（材料学专业论文）壳聚糖及其衍生物微球与微胶囊.pdf

摘要 制备出一种新型水凝胶即羧甲基壳聚糖离子络合微球。通过光学显微镜、 s e m 、i r 和x 射线衍射等多种手段对其进行表征，结果表明微球形貌规整，干 态时呈片状，分散情况良好，c 。c a 微球吸附c u ”后表面变得粗糙；其主要成分 是羧甲基壳聚糖与金属离子形成的络合物。考察了羧甲基壳聚糖溶液浓度、金属 离子种类及其浓度、介质p h 等因素对微球溶胀行为的影响，研究表明其溶胀行 为基本符合s c h o t t 二级溶胀动力学方程。采用d s c 考察了微球内部水的存在状 态。研究了微球对扑热息痛的释放性能，考察了介质p h 、药物溶液初始浓度、 羧甲基壳聚糖溶液浓度、c a c l 2 溶液浓度和微球粒径等因素对微球载药量及药物 分布的影响，采用统计学方法建立了药物体外释放动力学复合模型。结果表明微 球具有良好的药物释放性能，有望成为种新型药物释放载体。 制备新型微胶囊即羧甲基壳聚糖一壳聚糖一羧甲基壳聚糖微胶囊( c c c ) 。 采用光学显微镜、s e m 、i r 、d s c 和x 射线衍射等多种手段对其进彳亍表征。结 果表明c c c 形貌规整，微胶囊主要成分是羧甲基壳聚糖与c a 2 + 形成的络合物， 囊膜由羧甲基壳聚糖和壳聚糖络合而成。考察了c c c 的化学稳定性和耐离心能 力。研究了壳聚糖分子量和溶液p h 对c c c 渗透性能的影响。以p b 2 + 为例，考 察了c c c 对重金属离子的吸附性能。结果表明c c c 对p b 2 + 具有吸附速率快、高 选择性及良好的重复使用性能等特点，吸附容量与常见离子交换树脂相当。作为 一种完全壳聚糖基微胶囊，c c c 在生物医学工程和水处理等领域应用前景广阔。 x p s 分析推算出壳聚糖c l s 、o l s 和n l s 的电子结合能等数据的理论值，所 得数据与实验值基本一致。分别研究了羧甲基壳聚糖和c c c 同金属离子的配位 作用，探讨二者对金属离子的吸附机理。 关键词：微球微胶囊羧甲基壳聚糖壳聚糖药物释放吸附 x - 射线光电子能谱 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , c a r b o x y m e t h y lc h l t o s a ni o n i cc o m p l e x l n gm i c r o s p h e r e sa san e w k i n d o fh y d r o g e lw e r ep r e p a r e d t h ea p p e a r a n c ea n ds t r u c t u r e o fm i c r o s p h e r e sw e r e c h a r a c t e r i z e db y o p t i c a lm i c r o s c o p e ，s e m ，i r a n dx r a y sd i f f r a c t o m e t e rr e s p e c t i v e l y t h er e s u l t ss h o wt h a tm i c r o s p h e r e sa r ef o r m e dp r i m a r i l yb yt h ec o m p l e x i n gr e a c t i o n o fc a r b o x y m e t h y lc h i t o s a nw i t hm e t a li o n s m i c r o s p h e r e sh a v er e g u l a rs p h e r i c i t y w h i c ha r ef l a ta n dd i s p e r s ew e l la f t e rb e i n gd r i e d , a n dt h es u r f a c eo fc c ab e c o m e s c o a r s ea f t e r a d s o r p t i o n o fc u 2 + t h ee f f e c t s o fd i f f e r e n tf a c t o r ss u c ha s 也e c o n c e n t r a t i o no fc m c h ss o l u t i o n ，t h ek i n d so fm e t a li o n sa n di t sc o n c e n t r a t i o no i l s w e l l i n gp r o p e r t i e so fm i c r o s p h e r e sw e r es t u d i e d i t ss w e l l i n gb e h a v i o ra c c o r d sw i t h s c o t t ss e c o n d o r d e rs w e l l i n gk i n e t i c sm o d e l t h es t a t u so fw a t e ri nm i c r o s p h e r e sw a s s