（材料学专业论文）氨基多糖光敏改性研究.pdf

i i iiiflllrl iiirrlllifrflf l r r llrl f rrllf 18 8 9 6 5 6 透明质酸( h a ) 是氨基多糖的一种，有优异的生物相容性、可降解，被广泛应用 于生物医药材料。但由于其亲水性过强，大多需要通过交联提高其应用性能。目前有关 透明质酸的交联改性研究大多使用化学交联方法，鲜见有光交联改性方面的报道。u v 光交联改性是一种高效、环境友好、绿色的方法，在透明质酸体系中引入光敏大分子聚 乙烯醇苯乙烯基吡啶盐缩合物( p v a s b q ) ，在紫外光诱导下，能发生光二聚反应形成 p v a s b q h a 大分子交联网络结构，可以改善h a 性能并拓展其应用范围。本文对氨基 多糖透明质酸的光敏改性及其应用进行了研究，首次尝试以光敏聚合物p v a - s b q 与生 物大分子h a 及酰肼改性物h a a d h 分别复合，制备了p v a s b q 透明质酸凝胶和 h a - a d h p v a s b q 多孔膜，并对其性能进行了研究，探索了复合光交联h a 体系在药 物释放、蛋白吸附方面的应用。相关研究至今尚未见报道，有一定的创新性，主要工作 由以下两部分组成。 第一部分通过将h a 和p v a s b q 溶液共混，p v a s b q 紫外光交联后形成网络结构， 制备了不同光照时间和不同质量比例的p v a s b q 透明质酸水凝胶。分析了该水凝胶的 结构，探讨了不同光照时间下水凝胶的粘度和溶胀率变化，系统的研究了p h 、温度以 及盐浓度对水凝胶平衡溶胀率的影响。研究了不同质量比例的p v a - s b q j 霆明质酸水凝 胶在水中的溶胀动力学。在p v a s b q 透明质酸水凝胶性质研究的基础上，以布洛芬为 模型药物研究了该水凝胶释药性能，同时设计一种凝胶包微凝胶，微凝胶载药的一种新 模型，比较了两种模型对药物的释放效果。实验结果表明：质量比例为 m ( h a ) ：m ( p v a s b q ) = l ：3 在4 5 0s 的紫外光照时间时发生凝胶化转变，并且所得凝胶具 有p h ，温度及盐浓度多重敏感性。凝胶的释药性能研究表明p v a s b q 含量越高，对药 物的包封作用越强，包封率越大。新旧模型载药性能比较表明新模型延缓了药物的释放 速率，对原模型的药物突释现象有一定的改善作用。 第二部分利用a d h 交联改性h a 得到h a 的衍生物( h a a d h ) ，利用溶液共混法， 将h a a d h 和p v a s b q 和p e g ( 致孔剂) 共混，流涎成膜、紫外光交联后除去p e g 成功 制得h a a d i - - i p v a s b q 多孔膜，f t i r 及s e m 表征了多孔膜孔结构，并且研究了该多 孔膜透光率、吸湿率、水蒸汽透过率、在不同温度及不同盐浓度溶液中的溶胀率以及吸 附牛血清蛋白性能。实验结果表明：由f t i r 结果可知多孔膜中p v a - s b q 在紫外光照条 件下发生光交联反应，s e m 结果表明光交联h a a d h p v a - s b q 多孔膜的表面形态平整， 膜表面有均匀分布的岬级孔存在。由透光率可知，多孔膜在4 0 0n i l 以下u v 有选择性 吸收，完全不透紫外光，而且所得的多孔膜具有一定的温敏性及盐浓度敏感性。光交联 后，多孔膜形成网状结构，有效地改善了多孔膜的疏水性、吸湿性能以及水蒸汽透过率： 疏水作用和静电作用导致多孔膜在h a a d h 质量含量为3 3 时对牛血清蛋白的吸附量 最大。 关键词：透明质酸，p v a - s b q ，光交联，凝胶，多孔膜 a b s t r a c t a b s t r a c t h y a l u r o n i ca c i d ( h a ) i sak i n do fa m i n op o l y s a e c h a r i d e b e c a u s eo fi t s e x c e l l e n t b i o c o m p a t i b i l i t ya n db i o d e g r a d a b l e ，i tc a l l b eu s e dw i d e l yf o rb i o l o g i c a la n dm e d i c a l m a t e r i a l s b u ti tn e e dc r