（应用化学专业论文）淀粉微球的制备、降解行为及数学模型的研究.pdf

淀粉微球的制备、降解行为及数学模型的研究摘要淀粉微球是天然淀粉的l 种人造衍生物之一。作为药物载体，淀粉微球具有良好的药物保护和缓释性能，尤其在癌症的化疗及慢性疾病如动脉栓塞的治疗中已经显示出可喜的前景。针对在淀粉微球的研究过程中所遇到的两个问题安全性和降解可控性，对淀粉微球的降解行为进行研究。通过反相微乳液聚合技术，制各淀粉微球。对原有淀粉微球的制各工艺进行了改进。对油相、表面活性剂用法及用量、油水比、交联剂用量和干燥方法进行了讨论，确定反相微乳液法制备淀粉微球微球的最佳工艺。采用扫描电镜( s e m ) 测定淀粉微球的粒径分布，跟踪了淀粉微球在不同的干燥方法、不同的交联剂用量和降解过程的表面显微形态变化。结果表明：淀粉微球的降解行为主要发生在微球的表面，降解1 0 天内能较好的保持整体性，不会发生骨架崩解；交联剂用量超过3 5 ( 以淀粉用量计) ，淀粉微球将出现纤维状物质，较用量较少时能更好的维持淀粉微球的整体性，但淀粉微球的降解性能降低；干燥方法的不当也会造成淀粉微球表面形态结构的破坏，淀粉微球表面脱水过快会造成淀粉微球表面结构的塌陷，破坏淀粉微球表面的微孔结构，进而影响淀粉微球的降解性能。通过t , 一淀粉酶和磷酸氢钠一磷酸氢二钠缓冲溶液模拟人体血液环境，以葸酮一硫酸法研究淀粉微球在降解过程中多糖类产物的变化。实验结果表明，淀t粉微球在模拟的人体血液环境中具有较好的降解性能。在模拟的人体血液环境( p h = 7 4 ) 中淀粉微球在a 一淀粉酶的作用下，葡萄糖浓度因降解而产生的变化量为3 5 4 9 m g m l ，有5 9 1 5 的淀粉微球发生降解转化成为葡萄糖。证明淀粉微球是可以在人体内进行降解的，作为药物载体是可行的。以淀粉微球修饰电极研究淀粉微球与药物模型抗坏血酸的相互作用。结果表明：同碳糊电极相比较淀粉微球修饰电极能提高电极电流强度两倍，检测下限降至1 0 m o l l ，灵敏度显著提高；淀粉微球对抗坏血酸的富集作用依赖于微球球中的羟基( - - o h ) 和胺基( n h 2 ) 与抗坏血酸分子中羟基( 一o h ) 之间的氢键缔合作用。明确淀粉微球的降解机理，建立淀粉微球在降解过程中表面积与时间的数学模型。以抗坏血酸为药物模型，在淀粉微球降解数学模型的基础上，根据淀粉微球与抗坏血酸的作用机理，推导出淀粉微球药物释放量与时间的关系，建立淀粉微球药物释放的数学模型。关键词：淀粉微球，降解行为，药物载体，数学模型s t u d i i e so np r e p a r a t i o n ，d e g r a d a t i o nb e h a v l o ra n d m a t h e m a t l cm o d e lo fs t a r c hm i c r o s p h e r e sa b s t r a c tt h es t a r c hm i d r o s p h e r e si sak i n do fa r t i f i c i a ld e r i v a n to fs t a r c h a sad r u gc a r r i e r , s t a r c hm i c r o s p h e r e sh a v eag o o dp r o t e c t i o nf o rd r u g sa n da b i l i t yo fs l o w - r e l e a s i n gd r u g s t h es t a r c hm i c r o s p h e r e sh a v es h o w nag o o dp r o s p e c t ，e s p e c i a l l yi nt h ec h e m o t h e r a p yo fc a n c e ra n dt h et h e r a p yo fc h r o n i cd i s e a s eb ya r t e r i a le m b o l i s m t h e r ea r et o wp r o b l e m st h a tw em e e ti ns t u d i e so l ls t a r c hm i c r o s p h e r e s ，t h es e c u r i t ya n dc o n t r o l l a b i l i t yo fd e g r a d a t i o n f o rd e a lw i t ht h ep r o b l e m sw es t u d yo nt h eb e h a v i o r so fs t a r c hm i c r o s p h e r e st h es t a r c hm i c r o s p h e r e sw e r ep r e p a r e db yt h ew a t e r - - i n - - o i le m u l s i o nt e c h n i q u e t h et e c h n o l o g yh a sb e e ni m p r o v e d ，i n c l u d i n go i lp h a s e ，t h eu s a