（高分子化学与物理专业论文）热敏水凝胶的制备及其性能的研究.pdf

摘要 聚n 异丙基丙烯酰胺( p n i p a ) 水凝胶具有温度敏感特性，人们可以利用这 一特性在一定温度释放出预先溶涨在凝胶中的物质，以达到分离、提纯物质的 效果。此外，这种温度敏感水凝胶还可广泛应用于药物缓释、活性酶的包埋、 化学反应的控制、记忆元件开关等。 壳聚糖具有无毒、无味、生物可降解和生物相容性等特性，它们被广泛应 用于纺织、印染、污水处理、生物医药、食品、造纸、日用化工等许多领域， 国内外已进行了较为深入的研究。 本文应用接枝共聚反应使n i p a 与壳聚糖接枝共聚，从而得到结合了两种 物质优点的具有新功能与用途的新材料。具体工作包括以下几个方面： 首先，本文采用硝酸铈铵为引发剂使n ip _ a 与壳聚糖接枝共聚，制得了温 度敏感性的接枝产物，并测定了单体浓度、引发剂浓度和反应温度等对接枝反 应的影响。实验结果表明：以四价铈盐为引发剂壳聚糖与异丙基丙烯酰胺能 发生接枝共聚合反应。该接枝共聚体系的最佳反应条件是：反应温度4 0 ，引 发剂浓度o 0 8 m 0 1 几，壳聚糖浓度1 o g 1 0 0 m l ，单体( n i p a ) 浓度为o 5 m 0 1 l ， 接枝率最高可达2 6 。并用f t i r 表征了接枝产物的化学结构，用t g a 分析了 接枝物的热性能。但是接枝物并不具有明显的热敏现象。 其次，本文还研究了壳聚糖的降解。通过实验我们发现：y 射线对壳聚糖 的照射使壳聚糖发生了明显的降解反应，且随着辐射剂量的增加，壳聚糖的分 子量明显降低，当辐射剂量达到2 5 0 k g y 时，壳聚糖的分子量从9 7 0 0 0 下降到 1 5 4 8 7 。h z o 。降解效果比较显著，分子量有了大幅度的降低，而且分子量分布较 窄。 为了提高接枝反应的接枝率，本文首次用辐射接枝的方法制备了高接枝率的 壳聚糖接枝n i p a 的温度敏感水凝胶，并且研究了单体浓度和辐射剂量等对接枝反 应的影响。随单体与壳聚糖摩尔比的增加，接枝率与接枝效率皆呈上升趋势。在 单体与壳聚糖摩尔比为9 ：1 时接枝率可达6 2 0 ，接枝效率也高达9 8 比铈离 子引发接枝的方法高很多；在单体浓度一定的条件下，在3 1 0 k g y 的辐射剂量 下，接枝率和接枝效率随辐射剂量的增加而增加。我们采用n m r 和t g 表征了温 度敏感水凝胶的结构和热性能；用s e m 分析了温度敏感水凝胶的表面形态，从宏 观上表征了温度敏感水凝胶的相转变过程。采用。hn m r 方法测定了辐射法制备的 不同接枝率的温度敏感水凝胶的质子线宽、峰高随温度的变化，从分子水平e 研 究了温度敏感水凝胶的相转变过程，并且用这种方法测定了凝胶的l c s t 。通过凝 胶1 h n m r 的线型分析，研究了凝胶交联网络的结构非均匀性。 最后，本文把辐射方法制得的温度敏感水凝胶做为药物缓释材料，对模型 药物雌二醇进行了药物缓释实验。水凝胶的接枝率越高，其载药量越大。最高 载药量可达4 6 4 m g g g e l ，同时研究了温度、时间、接枝率对缓释曲线及释药 率的影响。实验结果为：在温度为2 5 ( l c s t ) 下，药物的释放要缓慢的多，1 2 h 释药率爿能接近9 5 。 关键词：壳聚糖，异丙基丙烯酰胺，接枝，温度敏感水凝胶，药物缓释 a b s t r a c t p o l y n i s o p r o p y l a c r y l 锄i d e( p n i p a ) i st h em o s t w i d e l y s t u d i e d t h e n o s e n s i t i v eh y d r o g e l s i t sv o l 啪ep h a s et r a n s i t i o ni sr e v e r s i b l e ，w h i c hl e dt o s o m ep o t e n t i a la p p i i c a l i o n ss u c ha st e m p e r a t u r es e n s o f s ，c o n t r o l l e dd r u g r e l e a s i n g d e v i c e s ，a r t i 6 c i a lm u s c l e s ，锄de n z y m e a c t i v i 谚c o n t r 0 1 c h i t o s a i li sc o n s i d e r e dt ob en o n t o x i c ，b i o d e g r a d a b l e ，a 1 1 db i o c o m p a t i b l e i th a s b e e nu s e da sa na n t i c o a g u l a n t ，aw o u n d - h e a l i n ga c c e l e r a t or a n dd r u gd e l i v e r y m a t e r i a l s i n t h i s p a p e r w e p r e p a r e d t