（有机化学专业论文）磺化6羧基壳聚糖的制备、表征及血液相容性研究.pdf

中文摘要 壳聚糖具有聚阳离子电解质的特性，作为血液接触材料时容易吸附血细胞 形成血栓或使血细胞膜变形而发生溶血。本研究将壳聚糖氧化制备成6 一羧基壳 聚糖，再将一s o 。h 基团接枝到6 一羧基壳聚糖分子上制备磺化6 一羧基壳聚糖，并 系统研究了6 一羧基壳聚糖和磺化6 一羧基壳聚糖结构、理化性质和血液相容性。 首次观察到在碱性环境中沉淀析出的b 一壳聚糖分子具有平行链形成的微 纤结构：建立了在冰乙酸介质中，以n 0 ：氧化多孔壳聚糖分子中c 6 位羟甲基制备 6 一羧基壳聚糖的方法，一次反应氧化度可达4 7 ，由于冰乙酸介质可部分吸收 在反应过程中生成的水，明显降低了氧化降解等副反应。 系统研究了6 一羧基壳聚糖的理化性质。6 一羧基壳聚糖具有两性聚电解质的 通性，当6 一羧基壳聚糖的脱乙酰度8 5 、氧化度3 7 时，其等电点p l = 4 9 。6 一 羧基壳聚糖的血液相容性明显高于壳聚糖，6 一羧基壳聚糖膜可在不明显降低壳 聚糖膜断裂强度的前提下大大提高壳聚糖膜的血液相容性。制备了具有选择性 吸附性能的6 一羧基壳聚糖均匀颗粒，可有效地吸附尿酸、马尿酸和肌酐，而不 吸附牛血清蛋白。 制备了与天然抗凝血材料肝素分子结构相似的磺化6 一羧基壳聚糖，- s o 。h 基团以共价键优先联在6 一羧基壳聚糖分子中的氨基上、其次是二级羟基、第三 是一级羟基。发现了一c 0 0 h 和一s 0 。h 对抗凝血性能的协同效应，通过控带, f c 0 0 h 和 - s o 。h 的比例得到其抗凝血活性与肝素钠相当的磺化6 一羧基壳聚糖钠盐，硫含量 为1 0 5 的磺化6 一羧基壳聚糖钠盐的抗凝血活性与肝素钠( 含硫i 0 1 ) 相当， 有望作为价格昂贵的抗凝血材料肝素的替代物。 关键词：壳聚糖；6 。羧基壳聚糖；磺化6 羧基壳聚糖；n 0 2 ；抗凝血活性 a b s t r a c t c h i t o s a ni san a t u r ep o l y s a c c h a r i d eh a v i n gs i m i l a rs t r u c t u r ew i t hc e l l u l o s e b e c a u s eo fi t sp o l y c a t i o ne l e c t r o l y t ec h a r a c t e r i s t i c s ，c h i t o s a nc o u l de a s i l ya d s o r b e r y t h r o c y t e sa n dt h r o m b o c y t e s ，w h i c hc a r r i e dn e g a t i v ec h a r g e so nt h es u r f a c e ，t o f o r mt h r o m b u so rc a u s eh e m o l y s i sw h e ni tc o n t a c t e dw i t hb l o o d i nt h i sp a p e r , t h e m i c r o f i b e r si nt 3 一c h i t o s a ns a m p l ew e r eo b s e r v e df o rt h ef i r s tt i m e i na d d i t i o n ， c h i t o s a nw a so x i d i z e dt o6 - c a r b o x y c h i t o s a n ；f u r t h e rm o r e ，s u l f og r o u p sw e r eg r a f t e d o ni ti nf o r m a m i d em e d i u mt og i v es u l f a t e d6 - c a r b o x y l c h i t o s a n t h es t r u c t u r e s ， p r o p e r t i e s a n db l o o d c o m p a t i b i l i t i e s o f 6 - c a r b o x y c h i t o s a n a n ds u l f a t e d 6 - c a r b o x y l c h i t o s a nw e r es t u d i e d b yd i s p e r s i n gp o r o u sc h i t o s a np o w d e ri ng l a c i a la c e t i ca c i d ，t h eh y d r o x y m e t h y l g r o u p so fc h i t o s a nw e r es u c c e s s i v e l yo x i d i z e dt oc a r b o x y lg r o u p sw i t hn 0 2g a st o f o r m6 - c a r b o x y c h i t o s a n b e c a u s