（材料学专业论文）分子组装法制备天然聚合物复合微球的研究.pdf

中文摘要 聚合物的组装是指聚合物分子间通过非共价键相互作用组合形成的一类结 构明确、稳定、具有某种特定功能或性能的分子聚集体或超分子结构。这种聚 合组装的结构同其它简单的分子聚集体相比具有良好的长程有序性。具有可控 的空间结构和排列的纳米微球可以由超分子组装得到；通过范德华力，氢键， 静电作用等非共价键力在分子结构水平上组装成具有良好球形结构的纳米微 球。 本课题利用明胶，阿拉伯胶之间的静电作用组装微球，利用逐层组装的方 法使微球的直径逐步增大，明胶和阿拉伯胶组装第一次的种子直径大约分布在 1 5 0 2 8 0 n m 之间，平均粒径2 4 0 n m 左右，体系的z e t a 值为负值：继续加入明胶 再次组装后微球长大，直径大约为3 0 0 4 0 0 n m 之间，平均粒径大约为3 2 5 n m 左 右，此时体系的z e t a 值表现为正值，再加入阿拉伯胶进行三次组装，结果发现， 三次组装后体系的微球直径长大到4 1 0 n m ，体系的z e t a 值为负值。由此说明利 用明胶和阿拉伯胶逐层组装制备微球是可行的方法。微球的后处理利用了单宁 和明胶之间的相互作用，结果发现利用单宁的这种性质可以组装出粒径更小的 微球。 本文利用单宁同明胶之间的疏水作用和氢键组装微球，通过控制单宁与明 胶的质量比例来控制试验反应的程度，找到单宁沉淀明胶的沉淀临界质量比， 制备出粒径分布在1 5 0 m 左右的微球，并对温度、p h 值、浓度、反应时间等各 种影响进行了系统的研究和讨论。结果发现温度控制在l o - 一4 5 之间，体系的 p h 控制在5 8 7 2 之间，反应时间在4 8 小时，浓度控制在0 3 m g m l 一0 5 m g m l 之间可以组装出稳定的微球。另外本文还对此体系的再组装问题进行了讨论。 最后本文通过单宁和其它类型的蛋白质的组装，发现只有和富含脯氨酸以 及结构中极性键多的蛋白质更容易和单宁相作用。 关键词：分子组装微球静电作用疏水作用蛋白质单宁明胶 a b s t r a c t p o l y m e r i ca s s e m b l yw a sd e f i n e da sas y s t e mi nw h i c hm o l e c u l a re n t i t i e s t h r o u g hn o n c o v a l e n ti n t e r a c t i o n ，s p o n t a n e o u s l yo r d e ri n t os t r u c t u r e sc o m p o s e do f m a n ym o l e c u l e s t h e s es t r u c t u r e sm u s te x h i b i tl o n g - r a n g eo r d e rd i s t i n g u i s h i n gt h e m f r o m s i m p l em o l e c u l a ra g g r e g a t e s t h em i c r o s p h e r e sw i t hc o n t r o l l e d s p a t i a l a r r a n g e m e n ta n ds h a p e sw e r ef a b r i c a t e db yt h ea p p l i c a t i o no fp o l y m e r i ca s s e m b l y w i t ht h ea i do fv a nd e rw a a l s ，h y d r o g e nb o n d i n g ，a n de l e c t r o s t a t i ci n t e r a c t i o n si n t o s u p e r s t r u c t u r e so ru a n o s t r u c t u r e sw i t hw e l l d e f i n e ds p h e r i c a lc o n f i g u r a t i o n so nt h e m o l e c u l a rl e v e l b a s e do nf o r m e rr e s e a r c h ，w eu s e de l e c t r o s t a t i ci n t e r a c t i o nb e t w e e ng e l a t i na n d a c a c i at o a s s e m b l ym i c r o s p h e r e s a f t e ra s s e m b l y , p a r t i c l es i z e d i s t r i b u t i o no f m i c m s p h e r e sw a s15 0 2 8 0 n ma n dt h ea v e r a g ed i a m e t e rw a s2 4 0 r i m z e t av a l u eo f s y s t e