t u d i e db yd s c t h ed r u gr e l e a s ep r o p e r t i e so fm i c r o s p h e r e sw e r ea l s os t u d i e da n d t h er e s u l t ss h o wt h a tp r e p a r a t i o nc o n d i t i o n sa n dp ho fr e l e a s es o l u t i o nh a v eg r e a t e f f e c to n d m gc o n t e n t ，r e l e a s e r a t ea n dr e l e a s er a t i oo fp c t mf r o m m i c r o s p h e r e s t h e r e l e a s ek i n e t i c sm o d e lw a sb u i l tb ys t a t i s t i c s c - m n + m i c r o s p h e r e sh a v eap o t e n t i a l a p p l i c a t i o ni nt h ef i e l do f d r u g r e l e a s e c a r b o x y m e t h y lc h i t o s a n - c h i t o s a n c a r b o x y m e t h y lc h i t o s a n ( c c c ) m i c r o c a p s u l e sa sa n e wk i n do f m i c r o c a p s u l ew e r ep r e p a r e d i tw a s c h a r a c t e r i z e db y o p t i c a lm i c r o s c o p e s e m ，i r , d s ca n dx r a y s d i f f r a c t o m e t e r r e s p e c t i v e l y t h e r e s u l t ss h o wt h a t m i c r o c a p s u l e sh a v e u n i f o r m a p p e a r a n c e i t i s p r i m a r i l y f o r m e do fc o m p l e x i n g s t r u c t u r ea n di t sm e m b r a n ei sc o m p l e x e db yr e a c t i o no fc h i t o s a nw i t hc a r b o x y m e t h y l c h i t o s a n t h es t a b i l i t i e so fc c cw e r es t u d i e d t h ee f f e c t so fm o l e c u l a rw e i g h to f c h i t o s a na n dp ho fs o l u t i o no nt h ep e r m e a b i l i t yo fc c cw e r ea l s os t u d i e d t h ei o n a d s o r p t i o np r o p e r t i e so fc c c o np b ”w e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tc c ch a s f a s t a d s o r p t i o nr a t e ，h i g ha d s o r p t i o nc a p a c i t y , h i 曲s e l e c t i v 时a n dc a nb e u s e d r e p e a t e d l y , s o t h a tc c ci sh o p e f u li nb i o m e d i c a l e n g i n e e r i n ga n d w a t e r p u r i f i c a t i o n t h et h e o r e t i cv a l u e so fb i n d i n ge n e r g yo fc l s ，o l sa n dn l si nc h i t o s a nw e r e c a l c u l a t e dw h i c ha r ec o n s i s t e n tw i t l le x p e r i m e n t a ld a t ai nx p s t h ec o m p l e x i n g e f f e c t so f c a r b o x y m e t h y lc h i t o s a na n dc c cw i t hm e t a li o n sw e r e r e s p e c t i v e l ys t u d i e d ， a