eg l a c i a la c e t i ca c i dc o u l ds o a ki n t op o r o u sc h i t o s a n p o w d e ra n da b s o r b e dt h ew a t e rp r o d u c e di nt h eo x i d i z a t i o np r o c e s s ，n o to n l yt h e d e g r e eo fo x i d i z a t i o n ( d o ) o fh y d r o x y m e t h y lg r o u p si n6 - c a r b o x y c h i t o s a nm i g h t r e a c ht o4 7 ，m u c hh i g h e rt h a nd i di no t h e rm e d i u m ss u c ha st e t r a c h l o r o m e t h a n e ， w a t e re t c ，b u ta l s ot h eo x i d a t i v ed e g r a d a t i o nr e a c t i o no fc h i t o s a nc o u l db ew e a k e n e d o b v i o u s l y t h e6 - c a r b o x y c h i t o s a nh a st h ec o m m o nc h a r a c t e r i s t i c so fa na m p h o t e r i c p o l y e l e c t r o l y t e ，w h e nt h ed o a n dd e g r e eo fd e a c e t y l a t i o no f6 - c a r b o x y c h i t o s a nw a s 3 7 a n d8 5 ，r e s p e c t i v e l y , t h ei s o e l e c t r i cp o i n t ( p i ) v a l u eo f6 - c a r b o x y c h i t o s a ni s 4 9 a l la n t i t h r o m b o s i st e s t ，h e m o l y s i st e s t , a n db l o o dc e l lm o r p h o l o g yo b s e r v a t i o n w i t hs e mr e v e a l e dt h a t6 - c a r b o x y c h i t o s a nh a ds u p e r i o rb l o o dc o m p a t i b i l i t yt o c h i t o s a n b yd i p p i n gc h i t o s a nf i l m si ns a t u r a t e dn 0 2 - g l a c i a la c e t i ca c i ds o l u t i o n ，t h e h y d r o m e t h y lg r o u p so nt h ef i l ms u r f a c ec o u l db eo x i d i z e dt oc a r b o x y lg r o u p s w i t h o u td e c r e a s i n go b v i o u s l yt e n s i l es t r e n g t ho ft h ef i l m s t h eb l o o dc o m p a t i b i l i t i e s o ft h em o d i f i e dc h i t o s a nf i l m sw e r es u p e r i o rt oc h i t o s a no n e s b yc r o s s l i n k i n g 6 - c a r b o x y c h i t o s a nw i t hg l u t a r a l d e h y d e ，6 - c a r b o x y - c h i t o s a ns p h e r e sw e r eo b t a i n e d 6 - c a r b o x y c h i t o s a ns p h e r e s ，h a v i n gn oa d s o r p t i o nf o ra l b u m i n ，w e r eg o o da d s o r b e n t f o rs o m eu r e m i ct o x i n ss u c ha su r i ca c i d , h i p p u r i ca c i d ，e t c 6 - c a r b o x y c h i t o s a nw a ss u l f a t e dw i t hc h l o r o s u l f o n i ca c i di nf o r m