（应用化学专业论文）自组装壳聚糖基纳米药用泡囊的研究.pdf

中文摘要 本文首次提出在醛与壳聚糖的反应体系中， 加入相转移催化剂十二烷基磺酸钠， 获得双亲性n , n 一 双十二烷基化壳聚糖材料。 研究了壳聚糖的分子量和反应条件如反应温度、反应时间、催化剂/ 醛用量比等因素对壳聚糖的 烷基化取代度的影响。同时还对n , n 一双十二烷基化壳聚糖单分子膜和l b 膜的性质进行研究，并测得其单分子层厚为i . 了 4 n m o 本文创新性地进行了 n , n - 双十二烷基化壳聚糖自组装纳米药用泡囊的制备研究， 并成功获得含助成囊剂和不含助成囊剂的两种n , n 一 双十二烷基化壳聚糖自 组装纳米药用泡囊。此外还研究了壳聚糖基材料的化学结构、 助成囊剂及制备条件对纳米药用饱囊自 组装成型的影响。以维生素b ,为模型药物、 胰岛素为实用药物， 对各种自 组装泡囊的药物包埋率、 泡囊材料的载药量以及泡囊的药物释放行为进行比较研究。实验结果表明:n , n 一 双十二 烷基化壳聚糖可用于实用药物胰岛素自 组装纳米泡囊的 制备，其包封率和载药量较高， 持续释放时间较长。 这些性质对胰岛素载药泡囊的实际应用非常有利。 本文还研究了 全酞化壳聚糖. n , n 一 二酞化壳聚糖和高取代度的0 - 二酞化壳聚糖的 制备方法， 并通过元素分析、 红外光谱和核磁共振进行表征。同时用热分析和 x射线衍射等方法研究了上述三种酞化壳聚糖产物的性质。 本实验成功制备了0 一 双十二酞化壳聚糖和 0 一 双十六酞化壳聚糖自 组装泡囊。 并用模型药物维生素b ,2 研究泡囊的药物释放行为， 考察了酞化壳聚糖自 组装泡囊的药物包封率和载药量。实验结果还表明0 一二酞化壳聚搪自 组装载药泡囊的药物释放行为基本符合二级药物释放。关键词:壳聚糖， 烷基化， 酞基化，自 组装泡囊， 药物控释as ti t act i n t h i s p a p e r t h e a m p h i p h i l i c n , n - d i l a u r y l c h it o s a n h a s f i r s t b e e np r e p a r e d b y t h e p h a s e t r a n s f e r c a t a l y s i s . t h e e ff e c t s o f m o l e c u l a r w e i g h t o fc h i t o s a n a n d r e a c t i o n c o n d i t i o n s o n t h e s u b s t i t u t i o n d e g r e e o f a l k y l g r o u p h a v eb e e n s t u d i e d . t h e p r o p e rt i e s o f l b fi lm a n d m o n o l a y e r o f t h e p r o d u c t s w e r es t u d i e d t o o r d e r t o fi n d s o m e f u n d a m e n t a l d a t a f o r m a k i n g s e l f - a s s e m b l e dv e s i c l e s o u t o f t h i s k i n d o f m a t e r i a l . t h e t h i c k n e s s o f 瓦 n - d i l a u ryl c h i t o s a nm o n o l a y e r w a s m e a s u r e d a s 1 .7 4 n m. t w o n o v e l k i n d s o f s e l f - ass e m b l e d n a n o v e s i c l e s h a v e s u c c e s s f u l l y b e e np r e p a r e d b y u s in g从 n - d i l a u ryl c h i t o s a n w i t h a n d w i t h o u t a d d i t i v e s . t h ee ff e c t s o f m o l e c u l a r w e i g h t o f c h it o s a n , a d d i t i v e s a n d p r e p a r a t i o n c o n d i t i o n ss u c h as p h v a l u e o f b u ff e r o n m a k i n g s e l f - as s e m b l e d v e s i c l e s h a v e b e e ns t u d i e d . v i t a m i n e b 1 2 as m o d e l d r u g a n d i n s u l i n as a p p l i c a b le d r u g w e r e u s e di n o u r s t u d y . t h e e x p e r i m e n