（材料科学与工程专业论文）蛋白类药物可生物降解高分子微球载药系统的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 蛋白药物具有分子量大及空间结构复杂的特点，稳定性差，在酸碱环 境或体内酶的存在下极易失活，故吸收差，生物利用度低。本论文针对传 统高分子微球蛋白载药系统的不足，对微球基体材料以及微球形貌进行改 进，实现对蛋白类药物的保护和控制释放。 首先，从载体材料的改进方面实现蛋白质的控制释放。本实验开展了 对聚酸酐微球蛋白类药物控制释放新制剂的研究，所选用的具有表面溶蚀 特性的高分子材料癸二酸( s a ) 和1 ，3 一双对羧基苯氧基丙烷( c p p ) 的共聚物 p ( c p p s a ) 作为蛋白质的载体。采用复乳法( w i 0 w 2 ) 制备了包裹人血清蛋 白的p ( c p p s a ) 载药微球。激光粒度仪、扫描电子显微镜( s e m ) 对微球的 粒径、粒径分布以及表面形貌进行表征。在药物释放实验中，紫外分光光 度计( u v ) 用来分析体外药物释放情况。实验表明：所制备的p ( c p p s a ) 微球粒径在1 叽m 左右，表面不光滑。聚酸酐的降解速率和药物释放速率 与聚酸酐的分子链的组成及结构单元比例密切相关。随着c p p 含量的增 加，微球降解和蛋白释放也呈减慢趋势。通过调节聚酸酐的分子链中各结 构单元比例，能有效地控制微球降解和药物释放速率。通过g p c 测定释放 包裹的蛋白质发现，p ( c p p s a ) 微球制备过程中，蛋白质分子保持完整， 没有发生明显的降解。 然后，针对常规的w i o w 2 乳化溶剂挥发法存在着蛋白质易失活的问 题，本实验尝试了改变微球形貌以及载药方式，实现对蛋白质的保护及缓 释。选用生物可降解高分子p l g a 作为蛋白质的载体，采用复乳法，在制 备过程中加入致孔剂，制备多孔p l g a 微球。实验结果表明：油酸钠的致 孔效果较好，在一定的添加量范围内都能制备出孔径均匀的多孔微球。通 过改变油酸钠的添加量，外水相中p v a 的浓度以及制备中的搅拌速度都能 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 调节多孔结构的形貌特征。实验表明，在搅拌速度为5 0 0 r p m ，油酸钠加入 量为2 5 ，p v a 浓度为3 时，能制备出粒径为1 0 l m 左右，粒径均匀， 球形较好，表面孔径均匀，并具有内部贯穿孔结构的p l g a 多孔微球，适 合于肺部吸入给药。 最后，p l g a 多孔微球由于其贯穿的多孔结构，具有比较高的比表面 积，其载药过程主要是通过吸附作用，在温和的水环境中完成，不需要有 机溶剂地参与，最大限度地保护了蛋白质的活性。针对p l g a 多孔微球释 药速率太快，很难实现缓释的缺点，本实验在多孔p l g a 微球表面涂覆上 一层海藻酸钠水凝胶，海藻酸钠水溶液粘度较大，易于粘附于微球表面孔 洞及其内部。使用c a 2 + 固化后，能更好地修饰p l g a 多孔微球，将吸附于 多孔微球的蛋白质封堵于微球内部，实现药物的缓释。实验结果表明：表 面包覆的海藻酸钙水凝胶能有效地阻滞蛋白质的释放，减缓了多孔微球释 放初期的突释，实现药物的缓释。所得的这种释放体系可实现d n a 、生长 因子、酶、蛋白质等生物活性物质的缓释。 关键词：p ( c p p s a ) 微球；表面溶蚀；p l g a ；多孔微球；海藻酸水凝胶 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 a b s t r a c t i n h e r e n t p r o t e i ni n s t a b i l i t yp r o b l e m s ， s u c ha s u n f o l d i n g ， c o v a l e n t n o n c o v a l e n t a g g r e g a t i o n a n d n o n s p e c i f i ca d s o r p t i o n ，o c c u r r e d d u r i n ga p p l i c a t i o n p o l y m e rm i c r o s p h e r e sw e r eu s e dt oe n c a p s u l a t ep r o t e i nt o p r e s e r v et h e i ra c t i v i t y ：t h i s r e s e a r c hf o c u s e do nc h a n g i n gt h em a t r i x a n d m o r p h o l o g y o f m i c r o s p h e r e s t o i m p r o v e t h e b i o a v a i l a b i l i t yo fp r o t e i n f i r s t l y , t h em a t r i x o fm i c r o s p h e r e sw a si n v e s t i g a t e di nt h i sw o r k p o l y ( 1 ，3 - b i s - ( p c