a m i d et og i v e s u l f a t e d6 - c a r b o x y l c h i t o s a n i ns u l f a t e d6 - c a r b o x y l c h i t o s a n ，- s 0 3 hg r o u p sw e r e p r i m a r i l yg r a f t e do n _ n h 2 ，n e x to ns e c o n d a r y o h ，a n dt h i r d l yo n - - c h 2 0 h p o s i t i o n s w i t l lt h ec o n t e n to fs u l f u ri ns o d i u ms a l to fs u l f a t e d6 - c a r b o x y l c h i t o s a n i n c r e a s e d ，t h ea n t i c o a g u l a t i o na c t i v i t yo fi ti n c r e a s e ds l o w l yw h e nt h ec o n t e n tn o t m o r et h a n4 2 a n dr a p i d l yw h e nt h ec o n t e n tm o r et h a n4 2 w h e nt h ec o n t e n to f s u l f u ri ns o d i u ms a l to fs u l f a t e d6 - c a r b o x y l c h i t o s a nw a s10 5 ，t h ea n t i c o a g u l a t i o n a c t i v i t yo fi tw a ss i m i l a rw i t hh e p a r i ns o d i u m ( t h ec o n t e n to fs u l f u rw a s1 0 1 1 t h es o d i u ms a l to fs u l f a t e d6 一c a r b o x y l c h i t o s a nw a sm o r es i m i l a rw i t hh e p a r i n s o d i u mt h a ns o d i u ms a l to fs u l f a t e dc h i t o s a nd i di nb o t hs 缸1 l c t i l i ea n d a n t i c o a g u l a t i o na c t i v i t y k e yw o r d s ： c h i t o s a n ，6 - c a r b o x y l c h i t o s a n ，s u l f a t e d6 - c a r b o x y l c h i t o s a n ， n 0 2 ，a n t i c o a g u l a t i o na c t i v i t y - - - - 月u吾 壳聚糖( c h i t o s a n ) 是甲壳素( c h i t i n ) 部分或全部脱乙酰基的产物，其化学 结构与纤维素相似，是自然界大量存在的天然氨基碱性多糖，其结构式如下： h o c h i t i n h c h i t o s a i l 壳聚糖是天然的生物再生性资源，具有良好的生物活性和许多特殊功能， 被誉为“人体第六生命要素”，近几年在医学、生物工程领域的应用尤为引起专 家学者的重视【l 。n 。壳聚糖在人体内可生物降解，无毒副作用，可制成具有多种 功能的药剂辅料，如缓释剂、增效剂、助悬剂、微球载体等【黏1 8 】；具有优异的 生物相容性，是优良的生物医用材料【1 9 2 9 1 ，可制成多种膜状敷料或可吸收手术 缝合线【3 0 粕】；精制的壳聚糖细粉具有止血作用，可以促进伤口愈合【3 7 f3 8 】；壳聚 糖具有较强的抗菌活性【3 吼4 0 ，氨基含量和相对分子量大小对抗菌活性会产生重 要影响；壳聚糖还具有降血脂和胆固醇【4 2 】、抑制癌细胞【4 3 1 、增强酶的活性【删 等功能。 由于壳聚糖分子内大量氨基在溶液中易结合质子形成带正电基团( n h 3 + ) 。 血液中的红细胞、白细胞和血小板等均表面带有大量的负电荷。壳聚糖作为医 用材料时，由于静电作用，一方面容易吸附血细胞造成凝血或形成血栓；另一 方面壳聚糖分子与细胞膜间的静电作用容易造成细胞膜破裂产生溶血现象，因 此限制了壳聚糖在某些生物医学工程领域中的应用。 壳聚糖分子上联有大量羟基( o h ) 和氨基( - n h 2 ) ，可进行接枝、羧甲基 化、交联、醚化、水解、酰化、氧化及络合等反应，以引入新的功能性基团， 得到具有不同功能的壳聚糖衍生物。为增加壳聚糖的血液相容性，多是在壳聚 糖分子上引入带负电荷的基团，如羧甲基【4 5 4 8 1 、磺酸基4 9 5 0 1 等使之变为两性聚 电解质，或与聚阴离子电解质肝裂引】等交联形成大分子复合物。