（材料学专业论文）聚乙二醇单甲醚改性壳聚糖的制备及其性能研究.pdf

中文摘要 本文在课题组原有工作的基础上，用聚乙二醇单甲醚( m p e g ) 对壳聚糖进行 化学改性，制备了n c s g m p e g 接枝共聚物。采用f t - i r 、1 h - n m r 、d s c 等方法 对聚合物进行了表征，结果表明合成的聚合物具有预期的结构。聚合物 n c sgm p e g 具有明显的g e l s o l 相转变的性质；随着聚合物接枝度的减小和聚 合物浓度的增大，g e l s o l 相转变温度升高。同时该聚合物可以在水中自组装形成 纳米粒，经动态光散射、透射电镜分析表明制备的纳米粒呈球形，粒径约1 5 0n m 。 以5 氟尿嘧啶( 5 f u ) 和牛血清蛋白为模型药物进行体外释放实验，结果表明 该接枝聚合物的原位凝胶对小分子亲水性药物5 - f u 有一定的控释作用。但由于 聚合物凝胶的孔径较大，药物释放速度较快。对于牛血清蛋白的控释效果比较明 显，基本符合零级释放；同时释放速率和累积释放量受聚合物接枝度和浓度的影 响，随着接枝度和聚合物浓度的增大，药物的释放速率和累积释放量均减小。 同时我们也尝试了在羟基上对壳聚糖进行改性，改善其溶解性的同时又保留 其氨基官能团。制备得到了o c s g m p e g 接枝共聚物，由f t - i r 、1 h - n m r 分析 显示，聚乙二醇单甲醚确实与壳聚糖发生了接枝反应。但是因为氨基保护中过量 的邻苯二甲酸酐将壳聚糖上的羟基也保护了，使得反应的产率和接枝度都不高， 溶解性没有得到很大的改善。制备得到的聚合物可在水中自组装成为规整的纳米 粒结构，经动态光散射、透射电镜分析表明制备的纳米粒粒径约2 0 0n m ，呈规 则的球形；细胞毒性实验表明表明o c s g m p e g 纳米粒无细胞毒性，并且可能对 细胞的生长和增殖有一定的促进作用。 关键词：壳聚糖；聚乙二醇单甲醚；纳米粒：原位凝胶 a b s t r a c t n c s - g - m p e gw a sp r e p a r e df r o mm o d i f i e dc h i t o s a na n dm o n o m e t h o x yp o l y ( e t h y l e n e g l y c 0 1 ) n c s - g - m p e gw a sc h a r a c t e r i z e db yf t - i r ，1 h n m r ，d s c t h ea q u e o u sd i s p e r s i o no f n - c s g m p e g h a sg e l - s o l p h a s et r a n s i t i o np r o p e r t ya n dt h ep h a s et r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e i n c r e a s e sw i t hd e c r e a s i n go ft h eg r a f tr a t e ，i ta l s oa f f e c t e db yt h ec o n c e n t r a t i o no fc o p o l y m e r si n a q u e o u sd i s p e r s i o n g r a f t e dp o l y m e rn a n o p a r t i c l e sw e r ep r e p a r e d ，t h er e s u l t so fd y n a m i cl a s e r l i g h ts c a t t e r i n g ( d l s ) a n dt r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y ( t e m ) s h o wt h a tt h en a n o p a r t i c l e s a r eo fs p h e r i c a lm o r p h o l o g yw i t ht h es i z eo fa b o u tl5 0a m u s i n g5 - f l u o r o u r a c i l ( 5 - f u ) a n db o v i n es e r u ma l b u m i n ( b s a ) a sm o d e ld r u g s ， t h ei nv i t r oc o n t r o l l e dr e l e a s eo f d r u g l o a d e di ns i t uh y d r o g e lw a ss t u d i e d t h er e s u l t s i n d i c a t et h a tt h er e l e a s e o f5 - f l u o r o u r a c i li sv e r yf a s ta n dh a v es i g n i f i