（有机化学专业论文）壳聚糖基温敏性复合水凝胶的制备及性能研究.pdf

一 p r e p a r a t i o n a n d p r o p e r t i e so fc h i t o s a n b a s e d t h e r m o s e n s i t i v ec o m p o s i t eh y d r o g e l y u t a o b e ( c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e 1 n o r g a n i cc h e m i s t r y 1 n c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl ih e p i n g a p r i l ，2 0 1 1 i i il 1 ll l 1 lrl 1 l liii y 18 8 3 8 9 3 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 象淆 日期：伽f f 年i 7 月2 6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 秉淆 日期：伽1 1 年厂月砒日 导师签名： 厂月日 摘要 本论文以n 羧乙基和叶酸修饰壳聚糖，设计并合成了多种壳聚糖基温敏性 的复合水凝胶，然后以5 氟尿嘧啶为模型药物构建了药物缓释体系，研究了其体 外药物释放行为。本文的具体内容如下： ( 1 ) 本论文设计并合成了2 个系列的新型壳聚糖基温敏性水凝胶药物载体， 它们分别是：n 一羧乙基修饰的壳聚糖基温敏性水凝胶药物载体，包括包覆载药 n 羧乙基壳聚糖水凝胶( a c s f u h ) 、键联载药n 羧乙基壳聚糖水凝胶( a c s f u h ) 以及复合载药n 羧乙基壳聚糖水凝胶( a c s c h ) ；叶酸修饰的壳聚糖基温敏性 水凝胶药物载体，包括叶酸偶联壳聚糖包覆5 氟尿嘧啶载药水凝胶( f a c s f u h ) ， 壳聚糖包覆叶酸偶联5 氟尿嘧啶载药水凝胶( c s 脚州) 和n 羧乙基壳聚糖包 覆叶酸偶联5 氟尿嘧啶载药水凝胶( a c s 爪谨u h ) 。共得到6 个新型凝胶，产物 结构通过取、u v - v i s 、l c m s 表征。 ( 2 ) 探索了n 羧乙基壳聚糖及其水凝胶的最佳合成条件，结果显示当丙烯酸 与壳聚糖的投料比为2 0m i 0 1g ，反应温度为6 0 时，微波加热1h 即可得到 接枝率为5 2 9 7 的n 羧乙基壳聚糖，反应速度及产率都要优于常规方法。而实 验也证实水凝胶中活性氨基的含量、p h 值和水浴温度都可以影响到产物的凝胶 化，本文中n 羧乙基壳聚糖的溶胶在p h = 7 时，3 7 恒温水浴2 5 m i n 即可生成 不流动的固态凝胶。 ( 3 ) 用u v 二s 测定了n 羧乙基壳聚糖系列水凝胶的载药量及药物体外释放 性能。a c s f u h 的载药量最高，达到5 0 ，包封率为1 0 0 ，但它的药物缓释效 果较差，前3 h 会出现突释现象，累积释药率达6 4 6 8 ，随后释药速度减缓，8 h 累计释放率为7 8 8 0 ，1 5h 释放完毕；a c s f u h 的药物缓释效果最好，其8 h 的 累积药物释放率只达到了4 3 5 2 ，而且其释药行为可以持续7 d 以上，不过它的 载药量过低，只有1 7 2 6 ，包封率为2 0 3 6 ：而a c s c h 则兼备了高载药和低 缓释这两个优点，它的载药量为2 9 4 4 ，包封率为3 3 8 4 ，其累积释药量在3 h 达到4 8 2 5 ，在8h 为6 0 1 6 ，并且随后可以一直平缓释放发挥疗效达7 d 以上。 另外，a c s c h 可以根据实际情况调节产品的载药量和缓释效果，是一种理想的 药物载体。 ( 4 ) 在叶酸修饰的壳聚糖基系列水凝胶药物载体中，f a c s f u h 的载药量最 高，其上限只取决于5 氟尿嘧啶在溶液中的溶解度，文中可达5 0 以上；而 c s f a f u h 和a c s f a f u h 虽然也是通过交联包覆药物，但因为其药物粒子 5 f u f a 在溶液中的溶解性较差，因此不能得到载药量很高的产品，如文中 c s f a f u h 和a c s f a f u h 的载药量都只有1 0 7 3 。通过实验发现，5 一氟尿嘧啶 偶联叶酸后会减缓从凝胶中的扩散速度，使药物的释放速度减小；a c s f a f u h 具有p h 敏感性，在p h = 7 4 的p b s 缓冲液其溶胀度在最高，达2 4 ，它在此环 境下8 h 的累积药物释放率为7 3 2 ，要大于c s f a f u h 的药物释放速度，更适 合作为抗肿瘤药物的载体。 