如d r o z d 等【4 9 l 和j a y a k u m a rr 等【5 0 】将壳聚糖进行硫酸酯化引入磺酸基以增强其抗凝血性 能，m u z z a r e l l i 等【5 l 】将羧甲基壳聚糖进行硫酸酯化反应以进一步提高羧甲基壳聚 糖的抗凝血性能。c h a n d y 掣5 2 】利用s c h i f 喊反应用戊二醛将壳聚糖与肝素分子 中游离氨基交联形成复合物以改善壳聚糖的血液相容性，但由于使用了戊二醛 作交联剂，不可避免地在复合物中存在未反应的游离醛基，而游离醛基对牛物 细胞的破坏作用很大，具有很高的细胞毒性【5 3 】。 本文将经过特别处理的多孔壳聚糖在冰乙酸介质中利用干燥的二氧化氮气 体氧化制得两性6 一羧基壳聚糠；再将6 一羧基壳聚糖磺化制得分子结构与肝素相 似的磺化6 一羧基壳聚糖。6 一羧基壳聚糖的血液相容性较壳聚糖大大提高：磺化 6 一羧基壳聚糖的抗凝血性能与肝素相似，有望作为价格昂贵的抗凝血材料 肝素的替代物。 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已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘壅盘堂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己 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名签字同期： 护7 年g 月弓汐f 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁盗盘堂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) 学位论文作者虢彩鲍每 签字同期：砷彩月乡口日 导师签名寸 签字同期。口7 7d 日 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1壳聚糖的化学改性及其衍生物在生物医学领域中的应用 甲壳素和壳聚糖内部分子的高度取向和分子问强烈的氢键作用，使其具有 紧密的晶体结构，不溶于普通溶剂，只在某些酸性介质中溶解，使其广泛应用 受到限制。利用甲壳素和壳聚糖分子中含有的多种官能团进行接枝、羧甲基化、 交联、醚化、水解、酰化、氧化及络合等反应，引入新的功能性基团，一方面 可改善他们的溶解性，更重要的是不同取代基的引入可在保留甲壳素和壳聚精 固有的生物相容性的基础上赋予它们更多的功能，极大地拓宽其在医药、食品 工业、水处理、膜材料、分析化学、催化、农业及轻纺工业等诸领域的应用， 尤其是其在生物医学领域中的应用引起了医学界的极大关注和兴趣。 1 1 1 酰化改性及应用 壳聚糖分子上联有的大量羟基( - o h ) 和氨基( n h 2 ) ，通过与有机酰氯或 有机酸酐反应，可在羟基( o 酰化) 或氨基( n 酰化) 上反应形成酯或酰胺，通常称 为酰化改性。甲壳素分子中的氮原子虽然已经结合一个乙酰基，但其上的一个 氢原子在适当条件下也能发生反应。通过引入不同分子量的脂肪或芳香族酰基， 所得产物在水中或有机溶剂中的溶解度可大大改善。酰化产物的生成与反应溶 剂、酰基结构、催化剂种类和反应温度有关，并且很难得到单一的氧酰化或氮 酰化产物。 h o 一h 。 h 最早的酰化改性是在干燥氯化氢饱和的乙酸介质中，使甲壳素或壳聚糖和 第一章文献综述 酸酐或酰氯通过非均相反应完成的。这种反应速度慢，试剂消耗多，甲壳素或 壳聚糖的降解十分严重。最近有报道，甲壳素在甲磺酸溶剂中低温下即可实现 c 3 和c 6 位的o 酰化反应【5 4 1 ，反应中甲磺酸既是溶剂，也是催化剂，均相中进 行，酰化程度较高。在壳聚糖的糖残基上氨基的活性较羟基要大一些，利用壳 聚糖可溶于乙酸溶液中，加入等量甲醇后也不沉淀析出的性质，h 硫。在乙酸 甲醇介质中使壳聚糖与乙酸酐在室温下反应得到n 乙酰化产物( 甲壳素) s 5 】。 若用丙酸酐、丁酸酐、己酸酐、二酸酐( 丁二酸酐、顺丁烯二酸酐、临苯二甲 酸酐等) 代替乙酸酐则可得到相应的酰化产物。m o o r 等【5 6 j 发现，壳聚糖的n 酰化反应与溶剂的溶解度参数( 6 ) 有很大关系。选择的溶剂体系6 值在 1 3 0 1 5 5 之间才能获得n 酰化率高的产物；在甲醇乙醇( 6 = 1 3 ) 或甲醇甲 酰胺( 6 = 1 4 ) 的混合介质中，壳聚糖与乙酸酐进行酰化反应，n 酰化程度均 达到9 b 以上。w u 等【57 】由于酰化后的甲壳素或壳聚糖分子中引入了脂肪酰基 或芳酰基，破坏了分子问的氢键和原有的晶体结构，除溶解性和加工性能明显 提高外，还表现出许多新的性能。如双乙酰化甲壳素具有良好的抗凝血性能， n 己酰、n 辛酰壳聚糖具有非常好的血液相容性【5 8 1 ，甲酰化和乙酰化壳聚糖衍 生物的混合物可制成可吸收性手术缝合线、医用无纺布【5 9 1 ，n 乙酰化甲壳素可 模塑成型为硬性接触透镜，有较好的透氧性和促进伤口愈合的特性，能作为发 炎和受伤眼睛的辅助治疗材料【删。l o r e n z o - l a m o s a 等【6 l j 发现采用丁二酸酐、苯 甲酸酐等修饰可明显改善壳聚糖微球对新城疫苗( n e w c a s t l e ) 的吸附。