mw a sn e g a t i v e a n o t h e r2 5 g e l a t i nw a sa d d e di n t o i nt h i ss y s t e m 6h o u r s l a t e ra v e r a g ed i a m e t e re n l a r g e dt o3 2 5 n ma n dz e t av a l u eo fs y s t e mb e c a m ep o s i t i v e w ec o n t i n u e dt oa d d2 5 a c a c i ai n t os y s t e ma b o v e w ef o u n dt h ea v e r a g ed i a m e t e r e n l a r g e dt o4 1 0 n ma n dz e t av a l u eo fs y s t e mb e c a m en e g a t i v ea g a i n f r o ma l la b o v e w ec a nc o n c l u d ei tw a sa ne f f e c t i v ew a yt oa s s e m b l ym i c r o s p h e r e s a tl a s tt a n n i n s w a si n t r o d u c e di n t op o s tt r e a t m e n tt og e td r i e dm i c r o s p h e r e si ng o o ds h a p e m i c r o s p b e r e sw e r ep r o d u c e db ym o l e c u l a ra s s e m b l yb e t w e e nt a n n i na n dg e l a t i n b e c a u s eo ft h es y n e r g i 【s t i ci n t e r a c t i o no fh y d r o p h o b i ce f f e c ta n dh y d r o g e nb o n d i n g t h ei n f l u e n t i a lf a c t o r s ，s u c ha st h ec o n c e n t r a t i o no fs a m p l e s ，t h em a s sr a t i ob e t w e e n t a n n i n sa n dg e l a t i n ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r e ，p h ，a n dr e a c t i o nt i m ew e r es t u d i e d m o r e o v e r , t h em i c r o s p h e r e sw e r ea n a l y z e da n dc h a r a c t e r i z e db yp a r t i c l es i z ea n a l y z e r u v _ v i ss p e c t r o p h o t o m e t e ra n dt e m i nc o n c l u s i o n ，c r i t i c a lp o i n tw a si m p o r t a n tf o r a s s e m b l e dm i c r o s p h e r e s t a n n i n p r o t e i nm a s sr a t i os h o u l db el o w e rt h a nt h ec r i t i c a l p o i n t t h ec o n c e n t r a t i o n so ft a n n i ns h o u l db ec o n f i n e da tar e l a t i v e l yl o w1 e v e l t h e p r o p e r r e a c t i o n t e m p e r a t u r er a n g e w a su s u a l l yf r o m1 0t o5 0c e n t i g r a d e i tw a ss t e a d yf o rm i c r o s p h e r e sa s s e m b l e dw h e np hv a l u eo fg e l a t i ns o l u t i o nw a s w i t h i n 士1i e po f g e l a t i n a r e rm o r et h a n4 8m o r eh o u r s ，t h ea s s e m b l e dm i c r o s p h e r e s b e c a m es t e a d y a tl a s tw es t u d i e do no t h e rp r o t e i ni n t e r a c t