关键词：壳聚糖；羧乙基；叶酸；温敏性水凝胶；p h 敏感性；药物载体；缓释 u a b s t r a c t s o m en e wt y p ec h i t o s a n - b a s e dt h e r m o s e n s i t i v eh y d r o g e l sw e r ed e s i g n e da n d s y n t h e s i z e d 、析t hf o l i ca c i do rn c a r b o x y e t h y lm o d i f i e d ，w eu s e d5 - f l u o r o u r a c i la s m o d e ld r u ga n dc o n s t r u c t e dt h ed r u gs u s t a i n e dr e l e a s i n gs y s t e m s ，t h e ns t u d i e dt h e i r r e l e a s i n gb e h a v i o r - t h em a i nc o n t e n t so ft h i st h e s i sa sf o l l o w i n g ： ( 1 ) t w os e r i e so fn o v e lc h i t o s a n - b a s e dt h e r m o s e n s i t i v eh y d r o g e ld r u gc a r r i e r s w e r ed e s i g n e da n ds y n t h e s i z e d t h e yw e r e ：n c a r b o x y e t h y lm o d i f i e dc h i t o s a n b a s e d t h e r m o s e n s i t i v e h y d r o g e l ，i n c l u d i n g a c s f u hw h i c h l o a d e d d r u gb y h y d r o g e l - e n t r a p p i n g ，a c s f u hw h i c hl o a d e dd r u gb yc h e m i c a l - b o n d i n g ，a n da c s c h p r e p a r e db yb o t hc h e m i c a l - - b o n d i n ga n dh y d r o g e l e n t r a p p i n g ；f o l i ca c i dm o d i f i e d c h i t o s a n b a s e dt h e r m o s e n s i t i v eh y d r o g e l ，i n c l u d i n gf a c s f u hp r e p a r e db yf o l i ca c i d m o d i f e dc h i t o s a n , c s 压! a f u ha n da c s f a f u hs y n t h e s i z e db yf o l i ca c i dm o d i f i e d5 - f l u o r o u r a c i l at o t a lo fs i xn e wh y d r o g e l sw e r eo b t a i n e d ，a n dt h e i rs t r u c t u r e sw e r e c h a r a c t e r i z e db yi r ，u v - v i so rl c m s ( 2 ) d i s c u s s e dt h eb e s to p t i m b mc o n d i t i o n so fn - c a r b o x y e t h y lc h i t o s a na n di t s h y d r o g e l w h e nt h ef e e d i n go fa c r y l i ca c i da n dc h i t o s a nr a t i ow a s2 0m i o 1ga n dt h e r e a c t i o nt e m p e r a t u r ei s6 0 c ，a c sc o u l de a s i l yo b t a i n e db ym i c r o w a v eh e a t i n go n l y f o r1hi nag r a f t i n gy i e l do f5 2 9 7 ，w h i c hw a sp r o v e