n dt h ea d s o r p t i o nm e c h a n i s m sw e r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：m i e r o s p h e r e ：m i c r o e a p s u l e ：c a r b o x y m e t h y lc h i t o s a n ；c h i t o s a n ； d r u gr e l e a s e ；a d s o r p t i o n ；x p s 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，也不包含为获得墨盗盘鲎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谢意。 学位论文作者签名：移氛签字日期：如；年，v 月心日 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堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨洼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) 学位论文作者签名： 赴蔬 导师签名：弋三筇墨7 签字日期：协j 年f 、月f 竭签字日期：泗 年，1 月j 日 h u舌 月l j吾 作为一种新型功能材料，微球因具有良好的表面效应、体积效应、磁效应和 生物相容性等特性而在众多领域有着广阔的应用前景。在药物释放领域，微球作 为一种新型控缓释给药体系，具有能保护药物免遭破坏、控制药物释放速度、 减少药物不良反应及降低用药量等优点。药用微球制备材料必须具备无毒、生物 相容性好及可生物降解等性质。生物降解高分子材料因其具备无毒、无免疫活性 及不在体内积累滞留等优点而受到重视。制备微球的常见方法有乳化分散法、凝 聚法、喷雾干燥法及聚合法等。制备方法和材料对药用微球粒径、收率和包封率 等性能影响很大。开发性能优良的微球体系对于药剂学的发展具有重要意义。 微胶囊技术广泛应用于医药、食品、农药、饲料、涂料、油墨及粘合剂等众 多领域。在医学领域，微胶囊广泛应用于糖尿病治疗、遗传性酶缺乏症治疗、微 生物基因工程及药物控释体系等方面。在水处理领域，微胶囊在重金属离子去除 与富集等方面有着良好的应用前景。微胶囊包囊材料包括天然高分子材料、半合 成高分子材料和全合成高分子材料，制备方法主要有化学法、物理化学法和物理 法。囊膜厚度、表面光滑程度、膜上孔隙大小、微胶囊粒径及分布情况均对微胶 囊的性能产生重要影响。使用时应根据微胶囊的用途选择合适的制备材料和方 法。目前，以海藻酸钠和聚赖氨酸复合体系制备的a p a 微胶囊和以海藻酸钠和 壳聚糖复合体系制备的a c a 微胶囊体系已在生物医学工程领域得到了广泛应 用。开发新型微胶囊体系并拓宽其应用领域具有重要意义。 随着社会对材料需求的不断扩大，天然高分子材料以其“取之不尽，用之不 竭”的优势而备受重视，对其进行开发也显得尤为重要。壳聚糖来源广泛，具有 良好的医学活性和金属离子富集性质，应用范围很广，涉及化工、医药、生物技 术、食品加工和日用品等诸多领域。在医学领域，壳聚糖被制成手术缝合线、人 造皮肤等，还可用于降血脂、降血糖、抗肿瘤和抗凝血等。在水处理领域主要用 作絮凝剂去除金属离子和微生物等物质。为改善壳聚糖的溶解性，对其进行化学 修饰，制成羧甲基壳聚糖。羧甲基壳聚糖具有水溶性、抗菌性、螯合性、成膜性 和生物学特性等诸多优良性质，在制药、水处理、日用品及造纸等方面均有重要 应用。在医学领域，可制成凝胶或膜用于恢复伤口，还可制成多种酶固定化载体、 生物多糖型金属补剂和免疫辅助剂等。在水处理领域，羧甲基壳聚糖具有良好的 刖舌 重金属离子去除性能、阻垢性能和絮凝性能。在提倡资源再生利用的今天，丰富 羧甲基壳聚糖和壳聚糖的产品形式，对促进其应用具有重大意义。 论文以羧甲基壳聚糖和壳聚糖为主要材料，制备出新型微球和微胶囊。其中， 羧甲基壳聚糖离子络合微球具有良好的释药性能，通过调节制备条件可以控制微 球载药量和药物分布状态，有望成为一种新型药物释放载体。羧甲基壳聚糖一壳 聚糖一羧甲基壳聚糖微胶囊( c c c ) 是一种完全壳聚糖基微胶囊，稳定性能良好， 渗透性能可控，具有良好的吸附金属离子性能，在生物医学工程和水处理等领域 应用前景广阔。壳聚糖的x p s 理论分析对今后研究有重要意义。 第一章文献综述 1 1 微球 第一章文献综述 微球是一种以适宜高分子材料为载体制成的球形或类璩形微粒，粒径般为l 5 0 0 l am ，小的可以是几纳米，大的可达8 0 0 l am 。作为一种新型功能材料，由于具 有良好的表面效应、体积效应、磁效应、生物相容性等特性，微球在固定化酶、靶 向药物、免疫分析、细胞分离、高级化妆品、环境友好型高效催化剂等方面有着广 阔的应用前景 ”。结合论文，重点介绍其在药物释放领域的应用。 1 1 1 微球在药物控缓释放中的应用 随着科学技术的不断发展，人们对药物制剂的要求逐渐提高。