h e m o s e n s i t i v e c o p 0 1 y m e r sb yg r a f t c o p o l y m e r i z a t i o no fn l p ao n t oc h i t o s a n 1 tc a nc o m b i n et h ee x c e l l e n tp r o p e m e so f b o t l lp n i p aa n dc h i t o s a n t h ed e t a i l e de x p e r i m e n t sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y ，w ep f e p a r e dg r a f t i n gc o p o l y m e r so fn i p aa n dc h i t o s a ni n i t i a t e db y a m m o n i u mc e cn i t r a t e t h ee f f 宅c t so fm o n o m e rc o n c e n t r a t i o n i n t i a t o r c o n c e n t r a t b na n dt e m p e r a t u r eo ng r a f t i n gp e r c e n t a g ea n dg r a 斑n ge m c i e n c yw e r e s t u d i e d t h e r e s u h si n d i c a t et h a tm eb e s te x p e r i m e n t a lc o n d i t i o ni s ：i n i t i a t o r c o n c e n t r a t i o ni so 0 8m 0 1 l ， c h i t o s a nc o n c e n t r a t i o ni s1 o 1 0 0m 1 ，n i p a c o n c e n t r a t i o ni s0 5m o l l t h eg r a f t i n gc o p o l y m e rw a sc h a r a c t e r i z e db yf t - i ra n d t g a s e c o n d ly ，w ei n v e s t i g a t e dt h ed e f a d a t i o no fc h i t o s a nb yy r a d i a t i o na 王1 d 1 1 y d r o g e np e r o x i d e t h em o l e c u l a rw e i 曲td e c r e a s e da st h ei r r a d i a t i o nd o s ei n c r e a s e d ， i td e c r e a s e d 厅o m9 7 0 0 0t ol5 4 8 7ino u r se x p e r i m a n t s t h ed e g r a d a t i o no f c h i t o s a n b yh y d r o g e np e r o x i d ew a sb e t t e r ， t h em o j e c u l a rw e i g h tw a sl e s st h a n2 0 0 0 ，a n dt h e p d i i sa b o u t l 2 t h i r d l y ，t h e m l o s e n s i t i v eh y d r o g e l sw i t l ll l i 曲g r a 盘i n gp e r c e n t a g e 、v e r ep r e p a r e d b a s e do nc h i t o s a ng r a 丘e dn i s o p r o p y l a c r y l 锄i d ev 出邮c o 丫r a d i a t i o n t h ee f 弛c t so f m o n d m e rc o n c e n n a t i o na n di r r a d i a t i o nd o s eo ng r a f t i n gp e r c e n t a g ea n dg r a r i n g e f f i c i e n c yw e r es t u d i e d t h e r e ；sa ni n c r e a s ei nt h eg r a r i n g p e r c e n t a g ea n dg m f t i n g e m c i e n c yw i t hi n c r e a s i n gm o n 。