（制糖工程专业论文）抗消化淀粉超分子体系及结肠靶向释药性能.pdf

c l a s s i f i c a t i o nn o q 鱼圣鱼：! ；b 里垒垒：窆iy n i v e r s i t yc o d e ： u d c c o n f i d e n t i a l i t yp r i v a c ys t u d e n tn o ： 1 0 5 6 1 2 0 013 9 0 35 2 0 0 0 0 4 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt os o u t hc h i n au n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y a sar e q u i r e m e n tf o ra d m i s s i o nt ot h ed e g r e eo fd o c t o rp h i l o s o p h y r e s i s t a n ts t a r c hs u p e r m o l e c u l a rs y s t e m a n dt h e p r o p e r t yo fc o l o n - - t a r g e t i n g d r u gr e l e a s e 木 l ix i a o x i s u p e r v i s o r ： q ：l il i nq ：q 丛qsi y 坠垒堕 q ! ! 曼g 曼q e q q 鱼鱼旦i q ! q g i 量丛! 星堕g i 堕曼曼d n g d e g r e el e v e l ： h ：立s p e c i a l t y ： s 坠g 垒星n g i n 星曼i n g 一 s u b m i s s i o nd a t e ：2 0 0 4 5 d a t eo fd e b a t e ：2 0 0 4 6 u n i v e r s i t ya n dd a t eo fc o n f e r r i n g ：q 坠! h h i n 垒型n i y 曼曼i yq ! 垒堡b 堕q ! q g y c h a i r m a no fd e f e n c ec o m m i t t e e ：q ：l i 垒n gs h i 圣h q 堕g r e f e r e e s ： f i n a n c i a l l ys u p p o r t e db yn a t i o n a l n a t u r a ls c i e n c ef u n d ( 2 0 3 7 6 0 2 7 ) a n d n a t u r a ls c i e n c ef u n do fg u a n g d o n gp r o v n c e ( 313 5 0 ) 的 舢9m 4m 1 8舢1胂y 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进 行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。 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后果由本人承担。 作者签名：刁睡至日期：砌年f 月b 日 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。本人授权华南理工大学可以将 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。 保密凹，在土年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名： 南劝 断以 日期：土叩乒年厂月幻日 日期：工两妒年6 月弓6e l 摘要 摘要 药物制剂的研究开发已经从简单的片剂、胶囊及注射剂等传统剂型进入新型 的药物缓、控制剂释放系统。为了实现多肽蛋白质类药物口服途径给药及日趋增 长的结肠疾病的治疗更加安全有效，口服结肠靶向给药系统的开发研究越来越引 起广泛关注。由此而引起的研制和开发适合的新型载体材料，建立新的给药体系 已成为当前制药业的迫切任务。因此，开发具有结肠靶向释药性能的淀粉基生物 载体材料即符合现代药物释药系统的发展趋势，也能拓宽淀粉在医药领域的应用， 具有重大的理论意义和经济价值。 本研究首先针对限制淀粉载体在口服结肠靶向给药系统中应用的消化性能这 一关键问题，通过对淀粉分子结构进行物理重组和化学修饰，从分子水平上对淀 粉的消化性能进行调控，构建了不同结构特征的抗消化淀粉体系，赋予淀粉不能 被人体上消化道中的酸和酶降解但能够被结肠中的微生物降解的特性。研究表明， 通过淀粉分子重聚集等物理重组手段改变淀粉分子的聚集态结构，可以有效提高 淀粉的抗消化性能；采用侧基化和网络化等化学修饰方法，在淀粉分子中引入亲 水、疏水基团或网络结构，在较高修饰程度时均表现出极高的抗消化能力；利用 高温加压方式直接促进淀粉颗粒有序化也能显著提高淀粉的抗消化性能，这是一 种制备抗消化淀粉的新技术。 利用现代分析手段对抗消化淀粉的颗粒性质、分子的聚集态结构和链结构进 行了考察，探讨了抗消化淀粉超分子结构特征与其抗消化性能之间的内在关系。 