（材料学专业论文）水溶性低分子量壳聚糖及其壳聚糖磺酸盐衍生物的制备与研究.pdf

摘要 随着生物医用材料及各种人工器官、辅助装置、缓释降解载体、微囊的研究 成功和应用，高分子材料以其优良的机械性能和化学性能受到了广泛的关注。生 物医学高分子材料在直接或间接与人体接触时，必须要具有良好的生物或组织相 容性。制造人工心脏、人工血管、人工肾的辅助装置及各种与血液直接接触的导 管、膜、功能性支架等医用装置的生物医用材料必须具备优良的血液相容性，特 别是抗凝血性能。现在临床上应用最广泛的抗凝血剂是肝素，它具有抗凝、抗血 栓、抗炎、抗过敏、抗病毒和降血脂等多种生物功能，但它主要是由猪、羊等动 物的小肠粘膜及肝、肺经提取精制而成，价格昂贵，而且在临床应用时伴有出血、 血小板减少、骨质疏松等副作用，但到目前为止，尚无一种能够完全替代它的产 品。壳聚糖由于具有与肝素相类似的主链结构，并且资源丰富、价格低廉，有良 好的生物相容性，是制备类肝素物质的基础。 本文以壳聚糖为基础，对水溶性低分子量壳聚糖、壳聚糖磺酸盐等壳聚糖衍 生物的制备进行了探索性的基础研究。研究了水溶性低分子量壳聚糖对真菌的抑 菌杀菌性能，壳聚糖磺酸盐的血液相容性，壳聚糖膜交联度和膜的机械性能、溶 胀性的关系。 通过过氧化氢溶液对壳聚糖进行解聚，调节壳聚糖脱乙酰度、反应温度和 过氧化氢浓度可以得到不同分子量的水溶性良好的低分子量壳聚糖。水溶性的低 分子量壳聚糖不仅具有壳聚糖优良的生物相容性和其它特性，而且由于有着良好 的水溶性，扩大了壳聚糖的应用范围，使其具有某些新的独特性能，可抑制肿瘤 生长，降低肝脏和血清中的胆固醇，增强免疫力和抵抗疾病的能力。以脱乙酰度 为9 1 的壳聚糖为原料，过氧化氢浓度在1 0 m ，反应温度5 0 时反应4 h ，可得 到分子量在1 0 ，0 0 0 左右的水溶性壳聚糖。 本文对过氧化氢解聚壳聚糖的机理进行了详细的研究，发现解聚后得到的 水溶性低分子量壳聚糖，分子主链结构与高分子量壳聚糖相同，壳聚糖分子量的 减小是由于1 3 ( 1 4 ) 糖苷键的断裂造成。从f t - i r 、1 h - n m r 、x r d 分析结果推 断出了解聚的反应机理：过氧化氢裂解出具有高活性的羟基自由基h o ，弓i 起 了降解反应的发生。在壳聚糖晶区，降解过程遵循剥落机理，非晶区遵循穿透机 理。结晶壳聚糖的降解首先发生在壳聚糖表面，当外层降解到足以溶解在反应介 质中时，剥落进入溶液，然后壳聚糖的降解再以同样的方式继续。而非晶态壳聚 糖在降解过程中被反应介质快速穿透，生成水溶性壳聚糖。 现有研究对壳聚糖抑制真菌的能力少有研究，本文选择了六种常见农业真 菌，分别研究了不同分子量壳聚糖对它们抑菌杀菌性能的影响，以期能使壳聚糖 在生物农药开发和果蔬保鲜等研究领域中提供实验数据。研究发现，不同分子量 的壳聚糖对毛霉和黑根霉没有抗菌性能，这可能是与这两种真菌具有气生性特点 有关。面对青霉、番茄灰霉、甘菜黑斑及西瓜炭疽都有抗菌杀菌性能，并且壳聚 糖分子量越小，抗菌性能越显著，壳聚糖浓度的增大也可提高其抗菌性能。不同 分子量的壳聚糖最佳抗菌浓度都在1 0 m g m l 。壳聚糖溶液的p h 值在6 0 左右时， 有较高的抑菌性。分子量为8 0 0 0 的壳聚糖分子对番茄灰霉和黑根霉的杀菌效果 最显著。 壳聚糖磺酸盐是制各类肝素药物的基础，极有希望成为肝素的替代物，磺 酸基团在不同的位置可能对其抗凝血活性有影响。因此，本文设计了不同的反应 过程，使磺化取代反应定向地发生在壳聚糖不同的活性官能团上，分别得到6 o 壳聚糖磺酸盐、3 , 6 o 壳聚糖磺酸盐、n 壳聚糖磺酸盐和非定向壳聚糖磺酸盐。 f t - i r 、c p m a s1 3 c - n m r 分析结果表明，磺酸基团确实按设想定位取代在壳聚 糖链上。通过溶血实验和复钙实验，对壳聚糖磺酸盐对红细胞的破坏及对血浆蛋 白变异性两方面进行评价。结果表明，6 o 壳聚糖磺酸盐、3 ，6 o 壳聚糖磺酸 盐和非定位壳聚糖磺酸盐都具有较高的抗凝血活性，在与血液接触的过程中，对 红细胞破坏和引起纤维蛋白原沉淀作用都较小。n 壳聚糖磺酸盐由于含s 量较 小，水溶性较差，无法进行溶血和复钙实验，这和它的结构分析结果相一致。在 本实验中，6 o 壳聚糖磺酸盐对红细胞的破坏作用最小。壳聚糖磺酸盐的抗凝血 研究显示，壳聚糖磺酸盐有较强的抗凝血活性，可望作为肝素的一种新型替代产 品。 未交联的壳聚糖膜易溶于酸，机械强度差，需经过交联以提高性能。交联 的主要目的是使产物不溶解，甚至溶胀也很小，性质稳定，这对于它们被用作层 析的载体或作固定化酶载体十分重要。利用戊二醛作交联剂的壳聚糖膜的溶胀 性，结晶度和机械性能，随着戊二醛用量的改变会有所不同。通过对壳聚糖交联 膜进行x r d 定量分析发现，当戊二醛浓度在0 0 6 2 5 时，其膜的结晶度为 1 8 2 2 ，低于未交联时的2 6 9 l ，此时膜的溶胀性能上升，但机械强度有所下 降：随着戊二醛浓度的增加，膜的结晶度上升，溶胀度下降，机械性能提高，当 戊二醛浓度在2 5 时出现峰值，机械性能最好。当浓度大于2 5 时，膜的结晶 度再次下降，机械性能变弱。 