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壳聚糖基生物医用纳米粒子的制备和应用研究 摘要 当今，聚合物纳米微粒( n a l l o p a r t i c l e ) ( 尺寸在1 - 1 0 0 0 ) 在生物医学领域具 有广阔的应用前景。生物医学对聚合物纳米微粒有一些基本的要求，如单分散性 好、在分散液中具有比较高的稳定性、具有生物相容性以及纳米粒子表面没有污 染等。然而目前要同时满足这些要求还有一定的难度。随着纳米生物医学和生物 工程技术的发展，生物医用聚合物纳米粒子呈现出以下几种发展趋势：( 1 ) 功 能化，在聚合物纳米微粒的表面引入反应性基团或离子性基团，使其通过化学键 或静电相互作用的手段将生物活性分子连接到聚合物纳米粒子上；( 2 ) 智能化， 聚合物纳米微粒能对外界刺激作出反应，尤其是对生物环境中条件变化作出应 答。( 3 ) 小型化，尺寸更小的聚合物纳米粒子可发挥一些特殊作用，如越过生物 屏障等，能到达大粒子所不能到达的人体器官或组织。 本研究就是为了使聚合物纳米微粒能在生物医学领域得到应用合成了一些 聚合物纳米粒子并对它们的物理化学性质进行了表征。研究工作满足聚合物纳米 粒子在生物医学领域应用的基本要求并适合聚合物纳米粒子的发展趋势。根据聚 合物纳米粒子的研究背景和发展趋势，本论文开展了以下几个方面的研究： ( 1 )以二甲亚砜( d m s o ) 为溶剂，在三乙胺存在下，利用d l 丙交 酯和壳聚糖( c s ) 反应合成两亲性的壳聚糖( c s ) 一聚丙交酯( p l a ) 接枝共聚物。利用红外、核磁共振、热失重和x 一射线衍射表征了 接枝共聚物的化学结构和物理性质。通过荧光光谱和动态光散射 方法研究了接枝共聚物的聚合物胶束的形成和特性。聚合物胶束 的临界胶束浓度( c m e ) 用荧光光谱法，以芘作荧光探针，测定 荧光强度。在水中d l - 丙交酯壳聚糖摩尔单元( 1 1 ：1 ) 的临界 胶束浓度( c m c ) 值为6 4 9 1 0 2m m l 。在水中接枝共聚物胶束 的尺寸和尺寸分布是通过动态光散射测定的。在水中d d 丙交酯 壳聚糖摩尔单元( 1 1 ：1 ) 共聚物胶束的平均粒径为1 5 4 n m ，尺寸 分布为( p 0 1 y d i s p e r s i t y ；p 1 1 2 = 0 0 3 ) 。透射电镜观察聚合物胶束呈球 型。 ( 2 ) 利用离子凝胶化反应制备包载甘草酸单铵盐的壳聚糖一三聚磷酸 钠( t p p ) 甘草酸单铵盐的三元复合物纳米粒子。粒子尺寸和z e t a 电位电位分别通过动态光散射和z e t a 电位电位分析仪来测定。研 究了壳聚糖分子量、壳聚糖浓度、甘草酸单铵盐浓度以及聚乙二 醇( p e g ) 引入等各种因素对纳米粒子物化性质的影响。该三元 复合物纳米粒子具有比较大的包载甘草酸单铵盐的能力。随着甘 草酸单铵盐和壳聚糖浓度的增加包封率降低。聚乙二醇( p e g ) 的引入显著地降低了纳米粒子表面的正电荷。上述这些研究表明， 壳聚糖能和t p p 复合形成稳定的阳离子纳米粒子用于包载甘草酸 单铵盐。动物实验结果表明，甘草酸单铵盐一壳聚糖一t p p 纳米微 粒能促进甘草酸单铵盐从胃肠道吸收，提高其口服吸收效果。 ( 3 )在带负电荷的磁流体存在下，通过在壳聚糖溶液中聚合丙烯酸制 备了壳聚糖( c s ) 一聚丙烯酸( p a a ) 磁性聚合物微球。透射电镜 观察c s p a a 磁性聚合物微球呈规整的圆球型。通过控制介质的 口h 值，磁性聚合物微球带有正或负的z e t a 电位。根据振动样品磁 强计测得c s p a a 磁性聚合物微球具有超顺磁性。甘草酸单铵盐 体外释放表明，c s p a a 磁性聚合物微球可以持续释放包载的甘 草酸单铵盐。 关键词：壳聚糖、聚乳酸、聚合物胶束、合成、表征、甘草酸单铵 盐、纳米粒子、磁性聚合物微球、p h 敏感、超顺磁性、药物载体、 靶向、体外释放、动物体内实验 s t u d i e so n p r e p a r a t i o n a n d a p p l i c a t i o n s o fc h i t o s a n n a n o p a r t i c l e sf o rb i o m e d i c i n e a b s t r a c t p o l y m e r i cn a n o p a r t i c l e so ft h ed i a m e t e ri nt h er a n g eo f1 - l0 0 0 n m h o l dg r e a tp o t e n t i a la p p l i c a t i o ni nt h ef i e l do fb i o m e d i c i n e t h e r e a r e s o m eb a s i cr e q u i r e m e n t sf o rt h ea p p l i c a t i o no fp o l y m e rn a n o p a r t i c l e si n b i o m e d i c i n e ，s u c ha sn a r r o wp