t s h a v e b e e n d o n e t o s t u d y t h e d r u g - e n c a p s u l a t i o ne ffi c i e n c y , t h e d r u g - l o a d e d c o n t e n t a n d d r u g r e le as e b e h a v i o r o f v a r i o u sv e s i c l e s . t h e e x p e r i m e n t a l re s u l t s s h o w t h a t n , n - d i l a u ry l c h i t o s a ns e l f - as s e m b l e d v e s i c l e s c a n b e a p p l i e d f o r e n c a p s u l a t i o n o f i n s u l i n f o r i t sb i g g e r d ru g - e n c a p s u l a t i o n e f fi c i e n c y a n d l o n g e r s u s t a i n i n g t i m e o f d r u g t h e p r o d u c t s o f f u l l a c y l a t e d c h i t o s a n , n - d i a c y l c h i t o s a n a n d o - d i a c y lc h i t o s a n w e r e p r e p a r e d a n d c h a r a c t e r i z e d i n t h i s p a p e r a s w e l l . x r dm e as u r e m e n t s w e r e m a d e f o r a b o v e t h r e e p r o d u c t s a n d c h i t o s a n t o i n v e s t i g a t et h e c r y s t a l l in it y c h a n g e c a u s e d b y t h e a c y l a t i o n . d s c - t g m e a s u re m e n t s w e r em a d e t o s t u d y t h e i r t h e r m o b e h a v i o u r as w e l l . t h e o - d i l a u r o y l a n do - d i p a l m i t o y l c h i t o s a n s e l f - a s s e m b l e d n a u o v e s i c l e s h a v e s u c c e s s f u l l y b e e np r e p a re d i n t h e s t u d y . t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s i n d i c a t e t h a t o - d i a c y l a t e d lc h i t o s a n s e l f - as s e m b l e d v e s i c l e s s h o w t w o - o r d e r o f d r u g r e l e as e b a h a v i o u ra c c o r d i n g t o t h e f i c k s f o r m u l a .k e y w o r d s : c h i t o s a n , a l k y l , a c y l , s e l f - as s e m b l e d v e s i c l e s , d r u g d e l i v e ry独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人己 经 发 表 或 撰 写 过 的 研 究 成 果， 也 不 包 含 为 获 得天津大学 或 其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了感谢。学 位 论 文 储签 名 : 下 4 1 - 竿签 字日 期: ) v 4年 月 1 6 日学位论文版权使用授权书 本 学 位 论 文 作 者 完 全 了 解 述搜立主有 关 保留 、 使 用 学 位 论 文 的 规定 。 特 授 权 述进立生可以 将 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分内 容 编 入 有 关 数 据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学 位 论 文 作 者 签 名 : 窜 梅 辛签 字日 期:3-4, 年 月 r 6 日导师签名签 字日 期.o ff年 月 ( 6 日第一章绪论第一章 绪论1 . 1壳聚糖基生物医用材料研究进展1 . 