结果表明，不同的物理重组和化学修饰使抗消化淀粉的颗粒形貌间存在差异；除 颗粒有序化构建的抗消化淀粉的偏光十字仍然保持与原淀粉相似外，其它方法构 建的抗消化淀粉随着抗消化性能的提高偏光十字逐渐减弱，甚至出现消失的现象。 抗消化淀粉能形成致密的薄膜，表明具有良好的成膜性能。经x 射线衍射研究发 现抗消化淀粉的结晶形态与构建方法密切相关，自组织和颗粒有序化构建的抗消 化淀粉的结晶结构为b 、v 混合型，物理重组构建的抗消化淀粉成膜后表现为b 型结晶结构，化学修饰构建的抗消化淀粉颗粒及薄膜均呈现v 型结晶结构。 由1 3 cc p m a s 固体核磁共振谱图显示，经物理重组构建的抗消化淀粉的抗 消化性能受自身链结构的远程构象影响，分子中有序化的螺旋构象制约着抗消化 性能。化学修饰得到的抗消化淀粉的抗消化性能主要决定于分子中化学基团的引 入量和网络化程度，所形成的空间位阻是抵御淀粉酶降解淀粉分子的关键因素。 此外，通过差示扫描量热技术和动态热机械性能测定技术研究发现，随着抗消化 性能的提高，抗消化淀粉分子受热发生相转变时的相应焓值均降低，而侧基化抗 消化淀粉的相变温度向低温方向移动，物理重组和网络化的抗消化淀粉的相变温 华南理工大学工学博士学位论文 均向高温方向转变。在一定温度范围内对抗消化淀粉薄膜施加动态应力，发现 模量和力学损耗因子在3 5 4 0 范围内出现突变，抗消化淀粉分子发生0 【松弛， 有利于抗消化淀粉在结肠环境下被微生物作用。 通过对抗消化淀粉载体材料的生物降解性能研究，考察了抗消化淀粉载体的 肠靶向降解性能。由体外模拟试验发现，抗消化淀粉颗粒及薄膜具有良好的口 结肠靶向性和释药性。本研究所采用的物理重组和化学修饰手段都能不同程度 提高淀粉分子的结肠靶向性，在保证结肠靶向的前提下，通过调节物理重组和 学修饰程度可以控制抗消化淀粉被结肠微生物降解的速度和程度，以适应不同 物的释药要求。 最后，在对抗消化淀粉载体材料性能深入研究的基础上，通过薄膜包衣技术， 立了5 一a s a 和b s a 为模型药物的口服抗消化淀粉薄膜包衣片剂，经体外模拟 放实验发现给药体系具有良好的结肠靶向释药特性，淀粉抗消化性能、增塑剂 量及包衣厚度是影响药物结肠靶向释药特性的主要因素。通过对释药机理研究， 示了抗消化淀粉薄膜包衣片剂主要是由结肠微生物降解作用控制的无孔薄膜扩 向微孔薄膜扩散动态转变的释药机制，其释药规律符合l o g i s t i c 分布。 这些研究结果将为今后进一步开展淀粉基消化道定位释药系统研究奠定基 ，为抗消化淀粉作为药物特别是生物大分子药物的载体提供了理论依据和基础 据，为多肽蛋白质类生物大分子药物实现口服途径给药提供了新的有效途经， 为淀粉深加工及抗消化淀粉应用开辟了新的领域。 键词：抗消化淀粉；口服结肠靶向给药；物理重组：化学修饰；薄膜包衣 一一 a b s t r a c t a bs t r a c t t h er e s e a r c ho nd r u gf o r m u l a t i o n sh a sd e v e l o p e df r o mt r a d i t i o n a lf o r m u l a t i o n s s u c ha st a b l e t s ，c a p s u l e sa n di n j e c t i o n st on e ws u s t a i n e do rc o n t r o l l e dr e l e a s ed r u g d e l i v e r ys y s t e m ，a l t h o u g hc o n v e n t i o n a ld o s a g ef o r m sa st a b l e t ，c a p s u l e ，i n j e c t i o n ，e t c s t i l la c c o u n tf o rm o s to fc u r r e n tp h a r m a c e u t i c a lc o m m e r c i a lm a r k e t w i t ht h e i n c r e a s i n gr e q u i r e m e n t s f o ro r a ld e l i v e r yo fp e p t i d e p r o t e i nd r u g sa n de f f e c t i v e t h e r a p yo ft h ec o l o nr e l a t e d d i s e a s e s ，o r a lc o l o n t a r g e t i n gd r u gd e l i v e r ys y s t e m b e c o m e sp r o m i s i n g t h e r e f o r e ，i ti s n e c e s s a r ya n du r g e n tt od e v e l o pn o v e lc a r r i e r s a n de s t a b l i s hn e wd r u gd e l i v e r ys y s t e mi nt h ef i e l do fp h a r m a c y s t a r c hi sap o t e n t i a l c a r r i e