g ea n du s el e v e lo fs u r f a c ea c t i v ea g e n t ，t h eu s a g eo fc r o s sl i n k e ra n dt h ew a yo fd r yf i n a l l y ，t h eo p t i m u mp r o c e s sh a sb e e nd e t e r m i n e d t h ep a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o na n dc h a n g e so fs t r u c t u r ea r es u r v e y e db ys e mt h ec h a n g e si n c l u d et h ew a yo fd r y ，t h eu s a g eo fc r o s sl i n k e ra n dd e g r a d a t i o nb e h a v i o r s t h er e s u l t ss u g g e s t e dt h a t w h e nt h eu s a g eo fc r o s sl i n k e rb e y o n d3 5 ( a c c o u n tw i t ht h em a s so fs t a r c h ) ，t h e r ew i l lb es a m ef i b r o u ss u b s t a n c e t h eb e h a v i o r so fs t a r c hm i c r o s p h e r e sw e r ep l a c e di nt h e i rs u r f a c e t h es t a r c hi i im i c r o s p h e r e sw i l lh o l dt h e i ri n t e g r i t y t h e yw i l ln o tb r e a kd o w nt h e i rs t r u c t u r ea tl e a s tl o d a y s i ti sm o r es t a b l et h a ns t a r c hm i c r o s p h e r e st h a tt h eu s a g e0 fc r o s sl i n k e rb e l o w3 5 b u tt h ea b i l i t yo fd e g r a d a t i o ni sr e d u c e d t h eu n f i tm e t h o do fd r yw i l lb r e a kt h es t r u c t u r eo fm i c r o p o r eo fs t a r c hm i c r o s p h e r e s t h es u r f a c eo fs t a r c hm i c r o s p h e r e sw i l lc o l l a p s ew h e nt h ed e s i c c a t i o ni st o of a s t f i n a l l y ，t h ea b i l i t yo fs t a r c hm i c r o s p h e r e sw a sr e d u c e dt h ec i r c u m s t a n c eo fh u m a nw a ss i m u l a t e db yn a m y l a s ea n dn a 2 h p 0 4 一n a h 2 p 0 4b u f f e rs o l u t i o n t h ep r o d u c t so fp o l y s a c c h a r i d e so fs t a r c hm i c r o s p h e r e sd e g r a d a t i o nw e r e m e a s u r e db ya u t h r o n e s u l f u r i ca c i d i nt h es i m u l a t e dc i r c u m s t a n c et h ec o n c e n t r a t i o nc h a n g eo fg l u c o s ei s3 5 4 8 m g m 1 t h e r ei s5 9 15 s t a r c hm i c r o s p h e r e sd e g r a d a t e d i tc a np r o v et h a ts t a r c hm i c r o s p h e r e sc a nd e g r a d a t ei nt h eh u m a nb o d y a n di t i sf e a s i b l ef o rs t a r c hm i c r o s p h e r e st h a tt ob ead r u gc a r r i e rt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e ns t a r c hm i r