dt ob eaf a s t e ra n dm o r e e f f i c i e n tw a yt h a nt h eo r d i n a r ym e t h o d s t h ee x p e r i m e n ta l s oc o n f i r m e dt h a tt h e r e a c t i v ea m i n oi nh y d r o g e l ，p ha n dt e m p e r a t u r eo fs o l u t i o nc o u l da f f e c tt h ec h a n g eo f s o l - g e l ，n c a r b o x y e t h y lc h i t o s a n b a s e dh y d r o g e lc o u l dc h a n g e di n t og e la t3 7 f o r 2 5m i nw h e nt h ep ho fs o l u t i o nw a s7 ( 3 ) t h ed r u gl o a d i n ga n dr e l e a s i n gp r o p e r t i e si nv i t r oo fd r u gs u s t a i n e dr e l e a s i n g s y s t e m so fs e r i e sn c a r b o x y e t h y l w e r ed e t e r m i n e dw i t hu v 二s a c s f u hh a d h i g h e s td r u gl o a d i n gi ns e r i e sn - c a r b o x y e t h y l ，t h ed r u gl o a d i n gw a s5 0 a n d e n c a p s u l a t i o ne f f i c i e n c yw a s10 0 b u t i te f f e c to f r e l e a s i n gw a sb a d ，t h ec u m u l a t i v e r e l e a s er a t eo fa c s f u hw a s6 4 6 8 i nt h ef i r s t3h 谢mas l i g h tb u r s tr e l e a s i n g ，a n d r e a c h e d7 8 8 0 a t8 h , t h ec o m p l e t er e l e a s i n gh a p p e n e di n15h ，s h o w i n gar e l a t i v e l y f a s tr e l e a s i n g a c s f u hh a dt h eb e s tr e l e a s i n ge f f e c t , t h ec u m u l a t i v er e l e a s er a t ew a s 4 3 5 2 i nt h ef i r s t8h ，a n d9 4 7 6 i n7d ，a n dh o w e v e ri t sd r u gl o a d i n gw a so n l y 17 2 6 a c s c hh a db o t l le x c e l l e n tr e l e a s i n ge f f e c ta n dh i g hd r u gl o a d i n g ，i t sd r u g l o a d i n gw a s2 9 4 4 a n de n c a p s u l a t i o ne f f i c i e n c y w a s3 3 8 4 t h ec u m u l a t i v e i i i r e l e a s er a t eo fa c s c hw a s4 8 2 5 i nt h ef i r s t3ha n d6 0 16 洫8hw i t h o u t a p p a r e n tb u r s tr e l e a s i n g ，i na d d i t i o nt h ed r u gl o a d i n ga n dr e l e a s ee f f e c to fa c s c h c o u l db ea d j u s t e da c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o n ( 4 ) i ns e r i e sf o l i ca c i dm o d i f i e d ，f a c s f u hh a dt h eh i g h e