a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o n ，h i g hs t a b i l i t yi n a q u e o u sd i s p e r s i o n ，b i o c o m p a t i b i l i t ya n dn op o l l u t i o no nn a n o p a r t i c l e s s u r f a c e ，b u ti ti sd i f f i c u l tt om e e tt h e s er e q u i r e m e n t sc o n c u r r e n t l yn o w w i t ht h ed e v e l o p i n gt r e n do ft h ep o l y m e rn a n o p a r t i c l e sf o rb i o m e d i c i n e c o u l db ep r e s e n t e da sf o l l o w s ：( 1 ) t h e r ea r er e a c t i v eg r o u p so ri o n i z a b l e g r o u p so nt h ep o l y m e rn a n o p a r t i c l es u r f a c ew h i c hc a nb eu s e dt ol i n k b i o a c t i v es p e c i e st ot h en a n o p a r t i c l e sb yc h e m i c a lb o n do re l e c t r o s t a t i c a t t r a c t i o n ；( 2 ) p o l y m e rn a n o p a r t i c l e so fs m a l l e rs i z ec a np l a y as p e c i a l r o l e ，s u c h a si n g e t t i n g a c r o s sb i o l o g i c a lb a r r i e r ，e t c ；( 3 ) p o l y m e r n a n o p a r t i c l e sc a nb er e s p o n s i v et o e x t e r n a ls t i m u l i ，e s p e c i a l l yi nt h e b i o e n v i r o n m e n t s t h er e s e a r c hw o r ko ft h i st h e s i si sc o n c e n t r a t e do nt h e s y n t h e s i s ，c h a r a c t e r i z a t i o na n da p p l i c a t i o no ft h ep o l y m e rn a n o p a r t i c l e s f o rb i o m e d i c i n e ，a n dt h er e s e a r c hw o r kw a sc a r r i e do u tt os a t i f yt h eb a s i c r e q u i r e m e n t s f o rt h e i ra p p l i c a t i o ni nb i o m e d i c i n ea n dc a t e rt ot h e i r d e v e l o p i n gt r e n d s o m er e s u l t sh a v eb e e no b t a i n e da sf o l l o w s ( 1 ) t h ea m p h i p h i l i cc h i t o s a n - p o l y l a c t i d eg r a f tc o p o l y m e r s w e r e s y n t h e s i z e db yr e a c t i n gd l - l a c t i d ew i t hc h i t o s a ni nd i m e t h y ls u l f o x i d e s o l u t i o ni nt h ep r e s e n c eo ft r i e t h y l a m i n e t h ec h e m i c a ls t r u c t u r ea n d p h y s i c a lp r o p e r t i e so fc h i t o s a nd e r i v a t i v e sw e r ec h a r a c t e r i z e db yf t i r ， h n m r ，t g aa n dx r d f o r m a t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c so fp o l y m e r i c m i c e l l e so fg