1 . 1甲壳素/ 壳聚糖简介 甲 壳素( c h i t i n ) ， 又称甲 壳质、几丁质、壳蛋白等， 广泛存在于低等动物， 特别是节肢动物 如昆虫、蜘蛛、甲壳类) 的外壳、以及低等生物( 如真菌、 藻类、 酵母) 的细胞壁中 ， 是一种天然的生物高分子， 属线性多糖类。早 在1 8 1 1 年， 法国 人h . b r a c o n n o t 从菌类中 首次 提 取获得了甲 壳 素 d i ， 其化学结构类似于纤维素， 结构式见图1 . 1 。 作为一种能再生的能源及工业原材料，其年产量仅次于纤维素。由于甲壳素分子内外氢键的作用，形成了有序的大分子结构，溶解性能很差，限制了它在很多方面的应用。nht甲壳素c h i t i n壳聚糖c h i t o s a n纤维素c e l l u l o s e图1 . 1甲壳素、壳聚糖和纤维素的结构简式f i g u re 1 .o f c h i t i n , c h i t o s a n a n d c e l l u l o s e 壳聚糖( c h i t o s a n ) 是甲壳素的脱乙酞化产物，其化学名称为 a( 1 -4 ) - 2 - 氨基一 z 一 脱氧- d - 葡萄糖。由于脱乙酞化破坏了甲 壳素结构的规整性，其溶解性能较甲壳素大为改善，且化学性质也较活泼。壳聚糖具有一些独特的物化性质及生理功能，在医药、食品、化妆品、 农业及环保第一章绪论第一章 绪论1 . 1壳聚糖基生物医用材料研究进展1 . 1 . 1甲壳素/ 壳聚糖简介 甲 壳素( c h i t i n ) ， 又称甲 壳质、几丁质、壳蛋白等， 广泛存在于低等动物， 特别是节肢动物 如昆虫、蜘蛛、甲壳类) 的外壳、以及低等生物( 如真菌、 藻类、 酵母) 的细胞壁中 ， 是一种天然的生物高分子， 属线性多糖类。早 在1 8 1 1 年， 法国 人h . b r a c o n n o t 从菌类中 首次 提 取获得了甲 壳 素 d i ， 其化学结构类似于纤维素， 结构式见图1 . 1 。 作为一种能再生的能源及工业原材料，其年产量仅次于纤维素。由于甲壳素分子内外氢键的作用，形成了有序的大分子结构，溶解性能很差，限制了它在很多方面的应用。nht甲壳素c h i t i n壳聚糖c h i t o s a n纤维素c e l l u l o s e图1 . 1甲壳素、壳聚糖和纤维素的结构简式f i g u re 1 .o f c h i t i n , c h i t o s a n a n d c e l l u l o s e 壳聚糖( c h i t o s a n ) 是甲壳素的脱乙酞化产物，其化学名称为 a( 1 -4 ) - 2 - 氨基一 z 一 脱氧- d - 葡萄糖。由于脱乙酞化破坏了甲 壳素结构的规整性，其溶解性能较甲壳素大为改善，且化学性质也较活泼。壳聚糖具有一些独特的物化性质及生理功能，在医药、食品、化妆品、 农业及环保第一章绪论诸方面具有广阔的 应用前景2 -3 1 。 特别是以 此制成的壳聚糖生物保健品具有诸多对人体 有益的功效，已 被欧美各国誉为除蛋白 质、 脂肪、 糖类、 纤维素和矿物质以 外人体 所需之 第六大生命 要素 4 1 。 近年来， 壳聚 糖基生 物医用材料的研制和开发成为甲壳素化学中非常活跃的研究方向， 显示出了广泛的应用前景。1 . 1 . 2甲壳素/ 壳聚糖的化学改性 壳聚糖分子中具有活泼的氨基和轻基， 因此可以通过对壳聚糖进行化学修饰，改变壳聚糖的性能，扩展其在不同领域的应用。目 前研究较多的化学修饰改性有以下几种。 ( 1 )烷基化改性 烷基化反应可以 在壳聚糖的经基上进行， 一般是在碱性条件下与卤代烃或硫酸酷反应生成0 一烷基化产物。也可以在壳聚糖的氨基上进行，通过壳聚糖的氨基与醛进行反应， 得到s c h i f f 碱， 再还原可得到n 一 烷基化产物。 ( 2 ) 酞化改性 在甲 壳素 和壳聚糖的 化学改性中， 酸基化改性是研究得较多的。甲壳素和壳聚搪通过与酞氯或酸9 f 反应， 在大分子链上导入不同分子量的脂肪族或芳香族酞基。酞化反应可在轻基( 0 一酞化) 或氨基( n 一酞化) 上进行。酞化产物的生成与反应溶剂、酞基结构、 催化剂种类和反应温度有关。 ( 3 ) 醚化改性 甲壳素和壳聚糖的轻基可与烃基化试剂反应生成醚，如甲 基醚、乙基醚、 芳基醚等。 甲 壳素碱与环氧乙烷在高温高压下反应， 可制得溶于水、3 %的乙 酸和5 % 氢氧化钠的 轻乙基化甲 壳素;甲 壳素碱与 a -氯代丙三醇反应可制得溶于水的轻丙基甲壳素;甲壳素碱与n , n 一二乙氨基氯乙烷反应可制得6 - 0 一 二乙氨基乙基化甲壳素。 ( 4 ) 烷基化改性 甲壳素或壳聚糖与氯代烷基酸或乙醛酸反应， 在甲壳素或壳聚糖的氨基上引入梭烷基基团， 得到溶于水的梭烷基甲壳素或梭烷基壳聚搪。 研究最多的梭甲 基化反应，可以得到梭甲基甲壳素、0 - / n - 梭甲基壳聚糖和0 ,第一章绪论诸方面具有广阔的 应用前景2 -3 1 。 特别是以 此制成的壳聚糖生物保健品具有诸多对人体 有益的功效，已 被欧美各国誉为除蛋白 质、 脂肪、 糖类、 纤维素和矿物质以 外人体 所需之 第六大生命 要素 4 1 。 近年来， 壳聚 糖基生 物医用材料的研制和开发成为甲壳素化学中非常活跃的研究方向， 显示出了广泛的应用前景。