m e rc o n c e n t r a t i o n t h er e s u l t se x h i b i t e da ni n c r e a s e i ng r a r i n gp e r c c n t a g ea n dg r a n i n ge f ：f i c i e n c yw i t ht h ei n c r e a s ei nt h ed o s er a n g e 靠o m3t o1 0k g y t h eh y d r o g e l sw e r ec h a r a c t e r i z e db y cn m ra n dt gt h e s u r f a c em o f p h 。】o g yo ft h eh y d r o g e ls a m p l e sw a so b s e “e db ys c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p e ( s e m ) t h ev o l 岫ep h a s et m n s i t i o na n dc r i t i c a lp h e n o m e n o no ft h e s e e q 砸i i b r i u ms w o l l e nt h e r m o r e v e r s i b l eh y 出o g e i sw e r ei n v e s t i g a t e db yq u a l l t i t a t i v e l h l i q u i d s t a t en m rs p e c c r o s c o p yt om o n i t o rt h ep h a s et r a n s i t i o np m c e s sa t m o i e c u i a ri e v e l ，w h i c hc a nb eu s e dt oe s t i m a t et h el c s t f i n a l ly t h ed r u gr e 】e a s eo fe s t r o d j a l 、v a s i n v e s t i g a t e d t h ed r u g 】o a d j n g c a p a c i t yi n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go ft h eg r a f t i n gp e r c e n t a g e t h eh i g h e s td r u g i o a d i n gc a p a c i t yw a s4 6 4 m g g g e i t h et e m p e r a t u r ei n f l u e n c e dt h ec o n t r o i l e dd “1 9 r e l e a s ep m p e n i e so f t h eh y d r o g e l s w h e nt h et e m p e r a t u r ew a s2 5 ( l c s t ) ，t h eh y d r o g e l s w e r e i n a s h r i n k a g es t a t e a n dd r u gr e l e a s e ds i o w l y ( r e l e a s e9 5 i n12 h ) k e y w o r d s ：c h i t o s a n ，n i p a ，t h e r m o s e n s i t i v e ，h y d m g e l ，g r 积，d r u gd e l i v e r y 第一童壳聚耱和热敏承凝股的研究进眨发揲题的提出 第一章壳聚糖和热敏水凝胶的研究 进展及课题的提出 1 1 壳聚糖的概况及其应用 1 1 1 甲壳素概述 甲壳索最早在1 8 1 1 年由法国人b r a c o n n o t 发现，1 8 2 3 年o d i e r 为其取名 甲壳素f l h 甲壳素( c h i t i n ) 学名：( 1 ，4 ) 一2 一乙酰氨基一2 一脱氧一b d 一葡聚糖( 如图1 1 所示) ，广泛存在蟹、虾和昆虫等节肢动物的外壳和藻类、 真菌等低等植物中的细胞壁中。甲壳素为白色无定形固体，大约于2 7 0 分解。 凡是含有甲壳素的生物体都可用作制备甲壳素的原料。制备甲壳素的主要操作 是脱钙和脱蛋白，用稀盐酸浸泡虾、蟹壳时，壳中的碳酸钙等无机盐溶解，并 释放出二氧化碳气体。用稀碱液浸泡，可将壳中的蛋白质萃取出来也可用霉 水解除去蛋白质，这样最后剩余的部分就是甲壳索【2 ，如图1 2 所示。甲壳素 是地球上仅次于纤维素的天然生物高分子，自然界每年产量约在1 0 t 1 0 “t 【3 j ，甲壳素也是地球上除蛋白质外数量最大的含氮天然有机化合物。由于甲壳 素呈紧密的晶状结构f 4 ，分子中有乙酰氨基的存在，分子间形成很强的氢键， 因此不溶于水和普通的有机溶剂和试剂。这种难溶性质限制了甲壳素的充分利 用。 