s td r u gl o a d i n g ，t h e m a x i m u mo ft h ea m o u n to fc o n t a i n e d5 - f uo n l yb ed e t e r m i n e dv i ai t ss o l u b i l i t yi nt h e s o l u t i o n a l t h o u g h c s f a f u ha n da c s f a f u hw e r el o a d e d d r u gb y h y d r o g e l e n t r a p p i n g ，b u ta st h es o l u b i l i t yo f5 - f u - f aw a sv e r yp o o r , w ec o u l d n t o b t a i n e dt h ep r o d u c t sw h i c hh a dh i g hd r u gl o a d i n g ，t h ed r u gl o a d i n go ft h e mw e r e lo 7 3 w ef o u n dt h a tt h ed i f f u s i o nr a t ew o u l db es l o w e rw h e n5 f l u o r o u r a c i lw a s m o d i f i e db yf o l i ca c i d ，a n da c s f a f u hh a dp hs e n s i t i v i t y , i tc o u l ds w e l l i n gi nt h e p b sb u f f e rw h i c hp hw a s7 4 ，i n t h i se n v i r o n m e n ti t sc u m u l a t i v er e l e a s er a t ew a s 7 3 2 i 1 18 ha n dm o r es u i t a b l ea sad r u gc a r r i e r k e yw o r d s ：c h i t o s a n ；a c r y l i ca c i d ；f o l i ca c i d ；t h e r m o s e n s i t i v eh y d r o g e l ；d r u g c a r r i e r ；s u s t a i n e dr e l e a s e i v 目三互 目水 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论 1 1 温敏性水凝胶作为药物载体的研究意义l 1 2 温敏性水凝胶简介一2 1 2 1 温敏性水凝胶的定义2 1 2 2 温敏性水凝胶的应用3 1 3 壳聚糖简介7 1 3 1 壳聚糖的性质7 1 3 2 壳聚糖药物载体的制备方法1 0 1 3 3 壳聚糖作为药物载体的应用1 0 1 4 壳聚糖基温敏性水凝胶的种类1 2 1 5 本研究工作的目的、特点及工作内容1 3 第二章壳聚糖基温敏性复合水凝胶的合成设计 2 1n 羧乙基壳聚糖及其水凝胶的合成设计路线1 5 2 2n 羧乙基壳聚糖载药复合水凝胶的合成设计路线1 7 2 3 叶酸修饰壳聚糖基温敏性载药水凝胶的合成设计路线2 1 第三章n 一羧乙基壳聚糖及其温敏性水凝胶的制备及性能研究 3 1 实验部分2 5 3 2 结果与讨论2 8 3 3 小结3 7 第四章n 一羧乙基壳聚糖温敏性载药复合水凝胶的制备及性能研究 4 1 实验部分3 9 4 2 结果与讨论4 l 4 3 小结4 8 第五章叶酸修饰壳聚糖基温敏性载药水凝胶的制备及性能研究 5 1 实验部分4 9 5 2 结果与讨论5 1 5 3 小结5 9 结论6 0 参考文献6 1 致谢6 9 附录a ( 攻读学位期间已发和待发的论文) 7 0 附录b 部分化合物的缩写7 1 第一章绪论 1 1 温敏性水凝胶作为药物载体的研究意义 目前常用的给药方式是口服和静脉注射，药物通过血液流动输送至病原器官 发挥药理作用，然后通过肝脏的新陈代谢排出体外。人们通过选择合适的药物载 体，选择恰当的靶向基团，现在已经实现了控释型、缓释性、靶向性给药，使药 物有选择性地作用于目标部位，并尽可能地提高药物的疗效，减小毒副作用【l 7 】。 但近年来，随着药物试剂向高效、速效、长效及毒性小、副作用小、剂量小 发展，传统的给药方式越来越不能满足要求；特别是随着医药学的发展，一些大 分子蛋白、基因类等新型药物的投入使用，使传统的给药方式暴露出越来越多的 局限性【8 1 0 l 。 