课件：药用天然高分子材料.ppt

第四章 药用天然高分子材料,掌握作为药剂辅料的天然高分子材料及其衍生物的来源、制法、结构、规格、性质和用途。 特点：无毒、应用安全、性能稳定、价格低廉 4.1 淀粉及其衍生物 4.1.1 淀粉 绿色植物的须根和种子。 直链淀粉 -1,4苷键 支链淀粉 -1,6苷键 以D-吡喃环形葡萄糖为结构单元。,由多糖分子组成,性质：P84 主要用作片剂的稀释剂、崩解剂、粘合剂、助流剂。,OH,OH,CH2OH,OH,OH,D-吡喃环形葡萄糖,淀粉改性系统,淀粉牙签,物理变性 预糊化淀粉 次氯酸氧化淀粉 氧化淀粉 过氧化氢氧化淀粉 分解淀粉 高碘酸氧化淀粉 酸变性淀粉 磷酸酯淀粉 无机酸酯淀粉 硫酸酯淀粉 硝酸酯淀粉 原淀粉 淀粉酯 甲酸酯淀粉 化学变性 醋酸酯淀粉 有机酸酯淀粉 丙酸酯淀粉 硬脂酸酯淀粉 羟甲基淀粉 羟烷基淀粉 淀粉醚 阳离子淀粉 阴离子淀粉 交联淀粉 接枝共聚淀粉 酶变性,4.1.2 糊精,淀粉水解过程的中间产物总称为糊精。 制备条件与不同规格糊精产品见表 P86 可用作片剂或胶囊剂的稀释剂，增粘剂。 4.1.3 预胶化淀粉 淀粉经物理或化学改性，有水存在下，淀粉粒全部或部分破坏的产物。 有许多优良特点。P87 4.1.4 羧甲基淀粉钠 -葡萄糖的羧甲基醚，取代度为0.5。 广泛用作片剂和胶囊剂的崩解剂，崩解时间短。,4.2 纤维素,定义：在不同的学科中“纤维素”这一名字有不同的含义。 植物学用来命名植物细胞壁的主要组分(1847年，Payen) 纤维工艺学上把纤维素理解为一种材料，可用某些化学方法从少数的植物中分离得到 化学学科认为纤维素是由D-葡萄糖单元在-位置键合在一起的高分子物质 结晶学把纤维素定义为具有特殊晶胞的结晶物质 -纤维素：高分子量的组分 -纤维素：是溶于17.5%碱液，并在中和时能沉淀下来的部分 -纤维素：在中和时仍然溶解的组分 -和-纤维的聚合度都很低(200)，并且是部分氧化的。 来源： 籽纤维(棉花)和许多植物的茎和叶(亚麻、苧麻和大麻) 重要性质：最丰富的天然有机物，但纤维素中的-(14)键合的链基本上是刚性而且是直的，分子间彼此紧靠着排成一条线。能溶于氢氧化铜铵溶液，不溶入水和碱。,结构：聚-(14)-D-吡喃葡萄糖,-L-吡喃葡萄糖 -D-吡喃葡萄糖,OH,OH,OH,CH2OH,OH,OH,OH,OH,OH,OH,OH,OH,OH,OH,OH,OH,OH,CH2OH,CH2OH,CH2OH,-L-吡喃葡萄糖 -D-吡喃葡萄糖,1.化学反应性 氧化、酯化、醚化、分子间形成氢键、吸水溶胀以及接枝共聚 2.氢键的作用 结晶区 羟基都已形成氢键 无定形区 有少量游离羟基，可发生膨化作用。 3.吸湿性 吸水量随无定形区所占比例的增加而增加。 4.溶胀性 碱金属离子半径 在碱液中能产生溶胀 温度 浓度 5.机械降解特性 外力作用，发生降解，聚合度下降 6.可水解性 酸水解降解 碱水解(高温),4.2.1 粉状纤维素(纤维素絮),在木材-纸浆工业中，-纤维素中包括纤维浆中的纤维素与抗碱的半纤维素。粉状纤维素的聚合度约为500，商品规格有很多种，(流动性和堆密度、颗粒、吸湿量)各各不同。 用作片剂的稀释剂，硬胶囊或散剂的填充剂。 干性粘合剂、助悬剂、崩解剂、助流剂、食品添加剂,4.2.2 微晶纤维素,由细纤维所制得的-纤维素，用25mol盐酸在105煮沸15min，去无定形部分，过滤，用水洗及氨水洗，余下的结晶部分，经剧烈搅拌分散，喷雾干燥形成粉末。 