关键词：壳聚糖，水溶性低分子量壳聚糖，抑菌性，交联，氢键，壳聚糖磺酸盐， 抗凝血性，生物医用高分子 i i a b s t r a c t b i o m e d i c a lm a t e r i a l sa n do t h e rm a n m a d eo r g a n s ，a s s i s t a n td e v i c e s ，d r u gr e l e a s e c a r r i e r sa n dm i c r o e n c a p s u l a t i o nh a v eb e e nu s e di nc l i n i c a ls u c c e s s f u l l y p o l y m e rh a s b e e nt h em a i nt r e n db e c a u s eo fi t s g o o d m e c h a n i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e s e s p e c i a l l yt h eb i o m e d i c a lp o l y m e rt h a tc o n t a c lw i t hb o d yd i r e c t l ya n di n d i r e c t l y s h o u l dh a v eg o o db i o c o m p a t i b i l i t ya n db l o o dc o m p a t i b i l i t y t h em a t e r i a l su s e di nt h e a s s i s t a n td e v i c e si nm a n - m a d eh e a r t s ，m a n m a d ev e s s e l s ，m a n m a d ek i d n e y sa n d o t h e rm e d i c a le q u i p m e n t ss h o u l dh a v e g o o db l o o dc o m p a t i b i l i t y , e s p e c i a l l yt h e a n t i c o a g u l a n t h e p a r i ni sa na n t i c o a g u l a n tw i d e l yu s e di nc l i n i c a l ，w h i c hh a sg o o d p r o p e r t i e ss u c ha sa n t i c o a g u l a n t ，a n t i t h r o m b o t i c ，a n t i a n a p h y l a x i s ，a n t i v i r a la n dd o w n b l o o d f a t b u th e p a r i ni sm a i n l yr e f i n e df r o mt h em u c o u s ，l i v e ra n dl u n go fp i g sa n d c o a t s i t sp r i c ei sv e r yh i g h m o r e o v e r , h e p a r i nh a ss o m eb y - r e a c t i o ni nc l i n i c a l ，f o r e x a m p l e ，b l o o d y , r e d u c et h en u m b e ro fp l a t e l e t s b u tu pt on o w , n oo t h e rp r o d u c t c a l l r e p l a c e i t c h i t o s a ni s a c h e a p o c e a nr e s o u r c e s i n c ec h i t o s a nh a sg o o d b i o e o m p a t i b i l i t ya n di t ss t r u c t u r eo fm a i nc h a i ni ss i m i l a rt ot h a to fh e p a r i n ，i tc a l lb e t h eb a s i so fh e p a r i n l i k em a t e r i a l s i nt h i sa r t i c l a , w eh a v ef i n i s h e dt h ee x p l o r i n gs t u d i e so nt h es y n t h e s i so f w a t e r - s o l u b l el o wm o l e c u l a rc h i t o s a na n dc h i t o s a ns u l f a t eo nt h eb a s i so fc h i t o s a n 劢er e s e a r c hi n c l u d e st h eb a