i n g 、i 廿it a n n i n w ef o u n dc e r t a i n p r o t e i nw h i c hi n c l u d e dm o r ep r o l i n ea n dp o l a rb o n dw a se a s yt oi n t e r a c tw i t ht a n n i n s k e y w o r d ：m o l e c u l a ra s s e m b l y , m i c r o s p h e r e s ，e l e c t r o s t a t i ci n t e r a c t i o n , h y d r o p h o b i c e f f e c t ，p r o t e i n ，t a n n i n , g e l a t i n 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盘鲎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：仪克晶 签字日期：2 0 - o l + 年12 月2 富日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨注盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨注盘生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：形l 克i 晶 签字日期：姒年1 2 月2 9 日 导师签名：烈 签字日期：谚卅叶年卜月谣日 第一章绪论 1 1 背景知识 第一章绪论 生命的奥秘和神奇不是由于特殊的结合力和特殊的分子与其体系，而 是在于特殊的组装之中，这种通过组装所形成的稳定结构具有一些根据其 个别组件的特征无法预测的新特征。天然体系所具有的组装性，应答性， 协同性与再生性正是人工体系所追求的目标。 法国的j m 1 e h n 教授认为超分子化学就是“分子问结合键的化学”。 它研究两个或两个以上的分子间作用力聚集在一起形成更为复杂的组织 有序体【1 1 。各种不同组分或自身通过分子间的静电引力 2 1 ，氢键【3 】，疏水作 用，一n 堆积1 4j ，阳离子一n 吸引，一x h 等非共价键之间的作用 组装成了特定相。这些特定的相( 包括薄膜，层结构，膜结构，囊泡，胶 束，液晶相，固态结构等) 具有确定的微观组织和取决于本性的宏观性质， 分子组装涵盖了合理的连贯的方法，能从最小的二聚体到最小的组织化的 相，以及对它们有目的的操纵【5 】。 超分子组装得到的功能材料，智能器件，分子器件与机器，d n a 芯片， 导向及程控药物释放与催化抗体，高选择性催化剂等在诸多科学和技术领 域显示了良好的应用前景。从分子水平构筑的功能生物大分子纽装膜在生 物芯片，生物传感器等方面的应用已取得了很大的成果。另外通过超分子 组装得到纳米级微球微囊在药物输送及释放领域有着广泛的应用前景，成 为国内外科学人员研究的热点之一。 微囊化( m i c r o e n c a p s u l a t i o n ) 这一概念是在2 0 世纪3 0 年代由胶体 化学家b a r r e t tg r e e n 提出来的，他用凝聚技术制备出了第一种胶体微囊 f 酊。2 0 世纪5 0 年代，g r e e n 等 7 l 在研制多纸复印系统时制备了包含染料的 无碳压敏复写纸微胶囊，这是最早作为商品出售的微囊。6 0 年代，微囊化 技术开始广泛应用于制药业和日用化学工业，微囊化药物、燃料、香料、 粘合剂等产品的相关研究日益增多，使其从其它技术中分离出来，形成专 门的研究领域。这些微囊产品基本上属于不透膜微胶囊，膜仅起隔离作用， 只有在外部作用破坏掉微胶囊膜后，内部物质才被释放出来。c h a n g 等【s 1 于1 9 5 7 年首次报道了对生物活性物质的微囊化研究，将酶、蛋白质、激 素等生物活性物质通过包封在选择性透过膜中，形成微囊。通过微囊膜的 选择透过作用，使囊外大于某一相对分子质量的物质不能扩散进入，而生 第一章绪论 物环境中的营养成分和囊内生物活性物质或细胞分泌的小分子产物可以 自由出入微胶囊，从而达到免疫隔离目的。8 0 年代初，l i m 等【9 1 将微囊化 技术与组织细胞移植相结合，制备了具有良好生物相容性的海藻酸钠聚 赖氨酸( a p a ) 微胶囊作为免疫隔离工具，包埋猪胰岛细胞，并移植入患 糖尿病的大鼠体内，结果表明该猪胰岛细胞成功调节了血糖水平，代行了 大鼠胰腺功能，这一研究成果较好地解决了组织细胞移植过程中的免疫排 斥问题，为组织细胞移植治疗神经、内分泌系统疾病提供了新思路。9 0 年代以来，人们开始尝试将微胶囊作为基因重组细胞的免疫隔离和运载工 具，利用重组细胞的代谢产物调节机体生理功能，治疗相关疾病i l “1 4 】。 c h a n g 等1 15 】制备了包裹生长激素基因( h u m a ng r o w t hh o r m o n e ，h g h ) 的 a p a 微囊，用于治疗侏儒症。