0 c h i t o s a n 圈1 1 甲壳素与壳聚糖的化学结构 i 国 第一章壳聚糖和热敏水凝胶的研究进展及谍题的提出 1 1 2 壳聚糖概述 甄料一+ 巫巫h 量夏p 坐兰叫量釜h 壶鞫+ 4 ，h c j8 ，n a o h + l 查釜i + 虚至量蛰+ l 三堕匿| + 三二习+ 甲亮膏 巾l 第：次政爱i + i 第= 摩t 煮卜- i 水穗至中性l + 1 燃千i + 甲亮奢 蹦1 2 甲嵩素制各方法倚图 1 8 5 9 年，r o u g e t f 5 1 在煮沸甲壳素溶液时，首次发现并报道了壳聚糖，这便是 甲壳素脱乙酰化的产物一壳聚糖，这在它的发展史上的确是一个飞跃。壳聚糖 学名：( 1 ，4 ) 一2 氨基一2 脱氧一一d 一葡聚糖( 如图1 1 所示) ，是甲壳 素部分脱乙酰化而得到的种直链大分子生物多糖。壳聚糖为白色粉末状固体， 约1 8 5 分解，是一种阳离子聚合物，非常有利于膜的形成。壳聚糖的来源丰 富，而且还具有生物相容性、生物可降解性和无毒性等优良特性。壳聚糖因为 分予中存在游离氨基，从而形成了许多独特的港在的新用途，如它们大多溶于 有机溶剂。与盐酸，醋酸等结合可溶于水丽形成凝胶，加之分子内可供修饰的 结构基团增多，可制备成各种各样的衍生物，从而进步拓宽了壳聚糖的应用 范围。 1 1 3 壳聚糖的应用 自8 0 年代以来，在全球范围内形成了甲壳素壳聚糖的开发研究热潮，各国 都加大了对甲壳索壳聚糖的开发研究力度，其中又以日本走在各国的前列。日 本政府曾投资6 0 亿日元委托数十家高校及科研机构历时l o 余年进行甲壳索壳聚 糖产品的开发研究，取得了大量的科研成果，并将部分成果实现了产业化，仅以 壳聚糖为主要原料的保健品就有2 0 个左右的品种上市。 我国早在5 0 年代就对甲壳素的制备及其应用进行了研究。1 9 5 8 年起，国内 首先将乙酰化甲壳素应用于印染工业，从1 9 7 7 年起，每隔几年召开一次关于甲壳 素及壳聚糖的国际会议，极大的促进了这方面的研究。进入g o 年代，中国对于 甲壳素壳聚糖资源的开发研究也越来越重视，如在甲壳素壳聚糖的酶法降解方 面、壳聚糖的溶液性质、壳聚糖净化用作絮凝剂、壳聚糖降解制各低聚壳聚糖及 第一章壳聚糖和热敏水凝胶的研究进展及课题的提出 更低分子量的永溶性壳聚糖等方面进行研究，现又将研究领域扩展到甲壳素壳 聚糖在化妆品、医药敷料等方面的应用研究，尤其是壳聚糖的高分子微包囊药物 释放体系，成为新一轮研究的热点。 1 1 3 1 壳聚糖在废水处理中的应用 含金属离子废水：金属磨光业，电镀业，表面处理工业，印刷电路板产品等 废水中含有大量金属离子。常规处理方法有：氢氧化物沉淀、碳酸盐沉淀、硫化 物沉淀。但是，当废水含有螯合剂时，以上技术是不行的。而其它的些方法： 膜过滤、离子交换、吸附，与壳聚糖沉淀相比就昂贵得多了。已见报导可咀被壳 聚糖絮凝的重金属离子有：铝j6 、砷、金【7 】、镉、钒 9 、铬、铅、钴、铁、 锰) f 1 洲、银( 1 l j 、铜【j ( ) 、镍u2 、汞、锌、铀 ，i ：j 、铂f 】： 。 目前，对金属离子的吸附已经研究的很广泛，但对金属离子的络合物用壳聚 糖去除的还是鲜见报道。f l s ( 从蚕蛹中提取的壳聚糖) ! 1 13 对金属离子吸附效 果不好，但对金属离子的络合物效果很好。可能是在f l s 表面形成的多表面络合 物的原因造成的。 食品厂废水：食品厂和淀粉厂的废水中一般都含有淀粉及其他有机物质，如 果直接排放，方面使大量宝贵的有用物质自白浪费，另一方面又造成环境污染。 为解决这类问题，过去常用微生物法、絮凝沉淀法、离心法等。但这些方法各有 所长也各有所短，如以薯类为原料的淀粉厂，生产季节气温低，用微生物法处理 废水不理想，而离心法的效果不好，相比之下，絮凝法比较适用，但所得絮凝物 的再利用存在很多问题，因此选用无毒的壳聚糖则比较合适。用壳聚糖絮凝处理 废水最大优势是可以回收残渣作饲料，不产生二次污染。加入壳聚糖可使大量悬 浮物在1 5m i n 左右沉淀而分离，悬浮固体去除率达到9 0 蛆上，c o d 去除率为 6 0 7 0 1 5 。用壳聚糖处理蔬菜罐头生产废水悬浮物，加入量在5 3 0m g l ， 通过重力沉降，悬浮固体去除率达9 0 。家禽加工，虾肉生产，水果蛋糕加工过 程废水中加入壳聚糖就可以使悬浮物固体去除率达到9 0 以上。在中性介质中蛋 白质是阴离子型电解质，壳聚糖通过静电吸引和带负电荷豹蛋白质胶体结合，使 它们凝集，分离。将壳聚糖溶于酸性溶液中并加入待处理液中，使壳聚糖的浓度 为5 0 1 2 0 0m g l ，搅拌均匀后静置澄清，分离上清液，所得的菌体蛋白烘j f 后 第一章壳聚糖和热敏水凝胶的研究进展及课题的提出 菌体蛋自含量达7 5 ，可作为饲料。g u e r r e r o ，l 】引从鱼粉废水回收蛋白质可 达7 5 9 7 。陈天n7 从食品废水中回收蛋白质达9 0 。 印染废水：印染废水的两大污染指标是色度和c o d 。染料废水的脱色处理已 有很多方法，如氧化还原法、活性污泥法等。但这些方法都存在不足之处，如 处理成本或设备费用高，效果不够理想等。传统的无机絮凝剂对疏水性染料 1 8 、 分子量较大的染料脱色效率较高，而对那些水溶性极好、分子量较小的染料脱色 效率较差，往往达不到处理要求，如要处理到达标，通常处理成本较高。用壳聚 糖的除色，处理纸浆含碱深色废水，除色率可达9 5 ，与此同时去除c o d 达9 0 j 9 ) 。 