• 阳离子特性: 在酸性条件下，壳聚糖是自然界中少有的带正电荷的多糖，这赋予了它独特的生物活性。
• 链刚性: 由于其骨架由刚性的吡喃葡萄糖环构成，并通过β-1,4-糖苷键连接，壳聚糖的分子链具有较高的刚性。
• 生物可降解性: 其糖苷键可以被体内的溶菌酶等酶切断，降解为无毒的氨基葡萄糖及其齐聚体，这些都是人体可以代谢的正常糖类分子。

• 多重生物活性: 这是壳聚糖最宝贵的特性。它集多种功能于一身：
  • 生物粘附性 (Mucoadhesion): 其正电荷能与带负电的粘膜表面（如胃肠道、鼻腔）发生强烈的静电相互作用，使其能粘附在粘膜上。
  • 抗菌性: 其正电荷能吸附并破坏带负电的细菌和真菌的细胞膜。
  • 止血性 (Hemostatic): 其正电荷能吸引带负电的红细胞和血小板，促进血凝块的形成。
  • 促进伤口愈合: 能刺激多种生长因子的分泌，加速组织再生。
• 成膜性与成纤性: 壳聚糖溶液可以方便地加工成透明、柔韧的薄膜、纤维和多孔海绵。

壳聚糖可以通过化学修饰或物理共混/络合，来改善其溶解性、力学性能，或构建功能强大的复合生物材料。

壳聚糖链上的伯胺基和羟基是高反应活性的“化学手柄”。

• PEG化 (PEGylation): 将PEG链接枝到壳聚糖上，可以改善其在中性pH下的溶解性，并降低其与生物分子的非特异性相互作用。
• 季铵化: 将其伯胺基转化为季铵盐，可以使其在所有pH下都带有永久性的正电荷，从而增强其抗菌活性。

这是构建壳聚糖基水凝胶和纳米粒最常用、最温和的方法。

• 与聚阴离子络合: 壳聚糖作为聚阳离子，可以与任何聚阴离子（如海藻酸盐、透明质酸、硫酸软骨素、三聚磷酸钠TPP、DNA/RNA）通过简单的物理混合，发生静电络合作用。这个过程可以自发地形成水凝胶或纳米颗粒，整个过程在水相中进行，无需有机溶剂或剧烈条件，非常适合封装脆弱的生物分子。
• 与PVA/PEO共混: 与聚乙烯醇(PVA)或聚乙二醇(PEO)共混，可以通过氢键作用形成相容性良好的复合材料，用于改善壳聚糖膜的力学性能。

壳聚糖是一种多功能的天然保护剂，其保护作用涵盖了从基因药物到伤口再到新鲜食品的多个层面。

作为一种生物可降解的聚阳离子，壳聚糖是PEI等合成载体的更安全的替代品。

• 静电压缩与屏蔽: 壳聚糖的正电荷与核酸的负磷酸根发生静电相互作用，将核酸压缩成致密的纳米复合物(chitosan/DNA polyplexes)。
• 防止酶降解: 这个复合物可以保护核酸免受核酸酶的降解。

壳聚糖是先进伤口敷料的核心成分，提供双重保护。

• 物理屏障: 壳聚糖制成的水凝胶、海绵或薄膜可以在伤口表面形成一个物理屏障，防止外界细菌的入侵，并为伤口提供一个湿润的愈合环境。
• 生物保护: 其固有的止血性可以快速止血；其抗菌性可以保护伤口免受感染；其促进愈合的活性可以加速组织再生。

壳聚糖是一种理想的可食用、抗菌性包装膜。

• 应用: 将水果、蔬菜或肉类浸入壳聚糖的酸性溶液中再晾干，其表面会形成一层薄薄的、透明的保护涂层。这层涂层可以：
  1. 抑制微生物生长，防止腐败。
  2. 作为气体屏障，减缓果蔬的呼吸作用和水分蒸发，延长货架期。

壳聚糖是一种高效、环保的絮凝剂，是传统无机絮凝剂（如明矾）和合成聚合物（如PAM）的绿色替代品。

• 工作原理: 其强大的正电荷使其能高效地中和并絮凝水中的各种带负电荷的污染物，如悬浮的泥沙、胶体、藻类、有机物和重金属离子络合物。
• 优势: 作为一种天然产物，它最终可以被生物降解，不会造成二次污染。产生的污泥也可以用作肥料。

壳聚糖在食品工业中作为多功能添加剂被广泛应用。

• 澄清剂 (Fining Agent): 在酿酒和果汁生产中，壳聚糖被用作澄清剂。其正电荷可以与酒或果汁中带负电的悬浮颗粒（如酵母、蛋白质、果胶、鞣酸）结合，形成沉淀，从而使产品变得清澈透亮。
• 天然食品防腐剂: 如前所述，其抗菌性使其可以用于延长食品的保质期。

壳聚糖的生物粘附性和pH响应性使其成为构建非注射给药系统的理想载体。

• 粘膜给药 (Mucoadhesive Delivery):
  • 口服给药: 壳聚糖可以粘附在胃肠道粘膜上，延长药物的停留时间。更重要的是，它被认为可以暂时性地打开细胞间的“紧密连接”，从而提高大分子药物（如胰岛素、多肽）的口服吸收。
  • 鼻腔给药: 用于疫苗或药物的鼻腔喷雾剂，可以提高抗原或药物在鼻腔粘膜的滞留和吸收，是疫苗无针递送的重要途径。
• pH响应性释放: 壳聚糖与聚阴离子形成的纳米粒，其稳定性对pH敏感。例如，在胃的酸性环境中稳定，进入肠道的中性环境后，壳聚糖电荷降低，可能导致纳米粒解体，从而实现部位特异性释放。