c a n t l yi n i t i a l b u r s t t h er e l e a s eo fb o v i n es e r u ma l b u m i nd i s p l a y saz e r o - o r d e rr e l e a s ep r o f i l e ，t h e r e l e a s er a t ea n da c c u m u l a t e dr e l e a s ea m o u n to fm o d e ld r u g sr e d u c ea sg r a f tr a t e i n c r e a s e s t h ea c c u m u l a t e dr e l e a s ea m o u n to fm o d e ld r u g si ns i t u h y d r o g e la l s o i n f l u e n c e db yt h ei n c r e a s e so fc o n c e n t r a t i o no fc o p o l y m e r si na q u e o u s i no r d e rt or e m a i nt h ef r e ea m i n og r o u p so n c h i t o s a n ，o - c s g - m p e gw a s p r e p a r e d t h eg r a f t e dp o l y m e rw a sc h a r a c t e r i z e db yf t - i r , 。h n m r ，d s c b u t u n f o r t u n a t e l y , t h eg r a f tr a t ei sv e r yl o w w ep r e p a r e do c sgm p e gn a n o p a r t i c l e s ， t h er e s u l t so fd y n a m i cl a s e r l i g h ts c a t t e r i n g ( d l s ) a n dt r a n s m i s s i o n e l e c t r o n m i c r o s c o p y ( t e m ) s h o wt h a tt h en a n o p a r t i c l e sa r eo fs p h e r i c a lm o r p h o l o g yw i t ht h e s i z eo fa b o u t10 0n m t h er e s u l t so f c y t o t o x i c i t ye x p e r i m e n t s i n d i c a t et h a t o - c s - g - m p e gn a n o p a r t i c l e sh a v en oc y t o t o x i c i t yt oc e l l s k e y w o r d s ：c h i t o s a n ，m o n o m e t h o x yp o l y ( e t h y l e n eg l y c 0 1 ) ，n a n o p a r t i c l e s ，i ns i t u h y d r o g e l 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，也不包含为获得苤鲞叁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：嗣旆榜 签字日期： 2 岬年爹月弓7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞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：j 习砗7 均 签字日期： 叫年争月弓f 日 导师签名：又i ；雅丐， 签字日期：加刁年r 月 第一章前言 第一章前言 甲壳素( c h i t i n ) 是自然界中仅次于纤维素的第二大生物衍生资源，壳聚糖 ( c h i t o s a n ) 是甲壳素的脱乙酰化产物。其价格低廉，具有良好的生物相容性，且 能被生物降解，降解产物无毒性；同时壳聚糖及其衍生物还具有许多独特的性质， 如抗菌性、抗微生物性、对重金属离子的螯合性、抗病毒性、抗癌性、促进伤口 愈合等。基于上述特点，壳聚糖在药物释放体系、伤口愈合材料、污水处理、重 金属回收、膜分离、化妆品、抗凝血药物、日用化工等方面均获得了广泛的应用。 聚乙二醇( p e g ) 是一种不带电荷的线性大分子，既可溶于水，又可溶于绝大 多数的有机溶剂。其具有无毒、免疫原性低的特点，其生物相容性也已经通过了 美国食品与药物管理局( f d a ) 认证。聚乙二醇还具有化学惰性，对绝大多数化学 反应稳定，但在活化后又易于和蛋白质等进行键合，将自身的许多优良性质赋予 修饰后的生物分子，故而聚乙二醇修饰( p e gm o d i f i c a t i o n ) 或称聚乙二醇化 ( p e g y l a t i o n ) 已成为一项新兴的热门技术。 