近年来具有靶向、控释功能的微囊或纳米囊 得到迅速发展，用于基因药物治疗癌症和肿瘤l l ”】领域。目前，微囊化技 术的应用研究还涉及药物控制释放【1 8 2 、动植物细胞培养【2 2 五5 1 、细胞和酶 的固定化【2 6 2 7 】，以及生化物质分离等领域 2 2 , 2 s 1 ，已经成为材料、化学、化 工、生物和医学等多学科领域的研究热点，具有广阔的应用前景。 生物可降解高分子已目益受到各国科学家的关注，并且已经在医药领 域有了广泛的应用，例如作为人造皮肤，人造血管，手术缝合线，药物控 释，基因技术等各个方面。由于结构的特点，天然的高分子在天然条件下 容易被分解，因此作为生物材料使用的同时，在一定时间内即被水解或酶 解为小分子而参加正常的代谢循环，被排泄、吸收而不会对环境造成污染 或是其它不良的影响。对于在生物环境中应用的微胶囊材料具备良好的生物相 容性和生物可降解性。因此近年来对环境友好的材料的研究受到人们的重视， 也是今后材料研究的发展方向和发展趋势。 1 2 微胶囊技术的未来展望超分子纳米技术 日前在微胶囊领域，一个重要的发展趋势是纳米技术在该领域的应用。 研究证明，纳米技术能在很大程度上可以改变物质的理化性质，这与微囊 技术的基本应用和发展方向是一致，如今将纳米技术与微胶囊技术相结合 的产品越来越显示出其优越性。纳米微囊组合物用途广，用量大，前景广 阔，预计在未来几年里会在各行各业中得到广泛应用。纳米微囊在缓释剂、 脱苦剂、稳定剂、抗氧化剂、乳化剂、抗紫外线剂、保鲜保香剂、品质改 良剂等领域功效独特，另外用纳米粒子作为药物载体可实现靶向输送、缓释 给药的目的，这是由于小粒子可以进人很多大粒子难以进入的人体器官组织， 第一章绪论 另外纳米粒子能越过许多生物屏障到达病灶部位。具有生物活性的大分子药物 ( 如多肽、蛋白类药物等) 很难越过的生物屏障，用纳米粒子作为载体可克服这一 因难，并提高其在体内输送过程中的稳定性。用纳米粒子实现基因非病毒转染， 是输送基因药物的有效途径 2 9 - 3 0 】。当前只有美、日等少数发达国家可以生产。 纳米微囊由于有诸多优点，是其它载体材料所不具备的，因此成为各个国 家科技攻关的主要内容之一。 超分子化学为化学科学提供新的观念、方法和途径，设计和制造组装 构建元件，开拓分子组装途径，使具有特定的结构和基团的分子自发地按 一定的方式组装成所需的超分子。现在很多研究人员将超分子化学的理论 应用于制造微囊微球的研究中，利用弱的可逆的非共价键相互作用，如氢 健、静电吸引、疏水等作用组装制备纳米级微囊微球是近期的研究热点之 一。利用聚合物组装是纳米结构聚合物材料制备的重要方法之一。 聚合物的组装是指聚合物大分子间通过非共价键相互作用组合形成 的类结构明确、稳定、具有某种特定功能或性能的分子聚集体或超分子 结构【3 1 】。聚合物的组装属于超分子化学的领域。超分子化学的发展对两个 重要的概念进行了深化，一是认为分子问弱的相互作用力可以通过加和以 及协同效应形成强的分子间作用力，其强度能够达到或接近基价键的水 平，形成稳定的超分子体系；另外一个重要概念是通过组装过程可赋予超 分予新的禀性，因为每一种分子间的作用力是比较弱的，这使体系具有丰 富的动力学特征，蕴藏着丰富的信息内容，这样通过控制分子之间的这些 弱的相互作用，就可以设计、合成具有欲想结构和功能的超分子体系。人 们利用超分子的这一独特性质去开发与创造具有新的功能的体系，如超分 子功能材料及智能器件、分子器件与机器、d a n 芯片、导向及控程药物释 放与催化抗体、高选择性催化剂等等【3 2 1 。它们在诸多科学和技术领域已经 展示了良好的应用前景。 1 3 超分子组装机理及特点 大分子组装利用大分子之间弱的相互作用结合在一起，组装成复杂 的，有组织的，可控的聚集体，具有明确的微观结构和宏观特性p ”。这些 分子阃弱的相互作用包括：静电作用，氢键、疏水作用、一堆积作用p 4 j 等。体系结构的稳定性和完整性靠这些作用来维持，弱的相互作用力可以 在一定条件下加和与协同转化为强的结合能，因此分子不再是保持物性的 最小单位，利用大分子之间相互作用的精确调控使超分子聚集体具有新的 第一章绪论 禀性和令人期待的新功能。结合生物大分子，天然大分子等本身可降解以 及生物相容好等特点，通过控制大分子之间的弱的相互作用力，就可以设 计、合成具有欲想结构和功能的超分子组装体，并从分子水平上对分子排 列顺序进行精确调控，实现在超分子尺寸上的信息的传输和处理【3 扪。 分子组装技术制备微囊微球能够很好的控制反应程度及产物的物理 化学性质 3 6 o 根据微囊微球不同方面的应用，可以人为的设计与用途相 配合的产物，并根据实际应用调整微囊微球的形貌、大小、壁厚等，使产 物在此用途下能发挥最大的作用。目前科学家们对大分子之间的静电作用 组装微囊微球研究的很多，并且己经初显成果，在很多方面如医学，医药， 农业等方面都取得了广泛的应用。而且利用组装技术还可以精确制备到纳 米级的微囊微球，拓宽了其应用范围。 1 4 不同类型的组装微球 本论文根据参加组装的大分子是单个自行组装还是同其它一个或多 个大分子相互作用将组装微囊微球分为：自组装微囊微球、复合微囊徼球， 利用模板粒子组装微囊微球。这三种组装方法组装的微球都有各自不同的 应用领域。 