c t e r i o s t a t i ce f f e c to fc h i t o s a nw i t hd i f f e r e n tm o l e c u l a r w e i g h t ，t h eb l o o dc o m p a t i b i l i t yo fc h i t o s a ns u l f a t e sa n dt h ep e r f o r m a n c eo fc h i t o s a n f i l m sc r o s s l i n k e db yt h eg l u t a r a l h y d e i n t h ed e p o l y m e r i z a t i o no fc h i t o s a nb yh y d r o g e np e r o x i d e ，t h ew a t e r - s o l u b l e c h i t o s a n 、衍t i ld e s i r e dm o l e c u l a rc a nb eg o tb ya d ju s t i n gs o m er e a c t i o nf a c t o r s ，s u c h 勰 t h ed e g r e eo fd e a c e t y l a t i o no fc h i t o s a n , t h er e a c t i o nt e m p e r a t u r e ，a n dt h ec o n c e n t r a t i o n o fh y d r o g e np e r o x i d e 刀 ew a t e r - s o l u b l ec h i t o s a nn o to n l yh a sb i o c o m p a t i b i l i t ya n d o t h e rg o o dp r o p e r t i e so fc h i t o s a n ，b u ta l s oh a ss o m es p e c i a lc h a r a c t e r s s i n c ei ti s s o l u b l ei nw a t e re a s i l y , i tb r o a d e n i n gt h ea p p l i c a t i o nf i e l d so fc h i t o s a n i tc a l li n h i b i t t h eg r o w t ho ft u m o r , r e d u c et h ec h o l e s t e r i no fl i v e ra n ds e r u r n ，e n h a n c et h ei m m u n i t y w h e nt h ed e g r e eo fd e a c e t y l a f i o no fc h i t o s a ni s91 ，t h ec o n c e n t r a t i o no fh y d r o g e n p e r o x i d ei s1 o m ，t h er e a c t o nt e m p e r a t u r ei s5 0 ，w ec a ng o tt h ew a t e r - s o l u b l e c h i t o s a n 、撕t l lm o l e c u l a rw e i g h t10 0 0 0i n4 h i nt h i sa r t i c l e w eh a v es t u d i e dt h em e c h a n i c so ft 1 1 ed e p o l y m e r i z a t i o no f c h i t o s a nb yh y d r o g e np e r o x i d ei 1 1d e t a i l w ef o u n dt h es t r u c t u r eo ft h ew a t e r - s o l u b l e c h i t o s a nw i t hl o wm o l e c u l a ri ss i m i l a rt ot h a to ft h eo r i g i n a lc h i t o s a n t h eb r e a k a g eo f i i i l ，4 一p d - g l u c o s i d eb o n d si np o l y s a c c h a r i d ec h a i nl e a d st o t h ed e c r e a s eo fc h i t o s a n m o l e c u l a rw e i g h t t h ei ra n d1h - n m rs p e c t r u m ，a n dx - r a yd i f f r a c t i o na n a l y s i s s h o w st h eh i g hr e a c t i v eh y d