a r b o x y p h e n o x yp r o p a n e ) 一c o 一( s e b a c i ca n h y d r i d e ) ( p ( c p p s a ) ) w h i c hd e g r a d a t e di ns u r f a c ee r o s i o n ，w a sc h o s e na st h em i c r o s p h e r e sm a t r i x t h ep ( c p p s a ) m i c r o s p h e r e sw e r ef a b r i c a t e db yd o u b l e e m u l s i o nm e t h o d b a s e do ns o l v e n te v a p o r a t i o n h u m a ns e r u ma l b u m i n ( h s a ) w a su s e da st h e m o d e lp r o t e i n t h i sp a p e ra i m e da tr e s e a r c h i n gt h ee r o s i o na n dd e g r a d a t i o no f p ( c p p - s a ) m i c r o s p h e r e sw i t hc p p s am o n o m e rr a t i o so f2 0 ：8 0 ，3 5 ：6 5 a n d 5 0 ：5 0 s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) w a sc a r r i e d o u tt oe x a m i n e s u r f a c e ，s i z ea n ds i z ed i s t r i b u t i o n p ( c p p - s a ) m i c r o s p h e r e se x h i b i t e ds p h e r i c a l s t r u c t u r ea n dr o u g hs u r f a c em o r p h o l o g yw i t ht h em e a ns i z e1 0 t m n e x t ，i n v i t r op r o t e i nr e l e a s ef r o mt h em i c r o s p h e r e sw a sa l s oi n v e s t i g a t e di nt h i sw o r k t h ed e g r a d a t i o na n dt h ep r o t e i nr e l e a s ei nv i t r ow e r ep e r f o r m e di np b s0 h 7 4 ) a st h er e s u l t ss h o w n ，p ( c p p s a ) d e g r a d a t i o na n dh s ar e l e a s ei nv i t r o w e r er e l a t e dt om o n o m e rr a t i oo fc p p s a 2 0 ：8 0 p ( c p p - s a ) w a sm o r e h y d r o p h i l i c t h a n3 5 ：6 5 p ( c p p - s a ) a n d 5 0 ：5 0 p ( c p p - s a ) t h e r e b y , d e g r a d a t i o n r a t eo f2 0 ：8 0 p ( c p p - s a ) w a st h ef a s t e s t m o r e o v e r , t h e m i c r o s p h e r e sd e g r a d a t i o na n dd r u gr e l e a s er a t e f r o mm i c r o s p h e r e sc a nb e a d j u s t e db ya l t e r i n g t h ec p p s ar a t i o so fp ( c p p s a ) t h ef e a t u r e so f 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 v 页 s u r f a c e e r o s i o nw e r eo b s e r v e di ns e m t os u mu p ，p o l y a n h y d r i d ec o p o l y m e r s a r ed e s i r a b l eb i o d e g r a d a b l ep o l y m e rf o rb i o m e d i c a la p p l i c a t i o n sa s p r o t e i n c a r r i e r s s e c o n d l y , an e wa p p r o a c hf o rp r o t e i nd e l i v e r yi si n t