s a t o 等【6 2 】 用n 一琥铂酰壳聚糖包埋丝裂霉素c ( m m c ) 后，发现m m c 在结合物内的释放速 率具有很高的p h 值依赖性，随环境p h 值的升高而加速，可望实现靶向释放。两 性的o ，o 二棕榈酰基壳聚糖在极性的或非极性的溶液中均可有效吸附胆固醇 【6 3 1 。酰基化壳聚糖膜植入兔眼内可降解吸收，对兔眼组织不产生病理性损坏， 这一新型生物材料将有望应用于眼科手术领域岬j 。 用含氧无机酸作酯化剂，使甲壳素或壳聚糖中的羟基或氨基形成酯类或氨 基磺酸类衍生物方面也有很多报道，常见的无机酸酯化反应主要有硫酸酯化和 磷酸酯化【6 5 】。硫酸酯化试剂主要有浓硫酸、s 0 2 、s 0 3 、氯磺酸等，反应一般为 非均相反应，既可在o h 上进行，也可在n h 2 上进行。将壳聚糖与9 5 硫酸和 9 8 高氯酸混合液反应、或利用壳聚糖与c u 2 + 形成螯合物来保护游离氨基【6 6 j ， 可使酯化反应发生在c 6 位氧上。硫酸酯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【67 1 ，其中的6 o 硫酸酯化对抗凝血活性起主 要作用 6 s 】。甲壳素硫酸酯还能明显的抑制动脉粥样硬化斑块的形成【6 9 1 。浓度为 第一章文献综述 4 m g m l 、p h = 5 4 - - - 6 4 的n 羧丁基壳聚糖3 ，6 二硫酸酯对体外培养的金黄色 葡萄球菌、链球菌、奇异变形菌、大肠杆菌、浓绿杆菌、肺炎杆菌和柠檬酸细 菌属有抑制作用。有的硫酸酯化衍生物还显示了一定的抗癌作用i7 0 1 ，6 o 硫酸 甲壳素、6 o 硫酸羧甲基甲壳素对黑色素瘤有较明显的抑制作用，且硫酸化程 度越高，抑制作用越强。n 脂肪酰壳聚糖具有良好的水溶性【_ 7 1 】。壳聚糖和甲壳 素与五氧化二磷在甲磺酸催化下可形成磷酸酯【7 2 】。 p g p 在许多组织中有分布，是一种a t p 依赖性膜转运体，作为药物转运子， 其作用类似于排出泵，可将药物从细胞内外排而使胞内药物浓度降低，从而降 低药效。因此，p g p 与底物及调节子之问的相互作用能影响药物的吸收、分布、 代谢、排泄。调节p g p 可以影响p g p 底物的生物利用度、血浆峰浓度、表观清 除率、药一时曲线下面积等药动学参数。因此设计有效的p g p 调节子，可抑制 药物( 底物) 排泄至肠腔，从而增加药物的吸收。壳聚糖硫醇盐谷光甘肽化合 物是一种潜在的调节小肠中p g p 的a t p 酶活性例。 1 1 2 烷基化改- l 生及应用 由于甲壳素的分子间作用力非常强，要求反应条件较苛刻，所以烷基化改 性以壳聚糖的研究工作居多。壳聚糖的烷基化反应一般是在碱性条件下使之与 卤代烷或硫酸酯直接反应，可得到在n 、o 位同时取代的产物。 r xo r r o - s c - o r h _ 二_ 删。 m h 欲得到单一的o 位烷基化产物，可先将壳聚糖与醛反应形成席夫碱或与邻 苯二甲酸酐形成n 邻苯二甲酰化物保护氨基，进行烷基化后再脱去保护基团得 n o 位烷基化产物；也可使壳聚糖与过渡金属离子形成配合物，使_ n h 2 和c 3 位o h 被保护，进行烷基化后再以稀酸处理，得到仅在c 6 位取代的烷基化产 物。而欲得到单一的n 烷基化产物一般是利用醛与壳聚糖分子中的一n h 2 反应 第一章文献综述 形成席夫碱，然后再用n a b h 4 或n a b h 3 c n 还原得到。一般地说，壳聚糖的n 烷基化较易发生，反应时间、反应温度、反应介质、碱的用量和改性剂的用量 直接影响改性产物的理化性质。一般而言，为了制得高取代度和高粘度的衍生 物，反应时间以2 - - - - 4h 、反应温度以4 0 , - 一6 0 为宜，王爱勤等用不同碳链长度 的卤代烷对壳聚糖进行改性，制备了乙基壳聚糖( e c t s ) 、丁基壳聚糖( b c t s ) 、 辛基壳聚糖( o c t s ) 和十六烷基壳聚糖( c c t s ) 7 4 j 。烷基化壳聚糖分子内具有微 相分离结构，因此具有良好的抗凝血性能，且抗凝血性能随烷基取代基的增长 而得以改善。壳聚糖引入烷基后，分子间的氢键作用被显著消弱，水溶性大大 改善。异丁基壳聚糖具有较好的水溶性和细胞毒性，有望应用于生物医学领域 p 5 。壳聚糖经烷基改性制得十六烷基壳聚糖纳米微球，是一种优良的适用于水 体系的紫杉醇的负载载体【7 6 】。吴雁掣7 7 j 通过烷基化反应合成了二乙氨乙基壳聚 糖、二甲氨基( 1 甲基) 乙基壳聚糖及- - 7 , 基甲基铵乙基壳聚糖，研究其在体外结 合胆酸盐的能力表明，修饰后的壳聚糖结合胆酸盐的能力增强，引入的胺基或 铵基越多越有利于其对胆酸盐的结合。另外，k o t z e a f 实验发现，三甲基壳聚 糖四聚体的盐酸盐可提高消化道黏膜通透性【7 8 】。杂化聚l ，2 亚乙基二醇壳聚 糖的活性随氨基的减少和聚l ，2 一亚乙基二醇分子量的增加而降低【1 7 9 】。 用类似纤维素改性的方法，还可以制备羟烷基甲壳素和羧烷基甲壳素，以 及羟烷基壳聚糖和羧烷基壳聚糖。甲壳素的羟烷基化和羧烷基化主要发生在c 6 位上。