r o x y lr a d i c a li sd e c o m p o s e df r o mh y d r o g e np e r o x i d e i ti s p r o p o s e dt h a ti nt h ec r y s t a lr e g i o n so fc h i t o s a n ，t h ed e p o l y m e r i z a t i o no c c u r r e db ya p e e l i n g o f fp a t t e r nw h i l ei nt h ea m o r p h o u sr e g i o n s ，i ti s o c c u r r e db yp e n e t r a t i n g p a t t e r n u pt on o wt h e r ea r ef e wr e s e a r c hi n t h eb a c t e r i o s t a t i ce f f e c to fc h i t o s a nf o r m i l d e w s i nt h i sa r t i c l e ，w eh a v es t u d i e dt h e b a c t e r i o s t a t i ce f f e c to fc h i t o s a nw i t h d i f f e r e n tm o l e c u l a rw e i g h tf o r6a g r i c u l t u r a lm i l d e w s i nt h i sw a y , w eh a v eg o ts o m e r e s e a r c hd a t ai nt h ea g r i c u l t u r a lc h e m i s t sa n da n t i s t a l i n ga g e n t s t h ed a t as h o wt h a t c h i t o s a nh a sn ob a c t e r i o s t a t i ce f f e c tf o rm u c o r , w h i c hi sr e l a t e dt ot h ep r o p e r t i e so f m u c o lc h i t o s a n 、析md i f f e r e n tm o l e c u l a rw e i g h th a v eb a c t e r i o s t a t i ce f f e c tf o r p e n i c i l l i u mi t a l i c u m s ，b o t r y t i sb r a s s i c a e ，a l t e m a r i ab a s s i c a e ，a n dc 1 a g e n a r i u m s w h e nt h em o l e c u l a rw e i g h to fc h i t o s a ni sl o w , i t sb a c t e r i o s t a t i ce f f e c ti sh i 曲 c h i t o s a n 淅t l l1 1 i g hc o n c e n t r a t i o na l s oh a ss t r o n gb a c t e r i o s t a t i ce f f e c t t h eb e s t c o n c e n t r a t i o no fc h i t o s a ni s10 m g m 1 w h e nt h ep hv a l u eo ft h es o l u t i o ni s6 0 ，t h e b a c t e r i o s t a t i ce f f e c ti sa l s oh i g h t h ec h i t o s a nw i t hm o l e c u l a rw e i g h t8 0 0 0h a v eg o o d b a c t e r i o c i d i ne f f e c tf o rb o t r y t i sb r a s s i c a ea n dc 1 a g e n a r i u m s t h ec h i t o s a nf i l mi ss o l u b l ei na c i de a s i l y c r o s s l i n k a g ec a ni m p r o v et h e m e c h a n i c a lp r o p e r t yo fc h i t o s a n t h ec r o s s l i n k e dc h i t o s a nf i l mh a sg o o ds t a b i l i t ya n d s w e l l i n gd e g r e e t h ed e g r e eo fs w e l l i n g ，c r y s t a l l i n i t