o s p h e r e sa n da s c o r b i ca c i dw a ss t u d i e db yc a r b o np a s t ee l e c t r o d em o d i f i e dw i t hs t a r c hm i c r o s p h e r e s c o m p a r i n gc a r b o np a s t ee l e c t r o d et h ec a r b o np a s t ee l e c t r o d em o d i f i e dw i t hs t a r c hm i c r o s p h e r e sc a ni n c r e a s et h ec u r r e n ti n t e n s i t yo fe l e c t r o d et w i c e t h el o wl i m i to fd e t e c t i o ni sf a l l e nd o w n10 m o l l t h es e n s i t i v i t yo fe l e c t r o d ei so b v i o u s l yi n c r e a s e d t h eb e n e f i c i a t i o no fa s c o r b i ca c i db ys t a r c hm i c r o s p h e r e sd e p e n do nt h ea s s o c i a t i o no ft h eh y d r o g e nb o n d t h e r ea r eh y d r o x y ( 一o h ) a n da m i d o ( - n h 2 ) o nt h es u r f a c eo fs t a r c hm i c r o s p h e r e s a n dt h e r ei sh y d r o x y l ( 一o h ) o nt h es u r f a c ea s c o r b i ca c i dt h es a m evt h ee s t a b l i s h e dm a t h e m a t i c a lm o d e lb e t w e e ns u p e r f i c i a la r e aa n dt i m ed u r i n gd e g r a d a t i o nw a sb a s e do nt h ed e g r e d a t i o nm e c h a n i c so fs t a r c hm i c r o s p h e r e s t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nd r u gr e l e a s ea n dt i m ew a sd e d u c e df r o mt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fs t a r c hm i c r o s p h e r e sd e g r a d a t i o na n dt h ei n t e r a c t i o no fs t a r c hm i c r o s p h e r e sa n da s c o r b i ca c i d t h e nt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fd r u gr e l e a s eo fs t a r c hm i c r o s p h e r e sw a se s t a b l i s h e d k e yw o r d s ：s t a r c hm i c r o s p h e r e s ，d e g r a d a t i o nb e h a v i o r , d r u gc a r r i e r ,m a t h e m a t i c a lm o d e lv1 1 淀粉微球研究现状第一章绪论靶向给药系统( 简称i d d s ) 是一种安全高效的药物传输途径和技术，它是促进药物临床应用的关键。它要求采用最有效的方法和途径使药物进入并作用到身体的各个靶向点。诞生于2 0 世纪7 0 年代的靶向制剂技术正是这一理念的具体体现。靶向制剂主要是一种载体制剂，这种载体多采用超微粒物。在外在定位作用和生物体内的生理作用下，微粒分散体系能够有选择的聚集于肝、脾、淋巴等部位，因此微粒载体不仅能保护药物免遭破坏，而且能将所载药品集中传输到特定部位再释放从而发挥疗效，使药物在靶区的浓度超出传统制剂的数倍乃至数百倍，治疗效果明显提高。同时由于药物的正常组织分布量较传统制剂显著减少，药物的毒副作用和不良反应会明显减轻，达到高效低毒的治疗效果。微粒载药体系作为一种靶向给药到人体特定部位的新型药物载体，越来越受到关注。因而各种各样的载体纷纷受到关注和研究，包括乳液、脂质体和高分子微球。各种的材料被用于微球的制备，包括聚多糖l l “、丙烯酸酯、聚烷基氰丙烯酸酯”“、聚羟基酸( 包括聚乳酸及其共聚物i m 】以及蛋白质【m 幢j 。