例如，最常用的口服型给药有许多无法避免的缺陷：一是受胃肠环境、肝 脏“首过效应 等影响，药物的生物利用度低，个体差异大；二是由于肠胃的吸 收阻力，一些多肽、基因类药物无法实现给药；三是因大量使用有机交联剂，会 产生一定的毒副作用。而采用静脉注射投药，虽然避免了消化系统对药物的影响， 但是却无法使血液中药物长期保持在有效浓度，缺乏长效性，而且药物还会在病 原部位以外起到毒副作用i l 。 温敏性水凝胶作为一种新型的能应用于可注射的、非静脉非肠道的给药方 式，具有更加优异的控释型、缓释性、靶向性和更加宽广的载药范围，能完美地 解决这些问题【l 玉”】。它可以采用注射的方式将药物直接传送到病原部位，然后根 据外界刺激有选择地释放药物，因此，它既能保护药物不被酶解或被胃酸破坏， 又可以使药物在靶区很快达到所需的药物浓度，而在其他部位的分布量相对较 少，从而提高疗效并减少药物对人体正常组织的毒副作用。 利用壳聚糖制备温敏性的智能水凝胶具有很强的研究价值。因为壳聚糖本身 即拥有优异的载药性能，它不但具有良好的生物相容性，无毒，而且具有良好的 生物降解性，可以轻易的被人体吸收利用【1 6 - 2 0 。另外，壳聚糖还有一定的免疫增 强作用和抗肿瘤作用【2 1 垅】，是目前最常用的抗癌药物载体之一。本文制备了新型 的壳聚糖基复合水凝胶，采用包覆和键联的方式负载药物，希望得到更高载药量、 更加稳定的释药性能、具有更强靶向性的药物载体。 1 2 温敏性水凝胶简介 1 2 1 温敏性水凝胶的定义 温敏性水凝胶是指可以对外界温度刺激产生相应的敏感响应性的凝胶材料， 当外界温度发生变化时，水凝胶即产生一种不连续变化的突变，并且在某一范围 内呈现出相转变现象。温敏性水凝胶发生相转变是因为体系内存在着若干种相互 作用力，这些力包括范德华力、氢键力、疏水相互作用力和静电相互作用力。当 这些力共同作用并发生变化时，凝胶也会发生溶胶凝胶转变。这一特殊性质是 温敏性水凝胶应用于智能给药系统的理论依据。 表1 - 1 温敏性水凝胶 1 9 7 5 年，美国麻省理工学院的田中丰一教授最早发现聚丙烯酰胺水凝胶在 加热和冷却过程中出现透明浑浊不透明的可逆转变，从而展开了对温敏性水凝 胶的研究瞄】。近年来，有关温敏性水凝胶的制备和性能研究越来越多，如 h o e m a n n 【2 4 】等利用壳聚糖、甘油磷酸钠、葡糖胺为原料制备出温敏性水凝胶， 并与羟乙基纤维素混悬的原代小牛软骨细胞一起注射到裸鼠背部皮下，验证了其 构建组织工程化软骨和对关节缺损部位进行缺损修复的能力，取得了一定的突 破。符旭东【2 5 】等采用w o w 型乳化溶剂挥发法以聚乳酸羟基乙酸共聚物 ( p l g a ) 和端羧基聚乳酸羟基乙酸共聚物( p l g a c o o h ) 为材料制备了温敏 性水凝胶，然后通过吸附法制备r h b m p 2 载药微球，实验证明r h b m p 2 微球温 敏性复合凝胶系统具有比微球剂更理想的体外释药特性。而翟茂林【2 6 】等制备了 温敏性的n 异丙基丙烯酰胺( n i p a m ) 类水凝胶，结果发现它是两性水凝胶，具 有特殊的溶胀性和吸水性，应用前景十分广阔。 2 1 2 2 温敏性水凝胶的应用 1 2 2 1 药物控制释放材料 为了不仅能有效地传递药物，降低副作用，而且能使药物在必要的时候，在 必要的部位起作用，实现新型药物的治疗，药物传递系统正迅速发展起来。药物 传递系统基本上是由药物储存机构、控制释放机构和驱动释放机构三部分组成， 而温敏性水凝胶兼备了这三种机构，因此作为新型药物传递系统的材料是很有发 展希望的【2 7 ，2 引。 自动给药体系 释 图1 1 智能水凝胶给药的概念 温敏性水凝胶可以对外界温度变化产生响应，因此可作为智能化给药体系的 材料，使制剂本身能检测身体发病时的信号并根据患病的程度有选择性地释放药 物。如图1 1 所示，温敏性水凝胶检测生病发出的信号，释放药物进行治疗，一 旦身体恢复到正常状态，又可探知到这种变化，停止释放药物。 温敏性水凝胶控释放药物主要依靠水凝胶的溶胀及收缩。如图1 2 所示，是 水凝胶的溶胀机理，第一步是溶剂分子向高分子网络中扩散；第二步是溶剂化引 起高分子链从玻璃态向橡胶态转变；第三步是高分子网络向溶剂中扩散。 3 o o o o o o o 、 l o ： o 音 囊 o ) o _ - -0 q 0 0 0 o j 1 - 2 水凝胶的溶胀过程 由高分子链的凝聚引起的结构变化不但会影响水凝胶的溶胀行为，而且会影 响它的收缩行为。在收缩中，高分子的凝聚变化可以看作水凝胶从溶胀状态向去 溶胀的收缩状态转变的相变过程。当外部环境发生变化，水凝胶开始收缩时会在 表面逐步形成高分子链的收缩层，图1 3 显示了这个过程。第一步，溶胀凝胶开 始收缩，在表面形成了收缩层，降低了溶剂的透过性；第二步，随着凝胶收缩， 压力开始在凝胶内部积累；第三步，因内部压力，溶剂从内部向外流动，凝胶继 续收缩。 