r o d u c e d ，i n v o l v i n g b i o d e g r a d a b l ep o r o u sp o l y ( d ，l - l a c t i c c o - g l y c o l i ca c i d ) ( p l g a ) m i c r o s p h e r e s b l o c k e dw i t hc a l c i u ma l g i n a t eh y d r o g e l p o r o u sm i c r o s p h e r e sw e r ep r e p a r e db y s o l v e n te v a p o r a t i o nm e t h o du s i n gs o d i u mo l e a t ea sa ne x t r a c t a b l ep o r o g e n t h e r e s u l t a n tm i c r o s p h e r e ss h o wp o r o u ss u r f a c ea n d3 - d i m e n s i o nn e t w o r ks t r u c t u r e w i t h i n t e r c o n n e c t i n gp o r e s h u m a ns e r u ma l b u m i n ( h s a ) u s e da sm o d e l p r o t e i n ，w a sa d s o r b e di n t om i c r o p o r e so fp o r o u sm i c r o s p h e r e sb yas o l u t i o n i m m e r s i n gm e t h o d t h u s ，t h e h a r g hp r e p a r a t i o nc o n d i t i o n s ，s u c ha st h e a q u e o u s o r g a n i ci n t e r f a c ep r o d u c e db yaw a t e r - i n - o i l m i c r o e m u l s i o na n dt h e a c u t es h e a r i n gs t r e n g t hb r o u g h tb yah i g h s p e e dh o m o g e n i z e ro ras o n i c a t e r ， i n d u c i n gp r o t e i nd e n a t u r a t i o na n da g g r e g a t i o nc o u l db ea v o i d e d t h e n ，c a l c i u m a l g i n a t eh y d r o g e lw a sf a b r i c a t e dt ob l o c km i c r o p o r e so fp r o t e i n l o a d e dp o r o u s m i c r o s p h e r e s a s u s t a i n e dp r o t e i nr e l e a s ei nv i t r oc o u l db ea c h i e v e di nt h i sw a y f u r t h e r m o r e ，i ti sn o t e w o r t h yt h a tt h ep r o t e i nm a i n t a i n e di t ss t m c t u r a li n t e g r i t y a f t e r t h i sp r e p a r a t i o n t h ep o r o u sp o l y m e r i cm i c r o s p h e r e sm a yh a v eg r e a t p o t e n t i a la p p l i c a t i o nf o rw a t e r s o l u b l ed r u g s ，s u c ha sp r o t e i n ，v a c c i n ea n dg e n e d e l i v e r y k e yw o r d s ：p ( c p p s a ) m i c r o s h h e r e s ；s u r f a c ee r o s i o n ；p l g a ；p o r o u s m i c r o s p h e r e s ；a l g i n a t eh y d r o g e l s 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工 作所得的成果。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研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 在此实验中，选用可降解高分子p ( c p p s a ) 作为药物包裹材料，采 用溶剂挥发法制备包载人血清白蛋白的微球，对比了p ( c p p s a ) q bc p p s a 比例对微球各方面性能的影响。 