y , a n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o fc h i t o s a nf i l m sc r o s s l i n k e db yg l u t a r a l d e h y d ei sd i f f e r e n t 、析t ht h ec h a n g eo fd o s a g e o fg l u t a r a l d e h y d e t h ex r a yd i f f r a c t i o nq u a n t a t i v e l ys h o w st h a tt h ec r y s t a l l i n i t yo f c h i t o s a nf i l mi sl8 2 2 w h e nt h ec o n c e n t r a t i o no fg l u t a r a l d e h y d ei so 0 6 2 5 ，l o w e r t h a n2 6 91 o fu n c r o s s l i n k e df i l m a tt h i st i m e ，t h ed e g r e eo fs w e l l i n go ff i l mi sh i g h b u ti t sm e c h a n i c a lp r o p e r t yh a ss o m e w h a tw e a k e n w i t ht h ei n c r e a s eo fd o s a g eo f g l u t a r a l d e h y d e ，t h ec r y s t a u i n i t yo ft h ef i l mi n c r e a s e s ，t h ed e g r e eo fs w e l l i n gf a l l s d o w n ，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e si n c r e a s e s w h e nt h ec o n c e n t r a t i o no fg l u t a r a l d e h y d e i s2 5 ，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo ft h ef i l mi sb e s t i n0 1 1 1 e x p e r i m e n t w h e nt h e c o n c e n t r a t i o no fg l u t a r a l d e h y d ei so v e r2 5 ，t h ec r y s t a l l i n i t yd r o p sa g a i na n dt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e a k e n e d t h ec h i t o s a ns u l f a t ei st h eb a s i so fs y n t h e s i so fh e p a r i n 1 i k em a t e r i a l s t h e c h i t o s a ns u l f a t e sh a v ed i f f e r e n ta n t i c o a g u l a n t sw h e nt h es u l f a t eg r o u p si nd i f f e r e n t p o s i t i o n so fc h i t o s a n s o ，w ed e s i g n e dd i f f e r e n tr e a c t i o nr o u t et og e td i f f e r e n tc h i t o s a n s u l f a t e ，s u c ha s6 0 c h i t o s a ns u l f a t e ，3 , 6 o - c h i t o s a ns u l f a t e ，n c h i t o s a ns u l f a t e ， c h i t o s a ns u l f a t e f t - i t lc p 眦s c - n m ra n a l y s i ss h o w st h a tt h es u l f a t eg r o u pi s s u b s t i t u t e di 1 1d e s i r e dp o s i t i o no fc h i t o s a n t h eh e m o l y s i sa n dr nr e s e a r c hs h o w s i v t l l a t6 o c h i t o s a ns u l f a t e ，3 , 6 o c h i t o s a ns u l f a t ea n dc h i t o s a ns u l f a t eh a v eg