但壳聚糖只能在偏酸性溶液中溶解，投加时需要事先溶解，为此。杨智宽等将壳 聚糖进行羧甲基化改性，得到水溶性极好的羧甲基壳聚糖，用来絮凝。壳聚糖对 水溶性很好的阴离子型染料的脱色效果更好。 絮凝菌体：谷氨酸发酵液中含有0 8 1 2 干菌体，它是影响谷氨酸提取收 率和谷氨酸质量的主要因素。从发酵液中除去菌体将大大提高谷氨酸收率和质 量，有利于味精制造，同时可得到大量菌体蛋白，又能降低废液的c o d 和b o d 。壳 聚糖的无毒性，使其可以应用到食品工业，而且易被动物消化吸收，对提高家禽 ( 畜) 的产蛋率和瘦肉率很有好处，用壳聚糖絮凝得到的菌体蛋白是很好的饲料添 加荆。用壳聚糖絮凝谷氨酸发酵中菌体，用离心分离法、真空过滤等普通机械处 理方法很难得到满意结果。利用壳聚糖混凝剂来处理活性污泥，使其加入量为约 o 8 2 2 ( w w ) ，与离心分离技术相结合，悬浮固体的分离量达到9 6 以上i 1 钔。 利用壳聚糖为助剂处理啤酒厂的活性污泥，可使悬浮固体较好地分离，从1 2 0 0 0 m g 几降至6 0 0m g l ，去除率为9 0 ，所回收的活性污泥可用作动物饲料。 1 1 3 2 壳聚糖在生物医药中的应用 缓释剂：s h o z o f ! 0 1 等曾用壳聚糖制备了消炎痛缓释颗粒，用猎犬做试验， 显示有良好缓释效果，且缓释性随壳聚糖配比增大丽增加。实验还证明，壳聚糖 颗粒在低p h 范围形成凝胶层，具有抗酸腐性能，这一特点可降低药物对胃肠道的 刺激，从而解决临床上因胃肠道副作用而限制使用的问题。 此外，刘向军等 2 1 采用凝固溶成球法，制各了颅痛定壳聚糖缓释小球。结 果表明，含药量为5 6 7 的缓释小球，在模拟胃肠道液中，7 i ，：分别可达到4 0 和 第一章壳聚糖和热敏水凝腔的研究进展及议题的提 1 8 0 m i n ，全部溶出时间可达9 和1 2 h ；而市售颅痛定片溶出五。为3 m i n ，全部溶出 时间仅为3 0 m i n 。 s a b n i s 等f 2 2 l 用壳聚糖制备了双氧芬酸钠( d i c 】o f e n a cs 0 d i u m ) 压缩片， 由于脱乙酰化而改善了微结晶性和可压缩性：该片剂在酸性环境中延缓了药物的 释放，并且药物的释放随着p h 的增大而增加。同时壳聚糖的脱乙酰化程度明显地 影响了药物的释放速度。y a s h i a k n 2 ： ，| 用壳聚糖醋酸液加入阿司珏林制成片剂， 延长了阿司匹林的释放时间。 v a s u d e v 等 2 4 j 用阿司匹林和肝素包埋于壳聚糖一聚乙烯醋酸复合基质，经 扫描电镜研究发现通过基质的药物释放速率减慢，并具有抗凝和抗血小板聚集作 用。 控释捐及微球载体：y a t a k ai 2 5 等观察了抗癌药顺氯氮铂一壳聚糖微球的 释放特性及甲壳质掺入的影响。指出顺氯氨铂( g i v ee n g l i s hn a f 【i e ) 的释放率 包埋量随壳聚糖浓度增加而增大，甲壳质的掺入对突释有抑制作用，顺氯氮铂的 释放率随甲壳质增多而减少，壳聚糖浓度从1 提高到5 时，7 ：，。由0 5h 延长到 4 5h 。 t h a n o o 等 2 6 报道，用磺化琥铂酸二辛酯作为稳定剂，通过戊二醛交联得 交联壳聚糖微球，交联度不同，微球膨胀度亦随之变化。在制各微球时加入茶碱、 阿司匹林、灰黄霉素，微球可包埋8 0 以上药物，体外测定溶出度，表明该药物 微球有非常理想的控释作用。 t a k e u c h i 等1 2 7 用壳聚糖制备成胰岛素的微脂体，大鼠血糖水平降低时间 维持于1 2h 以上。l u e s s e n 等 2 8 对大鼠实验结果表明壳聚糖酸盐能增加大鼠 小肠对b u s e r e l i n 的吸收促进了腹腔对多种药物的输送。 ja t i l e e l a 等 2 9 用戊二醛交联壳聚糖制备成含抗癌荆米托葸醌 ( m i t o x a n t r o n e ) 的微球，腹腔注射于埃利希体族( e h r l i c h a s i t e s ) 肿瘤小鼠， 发现小鼠平均存活时间与相同剂量自由药物的小鼠相比为2 9 0 ：1 2 1 2 ，较阿霉素 ( d o x o r u b i c i n ) 负载的微粒抗肿瘤效果亦明显得多：同时降低了药物的毒性， 增加了药物的疗效。a k b u g a 等0 制备了5 一氟尿嘧啶壳聚糖微粒，发现该微粒 也使药物的初释速度增加。壳聚糖制备的双氯芬酸钠( d i c l o f e n a cs o d i u m ，一 种抗炎剂) 微球也增加了药物的释放 ： 1 。s h i b a t e 等m 2 于小鼠静脉内注入几 第一章壳聚糖和热敏水凝胶的研究进展段瀑题的提出 丁质颗粒，发现可激化腓吞噬绌胞功能。 控速药用膜：t h a c h r o d i 等l i 用壳聚糖制备成运载药物的控制膜。经家兔 皮肤试验表明药物的运载完全被膜所控制：释放率依赖于被使用的生物膜，同时 增加了药物的稳定性。 s a a t o 等q 对丝裂霉素c ( m m d 与n 琥铂酰壳聚糖的结合和药物的释放特 点作了研究，发现m m c 从结合物内的释放率在低p h 时低；高p h 时加速：中性时缓 慢。 