压缩成型作用 具有 粘合作用 崩解作用 P92 应用,4.3 纤维素衍生物概述,4.3.1 药用纤维素衍生物的化学类别 P 93 -94，酯类：醋酸纤维素、CAP、CAB 醚类：MC、EC、HPC、HEC、HPMC、CMCNa、CMCCa 醚酯类：HPMCP、HPMCAS 4.3.2 化学结构类型与应用性质 (一)取代基团性质：非极性疏水基团、强极性基团 (二)被取代羟基比例 ： P95 表4-2 DS为1.27的甲基纤维素的确定 (三)取代基的均匀度 (四)链平均长度及衍生物的分子量分布 显著影响药物的释放性能 P96 图4-9,DS为1.27的甲基纤维素的确定,4.3.3 纤维素衍生物的反应性 纤维素衍生物的羟基与一些带有功能基的化合物反应，通过共价键结合使结构稳定化或不溶化 如 甲醛等，形成缩醛 甲氧基化合物，形成醚或次甲基 环氧化烃类，形成聚醚 分子内交联 4.3.4 玻璃化温度 膨胀计(DM) 差示扫描量热法(DSC) 测定技术 差热分析法(DTA) 热机械分析法(TMA) P97 表4-4 一些纤维素衍生物的玻璃化转变温度,DTA 将试样与惰性参比物放在同一条件下受热，温度控制采用线性程序，如果试样随着温度的升高发生熔融、玻璃化转变、结晶、氧化、交联、降解等物理或化学的变化，则会在某一温度下产生一定的热效应，使温差不为0。差热分析就是测定试样与参比物的温差T与温度T的关系。得到的曲线称为差热曲线或热谱图(Thermogram),结晶 氧化,熔融 分解,玻璃化,T 放热,吸热,o,T,对于结晶高聚物，利用DTA可测定熔点，根据熔融锋的面积可计算出实际的熔融热Hf，还可由下式算出结晶度 X = Hf 100% /Hf (其中Hf 是完全结晶的熔融热),氧化峰 氧化峰,空气 氮气,熔融吸热峰,分解吸热峰,T,0 100 500 低压聚乙烯在空气中和氮气中的差热曲线,0 100 200 T 100 200 T 嵌段共聚 乙丙聚合物 无规共聚 乙丙聚合物 49%丙烯 51%丙烯 用于研究共聚物的结构,T,T,差示扫描量热法(DSC) 温差的大小与热效应有关，还与试样的堆积紧密度、传热速度、热容量等有关，很难用热谱图中的峰面积作定量处理。 DSC 它所测量的是在程序升温或降温过程中，试样和参比物的温度始终保持相同的情况下，两者所需要的热量补偿的差别。 实际测量的是装在试样和参比物托架下面两只电热器的热功率之差随时间的变化dQ/dt t，如果升温速度是恒定的，也就是热功率之差随温度的变化dq/dt T Q= dt 如果用已知热容的样品事先标定仪器常数，就可计算出Q的绝对值。 DSC能进行定量计算，尤其在测定结晶度，结晶动力学，反应动力学等方面比DTA更为有效。,dQ dt,膨胀计法：(DM),试样体积变化与温度的关系,h,Tg T,4.3.5 溶度参数和表面能 P 98 99 表4-5和表4-6 4.3.6 配伍相容性 聚合物之间或聚合物与增塑剂之间的相容性以Tg(DSC法，DTA法)或软化温度Ts(TMA法)来评估，两者相容，则混合物的Tg处在两者的Tg之间；部分相容，则可能有两个Tg。 Ts = Toe-KsN Ts加增塑剂的软化温度 N为增塑剂的摩尔分数 To纯聚合物软化温度 Ks软化点下降系数,4.3.7 生物粘附性 纤维素衍生物可用作生物或粘膜粘着剂。 4.3.8 热致凝胶化和昙点 P100 4.3.9 液晶的形成,4.4药用纤维素衍生物各论,4.4.1 纤维素酯类 (一)醋酸纤维素 纤维素的醋酸酯是在50用硫酸作cat，在冰醋酸或CH2Cl2溶液中，用醋酸酐来乙酰化而制造的。在温和的条件下，仅能得到完全乙酰化和未乙酰化分子的混合物。 在酯化之前，撕碎的纤维素用30 -40%的醋酸溶胀2-3h，此时由于反应放热，温度升至50。在乙酰化中，伯羟基首先被硫酸酯化，然后硫酸酯转化成醋酸酯。此时仲乙酰基才开始转化。,(二)纤维醋法酯 (CAP) 部分乙酰化的纤维素的酞酸酯，含乙酰基17.0% - 26.0%，含酞酰基(C8H5O3)30.0% - 36.0%，含游离的酞酸不得超过0.6%。 CAP作为肠溶包衣材料。 (三)醋酸纤维素丁酸酯(CAB) 制法与醋酸纤维素相似，其中部分乙酰基为丁酰基所代替。CAB可作为三醋酸纤维素的代用品。工业上用作心电图纸的表面涂料。