2 本实验利用p l g a 为基体，油酸钠作为致孔剂，采用复乳法制备多 孔微球，该法制得的微球具有表面多孔及内部贯穿孔结构，比表面积大， 对药物分子吸附能力强。该方法可操作性强，能对多孔结构进行有效控制。 此剂型的研究，给蛋白类药物释放系统提供了一种新的研究方向。 3 利用多孔p l g a 微球吸附人血清白蛋白，此载药过程无有机溶剂的 参与，最大程度地减少了蛋白活性的损失。选用海藻酸钙水凝胶对p l g a 微球的多孔结构进行修饰填充，阻塞微球表面及内部孔洞，减缓蛋白质扩 散释放的速率，为多孔微球蛋白质缓释提供一种有效的途径。 6 s 杵哆 拼沙 v 汐 西南交通大学 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。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密一，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：玄苫错 日期：协习年石月5e l 言翥予妒 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第一章绪论 蛋白类药物空间结构复杂，半衰期短，稳定性差，在酸碱环境或体内 酶的存在下极易失活，同时由于其分子量大，还时常以多聚体形式存在， 很难透过胃肠道粘膜的上皮细胞层，吸收差，生物利用度低，在临床应用 过程中受到很多限制【1 1 。通常采用可以对药物进行缓释、控释的微球载药 系统解决上述问题。由于高分子微球药物控制释放体系可以利用天然或合 成的高分子作为药物载体，置于生理环境中，控制药物在人体内的释放速 度，使药物按设计的剂量，在要求的时间范围内，以一定的速度，通过扩 散或其它途径在体内缓慢释放到特定的环境中，从而达到治疗疾病的目的。 所以，高分子微球药物控制释放体系能够有效地存储和保护蛋白类药物， 实现其在体内的传送过程中，有效地避免在生理环境中的失活，增加蛋白 类药物的生物利用度【2 羽。 高分子的分子链构成对其降解以及释药过程都有重要影响。在生物可 降解高分子中，聚酸酐由于其优良的生物相容性、可控的降解速率以及比 较好的生物粘附性，在微球药物缓释系统中得n t 广泛的应用 6 , 7 1 。聚酸酐 在生物体内外的降解特征接近表面溶蚀特性，呈现零级动力学降解。此外， 由于聚酸酐较好的疏水性，能很好地阻止水分进入微球内部，可防止药物 在体外或体内未释放之前水解失活。其在体内首先降解成分子量较低的寡 聚物，进一步降解为进入人体循环并排出的小分子。 同时，高分子微球的结构形貌对微球各方面的性能影响较大，除了根 据实际需要对微球基体材料进行选择外，还要求微球的形貌及结构特征也 能达到更好的应用效果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 高分子材料在药物缓释控释领域的应用 生物医用高分子材料，是和医学、生物学发展有关的高分子材料总称， 是以医用为目的，用于和活体组织接触，具有诊断、治疗或替换机体中组 织、器官或增进其功能的无生命高分子材料，如：人工器官等。在实际应 用中，将药物释放体系、医用粘合剂、固定化生物活性物质、诊断及亲和 层析分离分析用的固定化酶、抗原体、生物传感器等也归纳于医用高分子 材料的范吲8 ，9 1 。 随着高分子材料科学和现代医药学的相互渗透，高分子材料作为药物 控制释放载体己成为最热门的研究方向之一【1 0 。1 3 1 。高分子药物控制释放体 系借助高分子控制药物释放来限制药物进入体循环的速度，以满足理想的 用药要求，就是利用天然或合成的高分子作为药物载体，制成一定的剂型， 然后置于生理环境中，控制药物在人体内的释放速度，使药物按设计的剂 量，在要求的时间范围内，以一定的速度，通过扩散或其它途径在体内缓 慢释放到特定的环境中，从而达到治疗疾病的目的【体1 6 】。通过高分子药物 控制释放体系，使药物在载体系统中达到时间或空间上的控制释放，保持 药物在血液中对疾病治疗所需的最适浓度，避免了常规给药中，血药浓度 偏高时中毒，偏低时治疗无效的问题【1 7 1 。 1 3 药物缓释控释用高分子材料的分类 在药物控制释放体系中，除药物本身外，药物载体也扮演着重要的角 色。目前，生物医用高分子主要分为非生物降解型和生物降解型两种【1 引。 ( 1 ) 非生物降解医用高分子材料主要是聚氨酯、硅橡胶、聚乙烯、聚 丙烯酸酯等，广泛用于韧带、肌腱、皮肤、血管、人工脏器、骨和牙齿等 人体软硬组织及器官的修复和制造以及粘合剂、材料涂层、人工晶体等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 其特点是大多数不具有生物活性，与组织不易牢固结合，易导致毒性、过 敏性等不良反应。 ( 2 ) 生物降解医用高分子材料主要成份是聚酯、聚酸酐、改性天然多 糖和蛋白质等，在i 临床上主要用于药物缓释系统、可吸收性外科缝线、创 伤敷料等。其特点是在生物体内经水解、酶解等过程，逐渐降解成低分子 量化合物或单体，降解产物能参与体内正常代谢，对组织生长无影响，目 前是医用高分子材料的发展方向。 