在壳聚糖的改性研究中，本课题组做了大量的工作i l 叫：我们尝试过用邻苯 二甲酸酐对壳聚糖上的氨基进行保护，再用甲苯二异氰酸酯为偶联剂将聚乙二醇 单甲醚接枝到壳聚糖大分子链上，最后用水合联氨对氨基进行脱保护的方法。红 外光谱及溶解性测试均表明聚乙二醇单甲醚确实与壳聚糖发生了接枝反应。然 而，我们发现在对氨基的脱保护反应中，水合联氨将已被改性的羟基还原了，这 大大影响了最终产物的水溶性。我们还采用醛基化反应制备醛化聚乙二醇单甲 醚，利用壳聚糖上的氨基和醛基进行席夫( s h i f t ) 碱反应制得了梳形可分散于水的 聚乙二醇单甲醚接枝壳聚糖( c s g m p e g ) ，但产率非常低。 在本文中，我们尝试用新的方法对壳聚糖进行改性。分别制备了 n c s g m p e g 和0 c s g m p e g ，通过在直链壳聚糖分子上引入水溶性的聚乙二 醇侧链，破坏其分子链排列的规整性的同时削弱壳聚糖分子间氢键的作用，很好 的改善了壳聚糖溶解性差的缺点。并用红外、核磁、d s c 等手段表征聚合物结 构。同时研究了上述聚合物的凝胶性质和形成纳米粒的性质，考察不同接枝度的 凝胶给药系统的药物控制释放性能。 第二章文献综述 2 1 生物医用高分子材料 第二章文献综述 可生物降解高分子材料是指在生物或生物化学过程中能降解的高分子材料。 它在生物体内经水解、酶解等过程，逐渐降解成低相对分子质量化合物或单体， 降解产物能被排出体外或参加体内的正常代谢而消耗掉，因此可生物降解高分子 材料己广泛地应用于生物医学各领域中作为药物、激素、基因控制释放体系的载 体材料、体内埋植材料、神经导管材料、肠道吻合导管、骨支撑修复材料、外科 手术的伤口护膜材料【5 7 。随着医用高分子材料的产业化实施及其下游产品的开 发，必将给全人类带来福音，对人类的健康生活和社会发展具有极其重大意义。 可生物降解高分子材料作为医用材料具有能被动物和人体吸收代谢的特点， 与不可降解的聚合物药物缓释体系相比，主要具有以下优点： ( 1 ) 缓释速率主要由载体的降解速率控制，对药物性质的依赖较小，药物包 裹量和几何形状等参数的选择范围更广。 ( 2 ) 释放速率更为稳定。在扩散控制释放体系中，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。 ( 3 ) 更适于不稳定药物的释放要求。 2 1 1 多糖 甲壳素是目前研究最多的多糖类天然高分子，广泛存在于节足动物的甲壳和 细菌细胞壁中，分布极其广泛，在自然界的储量仅次于纤维素，具有多种生物活 性。由于其分子链上的氨基带有正电荷以及分子与基底膜和细胞外质基质中的糖 氨聚糖分子的结构相似，因此有助于相关细胞的黏附和组织的生长。壳聚糖具有 无毒性、无刺激性、可降解性和优良的生物相容性，是一类优良的医药材料，当 把它植入生物体内后，引起的生物组织反应小，且可被组织中的酶慢慢吸收，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l 出】。壳聚糖可 以跟很多聚合物材料混合从而提高其性能。 淀粉由直链淀粉和支链淀粉组成。前者是线性的，相对分子质量约为1 0 0 第二章文献综述 0 0 0 5 0 00 0 0 ；后者高度支化，相对分子质量高达数百万。支链淀粉的支链含有 约2 0 2 5 个葡萄糖单元。直链淀粉完全水解产物为d 葡萄糖。用c a 2 + 或表氯醇交 联形成网络结构将药物分子包裹于淀粉基质中，用作控释给药系统。酶降解对淀 粉结构和形态很敏感，因此，药物的释放取决于淀粉所形成的网络结构。 纤维素是d 葡萄糖以p 1 ，4 糖苷键组成的大分子多糖，相对分子质量约5 0 0 0 0 25 0 00 0 0 ，相当于3 0 0 1 50 0 0 个葡萄糖基。分子式可写作( c 6 h l 0 0 5 ) 。，是维 管束植物、地衣植物以及一部分藻类细胞壁的主要成分，是自然界中最丰富的可 再生资源，具有可生物降解性、安全性、亲水性，高溶胀性，是一种良好的生物 医用材料1 1 1 】。 海藻酸盐是一种多糖类化合物，常用的是海藻酸钠，可溶于水。因为海藻酸 钙不溶于水，因此海藻酸钠可用c a c l 2 固化成囊i 利用这一性质，人们把海藻酸 盐作为药物缓释制剂的骨架、包埋剂及微囊材料i l2 1 。 2 1 2 胶原蛋i 兰l ( c o l l a g e n ) 胶原蛋白或称胶原广泛存在于动物骨、腱、软骨和皮肤及其他结缔组织中， 约占哺乳动物总蛋白的1 3 ，是人体重要的细胞外基质部分。胶原具有良好生物 学特性，可作为组织的支持物，对细胞、组织乃至器官行使正常功能并对外伤修 复等有重大作用。 胶原蛋白具有以下特点：( 1 ) 良好的生物亲和性。( 2 ) 可消化吸收性。( 3 ) 经 处理可消除抗原性。( 4 ) 对组织恢复有促进作用。( 5 ) 无异物反应。( 6 ) 不致癌等。 