1 4 1 自组装微囊微球 自组装是将具有特殊结构的单个大分子或共聚物，在一定条件下自行 反应组装，分子间通过非共价相互作用自发组合形成的一类结构明确、稳 定、具有某种特定功能或性能的分子聚集体或超分子结构。z a m b a n x i j ”等 就利用甲基聚乙烯一聚乳酸( m p e o p l a ) 共聚物本身弱的相互作用包裹蛋 白质制得平均粒径为2 0 0 n m 的纳米囊，研究发现蛋白质的包封率会随着共 聚物摩尔质量的增大和p l a 嵌断链长的增加而明显增加。但是过多的p l a 链 段会影响水和蛋白质的扩散，降低了蛋白质的释放效果。d i e t e r p s i 等研究 了一种应用于免疫测试的生物功能性荧光微球，他们利用自组装技术先将 选好的聚电解质逐层沉积在胶体颗( p s ) 上，然后再利用静电作用将i g g 蛋白质固定在胶体粒子上，用扫描电镜可以直接观察到胶体颗粒表面经过 聚电解质吸附后的形貌变化，通过f m l 分析发现微球的荧光密度会随着聚 电解质层数的增加而增大，被荧光标定了的i g g 蛋白质组装割多层膜覆盖 的p s 胶粒上在免疫测试上有很大的用途。c a r u s o 田1 等研究了b s a 在p s 胶乳 粒子上自组装。t e m 分析表明组装f - b s a 后的胶乳粒子粒径增大。表面纹 第一章绪论 禀性和令人期待的新功能。结台生物大分子，天然大分子等本身可降解以 及生物相容好等特点，通过控制大分子之间的弱的相互作用力，就可以设 计、合成具有欲想结构和功能的超分子组装体，井从分子水平上对分予排 列顺序进行精确调控，实现在超分子尺寸上的信息的传输和处理】。 分子组装技术制各微囊微球能够很好的控制反应程度及产物的物理 化学性质 3 6 o 根据微囊微球不同方面的应用，可以人为的设计与用途相 配台的产物，并根据实际应用调整微囊微球的形貌、大小、壁厚等，使产 物在此用途下能发挥最大的作用。目前科学家们对太分子之间的静电作用 组装微囊微球研究的很多，并且已经初显成果，在很多方面如医学，医药， 农业等方面都取得了广泛的应用。而且利用组装技术还可以精确制备到纳 米级的微囊微球，拓宽了其应用范围。 1 4 不同类型的组装微球 本论文根据参加组装的大分子是单个自行组装还是同其它一个或多 个大分子相互作用将组装微囊微球分为：自组装微囊微球、复合微囊微球， 利用模板粒子组装微囊微球。这三种组装方法组装的微球都有各自不同的 应用领域。 1 4 1 自组装微囊微球 自组装是将具有特殊结构的单个大分子或共聚物在一定条件下自行 反应组装，分子问通过非共价相互作用自发组合形成的一类结构明确、稳 定、具有某种特定功能或性能的分子聚集体或超分子结构。z a m b a n x 【3 7 等 就利用甲基聚乙烯一聚乳酸( m p e o p l a ) 共聚物本身弱的相互作用包裹蛋 白质制得平均粒径为2 0 0 h m 的纳米囊，研究发现蛋白质的包封率会随着共 聚物摩尔质量的增大和p l a 嵌断链长的增加而明显增加。但是过多的p l a 链 段会影响水和蛋白质的扩散，降低了蛋白质的释放效果。d ie t e r 口“等研究 了一种应用于免疫测试的生物功能性荧光微球，他们利用自组装技术先将 选好的聚电解质逐层沉积在胶体颗( p s ) 上，然后再利用静电作用将i g g 蛋白质固定在胶体粒子上，用扫描电镜可以直接观察到胶体颗粒表面经过 聚电解质吸附后的形貌变化，通过f m l 分析发现微球的荧光密度会随着聚 电解质层数的增加而增大，被荧光标定了的i g g 蛋白质组装到多层膜覆盖 的p s 胶粒上在免疫测试上有很大的用途。c a r u s o p 9 】等研究了b s a 在p s 胶乳 粒子上自组装。t e m 分析表明组装fb s a 后的胶乳粒子粒径增大a 表面纹 粒子上自组装。t e m 分析表明组装f - b s a 后的胶乳粒子粒径增大。表面纹 第一章绪论 禀性和令人期待的新功能。结合生物大分子，天然大分子等本身可降解以 及生物相容好等特点，通过控制大分子之间的弱的相互作用力，就可以设 计、合成具有欲想结构和功能的超分子组装体，并从分子水平上对分子排 列顺序进行精确调控，实现在超分子尺寸上的信息的传输和处理【3 扪。 分子组装技术制备微囊微球能够很好的控制反应程度及产物的物理 化学性质 3 6 o 根据微囊微球不同方面的应用，可以人为的设计与用途相 配合的产物，并根据实际应用调整微囊微球的形貌、大小、壁厚等，使产 物在此用途下能发挥最大的作用。目前科学家们对大分子之间的静电作用 组装微囊微球研究的很多，并且己经初显成果，在很多方面如医学，医药， 农业等方面都取得了广泛的应用。而且利用组装技术还可以精确制备到纳 米级的微囊微球，拓宽了其应用范围。 1 4 不同类型的组装微球 本论文根据参加组装的大分子是单个自行组装还是同其它一个或多 个大分子相互作用将组装微囊微球分为：自组装微囊微球、复合微囊徼球， 利用模板粒子组装微囊微球。这三种组装方法组装的微球都有各自不同的 应用领域。 1 4 1 自组装微囊微球 自组装是将具有特殊结构的单个大分子或共聚物，在一定条件下自行 反应组装，分子间通过非共价相互作用自发组合形成的一类结构明确、稳 定、具有某种特定功能或性能的分子聚集体或超分子结构。