r a f tc o p o l y m e r sw e r es t u d i e db yf l u o r e s c e n c es p e c t r o s c o p y a n dd y n a m i c l i g h ts c a t t e r i n g ( d l s ) m e t h o d t h e c r i t i c a lm i c e l l e s c o n c e n t r a t i o n ( c m c ) o fp o l y m e r i ca m p h i p h i l e s w a sd e t e r m i n e db y m e a s u r i n gt h ef l u o r e s c e n c ei n t e n s i t yo fp y r e n e a saf l u o r e s c e n tp r o b e t h ec m cv a l u eo fd l l a c s ( 11 ：1 ) ( d l l a c t i d e a m i n o g l u c o s i d e u n i t s m o l a rr a t i o = 1 l ：1 1i nw a t e rw a s6 4 9 1 0 m g m 1 t h es i z eo fm i c e l l e s a n dt h e i rs i z ed i s t r i b u t i o ni nw a t e rw e r em e a s u r e db yd l s m e a n d i a m e t e ro ft h ep o l y m e r i ca m p h i p h i l e sm i c e l l e so fd l l a c s ( 11 ：1 ) i n w a t e r w a s15 4n m w i t ha nu n i m o d a ls i z e d i s t r i b u t i o n ( p o l y d i s p e r s i t y = p f 2 = 0 0 3 ) t h es p h e r i c a l m i c e l l e sw e r eo b s e r v e db y t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y ( t e m ) ( 2 ) t h ea m m o n i u mg l y c y r r h i z i n a t e l o a d e dc h i t o s a nn a n o p a r t i c l e s w e r ep r e p a r e db yi o n i cg e l a t i o no fc h i t o s a nw i t ht r i p o l y p h o s p h a t e a n i o n s ( t p p ) t h ep a r t i c l es i z ea n dz e t ap o t e n t i a lo fn a n o p a r t i c l e sw e r e d e t e r m i n e d ，r e s p e c t i v e l y , b yd y n a m i cl i g h ts c a t t e r i n g ( d l s ) a n daz e t a p o t e n t i a la n a l y z e r t h ee f f e c t s ，i n c l u d i n gc h i t o s a nm o l e c u l a rw e i g h t ， c h i t o s a nc o n c e n t r a t i o n ，a m m o n i u mg l y c y r r h i z i n a t ec o n c e n t r a t i o na n d t h ei n t r o d u c t i o no fp o l y e t h y l e n eg l y c o l ( p e g ) o nt h ep h y s i c o c h e m i c a l p r o p e r t i e so ft h en a n o p a r t i c l e sw e r es t u d i e dt h e s en a n o p a r t i c l e sh a v ea g r e a ta m m o n i u mg l y c y r r h i z i n a t el o a d i n ge f f i c i e n c y t h ee n c a p s u l a t i o n e f f i c i e n c y d e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fi n i t i a la m m o n i u m g l y c y r r h i z i n a t e c o n c e