o s s l i n k i n gt oi m p r o v ei t sa p p l i c a t i o np e r f o r m a n c ed u et oi t ss t r o n g h y d r o p h i l i c t h es t u d i e sa b o u th y a l u r o n i ca c i dc r o s s l i n k i n gm o d i f i c a t i o nw e r em a i n l yu s e d c h e m i c a lc r o s s l i n k i n gm e t h o d s ，p h o t oc r o s s l i n k i n gm o d i f i c a t i o nw e r er a r e l ys e e n u vp h o t o c r o s s l i n k i n gm o d i f i c a t i o ni sak i n do fh i g l le 瓶c i e n ta n de n v i r o n m e n t a lf r i e n d l ya n dg r e e n m e t h o d 1 1 l e p h o t o s e n s i t i v e m a c r o m o l e c u l a rn a m e dp o l y v i n y l a c o h o l ( p v a ) b e a r i n g s t y r y l p y r i d i n i n mg r o u p ( p v a - s b q ) w a si n t r o d u c e di n t oh as y s t e ma n dc a nb eg r o s s - l i n k e d u n d e ru vr a d i a t i o nt of o r mn e t w o r k , w h i c hc a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fh aa n ds p r e a d t h ea p p l i e ds c o p eo fh a i nt h i sp a p e r , t h ep h o t o s e n s i t i v em o d i f i c a t i o na n da p p l i c a t i o no fh a w e r em a i n l y s t u d i e d w ef o c u s e do nt h e r e s e a r c ho ft h e p h o t o c r o s s l i n k e d p v a s b q h y a l u r o n i ca c i dh y d r o g e l a n dp h o t o - c r o s s l i n k e dh a - a d h p v a s b qp o r o u s m e m b r a n e t h ea p p l i c a t i o no ft h ep h o t o c r o s s l i n k e dc o m p o s i t ei nd r u gr e l e a s ea n dp r o t e i n a d s o r p t i o nw a s a l s oe x p l o r e d 1 1 1 em a j o rw o r kw a sc o n s i s t e do ft h ef o l l o w i n gt w op a r t s i n p a r t1 ，p h o t o c r o s s - l i n k e dp v a - s b q h y a l u r o n i c a c i d h y d r o g e lw i t hd i f f e r e n t i r r a d i a t i o nt i m ea n dq u a l i t yp r o p o r t i o nw e r em a d eb ym i x i n gt h es o l u t i o n so fp v a - s b qa n d h af o l l o w e db yp h o t o c