为使药物有效成 分在体内靶位处发挥最大程度的作用，减小由于其在非靶位的积累而引起的副作 用，科学工作者提出建立“药物传递系统”( d r u g d e l i v e r ys y s t e m ) 的目标，其中， 将药物包封在微粒载体内，通过控制后者在体内的分布来改变药物的分布情况被认 为是一种可行的途径。常见的载体形式有脂质体、药质体、微球等。由于微球适应 性强、制备方法简单以及材料来源广泛而受到普遍关注。 作为一种新型控缓释给药体系，微球具有能保护药物免遭破坏、与某些细胞 组织有特殊亲和性、控制制剂微粒粒径、控制药物释放速度、延长药物作用时间、 减少药物不良反应及降低用药量等优点，还可用于特定组织和器官的药物靶向释放 等。在临床治疗上微球属于被动靶向制剂，它能被器官组织的网状内皮系统( r e s ) 所内吞或被细胞融合，集中于靶区逐步扩散释出药物或被溶酶体中的酶降解而释出 药物【2 。 目前，药用微球的控缓释行为研究已进行得相当广泛。其中，对抗生素、避孕 药和麻醉药等药物的控缓释放研究较为普遍，技术也相对成熟。另外，微球用作蛋 白、多肽及疫苗等大分子药物载体也越来越受到重视【3 】。具有外界刺激响应能力的 智能微球将成为研究热点之一，对微球的主动靶向研究也会继续深入。 第一章文献综述 1 1 2 微球制备材料 制备药用微球的聚合物材料必须具备无毒、生物相容性好和可生物降解等性 质。材料按来源分为天然高分子载体材料和合成高分子载体材料，按溶解性能分为 水溶性载体材料和非水溶性载体材料，按降解性能分为可生物降解载体材料和不可 生物降解载体材料。表1 1 列出了制备微球的常用材料及其包封药物嗍。 表t - 1微球制备常见材料及其包封药物 t a b l e1 - 1c o m m o nm a t e r i a l so f m i c r o s p h e r e sa n d d r u g sl o a d e d 微球制各材料微球包封药物 淀粉 明胶 自蛋白 聚乳酸 聚酯 酮洛芬 丝裂霉素；5 氟尿嘧啶； 5 氟尿嘧啶；地塞米松磷酸钠；环丙沙星；阿昔洛韦 利福平；破伤风类毒素；胰岛素； 左旋1 8 一甲基炔诺酮：破伤风类毒素；疫苗蛋白 近年来在药物释放材料研究中，生物降解高分子材料因其具备无毒、无免疫活 性及不在体内积累滞留的优点而逐渐受到重视。生物降解高分子包括天然高分子、 合成高分子及生物技术合成高分子，其中研究较多的有淀粉、聚酯、聚氨基酸、聚 原酸酯和聚碳酸酯等吲。 1 1 3 微球制备方法 微球制备方法根据药物种类、载体材料性质、所需微球的粒度与释药性能及临 床给药途径而各异。目前常见的方法主要有乳化分散法、凝聚法、喷雾干燥法及聚 合法等【2 1 。 乳化分散法系指药物与载体材料溶液混合后，分散在不相混溶的介质中形成类 似油包水( w o ) 或水包油( o w ) 型乳剂，然后使乳剂内相固化并分离制备微球 的方法。根据内相固化方法的不同又可分为加热固化法、交联剂固化法和溶剂蒸发 法三种。其中交联剂固化法是最常用的制备方法，戊二醛和甲醛是常用的交联剂。 4 第一章文献综述 溶剂蒸发法要求所使用溶剂沸点较低，甲苯是常用溶剂之一。 凝聚法系指在药物与载体材料混合液中，通过使带相反电荷、脱水、溶剂转换 等外界物理化学因素的影响使载体材料溶解度发生改变，从而凝聚包裹药物并自溶 液中析出。这种制备方法不需要使用有机溶剂和交联剂，制备的微球对药物具有较 高的包封率和明显的控释作用。 喷雾干燥法系指将药物与载体材料混合溶液溶于复合溶剂体系( 如冰醋酸水 一丙酮) ，在惰性热气流下进行喷雾干燥，复合溶剂迅速蒸发，从而得到微球。 聚合法系使载体材料单体发生聚合反应，在聚合过程中药物被包裹从而形成微 球。此法多用于制备毫微球，又可分为乳化聚合法、交联聚合法和辐射聚合法等。 对于常见的海藻酸钙微球体系，制备方法主要有乳化分散法和液滴喷射法。乳 化分散法是通过乳化剂将海藻酸钠溶液分散成微滴，然后向其中加入氯化钙溶液， 形成凝胶微球，该法制得的微球粒径较小，缺点是粒径分布宽、球形不圆、后处理 工艺复杂。液滴喷射法是通过液滴发生设备将海藻酸钠溶液喷射到氯化钙溶液中， 从而制得粒径均一、球形较圆的凝胶微球。此法反应条件温和，粒径易于调节和控 制。液滴喷射法包括气流喷射法、静电喷射法、离心喷射法等，其中静电喷射法是 使用较多的方法，制备的微球球形规整、大小均一口】。 1 1 4 药用微球性能的影响因素 微球粒径、收率和包封率是评价微球性能的三个关键指标【4 】。用于靶向药物或 缓释药物的微球其粒径及分布对给药方式和疗效均有很大影响。聚合物微球用作靶 向药物载体时，粒径范围不同，靶向作用部位也不同；用作注射用缓释制剂时，微 球粒径必须符合药典规定，即粒径大于1 5 9 m 的微球数目不能超过1 0 。粒径对收 率和包封率也有很大影响。因此在微球制备过程中控制其粒径非常关键。影响微球 粒径、收率和包封率的因素很多，以乳化分散法为例，聚合物材料的浓度、分子量 及其与药物的用量比、乳化剂用量、交联剂用量和搅拌速度等均会影响微球载药与 释药性能。一般来说，增大交联剂用量会导致药物释放量和释放速度下降，加快搅 拌速度会使微球粒径变小。此外，微球的溶胀性能也是影响其释药性能的重要因素， 若干文献考察了微球溶胀性能对药物释放的影响情况【6 1 ”。利用微球对p h 的敏感性 控制药物在适当部位以适当速率进行释放也是目前研究热点之一【8 1 。 