z a m b a n x i j ”等 就利用甲基聚乙烯一聚乳酸( m p e o p l a ) 共聚物本身弱的相互作用包裹蛋 白质制得平均粒径为2 0 0 n m 的纳米囊，研究发现蛋白质的包封率会随着共 聚物摩尔质量的增大和p l a 嵌断链长的增加而明显增加。但是过多的p l a 链 段会影响水和蛋白质的扩散，降低了蛋白质的释放效果。d i e t e r p s i 等研究 了一种应用于免疫测试的生物功能性荧光微球，他们利用自组装技术先将 选好的聚电解质逐层沉积在胶体颗( p s ) 上，然后再利用静电作用将i g g 蛋白质固定在胶体粒子上，用扫描电镜可以直接观察到胶体颗粒表面经过 聚电解质吸附后的形貌变化，通过f m l 分析发现微球的荧光密度会随着聚 电解质层数的增加而增大，被荧光标定了的i g g 蛋白质组装割多层膜覆盖 的p s 胶粒上在免疫测试上有很大的用途。c a r u s o 田1 等研究了b s a 在p s 胶乳 粒子上自组装。t e m 分析表明组装f - b s a 后的胶乳粒子粒径增大。表面纹 茎二量丝笙 理粗糙度增加，并有胶粒聚合现象。最外层是电解质时蛋白质的聚合减少， 胶粒更稳定：他们还研究了免疫球蛋白( r g g ) 的多层膜s p l s 和t e m 显示了 b s a 和i g g 多层膜有规律的逐层增长。此技术能在纳米水平上控制蛋白质 聚电解质的厚度，对生物工程、生化工程都有积极的影响。 1 4 2 复合微球 直接利用两个或更多个大分子之间弱的相互作用力制备成球。这种方 法制备的产品均匀、稳定，含量测定方法简便可靠，而且使用的设备简单， 方便，流程容易控制，易于操作管理。 海藻酸钠与壳聚糖是两种分别带负电荷与正电荷的高分子材料，两者 均因其良好的成膜及成型性而被广泛应用于药物载体领域。北京大学药学 院物理药学教研室【4 0 】就利用海藻酸钠和壳聚糖之间的静电相互作用制成 空白微囊，他们选取阿霉索( 荷正电) 、水杨酸钠( 荷负电) 及阿昔洛韦( 电 中性) 为模型药物，测定微囊对不同荷电性质药物的包封情况，并考察了 c t s 浓度对阿霉素及水杨酸钠包封率的影响。结果表明三种电性不同的药 物，荷电的药物由于可与组成海藻一壳聚糖微囊的材料中的一种发生静电 相互作用，均具较高的包封率，电中性的药物因无法与载体材料作用，在 相分离及与c t s 反应的过程中泄漏得很严重，因而包封率较低。 尚北城，徐贵丽f 4 l j 等人研究制各了酮康唑微囊，睨胶一阿拉伯胶作为囊 璧，通将酮康唑分散在囊壁材料水溶液中，在适当条件下( 如d h 值的改变、 温度的改变、稀释、无机盐电解质加入) 使得相反电荷的高分子材料间发 生静电作用。相反电荷的高分子材料相互吸引后，溶解度降低产生相分离， 胶体从溶液中分离出来，包覆在囊材表面，形成平均体积径为7 9 9 1 1m 的 微囊。用分光光度法直接测定酮康唑含量。在质量浓度范围0 。0 5 0 1 5 m g m l 内吸收度与浓度间线形关系良好在室温下产品稳定，平均包封率为 3 7 3 7 0 2 6 。本实验制备的酮康唑微囊，所得产品粒径较为均匀，包 封率较高，并且较为稳定。 1 4 3 模板法制球 功能性胶体颗粒可以应用在不同的科学领域如：生物传感，催化剂， 生物技术，医药，生态学等等。利用逐层组装技术将与胶体粒子带相反电 荷的大分子材料沉积在粒子上是一种使胶体粒子功能化的很好方法【4 2 1 。根 据所希望得到的性质通常选择：合成聚电解质，壳聚糖以及其衍生物，蛋 第一章绪论 白质，d n a ，油脂，多价染料 4 3 - 4 6 1 等大分子材料作为包裹胶粒的材料；吸附 大分子的模板粒子可以选择有机胶体粒子，无机胶体粒子，蛋白质聚集体， 生物细胞和药物晶体等【4 ”，作为模板的粒子尺寸从5 0 n m 至l j 几十微米不等。 利用这种方法制备的微囊微球可以通过改变组装组分和结构得到多样化 的物理化学性质，来配合不同领域的应用。另外根据需要，模板胶粒可以 选择不除去，和吸附在粒子表面的大分子膜共同发挥效应；也可以用物理 或化学的方法除去模板粒子做中空球，多用于医药研究，尤其是在药物缓 释方面有着很大的价值1 4 ”。 1 。4 3 1 不除去模板粒子 c a r u s o 4 9 】等研究了1 3 一g l s 在p s 胶乳粒子上的组装及其催化活性。通过 静电作用的分子沉积组装一c l $ 聚苯乙烯磺酸钠( p s s ) 多层酶膜在p s 胶 乳粒子上。催化反应研究表明：p s s 在最外层的时候，催化产物十二烷醇 葡萄糖苷的产量会随组装酶1 3 一g l s 的层数的增加而增加。s h e n s o l 等研究了 在三甲氨基聚苯乙烯微球上组装单层酶和双层酶膜。固定化的双层酶的活 力和蛋自载量都是固定化的单层酶的2 倍，表明沉积过程并没有使酶分子 的天然构象发生变化而导致酶的活力下降。 c a r u s o 5 1 1 等研究以酶晶体力模板，在其表面组装聚电解质膜的方法。 包裹后的酶胶囊的外壁具有可渗透性，可以让小分子底物自由出入为微 反应器的开发、药物缓释体系的研究提供了思路。 1 4 3 2 中空球 根据需要，在聚合物膜稳定的条件下，一些胶体粒子能够在一定条件 下分解。