rf o r d r u gc o n t r o l l e d r e l e a s es y s t e ma n dc a nc o m p e t ew i t ho t h e rp o l y m e r i c c a r r i e r s ，w i t hi t se x c e l l e n tt h e r m a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，r e l a t i v ec h e a pc o s ta n d r e l i a b l eh e a l t hs a f e t y o b v i o u s l y ，i ti ss i g n i f i c a n tt oe x p l o i ts t a r c hs o u r c ei nm e d i c a l i n d u s t r yw h i c ha g r e ew i t ht h ed e v e l o pt e n d e n c yo fm o d e r nd r u gr e l e a s es y s t e m i tc a n a l s ob r o a d e nt h ea p p l i c a t i o no fs t a r c hi nm e d i c a lf i e l d i nc o n s i d e r a t i o no ft h ed i g e s t i b i l i t yo fr a ws t a r c hw h i c hr e s t r i c t si t sa p p l i c a t i o n a sac a r r i e r ，p h y s i c a lr e c o m b i n a t i o na n dc h e m i c a lm o d i f i c a t i o nw e r ea p p l i e dt or a w s t a r c hg r a n u l et or e g u l a t ei t sd i g e s t i b i l i t y a sar e s u l t ，e n z y m e - r e s i s t a n ts t a r c h e s ( r s ) w e r ep r e p a r e d ，e s c a p i n ge n z y m a t i cd i g e s t i o na n da c i d o l y s i si nu p p e rd i g e s t i v et r a c t s b u t b e i n gd e g r a d e db ym i c r o o r g a n i s m i nc o l o n i ti n d i c a t e dt h a t p h y s i c a l r e c o m b i n a t i o nt e c h n i q u e ss u c ha sm o l e c u l a rr e d i s t r i b u t i o nc o u l dc h a n g ea g g r e g a t i o n s t r u c t u r eo fs t a r c hm o l e c u l e ，t h e r e f o r ei m p r o v i n gs t a r c h r e s i s t a n c et od i g e s t i o n m o r e o v e r ，t h ei n d u c t i o no fh y d r o p h i l i ca n dh y d r o p h o b i cg r o u p st os t a r c hc h a i na n d t h en e t w o r kf o r m a t i o no fs t a r c hb yt h em e t h o do fc h e m i c a lm o d i f i c a t i o nw e r ep r o v e d t oi n c r e a s ed i g e s t i o nr e s i s t a n c eo fs t a r c h a n dt h ed i g e s t i o nr e s i s t a n c ea b i l i t yi n c r e a s e a st h ed e g r e eo fm o d i f i c a t i o ni n c r e a s e t h eo r d e r i n gs e q u e n c eo fs t a r c hg r a n u l ec o u l d b e g r e a t l y e n h a n c e dw i t ht h et r e a t m e n to fh i g hp r e s s u r ea n dh i g ht e m p e r a t u r e ， r e s u l t i n gi nan e ws i g n i f i c a n t l yi m p r o v e m e n ti