,4.4.2 纤维素醚类,纤维素醚是从碱纤维素制造的，因为碱能扩张纤维素的晶格，从而使纤维素的羟基易起反应。 (一)羧甲基纤维素钠(CMCNa)、交联羧甲基纤维素钠(CCNa)和羧甲基纤维素钙(CMCCa) P 105 106 制法及应用 (二)甲基纤维素 MC P107 (三)乙基纤维素 EC P108 110 (四)羟乙基纤维素 HEC P110 111 (五)羟丙基纤维素(HPC)和低取代羟丙基纤维素(L-HPC) P111 112 (六)羟丙甲纤维素 HPMC P113 114,4.4.3 纤维素醚的酯类,(一)羟丙甲纤维素酞酸酯 HPMCP P114 115 (二)醋酸羟丙基甲基纤维素琥珀酸酯 HPMCAS P116 117,4.5 其他天然药用高分子材料,4.5.1 阿拉伯胶 阿拉伯胶病树的分泌物干燥后称为阿拉伯树胶。其中的多糖主要是 (13)键合的D-吡喃半乳糖单元，重复单元中有一个或二个在C-6位置被各种侧基所取代。 主要用作食品的增稠剂，但也用于药物、化妆品、纺织工业以及制造粘合剂和墨水。,OH,OH,OH,OH,CH2OH,D-吡喃半乳糖,OH,OH,OH,OH,CH2OH,4.5.2 明胶(gelatin) 是胶原温和断裂的产物，是天然多肽的聚合物。 酸法明胶 gelatin A 原料浸渍于PH1-3的酸液1-2天 碱法明胶 gelatin B 原料浸泡在15-20的氢氧化钙中1-3个月 性质： 溶胀和溶解 凝胶化 粘度 稳定性 应用：大量用于制药和食品工业，微囊囊材，片剂包衣的隔离层材料，基质，粘合剂等。,4.5.3 瓜尔豆胶 又称愈创树胶(guar gum) 瓜尔豆种子中提取的多糖胶质，是半乳甘露聚糖，主链是-1,4苷键结合吡喃甘露糖，每间隔一个甘露糖有一个以-1,6苷键相结合的-D吡喃半乳糖。半乳糖与甘露糖之比为1:2。,OH,OH,OH,OH,CH2OH,D吡喃甘露糖,CH2OH,OH,OH,OH,OH,-D-吡喃半乳糖,性质： 易形成高粘度的触变性溶胶 有极强的溶胀保湿性 有较好增稠性 应用：食品添加剂、粘合剂、崩解剂、增稠剂、保护胶体、乳剂的稳定剂,4.5.4 壳多糖和脱乙酰壳多糖,人们对甲壳素的认识经历了漫长的岁月。自1811年，法国学者Henli Brocronnat 首次从蘑菇中分离提取到甲壳素，到1859年法国Rouget发现甲壳素能溶于有机酸，从此世界对甲壳素有了初步的认识。 自上世纪60年代起有关甲壳素的研究变得十分活跃。1982年日本将甲壳素列入1982-1992十年开发计划。1984年日本拨款50亿美元委托13所大学用于交流开发甲壳素，1986年美国华盛顿大学科学家首先发现甲壳素是具有生理活性物质。这一发现为今后发展，开发甲壳素奠定了理论基础，特别引起了全世界的关注。,甲壳素的由来和概念,有人说：“从没有一种物质象甲壳素一样被如此广泛的研究和应用。”也有人说：“二十一世纪多糖的研究最有希望的是甲壳素。”那么甲壳素是什么东西，他对人类和社会真的那么大的作用吗？ 甲壳素是一种多糖类生物高分子，在自然界中广泛存在于低等生物菌类，藻类的细胞，节支动物虾、蟹、昆虫的外壳，软体动物（如鱿鱼、乌贼）的内壳和软骨，高等植物的细胞壁等，甲壳素每年生命合成资源可达亿吨，是地球上仅次于植物纤维的第二大生物资源，是人类取之不竭的生物资源。,壳多糖(chitin)又称甲壳素、几丁质。 N-乙酰-氨基葡萄糖以-1,4苷键结合而成的一种氨基多糖。,CH2OH,O,OR,OR,CH2OH,NHCOCH3,NHCOCH3,O,n,甲壳素是一种天然高分子聚合物，属于氨基多糖，学名为（14）-2-乙酰氨基-2-脱氧-D-葡萄糖，单体之间以（1-4）糖苷键连接，分子量一般在106左右，理论含氮量6.9%。 甲壳素有，三种晶型，其中-甲壳素存在最丰富，也最稳定。由于大分子之间极强的氢键作用，导致其一般不溶于水，化学性质非常稳定，因而应用有限，通常称其为几丁质。自然界中甲壳素大多是与各不溶于水的无机盐及蛋白质紧密结合在一起。