n t r a t i o na n d c h i t o s a nc o n c e n t r a t i o n t h e i n t r o d u c t i o no fp e gc a nd e c r e a s es i g n i f i c a n t l yt h ep o s i t i v ec h a r g eo f p a r t i c l es u r f a c e t h e s es t u d i e ss h o w e dt h a tc h i t o s a nc a nc o m p l e x t p pt o f o r ms t a b l ec a t i o n i c n a n o p a r t i c l e s f o r s u b s e q u e n t a m m o n i u m g l y c y r r h i z i n a t el o a d i n g t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t so fd r u gd e l i v e r yi n a n i m a lb o d i e sc o n f i r m e dt h a tt h ec h i t o s a n t p pn a n o p a r t i c l e sc a n i m p r o v et h eo r a la b s o r p t i o no fa m m o n i u mg l y c y r r h i z i n a t e ( 3 ) s t a b l ec h i t o s a n - p o l y ( a c r y l i ca c i d ) ( c s - p a a ) p o l y m e rm a g n e t i c m i c r o s p h e r e sw e r es y n t h e s i z e db yp o l y m e r i z a t i o no f a ai nc ss o l u t i o ni n t h e p r e s e n c e o fn e g a t i v e l yc h a r g e dm a g n e t i t en a n o p a r t i c l e s t h e s e p o l y m e rm a g n e t i cm i c r o s p h e r e sh a v eah i g hf e 3 0 4l o a d i n gc o n t e n t t e m r e v e a l e dt h a tt h ec s - p a ap o l y m e rm a g n e t i cm i c r o s p h e r e sw e r er e g u l a r s p h e r i c a ls h a p e b yc o n t r o l l i n gt h ep hv a l u eo ft h em e d i u m ，p o l y m e r m a g n e t i c m i c r o s p h e r e s h a dp o s i t i v e ( o rn e g a t i v e ) z e t ap o t e n t i a l a c c o r d i n gt ot h em a g n e t o m e t e rm e a s u r e m e n t sd a t a t h ec s _ p a ap o l y m e r m a g n e t i c m i c r o s p h e r e s h a ds u p e r p a r a m a g n e t i cf e a t u r e t h er e l e a s e p r o f i l e o fa m m o n i u m g l y c y r r h i z i n a t e f r o m p o l y m e r m a g n e t i c m i c r o s p h e r e sh a sa no b v i o u sb u r s te f f e c ta n das l o w l yc o n t i n u o u sr e l e a s e p h a s ef o l l o w e d k e y w o r d s ：c h i t o s a n ；p o l y l a c t i d e ；p o l y m e r i cm i c e l l e ；s y n t h e s i s ； c h a r a c t e r i z a t i o n ；a m m o n i u mg l y c y r r h i z i n a t e ；n a n o p a r t i c l e s ； c h i t o s a n p o l y ( a c r y l i ca c i d ) ；p o l y m e r m a g n e t i cm i c r o s p h e r e s ； p h s e n s i t i v e ；s u p e r p a r a m a g n e t i cp r o p e r t i e s ；d r u gc a r r i e r ；t a r g e t i n g d e l i v e r y ；i nv i t r or e l e a s e ；a n i m a le x p e r i m e n t 复旦大学博士后研究工作报告第一章绪论 第一章绪论 1 1 高分子药物控释体系研究现状 随着高分子科学和现代医学的发展，药物控释体系在医学上的研究和 应用日益受到人们的重视。