水凝胶：聚乙烯醇和壳聚糖混合而成水凝胶，当壳聚糖超过1 5 时，成纤维 细胞能附着并增殖；壳聚糖增加，着床也增加：当超过4 0 时，细胞的生长可超 过胶原。壳聚糖浓度较低时细胞形态为球形，而大于1 5 时，纺锤状细胞的数 量随壳聚糖浓度的增加而增大f ：娟，j 。n ，o 一羧甲基壳聚糖可使大鼠术后愈台不受损 伤，防止腹腔内粘连形成f 6 。 药物增效剂；壳聚糖是难吸收药物的吸收增强剂。低乙酰化、相对低分子量 壳聚糖的增强作用依赖予剂量，并有细胞毒性作用：丽高乙酰化、相对高分子量 则较少出现对剂量的依赖，无毒性作用；壳聚糖通过所带f 电荷增加了与细胞的 结合，通过与细胞膜的相互作用导致紧密结合的膜蛋白结构的重构，从而使药物 通过细胞旁径增加其转运m 7 j 。k o t z ：j 8 1 等研究表明，n 一三甲基氯化壳聚糖能 增强体外小肠上皮细胞粘膜对亲水性药物的吸收。p a t e 礤引等以冻干壳聚糖与 聚合氧化乙烯制各成水溶胶半透膜，用于酸性胃液内抗生素的局部转运和吸收。 n e e d l e m a n | 佩j 等研究了腹腔和口腔粘膜对壳聚糖水溶胶的保留时间，发现壳聚 糖在腹腔内的保留时间较水或其它凝胶明显延长；在口腔粘膜内，壳聚糖保留时 间为4 2 1 6 m i n ，表明水溶胶的生物粘性特性与腹腔内和口腔内的保留时间直接相 关。缸i m o t o ：4 妇等用可溶性的时绿素衍生物与壳聚糖结合得到不溶佐的盐样物 质，对杂环致癌剂有吸附作用，增强了该衍生物的抗诱变和抗癌变作用。k o c h k i n a t 1 绷等发现壳聚糖及两种衍生物能阻止两类不相关嗜菌体1 2 9 7 a 和1 2 9 7 b 感染的 苏云菌的吞噬作用。d r o z d 【4 3 等表明壳聚糖能增强肝索的抗凝活性。壳聚糖对 于术后可能有免疫增强剂作用h 1 。壳聚糖可增加着床于酵母的藻酸钙的稳定性 i t 朝。 作为抗肿瘤药物：日本学者自鸟耕也等人研究结果表明，将壳聚糖低分子化 第一章壳聚糖和熟敏水擞胶的研究进展及课题的提出 后用于动物试验，在肿瘤移植前饲喂，发现具有预防肿瘤的效果，并发现这种低 聚糖的聚合度是2 8 4 6 。用低聚糖效果之所以好，在于甲壳索是一种难溶解的 物质，而壳聚糖虽然在酸里能溶解，但由于人体晕没有壳聚糖酶，所以人体不能 吸收，制成低聚糖后改善了吸收条件，可被人体吸收1 1 7 ，悄l 。这种低聚糖在急 往毒性试验中l d 。值是1 5 0 0 0m g k g 以上，所以是无毒的，从壳聚糖的来源看， 它来源于生物体又被生物体所利用，是安全可靠的。他们以这种低聚糖添加在食 品里来达到预防肿瘤的目的，对食品的形式没有限制。每天摄取低聚糖的量是6 2 0 9 ，再多也无损害【4 9 。甲壳质水解得到n 一乙酰氨基葡萄糖和氨基葡萄糖， 氨基葡萄糖可以抑制病毒的细胞膜葡萄糖化，降低劳斯( r o u s ) 肉癌病毒在体内 诱导产生肿癌的速度，对某些恶性细胞和体内肿瘤有疗效，对正常的宿主器官基 本无副作用，可用于化疗治癌及制造其它抗癌药物。所以，壳聚糖既可以作为药 物开发，又可以作为疗效食品开发，起到药食同疗的作用。当前，在诸多治疗肿 癌的药物中以生物制品效果较好，所以壳聚糖是极有应用前景的。 伤口敷料和伤口愈合促进荆：壳聚糖作为止血剂，不管是溶液还是固体粉末， 都能起到止血作用、促进伤口组织的再生。开本已将甲壳素制成纤维f 5 0 j ，再制 成无纺布，作为保护伤口的材料，但这种材料仅对比较浅的、渗出物少的伤口适 用，对3 度以上的深伤口。因渗出液多，液体在保护材料下积留，对表皮的形成 不利；对于深度伤口，又利用壳聚糖研制了一种气孔容积达7 0 9 5 的创面保 护材料，这种材料易于剥离，渗出液排除快，能加快伤口的愈台。用壳聚糖制成 的医用缝线，能加速伤口愈合，并且可在人体溶菌酶的作用下，使甲壳质降解， 实现人体的自我吸收，使病人免受拆线之苦。据b a l l a s s a 报道，它可使人的伤 口愈合速度提高7 5 j 1 j 2 。 提高免疫机能；1 9 8 0 年难玻佑三郎等人发现口服壳聚糖对体液免疫和细胞免 疫都有促进作用1 5 ：j ，洲j 。体液免疫试验用土拨鼠2 0 只，分成二组，一组为对照 组，另组喂壳聚糖，1 5d 后抗体价6 2 n 的n 值分别是o 2 和o 7 ，2 5d 后分 别是5 4 和6 i 。细胞免疫试验用上述土拨鼠的角膜，在角膜上接种产生l 度白 浊量的h b s 抗原( 1 0m g k g ) ，4 8h 后看角膜有无白浊，结果喂壳聚糖组阳性率 是8 0 ，对照组的阳性率是1 0 。急性毒性试验，每天喂3 0 0 0m g k g 土拨鼠无异常， 无死亡，说明壳聚糖作为提商免疫机能剂是有效的，能达到预防和治疗微生物感 招一章竞景糖和热敏水凝胶的研究进展及谍题的提出 染的疾病及癌症、增强免疫机能的目的。 降低胆固醇：心血管狭窄、心肌梗塞等缺血性心脏病和脑血栓是当今发病率 高的疾病之一，高血压和动脉硬化是这类疾病的必然结果。壳聚糖不仅无毒，而 且具有减少血液胆固醇的作用旧m 还有调整血压预防高血压的功效，能阻止高 血压蛋白宁i 转换酶的活性，抑制使血压升高的高血压蛋白宁i 转换为高血压蛋 白宁i i 。