1 . 1 . 2甲壳素/ 壳聚糖的化学改性 壳聚糖分子中具有活泼的氨基和轻基， 因此可以通过对壳聚糖进行化学修饰，改变壳聚糖的性能，扩展其在不同领域的应用。目 前研究较多的化学修饰改性有以下几种。 ( 1 )烷基化改性 烷基化反应可以 在壳聚糖的经基上进行， 一般是在碱性条件下与卤代烃或硫酸酷反应生成0 一烷基化产物。也可以在壳聚糖的氨基上进行，通过壳聚糖的氨基与醛进行反应， 得到s c h i f f 碱， 再还原可得到n 一 烷基化产物。 ( 2 ) 酞化改性 在甲 壳素 和壳聚糖的 化学改性中， 酸基化改性是研究得较多的。甲壳素和壳聚搪通过与酞氯或酸9 f 反应， 在大分子链上导入不同分子量的脂肪族或芳香族酞基。酞化反应可在轻基( 0 一酞化) 或氨基( n 一酞化) 上进行。酞化产物的生成与反应溶剂、酞基结构、 催化剂种类和反应温度有关。 ( 3 ) 醚化改性 甲壳素和壳聚糖的轻基可与烃基化试剂反应生成醚，如甲 基醚、乙基醚、 芳基醚等。 甲 壳素碱与环氧乙烷在高温高压下反应， 可制得溶于水、3 %的乙 酸和5 % 氢氧化钠的 轻乙基化甲 壳素;甲 壳素碱与 a -氯代丙三醇反应可制得溶于水的轻丙基甲壳素;甲壳素碱与n , n 一二乙氨基氯乙烷反应可制得6 - 0 一 二乙氨基乙基化甲壳素。 ( 4 ) 烷基化改性 甲壳素或壳聚糖与氯代烷基酸或乙醛酸反应， 在甲壳素或壳聚糖的氨基上引入梭烷基基团， 得到溶于水的梭烷基甲壳素或梭烷基壳聚搪。 研究最多的梭甲 基化反应，可以得到梭甲基甲壳素、0 - / n - 梭甲基壳聚糖和0 ,第一章绪论n 一梭甲 基壳聚糖。 ( 5 ) 酉 旨 化改性 常见的酷化反应有硫酸酷化和磷酸醋化。用含氧无机酸作酷化剂， 使甲壳素或壳聚糖中的轻基形成有机酷类衍生物。 硫酸酷化试剂主要有浓硫酸、s o l , s o 氯磺酸等，反应一般为非均相反应，通常发生在c位的一 o h上。 硫酸醋化甲壳素或壳聚糖的结构与肝素相似， 抗凝血性高于肝素而且没有副作用，还可制成人工透析膜。壳聚糖与c s z 和 n a o h的水溶液在 6 0下反应6 h 后再与丙酮反应，可得到n 一 黄原酸化壳聚糖钠盐。磷酸醋化反应一般是在甲 磺酸中与甲壳素或壳聚糖反应。 高取代度的壳聚糖磷酸a a化物溶于水，而低取代的不溶于水。 ( 6 )壳聚糖季铁盐化改性 用缩水甘油三甲基氯化按对壳聚糖进行化学结构修饰， 可在壳聚糖分子中引入季钱盐基团，制得壳聚糖季钱盐。同壳聚糖的烷基化反应一样。生成壳聚糖季钱盐的反应也主要发生在壳聚糖分子中亲核中心位的氨基上。在壳聚糖中引入位阻大、水合能力强的季钱盐基团，也能大大削弱壳聚糖分子间的 氢键， 增大壳聚糖衍生物的水溶性。 ( 7 )接枝及交联反应 通过在甲壳素或壳聚糖的葡胺糖单元上接枝乙烯基单体或其它单体，合成半聚合物多糖，可将合成聚合物的优异性能赋予甲壳素或壳聚糖。 壳聚糖与交联剂戊二醛发生交联反应是一种应用很多的交联改性方法，反应能在均相或非均相条件下，在较宽的 p h值范围内于室温下迅速进行。 常用的交联剂还有环氧氯丙烷、 环硫氯丙烷等。另外， 还能把壳聚糖用三氯乙酸酞化成光敏聚合物后在紫外光照射下交联。 交联作用可发生在同一直链的不同链节之间， 也可发生在不同直链间。 交联壳聚糖是网状结构的高分子聚合物。 ( 8 )其他反应 甲壳素或壳聚糖的化学改性除了以上所提到的外，还有水解反应、降解反应、成盐反应、鳌合反应等。. 3壳聚糖及其衍生物在生物医用材料领域的应用第一章绪论n 一梭甲 基壳聚糖。 ( 5 ) 酉 旨 化改性 常见的酷化反应有硫酸酷化和磷酸醋化。用含氧无机酸作酷化剂， 使甲壳素或壳聚糖中的轻基形成有机酷类衍生物。 硫酸酷化试剂主要有浓硫酸、s o l , s o 氯磺酸等，反应一般为非均相反应，通常发生在c位的一 o h上。 硫酸醋化甲壳素或壳聚糖的结构与肝素相似， 抗凝血性高于肝素而且没有副作用，还可制成人工透析膜。壳聚糖与c s z 和 n a o h的水溶液在 6 0下反应6 h 后再与丙酮反应，可得到n 一 黄原酸化壳聚糖钠盐。磷酸醋化反应一般是在甲 磺酸中与甲壳素或壳聚糖反应。 高取代度的壳聚糖磷酸a a化物溶于水，而低取代的不溶于水。 ( 6 )壳聚糖季铁盐化改性 用缩水甘油三甲基氯化按对壳聚糖进行化学结构修饰， 可在壳聚糖分子中引入季钱盐基团，制得壳聚糖季钱盐。同壳聚糖的烷基化反应一样。生成壳聚糖季钱盐的反应也主要发生在壳聚糖分子中亲核中心位的氨基上。在壳聚糖中引入位阻大、水合能力强的季钱盐基团，也能大大削弱壳聚糖分子间的 氢键， 增大壳聚糖衍生物的水溶性。 ( 7 )接枝及交联反应 通过在甲壳素或壳聚糖的葡胺糖单元上接枝乙烯基单体或其它单体，合成半聚合物多糖，可将合成聚合物的优异性能赋予甲壳素或壳聚糖。 壳聚糖与交联剂戊二醛发生交联反应是一种应用很多的交联改性方法，反应能在均相或非均相条件下，在较宽的 p h值范围内于室温下迅速进行。 常用的交联剂还有环氧氯丙烷、 环硫氯丙烷等。另外， 还能把壳聚糖用三氯乙酸酞化成光敏聚合物后在紫外光照射下交联。 交联作用可发生在同一直链的不同链节之间， 也可发生在不同直链间。 交联壳聚糖是网状结构的高分子聚合物。 ( 8 )其他反应 甲壳素或壳聚糖的化学改性除了以上所提到的外，还有水解反应、降解反应、成盐反应、鳌合反应等。. 