近几十年来，可生物降解高分子材料作为药物控释载体的研究一直非 常热门，与不可降解的高分子控释体系相比，可生物降解高分子药物控制 释放系统具有无可比拟的优点【1 9 , 2 0 】： ( 1 ) 药物释放到生理环境中的浓度比较稳定。常规药物投药后，血液 中药物浓度迅速上升至最大值，然后由于代谢、排泄及药物降解作用，又 迅速降低，要将血药浓度控制在最小有效浓度和最大安全浓度之间很困难。 高分子药物控制释放系统能较长时间控制药物浓度恒定在有效范围内，药 物利用率可达8 0 一9 0 。 ( 2 ) 控释速率对药物性质的依赖性较小。控释速率主要由载体的降解 速率控制，从而使得对药物包覆量和几何形状参数的选择范围更广。 ( 3 ) 释放速率更稳定。在扩散控释体系中，释放速率一般都会随时间 而递减。如果使用可降解材料作载体，随着材料的降解，药物的渗透速率 加快，可抵消扩散速率的降低。在理想的情况下，释放速率可维持恒定， 达到零级释放动力学模式。 ( 4 ) 更适应不稳定药物的释放要求。在不可降解药物释放体系中，药 物的释放是通过水扩散至载体内部一药物溶解一溶液扩散这一过程来实现 的。而在可降解体系中，由于载体的可降解性，药物释放无须通过这一较 长的通路来实现，使得药物微粒在溶液中逗留的时间较短。一些不稳定药 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 物( 如：多肽和蛋白质药物) 不致出现分解或集聚的现象。 1 3 1 可降解高分子材料 可降解高分子材料是指在生物体内能被水解或酶解，生成的小分子物 质通过代谢而被机体吸收或排出体外的一类高分子材料。可生物降解高分 子用作一些半衰期短、稳定性差、易降解及毒副作用大的药物的控释制剂 基材，可有效地拓宽给药途径、减少给药次数和给药量、提高药物的生物 利用度、最大程度减少药物对全身，特别是肝、肾的毒副作用。 在药物控制释放体系中，生物可降解高分子材料按来源可分为：天然 高分子材料和合成高分子材料两大类f 1 9 】，它们可分别应用在不同的控制释 放体系中，如凝胶控制释放【2 1 , 2 2 l 、植入型控制释放【2 3 , 2 4 l 、靶向控制释放【2 5 , 2 6 等。 天然高分子载体材料：主要有壳聚糖、淀粉、纤维素、胶原、明胶和 脂质体等。 ( 1 ) 海藻酸( a l g i n a t e ) 由b - d - 甘露糖醛酸( m 单元) 与a l 广古罗糖醛酸( g 单元) 藉由1 ，4 糖苷键连接而成的一种天然多糖，其结构式见图1 1 。g 单 元与m 单元在分子中不同的比率决定了其分子的结构，不同的结构连同其 所表现的不同构象又决定了海藻酸的生物学特性【2 7 ，2 8 】。海藻酸钠是阴离子 聚合物，很容易与二价阳离子如c a 2 + ，形成离子键而凝胶化。同时，海藻 酸盐水凝胶还具有以下特性【2 9 l ： 相对惰性的微环境； 制备过程无需有机溶剂，室温下可实现包埋过程： 高的凝胶孔隙率，使大分子具有较高的扩散速率； 可通过简单的包埋过程控制其孔径； 生物无毒，免疫原性低，生物相容性好； 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 在正常生理条件下，发生分解和生物降解。 由于海藻酸盐水凝胶独特的性能使其能安全地用于人体，在药物缓释 方面还有很大的发展空间。r a s t o g i 等【3 0 j 利用乳化法制备包裹异烟肼的海藻 酸钠微球，得到粒径为3 t m 左右，包裹效率可高达9 1 的海藻酸微球，通 过控制聚合物浓度、交联剂的量以及交联时间，可对微球的粒径以及包裹 效率进行控制，并进一步说明了海藻酸盐在药物控释领域的应用潜力。 c o o hc 0 0 h 矗勒m e m lp 。o - m a n n o g ：a - l - g u l o m m m m m m g m g g g m g g g g g g g g m g i d m g m g m g g m m 、，l v l r m - 模块a - 模块 g i g 模块 图1 - 1 海藻酸的化学结构式 ( 2 ) 壳聚糖( c h i t o s a n ) 学名( 1 ，4 ) 一2 一氨基2 一脱氧一b d 一葡聚糖，是目前研 究最多的多糖类天然高分子，它是由甲壳素经脱乙酰化反应后得到的一种 生物高分子，是生物界中大量存在的唯一的一种碱性多糖，其化学结构式 分别为图1 2 所示。 对于生物体来说，壳聚糖特别值得指出的是其带正电荷，这种特殊性 质使壳聚糖微球具有增强药物吸收性、黏膜粘附性、免疫刺激性等性质。 利用这些特性，壳聚糖已被开发作外科手术中的可吸收性缝合线、人工皮 肤等多种医用品1 3 1 3 3 1 。 纤维素甲克素壳聚糖 图1 2 壳聚糖的化学结构式 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 合成高分子载体材料： 合成高分子可以根据需要进行设计，裁剪而改良其性质，这是天然高 分子做不到的。总的来说与天然可降解高分子相比，合成生物可降解高分 子有以下的优剧3 4 筇l ： ( 1 ) 合成高分子更不易产生免疫性，而且比许多天然高分子有更好的 生物相容性； ( 2 ) 在化学合成中，通过仔细控制单体比率、温度等条件可得到不同 的产物，从而具有不同的性能； ( 3 ) 合成高分子的机械性能容易通过化学和物理方法改性。 合成高分子载体材料主要有：聚酯、聚酸酐和聚原酸酯等。 ( 1 ) 聚乳酸及其共聚物【3 6 , 3 7 聚乳酸是一种线型聚酯类高分子，主要是 由丙交酯在催化剂存在的条件下，通过高温或减压，开环聚合而成，合成 过程如图1 3 所示。其降解速度与其分子量和结晶度有关。分子量越高， 降解越慢。聚乳酸水解的中间产物为乳酸，它是体内糖的正常代谢产物， 可循乳酸的代谢途径参与体内生化代谢，最终生成水和二氧化碳排出体外。 p g a 和p l a 的共聚物也被广泛研究。p g a 是高结晶的，而在p g a l a 的共聚物中结晶度迅速减少。这种形态的改变导致其水解速度加快，因此 这些共聚物比纯p g a 和p l a 降解更快，它们兼具不同材料的特点，可改 变材料的亲疏水性、结晶性，并通过分子量大小控制可制得适宜降解速度 的共聚物。它在体内的代谢是通过聚酯水解，首先被降解为乳酸和羟基乙 酸，然后通过体内三酸循环变为二氧化碳和水，再通过呼吸道、大小便、 汗液等排除体外。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 n x c c 知- i c - - c h ，- - k 吐 n c 即p? 苎一。一旷苎一。阜 。c 夕一3 ，占h ，j n 图i - 3 丙交酯开环聚合成聚乳酸 近年来，聚乳酸及其共聚物被用作一些半衰期短、稳定性差、易降解 及毒副作用大的药物控释制剂的可溶蚀基材，有效地拓宽了给药途径，减 少了给药次数和给药量，提高药物的生物利用度，最大程度减少药物对全 身特别是肝、肾的毒副作用。周绍兵等【2 5 1 利用复乳法制备p i _ g a 和p l a 磁性微球，包裹干扰素，发现p l e a 和p l a 微球具有较高的包裹效率，并 能很好保护干扰素的活性，实现靶向给药。 ( 2 ) 聚酸酐由于其具有良好的生物相容性、表面溶蚀和较易加工等优 异性能，体内降解后生成无害单体并能被机体代谢掉，在医学前沿领域得 到广泛应用，能植入肌肉、皮下、大脑、骨腔、眼部等组织作为药物载体 或组织支持物【3 8 删。聚酸酐中的酸酐键极不稳定，在水中很容易水解成小 分子二酸，其降解过程如图1 4 。聚酸酐表现出疏水性，使水分不容易渗 入聚酸酐基体。所以，聚酸酐的降解表现为独特的表面溶蚀特性。通过改 变分子量和分子链中亲疏水单元的比例，其降解速率可随需要调节。亲水 性的脂肪族聚酸酐几天内就能完全降解，而疏水性的芳香族聚酸酐则需数 年。 聚酸酐类高分子具有以下共同特性【4 1 j ： l 、在生物体内可降解，降解特征为表面溶蚀，这是生物近零级释放的 重要条件； 2 、降解速度和药物释放速度可调，如聚【1 ，3 - 双( 对羧基苯氧基) 丙烷一 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 癸二酸 p ( c p p s a ) 】共聚物，其降解速度可通过调节疏水性c p p 在聚酸酐 p ( c p p s a ) 中的比例，降解时间可从几天到几年； 3 、对模型药物的释放研究表明，在合适的载药范围内，药物并无突释 效应，避免了药物瞬间大量进入体液的可能性，保证了释药体系的安全性； 4 、毒理学研究表明，聚酸酐具有良好的生物相容性，细胞毒性极小， 无致炎、致热、致突变和致畸等严重病变； 5 、大多数药物与其组成的控释体系具有很好的稳定性。 ooo0 瓜一c i i o 一岂干j 壁坚onh o - - 凸一r 一些一o h lj n ( ri s 狃o r g a n i cr e s i d u a l ) 图1 4 聚酸酐水解为小分子二酸 聚酐的生物相容性良好，可广泛用于小分子药物给药体系。如f d a 已批准用对羧基苯氨基丙烷和葵二酸合成的聚酐作为b c n u ( 一种抗肿瘤 药) 的控释载体【2 3 1 。 1 3 1 1 降解的机理 生物降解是指高分子材料通过简单水解或酶反应，转化为相对简单的 中间产物或小分子的过程。生物可降解高分子的主链上一般含有可水解的 不稳定化学键( 例如酯键、酸酐键) ，在有水存在的环境下，在酶或微生物 的作用下可水解降解，从而高分子主链断裂，分子量逐渐变小，以致最终 成为单体或代谢成c 0 2 和h 2 0 。因此，生物可降解高分子材料不必在药物 释放系统失去效能之后，再被从母体中取出【4 2 j 。在生理环境中，主要发生 水解( 包括酸碱作用和自催化作用) 和酶解【4 3 】。 水解机理：生物可降解高分子在生物中的降解，首先将被水解或氧化 降解为小分子，然后再被吸收排泄。大量研究表明可降解合成高分子材料 的降解主要是水解。容易水解断裂的官能团包括：酯键、酸酐键、聚氨酯 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 橡胶、尿素塑料等。高分子从植入体内到消失，就是由不溶于水的固体变 成水溶性物质的溶蚀过程。 酶解机理：虽然生物可降解高分子前期的水解过程不一定需要酶参 加，但水解生成的低分子量高分子片段可能需要通过酶作用转化为小分子 代谢产物。普遍认为酶解和酶促氧化反应是高分子材料在体内降解吸收的 重要因素，酶在一定程度上影响降解机制和速度。 1 3 l 2 降解的类型 高分子降解有两种基本方式【4 4 ，4 列。