ni t sd i g e s t i o nr e s i s t a n c e f u r t h e r ，g r a n u l ec h a r a c t e r i s t i c s a g g r e g a t i o ns t a t ea n dc h a i nc o n f i g u r a t i o no ft h e p r e p a r e d r sw e r ee x a m i n e d b y m o d e r ni n s t r u m e n t a l a n a l y s i s t or e v e a l t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es u p e r m o l e c u l a rs t r u c t u r eo fr sa n dd i g e s t i o nr e s i s t a n c e t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h e r ew e r es o m ec h a n g e si nt h eg r a n u l a rm o r p h o l o g yo fr s t h e p o l a r i z a t i o nc r o s so ft h ep r e p a r e dr sg r a n u l eb e c a m ew e a k e n e dw i t ht h ei n c r e a s ei n d i g e s t i o nr e s i s t a n c e a n de v e nd i s a p p e a r e d ，e x c e p tt h a to fr sg r a n u l ep r e p a r e db y 一i 一 w a sp r e p a r e d i n v i t r os i m u l a t e dr e l e a s ee x p e r i m e n tp r o v e dt h a tr sc o a t e dt a b l e th a d g o o da b i l i t yo fc o l o n t a r g e t i n gr e l e a s e t h i sr e l e a s ea b i l i t yw a sm a i n l yi n f l u e n c e db y t h ec h a r a c t e r i s t i c so fr s ，a m o u n to fp l a s t i c i z e ra n dt h et h i c k n e s so fr sf i l mc o a t e d t a b l e t s t u d yo nd r u gr e l e a s em e c h a n i s ms u g g e s t e dt h a tt h et r a n s p o r t a t i o n o fd r u g f r o mt a b l e tc o r et ot h ec o l o nw o u l dc o n t r o lb yb i o e r o s i o no fm i c r o o r g a n i s mi nc o l o n t h ek i n e t i cm o d e lf o rd r u gr e l e a s ew a si na g r e e m e n tw i t hl o g i s t i ce q u a t i o n a l lt h e s er e s u l t sw i l li m p r o v et h er e s e a r c ho ft h es t a r c h - b a s e dg a s t r o i n t e s t i n a l t r a c tt a r g e t i n gd r u gd e l i v e r ys y s t e ma n dp r o v i d et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o na n db a s i cd a t a f o rt h e a p p l i c a t i o n s o fe n z y m e r e s i s t a n ts t a r c ht ot h eb i o m a c r o m o l e c u l ed r u g c a r r i e r s i tc a nb ee s t a b l i s h e dan e wg o o dw a yf o rp r o t e i na n dp e p t i d ed r u g st h r o u g h 一一 a b s t r a c t t h eo r a lr o u t ea n db r o a d e nt h es t a r c hr e p r o c e s s i n g f u r t h e r m o r e ，i tc a nb ep r o v