o o d a n t i c o a g u l a n t i nt h ec o n t a c to fb l o o d ，t h e yh a v ef e wb r e a k a g ef o re r y t h o c y t ea n df e w d e p o s i t i o nf o rf i b r i n o g e n s i n c et h es o l u b i l i t yo fn - c h i t o s a ns u l f a t ei sn o tg o o d ，i th a s f e wa n t i c o a g u l a n t s ，w h i c hi sc o n f o r m e dt oi t ss t r u c t u r ea n a l y s i s t h ea n t i c o a g u l a n to f 6 一o - c h i t o s a ns u l f a t ei sb e s ti no u rr e s e a r c h t h ec h i t o s a ns u l f a t e sh a v e g o o d a n t i c o a g u l a n t ，w h i c hc a nb ee x p e c t e dt oan e wh e p a r i n l i k em a t e r i a l k e y w o r d s ：c h i t o s a n ，l w c s ，b a c t e r i o s t a t i ce f f e c t ，c r o s s l i n k ，h y d r o g e nb o n d s ， s u l f a t e ，a n t i c o a g u l a n t ，b i o m e d i c a lp o l y m e r 上海交通大学上海父逋大罕 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 叼参 1 日期伊垆年 ，日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印) 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 f 保密d ，在兰年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“) 。 学位论文作者签名：瓴磷 日期： 年易局y 日 l 指导教师签名：醐乞整 日期：加乒年6 月3 日 上海交通大学博士论文 第一章绪论 1 1 生物医学高分子材料的发展与应用 生物医学材料，是和生物系统相互作用，用以诊断、治疗修复或替换机体中 的组织、器官或增进其功能的材料，它与人类生命和健康密切相关，对人体组织、 血液不产生不良反应【lj 。某些高分子材料与生物体有极相似的化学结构，可满足 医学对生物材料性能提出的多功能性要求【2 1 。因此，生物医学高分子材料是生物 医学材料中发展最早、应用最广泛、用量最大的材料。 自2 0 世纪3 0 年代人们首次使用合成高分子材料赛璐珞膜作为透析膜制 成人工肾应用于临床获得成功以来，高分子材料正在逐步替代无机材料，如金属 ( 或合金) 、玻璃、陶瓷等用于制备医疗器械。这是因为：1 ) 高分子材料具有良 好的物理机械性能和化学稳定性，比较适合在医疗领域使用；2 ) 高分子材料来 源丰富、价格低廉，适合制成一次性医疗用品，避免了传统材料制品因价格高昂 而不得不多次使用导致的消毒和交叉感染：3 ) 高分子材料可较容易改性得到组 织相容性、血液相容性良好的制品：4 ) 高分子材料加工方便，制作成本低廉， 适合多种成型方式，便于加工成复杂的形状和开发新型医疗产品。目前生物医学 高分子材料正在以1 0 1 2 的年均增长率持续增长p j 。 生物医学高分子材料及其制品大都直接或间接与人体接触，除了各种理化性 质要求外，生物医学材料必须具有良好的生物或组织相容性。目前，临床应用对 生物医学高分子材料的特殊和基本要求如下： 1 ) 材料无毒，不致癌，不致畸，不引起人体细胞的突变和不良组织反应； 2 ) 与人体生物相容性好，不引起中毒、溶血、凝血、发炎和过敏等现象： 3 ) 具有与天然组织相适应的力学性能： 4 ) 针对不同使用目的而具有特定的功能。 生物医学高分子材料与血液直接接触时，血液和材料之间将产生一系列生物 反应【4 。这些反应表现为，材料表面出现血浆蛋白被吸附，血小板粘附聚集、变 形，凝血系统、纤溶系统被激活，最终形成血栓。通常情况下，材料表面在与血 液接触的数秒内，首先被吸附的是血浆蛋白( 白蛋白、丫球蛋白、纤维蛋白原等) ， 接着发生血小板粘附、聚集被激活，同时一系列凝血因子被激活，参与材料表面 的血栓形成，血管内形成血栓将引起机体致命性后果。因此，要求制造人工心脏、 人工血管、人工肾的辅助装置及各种与血液直接接触的导管、膜、功能性支架等 医用装置的生物医用材料必须具备优良的血液相容性，特别是抗凝血性能。 