因此，胶原蛋白广泛地应用于医学领域，如作为止血剂、硬脑膜代用品、血液透 析膜、血管代用品、心瓣膜、各种眼疾治疗装置、取代眼睛的玻璃体及药物缓释 载体、人工皮肤1 13 j 等。 2 1 3 脂肪族聚酯 可生物降解脂肪族聚酯中研究最多、应用最广的是聚羟基乙酸( p g a ) 、聚乳 酸( p l a ) 、聚己内酯( p c l ) 及它们的共聚物。大量的研究表明，脂属聚酯具有较好 的可生物降解性和生物相容性。其中，p g a 的结晶度、熔点较高，在有机溶剂 中的溶解度较低。早在1 9 7 0 年，p g a 医用缝合线己经商品化，商品名i l q d e x o n 。 由于p g a 的亲水性，d e x o n 的机械强度在体内耗损较快，一般只适用于2 - - - 4 星期 伤e l 就能愈合的外科手术【l4 1 。与p g a 比较，p l a 的亲水性和结晶度都较低。因乳 酸是手性分子，导致p l a 有四种形态，即p l l a 、p d l a 、d ，l p l a 以及m e s o p l a 。 p l l a 和p d l a 是半晶状高分子，机械强度较好，常用作医用缝合线和外科矫正材 料1 1 5 3 6 。d ，p l a 是无定型高分子，常用作药物控释载体。m e s o p l a 不常使用。 第二章文献综述 由于l p l a 的降解产物l 乳酸能被人体完全代谢，因此它具有无毒、无组织反应 的特殊优点，比d p l a 更具竞争力。起初人们只认识至u p c l 只能被微生物降解， 故大量作为包装材料使用，后来研究人员发现p c l 在生理条件下也能水解，因而 引发出其在医学领域的应用。与p g a 或p l a 比较，p c l 因结晶性太强其降解速率 要慢得多1 1 7 - 1 9 1 ，因此p c l 最适合作为长效植入药物的控释载体。 2 1 4 聚氰基丙烯酸烷基l 旨( p o l y c y a n o a c r y l a t e ) 聚氰基丙烯酸酯( p a c a ) 是一种可生物降解的材料，长期用作人体骨骼的修 复剂。氰基丙烯酸烷基酯在温和的条件下就能够聚合，所得到的聚合物p a c a 极 易降解，在体内数天就可以消除，其降解速率随烷基碳原子数的增加而降低。 p a c a 包括甲、乙、丁、异丁和己酯，其中，甲、乙酯有一定的毒性，丁酯由于 具有降解速率慢、毒性小和体内耐受性好等优点而受到重视。p a c a 的降解速率 很快，最终从人体内排泄，不用担心给人体带来不利的影响。 2 1 5 聚磷腈( p o l y p h o s p h a z e n e ) 禾l ：l 聚磷酸酯( p o l y p h o s p h o e s t e r ) 聚磷腈是一族由交替的氮、磷原子以交替的单键、双键构成主链的高分子。 与上述几种可生物降解聚合物相比，聚磷腈具有独特的性能和降解动力学，这是 因为聚磷腈具有独特的磷氮骨架和显著的合成多样性，侧链降解而不是主链降 解，水解最终产物为磷酸、氨、氨基酸和乙醇等无毒物质。聚磷腈主要是通过聚 二氯磷腈来合成。未交联的聚二氯磷腈上的氯原子活性较高，易被烷氧基、胺基 等取代，因此，可通过侧基结构的变化和组合，调节聚磷腈降解的速度、控制药 物释放的速度，还可通过生物大分子及其组合体在聚磷腈表面的固定化，达到生 物功能化和生物智能化的目的，这些都是其它生物高分子材料所不及的。 聚磷酸酯是把磷酸酯接到聚氨酯上生成保持聚氨酯固有机械性能的可降解 材料。在生理条件下，聚合物的磷酸酯键断裂，水解生成磷酸盐、氨、乙醇、二 氧化碳。磷的五价为进一步官能化提供了可能性。药物释放机理是扩散、溶胀、 降解的结合。 2 1 6 聚原酸n 旨( p o l y ( o r t h oe s t e r ) ) 聚原酸酯( p o e ) 是多元原酸或多元原酸酯与多元醇在无水条件下缩合形成原 酸酯键而得到，为疏水性聚合物，不溶于水，在水溶液中也不发生溶胀，可溶于 环己烷、四氢呋喃等有机溶剂。p o e 主链上含有遇酸不稳定的原酸酯键。在水环 境下，p o e 水解生成低分子酯和二元醇单体，酯进一步水解生成醇和酸。在基材 第二章文献综述 中引入酸或碱赋形剂可调节p o e 的水解，加入酸赋形剂如辛二酸可增大水解速 率；加入碱赋形剂则使基材稳定。p o e 的降解过程主要发生在材料表面，为表面 侵蚀，因此p o e 为药物载体时，药物的释放并不遵循扩散机理，而是受聚合物表 面侵蚀速率控制2 0 1 。 2 1 7 聚酰胺 酯键易于体内发生水解，而酰胺键具有很好的化学稳定性，甚至在强酸或强 碱下也难于水解。酰胺键在体内只能通过酰胺酶酶解。在聚酰胺主链中引入易于 水解的化学键( 脂肪酯键) 制得的聚酯酰胺可应用于生物医学领域。含有酯链段 的聚谷氨酸( p o l y g l u t a m a t e s ) 可用于药物缓释体系【2 1 1 。这类聚合物为无定型结构， 并可在低温下浓缩，如聚( 叔丁基碳氧羰甲基) 谷氨酸 ( p o l y ( t e r t b u t y l o x y c a r b o n y l m e t h y l ) g l u t a m a t e s ) 。其降解过程为：含叔丁基的侧链先 水解形成可溶性聚合物，继而主链在亮氨酸氨肽酶的作用下降解。