l 表面形成收 3 挤出溶液 l 一 一 ? + l- l一 - l l 2 产生内部压力 1 3 水凝胶的收缩过程 温敏性水凝胶在进行收缩溶胀时，会选择性的对药物进行释放，其基本类 型有以下四种：( a ) 通过不同的扩散速度进行释放控制；( b ) 伴随脱水的释放控 制，又成挤压效应；( c ) 通过形成致密的表面层进行释放控制；( d ) 通过覆膜和 脱水进行释放控制。如图1 4 所示。 4 0 一 紧密层 ( c ) 一诛 ( d ) 1 4 水凝胶的溶胀收缩变化与药物的控制释放 总之，温敏性水凝胶是一种重要的药物载体，并且主要用于药物的控制释放， 它在制剂中的作用包括：作为药物的结合剂，调节制剂的硬度和强度；作 为水溶性高分子，可以起到分解剂的作用，在适当条件下促进制剂的解离；作 为赋形剂，使药剂保持一定的形状；作为包覆基剂，保护药物免受外界的影 响，并能屏蔽药物的苦味与气味；作为黏附剂，使药物可以固定在某一器官， 起到一定的靶向作用。 1 2 2 2 角膜接触镜材料 角膜接触镜材料又成隐形眼镜，是一种兼具视力矫正、美容、眼睛保护和医 疗作用的产品。隐形眼镜主要分为软质隐形眼镜( s c l ) 和硬质隐形眼镜( h c l ) ， 各国对其安全性和有效性有着严格的要求，规定透镜的材料必须是内部无气泡、 无不纯物、无条纹、无色彩，具有稳定的物理和化学性质。 比起h c l ，s c l 含水量较高，氧气透过性能较好，舒适度较佳，可以长时 间佩戴，因此是当前市场的主流。s c l 基本上是由水溶性的高分子构成，然后依 靠高分子间的交联，使其在水中保持溶胀但不溶解的凝胶状态。利用温敏性水凝 胶制备s c l ，不但可以使产品具有极佳的安全性、光学性、透氧性、耐污染性和 易处理性，而且可发展出能感知和认识刺激，自动判断情况进行相应处理的智能 人造角膜，必将成为未来发展的方向。 目前，已经投入实用的s c l 基本上以聚甲基丙烯酸羟乙酯( p h e m a ) 等丙 烯酸类衍生物为主，还包括少量的几种单体的共聚物。例如以p h e m a 为主体的 5 + _ 透镜，吸水度达到了3 0 - 4 0 ；以聚n 乙烯基吡咯烷酮( p n v p ) 为主的共聚 物，吸水度达到了7 0 8 0 ；此外还有聚乙烯醇( p v a ) 类衍生物。 表l - 2 用于s c l 的聚合物和单体 甲基丙烯酸2 羟乙酯 c h 3 1 3 0 1 4 ( h e m a ) c h 2 = 6 一c o o c h 2 c h 2 一o h 兰耄丙烯酸2 - 二羟 f h 3甲h 丫h 16016(gma) 丙酯 c h ，= 6 一c o o c h ，6 h 一亡h ， n 乙烯基吡咯烷酮 ( n v p ) c h 2 - 一c h 1 1 1 1 4 甲基丙烯酸( m a ) 或 c h 3 8 6 0 9 甲基丙烯酸钠 c h ，= 6 c o o h ( 或n a 盐 丙烯酰胺( a a m ) 聚乙烯醇( p v a ) 曰 7 1 1 i | 。 c h 2 = c h c n h 2 十罕一c h 2 一罕一字t 1 2 2 3 医用敷料 温敏性水凝胶拥有良好的生物相容性，代谢产物对人体无害，将它作为医用 敷料，不但具有一定的机械强度和柔韧性，而且具有良好的透气性和吸水性，另 外还能起到抗菌作用。温敏性水凝胶在医疗中可作为止血剂、粘连剂、密封剂、 烧伤涂敷材料和抗炎症的软膏材料。 以血纤维蛋白原、凝血酶和特殊蛋白质组成的液态制剂，是目前使用最多的 6 止血剂。这种止血剂在出血部位与血液混合即可发生凝胶化，并能缓慢释放药物， 从而起到止血作用。另外，国内学者翟茂林、哈鸿飞【2 9 】等利用k 型卡拉胶与聚 乙烯吡咯烷酮共混交联制各了新型烧伤涂敷材料，并研究了其结构和溶胀行为。 1 2 3 4 组织培养 温敏性水凝胶不但具有稳定的形状，而且还能保持凝胶内的溶剂，有选择性 地扩散和透过溶质，十分适合于细胞的组织培养。利用水凝胶培养细胞，成活率 远高于传统方法，并能近似实现生物体内的培养效果。例如，a y d e l o t t e l 3 0 1 等人在 琼脂糖凝胶培养人的软骨组织，发现细胞的形态和免疫染色照片与在生物体内的 状态非常一致，这表明琼脂糖凝胶提供的环境很好地模拟了人的体内环境。 1 2 3 5 医疗传感器 温敏性水凝胶的优异性能之一就是能响应外界的温度变化而发生相转变或 体积变化，利用这一特性，将其与生物传感器物理单元相连，然后包覆生物分子， 即可得到生物传感器。制备传感器的有机高分子凝胶主要有n 异丙基丙烯酰胺 凝胶、褐藻酸凝胶、褐藻酸和壳聚糖复合凝胶、丙烯酰胺凝胶，有望用于医疗目 的的传感器归纳于表1 3 。 表1 3 医疗传感器的研究例子 1 3 壳聚糖简介 1 3 1 壳聚糖的性质 甲壳素是地球上仅次于纤维素的第二大天然有机化合物，亦是除蛋白质外数 量最多的含氮类天然有机化合物。