如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 氢氧化钠的羟乙基化甲壳素；甲壳素碱与q 氯代丙三醇反应可制得溶于水 的羟丙基甲壳素；甲壳素碱与n ，n 二乙氨基氯乙烷反应可制得6 o 二乙氨基 乙基化甲壳素。在相似条件下，壳聚糠也可进行羧烷基化反应，但反应同时发 生在羟基和氨基上，得n n ，o 羧烷基或羟烷基壳聚糖。在酸性介质中，壳聚 糖与乙醛酸、丙酮酸、b 羟基丙酮酸、q 酮戊二酸反应生成席夫碱，再进行 还原可以得到单一的n 羧烷基壳聚糖。现今研究最多的是甲壳素或壳聚糖的羧 甲基化反应。将甲壳素在冷冻下用十二烷基硫酸钠( s d s ) 碱化后，悬浮于异丙醇 中，室温下与氯乙酸反应即可得到羧甲基甲壳素( c m c h i t i n ) 。在医药方面，c m 壳聚糖能够保护由白介素1 h e l a 导致的软骨组织的凋亡【8 0 】；c m 壳聚糖可促进 伤口愈合【引】；c m 壳聚糖通过控制分泌胶原t y p ei 来降低瘢痕疙瘩皮肤的成纤 维细胞t y p ev i l l 分泌率，而对正常皮肤无影响峭2 | 。各种壳聚糖衍生物微球可有 效地吸附牛血清蛋白，是一类新型功能吸附剂峭3 。n 羧丁基壳聚糖和5 甲基吡 咯烷酮壳聚糖具有良好的生物活性和相容性，可用于促进伤口愈合的涂覆剂和 第一章文献综述 组织修复的促长剂【8 5 】。n 羧丁基壳聚糖是壳聚糖的两性衍生物，在酸性、中 性、碱性条件下都具有良好的水溶性【8 6 1 。分别用5 甲酰一2 磺酸呋喃( f f s a ) 和碘 甲烷( m e i ) 与壳聚糖发生烷基化反应【9 7 1 ，得到表面分别带正负电荷的壳聚糖衍生 物，通过静电吸引作用可分别用于吸附带正负电荷的蛋白质。 s u i t 8 8 】合成了( 2 羟基3 丁氧基) 丙羧基壳聚糖，可作为葛根素的缓释剂。 n ( 2 羧甲基) 壳聚糖具有抗氧化和诱变活性【8 9 】。s u n 等t 州合成了羧甲基壳聚糖和 丙烯基壳聚糖，分别研究了其清除超氧阴离子自由基活性，丙烯基壳聚糖具有 较强的清除超氧阴离子自由基活性。j e 等t 9 1 】发现脱乙酰度为9 0 的壳聚糖的衍 生物氨乙基壳聚糖( d e a e c 9 0 ) 具有很强的活性氧清除能力。 1 1 3 接枝反应及应用 壳聚糖c 6 、c 3 位羟基及c 2 位氨基处皆可以成为接枝点，可与丙烯腈、 丙烯酸甲酯、乙烯基乙酸等单体接枝共聚，常用的引发剂有偶氮二异丁腈、c e ( i v ) 和氧化还原体系( f e 2 2 0 2 ) 。通过接枝反应，还可将糖基、多肽、聚酯链、 烷基链等引入到壳聚糖中，赋予壳聚糖新的性能。单纯的壳聚糖作为药物释放 包覆物，有溶解性差、对p h 的依赖性太强和机械性能不好等缺点，而接枝上具 有水溶性、生物相容性好的p v a 后，能极大地改善其对药物的释放行为。k w e o n 等【9 2 】报道了c h i t o s a n p v a ( 壳聚糖接枝聚乙烯醇) 的合成及其对抗癌药物 p r e d n i s o l o n e 的释放，产物对抗癌药物泼尼松的释放对p h 值的依赖程度比壳聚糖 小，可通过控制p v a 的接枝率、热处理和交联等方法对药物的释放进行控制。 魏晓红等【9 3 】将亲水性的聚乙二醇链段引入壳聚糖分子中，制备了适用于基因转 染的非病毒类载体。s a s h i w a 等畔】报道了在壳聚糖上接枝唾液酸的一部分，有望 成为人类红细胞凝结的抑制剂。j u l l g 等【9 5 】将2 甲基丙烯酸氧乙基磷酸和乙烯基 磺酸钠接枝到壳聚糖上，得到具有两性离子特性、高分子量、水溶性的壳聚糖 衍生物，其抗菌性较壳聚糖有明显的提高。p a r k 等【9 6 j 采用n 羟基丁二酰胺 ( n h s ) 1 乙基3 ( 3 二甲胺丙基) 碳化二亚胺( e d c ) 法活化端羧基聚乙烯基吡咯 烷酮后，使其接枝到半乳糖化壳聚糖的分子链上，产物有很好的蛋白质吸附性 能和d n a 结合强度，可作为肝细胞靶向d n a 载体。壳聚糖聚乙烯吡咯烷酮凝 胶具有良好的牛物相容性，可促进成纤细胞的生长，有望作为伤口护理材料【9 7 】 和特异性抗体【9 8 】。对p h 敏感的壳聚糖聚丙烯酰胺接枝共聚水凝胶可作为抗生 素的缓释材料，可使头孢羟氨苄的释放速度达1 0 小叫卿。壳聚糖聚丙烯酰胺 接枝共聚微球可作为拜新同药物的缓释材料【l 吲。壳聚糖聚丙烯腈两性盐和对 第一章文献综述 p h 敏感水凝胶具有超强的吸附能力，是药物缓释的良好材料1 0 1 1 。壳聚糖丙烯 酸2 羟乙基丙烯酸甲酯接枝共聚物具有良好的生物相容性【1 0 2 1 。 1 1 4 交联及应用 壳聚糖与交联剂戊二醛发生交联反应是一种应用最多的交联改性方法，反 应能在均相或非均相条件和较宽的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酰化成 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l 司链节之 间，也可发生在不同的分子链间。交联壳聚糖是网状结构的高分子聚合物。 壳聚糖经戊二醛交联固定制备成微球或微囊，可作为药物缓释剂【1 0 3 】。