r o s s 1 i n k e d 1 1 1 es t r u c t u r eo ft h eh y d r o g e lw a sa n a l y z e s e da n dt h e v i s c o s i t ya n ds w e l l i n gr a t i oo f t h eh p v a - s b qh y d r o g e lo nd i f f e r e n ti r r a d i a t i o nt i m ew e r e d i s c u s s e d 1 1 1 ee q u i l i b r i u ms w e l l i n gr a t i ou n d e r d i f f e r e n t p h ，t e m p e r a t u r e a n ds a l t c o n c e n t r a t i o nw e r es y s t e m a t i c a l l yr e s e a r c h e d t h es w e l l i n gd y n a m i c so ft h eh y d r o g e lw i t l l d i f f e r e n tq u a l i t yp r o p o r t i o nw a ss t u d i e d b a s e do nt h ea b o v e ，t h ed r u gr e l e a s ep e r f o r m a n c eo f t h eh y d r o g e lw a ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep v a s b q h y a l u r o n i ca c i ds o l u t i o n ( m ( h a ：m ( p v a - s b q ) = i ：3 ) b e g a nt oc o n v e r s i o nf r o md i l u t eg e ls t a t et os o l i dg e ls t a t ea tt h e i r r a d i a t i o nt i m eo f4 5 0sa n dt h eh y d r o g e lh a dm u l t i p l es e n s i t i v i t y ( p h ，t e m p e r a t u r ea n ds a l t c o n c e n t r a t i o n ) t h es w e l l i n gd y n a m i c se x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tt h ed o m i n a t ep r o c e s sw a s w a t e rd i f f u s i o ni n t op o l y m e rn e t w o r k t h ed r u gr e l e a s ep e r f o r m a n c es t u d ys h o w e dt h a t h y d r o g e lc o u l dl o a dm o r ed r u g sw i t ht h ec o n t e n to fp v a - s b q i n c r e a s i n ga n dt h en e wp a t t e r n c a nd e l a y e dt h ed r u gr e l e a s es p e e d i np a r t2 ，f i r s t l yt h ea d i p i ca c i dd i h y d r a z i d ew a si n t r o d u c e di n t oh a t h e ni tw a sj o i n e d t o g e t h e rw i t hp v a s b qa n dp e g ( p o r ef o r m i n ga g e n t ) t h i r d ，a f t e rt h eu vl i g h t ，p e gw a s r e m o v e df r o mt h em e m b r a n e ；t h eh a a d h p v a s b qp o r o u sm e m b