高分子药物控释体系，就是利用天然或合成的高 分子化合物作为药物的载体或介质，将药物活性分子与高分子载体结合( 复 合或包囊) 后，投施到生物活性体内，通过扩散、渗透等控制方式，药物活 性分子再以适当的浓度和持续时间释放出来，从而达到充分发挥药物疗效的 目的，以达到治疗某种疾病的目的。 高分子药物控释体系的特点是通过对药物医疗剂量的有效控制，能够 降低药物的毒副作用，提高药物的稳定性和生物利用率。还可以实现药物的 靶向输送，减少服药次数，减轻患者的痛苦，并能节省入力、物力和财力等。 由于选用的高分子材料不同，药物分子的控制释放机制也不相同，因此高分 子药物缓释材料的研究，无论在医药学理论上或实际医疗中都具有十分重要 的意义。 药物控释体系所采用的高分子材料一般可分为两大类，即天然高分子 缓释材料( 如壳聚糖、明胶和羧甲基纤维素等) 和合成高分子缓释材料两大 类。而对于合成高分子缓释材料，按其生物降解性能的不同，又可分为生物 降解型和非生物降解型两判1 2 1 。 一、非生物降解型高分子 非生物降解型材料研究得比较早，种类也比较多。都具有化学和物理 性质的稳定性、一定的机械强度和良好的成型加工性能。现已应用的有关材 料有以下几种： ( 1 ) 乙烯一醋酸乙烯酯共聚物：其中醋酸乙烯脂的含量一般在3 0 一 5 0 ，可通过不同共聚合的方法来进行调节。用这种材料做载体释放毛果芸 香碱可治疗青光眼，其缓释时阳j 在7 天以上。它还可用于计划生育，以其为 载体释放孕激素。 ( 2 ) 有机硅橡胶类：这是目前用于医疗领域中重要的弹性高分子材料， 其特点是具有生理惰性、无毒副作用、无味及理化的稳定性。如交联的硅橡 复旦大学博士后研究工作报告第一章绪论 胶可作为疏水药物( 麻醉剂、激素等) 的载体进行控制释放，在临床上已取 得良好效果。 ( 3 ) 高聚物水凝胶类：水凝胶是一类亲水性高分子载体，具有较好的 生物相容性。其对化学介质、p h 值、离子强度、温度、电场、光、机械应 力等周围环境因素的改变均能做出相应的响应，使形状发生连续性或非连续 性的可逆性变化，即体积相转变特性。所以高分子凝胶也可称作环境敏感高 分子。高聚物水凝胶种类很多，如聚丙烯酰胺、聚丙烯酸等都属于这类材料。 ( 4 ) 互穿网络聚合物( i p n ) 材料：有关这方面的研究正在进行中， 内容十分丰富，这罩不再赘述。 二、生物降解型高分子 生物降解高分子是指在一定条件下能被生物体降解，其降解产物可以 代谢，并最终排出体外的一类高分子化合物，其特点是在体内无积累，具有 良好的生物相容性。 生物降解高分子是指通过自然界微生物( 细菌、真菌等) 作用而发生 降解的高分子材料。一般来说，生物降解高分子指生物环境中能降解的高分 子。医用生物降解高分子是指在体内可降解的高分子，为了与工业用生物降 解高分子区别，医用生物降解高分子又称为生物质吸收性高分子。 生物降解高分子材料从物理角度看，存在均相和非均相降解两种机制。 当降解反应仅发生在聚合物表面时，称为非均相降解，降解发生在整个聚合 物内时称为均相降解。从化学角度考虑，聚合物的降解分为以下三种机制： ( 1 ) 疏水性聚合物通过主链上不稳定链的水解变成低分子量、水溶性 分子。 ( 2 ) 不溶于水的聚合物通过侧链基团的水解、离子化或质子化，变成 水溶性分子。 ( 3 ) 不溶于水的聚合物水解掉不稳定的交联链变成水溶性的线型高分 子。 生物降解性聚合物的降解主要受以下几个因素的影响： ( 1 ) 主链的结构及其柔顺性聚合物的主链中含有易水解的键，如酯 键、酰胺键、脲键、氨酯键等，较容易发生生物降解；主链的柔顺性对材料 2 复旦大学博士后研究工作报告第一章绪论 的生物降解也具有一定影响，柔顺性大，降解速度也大。例如主链柔顺的脂 肪族聚酯，很容易被脂肪酶及微生物质降解，但主链中引入芳香族化合物后， 其生物降解速度变慢，实际上芳香族聚酯很难生物降解。 ( 2 ) 分子量及其分布许多由微生物参与的聚合物降解反应都是由端 基开始的，高分子量的聚合物因端基数目少，降解速度较慢。而宽分布的聚 合物，总是低分子量部分先降解。 ( 3 ) 聚合物的形态结构非晶态聚合物比晶态聚合物容易生物降解。 生物降解高分子在体内应用不需要二次手术取出，是生物医用高分子材 料发展的主流方向 3 1 。其应用有两个方面：一是医学中需要一些暂时性的材 料，如骨折内固定，药物控释等；二是组织工程发展的需要，即在一些合成 材料上培养组织细胞，使其生长成组织器官，如骨 4 , 5 1 、肝t 6 等。作为药物控 制释放材料有以下优点：( 1 ) 缓释速率对药物性质依赖性较小。