i d ea n e wa p p l i c a t i o nf i e l df o rr s k e yw o r d s ：e n z y m e r e s i s t a n ts t a r c h ，o r a l c o l o n - t a r g e t i n gd r u gd e l i v e r y ， p h y s i c a lr e c o m b i n a t i o n ，c h e m i c a lm o d i f i c a t i o n ，f i l m c o a t i n g v 一 目录 目录 摘j 暮i l l 玉5 ；t l ；l j l c t i i i 第一章绪论l 1 1 淀粉的结构特征1 1 1 1 淀粉的链结构2 1 i 2 淀粉的聚集态结构5 1 2 淀粉的消化8 1 2 1 淀粉在上消化道中的消化8 1 2 2 淀粉在结肠中的降解9 l - 3 抗消化淀粉超分子体系1 0 1 3 1 抗消化淀粉的分类1 0 1 3 2 抗消化淀粉超分子体系的构建1 0 1 3 3 抗消化淀粉的研究现状1 2 1 4 药物靶向给药及口服结肠靶向控释给药系统的研究概况1 3 1 4 1 药物的靶向释放13 1 4 2 口服结肠靶向给药系统1 4 1 4 3 口服结肠靶向给药系统载体材料1 6 1 5 淀粉在药物靶向控释载体材料中的应用1 8 1 5 1 应用进展1 8 1 5 2 抗消化淀粉在口服结肠靶向给药体系中应用的可能性及优势1 8 1 5 3 抗消化淀粉结肠靶向给药体系的研究意义1 9 1 6 本论文研究的目的和内容2 0 第二章淀粉分子的重组及抗消化淀粉超分子的构建2 2 2 1 实验材料与仪器2 2 2 1 1 实验材料2 2 2 1 2 实验仪器与设备2 2 2 2 实验方法2 3 2 2 1 淀粉分子的物理重组2 3 2 2 2 淀粉分子的化学修饰2 4 华南理工大学工学博士学位论文 2 2 3 重组淀粉分子抗消化性能的表征2 8 2 3 结果与讨论2 9 2 3 1 淀粉分子链的重聚集与抗消化性能的关系2 9 2 3 2 淀粉颗粒的有序化与抗消化性能的关系3 2 2 3 3 淀粉分子的侧基化与抗消化性能的关系3 8 2 3 4 淀粉分子网络结构与抗消化性能的关系4 l 2 4 本章小结41 三章抗消化淀粉超分子结构特征与载体性能4 3 3 1 实验材料与设备4 3 3 1 1 实验主要材料4 3 3 1 2 实验仪器与设备。4 3 3 2 实验方法4 4 3 2 1 抗消化淀粉表面形貌4 4 3 2 2 抗消化淀粉结晶结构4 4 3 2 3 抗消化淀粉链结构的表征4 5 3 2 4 抗消化淀粉材料性能分析4 6 3 2 结果与讨论4 7 3 2 1 淀粉分子结构对颗粒形貌的影响4 7 3 2 2 抗消化淀粉分子的聚集态结构4 9 3 2 3 抗消化淀粉分子的链结构5 4 3 2 4 抗消化淀粉载体材料的成膜性能5 8 3 2 5 抗消化淀粉载体材料的热性能6 1 3 2 6 抗消化淀粉作为载体材料的力学性能6 4 3 3 本章小结6 6 第四章抗消化淀粉载体材料的结肠靶向降解性能6 7 4 1 实验材料与设备一6 7 4 1 1 主要实验材料6 7 4 1 2 实验仪器与设备6 7 4 2 实验方法6 8 4 2 1 抗消化淀粉载体材料的结肠靶向定位研究6 8 4 2 2 抗消化淀粉载体材料的结肠微生物降解性能研究6 9 4 2 3 抗消化淀粉载体材料生物降解过程中表面形态的变化7 0 4 3 结果与讨论7 0 一n 一 目录 4 3 1 抗消化淀粉载体材料的结构特征与结肠靶向性的关系7 0 4 3 2 抗消化淀粉载体材料在结肠环境中微生物降解性能的探讨。7 5 4 3 3 抗消化淀粉薄膜在结肠微生物降解过程中表面形貌的变化7 7 4 4 本章小结7 9 第五章抗消化淀粉口服结肠靶向给药系统的建立8 0 5 1 实验材料与仪器8 0 5 1 1 实验材料8 0 5 1 2 实验仪器与设备。8 0 5 2 实验方法：8 1 5 2 1 模型药物的选择8 l 5 2 2 片芯的处方设计8 2 5 2 3 片芯的薄膜包衣。8 2 5 2 4 抗消化淀粉薄膜包衣载药片剂的体外释药性能考察8 3 5 3 结果与讨论8 8 5 3 15 - a s a 抗消化淀粉o c d d s 的建立8 8 5 3 2b s a 抗消化淀粉o c d d s 9 0 5 3 3 抗消化淀粉对5 - a s a 的结肠靶向控释9 l 5 3 4 抗消化淀粉对牛血清白蛋白的靶向控释。