上海交通大学博士论文 1 2 肝素的研究与应用 在深入研究了高分子材料与抗凝血性能的关系后，许多学者提出了多种血液 相容性高分子材料的表面假说 5 - 1 0 l ，如l y m a n 等认为减少表面能可提供更好的血 液相容性p j ；k e o g h 等人认为吸附或固定白蛋白可导致血栓形成减少【6 】；l e n i g e r 、 f a l b 、g o t 等出现肝素表面化的高分子材料有较好的抗凝血性能，局部的肝素释 放可减少凝血【7 - 9 1 。在这些假说的基础上，大家采用物理、化学、生物化学等措 施，提出了各种分子设计，希望能得到一种高分子材料，能够抑制血液凝固过程。 在这种思路的指导下，许多研究者提出了以血小板聚集抑制剂、血纤维蛋白溶酶 原激活剂、或肝素这些天然凝血抑制剂的结合为基础的高分子表面处理方法制备 具有活性药物表面的高分子材料。正在研究的抗凝血剂有：肝素、白蛋白、前列 腺素( p g ) 、尿激酶等【l 卜1 4 j ，其中尤以肝素在临床中获得广泛应用。 1 2 1 肝素及低分子肝素的结构及应用 肝素是一簇酸性多糖化合物的统称，由己糖醛酸( l 艾杜糖醛酸、葡萄糖醛 酸) 与硫酸氨基葡萄糖分子以一定的比例交替联结而成，分子量约3 0 0 0 - 3 7 5 0 0 ， 结构单元为： c 0 0 1 tc m0 s 0 1 h c 0 0 1 f 吨o s o 。碑翟，l l f s o 圹0 t 。_ l l 。 1 h 。 ，m 娟 图1 1 肝素的结构式 f i g 1 1s t r u c t u r eo fh e p a r i n 肝素作为一种重要的生化试剂，用于临床已近七十年，具有抗凝、抗血栓、 抗炎、抗过敏、抗病毒和降血脂等多种生物功能，同时也是一种防治深部静脉血 栓、肺栓塞或其它血栓的有效药物f 巧j 刀。但它主要是由猪、羊等动物的小肠粘膜 及肝、肺经提取精制而成，价格昂贵，而且在临床应用时伴有出血、血小板减少、 骨质疏松等副作用，有时甚至可引起致死性颅内出血，据报道出血率高达3 5 【1 8 1 o c o o p e r 等人研究认为肝素分子链上带负电荷的硫酸根和氨基硫酸根基团可 能对抗凝血性有作用【1 9 1 。在合成的高分子材料中引入类似的负离子其团往往也 能改善这些材料的生物性能。近年来研究发现，在常用的生物材料聚乙烯醇 ( p v a ) 、聚酯( p e t ) 、聚醚氨酯( p e u ) 的表面引入磺酸基，磺化后材料的抗 凝血性能都有不同程度提高，表现出肝素化性质，但磺化度不如肝素高l j 。 低分子肝素是指分离普通肝素时得到的一些组分，或裂解后产生的片段，这 类物质分子量低，其范围一般为4 0 0 0 7 0 0 0 ，结构也比较单一，是由葡糖胺、d - 2 上海交通大学博士论文 葡糖胺与糖醛酸( 葡糖醛酸或艾杜醛酸) 的交替残基链组成多聚糖【2 5 1 ，不同的 处理方法和条件制备出的低分子肝素的分子量和理化性质也不相同，它们两者所 治疗的病症差不多，但是低分子肝素具有分子量小、易被吸收、生物利用度高、 体内半衰期长和不易发生出血等副作用，因而引起了人们极大的兴趣，特别是 1 9 7 6 年，j o h n s o n 等( z 6 】发现当皮下注射低分子量肝素时，在体内抗活性x 因子( f a x ) 的作用要比普通肝素强得多，从此，低分子肝素的开发与研究越来越被重视，成 为国内外肝素研究的热点。一 近十年来的研究证明，低分子肝素作为一类很有前途的抗血栓药物，它在预 防和治疗静脉血栓栓塞方面极为安全有效，并且对不稳定型心绞痛或急性血栓性 中风疗效良好，具有作用专一、应用方便、副作用小等临床优点1 2 7 - 2 9 。8 项研究 证实，对深部静脉血栓病人，低分子肝素抑制血栓体积增大的作用优于肝素，低 分子肝素血栓体积缩小者占6 4 ，而肝素只为5 0 。低分子肝素还成功用于尿 毒症病人的血液透析和过滤，优点是半衰期长，一次给药可维持透析4 小时，减 少了用药次数，而肝素则需要每小时补充一次。h e n r y 等【) o j 用低分子肝素 o r g 1 0 1 7 2 作为抗凝剂为具有出血并发症的患者进行血液透析，一次性给药， 可维持透析1 8 0 2 4 0 m i n ，血小板及纤维蛋白原含量没有改变，并没有出血现象： 此外，肝素还可用于妊娠期髋骨静脉血栓形成，复发性静脉血栓形成，肺动脉栓 塞等症状【3 ，但据报道肝素可导致孕妇免疫性血小板减少和骨质脱钙，增加产 妇分娩时出血，尤其是产道撕裂的危险性，然而，采用低分子肝素来治疗，对孕 妇安全有效p 2 1 。 低分子量肝素通常以肝素为原料，经物理分离法或化学裂解法制得【3 2 - 3 7 1 。物 理方法包括有：有机溶剂沉淀、凝胶沉析、亲和沉析、离子交换沉析和超滤。物 理分离法制备的低分子肝素多用于结构测定及生物活性的研究，但不适合大批量 的生产。因此，商品用低分子量肝素通常由化学解聚法制得。 1 2 2 肝素化聚合物在生物医学领域的应用 随着高分子科学的发展，大量聚合物作为生物医学材料进入临床。肝素化聚 合物作为一种新型医用材料已成为研究的热门课题，不断取得新的进展，展现出 广阔的实用前景。