降解仅仅发生在高分子材料表面的 称为非均匀降解或表面溶蚀降解( s u r f a c ee r o s i o n ) ：另一种降解在高分子外 部和内部以相同速度发生，称为均匀降解或本体降解( b u l kd e g r a d a t i o n ) 。在 多数情况下，高分子材料的降解是以两种方式同时进行的，主要取决于化 学组成与结构的不同。 如果高分子链中共价键的断裂速度大于水进入高分子体系的速度，高 分子体系表面的共价键首先水解断裂，阻止了水进一步深入高分子体系内 部，降解只发生在高分子体系表面，这种降解方式称为表面溶蚀【4 4 , 4 6 , 4 7 。 相反，如果水渗透进入高分子体系的速度大于高分子链中共价键的断裂速 度，那这种高分子的降解过程不会被局限于高分子体系的表面，降解过程 会是本体降解。如图1 5 所示，表面溶蚀只发生在高分子体系的表面。在 理想的情况下，高分子体系的质量变化是线性的，在降解过程中，高分子 的总体分子量和水解程度不发生变化，也就是说，剩余高分子的性质与原 高分子性质相同。而且，具有较高表面积体积比的样品，其降解速度比厚 的样品快。聚酸酐和聚原酸酯是以表面溶蚀为主的方式降解的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 画 画 瞻 图1 - 5 表面溶蚀与本体降解过程中高分子形貌变化特征 与表面溶蚀不同，本体降解发生后，高分子样品的分子量随反应进行 而下降，但样品的重量并不因此而立即减少，必须到达某一临界值后，整 个高分子样品才迅速溶解和消失，降解速度与表面积体积比值无关1 4 ”。本 体降解型高分子主要是以p l a ，p g a ，p c l 以及它们的共聚物为代表的脂 肪族聚酯类，也是目前在药物控制释放上主要应用的材料。 1 4 可降解微球缓释制剂的概述 可生物降解高分子材料已用于药物控制释放载体等方面。微纳米粒子 具有较小的体积，能穿过组织间隙并能被细胞吸收，可通过人体的血管， 还可以通过血脑屏障，这些特性使其在药物和基因输送方面具有许多优越 性： ( 1 ) 可缓释药物，从而延长药物作用时间； ( 2 ) 可达到靶向输送的目的； ( 3 ) 可在保证药物作用的前提下，减少给药剂量，从而减轻或避免毒 性反应和副作用； ( 可提高药物的稳定性。 由于某些药物只有在特定部位才能发挥其药效，同时它又易被消化液 一_ 口口口 一向 西南交通大学硕士研究生学位论文第n 页 中的某些生物大分子所分解，口服此类药物的药效并不理想。于是人们利 用生物可降解高分子材料，将药物包裹在高分子微球之中对药物进行保护 并控制药物的释放速度1 4 8 1 。这些高分子材料通常以微球或微胶囊的形式存 在。微球是指药物溶解或者分散在高分子材料基质中形成的微小球状实体。 微球可以供注射( 静注、肌注) 、口服、滴鼻、皮下埋植、或是关节腔给药 使用。水溶性药物和脂溶性药物均可被有效包载于微球中，因此能够负载 或包覆多种药物，并可有效地控制药物释放速度【4 9 5 讲。 1 4 1 高分子微球的形貌及结构 高分子微球的形貌控制一直是聚合物科学一个重要的研究领域，随着 对高分子微球应用研究的不断深入，研究者对微球自身结构特征的要求越 来越高，除了根据实际需要对微球进行表面修饰外，还要求微球的形貌及 结构特征也能达到更好的应用效果。目自 ，众多学者都致力于不同结构形 貌的高分子微球的制备及应用，如中空型微球、高尔夫球型微球、双半球 型微球等【捌。其中，在药物控释领域中，核壳结构微球和表面具有多孔结 构高分子微球的制备研究越来越受到关注。 ( 1 ) 核壳结构高分子微球是一种具有特殊结构的高分子微球，核与壳 分别富集不同的高分子，如图1 6 。活性组分( 药物，生物活性材料等) i s 过 溶解，包裹作用位于微球内部，或者通过吸附，附着作用位于微球的表面， 可保护生物酶、d n a 及其他生物活性物质的生物活性。p o l l a u f 5 1 】等采用 p l g 作为核，p c p h 作为壳制备双层微球发现，p c p h 壳层能有效地阻止 水渗入微球内部，减缓p l g 的降解，通过控制壳层的厚度，能有效地控制 微球给药初期的突释。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 图1 - 6 核壳结构高分子微球p l l f 2 ) 多孔高分子微球作为一种有机载体，具有多孔，低密度，表面租 糙度大，比表面积大等特点，是一种具有网状贯穿孔结构的新型基质，如 图1 7 ，它不仅能作为肺部吸入制剂进行肺部给药1 5 2 j ”，以及用于细胞培 养【5 4 1 作为可注射组织工程支架，而且还可以应用于医药、固定化酶旧和生 物大分子分离纯化闻等相关领域。 图1 - 7p l g a 多孔高分子微球吲 1 4 2 高分子微球常用的制备方法 根据药物，载体材料的性质、所需微球的粒度、释药性能及临床给药途 径，缓释微球制剂的制各方法主要有以下几种l 邶l ： 1 乳化分散法l 删 本法的基本原理是药物与载体材料溶液混合后，将其分散在不相混溶 的介质中形成乳剂，然后使乳剂内相固化并分离制备微球。按照内相固化 方法，可分为加热固化法、交联剂固化法、溶剂蒸发法三种类型。乳化溶 剂挥发法是制各生物可降解性高分子微球最常用的方法，并可分为单乳化 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 及复乳化两类。针对包埋物和聚合物材料的不同组合，所采用的方法也不 同。