日本学者小林隆明发现，口服壳聚糖可显著降低胆固醇，用量每天l 3 0g ，可单独服用，也可与食品起吃下或制成降醇食品。由于壳聚糖本身的吸 附作用和络合作用，它可吸附胆固醇和胆汁酸，然后排出体外，阻止胆固醇进入 肠粘膜细胞，起到降解胆固醇的作用。该试验结果证实了壳聚糖对血清及肝脏胆 固醇的明显降低作用。 制造代透明质酸：透明质酸( h y a l u r o n i ca c i dh a ) 是一种酸性粘多糖，是 由乙酰氨基葡萄糖和葡萄糖醛酸为单位的二糖相连形成的直链多糖，由于它具有 优良的保湿性和粘弹性，被称为理想的天然保湿因子，由于它具有保持皮肤水分、 软化皮肤、势能傈持关节澜滑的作用，因此被用作高级化妆品及跟科、外科用药 的原料 5 6 。透明质酸般用牛眼的晶体、鸡冠、脐带等生物体来分离精制，每 公斤要一万多元人民币，成本极高：也有专利介绍用链球菌属的微生物发酵法来 制造，但要有特殊的设各和技术。日本学者松村秀一根据透明质酸的组成，发现 甲壳素适合作代替透明质酸的原料，并研制出聚环氧乙烷甲壳素氧化物。经与透 明质酸比较，透明质酸钠的吸湿增加率是1 5 8 ，聚环氧乙烷甲壳素氧化物的吸湿 增加率是1 5 2 ，性质相似，但是成本很低，可以代替透明质酸f 5 7 。 晶体补液；眼球的水晶体、毛样体及视网膜周围的空间充满透明的富含水分 的半液态晶体，这种晶体液里含有少量蛋白质，另外是类粘蛋白、尿素、葡萄糖 及各种无机盐。治疗跟球的晶体混浊、自内障，一般用人造晶体替换混浊的晶体。 最近有报道，对眼球进行外科手术时，为了不日【起炎症和排异反应，试行注入粘 度大的溶液，以防止术后组织损伤及不易愈合。宫田辉夫发明了能用于注入眼球 的人造晶体补液 j 8 ，这种液体是透明的，和生物体接触不产生干扰，这就是以 n 一羧基酰化壳聚糖作为有效成份的在生理上无害的晶体补液。他将制成的人造 晶体补液注入兔子跟睛的前室，效果很好，没有发炎反应，证明这种晶体是可用 的。 第一章壳聚糖和热敏水凝胶的研究进餍及课题的提甘j 1 1 3 3 壳聚糖在食品中的应用 壳聚糖在食品领域的应用和研究，近年来发展很快。作为一种天然的添加剂 在保健食品中已占据了重要的位置( 5 9 j 。目前的发展情况见表。从这个表所列的 研究利用范围可以看出壳聚糖在食品工业方面玎发的前景很大，应用范围很广、 在此简单介绍几项。 表1 1 壳聚糖在食品中的应用 【机能利用范 围 形成电解质复合体食品厂从液态下脚中回收蛋白质等有用物质：饮用水净化饮料，洒类的澄清 降胆固醇食品作为预防高胆固酵动脉硬化的功能性食品的原料 抗菌、防霉防止食品腐败变质延长货架期 双蝮杆菌的繁殖在婴儿奶豁和病人食品里舔如 形成鲳合物作为铁等微量元素与壳聚糖的络台物添加在食品里：或作为硬水软化剂，去除有 害重金属 缓慢释放剂固化食品用香料、营养岽等使其缓慢释放 抑制酸在食品加工过程中进行酸的中和、脱酸 吸 附提高食品的着色性，促进食品加工中的脱色、过滤、脱水馀去单宁、蝴啡因等 保 水 作为保水荆 凝胶化功能性低热量食品添加剂，酶、工业微生物等周定化担体，食品成形材料 乳化作为乳化剂 膜化食品加工中的反潘透膜，超外过滤等，作缓释性膜包装 增加细胞活性增强抗体，促进代谢消化吸收促进荆 减肥食品；前面介绍的壳聚糖在医药方面的利用中曾谈到降低胆固醇的作 用，作为减肥食品也有同样道理。研究发现壳聚糖进入人体后，能结合许多倍的 脂类阳) ，使这些高能物质不被人体吸收而排出体外。美国专利介绍，壳聚糖可 以单独或混入食品，其用量可加1 l o 。 食品保鲜剂：渡边清研究了用壳聚糖来延长面条保鲜时间的办法 6 0 ，6 】 。 他把壳聚糖液用碳酸氢钠调p h 至4 9 后加入面条里，在2 5 条件下可保存1 5 天 不变质。谷田孝雄等人用水解壳聚糖( 分子量为1 5 万) 作抗菌试验f 6 2 j ，结 果表明对有害菌有抑制作用，对确定食品的保质期，起到关键作用。用壳聚糖作 水果的涂膜保鲜剂，也已经有研究报告发表。 1 1 4 甲壳素壳聚糖产品开发的新动向 甲壳素壳聚糖及其产品的开发研究情况及可能的研究发展方向分述如下： 第一章壳聚糖和热敏水擞腔的硪究进展及课题的提出 1 1 4 1 壳聚糖降解 甲壳素经脱乙酰化处理得到的壳聚糖的分子量通常在几十万左右，因其水不 溶性限制了它在食品、化妆品等许多方面的应用，若采用适当的方法将其降解 为均分子量为1 0 0 0 的低聚产品，则可使其水溶性质大为改观，特别是均分子量 低于1 5 的低聚壳聚糖产品，可基本全溶于承。根据目前的研究情况，用于壳聚 糖降解的方法大致可分为酶法降解，无机酸降解及氧化降解法三种。 用无机酸特别是盐酸来对壳聚糖进行降解以制各低至单糖的低分子量壳聚 糖是应用最早的壳聚糖降解方法。现在，酸降解法已发展有过醋酸法 、酸 亚硝酸法f 6 4 、浓硫酸法f 6 5 1 、氢氟酸法【6 6 1 等许多神，不过，用于工业化生产 的主要还是盐酸降解法。酸法降解壳聚糖是一种非特异性的降解过程，降解过程 及降解产物的分子量分布较难控制，是否可考虑在反应过程中加添某些试剂以控 制其降解反应的进行，以制备限定分子量范围的低聚产品，值得探讨。 