缓释速度主 要由载体的降解速度控制，从而使对药物包裹量和几何形状等参数的选择范 围更广；( 2 ) 释放速度稳定。在扩散控释体系中，释放速率般都随时间而 递减。如果使用可降解材料作载体，随着材料的降解，药物的渗透率加快， 可以抵消扩散速率的降低。在理想的情况下。释放速率可维持恒定，达到零 级释放动力学模式；( 3 ) 更适应不稳定药物的释放要求。在不降解释放体系 中，药物的释放是通过水扩散到载体内部一药物溶解一溶液扩散这过程实 现的。而在可生物降解体系中，由于载体的可降解性，药物释放不需要通过 这种较长的路程来实现，使得药物微粒在溶液中逗留的时间较短。使蛋白、 多肽等不稳定药物不致出现分解或聚集现象，使许多老药新用。由于它具有 这些优点，因此生物降解高分子已逐渐成为药物控制释放材料研究的主流。 生物降解高分子材料的制备包括天然高分子的改造法、化学合成法、 微生物发酵生产法、酶促合成法和化学酶促联合法等。 ( a ) 天然高分子的改造 自然界中存在大量的多糖类高分子，如甲壳 素、淀粉、纤维素、海藻酸纳等，都能被生物降解，通过化学修饰和共聚方 法，对这些天然高分子进行改性，可以合成生物降解的高分子材料。 ( b ) 化学合成法模拟天然高分子的化学结构，从简单的小分子出发制 各分子链上连有酯基、酰胺基、肽基的聚合物，这些高分子化合物的结构单 复旦大学博士后研究工作报告第一章绪论 元中含有易被生物降解的化学结构或是在高分子链中嵌入了易生物降解的 链段n ( c ) 微生物发酵法许多生物能以某些有机物为碳源，通过代谢分泌出 聚酯或聚糖类高分子【8 】o 但该方法合成的产物不易分离，有副产物存在。 ( d ) 酶促合成法用酶法合成的生物降解高分子，是得益于非水酶的 发展。酶在有机介质中表现出与其在水溶液中不同的性质，并拥有了催化一 些特殊反应的能力，从而显现出许多水相中所没有的特点 9 1 。例如可以提高 非极性底物和产物的溶解度，热力学平衡向合成方向移动等。酶对底物的高 度专一性使聚合过程无副产物产生，产物容易分离，酶可以回收利用，从而 降低产物的成本。反应条件温和，且可以合成一些用传统方法难以得到的产 品，如具有光学活性的生物降解高分子等。但是，酶促合成法的酶源比较有 限，另外，反应类型也有限【1 0 】。 ( e ) 化学。酶促联合法化学合成法能够有效地提高聚合物的分子量， 酶促合成法具有较高的立体选择性，因此为了提高聚合效率，人们将化学合 成法和酶促合成法联合使用来合成生物降解高分子。其具体思路是：利用酶 的选择性来催化一个选择性的步聚，合成能够聚合的单体或寡聚体，然后利 用化学合成方法聚合得到生物降解性很好的高分子化合物。m a r g o l i n 1 l 】和 d a v e l 1 2 1 等利用p s e u d e m o n a s 脂肪酶催化外消旋的脂肪醇和胺，合成了有光 学活性的丙烯酸衍生物，然后利用自由基聚合反应合成高分子聚合物，产生 的旋光纯度达9 8 以上。p a f i l b 1 利用蔗糖和丙烯酸乙酯为单体，以蛋白酶为 催化剂，在吡啶中合成了丙烯酸蔗糖酯，然后用化学方法合成聚丙烯酸糖酯。 这种聚合物能被脂肪酶和蛋白酶所降解。 生物降解高分子的类型可分为：天然高分子类、半合成高分子、合成 高分子等。 a 天然高分子类 自然界中存在的大量天然高分子，是能被酶完全降解的材料。因稳定、 无毒等优点被广泛应用于各个领域。主要包括以下几种： ( 1 1 明胶 将动物的骨和皮中的胶原蛋白质提纯后，经局部水解得到明胶。通常 复旦大学博士后研究工作报告第一章绪论 是平均相对分子质量在1 5 0 0 0 - - 2 5 0 0 0 之间不同m r ( 相对分子质量) 的混合 物。因制备时水解方法的不同，分为酸法明胶( a 型) 和碱法明胶( b 型) 。 由于其可生物降解，几乎无抗原性，因此在医学、药学等方面有广泛的应用 1 4 - 1 8 。 ( 2 ) 甲壳素，壳聚糖 甲壳素是- - 利e 氨基多糖聚合物，是生物学上重要的动物结构材料。它 具有良好的生物亲和性和生物可吸收性，能被广泛存在于生物体组织中的溶 菌酶降解，生成的天然代谢无毒且能被生物体完全吸收，壳聚糖是甲壳索的 衍生物，是甲壳素脱乙酰化的产物。甲壳素、壳聚糖在生物医学方面有广泛 的应用。 但是甲壳毒呈紧密的晶态结构，不溶于普通溶剂，壳聚糖也只能溶于 一些酸性溶剂，使其应用受到限制。因此通过引入官能团、接枝等改性手段 来改善其性能。目前主要有酰化改性【1 9 - 2 1 、烷基化改性【2 2 , 2 3 、醚化改性堋、 接枝改性2 6 1 、共混等阻2 8 1 。 ( 3 ) 海藻酸钠 海藻酸钠属于多糖类化合物，常用稀碱从褐藻中提取而得。溶于不同 温度的水中，不溶于乙醇、乙醚及其它有机溶剂，可与甲壳素或聚赖氨酸混 合使用。 由于海藻酸钠具有优异的生物相容性和生物降解性，因此可作为人工 皮肤及牙科材料，在药物释放研究中，可作为肽类药物释放的载体材料。 ( 4 ) 蛋自类 常用的有白蛋白、玉米蛋白、鸡蛋白等，可生物降解，无明显的抗原 性。 ( 5 ) 淀粉 淀粉是多糖类化合物，由许多脱水葡萄糖单元( a g u ) 经糖苷键连接 而成的，其分子结构有两种；一种是由a - 1 ，4 苷键结合的直链淀粉；另一 种是由大部分为a - 1 ，4 苷键结合和一小部分为a - i ，6 苷键结合而成的支链 淀粉。