9 3 5 4 本章小结9 5 第六章抗消化淀粉口服结肠靶向给药系统释药机理的探讨9 7 6 1 释药过程的数学表达9 7 6 2 释药过程中抗消化淀粉薄膜表观的变化1 0 3 6 3 抗消化淀粉薄膜包衣片剂释药机制的初步探讨1 0 5 6 4 本章小结1 0 8 结论与展望1 0 9 参考文献113 攻读学位期间发表的与学位论文内容相关的学术论文1 2 3 致谢1 2 4 一l l l 1 5a p p l i c a t i o no fs t a r c ha sc a r r i e rf o rt a r g e t i n g - r e l e a s ed r u gd e l i v e r ys y s t e m 18 1 5 1d e v e l o p m e n to fs t a r c ha p p l i c a t i o no nc a r r i e r 1 8 1 5 2a p p l i c a t i o np o t e n t i a la n da d v a n t a g e so fr so nc a r r i e ro fo r a l c o l o n t a r g e t i n gd r u gd e l i v e r y 1 8 1 5 3s i g n i f i c a n c eo fs t u d yo nr so r a lc o l o n t a r g e t i n gd r u gd e l i v e r ys y s t e m1 9 1 6o b j e c t i v e s 2 0 c h a p t e r2 r e c o m b i n a t i o no fs t a r c hm o l e c u l ea n dc o n s t r u c t i o no fr s s u p e r m o l e c u l e 2 2 2 1m a t e r i a l sa n di n s t r u m e n t s ：! ：1 2 1 1m a t e r i a l s 2 2 2 1 2i n s t r u m e n t sa n de q u i p m e n t 2 2 2 2m e t h o d s 2 ：； 一i v 目录 2 2 1p h y s i c a ir e c o m b i n a t i o no fs t a r c hm o l e c u l e 2 3 2 2 2c h e m i c a lm o d i f i c a t i o no fs t a r c hm o l e c u l e 2 4 2 2 3e n z y m e r e s i s t a n tc h a r a t e r i s t i c so fr e c o m b i n e ds t a r c hm o l e c u l e 2 8 2 ：ir e s u l t sa n dd i s c u s s i o n 2 9 2 3 1t h er e l a t i o n s h i po fs t a r c hc h a i nr e d i s t r i b u t i o na n di t sr e s i s t a n c et o d i g e s t i o n ：1 9 2 3 2t h e r e l a t i o n s h i po fo r d e rs e q u e n c eo fs t a r c hg r a n u l ea n d i t sr e s i s t a n c e t od i g e s t i o n ： ：1 2 3 3t h er e l a t i o n s h i po ft h es i d eg r o u p si ns t a r c hm o l e c u l ea n di t sr e s i s t a n c e t od i g e s t i o n ：1 8 2 3 4t h er e l a t i o n s h i po ft h es t r a r c hm o l e c u l a rn e t w o r ka n di t sr e s i s t a n c et o d i g e s t i o n 4l 2 z lc o n c l u s i o n s 4l c h a p t e r3c o n f i g u r a t i o no fr ss u p e r m o l e c u l ea n di t sp r o p e r t i e sa sc a r r i e r 4 3 3 ? lm a t e r i a l sa n di n s t r u m e n t s 。4 3 ：；1 1m a t e r i a l s 4 3 ：i 1 2i n s t r u m e n t sa n de q u i p m e n t 4 3 ：；：! m e t h o d s 4 4 3 2 1o b s e r v a t i o nf o rs u r f a c em o r p h o l o g yo fr s 4 4 3 2 2d e t e r m i n a t i o no fc r y s t i l l i n i t yo fr s 4 4 3 2 3c h a r a c t e r i z a t i o no fc h a i nc o n f i g u r a t i o no fr s 4 5 ：；2 4a n a l y s i so fc a r r i e rp r o p e r t i e so fr s 4 6 ：；2r e s u l t sa n dd i s c u s s i o n 4 7 3 2 1t h ec h a n g ei ns u r f a c em o r p h o l o g yo fr s 4 7 3 2 2a g g r e g a