除了一些常规的给药方式外，微球在人体内的可降解性是对这些药物载体最基本的要求。进一步来说，降解是靶向释放药物于身体的药物作用部位和进一步控制药物释放过程的最简便的方式。降解的主要机理主要是水解和酶解。而对于人体处处都存在的酶来说，酶解具有很大的优势。淀粉微球是天然淀粉的一种人造衍生物之一，它不但具有天然淀粉的性质，与天然淀粉相比较它还具有微孔结构，易吸附药物；在生物体内具有一定的可变形性，能够根据血管丛的微环境来改变自己的形状：经酶降解时，微球的骨架崩解前其载药能力可保持相当长时间，因而可有效延长所载药物的释放时间，提高药物的疗效，有望成为理想的靶向给药系统( t d d s ) 药物载体。一系列关于其应用性能的研究亦证明作为药物载体，淀粉微球具有良好的药物保护和缓释性能，尤其在癌症的化疗及慢性疾病如动脉栓塞的治疗中已经显示出良好的前景【l3 1 4 l 。国内外对于淀粉微球的研究工作显示出淀粉微球的应用将会具有良好的前景。而对于淀粉微球应用的两个主要方向药物释放和靶向性来说，都要具备安全性和降解的可控性。药物载体淀粉微球的安全性和降解可控性的关键问题足搞清楚淀粉微球的降解机理。而在这方面国内外的研究工作多集中于对淀粉微球药物释放和降解性能等在具体应用中的研究，而对淀粉微球降解机理的研究工作未见报道。由于作为药物载体的淀粉微球，所作用的人体环境更加复杂，所以如果无法正确的认识淀粉微球的降解机理，就使得研究工作无法更进一步的开展。1 1 1 国外研究动态靶向制剂依据其靶向原动力可分为三种类型：主动靶向制剂( t d d s 主动寻找靶区) 、被动靶向制剂( t d d s 被动的被选择摄取到靶区) 和前体靶向药物。前期研究多集中于被动靶向制剂的合成和应用，b r u s a 等i l5 i 的研究表明：i ) o 1 o 2 p m 的微粒系统很快被网状内皮系统( r e s ) 的巨噬细胞从血液中清除，最终达到肝枯否氏细胞溶酶体中；5 0 1 0 0 1 t m的微粒系统能进入肝实体细胞中：小于5 0 u m 的微粒能透过肝脏内皮细胞，或者通过淋巴传递到皮和骨髓。i i ) 静脉注射7 1 2 岬的微粒可被肺机械滤阻而摄取。i i i ) 大于1 2 i _ u r t的微粒可阻滞于毛细血管床，达到肝或肾的肿瘤器官中。但这种选择性是相对的，同时还取决于载体的表面电荷、表面疏水性和表面吸附大分子等因素，由此产生的靶向作用不能够自主选择靶向目标，靶向效率较低，临床更多的是作为药物载体和缓释剂使用。瑞典a r t u r s s o n p 等【1 6 1 人用丙烯酸缩水甘油酯使淀粉接枝而生成淀粉丙烯酸2 一羟基丙基醚，l a a k s o t 等人用丙烯酸酰氯使淀粉酯化为淀粉丙烯酸酯，然后利用丙烯酸的双键聚合反应，合成淀粉微球；l a a k s ol 掣”1 用丙烯酰氯与淀粉交联，再将酯化的淀粉溶液分散于油相中，用过硫酸铵一t e m e d 氧化还原体系引发聚合，制备淀粉微球。由于淀粉与侧链之间引入酯键，在实验中发现此种淀粉微球可以被人体血浆中的酯酶水解，提高了生物降解率。l a u r at u o v i n e n 等i l8 l 以乙酸酯淀粉微球作为药物载体，以钙黄绿素作为药物模型，作用于培养的视网膜色素细胞。研究表明，微球可以被细胞所吸收，同时，微球也能够在这类细胞中酶解。进而他们得出乙酸酯淀粉微球可作为视网膜细胞的药物载体的结论。g h a n i ah a m d i ，g i l l e sp o n c h e l 等【1 9 1 认为酶解反应发生在液体和固体两相的交界处，即发生在淀粉微球的表面。所以该模型是建立在淀粉微球表面降解的基础上的动力学方程。模型以淀粉微球体积变化为参考因素，对淀粉微球的降解进行描述，进而达到在表面控制淀粉微球降解的目的。同时m i n o r us u z u k i 等i l3 j 人已经在动物体内进行了肝肿瘤对比实验，得出淀粉微球作为载体比碘化罂粟油具有更好的缓释性能和药物富集作用；德国es c h n e i d e r l l 4 1 等人在动物体内进行了肺肿瘤实验后得出的结论中指出：淀粉微球可以在不屏蔽肺部干动脉的情况下，对小动脉和毛细血管有明显的栓塞作用。这为淀粉微球在医学领域的临床应用向前迈出了可喜的一步。1 1 2 国内研究动态国内研究药物载体已经开展了多年，淀粉微球的合成及应用一度在该领域较受关注，累积了一定资料。张黎等【9 1 以色甘酸钠为模型药物，制成含药的淀粉微球，对小鼠鼻粘膜给药，研究表明淀粉微球具有显著的缓释性能，且小鼠无不良反应：蔡鸿生等【2 l l 以羧甲基淀粉为原料，以苯二甲酰氯为交联剂，采用界面缩聚法制备空白微球，用吸附载药法制备阿司匹林微球，并进行了毒性评价：胡新1 2 副等制各出了具有磁响应的顺铂淀粉微球；李晓玺等1 2 3 2 4 1 人也对三氯氧磷交联木薯淀粉的消化性能进行了研究，考察了交联度对于交联淀粉消化性能的影响。国内学者对于将淀粉微球作为栓塞剂，用于放射性治疗等领域的研究较少，研究主要集中于鼻粘膜给药。如冷光等1 25 j 对淀粉微球以胰岛素为药物模型鼻腔给药的药物动力学进行了考察。1 2 淀粉微球降解性能的研究医用淀粉微球的降解是引发药物的释放和远程控制药物在特定部位进行释放的一种最简便的方式。