以正 丁基为配基，以壳聚糖( 浓度在2 - - - 1 0g i 为宜) 与戊二醛交联制备疏水色谱填料 丁基交联壳聚糖，可用于分离纯化酶、抗原、抗体等多种蛋白质，尤其适 用于基因工程下游处理。g a n z a 等【1 0 4 j 用戊二醛交联壳聚糖制备成含抗癌剂 m i t o x a n t r o n e 韵微球，腹腔注射于e h r l i c h a s l t e s j 中瘤小鼠，发现小鼠平均存活时 间与相同剂量自由药物的小鼠相比为2 9 0 ：1 2 2 ，较包d o x o r u b i c i n 药物的微粒抗 肿瘤效果明显，同时降低了药物的毒性，增加了药物的疗效。周永国等【5 】用质 量分数为1 0 的壳聚糖溶液通过乳液法与戊二醛交联合成了壳聚糖微球( c m ) ， 在其表面吸附一层f e 3 0 4 制得磁性壳聚糖微球( m c m ) ，体外测试表明，c m 包封 阿斯匹林( a s ) 微球( c m a s ) 在l h 内释药量达4 0 ，而m c m a s 仅为1 5 ， c m a s 和m c m a s 释药量达5 0 的时间分别为1 4 和5 h ：m c m 和m c m a s 均 具有较强的磁性，后者在外磁场作用下能够实现靶向给药。黄循明等 1 0 5 以戊二 醛交联的聚乙烯醇改性壳聚糖微球有望成为性能优良的、能选择性吸附血脂的 医用微球。孙立苹【1 0 6 】以戊二醛交联的羧甲基壳聚糖p h 敏感水凝胶，在药物控 制释放上具有良好的应用前景。n ，o 羧甲基壳聚糖与聚醚砜交联制得的微滤膜 可用于在较低p h 时分离蛋白剧1 0 7 1 。m i a o 等【1 0 8 】用戊二醛交联的磺化壳聚糖修饰 聚丙烯腈的表面制得两性纳米滤膜。e 1 s h e r b i n y 等t 1 0 9 j 用戊二醛交联制得壳聚糖 聚n 丙烯酰胺基乙酸互穿网络水凝胶，并研究了其作为5 氟尿嘧啶的缓释材料 的性能，表明其是良好的药物缓释材料。壳聚糖聚乙二醇二甲醚交联产物对p h 和热敏感，可作为药物缓释材料1 1 。 1 1 5 氧化改性及其应用 壳聚糖分子中c 2 位上的n h 2 ，c 3 、c 6 位上的o h ，都易被氧化剂氧化， 第一章文献综述 c 6 位上的o h 可被氧化成醛基或羧基，c 3 位上的o h 可被氧化成羰基，还可能 发生部分脱氨基或脱乙酰胺基，甚至破坏吡喃环及糖苷键的反应。目前比较引 人关注的是选择性氧化氨基葡萄糖单元c 6 位羟甲基成羧基制备6 羧基壳聚糖 的反应【舶1 。 嘲 h _h 不同于壳聚糖聚阳离子电解质的特性，6 羧基壳聚糖是两性高分子，与核 酸、蛋白质的性质相似，其血液相容性远远高于壳聚糖：特别是将其硫酸酯化 后产物与肝素具有极为相似的结构，可作为肝素的替代品作抗凝血材料。 w h i s t l e r 等1 】用四氧化二氮作氧化剂制备6 一羧基壳聚糖，由于是非均相反应， 氧化度为o 2 4 ，而且伴随较严重的r 丰链降解及氧化脱氨；本课题组【1 1 2 _ 1 3 】利用 二氧化氮在稀乙酸介质中氧化壳聚糖，实现了均相反应，氧化度得到提高，但 仍伴随十分严重的氧化降解。h o r t o n 等1 4 5 】采用c r 0 3 非均相氧化c 6 位羟甲基，高 氯酸保护氨基，产物的羧基度有所提高，但其配位吸附的c i l 3 + 很难除净；t e r a d a 等【1 1 4 j 用3 0 h 2 0 2 n a 2 w 0 4 保护3 o 和n 位，以c r 0 3 h c l 0 4 氧化得到氧化度 o 1 1 0 的6 羧基壳聚糖。以c e 4 + 引发氧化壳聚糖单体制得聚三甘醇二甲基丙烯 酸酯壳聚糖具有生物降解功能5 | 。用高碘酸钾氧化壳聚糖( c h i ) 后与聚氮丙 啶( p e i ) 发生亚胺反应生成c h i g p e i 聚合物可作为非病毒转基因载体【1 16 1 。在2 ， 2 ，6 ，6 四甲基1 哌啶氧化铝介质中以n a o c i 和n a b r 选择性氧化壳聚糖c 6 位 羟甲基成羧基，制得6 羧基壳聚糖，可改善壳聚糖的水溶性和生物活性，如6 羧基壳聚糖提高了结合胆汁酸的能力n 。 1 1 6 壳聚糖金属离子配合物 壳聚糖的糖残基在c 2 位上有一个n h 2 ，c 3 位上有一个o h ，从构象上说， 都是平伏键，这种特殊的结构，使得它们对某些金属离子具有很强的鳌合作用 形成配合物。硒是牛物体中必需的微量元素，多种疾病都与机体内缺硒有关【引， 无机补硒剂活性范围窄和毒性较高，有机硒化合物毒性较小。崔胜云等1 1 卅用壳 第一4 章文献综述 聚糖与硒反应，开发毒性小、具有抗癌活性的补硒剂，抗癌实验结果表明，硒 化壳聚糖对癌细胞有明显的抑制作用。壳聚糖锌配合物是一种较为理想的补锌 剂，陈盛等【12 0 】将壳聚糖降解到平均为十糖，再与锌配位，产物兼具补锌和低分 子量壳聚糖的保健作用。周永国等【4 j 发现壳聚糖铜配合物对尿素有较强的吸附 能力，可望作为尿毒症患者血液中的尿素的吸附剂。c d s e z n s 的羧甲基壳聚糖 配合物具有良好的生物相容性和光稳定性，可作为生物探针【1 2 1 1 。 1 1 7 壳聚糖的共混改性及应用 曹轩等 1 2 2 】研制了一种基于壳聚糖和溴化氰改性褐藻酸钠凝集作用的日本 血吸虫安培免疫传感器，可用于兔血清中日本血吸虫抗原的测定。