3     氧取代季铵化
      壳聚糖 - OH 上的氨基基团有聚阳离子性,可使 CTS 的抑菌活性更强。而在 C6 位的 - OH 上有氧取代的 HACC 的基团,其可与聚阳离子性的氨基共同形成双抗菌活性基团,增加  HACC  的抗菌性以及水溶性[9]。Nam[10]等用缩水甘油三甲基氯   化铵与壳聚糖 C2 位上的氨基进行亲和加成反应, 研制出  N  - 2  - 羟丙基三甲基壳聚糖氯化铵( GTCC) 。Mi[11]等以 3 - 氯 - 2 - 羟丙基三甲基氯化铵为季铵化试剂,在碱性的有机介质中,通过缩 合反应的方式向壳聚糖结构中引进了季铵结构并生 成了壳聚糖季铵盐。

2.抑菌机理

2.1 抑制细胞内酶活性
      吴迪[12]将特定的菌株置于培养基中 37℃恒温培养 18h 后,加入 HACC,以此做为实验组,与只加入无菌水稀释的溶液 ( 此为空白组) ,在同等条件下作对照。实验得出,由于实验组细胞内的酶外泄, 使得其酶活性要高于空白组。这进一步表明 HACC 有可以降低细菌细胞壁保护胞质不外泄的功能

2.2 影响细菌细胞壁的完整性
      吴迪[12]将活化后的菌株与壳聚糖季铵盐一同加入培养基中 6h 后取出,在经过戊二醛的固定、离心、洗涤等程序后进行透射镜 ( TEM) 观察。在未加入 HACC 前,正常的细菌胞壁与质膜结合紧密且完整可见,胞壁与胞质连接无间隙,但在添 加 HACC 后,细胞壁与胞质间隙变大,前者模糊, 部分缺失, 而细胞质有明显的聚集。实验证明HACC 对细菌细胞壁有抑制合成作用。在 HACC 分子表面有阳离子 ( 正离子) 高分子聚合物的存在, 但是在细菌细胞壁上存在的多为带负电荷的物质   ( 如蛋白质、脂多糖等) ,它们会与阳离子聚合物发生静电相互作用,导致细胞膜的渗透屏障作用丧失,无法形成完整的细胞壁,胞内 DNA、RNA 等遗传物质渗漏到膜外,细菌无法生长和繁殖,细胞自我溶解死亡[13]

3.抑菌效果的影响因素
      HACC 在不同的影响因素下, 如: 环境 PH 值、季铵盐的取代度、温度条件、分子量的大小、溶液浓度等,都会产生不同的抑菌效果。   

3.1 环境 PH 值对抑菌效果的影响

      刘振儒等[14] 用添加了 HACC 的 HCl 和 NaOH 溶液分别调节不同程度的细菌、真菌培养基的 pH 值。随着 PH 升高,菌落数反而减少。实验证明在中性或弱碱性环境下,细菌中的蛋白质将会带有更多的负电荷,而负电荷会增加与 HACC 间的相互作用,使壳聚糖季铵盐的抑菌效果大幅提升。

3. 2 不同浓度 HACC 的抑菌效果
      刘鹏涛等[15]对 CTS 进行改性制成 N - 三甲基壳聚糖季铵盐 ( NTCC) ,系统考察了 NTCC 溶液的浓度等因素对革兰氏阴性菌大肠杆菌  ( E. coli)    及革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌  ( 金葡菌)    的抑菌效果。当NTCC 的浓度达到0. 025% 以上时,对大肠杆菌和金葡菌的抑制作用都会达到 50% 以上;    当浓度继续升高达到 0. 1% 时,对大肠杆菌和金葡菌的抑制达到了 90% 左右。刘振儒[14]用等量的菌悬液加入到不同浓度的壳聚糖季铵盐溶液中进行 37℃ 恒温培养 24h,观察菌群的生长情况。实验表明,随着HACC  浓度的增加,其杀菌效果也有所提升,但抑菌作用更为显著;  当浓度加到 7. 5 mg / mL 时,对金葡菌的杀灭作用达到了 100% ,当浓度升高到 10 mg / mL 时,对大肠杆菌的杀灭作用达到了 100% 。说明不同浓度的 HACC 对于抑制细菌生长的作用有所差异,在一定范围内,伴随 HACC 浓度的升高, 抑菌作用增强,且抑菌活性大于杀菌活性。