内包物和聚合物都为疏水性物质时，一般采用o w 型乳液，常采用低 沸点溶剂挥发的方法得到微球；内包物和聚合物都为水溶性物质时，一般 采用w o 型乳液，然后蒸去水分或通过对聚合物交联或升温固化等方式得 到；内包物为脂溶性，聚合物壁材为水溶性物质时，一般采用0 1 w 0 2 型 乳液，然后蒸去水分或通过对聚合物交联或升温固化等方式得到；内包物 为水溶性，聚合物壁材为疏水性物质时，一般采用w ，o w 2 型乳液，除去 溶剂得到；w o w 复乳法适合多肽类、蛋白类、疫苗等水溶性药物的包裹 【5 9 1 ，使用复乳法制备微球一个最大的缺点就是引入了油水界面，通常会引 起蛋白质的吸附，好致其聚集、失活。 2 喷雾干燥法 喷雾干燥法可以快捷方便的大规模生产，条件温和，对于药物和高分 子溶解性的要求都不是很高。将蛋白、多肽类药物的冻干粉和赋形剂加入 到高分子的有机溶剂中超声混匀，通过喷嘴以雾状喷至液氮中，使蛋白、 多肽类药物迅速冷冻固化，再将所得颗粒冷冻干燥，去除有机溶剂后即得。 该法为一步成球，方法简便快捷，但制得流通性球形粉末的条件较苛刻， 重现性差。而且，微球有可能吸附在喷雾干燥设备的内部，造成大量损失， 而且微球也易发生聚集。 3 相分离法【砷】 通过在高分子的有机溶剂溶液中加入第三种物质，降低高分子的溶解 度而制备微球。其微球形成过程主要有以下三个过程：高分子溶液发生相 分离，高分子聚合后吸附到药物，表面微球的固化。其主要操作如下：高 分子首先溶于有机溶剂中，蛋白质、多肽类药物溶于水后在高速搅拌下分 散于高分子溶液中形成乳液，一种非溶剂在搅拌下加入到此系统中，结果 高分子发生相分离，形成包有药物的凝聚小液滴，其大小由搅拌速度控制。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 然后再转移到另一大体积的非溶剂中，固化微球，收集，干燥。此种方法 是一种非水的制备方法，尤其适于油一水相界面易失活的蛋白质、多肽类药 物微球的制备。用该法制备药物微球，主要存在的问题是需用大量的有机 溶剂。 1 4 3 高分子微球的给药方式 1 4 3 1 动脉栓塞给药 将微球制剂选择性地注入动脉，栓塞于某些组织而使这些组织的病灶 缺氧、坏死的方法称为动脉栓塞给药。微球制剂用于肿瘤的栓塞化疗有两 大优点：微球对肿瘤毛细血管网的栓塞较为完全，直径大于1 2 z m 的微 球被一级毛细血管网所截获，直径更小的微球能到达毛细血管末梢；微 球中药物不断向肿瘤区域扩散，不但使肿瘤区的药物长时间地维持在较高 浓度水平，而且降低体循环中的药物浓度，故可提高药物生物利用度。 1 4 3 2 静脉注射给药 微球混悬液经静脉注射后，首先将与肺部毛细血管网接触，而肺部毛 细血管网的直径为3 - 1 1 【m ，因此大于3 z m 的微球将被肺有效截获。能穿 过毛细血管网的微小颗粒，静脉注射后在体内分布将不同于大颗粒微球。 众所周知，网状内皮系统能迅速捕获血循环中的外源性颗粒，因此，直径 小于3 z m 的微球静注后，主要集中于肝、脾等网状内皮系统丰富的组织， 利用其治疗肝、脾寄生虫、真菌感染和酶缺乏常能取得较为满意的疗效。 但是，这种被动靶向也存在一些问题，当所用药物毒性较大时，药物在网 状内皮系统富集可能产生更严重的毒副作用。 1 4 3 3 口服给药 口服给药最方便，应用普遍，但药物受消化管生理状况、药物性质及 进食等因素的复杂影响，使药物短时间内难以快速吸收。药物要经胃、小 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 肠、大肠的转运均经过门静脉运入肝脏，肝门静脉系统的血药浓度最高， 大量的药物将被肝脏灭活，失去药理作用，造成血中的有效浓度下降，此 为肝脏“首过效应 。微球制剂口服给药后能增加药物的生物利用度，其机 制是防止了胃肠道中酶类与药物的接触。因此，微球制剂也将可能成为多 糖、多肽类生物活性分子口服给药的有效剂型之一。 1 4 3 4 肺部给药 肺是开放性器官，与气道构成人类持续与外界进行气体交换的主要场 所。药物在支气管和肺内有着较大的吸收面积，人类肺泡总数多达5 6 x 1 0 8 个，吸收总表面积多达1 4 0 m 2 ；肺泡表面至毛细血管间的距离近约1 t m ， 给药的吸收过程所需的转运距离短，是药物吸收的良好场所。同时通过肺 的血流量大，每分钟约高达5 l 。巨大的吸收面积，丰富的毛细血管和极小 的转运距离，决定了肺部给药的迅速吸收，而且吸收后的药物直接进入血 液循环，嗝0 作用少，无肝脏首过效应，用药量少，有利于提高药物的生物 利用度。微球沉积于肺部可以延缓药物的释放，且可保护药物不受酶的水 解。通过工艺的优化，得到大小、形状和孔隙率符合要求的微球。当前， 生物可降解多孔微球作为肺部控释给药载体是人们研究的热点。 1 4 4 微球制剂的研究展望 活性药物采用特定的载体材料，通过特定的制备过程和操作条件，制 备出具有特定性质的微球，而药物和聚合物的物化性质以及微球的结构性 质共同决定了微球的性能。 微球的性能很大程度上取决于构成微球载体的化学物质和材料的特 性。在近年来，国内外的研究小组制备出了一系列的可降解高分子微球， 实现了对蛋白类活性药物的口服给药：2 0 0 0 年，b l a n c o 等采用喷雾干燥法 制备p l g a 微球，有效地包裹抗肿瘤药伐普肽，