一般微球的降解行为可以通过在形态学上观察在活体组织切片2 6 ，2 ”，或者利用放射性同位素示踪微球等方式来考察。对于淀粉微球的降解行为主要通过对淀粉微球降解过程中的表面形态、体积变化、降解产物隅2 9 t30 1 、生物适应性2 4 , 3 ”等方面进行考察。1 2 1 淀粉微球性质研究概述淀粉微球虽然具有和天然淀粉相似的性质，但是作为靶向给药载体，与天然淀粉是有一定差别的。主要有以下几个方面：( 1 ) 粒径及粒径分布由于淀粉微球要作用于不同的病灶部位，所以要求淀粉微球具有一定的粒径和粒径分布。在淀粉微球的制备过程中，要借助物理或化学作用进行分散，从而使获得的淀粉微球符合上述要求。( 2 ) 整体结构的稳定性淀粉微球在降解过程中作为药物载体对药物释放的控制以及它们所潜在的毒性，都决定于其自身整体结构的稳定性。【1 9 】( 3 ) 降解产物及降解可控性淀粉微球作为药物载体其安全性和降解可控性都是必须具备的条件。淀粉微球是与化学试剂与淀粉分子反应成球的，其降解产物与天然淀粉是不同的：由于淀粉微球可能在体内的不同环境和条件下进行作用，所以对于微球在人体内不同器官中的降解可控性也是不同的。1 2 2 淀粉微球降解性能研究概述酶解是医用淀粉微球最具有优势的降解方式，因为在人体内具有各种特定的酶，它们可以在特定的条件下，对淀粉微球进行高效的降解。因此它成为了淀粉微球降解的主要方式。在活体实验中的研究表明1 3 “，淀粉微球的降解时间受淀粉微球制各时的反应温度影响，并且可以通过对反应温度的控制，实现对淀粉微球降解时间的控制。李晓玺等1 2 3 ，2 4 j 利用微生物群在半生物体模型中系统研究了三氯氧磷交联淀粉微球的生物降解性能。结果表明，淀粉经三氯氧磷交联化后，其微生物降解的速度和程度随交联度的提高而降低。通过控制三氯氧磷交联淀粉的交联度可以调解淀粉微球的微生物降解速度和降解程度。1 2 3 淀粉微球降解数学模型研究概述淀粉微球作为药物载体在生物医药领域的应用已进行到动物实验阶段，而用反相微乳液法来制各淀粉微球的研究还局限于实验室阶段，研究人员对于降解过程的模型研究的很少，因此如何建立机理明确、简单实用的数学模型，是研究纳米淀粉微球值得深入的课题，也是实现淀粉微球工业化生产的迫切需要。现有淀粉降解数学模型较多，主要以热剪切作用i ”i 、分子量1 3 4 l 等因素来建立相应的数学模型。而对于医用淀粉微球由于对于机理尚未明确，所以基于降解行为的模型研究的还很少。g h a n i ah a m d i ，g i l l e sp o n c h e l 等1 1 9 1 认为酶解反应发生在液体和固体两相的交界处，即发生在淀粉微球的表面。所以该模型是建立在淀粉微球表面降解的基础上的动力学方程。模型以淀粉微球体积变化为参考因素，对淀粉微球的降解进行描述。进而达到在表面控制淀粉微球降解的目的。模型的完整表达式如式卜l 所示：3 阻：1 - b t( 1 一1 )vv ob = k ，塑、3 v 0注：t 为淀粉微球降解时间：n 为淀粉微球个数；k 为淀粉微球表面降解速率；v t 为淀粉微球的剩余体积；v 。淀粉微球初始体积该模型与实验数据能较好的吻合，通过它可以由体积的变化控制淀粉微球的降解速度，从而达到控制药物释放的目的。但是由于医用淀粉微球作用环境很复杂，它只考察了其中的一个重要因素，对于其它诸如酶的活性、p h 值等因素未做讨论。1 3 淀粉微球在医药领域的发展历程1 3 1 引言通过对医用淀粉微球的降解行为的研究，利用其降解特点，医用淀粉微球主要用于鼻腔给药、栓塞技术和放射性治疗等领域。在药剂学领域，纳米粒的粒径大小界定在l 1 0 0 0 n m l 35 1 。淀粉微球作为一种可生物降解的药物载体，从带电性来分p ，淀粉微球可分为阴离子、阳离子及非离子型淀粉微球：从磁性的角度来分f 3 ”，淀粉微球有磁性和非磁性微球。磁性淀粉微球一般为核壳式结构，淀粉组成壳层，磁性金属氧化物组成核心，目前常用的金属氧化物一般为f e 3 s o 。1 3 8 3 9 i 。淀粉微球具有生物相容性、无毒、无免疫原性，且储存稳定，纳米淀粉微球还具有穿过组织间隙并被细胞吸收、靶向、缓释、高效、多种给药途径等优点。此外淀粉微球的结构、物理化学性质可在制备过程中进行控制，以改善其载药性能。淀粉微球在水中膨胀后，具有可变行性，在血液循环过程中能够根据血管环境来改变形状，在酶作用下，在骨架崩解前形态能保持相当长时间，有利于其在人体内分布运转和靶区富集，这无论是对靶向性还是控释性都是有利的，在药物输送方面具有广阔的应用前景。1 3 2 淀粉微球的制备方法目前，淀粉微球的制备方法主要有物理法、化学法及反相乳液法；( 1 ) 物理法。球磨技术是制备淀粉微球的物理方法，工作原理是：以乙醇或水为介质，淀粉颗粒在机械力的作用下发生破碎【4 们。这种方法制备的淀粉微球粒径较大，不均匀，动力消耗大，成本高，少部分淀粉颗粒外表面破裂、粗糙，水解、酶解速度大大加快：其中个别颗粒表面虽没有任何变化，但内部已经破裂【4 “。( 2 ) 化学法。化学共沉法一般用来制备磁性微球。在制备中，一般把含有f e ”和f e ”的溶液在碱性条件下混合成沉淀，然后用淀粉将其包埋，得到磁性淀粉微球。这类微球除了具有生物相容性好、无毒和药物缓释等特性外，更重要的是具有磁性，在体外磁场引导作用下实现定向作用于靶组织的目的，其载药性和稳定性优于磁性淀粉微球1 4 “。