此聚合物的疏 水性随酯链段含量的增加而增加。 2 1 8 聚也舡氨基酸 三一a 氨基酸是蛋白质水解的最后产物，生物技术的发展已使许多l 一伍氨基酸 可以成为合成聚- l q 氨基酸的原料。但由于降解产物具有抗原活性，使聚- l q 氨基酸直接在人体内使用受到了限制。近年来，人们经过适当的转化，把l a 氨基酸转化为适当的高分子单体，采用经典的高分子聚合方法制备出较高相对分 子质量的可生物吸收的聚- l a 氨基酸衍生物，用于药物控释领域。聚氨基酸中酰 胺键内在的水解稳定性使聚合物的降解需要酶的催化作用。这种依赖性导致药物 在体内的释放效果比较差。聚氨基酸的降解速率依赖氨基酸的亲水性，随着聚氨 基酸的降解，聚氨基酸逐渐亲水。 2 1 9 聚酸酐( p o l y a n h y d r i d e s ) 聚酸酐可用作给药系统的生物降解性载体材料，在水性介质中水解生成二元 羧酸。二十世纪三十年代采用脂肪族二元酸为单体合成聚酸酐，用作纺织材料。 五六十年代，合成了许多芳香族和杂环的聚酸酐。七十年代，以美国麻省理工大 学教授r o b e r tl a n g e r 为首的研究小组开始了聚酸酐药物控制释放材料的研刭2 2 】。 采用聚酸酐制成的植入剂已用于治疗脑瘤和慢性骨科疾病。聚酸酐的降解属于表 面降解机制，且降解速率较大。影响聚酸酐降解因素很多，这些因素包括制备聚 酸酐所用单体的化学性质、疏水性、载药量、介质p h 值、植入剂形状和尺寸、 第二章文献综述 植入剂与水接触难易程度等。 2 2 药物控释制剂 近年来，可生物降解高分子材料作为药物控释载体的研究十分活跃，并越来 越受到人们的重视。药物缓控释制剂与以往的第一、二代药物制剂相比有着巨大 的进步。第一、二代药物剂型无论口服或注射，药物浓度起伏很大，有“峰谷” 现象，给药后血药浓度过高时，可能产生副作用，甚至中毒；血药浓度低于有效 浓度时，又不能呈现疗效，需要多次服药或注射，给病人带来不便和痛苦。 药物控释制剂能够选择性地到达特定的靶位置，较长时间内持续稳定浓度的 释放药物，很好的解决了上述问题。目前，药物控释制剂的主要给药形式是：体 内植入型圆形片剂或圆柱形药捧、微囊化药物制剂、原位凝胶制剂等。 2 2 1 原位凝胶制剂 原位凝胶( i ns i t ug e l ) 是指以溶液状态给药后立即在用药部位发生相转变，形 成非化学交联的半固体制剂。原位凝胶具有凝胶制剂的亲水性三维网络结构及良 好的组织相容性，同时，独特的溶液凝胶转变性质使其兼有制备简单、使用方 便、与用药部位特别是黏膜组织亲和力强、滞留时间长等优点，加之广泛的用途 和良好的控制释药性能，原位凝胶给药系统已成为药剂学领域的一个研究热点。 原位凝胶的形成机制是利用高分子材料对外界刺激的响应，使聚合物在生理 条件下发生分散状态或构象的可逆变化，完成由溶液向凝胶的转化过程。根据响 应机制的不同可分为温度、离子强度或p h 敏感型原位凝胶等。 ( 1 ) 温度敏感型原位凝胶 温敏型原位凝胶是目前研究最为广泛的一种敏感型凝胶，这些聚合物在结构 上均包含一定比例的疏水和亲水嵌段，其温度敏感的胶凝行为多与不同性质的嵌 段间和嵌段与溶剂间的相互作用有关。 温度敏感型原位凝胶研究最多的是：泊洛沙姆 2 3 , 2 4 。泊洛沙姆为由聚氧乙烯 ( p e o ) 和聚氧丙烯( p p o ) 组成的嵌段共聚物。聚乙二醇嵌段共聚物，聚乙二醇( p e g ) 与聚乳酸( p l a ) 【2 5 - 2 7 1 、乳酸羟基乙酸共聚物( p l g a ) 2 8 - 3 0 】或聚己内酯( p c l ) 形成 的嵌段共聚物 3 1 - 3 3 】，其温度敏感型原位凝胶的凝胶温度与共聚物中亲水性p e g 嵌段和可生物降解的疏水嵌段的长度和比例有密切关系。 ( 2 ) 离子敏感的原位凝胶 体液含有多种离子和蛋白，某些多糖类衍生物能够与其中的阳离子络合而改 变构象，在用药部位形成凝胶。如海藻酸盐等。 第二章文献综述 ( 3 ) p h 敏感的原位凝胶 通过改变高分子溶液的p h 值能够诱发某些聚合物胶凝。此类聚合物分子骨 架中均含有大量的可解离基团，其凝胶行为是电荷间的排斥作用导致分子链伸展 与相互缠结的结果。这类聚合物有醋酸纤维素酞酸酯和丙烯酸聚合物等。 2 2 2 微囊化制剂 微囊化药物制剂主要以注射方式给药，包括静脉注射、皮下、肌内注射等， 还有口服、鼻腔给药等方式 3 4 , 3 5 1 。 微粒和纳米粒药物主要被网状上皮细胞丰富的肝、脾、肺、骨髓等吸收，作 为外来异物被巨噬细胞吞噬，有些颗粒能被溶酶体中的酶系攻击，导致其裂解并 释放药物。颗粒的粒径直接影响其体内分布，比如粒径小于5 岬的微粒可以通 过肺，粒径小于3 0 0n m 的纳米粒子可以进入血液循环，粒径小于1 0 0n m 的纳米 粒能进入骨髓，纳米粒系统更容易通过胃、肠粘膜和鼻腔粘膜，甚至皮肤的角质 层，使口服、鼻腔给药和透皮吸收的生物利用度得以提高。 纳米给药系统可以通过一定的化学或生物修饰，可以把药物运送到特定的组 织细胞内进行释放，而在其它部位不释放，即实现靶向给药。