与甲壳素等一样，它也是一种生物降解高分子。 淀粉本身的性质很脆，在使用时需要对其进行改性。一般将其制成它 复旦大学博士后研究工作报告第一章绪论 的衍生物来使用，如：羟乙基淀粉、羧甲基淀粉及马来酸酯化淀粉一丙烯酸 共聚物等。 b 半合成高分子 半合成高分子多数是纤维素的衍生物，其特点是毒性小、粘度大、成 直后溶解度增大；由于易水解，故不宜高温处理，需临用时现配。主要有羧 甲基纤维素盐( 如s c m c ) 、邻苯二甲酸醋酸纤维素( c a p ) 、乙基纤维素 ( e c ) 、甲基纤维素( m c ) 等。 c 合成高分子 合成生物可降解高分子主要有以下几类： ( 1 ) 聚酯及共聚酯 聚酯是一种被广泛使用的生物降解高分子，它们的主链大都含有脂肪 族结构单元，通过易水解的酯键连接而成，主链柔顺，因而易被自然界中的 多种微生物或动植物体内的酶分解、代谢，最终形成二氧化碳和水。包括聚 乳酸( p l a ) 、聚乙交酯( p g a ) 、聚已内酯( p c l ) 、聚羟基丁酸酯( p h b ) 、 聚乙烯醇( p v a ) 等生物降解性聚酯。其中以p l a 、p c l 及其共聚物最为 常见。 聚乳酸( p o l y l a c t i ca c i d ，p l a ) 是以微生物发酵产物乳酸为单体化学合 成的一类聚合物，是一种无毒、无刺激性，具有生物降解性和生物相容性的 高分子化合物，它在体内的最终代谢产物是二氧化碳和水，中间产物乳酸也 是人体内正常的糖代谢产物，因此在体内不会积蓄，在人工皮肤及组织工程 2 9 - 3 1 、药物的控制释放 3 2 - 3 4 1 等方面已被广泛应用。 聚乳酸的制备有直接缩聚法和开环聚合法。前者就是利用乳酸直接脱 水缩合得到聚乳酸，这种方法得到的产的分子量较低，强度低，易分解，无 实用一陛 3 s , 3 6 1 。后者是将乳酸脱水缩合后得到的低聚物在催化剂的作用下，使 其解聚得到丙交酯，然后再加入催化剂使其发生开环聚合而得到相对分子量 高的聚乳酸d 7 , 3 8 1 。 由丙交酯开环聚合得到的均聚的p l a 虽然有很多优点，但是它是疏水 性物质，并且其降解周期很难控制。通过与其它反应单体进行共聚得到的化 合物能够克服聚乳酸的上述缺点，可以使其亲疏水性、降解速度等得到改善。 6 复旦大学博士后研究工作报告第一章绪论 丙交酯与乙交酯共聚得到的聚合物，其结品性大大降低，力学性能有 很大改善，生物降解性也得到了提高。w i t s c h i 3 9 1 和r a j e e v 4 0 】等合成了聚乳 酸和聚乙交酯的嵌段共聚物，并研究其作用肽类药物缓释材料的性质，结果 表明其具有很好的生物相容性和生物降解性。丙交酯与e 已内酯、e 一已内 酯与乙交酯形成的也是很好的生物降解材料。f e n g 等也将p l a 与e 已内酯进行共聚，得到了它们的嵌段共聚物，具有很好的生物降解性，其性 能优于无规共聚物。 利用高分子聚醚具有的优良生物相容性和血液相容性以及亲水性和 柔顺性的特点，在疏水的聚乳酸链段中引入亲水性聚醚链段，可以提高材料 在体内的生物相容性，制得可控生物降解速度的聚酯聚醚材料。b a z i l e 和 d e n g 等 4 3 - 4 6 1 人采用不同的引发剂引发丙交酯开环聚合，得到了聚乳酸一聚醚 嵌段共聚物。聚酯一聚醚嵌段共聚物一般用聚乙二醇和环状内酯( 如丙交酯) 开环共聚来制备。 由于在聚乳酸链段中引入了生物相容性和血液相容性以及亲水性优异 的聚乙二醇链段，使聚乳酸的性能有了很大的改善。这种嵌段共聚物因为具 有两亲性，所以作为创伤敷料、药物释放的载体具有更大的优越性4 7 ，4 踟。 ( 2 ) 其它可生物降解化合物 其它可生物降解化合物还有聚原酸酯，聚酸酐，聚磷酸酯、聚碳酸酰亚 胺、聚磷腈、聚糖酯类。 采用生物降解型高分子的药物缓释材料，可以克服非降解型缓释材料 释放完毕后载体必须从活体中取出的缺点。使用这种材料时，当药物释放完 毕后，载体不必从活体中取出而可以在体内进行降解，最后排出体外或参与 活体的新陈代谢。能发生生物降解的高分子材料有聚酯、聚碳酸酯、聚原酸 酯、聚亚胺、聚缩醛等。其中聚酯类聚合物应用得最多，如聚乳酸和聚a - 羟基乙酸，它们的降解产物为c 0 2 和h 2 0 ，比较容易排出体外。 1 2 高分子药物控释体系分类 根据药物与高分子载体之间的相互作用方式，高分子药物控释体系可以 分为两类，即药物以物理方式被高分子载体包埋的药物控释体系和药物与高 分子载体以化学键相连接的高分子药物( p o l y m e i cd r u g ) 。高分子药物的含 7 复旦大学博士后研究工作报告第一章绪论 义是小分子药物在高分子主链或侧链上以化学键方式连接，通过水解或酶解 而释放小分子药物，也可以起到缓释作用。根据高分子材料对药物包埋的方 式，高分子控释体系可分为两大类，即贮存型( r e s e r v i o rd e v i c e s ) 和基质 型( m a t r i xd e v i c e s ) 。 ( 1 ) 贮存型药物控释系统 在贮存型( r e s e r v i o rd e v i c e s ) 体系中，药物被聚合物膜包埋，药物通 过在聚合物中的扩散释放到环境中，其扩散符合f i c k i a n 第一定理【”1 。