( 3 ) 反相微乳液法。反相微乳液法是近十年来发展起来的制备纳米淀粉微球的新方法 4 3 1 ，其过程为：将淀粉溶解在水中，作为水相分散于含有适量表面活性剂的有机溶液中，形成均匀、稳定、透明的微乳液，在快速搅拌状态下，加入适量的交联剂，使处于溶解状态的淀粉分子交联成细小的微球从液相析出。由于固相成核、成长都是在微小液滴里完成的，液滴大小限制颗粒长大，从而得到纳米级的淀粉微球。反相乳液法制备淀粉微球可分为两类：一类是将淀粉溶液分散于一定体积的油相中制成油包水( w 0 ) 型反相乳液后，加入适量交联剂，直接使淀粉高分子交联成球；另类是先通过接枝反应在淀粉分子上引入不饱和键，成为自由基进攻的部位，然后再通过引发剂引发自由基聚合反应生成微球，但这种方法需要很长时间，因而目前普遍使用第一种方法来制备淀粉微球。1 3 3 淀粉微球性质淀粉属于高分子物质，当其尺寸减小到纳米量级后，特性发生了很大变化，主要表现在表面效应和体积效应两个方面。这两种效应使得纳米淀粉微球表面积激增，官能团浓度和选择吸附能力变大，达到吸附平衡的时间大大缩短，胶体稳定性显著提高。这些特性为其在生物医学领域中的应用创造了有利条件。淀粉微球具体性质如下：( 1 ) 淀粉微球为球形，表面光滑。( 2 ) 载药性能。淀粉微球粒径达到纳米量级后，表面积和表面能剧增，吸附能力和吸附速度大大提高，从而提高淀粉微球的载药量，缩短达到吸附平衡的时间。( 3 ) 生物降解性能。淀粉微球在旷淀粉酶的作用下，降解分为两个阶段，第一阶段降解速度较快，第二阶段降解速度缓慢。直至趋向于停止。原因可能是交联作用的不均匀性和微粒粒径分布不均一性，导致部分微球降解速度缓慢。研究还发现，淀粉微球的生物降解过程是表面侵蚀、表面控制过程，微球内部并没有发生崩解1 4 ，降解速度随着制备过程中搅拌速度的增大而增大【4 5 i 。( 4 ) 药物释放特性。药物从淀粉微球释放出来经历两个过程：刚开始是吸附在淀粉微球表面的药物快速释放，随后是与基质相结合的药物缓慢释放并持续一段时间，有利于药物的吸收。1 3 4 淀粉微球技术的应用( 1 ) 鼻腔给药淀粉微球不但具有良好的生物降解性，同时当遇到含水介质时可以高度膨胀，形成凝胶状体系，延长了在鼻腔内的作用时间，更重要的是延长了同鼻粘液接触时间，从而大大提高了药物作用时间。它比液体药物与鼻粘液作用时问提高近十倍| 4 “。另外，淀粉微球在活体实验中不会引起白蛋白抗原反应。因此，淀粉微球十分适合用于对慢性疾病治疗的鼻腔给药载体。解热镇痛及麻醉镇痛药物、心血管药物、肽类及蛋白类等口服被破坏或不被吸收的药物可以通过鼻腔给药系统来给药，经鼻腔黏膜吸收而发挥全身或局部治疗作用，可减少药物在肠胃中因酶的作用造成的损失，减少注射给药次数。淀粉微球在鼻腔给药系统中起到缓释和控释作用。以家兔为动物模型，每天给淀粉微球2 次，每次1 0m g 或2 0m g ，共给药8 周。从电6镜照片中可见：上皮细胞和鼻粘膜纤毛保持完整，无损伤。在光学显微镜下可见鼻中隔上皮细胞轻度增生，病变较小。可能是由于从粘膜上皮吸收水分，杯状细胞增生是对脱水的一种应激反应，但粘膜层的保护特性并没有因此而改变，因为在给淀粉微球后没有发现鼻炎的迹象1 4 “。h o l m b e r g 4 8 1 等给志愿者使用淀粉微球8 天，每天2 0m g ，发现：淀粉微球的使用不会对人体粘膜纤毛的清除产生负体影响，也不会导致鼻粘膜充血。说明淀粉微球基本无毒。毛世瑞等以抗黑变激素为药物模型，制备鼻腔给药淀粉微球1 4 9 i 。研究表明，在活体中载药微球的药物释放率到达8 0 以上，而药物作用时间超过2h ；在药物动力学上，活体药物吸收速率快，而且利用率达到8 4 0 7 。b j o r k 等【5 0 ，5 。1 研究了包有胰岛素的淀粉微球在小鼠体内的降解与吸收情况和降糖作用。结果显示，淀粉微球能明显增加其吸收，达峰时间为7 1 0m i n ，表明胰岛素从淀粉微球释放后快速通过鼻粘膜：小鼠的血糖浓度在给药3 0 4 0m i n 后降至最低，并持续了约3 0m i n ，绝对生物利用度达3 3 。研究表明1 5 2 1 ，以淀粉微球作为多肽类、蛋白质药物的载体，可以显著提高药物的稳定性和生物利用性。( 2 ) 栓塞技术栓塞技术是指利用医用淀粉微球通过主动脉到达病灶靶向器官时，堵塞病灶小动脉，使血流被阻断或造成暂时性降低。当血流被阻断后，微球上的药物慢慢释放，起到药泵的作用。同时由于血流的阻断也造成药物停留在病灶器官内，使药物作用时间增长。二者共同作用，达到靶向作用。与此同时，微球的降解使血管再次通开，为进行再次栓塞治疗提供机会。在动物肝部模型中，血流量检测【5 3 1 和血管造影1 5 4 1 表明在注入淀粉微球后会使肝动脉被屏蔽，即起到栓塞作用。而在人体实验中在不屏蔽肺部主要动脉的情况下，通过动脉直接注射载药淀粉微球乳液也可在动脉及毛细血管水平进行有效的可逆的微栓塞，但对肺部较大的动脉不会造成阻滞| l 。研究表明1 5 ”，以淀粉微球载负药物经肝动脉栓塞给药后可延长药物驻留于靶位的时间提示有利于肝癌的治疗。s h a k e r 用卡氮芥淀粉微球对肝肿瘤进行栓塞治疗。通过对以淀粉微球给药和游离方式给药进行对照表明，药物载体化后，药效增强，毒性副作用降低【1 “。( 3 ) 放射性治疗对于肿瘤的治疗，现有的治疗方法还不是令人满意，以手术治疗和化学治疗为主。