纳米控释系统可以 大大提高药物的生物利用度，减少毒副作用，如果能直接到达病变细胞内释放， 则不会损害好的细胞，达到更好的治疗效果。因此，纳米控释系统主要用于毒副 作用大，生物半衰期短，易被生物酶降解的药物的给药。 2 2 3 体内植入型片剂或药棒 体内植入型片剂或药棒是将可降解的聚合物与合适剂量的药物混合成型制 成，通过聚合物的降解，药物不断的释放出来1 3 6 1 。其具体成型方法有： ( 1 ) 压模成型 可降解聚合物和药物共溶于溶剂后形成溶液，经喷雾干燥，形成粒度极小的 固体粉末，用液压机在极高的压力下，在活塞形模具内压成圆片，由于在室温下 进行，避免了药物和聚合物之间的相互作用，特别适合于热不稳定性药物的成型。 此法制成的片剂具有很好的释药重现性。现已获f d a 批准应用于临床治疗复发 脑胶质瘤的新药b c n u p ( c p p s a ) 控释片g l i a d e l ，由于b c n u 的热稳定性差， 即是以二氯甲烷为溶剂采用此法成型。也可以将药物和聚合物经物理混合研碎形 成粉末，压模成型后的片剂药物释放的重现性差，有时存在突释效应，这主要是 药物在聚合物中分布不均匀和药物粒度不均引起。 ( 2 ) 熔融成型 熔融成型即是将聚酸酐和药物采用溶剂共溶或物理混合研碎形成的固体粉 第二章文献综述 末，在高于聚合物熔点l o 。c 左右熔融，然后注射成型或注入模具后，在极低的 压力下压模成型。此法依模具的几何形状和规格大小，可制成各种几何形状和尺 寸的剂型，制成的制剂药物分布均匀、结构致密、机械强度好，特别适合体内长 时间持续给药，并具有很好的释药重现性。熔融成型由于在加热条件下进行，热 敏感性药物和聚合物熔点过高均不适合采用此法成型。 2 3 壳聚糖 2 3 1 壳聚糖的应用 2 3 1 1 壳聚糖在医药领域的应用 壳聚糖是一种天然、无毒、可生物降解的氨基多糖，与机体之间有良好的相 容性。从结构上看壳聚糖与细菌细胞壁上的肽聚糖有相似之处，都是通过1 3 1 ，4 糖苷键连接的多糖聚合物，可被体内存在的溶菌酶、水解酶等降解成低分子壳寡 糖和葡萄糖胺，其分解产物对人类健康无害。近年来，随着新型药物传递系统的 发展，壳聚糖成为应用广泛的新型辅料。用壳聚糖制备的靶向制剂具有靶向释放 药物、降低药物毒副作用、增加药物吸收、提高药物生物利用度以及提高药物的 稳定性、改变给药途径等特点，因此，壳聚糖在靶向给药系统中有广阔的应用前 景 3 7 - 3 9 】。 2 3 1 2 壳聚糖在食品工业中的应用 壳聚糖在食品工业中的作用主要作为保鲜剂和抗菌防腐剂。目前的研究表 明，用壳聚糖在果蔬上涂膜后，所形成的膜具有一定的隔氧性和阻水汽性，可以 调节果蔬的生理代谢，达到保鲜的效果；而壳聚糖作为抗菌防腐剂的原因则在于 它是一种带正电荷的高分子离子化合物，在微酸性环境中具有较强的抗菌抑菌作 用【4 0 】。 2 3 1 3 壳聚糖在造纸工业中的应用 壳聚糖是线性大分子，相对分子质量大，具有成膜能力，分子链上有大量正 电荷中心和羟基，在造纸中主要是用作增干强剂、增湿强剂、助留剂和絮凝剂【4 1 1 。 2 314 壳聚糖在纺织工业中的应用 作为低等动物组织中的纤维成份，壳聚糖分子中存有大量的氨基和羟基，可 以通过化学反应在其上引入各种功能基团进行化学修饰，表现出了极高的应用价 第二章文献综述 值和广泛的发展前景，是种新型的多功能织物整理剂，在印染、抗折皱、防毡 缩、抗菌和纤维滤嘴等方面应用广泛【4 2 1 。 2 3 1 5 壳聚糖在环保中的应用 壳聚糖对金属离子络合吸附，使其在废水处理中作为金属离子的螯合剂和活 性污泥絮凝剂而得到广泛应用【4 3 1 。含镉废水是世界上危害较大的工业废水之一。 采用壳聚糖作吸附剂，可有效除去水中微量的镉( i i ) ，即使有铅( ) 、锌( ) 存在 时，对镉的吸附也很强，而且不易造成二次污染，采用壳聚糖作吸附剂是一种很 有前途的方法。李琼等 4 4 1 研究了壳聚糖对c u 2 + 的吸附特性，考察y c u 2 + 的浓度、 壳聚糖用量、吸附时间以及体系p h 等不同的吸附条件下，壳聚糖对废水中c u 2 + 的 吸附效果，有望找到一种处理含铜废水的新途径。 2 3 2 壳聚糖的改性 作为天然氨基多糖，壳聚糖具有良好的生物相容性和生物可降解性，是种 引人注目的生物大分子材料。近年来，人们应用各种方法对其进行改性以开发其 潜在的应用价值。壳聚糖的改性按方法分为物理改性和化学改性，按应用划分为 溶解性增进改性、生化性质改性等。 甲壳素壳聚糖是分子结构规整的线型高分子，结晶度高，使得溶解性非常 差。既不溶于水，也不溶于普通的有机溶剂，从而制约了它们的广泛应用。壳聚 糖只溶于稀酸水溶液中，虽然近来也有溶于c 0 2 水溶液的报道，却对其进一步的 化学改性研究很不利。但甲壳素和壳聚糖的分子中存在羟基和氨基，通过化学改 性可在重复单元上引入不同基团。这些衍生物的制备，一方面可改善它们的溶解 性能，更重要的是不同取代基的引入可赋予甲壳素和壳聚糖更多的功能。因此， 对甲壳素和壳聚糖进行化学改性是甲壳素化学研究中最活跃的领域之一。这方面 的研究主要有以下几方面的研究进展。 