第一章文献综述 1 2 微胶囊 微胶囊是采用天然或合成高分子材料( 统称囊材) 将固体、液体或气体物质( 统 称囊心物) 包覆，形成具有半透性或密封囊膜的微小容器，直径范围1 5 0 0 0un l 。 近年来，微胶囊技术广泛应用于医药、食品、农药、饲料、涂料、油墨、粘合剂等 众多领域。结合本论文，重点介绍微胶囊在医学和水处理领域的应用。 1 2 1 微胶囊的应用 1 2 1 1 微胶囊在医学领域的应用 生物微胶囊系指用半透性膜固定了活体组织或细胞的微胶囊，由于半透性膜起 到了细胞膜的作用，微胶囊的形态和功能酷似细胞，故又称之为“人工细胞”。随 着材料科学和生物技术的发展，生物相容性及透过性良好的生物微胶囊在医学界引 起了广泛重视。迄今为止，其在医学领域的应用主要有p 1 1 】： 1 包埋有胰岛细胞的人工细胞治疗糖尿病 2 包埋有肝细胞的人工细胞治疗急性肝炎或药物导致的突发性肝衰竭 3 用人工细胞对慢性肾衰竭病人做血液灌流和辅助渗析 4 替代血红细胞 5 除去病人体内的血型抗体 6 药物靶向载体和药物控制释放 7 包埋有专一酶的人工细胞治疗遗传性酶缺乏症 在药物研究方面，高分子微胶囊化药物控释体系具有长效、高效和低毒的优点。 p a r i o tn 等以b - 环糊精和对苯二酰氯为载体材料，采用界面缩聚法制备了包覆有药 物心得安的微胶囊，研究发现该微胶囊体系可有效延缓药物释放 1 2 i 。s a t ot 将内含 无定形铁磁体的微胶囊用于治疗肿瘤【”】。r a d t c h e n k oil 等采用多层电解质膜沉淀 法解决了非水溶性药物的微胶囊化问剐1 4 】。 在治疗学领域，人工细胞的应用也很广泛。c h a n gt m s 全面介绍了其在治疗 学领域如细胞、血色素、微生物基因工程等方面的研究进展 ”】。将人工细胞用于基 因修复是目前基因工程的研究方向之一1 7 1 。c h a n gpl 将携带人体生长激素的鼠 肌肉原细胞经海藻酸钠聚赖氨酸体系微胶囊化后，发现肌肉原细胞仍可分泌人体生 6 第一章文献综述 长激素【1 8 j ，通过改变微胶囊的制备条件可以控制激素生长速度。c a m p i o n i eg 等以 甲基丙烯酸2 羟基乙酯甲基丙烯酸甲酯为载体材料，将分泌多巴胺( 一种治疗脑神 经的药物1 的细胞微囊化，动物实验结果显示该微胶囊对帕金森症的治愈率很高1 9 】。 1 2 1 2 微胶囊在水处理领域的应用 将能去除废水污染成分的物质微胶囊化，污染成分透过囊膜与囊心结合，由于 生成物不能透过微胶囊，污染物与水体环境得以分离，从而起到净化水资源的效果， 再通过洗脱等操作使微胶囊得以再生。n i s h i h a m as 等以苯乙烯、二乙烯苯为材料制 备含次膦酸一2 一乙基己酯的微胶囊并用于分离稀有金属，效果较液一液萃取操作好 2 0 l 。刘培生用聚乙烯醇尼龙微胶囊回收铜氨废液中的铜离子，实验证明该微胶囊在 碱性体系下去除铜离子效果较好 2 1 l 。王凤平等制备的聚酰胺微胶囊对去除电镀工业 中的含铬废水是有效的2 2 1 。 1 2 2 微胶囊制备材料 微胶囊囊材的选择要考虑很多因素，最主要的是囊材本身的性质，包括粘度、 渗透性、稳定性及溶胀性等。囊材还需要同囊心物匹配，如油溶性囊心物应选择水 溶性囊材，而水溶性囊心物的囊材需是油溶性的等等。此外，选择价格便宜且来源 广泛的材料有利于微胶囊的实际应用。目前常见的微胶囊包囊材料有三类：天然高 分子材料，如明胶、阿拉伯胶、海藻酸钠和淀粉等，其特点是无毒、成膜性好且稳 定；半合成高分子材料，如羧甲基纤维素、甲基纤维素和乙基纤维素等，优点是毒 性小、粘度大，但易水解，不耐高温，需现用现配；全合成高分子材料，如聚丁二 烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯等，特点是成膜性及化学稳定性好。 对生物微胶囊来说，囊材对其稳定性和渗透性等性能至关重要，因此要求更为 严格。首先要具有起好的机械性能，其次生物相容性良好，并在成囊过程中形成适 当的孔隙、孔隙分布和结构。纵观近年来文献报道，硝化纤维素、醋酸纤维素及其 共聚物、聚氨酯类、海藻酸盐、明胶等物质是制备生物微胶囊的常用材料。其中以 海藻酸钠与聚赖氨酸制备的a p a ( 海藻酸钠聚赖氨酸海藻酸钠) 体系和海藻酸钠 与壳聚糖制备的a c a ( 海藻酸钠壳聚糖海藻酸钠) 体系最为成熟。 第一章文献综述 1 2 3 微胶囊制备方法 微胶囊制备方法主要有三类：化学法，包括界面聚合法和原位聚合法等；物理 化学法，包括相分离法和干燥浴法等；物理法，包括喷雾干燥法、真空蒸发沉积法 和空气悬浮成膜法等。下面各取其一进行介绍。 界面聚合法：将囊心物加至含有反应单体的溶液中，调节反应条件，形成包覆 囊心物质的微滴，向其中加入第二反应单体连续相，单体间发生缩聚反应形成囊膜。 该法简单，但要求形成囊膜的单体反应活性大。聚酰胺、聚磺酰胺、聚酯、聚碳酸 酯、聚氨酯等均可用于制备囊膜。单体浓度、体系分散情况及胶囊形态等因素会影 响囊膜厚度和多孔性【2 3 】。聚乙烯醇、明胶和甲基纤维素是常用的分散剂。大量文献 报道采用此法制备微胶囊，并在农药领域应用最为广泛【2 4 】。 