r a n ew a sp r e p a r e d i t s s t r u c t u r ew a se x a m i n e d b ym e a n s o fs e ma n df t i r 1 1 l ep r o p e r t i e so ft h e h a a d h p v a s b qp o r o u sm e m b r a n eh a db e e ns t u d i e d 1 l l er e s u l t ss h o wt h a tal e v e lo fp r n p o r ei ns u r f a c em o r p h o l o g yo ft h ep o r o u sm e m b r a n ew a sf o r m e d a f t e rl i g h tc r o s s - l i n k i n g ， t h en e t w o r ks t r u c t u r eo fp o r o u sm e m b r a n eh a sb e e nf o r m e d t h eh y d r o p h o b i c i t ya n dm o i s t u r e a b s o r p t i o no fp o r o u sm e m b r a n ew e r ei m p r o v e de f f e c t i v e l y t h ep o r o u sm e m b r a n ew h i c ht h e q u a l i t yc o n t e n to fh a a d h i s3 3 h a st h el a r g e s tb o v i n es e r u mp r o t e i na d s o r p t i o nc a p a c i t y k e y w o r d s ：h y a l u r o n i ca c i d ，p v a s b q ，p h o t o - c r o s s - l i n k e d ，h y d r o g e l ，p o r o u sm e m b r a n e 目录 目录 摘 要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 前言l 1 2 高分子水凝胶概述1 1 2 1 水凝胶1 1 2 2 水凝胶溶胀机理2 1 2 3 水凝胶在生物医学上的应用2 1 3 多孔膜3 1 3 1 多孔膜的制各：3 1 3 2 调控膜结构的主要方法3 1 4 氨基多糖4 1 4 1 氨基多糖的化学组成4 1 4 2 氨基多糖的分类4 1 5 透明质酸的概况5 1 5 1 透明质酸的结构5 1 5 2 透明质酸的物理性质6 1 5 3 透明质酸的化学性质6 1 5 4 透明质酸改性的研究进展7 1 5 5 透明质酸的作用l l 1 6 光敏高分子的概述1 1 1 6 1 光敏高分子的分类1 l 1 6 2s b q 与p v a s b q 简介1 2 1 7 本课题的立题依据与意义1 3 1 8 本论文主要研究内容1 3 第二章紫外光交联法制备p v a s b q 透明质酸水凝胶1 5 及其性能研究一1 5 2 1 引言l5 2 2 实验内容l5 2 2 1 实验试剂1 5 2 2 2 实验仪器与设备15 2 2 3 紫外光交联法制备p v a - s b q 透明质酸水凝胶1 6 2 2 4 性能表征方法1 7 2 3结果与讨论1 7 2 3 1 凝胶的结构表征1 7 目录 2 3 2s e m 表征18 2 3 3 光照时间对p v a s b q 透明质酸水凝胶流变性能的影响1 9 2 3 4 光照时间对p v a s b q 透明质酸水凝胶溶胀率的影响。1 9 2 3 5 质量比例对p v a s b q 透明质酸水凝胶溶胀的影响2 0 2 3 6p h 对p v a s b q 透明质酸水凝胶平衡溶胀率的影响2 3 2 3 7 温度对p v a s b q 透明质酸水凝胶平衡溶胀率的影响2 3 2 3 8 盐浓度对p v a s b q j 爱明质酸水凝胶平衡溶胀率的影响2 4 2 4 本章小结2 5 第三章p v a s b q 透明质酸水凝胶释药性能研究2 7 3 1 引言2 7 3 2 实验内容2 7 3 2 1 实验试剂。