3壳聚糖及其衍生物在生物医用材料领域的应用第一章绪论1 . 1 . 3 . 1壳聚糖及其衍生物作为医用材料的特性 ( 1 ) 具有多种生理活性 壳聚糖及其衍生物具有良 好的生物相容性和生物可降解性、广谱抗菌、抗感染和很强的凝血作用， 以及促进伤口 愈合、调节血脂和降低胆固醇、增强免疫和抗肿瘤等多种生理活性作用。壳聚糖基材料毒性极低， 仅能引起很小的宿主反应。在大多数情况下， 壳聚糖基材料植入体内不会引起纤维性包囊膜， 也不会导致慢性炎症。壳聚糖的无抗原性对诱导细胞增殖和最终促进植入体与宿主组织一体化具有重要意义 s 1 ( 2 ) 可作为生物活性物质及药物的促进吸收因子 壳聚糖及其衍生物可以通过影响上皮细胞的通道来提高细胞的通透性， 对某些可以使活性物质降解的酶具有抑制作用。又由于其生物粘附性强， 可以 增强亲水化合物在生物体内的穿透作用， 提高跨膜转运能力， 因此，可 作 为 生 物活 性物 质的 促进 吸 收因 子 6 _71 o j u n g i n g e r 等 人 8 1 研 究 表明 ， n -三甲 基氯化壳聚糖能增强体外小肠上皮细胞粘膜对亲水性药物的吸收。a r i m o t o等9 1 用可溶性的 叶 绿素 衍生 物与壳 聚糖结 合得到 不溶性的 盐样物质，该物质对杂环致癌剂有吸附作用，增强了其抗诱变和抗癌变作用。 ( 3 ) 具有阳离子特性 壳聚糖作为生物医用材料的潜力来源于阳离子特征和在溶液中的高电荷密度。 该特征使壳聚糖可以与许多阴离子聚合物发生凝聚而形成配合体。 壳聚糖与天然多糖如藻酸盐和糖氨葡糖( g a g s ) 以 及合成聚阴离子如聚丙烯酸均可形成配合体。 因为壳聚糖电荷密度具有p h 值依赖性， 所以 这些配合体被转运到一定的生理环境下导致壳聚糖固定的聚阴离子的解离。 这种性 质可 用于定位 运送活性聚阴离 子如g a g s 和d n a 。 与壳 聚糖形 成 配合物的 d n a不但免受核酸酶促降解， 而且由于可能与细胞膜的某些作用增强了运送能力。 ( 4 ) 可形成多孔结构支架 壳聚糖具有可以加工成用于细胞移植和组织再生的多孔结构支架的优异性能 i l l 。 制备壳聚糖多孔支架最常采用的方法是千燥法， 溶剂通常使用乙酸溶液。再冷冻过程中冰晶从溶液中成核并线形生长。冷冻干燥时冰晶升华而形成多孔结构。 壳聚糖支架的机械性能主要依赖于孔径以 及孔的取向。第一章绪论 ( 5 )衍生化反应改善了 材料的性能 壳聚糖的衍生化反应可增强材料的生物活性和改善机械性能。 壳聚糖分子中的轻基和氨基容易进行化学修饰， 继而可制成各种类型的膜、 凝胶、聚电解质等材料。 通过在壳聚糖侧链引入功能基团， 破坏结晶区结构， 增加非结晶区部分， 不但可以改变其溶解性， 而且可以改变物化性质。如: n 一 烷基化壳聚糖降低了溶解性并且可以在烷基链大于5 个碳的时候形成胶束团簇， 而硫酸化反应则赋予壳聚糖阴离子特性和水溶性， 同时获得抗凝血性 12 1 ; 经糖基 化修 饰而 成壳 聚 糖的 衍生 物易 溶于水 ， 表现出 高吸 湿性 和保湿性， 对酶降 解的 敏感性也随 着衍生 物的 取代度的 增加而降 低 1 3 1 ( 6 )可设计成为智能材料 通过超分子作用形成物理或化学交联网络制备配合物， 可以设计成为对不同的环境( 温度、 p h 值、 离子强度、 电 场强度等) 刺激做出 应答反应的智能材料。 经过乳酸和羚基乙酸的共聚物修饰氨基的壳聚糖衍生物由于疏水性侧链聚集和通过主、 侧链之间 氢键的相互作用而形成物理交联凝胶，并获得了州值敏感性， 该凝胶材料在p h 值在2 , 2 和7 . 4 时具有溶胀变化的 可 逆性1 4 1 。同 样地， 以 正硅酸四乙 酷( t e o s ) 为无 机材料与壳聚糖也可以制 备新型的对p h 值 敏感的 有机一 无机复合材料 i $ 1敏感材料 在诸如人工肌肉、生化分离和控制释放等系统中的应用令人感兴趣。1 . 1 . 3 . 2壳聚糖基生物医用材料的应用进展 壳聚糖及其衍生物己经在生物医用材料方面获得了从作为受损伤组织修复、 辅助或暂时替代材料的一次性医疗用品到活性物质控制释放材料，从细胞培养基到组织工程材料的广泛用途。 ( 1 )外科手术可吸收缝合线 壳聚糖类可吸收缝合线具有高强度、易打结、柔韧性好的机械性能和促进伤口愈合、抗溃疡等药理作用。 通过对壳聚糖的化学修饰如乙酞化等增强纤维性能 或与其它物质如丝胶蛋白共混制成功能化纤维，以 此改善天然材料在体内 环境中抗张强度损耗较快的缺陷， 同时也避免了较大的组织反应。 利用甲壳素为原料制作可吸收缝合线始于2 0 世纪7 0 年代，日 本在该领域的 研究 处 于 世 界 前 列， 国 内 工作 始 于 9 0 年 代， 吴 清 基等 16 1 领 导的 中国 纺第一章绪论织大学课题组与上海昆虫研究所、 长征医院联合开发的用从蚕蛹中提炼制取的甲壳素制备可吸收缝合线的技术已取得了相当的成功。目前，甲壳素缝合线的制备技术己 较为成熟，一般采用湿法纺丝工艺，采用的原料多为高纯度的甲壳素粉末，常用的溶剂有六氟丙酮、六氟异丙醇、甲 酸一二氯乙酸、三氯乙酸或二氯乙酸与含氯烃类的混合物。 ( 2 )医用敷料和人工皮肤 壳聚糖具有止血作用， 精制的壳聚糖细粉可以明显促进伤口愈合， 而用甲 壳素和壳聚糖制成的薄膜 1 7 1 、以 及壳聚糖和其它纤维如棉花、 纤维素等共混做成的无纺布可以 作为良 好的创伤敷料， 用于烧伤、 植皮等部位的创面保护。 j 0 0 等 1 8 1 制备了 聚乙 烯醇/ 壳聚糖/ 丝心蛋白 共混海绵状伤口 敷料。共混组分分子间可以通过氢键作用形成天然的半互穿聚合物网络结构。 该敷料柔软而富有弹性， 皮肤亲和性好。 动物实验表明: 无细胞毒性反应、能有效地吸收渗出 物、 提高胶原的增生能力、 促进成纤维细胞的增殖和血管的生长， 并可减少真皮修复过程中斑痕的产生， 此外， 三组分敷料加速伤口 愈合的 速度要大于单组分或两组分的敷料。 在施行腹腔、心血管、脊柱及肌腔等部位的外科手术后，普遍存在手术性粘连问题。为解除其危害，有人提出了“ 屏障隔离” 的想法，即在术后易发生粘连的部位包覆一层与机体不粘连的薄层材料。 壳聚糖具有良 好的成膜性，在医用领域关于壳聚糖伤口 敷料与人工皮肤的研究己相当深入。侯 春 林 等 l9 曾 报 道 用p = 2 0 g / 1 的 壳 聚 糖 溶 液 直 接 涂 布 防 治 肌 键的 粘 连，取得了一定的效果; 卢风琦等2 0 报道以 甘油为增塑剂， 将壳聚糖的 醋酸溶液进行溶液涂膜， 制得厚度约3 0 一5 0 n m , 柔软透明， 具有一定机械强度的术后防粘连膜。动物实验结果表明:壳聚糖膜植入小鼠体内期间，除在巧天左右组织略有充血， 有包膜现象外， 其余均无异样反应， 膜的防粘连效果较好。 ( 3 )诊断检测材料 在生物和医学科研中， 需要快速响应、高灵敏度、高精度的检测试剂和工具， 如: 生物传感器、 免疫诊断微球等。 生物传感器的敏感层含有某种生物活性物质， 可有选择性地识别目标物质， 产生的物理或化学信号通过换能器转变为电 信号， 输出的信号与目 标物质的 浓度有关。 方华丰等2 1 1 发现生物素化大分子可在壳聚糖膜上形成有序膜或单分子层膜， 因此运用生第一章绪论物素一 亲和素系统将辣根过氧化酶固定在壳聚糖自 载膜上， 制成生物传感器多功能敏感膜， 应用此载酶壳聚糖膜与化学发光反应相结合可快速灵敏地检测生物样品中的微量h 2 0 z o ( 4 )生物工程和组织工程材料 细胞培养基壳聚糖及其衍生物材料机械性能较好、 具有很好的细胞粘附性且其本身就是细胞生长因子， 可以控制细胞的增殖和生长。 例如: 壳聚糖可抑制成纤维细胞的增殖而梭甲基壳聚糖则对成纤维细胞的增殖具有促进作用。所以 ， 壳聚糖及其衍生物材料作为细胞培养载体用于体外组织培养是安全可靠的。 k o y a n 。 等2 2 1 研究了 聚乙 烯醇/ 壳聚糖共混凝胶膜上壳聚糖在表面的浓度和分布形式， 并测定了影响细胞粘附和生长行为的接触角和乙 一 电势。发现含 4 0 % 壳聚糖的 膜，壳聚糖分子分布均一， 而含 1 5 %壳聚糖的 膜， 壳聚糖分布于一个个小岛状的区域。 结果表明: 聚乙 烯醇的加入增强了膜载体的机械性能， 而壳聚糖的含量则影响了细胞的培养状况。 s h a n m u g a s u n d a r a m 2 3 制备了以 戊 二醛 为 交 联 剂的 胶原 蛋白 一 壳 聚糖 互穿聚合物网络膜， 既可作为人类表皮样癌( h e p - 2 ) 细胞的培养基， 也可用作测试抗癌药物的体外模型。 酶固定化载体壳聚糖分子结构中存在易于使酶固定的氨基， 可满足作为大部分酶固定化的载体的要求， 因而壳聚糖及其衍生物作为酶固定化的载体获得了广泛的应用。 而许多固定化酶有重要的生物医学用途， 如脉酶可用于血液中 有毒成分( 如尿素等) 的 脱除或人工肾渗析液的再生2 4 1 硬组织修复材料甲壳素和壳聚糖可以作为硬组织激发剂， 以 其固定肝素、 硫酸软骨素和葡聚糖等， 可以 有效地刺激硬组织尤其是骨组织的恢复 和 再生2 5 1 . l e e 等 2 6 制备了 加入 血小板生 长因 子的 壳聚糖/ 磷酸钙 海绵。体外骨成纤维细胞培养实验结果显示细胞在海绵体基质中贴附、 分化以及生长状况良 好， 具备诱导新骨生成的作用。 骨折可吸收材料必须直接与人体组织、 血液和体液接触， 因此要求其不但应具备生物相容性， 还应具备一定的机械性能和成型加工性能以及与骨组织间的弹性模量相匹配的物理性能。 n a k a g a k i 等2 7 1用甲 壳素、 壳聚糖和水溶性高分子及轻基磷酸钙制备了有良 好赋形性质和生物亲和性的硬组织修复基质材料。 以改性甲 壳素纤维为增强纤维， 高分子量聚乳酸为树脂基体， 采用缠绕成型工艺制备并模压改性甲壳素纤维增强聚乳酸复合材料， 该材料用作骨折修复材料有望解第一章绪论决 聚 乳酸类材料降 解过快的问 题2 8 1 软组织修复材料细胞大规模培养技术的日 臻成熟和生物相容性材料的开发和研究， 使得活细胞和生物材料组成人造组织和器官成为可能。组织工程材料的研究希望应用生命科学与工程原理及方法构建生物装置，利用细胞培养恢复受损组织或器官的功能， 达到制造生物仿生材料进而制造人造器官的目 标。l 。 等2 9 将壳聚糖溶液注射到鼠的关节软骨腔内 ， 使膝关节软骨密度明显增加， 说明壳聚糖有利于关节软骨损伤的愈合。 m a t t h e w等3 0 1将壳聚糖与带负电的硫酸软骨素一 4复合制备了p e c 。 水凝胶， 软骨细胞在水凝胶表面保持许多形态和功能的特征， 此时的壳聚糖支架为种植的软骨细胞提供暂时的生物力学环境。 ( 5 ) 药物控制释放材料 详见第二节。1 . 2药物控制释放体系的研究1 . 2 . 1药物控制释放体系( d d s ) 简介 不同药物对疾病有不同的治疗机制和治疗效果， 所以药物的选用十分重要。 然而即使是好药， 如果没有合适的剂型， 或不能通过有效途径到达体内需要的部位， 也不能发挥其功能和达到良好的治疗效果。因此必须选择合适的药物载体、药物剂型及给药途径， 使机体能有效的吸收药物。 药物在服用后是通过与机体发生相互作用而产生疗效的， 因此， 用药方式是发挥药物疗效的一个重要因素。以口 服为例， 药物服后经粘膜或肠道吸收进入血液， 然后经肝脏代谢， 再由血液输送到体内需药部位， 同时，药物亦传输到了身体的其他部位。 因此， 要使药物具有疗效， 必须使血液中的 药物浓度( 即血药浓度) 达到一定的标准一最低有效浓度。 大多数情况下，服用的药物只有一部分到达患病部位， 大部分随血液分散到身体的各部位。许多药物都有一定的副作用， 增加药物剂量可能对正常组织和器官产生伤害， 严重时甚至会弓 i 起新的疾病或后遗症。 如图 1 . 2所示，引起中毒症状的 血药浓度称为 “ 中毒极限浓度”。 正常的用药剂量应能使血药浓度维 持 在 最 低 有 效浓 度 和中 毒 极限 浓 度之间 3 11第一章绪论决 聚 乳酸类材料降 解过快的问 题2 8 1 软组织修复材料细胞大规模培养技术的日 臻成熟和生物相容性材料的开发和研究， 使得活细胞和生物材料组成人造组织和器官成为可能。组织工程材料的研究希望应用生命科学与工程原理及方法构建生物装置，利用细胞培养恢复受损组织或器官的功能， 达到制造生物仿生材料进而制造人造器官的目 标。l 。 等2 9 将壳聚糖溶液注射到鼠的关节软骨腔内 ， 使膝关节软骨密度明显增加， 说明壳聚糖有利于关节软骨损伤的愈合。 m a t t h e w等3 0 1将壳聚糖与带负电的硫酸软骨素一 4复合制备了p e c 。 水凝胶， 软骨细胞在水凝胶表面保持许多形态和功能的特征， 此时的壳聚糖支架为种植的软骨细胞提供暂时的生物力学环境。 ( 5 ) 药物控制释放材料 详见第二节。1 . 2药物控制释放体系的研究1 . 2 . 1药物控制释放体系( d d s ) 简介 不同药物对疾病有不同的治疗机制和治疗效果， 所以药物的选用十分重要。 然而即使是好药， 如果没有合适的剂型， 或不能通过有效途径到达体内需要的部位， 也不能发挥其功能和达到良好的治疗效果。因此必须选择合适的药物载体、药物剂型及给药途径， 使机体能有效的吸收药物。 药物在服用后是通过与机体发生相互作用而产生疗效的， 因此， 用药方式是发挥药物疗效的一个重要因素。以口 服为例， 药物服后经粘膜或肠道吸收进入血液， 然后经肝脏代谢， 再由血液输送到体内需药部位， 同时，药物亦传输到了身体的其他部位。 因此， 要使药物具有疗效， 必须使血液中的 药物浓度( 即血药浓度) 达到一定的标准一最低有效浓度。 大多数情况下，服用的药物只有一部分到达患病部位， 大部分随血液分散到身体的各部位。许多药物都有一定的副作用， 增加药物剂量可能对正常组织和器官产生伤害， 严重时甚至会弓 i 起新的疾病或后遗症。 如图 1 . 2所示，引起中毒症状的 血药浓度称为 “ 中毒极限浓度”。 正常的用药剂量应能使血药浓度维 持 在 最 低 有 效浓 度 和中 毒 极限 浓 度之间 3 11第一章绪论决 聚 乳酸类材料降 解过快的问 题2 8 1 软组织修复材料细胞大规模培养技术的日 臻成熟和生物相容性材料的开发和研究， 使得活细胞和生物材料组成人造组织和器官成为可能。组织工程材料的研究希望应用生命科学与工程原理及方法构建生物装置，利用细胞培养恢复受损组织或器官的功能， 达到制造生物仿生材料进而制造人造器官的目 标。l 。 等2 9 将壳聚糖溶液注射到鼠的关节软骨腔内 ， 使膝关节软骨密度明显增加， 说明壳聚糖有利于关节软骨损伤的愈合。 m a t t h e w等3 0 1将壳聚糖与带负电的硫酸软骨素一 4复合制备了p e c 。 水凝胶， 软骨细胞在水凝胶表面保持许多形态和功能的特征， 此时的壳聚糖支架为种植的软骨细胞提供暂时的生物力学环境。 ( 5 ) 药物控制释放材料 详见第二节。1 . 2药物控制释放体系的研究1 . 2 . 1药物控制释放体系( d d s ) 简介 不同药物对疾病有不同的治疗机制和治疗效果， 所以药物的选用十分重要。 然而即使是好药， 如果没有合适的剂型， 或不能通过有效途径到达体内需要的部位， 也不能发挥其功能和达到良好的治疗效果。因此必须选择合适的药物载体、药物剂型及给药途径， 使机体能有效的吸收药物。 药物在服用后是通过与机体发生相互作用而产生疗效的， 因此， 用药方式是发挥药物疗效的一个重要因素。以口 服为例， 药物服后经粘膜或肠道吸收进入血液， 然后经肝脏代谢， 再由血液输送到体内需药部位， 同时，药物亦传输到了身体的其他部位。 因此， 要使药物具有疗效， 必须使血液中的 药物浓度( 即血药浓度) 达到一定的标准一最低有效浓度。 大多数情况下，服用的药物只有一部分到达患病部位， 大部分随血液分散到身体的各部位。许多药物都有一定的副作用， 增加药物剂量可能对正常组织和器官产生伤害， 严重时甚至会弓 i 起新的疾病或后遗症。 