相分离法：依据载体材料溶解性，向体系中加入能降低其溶解度的试剂使囊膜 材料得以分离，从而得到微胶囊。依据囊心物的亲水亲油性，相分离法可分为水相 分离法和油相分离法。此法与微球制备方法中凝聚法原理基本一致。 喷雾干燥法：在压力、高温等作用下采用特定设备，囊心物和载体材料的混合 液从喷头高速喷出，形成的液滴均匀分布于热气流中，水等小分子溶剂透过囊膜蒸 发掉，囊心物贝q 滞留在囊膜内部，从而制得微胶囊。 生物微胶囊如a p a 或a c a 体系的制备以点滴法中的气流喷射法和静电液滴法 最为常见。二者基于相分离法原理，制备的微胶囊粒径较小且分布均匀；制备过程 中细胞本身不发生结合或偶联发应，生物活性得以保留。比较而言，静电液滴法更 为理想。尽管气流喷射法对仪器要求不高，但由于气流速度难以精确控制，制各出 的微胶囊尺寸较大且分布不均一。静电液滴法要求有专用仪器即静电液滴发生器， 仪器电压和脉冲频率可精确调节，制备的微胶囊尺寸较小且分布均一，性能较好。 1 2 4 微胶囊结构与性能 囊膜厚度、表面光滑程度、膜上孔隙大小、微胶囊粒径及分布情况均对微胶囊 的性能产生重要影响。膜结构的表征对研究成膜机理、评价膜性能等非常有用。常 用光学显微镜和扫描电子显微镜考察微胶囊形态、大小及膜厚等。杨军等采用扫描 电镜测得a p a 膜厚约为1 0 l am ，采用原子力显微镜观察微胶囊表面超微结构，并 用x p s 分析和元素分析技术研究a p a 成膜反应机理【2 5 1 。 第一章文献综述 膜强度和渗透性是表征微胶囊性能的重要参数。z h a i l gz 等将测定细胞强度的 微控制方法用于研究微胶囊囊膜强度2 6 1 。o l a vg 等用放射性标记壳聚糖研究壳聚糖 与海藻酸的成膜反应，考察了壳聚糖复合程度对微胶囊稳定性和渗透性的影响口”。 1 2 5a p a 和a c a 微胶囊 自1 9 8 0 年加拿大多伦多大学l i m f 和s u n a 教授发明a p a 微胶囊并成功用于 包埋胰岛细胞以来，以海藻酸钠和聚赖氨酸复合体系制备的a p a 微胶囊以良好的 渗透性、生物相容性和控释性能在生物医学工程领域受到了广泛关注。目前，a p a 微囊胰岛治疗糖尿病已进入前期临床研究阶段2 8 。30 】，另有研究表明a p a 有望用于 基因治疗领域驯。 近年来，人们以壳聚糖代替聚赖氨酸制各出a c a 微胶囊体系，与聚赖氨酸相 比，壳聚糖价格低廉且来源广泛，因此a c a 在细胞、微生物和单克隆抗体培养及 制药工业等领域受到重视。目前，a c a 微胶囊的大部分研究工作都集中在壳聚糖上。 研究发现，虾蟹壳聚糖的成膜性能随分子量增大而变差，但分子量过低又造成膜强 度下降，同时虾蟹壳聚糖因金属离子含量过高而在医学领域受到应用限制。有人提 出用蝇蛆壳聚糖代替虾蟹壳聚糖制备a c a 微胶囊【”。与虾蟹壳聚糖相比，蝇蛆壳聚 糖具有低粘度、低金属离子含量的优点，且原料系人工培育，适于工业化生产，应 用前景广阔。 1 3 壳聚糖与羧甲基壳聚糖 随着社会对材料需求的不断扩大，天然高分子材料以其“取之不尽，用之不竭” 的优势而备受瞩目。具有无毒性、可生物降解性及良好生物活性等特点的天然高分 子在人造器官和药物释放等医学领域应用前景广阔。此外，天然高分子链上含有众 多可以螯合金属离子的活性基团，具有良好的重金属富集能力，可作为离子吸附剂 用于重金属去除及贵重金属回收等领域。常用的天然高分子材料有纤维素、壳聚糖、 淀粉和蛋白质等。 1 3 1 壳聚糖 壳聚糖( c h i t o s a n ) ，化学名为( 1 ，4 ) 一2 一氨基2 脱氧一1 3 一d 一葡聚糖，是甲壳素的脱 9 第一章文献综述 乙酰基衍生物。甲壳素( c h i t i n ) ，化学名为( 1 ，4 ) 2 乙酰氨基一2 一脱氧一b d 一葡聚糖， 广泛存在于虾、蟹等低等动物的外壳中，自然界产量仅次于纤维素而居第二位，也 是迄今所发现众多天然多糖中唯一具有明显碱性的多糖。二者结构式如图1 - 1 ： ( a ) 甲壳素( b ) 壳聚糖 图1 1甲壳素和壳聚糖的结构式 f i g1 - 1m o l e c u l a r f o r m u l ao f c h i t i na n dc h i t o s a n 1 - 3 1 1 壳聚糖的结构与性质 壳聚糖分子链上分布着许多羟基、氨基和乙酰氨基，是一种聚阳离子物质。分 子链具有复杂的双螺旋结构，分子中存在着大量分子内和分子间氢键，从而形成一 定的有序结构。分子量和脱乙酰化度是表征壳聚糖性质的两个重要参数。壳聚糖不 溶于水，只溶于稀酸，如乙酸、盐酸等，溶解度与脱乙酰化度密切相关，脱乙酰化 度高于6 0 和低于4 0 的壳聚糖溶解性能不好阎。壳聚糖上含有大量的活性基团， 能在伯胺基、伯羟基和仲羟基等官能团上发生酯化、醚化、氧化、磺化以及接枝交 联等反应。壳聚糖具有良好的成膜性。 1 3 1 2 壳聚糖的应用 7 0 年代，壳聚糖主要应用于水处理和金属离子富集等领域。近年来研究逐渐向 保健品、化妆品及药用敷料等高附加值领域转移。总体来说，壳聚糖应用相当广泛， 涉及化工、医药、生物技术、食品加工和日用品等诸多领域。结合本文，重点介绍 壳聚糖在医学和水处理领域的应用。 ( 1 ) 壳聚糖在医学领域的应用 壳聚糖无毒，生物相容性良好，可被溶菌酶降解，是一种性能较好的体内植入 性生物材料【3 3 。可作手术缝合线刚，强度好，易打结，伤口愈合后不用拆线，还能 抑制炎症细胞向创伤周围组织的浸润，加速伤口愈合。可制成“人造皮肤”，亲和 第一章文献综述 性好，柔软度适宜、与创伤面结合密实，可以吸收从伤1 2 1 渗出的体液，缓解疼痛。 作为一种天然高分子材料，壳聚糖具有透明、透气的性能，可用于制造隐形眼镜。 壳聚糖是一种天然多糖，本身具有生理活性。口服壳聚糖可以起到抑制胃酸的作用， 并在胃内形成凝胶，对溃疡创面有保护作用。壳聚糖具有降血脂的功效，可与胆汁 酸结合排出体外，抑制脂肪消化，降低血清甘油三脂含量，同时胆汁酸的减少促使 胆固醇转化为胆汁酸，从而达到降血脂的目的。与常用降血脂药物消胆胺比较，壳 聚糖价格便宜，用量小且副作用小0 5 , 3 6 1 。壳聚糖具有降血糖的作用，分子链中的氨 基可调节p h 到弱碱性，提高胰岛素利用率，有利于防治糖尿病o7 1 。壳聚糖还具有 抗肿瘤和抗凝血的功效。 在药剂学方面，壳聚糖及其衍生物被制成各种药物辅料用于控、缓释放等领域。 壳聚糖与药物混合后加入其他配料可直接压片和制成颗粒。采用壳聚糖作为盐酸麻 黄碱等1 1 种药物的缓释骨架，以体外溶出实验为指标，结果表明壳聚糖对大多数 药物均有一定的缓释作用 3 8 1 。目前，以壳聚糖作为载体包覆的药物有顺铂、甲氨蝶 蛉、胰岛素、孕激素等】。壳聚糖还可以作为保护性辅料，防止药物有效成分的酶 降解。利用壳聚糖附着粘膜的特性，可将其制成粘附剂用于鼻腔给药等研究4 0 1 。 ( 2 ) 壳聚糖在水处理领域的应用 壳聚糖在水处理领域主要用作絮凝剂去除金属离子和微生物等物质。电镀行业 会产生大量汞、镍、铅等重金属离子，它们对环境危害严重，壳聚糖可有效分离除 去这些离子。采用脱乙酰度8 5 以上的壳聚糖处理工业染色废水，色度下降明显， 形成颗粒较大，沉淀速度快。壳聚糖还可用于固定氧化池废水中的藻类物质。将壳 聚糖、活性炭和离子交换树脂合用可除去自来水中的c 1 2 、f e 和细菌1 4 “。 1 3 2 羧甲基壳聚糖 1 3 2 1 羧甲基壳聚糖的结构与性质 壳聚糖仅溶于稀酸，不溶于水和碱，为改善溶解性能，对其进行化学修饰，得 到各种壳聚糖的衍生化产物。羧甲基壳聚糖( c a r b o x y m e t h y lc h i t o s a n ) 是壳聚糖经羧 甲基化反应后得到的衍生物。反应时羧甲基可进入o 和n 原子，相应的产物有o 一羧甲基壳聚糖，n 一羧甲基壳聚糖和n ，o 一羧甲基壳聚糖( 以n ，o 一羧甲基壳聚 糖为例，结构式如图1 2 ) 。 第一章文献综述 图1 - 2n ，o 一羧甲基壳聚糖结构式 f i g1 - 2m o l e c u l a rf o r m u l ao f n ，o c a r b o x y m e t h y l c h i t o s a n 羧甲基壳聚糖具有很多优良的性质：( i ) 水溶性。除了因为它是一种羧酸钠盐 外，还由于羧甲基的导入破坏了壳聚糖分子的二次结构，使其结晶度大大降低，几 乎成为无定形。取代度越高，水溶性越好。( 2 ) 抗菌性。羧甲基壳聚糖对口腔变形 链球菌和口腔乳酸杆菌有一定的抗菌作用划，o 一羧甲基壳聚糖在很宽的羧甲基度 范围内表现出良好的抗菌性【4 3 1 ，n ，o 一羧甲基壳聚糖的抑菌活性随分子量的降低而 显著增强 删。( 3 ) 螯合性。n 一羧甲基壳聚糖对金属离子有很强的螯合能力，生成 不溶的金属离子螯合物，并在几分钟内沉淀下来。n ，o 一羧甲基壳聚糖对水溶性染 料废水具有优良的脱色效果，并可与重金属和大分子有机阳离子络合反应生成沉 淀。o 一羧甲基壳聚糖除了具有上述两种羧甲基壳聚糖优异的溶解性能和金属离子 螯合能力外，氮原子上的孤对电子还可以最大限度的和若干种重金属离子形成配位 健，从而生成络合物沉淀下来【4 “。( 4 ) 成膜性。羧甲基壳聚糖成膜性好，膜光滑、 透明、柔韧且透气性好。( 5 ) 生物学特性。羧甲基壳聚糖能有效诱导细胞毒性巨噬 细胞，也能诱导嗜中性白细胞的积聚，并具有降血脂、降血糖的功效 4 6 】。此外，羧 甲基壳聚糖还具有良好的保湿性和安全无毒性。 1 3 - 2 2 羧甲基壳聚糖的应用 羧甲基壳聚糖较壳聚糖溶解性能大大改善，因此具有更广阔的应用范围，在制 药、水处理、日用品及造纸等方面均有重要用途。结合本文，重点介绍其在医药和 水处理方面的应用。 ( 1 ) 羧甲基壳聚糖在医学领域的应用 n 一羧甲基壳聚糖能防止组织间粘结性，可制成凝胶或膜用于恢复伤口【4 7 】；还 可用作多种酶固定化载体，将抗癌药物天门冬酰胺酶固定，有望治疗白血病h 8 1 。利 用羧甲基壳聚糖良好的金属离子络合能力，将其制成各种生物多糖型金属补剂如补 1 2 第一章文献综述 锌剂等，具有吸收好、刺激小的优点。羧甲基壳聚糖可作为免疫辅助剂，o 一羧甲 基壳聚糖具有诱导半抗原特异性抗体的免疫功能，低分子量n 一羧甲基壳聚糖的磺 化产物对h i v 1 和r l v 病毒具有抗回复活性一”。 ( 2 ) 羧甲基壳聚糖在水处理领域的应用 n 一羧甲基壳聚糖与c u ，a g ，h g 等重金属或有色金属螯合后形成不溶的金属 螯合物沉淀，极易分离，可作为重金属离子去除剂用于净化废水。