,人们为了获取甲壳素，往往将甲壳动物的外壳通过酸碱处理，脱去钙盐和蛋白质，得到上述几丁质后，再用强碱在加热条件下脱去分子中的乙酰基就可以转化为可溶性的壳聚糖，通常称为甲壳素。因为甲壳素的化学结构与植物中广泛存在的纤维素结构非常相似，故又称为动物纤维素。,应用： 片剂的稀释剂，以改善药物的生物利用度及压片的流动性、崩解性和可压性。 植入剂的载体，在体内具有可降解性。 控释制剂的赋形剂和控释膜材料。 微囊和微球的囊材。 抗癌药物的复合物。 外科手术缝合线。 具有减肥，吸脂肪，降血脂，促进伤口愈合等作用。,4.5.5 西黄蓍胶(tragacanth),为豆科植物西黄蓍胶树的树胶。 水解可产生L -阿糖、L - 岩藻糖、D - 木糖、半乳糖和半乳糖醛酸。含有少量的纤维素、淀粉、蛋白质等，分子量约为840,000。 用作口服制剂，食品中乳化剂和助悬剂。乳膏、凝膏和乳剂。,4.5.6 黄原胶 又称苫苷胶、汉生胶或黄单孢菌多糖。 是甘蓝黑腐病黄单胞菌发酵产生的一种细菌胞外多糖。黄原胶是由D-葡萄糖、D-甘露糖、D-葡萄糖醛酸、乙酸、丙酮酸等非凝胶的多糖重复结构组成的。每两重复结构单元中，其分子主链系由-D-吡喃葡萄糖通过14键连接而成的。每两个葡萄糖单元都在一个C-3上连接有一个三糖侧链。侧链是由两个甘露糖和一个葡萄糖醛酸所组成的，其中末端-D-吡喃甘露糖残基与-D-葡萄糖醛酸残基以14键连接。比葡萄糖醛酸又和另一个末端为甘露糖，按12方式连接。连接主链的甘露糖上的C-6有一个乙酰基，此外，甘露糖的末端的C-4、C-5上又连有一个丙酮酸。P125,具有优良特性，广泛用作食品添加剂，或石油、农业的增稠剂、悬浮剂与胶凝剂。 低浓度下有高粘度 高的假塑性，随着剪切速率增大，其水溶液的粘度呈可逆性下降 在广泛的盐浓度、pH与温度下，表现出异常的稳定性。 所以在水溶性高分子中具有许多优越的性能。 作为亲水性骨架缓释片材料具有重要作用。(P127),4.5.7 透明质酸hyaluronic acid 1934年已为Meger和Palwer 发现 ，但长期以来均认为它是在结缔组织中起充填和支架作用的多糖，但近年来它的功能又有新的发现。 当组织中浓度高于1mg/ml时，就产生分子折叠，形成连续的三维网络。产生各种生理直接效应。,即 产生流体阻力从0.1mg/ml升高到10mg/ml时，阻力会增大1000倍。 维持胶体渗透压，帮助维持体内水平衡和体内环境的稳定。 排阻效应，可以影响生物高分子的溶解度、空间构型、化学平衡与系统的渗透压。 分子滤过效应，可以阻止病原播放或扩散。 边缘对流效应。由于透明质酸的作用使密度呈逆转状态，因而介导某些分泌性物质(如胶元纤维)的沉积。 其结构以-1,4葡萄糖醛酸和-1,3乙酰氨基葡萄糖结合的双糖重复单元所构成的粘多糖。 P128,4.5.8 琼脂(agar) 从海产红藻中生产的高分子物。早期用麒麟菜属植物，以后扩展使用石花菜、鸡毛菜和紫菜等。琼脂的结构是半乳聚糖。 其可能的结构单元： A: B:,OH,OH,OH,OH,OH,CH2OSO3,OMe,OMe,CH2,O,琼脂主要用于食品工业，以制作果冻、果酱，也可以用于炼乳、冰淇淋或奶酪。 在医学与生物学上可作培养基(载体)。用作缓释制剂辅料。,4.5.9 海藻酸钠(sodium alginate) 褐藻胶(alginic acid)是亲水性的天然聚合物。在我国为海藻多糖产品中的主要品种。褐藻胶系指褐藻酸与其盐类的统称。是直链型(14)键合的古罗糖醛酸与甘露糖醛酸的共聚物。其分子中可能只含其中一种糖醛酸构成的连续链段，也可能是由两种糖醛酸的链段构成的嵌段共聚物。,OH,OH,OH,OH,OH,OH,OH,OH,COONa,COONa,-L-古罗糖醛酸(G),-D- 甘露糖醛酸(M),两种糖醛酸在分子中的比例变化，以及其所在位置不同，会导致褐藻胶的性质各异，如粘度、凝胶性、离子选择性等。 链段刚性：