形成具有预想尺寸，形状和壁厚的中空球【5 ”。这种中空球具有的 最大的特点就是它们的可选择渗透性。一般囊壁可以允许相对分子质量从 5 0 0 5 0 0 0 的小分子、离子自由的穿过球壁 5 粥4 1 。聚电解质囊可以根据变换 囊壁材料来变化囊的稳定性，这一特点为控制囊的降解性和控制生物活性 囊材的释放开辟了广阔的前景口2 1 ，值得关注的是在囊的内部还可以合成一 些聚合物，另外有机或无机晶体也可以沉积在囊的内部 5 5 - 5 6 1 , 一些有机溶 剂也能被引入到封闭的体系，这项发现预见了这种中空球作为载药体系的 重要用途。 0 1 9 a 等5 7 】用此方法制各了包覆a 一胰凝乳蛋白酶的海藻酸钠鱼精蛋 白微囊微球，粒子尺寸为6 5um 。采用的方法是：先将a 一胰凝乳蛋白酶 包埋入海藻酸钠粒子，再以带负电荷的聚氰胺甲醛粒子为模板( 粒径为 6 第一章绪论 5 。2 0 。2u 【1 ) 包覆海藻酸钠粒子，然后逐层进行鱼精蛋白和海藻酸钠的 交互包覆得到所需尺寸的微囊微球，最后在p h 为1 6 的条件下，除去模板 分子。他们制备的微囊微球具有单分散性和很好的微囊化效率，其释放行 为可以通过控制膜厚度加以控制。 i g o r 等1 5 龇将可溶性的微米或亚微米的胶体微粒作为模板，在其表面上 进行静电组装，构筑多层膜，得到了以胶体微粒为核，多层膜为壳的核一 壳结构。将胶体微粒核除去，便可得到多层膜的三维空心微囊结构。用作 核的胶体微粒既可以是有机无机粒子，也可以是生物胶体。由壁材的厚 度可非常容易地进行调控，同其它方法制备的微囊相比，这种由于多层膜 构成的微囊有许多优点，表现为：通过选择模板胶体微粒的形状、尺寸以 及多层膜的沉积层数，可以对微囊的几何形状、尺寸、壁厚以及微囊的组 成进行精细的调控。此外，也可以将磷脂双分子膜组装于微囊的内壁或外 壁，并留下物质传输的通道，进行人造细胞的生物模拟。这种微囊结构既 可用于催化过程中催化剂的缓释，也可用于其它先进材料的合成，对于基 础研究和实际应用都有很高的价值。 i g o r 5 8 1 在此基础还利用大分子不能渗透出聚电解质多层膜的性质，先 在模板分子上构建双层膜结构，内层先吸附在模板分子上，再通过静电作 用逐层组装另一聚电解质形成稳定的外壳，除去模板粒子后制成具有双层 膜结构的中空球，然后通过物理或化学的方法使内层高分子降解，由于相 对分子质量很大，这种聚电解质不能够分散出囊，与水相结合后，在囊壁 内外形成了电势梯度，通过这一模型可以很容易的将一些非水溶性的药物 沉积在囊内部，尤其是各种各样的p w s 材料。这种方法制得的中空微球能 够很好的控制药物的释放，而且已经被广泛的应用在不同的传输药物系统 中。 1 5 纳米级微球的应用 纳米级微球在药物输送及释放领域有着广泛的应用。目前有半数以上 的新药存在溶解和吸收的问题。采用纳米技术可以在很大程度上增加药物 与胃肠道液体的有效接触面积，药物的溶解速率也将随着药物颗粒尺度的 缩小而显著的提高，进而提高药物的吸收利用率。采用纳米技术来缩小药 物的颗粒尺度已成为提高药物利用率的可行方法。此外纳米药囊还可以 智能的控制药物的释放，使药物在瘸灶处合理地释放，提高药物利用率的 同时，避免了药物对人体其他部分的不良刺激，这在国内外文献中有相当 第一章绪论 多的报道。如今，纳米药囊已经制成了注射药刺、口服药荆、眼部用药等 药剂。 纳米微囊可以用于基因工程，作为基因药物的载体，携带药物分子进 入人体的血液循环，使药物在无免疫排斥的条件下可以把新型基因材料输 送到人体内已经存在的d n a 里，这样就给诸如癌症、糖尿病和老年性痴呆 症等疾病的治疗带来了曙光。 本课题组已经研究过包有辣素的纳米微囊。这种纳米微囊可用于治疗 各种治表性疼痛综合症，包括外科手术后神经瘤、反射性交感神经营养不 良综合症和女阴前庭炎等，尤其广泛应用于疼痛性神经病变一糖尿病性神 经病变和带状疤疹后遗神经痛；并且还可以用于某些皮肤病的治疗，如银 屑病。 在涂料及塑料中的某些添加剂制成纳囊后，分散到产品中，可以使其 寿命有效期提高数倍甚至十几倍。其原因在于添加剂成囊后，其释放得 到控制，与原先相比释放行为更加稳定，释放时间得到更有效延长，从而 提高了产品的科技含量和实用价值。另外纳米囊还可用于粘合剂和密封 胶。例如在粘合剂密封胶中添加s i o ；的亲水性纳囊，就可以使胶粘效果 密封效果有极大的提高，究其原因是因为s i 0 2 的亲水性纳囊加入密封胶后， 很快能形成一种硅石结构，即纳米s i 0 ：形成网络结构抑制胶体的流动，使 固化速度加快，由于颗粒很细，更增加了胶的密封性能。 1 6 大分子材料的选择 材料是决定微球性能的关键因素之一，近年来对环境友好材料的研究 越来越受到人们的重视，也是今后材料研究的发展方向和发展趋势，对环 境无毒无害，可降解的高分子材料成为囊微球的首选材料。 壁材聚合物一般应具备良好的成膜性能，与包封物不发生反应，而且 应具有一定的力学强度及稳定性：另外在生物环境中应用的微球，其材料 还应具备良好的生物相容性；对药物控制释放体系，还要求材料具有生物 可降解性。以前研究报道中将高分子分为天然、半天然和合成聚合物三大 类。 