2 7 3 2 2 实验仪器与设备2 7 3 2 3p v a s b q 透明质酸载药凝胶的制备2 8 3 2 4p v a s b q 透明质酸水凝胶释药性能研究2 8 3 2 5 新模型载药凝胶对布洛芬的释放曲线2 9 3 3 结果与讨论3 0 3 3 1 布洛芬的紫外吸收曲线及标准曲线一3 0 3 3 2 不同质量比例载药凝胶对布洛芬的释放研究。3 0 4 3 3 不同光照时间载药凝胶对布洛芬的释放研究3 1 3 3 4 不同凝胶模型对药物释放的影响3 2 3 4 本章小结3 4 第四章光交联酰肼改性透明质酸p v a s b q 多孔膜的制备3 5 及性能表征3 5 4 1 引言3 5 4 2 实验内容3 5 4 2 1 实验试剂3 5 4 2 2 实验仪器与设备。3 6 4 2 3 酰肼改性透明质酸p v a s b q 多孔膜的制备。3 6 4 2 4 酰肼改性透明质酸p v a s b q 多孔膜的性能表征3 6 4 3 结果与讨论3 8 4 3 1f t i r 表征3 8 4 3 2 膜的扫描电镜图片3 9 4 3 3 接触角测定4 0 4 3 4 膜的溶胀率测定4 0 4 3 5 透光率测定4 2 4 3 6 吸湿率4 2 目录 4 3 7 水蒸气透过率4 3 4 4 本章小结4 5 第五章结论与展望4 7 致谢4 9 参考文献5 1 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文及专利5 7 i l l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 前言 材料是时代的基础，材料的发展伴随着时代的进步。材料的发展依赖着各种材料日 新月异的发展，在这个过程中，高分子材料以其良好的应用性质及巨大的发展潜力引起 了人们越来越多的兴趣，成为了在技术产业及国际民生中最为广泛应用的功能材料。随 着科学技术的急速发展，人们对材料的要求已不仅仅是要求材料的使用寿命长、容量大 以及力学性能好，新时代对材料的要求是更小型，更自动，节省能源以及环境友好。为 了满足当今人们对材料的要求，研究学者们除了开发那些具有高强度的承载材料外，更 把目光投向了那些可以自控传递信息并且能够转变能量形式或者具有其他特殊性能的 材料。这些材料的研究与开发预示着功能材料的应用前景，有可能引发新一代的技术革 命，所以受到多方学者的研究与关注。 近年来石油、煤、天然气等不可再生资源日趋枯竭，在未来几百年有可能被耗尽。 另一方面由现代化工引起的严重污染正在加剧。因此人们逐渐把目光转移到壳聚糖、透 明质酸及淀粉等可再生、可生物降解、环境友好的天然大分子上。透明质酸是氨基多糖 的一种，具有良好的保水性以及生物相容性。随着其在化妆品和医药方面应用研究的不 断开发，h a 将作为一种新的重要生化药物，其在功能材料领域的应用已成为目前研究 的热点，日益受到国内外学者的高度重视。 1 2 高分子水凝胶概述 1 2 1 水凝胶 水凝胶主体是高分子材料，它能在水中溶胀并且吸收大量水分自身却不溶解，其网 络结构如图1 1 所示。水凝胶本身有着与固体及液体相同的多种功能特性，如溶胀性能、 力学性能、渗透性及光学特点等；与此同时它也有着自己独特的性能：当外界环境改变 时，水凝胶的体积发生突变。环境敏感性水凝胶即是这种具有对环境感应且作出相应反 应性质的水凝胶0 - - 2 1 。 近几十年来，温度敏感性、p h 敏感性、光敏感性及对其他刺激源敏感的水凝胶相 继研究成功，而且应用在人工组织及人工肌肉和可控药物释放系统等方面【3 9 1 。水凝胶 是一类亲水性高分子材料，只能在水中溶胀，但不能在水中溶解，在自然界中普遍存在， 能吸收几十倍至上千倍于自身重量的水分，吸收的水分不能通过简单的物理方法挤出， 具有很强的保水性。水凝胶具有强的保水性是由于其分子结构。从化学结构上看，大多 数吸水性水凝胶网络的分子主链或侧链上含有羧基、羟基等强亲水性官能团，这些亲水 基团与水的亲和作用是其吸水的主要内因。 江南大学硕士学位论文 o 图1 - 1 水凝胶网络结构示意图【1 】 f i g 1 - 1t h en e t w o r ks t r u c t u r eo f h y d r o g e l 【1 】 o 口 o a 水凝胶有多种分类方法【l o l ，物理凝胶和化学凝胶是根据凝胶网络内部结合方式不同 来划分的，通过物理作用力如静电作用、氢键、范德华力等弱相互作用力交联而成的凝 胶是物理凝胶。而通过共价键交联形成新键得到的三维网络聚合物是化学凝胶。