酶法降解是用于专一性的壳聚糖酶或非专一性的其它酶种来对壳聚糖进行 生物降解的。据研究报道，已有3 0 多种的各种酶可用于壳聚糖的降解 6 7 j 酶 法降解壳聚糖条件温和，且不对环境造成污染，是壳聚糖降解的最理想方法。就 且前技术而言，酶法降解尽管也有少量商业应用，若要以此进行大规模的工业化 生产，却尚有不少困难，应继续在寻求更廉价的酶种及如何实现工业化生产方面 进行更深入研究。 氧化降解法是最近几年研究较多的一种降解方法。诸多氧化降解法中，以过 氧化氢氧化法 6 8 开发的最多。 这些方法中，有的已用于低聚壳聚糖的工业化生产，但大部分仍处于实验室 研究阶段。 1 1 4 2 制备甲壳素壳聚糖衍生物 选用适当的反应试剂对甲壳素壳聚糖分子内的羟基、氨基进行化学修饰包 括甲壳素壳聚糖的羧甲基化、酰基化、烷基化、硫酸酯化、羟基化等等。通过 这些化学修饰作用，在甲壳索壳聚糖分子结构中引入了各种功能团，改善了甲 壳索壳聚糖的物化性质，从而使其各自具有不同的功能及功效，可制成各种类 型的凝胶、膜、聚电解质及其它水溶性材料，广泛应用于各种领域。虽然，中国 许多研究机构对甲壳素壳聚糖的衍生物研究尚处于起步阶段，但该方面的研究 第一章壳聚糖和热敏水凝胶的研究进展及课题的提出 进展很快，不断有瓤的研究成果见诸报道，从甲壳素壳聚塘化学的发展趋势束 分析，在目前的几个研究领域中，对甲壳素壳聚糖进行化学修饰的研究是甲壳 素壳聚糖化学最其潜力、最有可能取得突破性进展的研究方向也是甲壳素化 学能否发展成为国民经济一大产业的关键所在。目前该研究方向存在的主要问题 是对这些衍生物可能的应用范围研究得太少，在进行甲壳素壳聚糖化学修饰的 同时，更应该对其可能存在的应用领域进行探索，使研究得到的每一种甲壳素 壳聚糖衍生物都能产生巨大的社会经济效益。 1 1 4 。3 壳聚糖微囊的药物控释 用高分子作为载体的商分子微包囊和纳米级包囊药物制剂不仅能控制药物 以一定的速度释放，而且可对生物体的生理指标变化作出反馈，因而可以成为靶 向药物释放体系。通过用高分子包囊还可以延长蛋白质和多肽类药物的生理活 性，提高药物稳定性，使之成为长效药物，并使一些难以口服的药物能够制成口 服制荆。近年来，微囊技术被广泛用于微生物、动植物细胞、酶和其它多种生物 活性物质和化学药物的固定化方面。常用的微囊为海藻酸聚赖氨酸微囊，由于 制备技术复杂，成囊过程时间较长，对被包埋物质的生物活性有一定影响，而且 聚赖氨酸价格昂贵，因而限制了这种微囊的应用。 在医学上微包囊技术的早期研究大多集中在具有生物相容性的非生物降解 型高分子，如硅橡胶、丙烯酸类聚合物等上面。七十年代y d l l e s 等1 6 9 j 研究了 聚乳酸微包囊，由此开始了生物降解型高分子微包囊药物释放体系的研究。壳聚 糖及其衍生物制成的微包囊在生物体内可降解成为小分子化合物，从而被机体代 谢，同时药物的释放速度可通过控制材料的降解速度来予以控制，因此成为研究 最多的包囊用高分子材料。 高分子微包囊药物释放体系的药物释放机制不仅与包裹的高分子材料有关， 而且还与微包裹材料的性能有关。药物的释放机制涉及到：a 聚合物的降解性； b 通过孑l 的扩散：c 从微包囊的表面释放等三个方面。以壳聚糖为内核材料喷涂 在另一带相反电荷的高聚物上，靠静电作用制各的不同的胶囊，可以有效地控制 通透性，有选择的允许不同大小的物质通过微胶囊。 壳聚糖微囊药物释放体系的给药途径一般分为五类【7 0 、：通过胃肠消化 道给药；体腔内给药( 包括眼内、口腔、舌下、鼻腔、直肠以及阴道、子宫内 第一章壳聚糖和热墩水凝胶的研究进展及谍题的摊出 给药) ；透皮给药；动鲸注射及静脉意滴；皮下及飘虑注射。 通过合适的给药途径，可使药物释放达到较为理想的效果。而壳聚糖包裹药 物释放体系基本上可以满足理想药物释放体系的要求。与传统的药剂相比，高分 子药物包裹可大大减少服药次数，屏蔽药物的刺激性气味。延长药物的活性、控 制药物释放剂量、提高药物疗效并且可以降低药物的成本，拓宽给药途径等， 因此具有比一般药物制剂明显的优越性。壳聚糖微囊的药物控释已经成为新一轮 研究的热点。 2 热敏水凝胶的概况及其应用 1 2 1 水凝胶概述 水凝胶是类具有亲水性但不能在水中溶解而只能发生溶胀的材料，是自 然界普遍存在的一种物质形态。高分子水凝胶是由高分子的三维交联网络与溶 液所组成的多元体系( 7 1 ( 如图l3 所示) 。正是由于水凝胶结构中舟勺将大分子 链段联结在一起所形成的交联嘲络，才致使水凝胶能够吸附相当子自身重量几 百倍甚至上千倍的水而仍保持一定的强度。 1 9 8 9 年，高木俊宜最先提出了智能材料( i n t e l l i g e n t m a 鼢i a l s ) 概念。随后， 美国的n e 啪 疆孤教授提盛7 与之类似黪灵巧材料( s m a f tm 8 婀j a j s 摄念。敏 感性水凝胶是智能材料家族中的重要成员。敏感性水凝胶在受到刺激时其性 质会发生突变。这些刺激可以是温度、p h 、离子强度、溶剂组成、光照、电场、 磁场或化学物质等。凝胶突变的根源是凝胶网络结构中高分子链段的构象变化。 根据刺激信号的不同，相应的水擞胶被称为化学物质敏感性水凝胶、p h 敏感性 水凝胶、温敏性水凝胶、光敏性水凝胶等。敏感性水