2 3 2 1 分子链上引入体积大的侧基 甲壳素与壳聚糖的溶解性问题的产生，是因为它们分子结构规整，存在分子 内氢键，易于结晶。如果破坏这种规整性，削弱分子内氢键，使其结晶度下降， 便具有一定的溶解性。n i s h i m u r a 等【4 5 】在壳聚糖分子链上引入体积较大的侧基， 如苯甲酰基( p h t h ) 、对甲苯磺酰基( t s ) 、三苯甲基( t r - ) 和乙酰基( a e ) 等，使它们 有了一定的溶解性，能溶于，二甲基甲酰胺( d m f ) 、n ，二甲基乙酰胺 ( d m a c ) 、二甲亚砜( d m s o ) 、吡啶( p y r ) ，甚至能溶于低沸点溶剂二氯甲烷和氯仿 中。 生物医学领域更感兴趣的是它们的水溶性，因为只有水溶性化才能使之进入 第二章文献综述 细胞液中发挥其功能作用。有报道采用改性的水溶性甲壳素，比壳聚糖和甲壳素 更有利于伤口的愈合，且形成的皮肤张力强度高，不出现伤痕。在与壳聚糖偶联 的抗癌前体药物中，水溶性前体药物的缓释效果优于水不溶性的药物。 2 3 2 2 引入低分子亲水性基团 为解决溶解性，除了破坏分子链的结构规整性外，还可用引入亲水性基团的 方法，实现水溶性化。这主要包括引入低分子亲水性基团和接枝水溶性聚合物两 种方法。 研究较早的是在碱性条件下，和一氯乙酸进行羧甲基化。水溶性的多羧甲基 多糖具有免疫调节作用，还具有促进细胞生长、抗心率失常等生物活性【4 6 】。用环 氧丙烷在氢氧化钠催化下进行羟丙基化，达至i j d s 0 3 0 时，壳聚糖即可完全溶于 水中。与甲壳素羟丙基化取代主要发生在c s 位羟基上不同的是，壳聚糖的取代反 应主要发生在c 2 位的- n h 2 上【4 7 1 。s a s h i w a 等 4 8 】用唾液酸( s i a l i ca c i d ) 与壳聚糖进行 取代反应，当d s 0 5 3 时，它是一种水溶性物质，且具有免疫活性，显示出了抗 流感病毒活性。唾液酸是一种单糖，出现在许多寡聚糖链的终端，是与受体相作 用的主要残基之一【4 9 1 。有趣的是，壳聚糖具有抗微生物性，其机理【5 0 1 也与唾液 酸有关，据认为是：a 阳离子性质的壳聚糖与磷酯中的唾液酸相结合，从而妨 碍了微生物中的物质运动；b 低聚壳聚糖能渗透进微生物细胞中，从而抑制它 的生长。 2 3 2 3 接枝水溶性的聚合物 接枝共聚是甲壳素和壳聚糖改性的重要方法之一，它可以通过引入高分子侧 链赋予甲壳素和壳聚糖以某些新的优异性能。对甲壳素、壳聚糖进行接枝共聚改 性反应主要有两条途径：( 1 ) 在上述高分子的骨架上产生大分子自由基进而引发 另一种单体聚合；( 2 ) 通过上述高分子分子链上的反应性官能团与其它的聚合物 分子链偶合。 2 3 2 4 自由基引发的接枝反应 通过引发剂引发、光引发或热引发等方式在壳聚糖和甲壳素的分子链上产生 大分子自由基，可以引发乙烯基单体进行接枝共聚反应。 在各种引发体系中，c e 4 + 的引发效率最高，对其引发的接枝共聚反应也研究 最多；过硫酸盐、f e n t o n 试剂引发体系也有较高的引发效率；而三正丁基硼烷、 偶氮二异丁腈等引发体系的引发效率较低，较少使用；光引发、热引发的接枝共 聚反应则主要在纤维的表面进行。 第二章文献综述 2 3 2 5 偶合接枝反应 以壳聚糖主链上的氨基和羟基等反应性官能团，采用偶合的方式与其它末端 带有反应性官能团的聚合物反应是一种重要的接枝共聚改性途径。 聚乙二醇( p e g ) 是一种能够溶于水和多种溶剂中，具有良好的生物相容性和 可降解性的聚醚型聚合物。将甲壳素和壳聚糖与p e g 接枝共聚，可以将它们的 优异性能有效结合，产物适于用作生物医用材料。 p e g 与壳聚糖接枝时，一般使用单羟基聚乙二醇，先将羟基活化，如将羟基 氧化成醛基【5 ，或转化为异氰酸酯基【5 2 1 、硝基苯羰氧基、马来酰亚胺基、乙烯 磺酰基【5 3 】等。壳聚糖g p e g 产物溶于水、乙醇中( 但完全干燥后只能被溶胀) ，能 被吡啶、d m f 和d m s o 溶胀。随着p e g 分子量的提高，其溶解性应变得更好。不 过，分子量超过1 0 0 0 时，p e g 本身是一种固体，在羟基转换为异氰酸酯的活化 过程中，其操作性不如液态p e g 方便。用两端都带羟基的p e g 活化后作为交联剂， 低度交联时，可得到水溶性的产物，但冷冻干燥后，就不溶于水，而膨胀成海绵 状材料，这种材料与细胞有很好的相容性1 5 4 1 。 h a r r i s 掣5 5j 通过端醛基聚乙二醇单甲醚与壳聚糖分子链上的氨基进行席夫碱 反应后，以n a b h 3 c n 还原制得了壳聚糖g p e g 。s u g i m o t o 掣5 6 j 对用这种方法制 得的各种壳聚糖g p e g 的水溶性进行了研究，几乎所有的接枝产物在酸性情况下 都可溶，甚至有些产物在中性和碱性条件下也可溶解，材料的溶解性能取决于 p e g 的分子量和取代度等，将接枝产物乙酰化后可获得水溶性的产物。m u s l i m 等 m 对采用这种方法制得的壳聚糖g p e g 作为生物材料的活性进行了研究。a i b a 等采用氰尿酰氯活化的聚乙二醇单甲醚与壳聚糖反应制得了壳聚糖g m p e g 。 