与离子交换树脂 和活性炭相比，交联的n 一羧甲基壳聚糖可用于螯合低浓度过渡金属离子或高浓度 碱土金属离子并伴随有微量元素的情况。羧甲基壳聚糖具有优良的阻垢性能，是一 种应用价值极高的天然阻垢剂【4 9 。o 一羧甲基壳聚糖具有良好的絮凝性能，絮凝速 度远远快于壳聚糖，能有效处理印染废水。 从壳聚糖与羧甲基壳聚糖的研究和应用现况来看，大多数集中于研究阶段，已 投入工业化生产的产品种类并不多，今后应加大实际应用工作力度。另外，壳聚糖 及其衍生物在医药等高附加值领域的应用开发也应成为今后工作的重点。 1 4 x 射线光电子能谱分析 x 射线光电子能谱( x r a y p h o t o e l e c t r o ns p e c 廿o s c o p y ，简称x p s ) 是表面分析 能谱中获取信息最多的一种测试手段。它除了能进行元素定性和定量分析以及测定 该元素在物质中所处的化学价态外，最重要的是可以得到元素受周围其它元素影响 所产生的化学位移。所谓化学位移，是指原子内层电子的结合能由于该原予所处化 学环境的不同而产生的变化。根据电子云结构分析理论，化学键的形成伴随着电子 给体非键轨道到受体未占有轨道的电子电荷转移，从而产生相应原子电子结合能的 化学位移，即给体原子的电子结合能升高，受体原子的电子结合能降低。通过分析 原子的化学位移效应可以分析其所处的化学环境。x p s 已成为表面分析能谱中最有 力的手段，在物理学、化学、材料科学和表面科学领域应用广泛。 x p s 技术是研究天然高分子及其金属络合物的重要工具。以壳聚糖为例，大量 文献报道了采用x p s 技术分析壳聚糖对金属离子的吸附作用。n ic 等利用x p s 技 术研究了壳聚糖基吸附剂对a r 、a u 3 + 和p d 2 + 等金属离子的化学作用”。l a u r e t i td 等在用x p s 研究壳聚糖与c u ”、m 0 6 + 和c r 6 + 的化学作用时发现铜主要以吸附和沉 积的方式与壳聚糖作用，而钼和铬的吸附伴随着六价离子的还原【5 ”。苏英草等采用 第一章文献综述 x p s 并结合r 和e s r 技术分析得出壳聚糖与铜的配位数是4 1 5 丑。 进行x p s 分析时，由于光电子不断从表面发射出去，样品表面将出现“电子亏 空”。对于绝缘体样品而言，就会在其表面带上正电，产生所谓“荷电效应”。用于 校正这种“荷电效应”的方法有：应用污染c l s 峰法、蒸金法及中和电子枪法等。 其中以污染c l s 峰校正法最为常见。由于碳几乎存在于所有样品表面，c l s 谱线的 位置在2 8 5 0 电子伏，因此可将c l s 谱线的位置变化作为衡量荷电效应的量度，进 行荷电校正【5 3 1 。 光电子峰背景的扣除是一个十分复杂的问题，目前有三种常用方法：直线背景、 s h i r l e y 曲线背景和t o u g a a r d 背景法，其中直线背景扣除法简单、可操作性强且重复 性好【”j 。 x p s 测得的高分辨谱是多个谱峰重叠后的包和线，为了准确了解各元素化学状 态及其含量，必须对曲线进行分峰和拟合。常用于曲线拟合的函数有g a u s s i a n 函数、 l o r e n t z i a n 函数及二者以一定比例混合的函数，通过对谱峰数量、位置和最大半峰 宽等参数的反复迭代以获得较好的拟合结果。 1 5 论文研究工作的科学依据、内容与意义 微球作为一种新型控缓释给药体系，具有能保护药物免遭破坏、控制药物释 放速度、减少药物不良反应及降低用药量等优点，在药物释放领域受到极大关注。 微球制备方法和材料对药用微球粒径、收率和包封率等性能影响很大。生物降解高 分子材料因其具备无毒、无免疫活性及不在体内积累滞留等优点而受到重视。开发 性能优良的微球体系对于药剂学的发展具有重要意义。 微胶囊技术在医学和水处理等诸多领域具有良好的应用价值。囊膜厚度、表面 光滑程度、膜上孔隙大小、微胶囊粒径及分布情况均对其性能产生重要影响。使用 时应根据微胶囊的用途选择合适的制各材料和方法。目前，a p a 微胶囊和a c a 微 胶囊体系已在生物医学工程领域得到了广泛应用。开发新型微胶囊体系并拓宽其应 用领域具有重要意义。 壳聚糖来源广泛，具有良好的医学活性和金属离子富集性质，已广泛用作生物 微胶囊的制备材料。其衍生物羧甲基壳聚糖是一种性能优良的两性聚电解质材料， 因分子链上含有羧基而在适宜条件下可与壳聚糖形成稳定的囊膜结构，可以替代海 藻酸钠作为生物微胶囊的制备材料，同时具备良好的水溶性、抗菌性、螯合性、成 1 4 第一章文献综述 膜性和生物学特性，在医学和水处理等领域具有广阔的应用前景。丰富羧甲基壳聚 糖和壳聚糖的产品形式，对促进其应用具有重大意义。 基于上述考虑，论文从以下几个方面进行研究： 1 制备羧甲基壳聚糖离子络合微球，通过光学显微镜、s e m 、i r 、x 射线衍 射等多种技术对其进行表征。 2 研究微球的溶胀性能及其影响因素，采用d s c 技术研究微球内部水的存在 状态。研究微球对药物的释放性能，考察其影响因素，建立药物释放动力学模型。 3 制备羧甲基壳聚糖壳聚糖一羧甲基壳聚糖微胶囊( c c c ) ，通过多种技术 对其进行表征。