1 天然高分子材料是最常用的材料，具有无毒、稳定性好、可降解且产 物无毒副作用等特点，而且资源丰富、制备简单、价格便宜，在医药，食 品加工等方面着起重要的作用。这类材料有：明胶、阿拉伯树胶、琼酯、 海藻酸钠、淀粉海藻酸盐、壳聚糖等。另外生物大分子材料如：酶、蛋自 第一章绪论 质、d n a 等、这些组装体系不仅能够保持生物分子独特的生物功能，同时 又为信息、电子科学、医药等的发展提供了微型化、智能化的材料，随着 生物技术的进一步发展和材料性能的进一步提高，生物大分子组装体系将 得到更深入的研究和更广泛的运用。 2 半合成高分子材料主要是多系纤维素类衍生物。这类材料毒性较小， 粘度比较大，成盐后溶解度会有所增加、易水解，但是缺点是不稳定，不 能高温处理，因此最好能临时配置使用。常用的有：甲基纤维素、羧甲基 纤维素、乙基纤维素、醋酸纤维素、邻苯二甲酸醋酸纤维素等。 3 合成高分子材料一般可分为可生物降解材料和不可生物降解材料两 类。目前具有生物相容性可生物降解的高分子材料受到普遍的重视并得到 广泛的应用。这类材料一般具有化学稳定性，无毒、成球及成膜性好，且 膜的性能可通过多种手段加以调节，可用于药物注射等特点。如聚碳酯、 聚乳酸、聚丙烯酸树脂，聚甲基丙烯酸甲酯。乳酸与羟基乙酸的共聚物、 聚乳酸与聚乙二醇嵌段共聚物、聚3 羟基丁酸酯等。 1 6 1 明胶的基本性质 1 6 1 1 明胶的结构 明胶是一种动物的结缔或表皮组织中的胶原部分变性或物理化学降 解的产物e s 9 l 。明胶是由1 8 种氨基酸组成的水溶性多肽，其中各氨基酸含量 见表1 一l t a b l el lc o n t e n t so fa m i n oa c i di ng e l a t i n 表1 一l明胶中各氨基酸的含量 氮基酸残基含量( ) 甘氨酸( g l y ) 脯氨酸( p r o ) 羟基脯氨酸( h y p r o ) 谷氨酸( g l u ) 糟氮酸( a r g ) 丙氨酸( a l a ) 天门冬氨酸( a s p ) 赖氨酸( l y s ) 亮氨酸( l e u ) 缬氨酸( v a ! ) 9 2 5 5 1 8 0 1 4 1 1 1 4 8 5 8 5 6 6 4 1 3 2 2 5 笙二里堡丝 苯丙氨酸( p h e n ) 苏氨酸( t h r e ) 异亮氨酸( i - - l e u ) 甲硫氨酸( m e t h ) 组氨酸( h i s ) 酪氨酸( t y r ) 色氨酸( s e t ) 胱氨酸( c y s ) 及半胱氨酸 1 6 1 2 明胶的主要性质 明胶的主要性质包括以下几个方面： 1 ) 凝胶及溶胶一一凝胶转化 明胶是胶原部分变性的产物。胶原是由共价键结合的三股螺旋形成的 棒状分子链构成的。在变性过程中，这些键被破坏，三股螺旋结构崩溃。 3 5 以上明胶在水中为溶胶态且分子构象主要是无规线团。3 5 以下，浓 度1 w t 以上的明胶溶液又缓慢地改变构象且聚集成凝胶态，部分分子链 又还原成三股螺旋结构。这些连结区域或物理交联点的本质是形成准晶， 尽管它是在转变过程还是在随后干燥工艺中形成的问题仍在探讨中1 6 0 。 通常，把溶胶和凝胶的可逆性转变归结为分子的构象和聚集状态变化 的结果。明胶的相对摩尔质量、相对摩尔质量分布及它们所处的环境( 如 浓度、温度、湿度、p h 值、离子强度和受热历史等) 都对这种转变产生影 响，同时在转变过程中伴随着一系列物理性质的变化，如粘度、沉降性、 扩散性、光散射以及光学活性等【6 ”。 2 ) 两性聚电解质特性 明胶分子中含有许多可电离性基团，如羟基、羧基、氨基、巯基和咪 唑基。这些基团在不同的p h 值条件下表现出不同的电离性质，特别是碱性 氨基酸和酸性氨基酸比例决定了明胶具有特定的等电点( p i ) 当p h p i 时，明胶呈碱性，p l q 3 5 ) 时，氧化反应进行得更快，从而消耗环境中的氧。酚类结构使其对活性氧 等自由基具有很强的捕捉能力，如能与氧化反应产生的脂质自由基等结 合，减少或阻止组织中氧化反应过程的进行，这使多酚具有较强的抗氧化 性以及清除自由基的能力【6 8 】。低分子量的茶单宁( 茶多酚) 和水解单宁的降 解物没食子酸作为天然抗氧化剂已经大量用于食品保存，作用强而毒性 低。相对分子质量较大的的多酚其抗氧化性远较茶多酚、没食于酸等小分 子多酚强。多酚的抗氧化性也较常用的抗氧化剂维生素e 、维生素c 强，并 且多酚与二者同时存在时，具有协同抗氧化效应。植物多酚的抗氧化、清 除自由基的性质，是其具有某些生理活性的基础。作为天然的抗氧化剂， 植物多酚在医药、食品、化妆品、电化学等很多领域被广泛应用。 此外，植物多酚具有较强的紫外吸收特性。在2 0 03 5 0 n m 间有较强的 吸收蜂。特别是对能量高、破坏力大的远紫外区有更强的吸收，因此植物 多酚可以作为抗老化剂和防晒剂的有效成分。 可见，植物多酚集中体现了酚类化合物的化学性质，而分子中多个邻 位酚羟基的协同作用，使单宁具备了一般酚类没有的能力。值得注意的是， 在这些性质间具有相关性，一方面它们都源于酚羟基，如与蛋白质结合能 力强的多酚往往也具有较强的金属络合能力和抗氧化性：另一方面它们通 常以综合的形式体现。如多酚与高价氧化态金属离子络台的同时还可将