绝大多 数的生物、植物体内存在天然凝胶，这些凝胶由于来源丰富，并且有非常好的生物相容 性，近年来受到许多研究者的重视j ，所以存在天然高分子水凝胶和合成高分子水凝胶 的区别。根据凝胶对不同刺激源的响应性，可分为智能型凝胶和传统型凝胶。相比于传 统型水凝胶，智能型水凝胶是一类能对外界刺激源产生相应应答性质的水凝胶，外界刺 激可以是温度、p h 值、盐浓度及化学物质等【投6 1 。同时根据智能型水凝胶对外界刺激 源的应答情况，它又可分为：温敏性水凝胶、p h 敏感性水凝胶、光敏感性水凝胶、电 场敏感性水凝胶等。正是由于智能型水凝胶这种对刺激源良好的响应性，使得它在化学 传感器、化学存储器、分子分离体系、组织工程、药物载体等方面具有良好的应用前景 【1 7 】，对于这一类物质的研究也引起越来越多研究者的注意。但由于传统智能型水凝胶存 在一些缺点( 如难以降解、生物相容性差、机械性能低) ，因而限制了传统智能型水凝胶 的应用范围。因此近年来关于可降解的智能型水凝胶以及提高智能型水凝胶的生物相容 性等方面越来越受到研究者的注意。 1 2 2 水凝胶溶胀机理 水凝胶吸水后聚合物分子与水分子之间存在三种作用：水分子和亲水基团之间的吸 引作用；水分子和疏水基团之间的排斥作用；水分子与聚合物分子中电负性强的氧原子 形成氢键。对于交联聚合物来说，其溶胀过程是两种相反趋势的平衡过程【2 6 j ：溶剂试图 渗透到交联网络内部，使凝胶体积溶胀导致分子网络的伸展，交联点之间的分子键的伸 展降低了其构象熵，分子网络产生的弹性回缩力使网络收缩。当这两种相反的倾向互相 抵消时，就达到了溶胀平衡【l 剐。 1 2 3 水凝胶在生物医学上的应用 水凝胶是由水溶性的高分子组成，亲水的小分子能够在其间扩散，因此水凝胶具有 2 第一苹绪论 良好的保湿性；三维空间网络结构又使得它能够满足一定的粘弹性要求。同时，由生物 大分子制成的水凝胶还具有良好的生物相容性，这些优点都决定了水凝 胶有着广泛的应用领域。下面将简要的介绍水凝胶在生物医学上的一些应用。 1 2 3 1 药物释放体系 由水凝胶制备的药物释放系统兼具了储存药物、控制释放药物的速度和驱动释放三 种功能，它有三维网络结构，能够负载药物，又能通过控制条件控制药物的释放速度达 到驱动释放的目的，同时能遮蔽医药品的气味。因此，水凝胶在口服、鼻腔、口腔等给 药途径具有较大的应用潜力。 1 2 3 2 经皮给药系统 药物经皮给药即药物通过与局部皮肤接触，穿过角质层，扩散透过皮肤，后经毛细 血管吸收进入体循环的一种给药方式。这种给药方式具有以下优点：药物不受肝脏和胃 肠道的影响，药物利用率高；减小了药物对胃及肝脏的损害；避免口服药在胃肠道内的 降解及失活；同时可按需要的速率将药物输入体内，保持血药浓度恒定，使用方便。所 以由水凝胶制备的经皮给药系统具有广泛的应用前景。 1 2 3 3 伤口敷料 利用水凝胶制成的伤口敷料材料由于其良好的生物相容性，可以直接与人体伤口组 织接触，防止了体外微生物的感染，抑制了体液的损失，传输氧到伤口，促进伤口的愈 厶 口o 1 2 3 4 生物分子、细胞的固定化 将具有特定功能的生物分子或细胞固定在水凝胶的表面或其内部，然后填装柱子， 可以用于分离及固定混合物中的特殊生物。 1 3 多孔膜 1 3 1 多孔膜的制备 ( 1 ) 高分子辅助倒向法，该方法是先利用一种溶剂和两种物理相容的高分子所形成的 溶液浇铸成两种高分子均匀混合的复合膜，然后用其中一种高分子的溶剂( 同时是另一 种的非溶剂) 抽提复合膜，其中的一种高分子被溶剂带走，留下的不溶高分子交联成一 张多孔膜，被溶剂带走的高分子在该过程中起了占位的作用。 ( 2 ) 扩散致相转化法是聚合物多孔膜制备的标准技术，可用于制备微滤、超滤、反渗 透、透析膜等。按照相分离发生方式的不同分为控制蒸发凝胶法、蒸汽相凝胶法、浸入 凝胶法。 ( 3 ) 相转化法，该方法是一种传统的制备多孔膜的方法，大部分的相转化膜是通过浸 没沉淀制得的。铸膜液的组成、蒸发时间、温度等相关因素对最终的膜结构与形态有重 要影响。 1 3 2 调控膜结构的主要方法 选定聚合物材料后，改变成膜体系、制膜条件可以改变成膜时的组成路径及成膜 3 江雨大学硕士学位论文 机理，从而改变所得膜的结构以及形态。 ( 1 ) 铸膜液组成：采用三元制膜体系时，通过添加一定量的非溶剂以改变铸膜液组 成可以调节膜结构。此方法改变了相分离组成路径的起点位置，改变了两种相分离方式 竞争局面，从而改变固化后膜的结构。 ( 2 ) 非溶剂种类：c h e n 9 1 2 0 】等制备乙烯乙烯醇膜时，当其他条件选定时，采用不同 的非溶剂能够得到不同膜结构的多孔膜。 ( 3 ) 铸膜液浓度：b u l t e 1 9 1 等采用不同铸膜液浓度应用沉淀法制备了快速结晶聚合物 膜，得到了具有不同孔性状的多孔膜。 ( 4 ) 制膜操作温度：操作温度的改变可能改变体系热力学结构，改变体系的传递性 质，从而调控所形成膜结构。 ( 5 ) 凝胶浴组成：采用三元制膜体系时，通过在凝胶浴中添加适量的溶剂可以调节 膜的结构，此方法减慢了溶剂与非溶剂在铸膜液、凝胶浴间的双向扩散速率，相分离模 式可由瞬时相分离转变为延迟相分离，进而改变固化后膜的结构。 1 4 氨基多糖 氨基多糖，又称糖胺聚糖( g l y c o s o m i n o g l y c a n ，g a g ) 、粘多糖( m u c o p o l y s a c c h a f i d e s ) ， 是蛋白聚糖( p r o t e o g l y c a n , p g ) 分子结构中的“含糖片段 ，通过共价键( 糖肽键) 与 蛋白聚糖的核心蛋白连接，是动物体内特有的含有氨基的生物大分子物质。g a g 具有 抗肿瘤、抗凝血、降血脂、增强免疫等多种生物活性，已引起了世界医药界和食品界的 广泛关注。 1 4 1 氨基多糖的化学组成 组成氨基多糖的单糖一般都是已糖和己糖的衍生物，主要有氨基葡糖( 葡萄胺， g l u c o s a r n i n e ) 、氨基半乳糖、葡糖醛酸( g l u c u r o n i ea c i d ) 、艾杜糖醛酸( i d u r o n i ca c i d ) 、 半乳糖、甘露糖、岩藻糖( f u c o s e ) 和木糖，以及这些单糖的乙酰基或多硫酸基衍生物。 其结构式如图1 2 所示。 1 4 2 氨基多糖的分类 氨基多糖可根据所含糖类的种类及比例，n 一乙酰基、n 一硫酸基及0 一硫酸基等的多少， o - 硫酸基等的位置，糖苷键的类型和相对分子质量进行分类，主要有肝素、累肝素、低 分子肝素、透明质酸( h a ) 、软骨素、硫酸软骨素、硫酸皮肤素( d e r m a t a ns u l f a t e ) 、硫 酸角质素( k e r a t a ns u l f a t e ) 、甲壳素等。以下介绍几种常见的氨基多糖及其结构。 4 第一章绪论 霹蒋填 图l - 2 组成氨基多糖的几种单糖的结构式 f i g 1 - 2s t r u c t u r eo fm o n o s a c c h a r i d ec o m o s e do fa m i n op o l y s a c c h a d d e 1 甲壳素( c h i t i n ) 甲壳素是由n 一乙酰氨基葡糖通过糖苷键链接而成的直链高分子多糖，平均相对分子 质量一般在1 0 6 左右。壳聚糖( c h i t o s a n ) 为甲壳素的脱乙酰衍生物，又名脱乙酰甲壳素 或脱乙酰壳多糖。 2 透明质酸( h y a l u r o n i ca c i d ，h a ) h a 是由葡糖醛酸- n - 乙酰氨基葡糖为双糖单位组成的直链高分子多糖，分子中两种 多糖的摩尔比为1 ：1 。 3 硫酸软骨素( c h o n d r o i t i ns u l f a t e ) 此类物质广泛存在与人和动物的软骨组织中。与h a 相似，硫酸软骨素也是由双糖 单位组成的聚合物，一般含有5 0 - - - 7 0 个双糖单位。 4 肝素( h e a r i n ) 肝素广泛存在于哺乳动物的各种组织中，其基本骨架也是由糖醛酸和氨基葡糖双糖 单位组成，不过其糖醛酸有艾杜糖醛酸和葡糖醛酸两种，且各单糖残基的硫酸化和乙酰 化情况变化较多，有n 一硫酸基、n 一乙酰基和不同位置的旷硫酸基( 酯) 。本文选用透明 质酸作为凝胶基体之一，所以下面着重介绍透明质酸的性质。 1 5 透明质酸的概况 透明质酸( h a ) 又名玻璃酸，是一种大分子酸性粘多糖，广泛地存在于生物体的 结缔组织中，由m e y e r 和p a l m e r 于1 9 3 4 年首先从牛眼玻璃体中分离出来。2 0 世纪6 0 - - 7 0 年代b a l a z s 首先将h a 用于眼科手术并获得理想的疗效后，其应用研究得到了飞 速的发展。 1 5 1 透明质酸的结构 透明质酸是由葡糖醛酸和乙酰氨基葡糖为双糖单位组成的直链大分子多糖。