它一般呈白色或灰白色的无定形、半透明固体， 广泛存在于虾和蟹的甲壳、昆虫的甲壳、真菌的细胞壁和植物的细胞壁中【4 3 1 。 壳聚糖是甲壳素的n 脱乙酰基的产物，一般而言，甲壳素的n 乙酰基脱去达到 5 5 以上即可称为壳聚糖，因此甲壳素与壳聚糖根本性的差别在于脱乙酰度的不 同【她4 5 1 。 壳聚糖是白色无定形、半透明略有珍珠光泽的固体，不溶于水和碱性溶液， 也不溶于稀的磷酸和硫酸，但可溶于稀盐酸、稀硝酸等无机酸和大多数的有机酸。 壳聚糖的分子式为( c 6 h l l n 0 4 ) n ，化学名称为( 1 ，4 ) 2 氨基2 一脱氧t 3 d 葡聚糖， 其结构式如图1 5 所示。 h h n h 2 o h n h 2 c h 3 c = o h 图l - 5 壳聚糖分子结构示意图 由上图可知，壳聚糖与纤维素的化学结构非常相似，都可以看作六碳糖的多 聚体，分子量达到了几十万甚至几百万。壳聚糖最基本的结构单元是二糖，可以 看作是含b ( 1 4 ) 2 乙酰胺基d 葡糖单元和b ( 1 4 ) 2 氨基d 葡糖单元的共聚 物。壳聚糖分子链上含有大量的羟基、氨基，还有一些n 乙酰氨基，它们会形 成各种分子内和分子间的氢键，正是因为这些氢键的存在，壳聚糖大分子才会呈 现复杂的二级双螺旋结构。如图1 - 6 所示，一个螺旋单元由6 个糖残基组成，x 射线衍射显示其螺距为o 515 n m 。 图1 石壳聚糖的双螺旋结构 如图1 7 所示，( 1 ) 和( 2 ) 表示的是壳聚糖分子内的氢键作用。其中( 1 ) 是壳聚糖的一个氨基葡萄糖残基，其c 3 羟基与相邻的糖苷基形成了分子内氢键； ( 2 ) 有两个氢键作用，另一个是由c 3 羟基与同一条分子链上相邻的氧原子形 成。( 3 ) 和( 4 ) 表示的是壳聚糖分子间的氢键作用。其中( 3 ) 是壳聚糖的c 3 羟基与相邻的另一条壳聚糖分子链上的糖苷基形成分子间的氢键；( 4 ) 是c 3 羟 基与相邻的另一条壳聚糖分子链上的糖残基呋喃环上的氧原子形成分子间的氢 键。就是这些氢键的存在和作用，使壳聚糖具有较高的结晶度，从而具有较稳定 的物理化学性质。 8 h h o 0 弋 图1 7 壳聚糖之间的氢键作用 n 乙酰的脱去度和分子量是壳聚糖的两项重要性能指标，直接影响它的化学 性质、生理活性和载药性能。壳聚糖分子链上具有大量的羟基和氨基，因此可发 生酯化、酰胺化等多种反应，其中主要反应发生在c 3 、c 6 的羟基上和c 2 的氨 基上。一般情况下，c 6 上的羟基反应活性要大于c 3 上的羟基，而氨基的活性又 9 比c 6 上的羟基大一些。壳聚糖的酰化反应一般分为两种：一种是反应发生在壳 聚糖的羟基上，即o 酰化，得到酯；另一种是发生在氨基上的酰化反应，即n 酰化，最后得到酰胺。 1 3 2 壳聚糖药物载体的制备方法 1 3 2 1 乳化交联法 这种方法一般是利用水油型两相溶剂，通过添加适当的交联剂使壳聚糖与 模型药物反应成微球，然后通过洗涤、干燥得到产品。微球的直径通常在微米级， 可通过改变反应液滴的大小来控制。 1 3 2 2 凝聚沉淀法 这种方法无须交联，而是将壳聚糖溶液分散到碱性溶液中使其自然凝聚，然 后通过离心和过滤得到纯化的产品，最后用蒸馏水洗涤至中性。 1 3 2 3 离子凝聚法 先将壳聚糖溶解于分散有药物的醋酸溶液中，然后缓慢加入三聚磷酸钠作为 聚阴离子，壳聚糖会形成聚电解质从溶液中析出并包覆药物形成微球，经过洗涤、 干燥即可得到产品。 1 3 2 4 喷雾干燥法 喷雾干燥法是将药物分散或溶解在壳聚糖溶液中并加入交联剂，然后使溶液 在热空气作用下雾化成小液滴，随后迅速干燥成固体微粒。通过控制喷嘴的大小、 喷雾的速率、反应环境的压力和温度，以及壳聚糖的交联程度，从而调控微球的 大小。比较而言，喷雾干燥法主要用来制备凝聚物、粉末和微粒，具有快速、可 重复和易于规模化等特点。 1 3 3 壳聚糖作为药物载体的应用 壳聚糖具有良好的生物相容性，人体的器官和组织细胞对其无排斥作用，而 且具有生物降解性，吸收后的降解产物无毒，不积累。另外，壳聚糖还有一定的 增强免疫系统，抑菌和抗肿瘤作用。因此，壳聚糖常常作为药物载体利用于医药 领域。按照制备成的形态，壳聚糖的药物载体可分为片剂、缓释膜、缓释凝胶、 缓释微粒。 1 3 3 1 片剂 将壳聚糖作为药物的赋形剂和分散剂，然后与目标药物直接压制成片剂，是 1 0 目前较常用的一种应用方法。比起其它口服药剂，壳聚糖片剂能提高药物在肠胃 的滞留时间，而且有选择性地释放药物，从而提高了药物的生物利用率8 1 。壳 聚糖片剂的优点可归纳为以下几点：药剂的生产成本较低；药物释放较缓 慢，但能释放完全；壳聚糖具有p h 敏感性，能应用于一些在肠胃选择性释 放的药物制备；壳聚糖具有抗溃疡和抗胃酸的作用，而且能在酸性介质中形 成凝胶层，因此可以用来防止药物对肠胃的刺激，同时减低消化系统对药物的破 坏。 