p a r k 等1 5 8 用琥珀酸活化聚乙二醇单甲醚，与半乳糖化壳聚糖进行接枝，以改善半 乳糖化壳聚糖在水中的稳定性，增强细胞渗透性，该产物是肝细胞靶向d n a 的一 种安全无毒载体。o u c h i 等【5 9 】将端羧基聚乙二醇单甲醚与6 - 0 三苯甲基壳聚糖进 行接枝，由于分子间氢键的相互作用，产物在水中有自发聚集现象，在中性条件 下由于自发聚集作用可包裹憎水性的- 苯基1 萘胺( p n a ) ，而在酸性条件下可释 放，接枝共聚物可作为药物释放的载体材料。h o f f m a n 等【删以对硝基o 苯基碳 酸酯活化p e o p p o p e o 三嵌段聚醚与壳聚糖进行接枝，产物可作为缓释药物载 体。 k w e n o 掣引】将水溶性的聚乙烯醇( p v a ) 与壳聚糖接枝共聚，产物对抗癌药物 泼尼松( p e r d n i s o l o n e ) 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。对维生素b 2 的释放行为研究 也发现了类似的规律。他们还研究了壳聚糖接枝水溶性聚乙烯醇( p v a ) 的溶解性 和机械性能，并用抗癌药物脱氢皮质醇作为模型药物进行缓释行为的研究。单纯 第二章文献综述 的壳聚糖作为药物载体，溶解性差，p h 值依赖性过强，机械性能不好等，而接 枝p v a 后，大大改善了对药物的释放行为。 y a l p a n i - 等 6 2 】将端羧基的聚( b 羟基烷基酸酯) 接枝到壳聚糖的分子链上。p a r k 等将葡聚糖接枝到半乳糖化的壳聚糖上作为肝细胞靶向d n a 载体。k i m 等在紫外 光的照射下，使环氧端基聚二甲基硅氧烷与壳聚糖接枝共聚，制得了对p h 值敏 感的水凝胶。 p a r k 笔f 1 6 3 】采用n 羟基t - - 酰i 按( 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。 但并非接枝了水溶性物质，就一定能改善溶解性。k i m 等晔】报道，壳聚糖接 枝或混合聚0 v - 异丙基丙烯酰胺) ( p n i p a a m ) 。p n i p a a m 本身溶于水、甲醇、二氧 六环、醋酸和甲酸，壳聚糖则只溶于其中的醋酸和甲酸，但二者接枝或混合后溶 解性大为减弱，不溶子水和常见有机溶剂，也不溶于醋酸，只溶于甲酸，原因是 形成了新的分子内、分子间氢键。 2 3 2 6 低聚糖化 解决壳聚糖的水不溶性，拓展它的应用范围，另一方法是使之低聚糖化，降 低分子量，使之溶于水中。分子量低于8 0 0 0 的，可全溶于水，用作具有一定生理 功能的保健品。低聚糖化有许多方法，如化学法1 6 5 1 、酶法和糖基转移法【矧。最 早实现工业化的是酸降解法，不过分子量分布、降解过程都难于控制。近年来有 研究报道采用过氧化氢降解法，在2 醋酸或水中，以可控的方式降解制得水溶 性壳聚糖【67 1 ，但尚未工业化。酶解法，条件温和，过程与产物分子量分布较易控 制，目前已有多种酶可用于壳聚糖降解。 2 3 2 7 超支化 壳聚糖不溶于水是由于分子结构规整，存在众多的分子间和分子内氢键，如 果能将直链的壳聚糖支链化，破坏其规整性，使结晶程度下降，结果又如何呢? 日本学者k u r i t a 掣6 8 】采用全化学合成方法，得到了支化甲壳素壳聚糖，实现了水 溶性化。 支化壳聚糖实现了水溶。超支化合物或称树枝状化合物，目前正在蓬勃发展 中。这类化合物是不可能结晶的，从而赋予较好的溶解性。超支化合物具有很大 的吸引力，不仅仅因为它的溶解性、超高官能度能使之成为药物、新型的糖缀合 物、探针、催化剂的载体骨架，另外还因为它们的棒形构象并形成纳米结构。 第二章文献综述 s a s h i w a 和r o y 等【6 9 】研制了超支化聚合物接枝壳聚糖。先以五倍子酸为中心，以三 缩乙二醇为连接骨架，合成出唾液酸树枝状化合物；再将该树枝状物键接到壳聚 糖链上。这类新型的杂化物是水溶性的。当然，将超支化化合物整体作为一个侧 基考虑，当支化代数( g e n e r a t i o n ) 较低时，基团体积较小，与壳聚糖反应空间位阻 较小，能达到较高的取代度，因而产物溶于水；但当支化代数较高时，它超庞大 的体积，妨碍了它同壳聚糖间的反应，使取代度大为下降，从而使产物不溶于水。 因此对高代数的超支化合物接枝的壳聚糖，尚须采用其它手段，才能解决水溶性 问题，如s a s h i w a 掣7 0 】，用琥珀酰保护壳聚糖的氨基，对高代数超支化合物接枝 的壳聚糖，脱去保护基团后，再丁二羧酰化，即实现水溶性。 2 4 壳聚糖原位凝胶系统 壳聚糖( c h i t o s a n ，c s ) 是自然界唯一大量存在的碱性多糖，生物毒性小，具 有良好的组织相容性、生物可降解性和黏附性，在医学、生物学领域得到了深入 的研究和广泛的应用 7 1 - 7 5 】，是一种理想的医用植入材料 7 6 , 77 1 。但在一般情况下， 壳聚糖只溶于酸性水溶液中，在中性或碱性溶液中可形成类似凝胶的沉淀，该过 程与温度关系不大。但近年来研究发现，通过加入碱性