3. 3  分子量大小对抑菌效果的影响
      程国君等[16]通过 γ 射线辐照 CTS,使其降解得到低分子量的 CTS,并引进季铵基团对其进行改性,制备了低相对分子质量的 HACC,对抗菌性做了研究及讨论。低相对分子质量 HACC 与正常量HACC 对 E. coli 和金葡菌的最小抑菌浓度 ( MIC) 为 0. 025% 、0. 025% 和 0. 05% 、0. 05% ,可见低相对分子量的 HACC 的抑菌作用要好。李世迁等[17]将氯化 - N - 三甲基壳聚糖 ( TMC) 进行羧甲基化改进,合成了聚两性的 O - 羧甲基 - N - 三甲基壳聚糖季铵盐 ( CMTMC) ,对不同分子量的CMTMC 分别进行最小杀菌浓度 ( MBC)  和 MIC 的测试,最小分子量的 CMTMC  对大肠杆菌和金葡菌的 MIC 为 1. 5 μg / mL 和 2 μg / mL,MBC 都 为 3μg / mL; 最大分子量的 CMTMC 的 MIC 都是 1μg / mL, MBC 分别是 2μg / mL 和 2μg / mL。可见,分子量小的 CMTMC 比分子量大的抑菌效果要好。就杀菌作用而言,分子量大的 CMTMC 效果更为显著。不同分子质量的壳聚糖季铵盐,在分子表面形成的正电 荷离子的数量不同,低相对分子质量的季铵盐,可 能更容易进入细胞,破坏胞内物质,而分子量大的 壳聚糖季铵盐则作用于细菌细胞壁使之无法形成。

3. 4  季铵化程度对抗菌效果的影响
      赵希荣等[18]  将不同质量分数的单取代   HACC ( N - 烷基 - N,N - 二甲基壳聚糖氯化铵产物) 与双取代 HACC ( O - 季铵化 - N - 壳聚糖席夫碱产物) 分别置于含有金葡菌和大肠杆菌的培养基中37℃ 连续培养 48h 左右, 观察菌群生长情况与HACC 取代度的关系。O - 季铵化 - N - 肉桂醛壳聚糖席夫碱对金葡菌的 MIC 值达到 0. 01% ,对大肠杆菌的 MIC 值达到 0. 02% ,抗菌活性最强。实验表明季铵化度越高 ( HACC 所携带的单位正电荷数越多) 其抑菌性能也就越强。


3.5  环境温度对抑菌性的影响
      刘鹏涛[13]将NTCC 溶液分别置于 80℃、100℃、120℃ 等环境下放置 30min 后立即于水浴中冷却, 与室温不经处理的 NTCC 做对照。室温下对 E. coli 和金葡菌的抑菌都能达到 75% 以上,80℃ 时抑菌率为 35% 以上,100℃ 和 120℃ 抑菌效果更差。实验可见,温度越高,抑菌率反而下降,表明热处理  对抗菌的影响较大。王冰等[19]将 HACC 与有机硅季铵盐进行复配后测试温度等对抑菌效果的影响, 将温度降低和升高,复配剂表现出不同的抗菌效 果,当温度升高至 40℃ 时,抑菌作用达到最佳, 继续加热后,抑菌率反而下降。这是由于在较低温  度下,壳聚糖季铵盐类抗菌剂不会发生分解反应, 但经过热处理,HACC 温度升高,水解速度变快, 导致无效分解增加,达不到最佳抑菌作用。

4.医药领域的应用
      壳聚糖季铵盐有多方面生物活性,为其在医药领域的应用提供了可行。

4.1  在治疗瘢痕方面
      张静等[20]将壳聚糖季铵盐制成硅凝胶涂抹在  病患的瘢痕处,与未用药的患者做对照,比较治疗 前后的瘢痕硬度、高度及疼痛等方面,发现壳聚糖 季按盐硅凝胶不仅具保湿、抗菌抗炎的效果[12], 还可抑制瘢痕生长。鲁旺旺[21]将 HACC 护肤液用于临床实验,在经过基础处理后的仅有开放性伤口的青年患者破损处进行 3 个月的试验研究,与自然生长的病患 ( 空白组) 对照后,结果显示实验组在瘢痕形成时期的颜色、疼痛、瘙痒等方面,都较空白组明显下降。表明 HACC 具有较好的抑制瘢痕形成的效果,尤其是增生性瘢痕。这可能与季铵盐有能调节不同类型胶原蛋白的比例、还可抑制成纤维细胞的过度增生、分裂有关。