1 3 3 2 缓释膜 壳聚糖极易形成膜，而且壳聚糖形成的膜具有较高的机械强度和透气性，对 小分子药物有较好的渗透性，这些特点决定了壳聚糖缓释膜是一种很好的药物载 体。唐涛【4 9 】等人将羟基磷灰石羧甲基壳聚糖与载有生长因子的钙藻酸盐微球相 混合，然后利用静电纺丝技术制得了具有”串珠”丝状结构的复合缓释膜，并研究 了它的体外释药过程。结果显示利用静电纺丝技术制得的缓释膜具有较好的力学 强度，体外释药在5 0 h 时达到7 8 ，缓释效果要优于微球。孔维【5 0 】等人利用戊 二醇对壳聚糖进行改性，随后采用溶液浇铸法制备了壳聚糖膜。实验表明壳聚糖 与戊二醇生成交联结构，改善了膜的溶胀性。高玉香【5 1 】等人以明胶和壳聚糖为 载体，以曲安纳德为模型药物，利用溶剂挥发法制备了复合膜。结果显示引入适 当比例的明胶，可以显著改善壳聚糖复合膜的溶胀性、降解性、生物相容性和机 械强度。 1 3 3 3 缓释凝胶 壳聚糖缓释凝胶是介于液体和固体的一种特殊的物质形态，其中壳聚糖分子 链相互联结，形成了具有空间网状结构的聚合物，而药物被包覆在网状结构的空 隙d o 5 2 , 5 3 】。凝胶在植入体内后会吸水溶胀，然后伴随着降解缓慢释放药物，缓释 效果要优于一般的药物载体。马志伟【蚓等人将模型药物氯已定通过饱和水溶液 法与b 环糊精制成聚合物，然后共混于壳聚糖温敏性凝胶中值得了缓释凝胶。 结果显示氯己定包覆于壳聚糖温敏性凝胶后，对凝胶的性质几乎无影响，而药物 从凝胶中释放的速度大大减慢，药物可持续释放1 个月以上，达到了缓释的目的。 c h i u 5 5 】等人将甲基丙烯酸缩水甘油酯修饰的葡聚糖与丙烯酸共聚，得到了具有 p h 敏感性的凝胶，通过药物实验发现它在碱性环境下的溶胀率要远远大于酸性 环境下的溶胀率，其在人工肠液中的释药速度要明显高于在人工胃液中的释药速 度。 1 3 3 4 缓释微粒 缓释微粒一般呈固态或者胶态，药物通过交联或键联作用包覆于微粒的内部 或吸附在微粒的表面，制成的药物载体可分为纳米粒和微球。利用壳聚糖制备的 缓释微粒药物载体具有稳定性强、药物的包封率高、缓释性能较好、体内特异性 分布等特点，而且能负载多种基因类药物，提高基因药物的表达率【5 6 , 5 7 】。如孙纳 【5 8 】等人制备了平均粒径为4 2 5 n m 的壳聚糖d n a 纳米粒，它作为非病毒载体转染 肝细胞系，对d n a 的包封率达到了9 1 7 ，并且能使其有效表达。而c o m p o s t 5 9 】 等人利用阴离子凝胶技术制备了环孢霉素a 壳聚糖纳米粒能在眼表保持2 4 小时 的释药时间，并且对血液和内眼无影响。 1 4 壳聚糖基温敏性水凝胶的种类 壳聚糖基温敏性水凝胶可根据贮存条件和用药部位温度的变化而急剧改变 溶解度，从而发生相转变形成半固体药库 6 0 , 6 1 】。由于未使用交联剂和有机溶剂， 它的毒性要远远小于常规药物载体，是当前研究最为广泛的利用于智能给药系统 的水凝胶6 2 , 6 3 1 ，也是本文研究的焦点。壳聚糖基温敏性水凝胶的制备主要有以下 几种： 1 4 1 壳聚糖物理水凝胶 壳聚糖物理水凝胶是指不添加任何交联剂，只靠壳聚糖本身的分子间作用力 形成具有温敏性的水凝胶。利用这种方法制备的水凝胶未使用各种交联剂和有机 试剂，因此凝胶内只含有水和壳聚糖，无毒性。如有人通过冰乙酸一水一丙二醇 溶液体系处理壳聚糖，得到的产品即具有温敏性i 删。 1 4 2 壳聚糖聚n 一异丙基丙烯酰胺水凝胶 聚n 异丙基丙烯酰胺本身就是一种温敏性材料，它可在在3 2 时发生相变， 从溶胶变成凝胶。将其与壳聚糖接枝共聚起来，得到的共聚物也将具有温敏性。 徐勇【6 5 】等人以壳聚糖和聚n 异丙基丙烯酰胺为原料，以高分子半互穿交联网络 技术制备了具有温敏性的微球共聚物，通过体外药物释放实验发现它在胃部环境 下有着较好的温度敏感性，药物释放的达到平衡的时间与胃部排空的时间基本上 达到了一致。陈晓春 6 6 1 等人利用反相悬浮聚合法，制备了同是具有温敏性和p h 敏感性的壳聚糖聚n 异丙基丙烯酰胺水凝胶。研究表明壳聚糖的含量对水凝胶 的溶胀率有很大的影响，但都在p h = 3 时溶胀率最大。水凝胶的温度响应具有可 逆性，最低转变温度为3 3 。 1 2 1 4 3 壳聚糖p i u r o n i c 水凝胶 p l u r o n i c 是由聚氧乙烯和聚丙乙烯组成a b a 型三嵌段聚合物，将壳聚糖与 其共聚即可得到具有温敏性的水凝胶。如c h u n g f 7 】等人利用耦合剂将壳聚糖和 p l u r o n i c 制备成了转变温度为3 4 的温敏性水凝胶，并发现它的溶胶一凝胶转变 是可逆的。a l e x a n d r i d i s t 6 s 等人详细描述了壳聚糖p l u r o n i c