这种 体系大多数是平面、图简或球形的，释放速度随时间变化，为恒速释放。近 年来，r e s e r v i o r 体系在医学界已得到了广泛的应用，包括胶囊，毫微囊， 中空纤维以及膜等，用于眼疾，癌症治疗和生育控制。对于生物降解材料的 r e s e r v o i r 体系中，药物恒速释放的条件是膜的降解比药物释放要长得多。 如果在药物释放中膜的降解较明显，其厚度变化可以从药物释放速度中得到 反映，所以在这种体系中，可以通过选择膜的生物降解性质来控制药物释放 速度。 图1 1 高分子药物控释体系 ( 2 ) 基质型药物控释系统 基质型( m a t r i xd e v i c e s ) 药物控制释放系统是研究最多的药物控制释 放系统，在m a t r i x 体系中，生物活性物质是以溶解或分散的形式和聚台物 结合在一起的，因此溶质在聚合物中的溶解性成为这些体系中释放的控制因 素。对于生物降解材料而言，m a t r i x 体系的药物释放既可被扩散控制也可被 降解控制。若m a t r i x 的降解大大低于药物的扩散，则以扩散为释放控制因 素；相反，若药物在聚合物中难以移动，则扩散对于降解来说微乎其微，此 复旦大学博士后研究工作报告第一章绪论 时降解控制释放。 1 3 聚合物纳米微粒药物控释系统 聚合物纳米微粒( n a n o p a r t i c l e ) 是新近发展起来的一种纳米级药物控释 系统口o ”j 。用于生物医学领域的聚合物纳米微粒大小通常在l 1 0 0 0 n m 之 间，比纳米科技中常蜕的纳米尺寸范围( 0 1 1 0 0 r m a ) 高一个数量级，这也 是纳米生物医学的一个特点。生物医用聚合物纳米微粒的大小通常要求具有 单分散性，单分散性好的纳米粒子作为药物载体具有更好的靶向性，尤其是 在免疫测定中，为保证试验具有重复性，就要求每个粒子尽可能载有相同数 量的抗体( 或抗原) 。聚合物纳米微粒( n a n o p a r t i c l e ) 的结构形态多种多样( 见 图1 2 ) ，可有制备技术实行有效控制，不同的结构形态对应着不同的用途 ( a )( b )( c )( d ) 图i 2 不同形态的纳米粒子 ( a ) s o l i dn a n o p a r t i c l e ；( b ) c o m p o s i t en a n o p a r t i c l e ；( c ) h o l l o wn a n o p a r t i c l e ；( d ) p o r o u s n a n o p a r t i c l e c 5 2 1 ，例如，简单的实心粒子常用于病毒记数的标样；空心粒子用于药物输 送载体具有载药量的优势；多孔粒子主要用于生物物质的色谱分离；复合粒 子中最受关注的是含磁性核的磁性聚合物纳米粒子，常用于生物物质分离和 靶向药物载体等。生物医用纳米粒子的表面性质也非常重要，通常表面要尽 可能清洁，聚合物纳米粒子制备过程中应尽量少用或最好不用乳化剂；表面 带有反应性基团可通过化学键固定生物大分子，如表面连接寡核苷酸用于基 因检测等1 5 3 1 ：聚合物纳米粒子表面存在电荷，一方面可以提高粒子在合成、 储存以及与生物流体( 高离子强度) 混合过程中的稳定性，另一方面又可通 过静电相互作用吸附带相反电荷的药物或生物大分子；粒子表面的亲水基团 可以控制水和聚合物界面的亲水亲油平衡，为粒子在水中分散提供立体稳 定性作用，另外亲水表面还可以避免吸附或连接的蛋白质失去活性。与常规 9 复旦大学博士后研究工作报告第一章绪论 药物控释体系相比，聚合物纳米微粒药物控释体系具有颗粒小、比表面积大、 表面反应活性高、活性中心多、催化效率高、吸附能力强等特性，因此它有 许多常规药物所不具有的优越性：( 1 ) 可缓释药物，从而延长药物作用时间： ( 2 ) 可达到靶向输送的目的；( 3 ) 可在保证药物作用的前提下，减少给药 剂量，从而减轻或避免毒副作用；( 4 ) 可提高药物的稳定性，有利于储存； ( 5 ) 可保护核苷酸，防止其被核酸酶降解；( 6 ) 可帮助核苷酸转染细胞， 并起到定位作用；( 7 ) 可用以建立一些新的给药途径。这都是其它输送体系 所无法比拟的。因此，聚合物纳米微粒药物控释系统是一非常有前途的控释 系统，对其研究会越来越深入，其用途也会越来越广泛【5 4 5 5 】。 1 3 1 聚合物纳米粒子的载体材料 制备聚合物纳米粒子的载体材料都是高分子化合物，以合成的可生物质 降解的聚合物体系和天然的大分子体系为主，前者如聚乳酸、聚氰基丙烯酸 烷基酯、聚乳酸聚乙醇酸共聚物等，它们在体内通过主链的水解作用而降 解，降解产物对人体基本无毒性；后者如天然的多糖、蛋自、明胶等。对于 不同高聚物的选择主要依据系统的治疗用途，被释放药物的外形和生物相容 性等因素，同时要满足以下标准：( 1 ) 必须保持或聚集在指定的位置：( 2 ) 必须在指定的位置以适当的速度释放药物：( 3 ) 用药稳定性和方便性必须是 药学上可接受的；( 4 ) 组成载药系统的载体材料必须是无毒的、可降解的。 1 3 2 两亲性共聚物纳米粒子体系 两亲性接枝或嵌段共聚物在水溶液中胶束化形成的胶