这是壳聚糖在生物医学治疗领域最成功、最成熟的应用。

• 先进伤口敷料: 商业化的壳聚糖基伤口敷料（如海绵、水凝胶、纤维）利用其止血、抗菌、促进愈合和生物可吸收的多重功效，被广泛用于处理创伤、烧伤、手术后伤口和慢性难愈合伤口（如糖尿病足溃疡）。
• 组织工程支架: 壳聚糖易于加工成多孔支架，用于骨、软骨、皮肤和神经等多种组织的再生工程。

壳聚糖被广泛认为是无毒、生物相容性极佳、非免疫原性的天然生物材料，拥有非常良好的安全记录。

壳聚糖的另一个关键安全优势在于其降解产物。

• 天然代谢物: 壳聚糖在体内被溶菌酶等酶降解后，其最终产物是D-氨基葡萄糖及其齐聚体。氨基葡萄糖是人体关节软骨和结缔组织中糖胺聚糖的天然组成部分，可以被身体完全、安全地利用或清除。

• 阳离子毒性: 尽管远低于PEI等合成聚阳离子，但壳聚糖的阳离子特性在高浓度或高脱乙酰度时，仍可能对细胞膜造成一定的扰动。其毒性通常与分子量和脱乙酰度成正比。
• 原料来源与纯度: 这是最重要的安全考量。
  • 过敏原: 来源于虾蟹壳的壳聚糖可能含有残留的蛋白质，对贝类过敏的人群可能产生过敏反应。因此，医用级壳聚糖必须经过严格的纯化以去除蛋白质。
  • 内毒素: 用于注射或植入的壳聚糖必须严格控制内毒素的含量，以避免引发严重的发热和炎症反应。

壳聚糖不是通过单体聚合来“合成”的，而是通过对自然界中储量第二丰富的天然多糖——几丁质 (Chitin)——进行化学转化来“生产”的。

整个过程主要分为两步：

1. 第一步：几丁质的提取
   几丁质是虾、蟹等甲壳类动物外壳和真菌细胞壁的主要结构成分。生产过程首先从这些生物质废料中提取几丁质。这通常包括：
   • 脱蛋白: 用碱溶液（如NaOH）处理，去除与几丁质结合的蛋白质。
   • 脱矿质: 用酸溶液（如HCl）处理，去除碳酸钙等无机盐。


2. 第二步：几丁质的脱乙酰化
   这是从几丁质到壳聚糖的关键转化步骤。将上一步得到的纯化几丁质，在高温下（如80-120°C）用高浓度的碱溶液（通常是40-50%的NaOH）进行处理。在这个苛刻的条件下，几丁质重复单元上的N-乙酰基(-COCH₃)会被水解脱去，转变为伯胺基(-NH₂)。

通过精确控制第二步脱乙酰化反应的条件（NaOH浓度、温度、反应时间），可以得到具有不同脱乙酰度(DD)的产品。通常，当DD > 50%时，产物即可在稀酸中溶解，被称为壳聚糖。通过后续的酸、酶或物理方法（如辐照）处理，可以得到不同分子量(MW)的壳聚糖产品。

这是定义壳聚糖身份和性能的最关键参数，直接决定了其阳离子电荷密度和溶解性。

• 核磁共振波谱 (¹H-NMR): 这是测定DD最准确、最可靠的方法。在氘代酸性溶液中，N-乙酰基的甲基质子(~2.0 ppm)和糖环骨架上的质子(H1, ~4.9 ppm; H2-H6, ~3.2-4.0 ppm)都有特征信号。通过精确计算乙酰基质子峰与糖环骨架某个质子峰的积分面积之比，可以准确地确定DD值。
• 傅里叶变换红外光谱 (FTIR): 一种快速的半定量方法，通过比较酰胺I带(~1655 cm⁻¹)与某个参考峰（如C-H或O-H）的吸收强度比值来估算DD。
• 电位滴定法: 通过用标准碱溶液滴定壳聚糖的酸性溶液，可以测定其质子化的氨基含量，从而计算DD。

• 凝胶渗透色谱-多角度光散射联用 (GPC-MALS): 这是测定壳聚糖这类多糖绝对分子量的黄金标准方法。GPC负责按尺寸分离，而MALS检测器可以直接测定每个流出组分的绝对分子量，无需依赖标准品。
• 特性粘度 (Intrinsic Viscosity): 是工业上表征和比较不同批次壳聚糖分子量最常用的方法。

壳聚糖是表面工程领域一种卓越的、源于自然的“生物功能涂层”，其核心作用是通过简单的物理吸附或化学接枝，将各种表面转变为具有生物活性的界面。

这是壳聚糖最直接、最广泛的表面工程应用。

• 细胞培养: 将壳聚糖溶液包被在培养皿或组织工程支架上，可以提供一个带正电荷的、类似天然细胞外基质的表面，极大地促进细胞的粘附、铺展和生长。
• 改善医疗植入物表面: 在钛合金、不锈钢等植入物表面涂覆一层壳聚糖，可以改善其组织相容性，促进周围骨组织的整合，并利用其抗菌性来预防植入相关的感染。

壳聚糖作为生物可降解聚阳离子的杰出代表，是与各种生物聚阴离子（如海藻酸盐、透明质酸、肝素、DNA）进行LbL自组装的理想选择。通过这种技术，可以在微胶囊、植入物或细胞表面构筑出具有精确厚度和功能的纳米级多层薄膜，用于药物控释、细胞封装和界面功能化。