研究表明这 种免疫传感器具有很低的非特异吸附性能，而且在经过简单的处理后可以重复 使用，其重现性和灵敏度良好。张文涛等【1 2 3 】用兔软骨细胞壳聚糖复合物制备 的“膜状软骨”修复兔膝关节软骨缺损，7 7 8 的动物1 6 周愈合，表明壳聚糖 可用作软骨细胞体外培养载体，为颞颌关节紊乱及关节软骨损伤、关节内外强 直等的治疗提供新方法。海藻酸钠壳聚糖( a c a ) 微胶囊用于细胞移植，具有良 好的牛物相容性和机械强度 1 冽。余贯华等【1 2 5 】以十八烷基聚氧乙烯( s p e o ) - 与4 ， 4 二苯甲撑二异氰酸酯( m d i ) 的偶联物s p e o m d i s p e o ( m s p e o ) 作为改性材 料，与壳聚糖共混得至o m s p e o c h i 改性涂层，可显著提高聚氨酯材料的抗凝血 效果。在磷酸钙骨水泥中加入壳聚糖作为配料，可以提高骨水泥的内聚力，防 止其在体内降解，并具有良好的组织相容性【1 2 6 1 。以羧甲基壳聚糖与聚乙烯吡咯 烷酮制成的水凝胶具有良好的p h 敏感性、膨胀性和机械性能和对蛋白质的吸附 能力【1 2 7 1 。对热和p h 敏感的聚乙烯醇壳聚糖的水凝胶可用于药物缓释材料【1 2 引。 1 1 8 发展趋势及存在问题 1 1 8 1 壳聚糖的化学改性展望 壳聚糖分子中c 2 位上的n h 2 ，c 3 、c 6 位上的o h ，均具有较强的反应活 性，可根据需要引入相应的官能团，赋予了壳聚糖多种新的功能。但由于三种 官能团的反应活性相差不大，不易做到定点、定量引入相应的官能团，且反应 的中问产物或终产物的分离提纯较困难，在一定程度上限制了壳聚糖的改性及 应用。通过可控反应设计壳聚糖衍生物分子，高选择性的制备壳聚糖衍生物将 成为壳聚糖化学改性的研究重点。 第一章文献综述 随着全民绿色意识的增强，化学工业将不再单纯地追求利润最大化，而是 转向环境效益、经济效益和社会效益等多目标并重。化学和化学工业将真正成 为人类社会可持续发展的重要支柱，绿色化学将成为主流化学。因此，壳聚糖 的化学改性也将由传统化学反应向绿色化学反应转变，绿色的壳聚糖改性方法 将成为研究的热点。 1 1 8 2 壳聚糖衍生物在生物医学领域中的应用展望 随着对壳聚糖衍生物研究工作的深入，其在许多领域中已显示出独特作用， 尤其是壳聚糖衍生物的许多独特功能使其在生物医学领域中越来越受到广泛关 注。目前，国内对壳聚糖及其衍生物在生物医学领域中的应用研究已形成热点， 但是仍没有开发出具有高价值的产品，现在对壳聚糖较成熟的应用仍停留在抗 菌方面，因此应加大对壳聚糖在生物医学方面的研究并尽快实现产业化。 有关壳聚糖衍生物在生物医学领域中的应用研究中，人们关注的重点可能 放在：( 1 ) 壳聚糖衍生物抗癌药物的研制；( 2 ) 壳聚糖改性材料的抗菌性和防 腐性的机理研究；( 3 ) 使用壳聚糖衍生物微胶囊化和包埋技术的研究；( 4 ) 随 着壳聚糖及其衍牛物研究的不断深入，其生物降解性、生物相容性会大大提高， 作为人工皮肤、人工骨等人工器官，将显示出更强大的生命力；( 5 ) 壳聚糖衍 生物类抗凝血材料的研制；( 6 ) 利用壳聚糖及其改性材料的多种生物活性与中 医药有机的结合起来，以提高壳聚糖和中医药的利用价值。 1 2 化学修饰壳聚糖的血液相容性 生物相容性( b i o c o m p a t i b i l i t y ) 是区别生物材料与其它材料的实质所在， 包括血液相容性( b l o o dc o m p a t i b i l i t y ) 和组织相容性( t i s s u ec o m p a t i b i l i t y ) 两个方面。前者表示材料与血液之问相互适应的程度，而后者表示材料与除血液 之外的其他组织的相互适应程度。生物材料研究的重点和难点是开发血液相容 性优良的材料n 驯。对于血液凝固，体系中存在两个对立的系统：一是凝血系统， 主要包括血小板以及把纤维蛋白原转变为纤维蛋白凝胶的所有凝血因子，促使 血小板和凝血因子生成：另一是抗凝血系统，主要是由肝素、抗凝血酶以及使纤 维蛋白凝胶降解的溶纤系统。当血液与各种外来异物接触时，凝血系统就通过下 列两种不同的过程发挥作用：a ) 凝血因子活化，导致纤维蛋白凝胶形成；b ) 血 小板的粘附、释放和聚集，结果导致血小板血栓形成。如何抑制导致凝血的两个 第一章文献综述 过程，得到良好血液相容性的高分子生物材料，是目前生物医学领域研究的前沿 课题。 壳聚糖是一种无毒、具有生物相容性和生物降解特性的天然产物，化学修 饰的壳聚糖可在不改变壳聚糖的骨架结构和物理化学与生物化学特性的情况 下，使其具备新的特殊功能。壳聚糖具有促凝血作用，是一种良好的止血材料， 也使其血液相容性较差，作为生物材料在体内使用时容易引起血栓，限制了其 在生物医学工程特别是与血液相关领域的应用，但在壳聚糖链上引入特殊功能 基团，可有效改善壳聚糖的血液相容性，现己合成了多种具备抗凝血性能的壳 聚糖衍生物，经修饰的壳聚糖具有良好的血液相容性n 3 仉1 3 1 1 。 1 2 1 肝素化壳聚糖 肝素是临床上被广泛应用的抗凝血药物，对血液有很好的抗凝效果，将其