如图 1 . 2所示，引起中毒症状的 血药浓度称为 “ 中毒极限浓度”。 正常的用药剂量应能使血药浓度维 持 在 最 低 有 效浓 度 和中 毒 极限 浓 度之间 3 11第一章绪论all .a m ar 药/ _ _ _中m a m /r 、/ 、 、广砰先砂牛(一” 之 二 二 瓜。 .而、 、围血药浓度if 寸 i旬 图1 . 2服用传统药物制剂后的血药浓度变化 1 一 中毒极限 浓度 2 一 最低有效浓度f ig u r e 1 . 2 c o m p a ri s o n o f d i ff e r e n t a d m i n i s t r a t i o n o n d r u g c o n c e n t r a t i o n i n b l o o d 1 - ma x i mu m s a f e c o n c e n t r a t i o n 2 - mi n i m u m e ff e c t i v e c o n c e n t r a t i o n 传统的药物制剂采用一般的药物载体， 在服药后的开始阶段， 血药浓度会随机体对药物的吸收而慢慢增高， 最高时可能超过中毒极限浓度;然后随着药剂中的药物的释放， 药物释放量逐渐减少， 血药浓度逐渐下降， 降到最低有效浓度以下就失去治疗作用。为了维持体内必须的血药浓度， 只能采用一日数次定时服药或注射。 每天几次定时服药是十分不方便的，对长期服药者更是一种精神负担。 此外， 对于传统药物，即使在药剂量和用药时间间隔上做了安排， 体内的血药浓度仍然处于图示的波动状态。因此， 需要开发可使血药浓度长期维持不变的药物和仅对患病部位( 目 标组织) 起治疗作用的药物， 或仅在需 药 时 才 释 放出 药 物的 药 物 释 放 体 系( d r u g d e l i v e r y s y s t e m , d d s ) . 药物的给药途径直接关系到 药物的吸收和治疗。目 前常用的 给药途径有五类: ( 1 )经口( i n g e s t i o n ) 给药 口 服后通过胃 肠道、消化道给药; ( 2 )体腔内粘膜给药( 包括眼内、口腔、舌下、鼻腔、直肠以及阴道 子宫给药) ;第一章绪论 ( 3 )经皮( t r a n s d e r m a l ) 给药; ( 4 )动脉注射( i n j e c t i o n ) 及静脉点滴给药; ( 5 )皮下及肌肉注射给药。 药物释放体系除了要求投放量少、 副作用小和使用方便以外， 大致应具备以下功能: ( 1 )药物控制释放功能， 使需药部位的血药浓度维持在要求的范围 内。 ( 2 )药物靶向释放功能， 使药物只输送到治疗目 标部位。 药物释放体系有: 经口和注射给药来被身体吸收进行全身性治疗的药物体系;对酸碱性、渗透压、药物浓度、血压、体温等刺激敏感， 从而改变药物释放行为的 智能型药物释放体系( i n t e l l i g e n t o r s m a r t d r u gd e l i v e r y s y s t e m ) ;利用超声波、微波等照射而间接控制在体内留置的药物释放体系。 理想的药物释放体系应能充分发挥药效， 保证血药浓度维持恒定， 最大程度地减少药物对身体的毒副作用。 药物若能准确无误地只作用于需药部位， 可使药物高效地在体内富集， 提高药物的利用率， 并减少用药剂量，降低或防止药物对身体健康器官的伤害， 以 及减少肝肾等器官对药物代谢的负担。 “ 一次用药、长期有效”是用药者的愿望， 对于癌症、心脏病、高血压的治疗及避孕等需要长期服药者而言， 更具重要意义。 药物释放体系的发展大致如下:2 0 世纪5 0 年代以前长期使用传统药物制剂;5 0年代起出现缓释型药物制剂( d s r p ) ; 7 0年代起出现控释型药物制剂( c r p ) ; 8 0年代起出现靶向型药物制剂( t d d s ) 以及智能型药物制剂( t d d s ) 。1 . 2 . 2微胶囊药物释放体系1 . 2 . 2 . 1微胶囊药物释放体系简介 微胶囊于1 9 5 0 年首次报道，微胶囊技术是从五十年代开始发展起来的。1 9 5 3 年，g r e e n 和s c h l e i c h e r 首次将此技术应用于制造压敏式无炭复写纸。由此开始， 微胶囊技术逐渐发展到众多领域，先后在食品、农业、化妆品、文化用品和家用产品上得到了应用。1 9 6 0 年由 美国的h i g n c h i 和第一章绪论 ( 3 )经皮( t r a n s d e r m a l ) 给药; ( 4 )动脉注射( i n j e c t i o n ) 及静脉点滴给药; ( 5 )皮下及肌肉注射给药。 药物释放体系除了要求投放量少、 副作用小和使用方便以外， 大致应具备以下功能: ( 1 )药物控制释放功能， 使需药部位的血药浓度维持在要求的范围 内。 ( 2 )药物靶向释放功能， 使药物只输送到治疗目 标部位。 药物释放体系有: 经口和注射给药来被身体吸收进行全身性治疗的药物体系;对酸碱性、渗透压、药物浓度、血压、体温等刺激敏感， 从而改变药物释放行为的 智能型药物释放体系( i n t e l l i g e n t o r s m a r t d r u gd