4. 2 作为药物的靶向载体
      因 HACC 有着良好的生物降解性、相容性及黏膜的高通透性,可作为药物的靶向载体[22]。Li- ang 等[23]人制备了羧甲基壳聚糖十八烷季铵盐乙醇脂质体,能够包载脂溶性物质和水溶性物质,此HACC 制备的载药微球对药物具有缓释或控释能力。壳聚糖季铵盐可制成凝胶作为药物包衣,在进 入体内后无法快速释放,到达一定时间和部位,受 到 PH 值、温度等环境的影响时才会进行溶解。HACC 被制成缓释剂或靶向制剂可以提高药物的生物利用度,有效发挥作用,减少不良反应的发生。

4. 3  降低血脂
      郭东华等[24] 采用高脂饲料喂养大鼠 3 周后, 建立高脂模型,用碘化壳聚糖季铵盐  ( TMCI)    进行调脂。对比大鼠给药前后的血脂数据,发现给药  前血清总胆固醇  ( TC) 、甘油三酯  ( TG) 、低密度脂蛋白  (  LDL)    等值均处于高水平状态,而在用药2 周、4 周后 TC、TG、LDL 等指标均有明显下降。实验证明 TMCI 对血脂具有一定的降低作用。壳聚糖经过季胺化后,可防止血清胆甾醇含量的上升。但壳聚糖季铵盐调血脂的机理尚无深入的研究及探  讨,目前大多数学者所认同的观点是季铵盐作为一  种胆酸络合剂,与胆固醇结合以后,使过多的胆酸  排出体外, 达到降低胆固醇的目 的[25]。因此, HACC 可作为食用纤维和降血脂用药来使用[26]
4. 4   抑制肿瘤生长、提高免疫
      张建国等[27]研究低分子 HACC 与小鼠 S180 实体瘤与机体免疫功能的关系,实验结果说明低分子HACC 不仅能够抑制小鼠实体瘤的恶性生长 ( 最高抑瘤率达 42. 2% ) ,同时还能够提高小鼠的肠道免疫功能。由于 HACC 分子表面带有较多的正电荷, 可以与肿瘤细胞表面的负电荷相结合,以达到抑制 肿瘤生长的目的,所以,临床上应用 HACC 作为中晚期癌症病患的辅助治疗药物,对病患的放疗、化疗起到一定的辅助、保护作用[28]

4. 5   HACC 可做为抗感染材料
      姚云真[30]将 HACC 与明胶按照不同比例混合, 加入甘油进行增塑,60℃ 条件下搅拌 30min,均匀涂抹在树脂板上,48h 后行成了壳聚糖季铵盐/ 明胶共混抗菌膜。这种膜既有 HACC 的抑菌性又有明胶的粘合、保湿作用,可置于皮肤表面阻抗外界污染,促进伤口愈合; 还可应用于植入材料的表面进行抗感染处理。

4. 6 其 他
      张浩等[31]用 HACC 生物胶体液局部湿敷于创伤修补术术后部位进行临床试验,结果显示植皮生 长良好,未出现感染以及皮片溶解,说明 HACC 可促进皮肤组织的创伤愈合,提高细胞成活率[32]。屠美等[33] 将 HACC、CTS 和戊二醛为材料制得HACC / CTS 复合膜,这是一种在物理机械性能方面较优越的抗凝血材料。由于 HACC 具有的易降解及可吸收性,还可作外科手术缝线、可接触镜片、可接触镜片的洗涤液、消炎眼药膏[34]、抗感染及促进皮肤组织愈合的人工皮肤等等。


5.总结
      HACC 作为一种高分子聚合物,具有良好的抗菌抑菌、保湿、易溶等性能,因此可作为瘢痕及创 伤修复、抗感染、调脂、载药及药物控释等产品应 用。而 HACC 的这些性能与 CTS 的季铵化改性有着密切的联系,但人们对于这种关联的研究目前还 不是很深入,为进一步提高 HACC 的扩展应用, 有必要加大对 CTS 季铵化的了解和探究,以便提高和改善 HACC 的性能。
     
      以壳聚糖衍生季铵盐抗菌剂是壳聚糖衍生物研 究的热点,但目前对壳聚糖及其季铵盐衍生物的抗 菌机理的研究还不深入,而进一步提高抗菌性能, 必须以全面、深层次认识其抗菌机理为基础。从化 学结构方面来看,含吡啶的季铵盐、双季铵盐等具 有更高杀菌活性,与壳聚糖反应,有望制得具有更 好抗菌效果的壳聚糖衍生物抗菌剂。
 
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