以肺肿瘤为例，手术切除是标准的治疗方法，但是只有3 0 的患者可接受手术治疗。而手术治疗的在5 年内的生存率却只有2 5 5 0 。常规的化学治疗放射性治疗，对患者身体其它健康器官有很大的副作用，而以淀粉微球为载体载负放射性治疗药物，在动脉内直接给药，可以在病灶部位血管形成微栓塞，形成较高的药物浓度，从而减小放射性治疗的副作用，淀粉微球在放射性治疗中显示出其潜在应用前景。然而研究同时也表明| 5 6 i ，利用淀粉微球完全对血管的栓塞却减小了药物的吸收并且血液因为完全栓塞而回流造成局部毒副作用增加。p s c h n e i d e r 等以淀粉微球为载体，载负细胞抑制剂，制备出可逆的单向载药微球。研究表明，以淀粉微球载负药物对肺部动脉和毛细血管进行微栓塞后，没有出现药物以往所引起的肺泡毛细血管膜功能紊乱等毒副作用现象。同时，加大药物剂量也没有引起肺部水肿。s u z u k i 等人在小鼠的肝肿瘤模型中研究发现蟑7 1 ，以淀粉微球载负硼化疗药物对照碘化罂粟油显示出淀粉微球对药物的良好的富集能力，它使得肿瘤部位的药物浓度高出2 5 6 。对于治疗恶性肝肿瘤淀粉微球显示出很大的潜力。通过对肝癌患者的追踪调查1 5 8 ，5 9 , 6 0 i ，对接受治疗的患者肿瘤的检测结果表明，淀粉微球与药物的协同作用使药效显著提高。( 4 ) 免疫分析。免疫分析现已作为一种常规分析方法，对蛋白质、抗原、抗体乃至整个细胞定量分析发挥着巨大的作用。淀粉分子有很多羟基，具有强亲水性，对非特异性蛋白吸附量很少，因此可被广泛的作为新型标记物载体来使用。( 5 ) 药物控释体系。淀粉微球在药物控释体系也有着重要的应用价值。某些药物只有在特定部位才能发挥其药效，同时又容易被消化液中的各种酶分解，因此，口服药的药效并不理想，故用淀粉微球作为药物载体，避免药物受酶作用，并可控制药物的释放速度。淀粉微球有三种不同的载药方式：将干燥的“空白”微球放入药液中溶胀。这种方式简单，能够大量载药且对大多药物适宜，但药物与微球结合不牢，随着血液流动药物很快释放，缓释能力弱。制备微球时以水溶性药物与淀粉共同构成水相，经乳化聚合成球后，药物直接被包在球内。采用此法的主要有酶、蛋白质大分子药物。研究结果表明，小分子的包埋效果不如大分子理想，渗透较快，载药率低1 6 “。偶联。通过某些桥联化合物将微球与药物连接起来，通过化学方法将药物分子连接到微球上，对小分子药物是一种行之有效的方法。但其对药物分子结构有一定的要求，且载药率低，药物与载体之间的偶联与去偶联并不总是可逆的，这些因素都限制了其在偶联载药方面的进一步应用。目前我国对淀粉微球载药的研究主要以吸附法和包埋法为主。( 6 ) 某些疑难病的介入性诊断和治疗。由于纳米级淀粉微球比红血球( 直径6 9 p m ) 小得多，可以在血液中自由运动，因此可注射到人体的各个部位，检查病变和进行治疗。( 7 ) 生物物质的吸附分离。由于淀粉微球粒径很小，具有巨大的自由表面，使纳米粒子具有较高的胶体稳定性和优异的吸附性能，能较快的达到吸附平衡，因此，纳米级淀粉微球可直接用于生物物质的吸附分离。将纳米级淀粉粒压成薄片制成过滤器，由于过滤器孔径为纳米量级，故在医药工业中可用于血清的消毒( 引起人体发病的病毒尺寸一般为几十纳米) 。( 8 ) 其他用途。磁性淀粉微球作为药物载体，可以利用外加磁场引导其在体内定向移动、集中，使药物有选择性的分布于特定器官、组织或细胞中，达到定向作用于靶向组织的目的，这不仅可增大病变组织内的药物浓度，提高药物利用率，还可以减少或消除药物对正常组织的毒副作用。近几年来，人们还研制出多种阴离子、阳离子磁性淀粉微球，依靠静电、物理吸附作用提高微球载药性能及稳定性【6 “。带离子的磁性纳米淀粉微球还可通过改变环境离子强度或p h 值来调节药物释放速度。此外，磁性纳米微球还可以用于酶的固定化、免疫测定、细胞分离、基团重组、d n a 分离和层析等领域。1 4 课题的提出1 4 1淀粉微球应用所存在的问蹶淀粉微球作为药物载体必须具备安全性和降解可控性好这两个条件。淀粉微球的降解产物与天然淀粉是不同的，因为要得到淀粉微球需要用学试剂与淀粉分子反应形成微球：由于淀粉微球要在体内的不同环境和条件下进行作用，所以对于微球在人体内不同器官中的降解可控性也是不同的。淀粉微球虽然具有和天然淀粉相似的性质，但与天然淀粉相比较在安全性上还是有差异的。目前合成淀粉微球常用试剂主要有丙烯酸酰氯、环氧氯丙烷等，它们都是有毒性的。经过交联的淀粉微球据研究显示虽然是没有毒性的，但在体内如何降解、降解产物毒性是否符合做药物载体的要求，即对人体安全性问题还有待研究。淀粉微球的降解是引发药物的释放和远程控制药物在特定部位进行释放一种最简便的方式。对于能够应用的降解机理主要分为两种：水解和酶的降解。从大量的应用中可以发现酶的降解具有非常大的优势，因为在体内到处都有酶的存在。而淀粉微球作为药物载体其在人体内非消化器官与在消化器官所处的环境是有很大差异的。在人体中主要有两种淀粉酶：唾液淀粉酶和胰淀粉酶。它们主要存在于口腔和胰腺中，而在人体的其它器官分布很少。例如在人体血液中存在很少的血清淀粉酶，其含量为8 6 4 温氏( w i n s l o w ) 单位毫升。这与在口腔和胰液中的淀粉酶含量相差很远，远不能对淀粉进行有效的降解。影响酶活度最主要的因素有温度、酸碱度、激动剂和抑制剂等。