以嵌段聚合氨酯脲为代表的医用聚合物，商品名为b i o m e r ， 已作为基础材料用于制造人造器官，如人造心脏和血管。其缺点是血液相容性不 理想，还引起血小板粘附和血栓形成的不良作用。由于肝素具有抗凝血等生物活 性，有助于改善聚合物性能，因此肝素化聚合物的开发受到重视【) 引，大量用于 临床的心脏外手术、肝移植、冠状动脉搭桥术等。 1 ) 体外循环( c p b ) 用品【”圳】 肝素涂抹c p b 用品是发展最成熟的肝素涂抹材料，已广泛应用于临床，如 c p b 的管道、氧合器、过滤器、储血器、插管等。凡与血液接触的材料表面均 ：海交通人学博士论文 有经肝素涂抹的产品。 美国医学会的研究报告表明，使用肝素涂抹用品，可有效减少氧合器异常压 力阶差的发生，增加手术的安全性；减少围术器炎性反应，改善组织相容性，保 护常规冠状动脉搭桥术术后的凝血机制，减轻冠状动脉搭桥术患者术后认知能力 的损害；对d , j lc p b 手术后各种并发症、血栓形成和大量失血等症状有显著改 善，大大减少了术后感染。 2 ) 主动脉球囊反搏( i a b p ) 4 2 - 4 3 】 1 9 9 8 年m u l l e r 等研究发现，使用肝素涂抹的i a b p 有希望免除在i a b p 退出 时所需的肝素化，降低非常可怕的i a b p 出血并发症，尤其是对有全身肝素禁忌 的患者更为有效。 3 ) 人造血管【4 4 舶】 w a l p o t h 等研究显示使用肝素涂抹的人造血管能显著降低人造血管桥吻合处 的血栓发生，但对内膜增生没有显著影响。 4 ) 肝素透皮控释制剂【4 7 4 9 】 近年来，普遍认为透皮控释给药是新的有效给药途径之一。1 9 7 6 年s c h a e f f e r 等已证明，分子量高达1 7 0 0 0 的肝素能穿透完整的角质层而被吸收，以往肝素透 皮吸收多以软膏剂型进行，目前已转向以聚合物骨架制备透皮、贴皮等透皮给药 系统。研究表明，肝素可被多种方法引入聚合物，结合后的肝素生物活性未受影 响，且能释放而被皮肤吸收，发挥局部和全身治疗作用。 1 3 壳聚糖及其衍生物的发展与应用 甲壳素是一种天然高分子化合物，在存在的天然有机化合物中，数量仅次于 纤维素，自然界每年生物合成的甲壳素将近1 0 0 亿吨，它也是地球上数量最大的 含氮有机化合物，其次才是蛋白质。甲壳素在自然界的存在，大体可归纳为节肢 动物、软体动物、环节动物、原生动物、腔肠动物、海藻、真菌等。壳聚糖( 结 构式如图1 3 ) 磺酸盐是壳聚糖与磺化试剂反应得到的产物，结构与肝素类似， 也具有一定的抗凝血性和降血酯的活性，价格低廉【5 m ”j 。因此，壳聚糖磺酸盐是 制各类肝素药物的基础，极有希望成为肝素的替代物，并且价格低廉，所以近年 来对它们的研究颇多。 1 3 1 壳聚糖的结构特点 b o u t i g a n d 5 2 1 研究证实，甲壳素和壳聚糖具有复杂的双螺旋结构，见图1 2 ， 螺距为0 5 1 5 n m ，一个螺旋平面由6 个糖残基组成。 4 上海交通大学博士论文 ，图1 2 糖类的双螺旋结构( 虚线表示氢键) f i g 1 2t h ed o u b l e h e l i xs t r u c t u r eo f p o l y s a c c h a r i d 与大多数天然多糖的结构单元都是二糖一样，甲壳素的结构单元也是甲壳二 糖，壳聚糖的结构单元是壳二糖，图1 3 中大括号内表示的就是二糖结构单元。 在甲壳素酶自然降解甲壳素时，最后产物是甲壳二糖而不是n 。乙酰氨基葡萄糖； 在壳聚糖酶自然降解壳聚糖时，最后产物是壳二糖而不是氨基葡萄糖。 图1 3 甲壳素和壳聚糖的重复单元。甲壳素主要由n 单元组成，壳聚糖主要由 m 单元组成 f i g1 3 r e p e a tr e s i d u e sf o rc h i t i na n dc h i t o s a n c h i t i ni sc o m p o s e dp r e d o m i n a n t l y o fnu n i t s c h i t o s a ni sc o m p o s e dp r e d o m i n a n t l yo fmu n i t s ， 壳聚糖大分子链上分布着许多羟基、氨基，还有一些n 乙酰氨基，它们会 形成各种分子内和分子间的氢键，因为这些氢键存在，形成了壳聚糖大分子的二 级结构睁孓”l 。图1 4 表示的是壳聚糖的一个氨基葡萄糖残基( 以椅式结构表示) ， 其c 3 o h 与相邻的糖苷基( o ) 形成了一种分子内氢键。另一种分子内氢键是 由一个糖残基的c 3 - o h 与同一条分子链相邻一个糖残基的呋喃环上氧原子形成 的，见图1 4 。 图1 4 壳聚糖分子内氢键 f i g 1 4t h ei n t m m o l o c u l a rh y d r o g e nb o n d si nc h i t o s a n 5 上海交通大学博士论文 氨基葡萄糖残基的c 3 o h 也可以与相邻的另一条壳聚糖分子链的糖苷基形 成一种分子间氢键，见图1 5 - a 。氨基葡萄糖残基的c 3 o h 也可以与相邻的另一 条壳聚糖分子链的一个糖残基呋喃环上的氧