由于淀粉微球作为药物载体将作用于不同器官，所以上述几个因素将会有所不同，从而影响酶的作用。以p h 值为例，唾液淀粉酶适宜的p i 值为6 o 7 1 ，胰淀粉酶适宜的p h 值为6 7 7 0 ，而人体血液的p h 值为7 3 4 7 4 5 。由于酶对作用条件要求很高的这种特点，所以随着条件的改变，其9活性势必会发生变化。淀粉微球在体内其它器官的降解速率就会有所不同。同时淀粉微球是淀粉的衍生物，同样条件下其降解速率要比天然淀粉慢。因此淀粉微球的降解机理同目前已知的天然淀粉的降解机理会有所不同，不仅仅表现在降解产物上，而且从降解方式、降解速率等诸多方面都会有一定的差异，会使得淀粉微球降解可控性降低。淀粉微球在身体其它部位与在消化系统中的降解机理所表现出的不同，就成为了淀粉微球在药物释放上的一个不利因素。1 4 2 课题的提出本论文主要根据国家自然科学基金项目“淀粉微球降解机理及量化可控性研究”，重点对淀粉微球的降解行为以及淀粉微球降解数学模型进行研究。通过对淀粉微球降解机理的研究，为淀粉微球作为药物载体的安全性和降解可控性提供科学依据和理论；同时在淀粉微球降解机理的基础之上建立相应的数学模型，以淀粉微球的药物释放模型。2 1 引言第二章淀粉微球的制备载药微球的制备主要有两种途径：一是在微球的制备过程中，将药物成分通过物理吸附或者化学键合作用贮存在微球里，称为“包埋法”。该工艺主要是用于酶、白蛋白等大分子载体基质。二是首先制备出具有一定结构及粒径分布的高分子微球，将干燥的“空白”微球放入药液中溶胀；或是根据待载药物的结构特征，对高分子微球采用特定的官能团修饰，使其与待载药物产生高选择性地偶联。本课题主要遵循第二条途径展开研究工作。淀粉微球的制备方法主要有物理法、化学法及反相微乳液法。本章所制备的淀粉微球将用作药物载体，需要一定的粒径分布，故拟采用反相微乳液法制备淀粉微球。本章拟参考课题组原有淀粉微球制备方法，在此基础上确定淀粉微球的制备工艺。本章主要研究了淀粉微球的合成工艺、淀粉微球的合成机理以及淀粉微球的物理化学性质。2 2 实验部分2 2 1 试剂及来源试剂与药品：实验所用水均为蒸馏水表2 - l 主要实验试剞t a b l e2 - ip r i m a r yr e a g e n t2 2 2 试剂仪器制备实验仪器和设备：表2 - 2 主要实验仪器和设备7 f a b l e2 - 2i n s t r u m e n t sa n da p p a r a t u su s e df o re x p e n r i m e n t s2 2 3 淀粉微球的制备2 2 3 1 玉米淀粉的预处理因玉米淀粉中含有蛋白质、脂肪等杂质，所以需要将玉米淀粉进行洗涤，使玉米淀粉颗粒纯化。纯化方法：( t ) 称取约2 9 左右的玉米淀粉，加入4 0 m l 蒸馏水在室温下搅拌2 0 分钟，而后在4 0 0 0转分钟下离心分离1 0 分钟，并将沉淀上层的黄色物质除去。如此反复三次。1 2( 2 ) 将沉淀物收集，并加入4 0 m l 的饱和正丁醇水溶液【6 3 i ，在室温下搅拌2 小时，而后离心分离，去除上层液( 用以去除脂肪) ，收集沉淀物。( 3 ) 将沉淀物加入2 0 m l 的质量百分数为2 的十二烷基磺酸钠溶液i ，在室温下搅拌2 小时，然后再6 0 0 0 转分钟下离心分离1 0 分钟，除去上层液( 去除玉米淀粉表面结合蛋白) ，收集沉淀。为将淀粉溶于水中形成反相微乳液的水相，需将玉米淀粉进行糊化处理。称取l e 玉米淀粉，加入2 5 0 m l 三口烧瓶，量入o 0 4 t o o l l 氢氧化钠1 2 5 m l ，搅拌成悬浊液，升温至8 5 ，搅拌、回流，恒温糊化0 5 h 。2 2 3 2 反相微乳液的制备量取7 5 m l 环己烷和1 5 m l 三氯甲烷加入2 5 0 m l 烧杯混合，加入1 2 5 9 复配乳化剂，使其溶解于油相。糊化结束后，降温至6 0 。c ，充分搅拌下将糊化产物倒入油相，加装长度为4 0 c m 冷凝回流装置，高速搅拌1 5 分钟后，以约6 0 0 转分钟速度搅拌1 5 h 。2 2 1 3 交联成球恒温6 0 。c ，通n 2 1 0 m i n 驱除反应体系内的0 2 进行n 2 保护。称取o 1 6 9 过硫酸钾加入乳液，溶解。通过三叉管滴加：n ，n _ 亚甲基双丙烯酰胺( m d a a ) 的水溶液，m d a a 的质量为o 0 3 9 亚硫酸氢钠的水溶液，n a h s 0 3 的质量为0 0 7 9 。o 5 h 内滴加完毕，恒温反应1 5 h ，得到白色乳液。倒出乳液，离心分离除去上层油相。下层淀粉微球依次用乙酸乙酯、丙酮、乙醇洗涤，离心分离。洗涤三次，得到白色粉末。2 2 3 4 干燥将淀粉微球放入烘箱，3 5 下干燥2 4 小时。2 2 4 淀粉微球的制备方法的改进2 2 4 1 油相根据原有淀粉微球的合成方法，由于其作为油相的植物油成分较多，且在碱性或酸性条件下易发生化学反应，使油相的稳定性降低，故将选择成分稳定的其它有机溶剂作为油相。( 1 ) 有机溶剂的种类选择根据淀粉微球的合成机理，作为油相的有机溶剂需要满足以下几点：a 在酸性或碱性条件下稳定；b 不同淀粉发生反应：c 不与引发剂和交联剂发生反应；根据以上几点，选择稳定性较好的常用有