透明质 酸在水溶液中，其分子高度伸展，并相互缠绕连接，形成连续的网状结构，而水分子则 5 江南大学硕士学位论文 在此网络内通过极性键和氢键与h a 分子结合，使得h a 就像“分子海绵”一样，能吸收 和保持其自身质量上千倍的水分。其结构如图1 - 3 所示。 第一章绪论 如图1 4 所示，h a 分子中可进行化学修饰的部位有羟基、n 乙酰基、羧基和糖环。 其改性的主要方法有交联、接枝、酯化和复合等。改性后，h a 在保持其原有生物相容 性和水溶性的同时，又被赋予了一系列其他良好的特性，如机械强度、粘弹性、流变学 特性、光学特性及抗透明质酸酶降解能力等。 ( 1 ) 交联改性：交联是在含有相关官能团的交联剂存在的条件下，使分子之间发生 部分交联或者完全交联，形成分子网状结构，且交联度可控。h a 分子主链上的羟基和 羧基都是交联改性常用基团。将h a 进行交联，可使h a 分子链增长，平均分子量增大， 粘弹性增强，水溶性相对减弱，机械强度得到提高，抗透明质酸酶降解能力得到提高等。 ( 2 ) 接枝改性：接枝改性是利用h a 主链上的官能团与特定官能团间的反应，将大 分子或小分子接枝到h a 主链上。 ( 3 ) 开环改性：开环改性是将h a 主链糖环上的化学键打开，形成新的化学键。 ( 4 ) 离子化：h a 可以离子化形成羧基后成为聚阴离子，所得到的聚阴离子可以与聚 阳离子层层自组装或者与阳离子复合。 1 5 4 透明质酸改性的研究进展 1 5 4 1 透明质酸基层层自组装多层膜 所谓层层自组装( l a y e rb yl a y e rs e l f a s s e m b l y ) ，即利用逐层交替沉积的方法，借助 各层分子间的弱相互作用( 如静电引力、氢键、配位键等) ，使层与层自发地缔和形成结 构完整、性能稳定、具有某种特定功能的分子聚集体或超分子结构的过程。 它具有许多优点，如对成膜基质没有特殊限制，不需要专门的设备，成膜驱动力的 选择较多，制备的薄膜具有良好的机械和化学稳定性，薄膜的组成和厚度可控等等。因 此，人们对这种技术的研究与应用正日益深入和广泛。 层层自组装技术构筑多层超薄膜的大体步骤可以概括为：基质预处理( 1 ) a 层膜材 料的吸附( 2 ) 清洗( 3 ) b 层膜材料的吸附( 4 ) 清洗( 5 ) 重复( 2 ) 、( 3 ) 、( 4 ) 、( 5 ) 由于h a 分子结构中有羧基基团，h a 及其钠盐在水溶液中会电离出c o o ，表现出 明显的聚阴离子的性质，因此可利用静电作用与阳离子实现复合。为此国内外学者对 h a 在层层自组装方面进行了大量的研究。 复旦大学的l i u 2 l 】选用壳聚糖( c s ) 为聚阳离子，h a 为聚阴离子应用层层自组装 的技术在聚对苯二甲酸乙二醇酯( p e t ) 膜表面吸附形成层层自组装膜，改善了p e t 膜的疏 水性和生物相容性，如图1 - 6 所示。所得改性p e t 膜可以用于生物传感器以及化学和生物 学的反应器，吸附胰岛素后可以对各种蛋白质进行选择性消化。聚乳酸由于其良好的生 物相容性以及无毒性在组织工程中具有很好的应用前景，但是由聚乳酸制得的医用材料 对外界物质没有选择性吸附，所以会产生排斥反应甚至会造成血清蛋白的变形，h a 可 以解决这个问题。t r i s t a ni t 2 2 】选用c s 作为聚阳离子，h a 作为聚阴离子应用层层组装的技 术在聚乳酸表面吸附形成多层膜，从而可克服聚乳酸的上述缺点。l u 【z 3 , 2 4 1 在透明质酸层 层自组装方面做了一系列研究。l u 先将c s 作为聚阳离子，h a 作为聚阴离子得到层层自 组装膜，将所得膜投入到肌球素溶液中，多层膜在肌球素溶液中溶胀并吸附肌球素之后 具有很好的电响应性。之后l u 直接使用肌球素作为聚阳离子与h a 来制备层层自组装膜， 7 江南大学硕士学位论文 研究了盐浓度及其种类对多层膜电响应性质的影响。后l u 在上述模型基础上加入一层过 氧化氢酶，从而使得生物传感器免受过氧化氢的破坏，并且保持了很好的电响应性质。 l a n n a l 2 5 证明了在细胞表面吸附h a 基层层自组装聚电解质多层膜后，细胞的活性 并没有因为聚电解质膜的存在而降低。s u s a ne 2 6 】研究了用h a 与聚丙烯酰胺制得的层层 自组装多层膜的溶胀现象，发现该多层膜可以溶胀到自己厚度八倍的程度，而且膜的溶 胀程度依赖于膜的厚度、制备膜时的p h 以及溶胀溶液的p h 和离子浓度。t e z c a n e r1 2 7 1 铝4 备了三种不同的聚电解质多层膜：聚赖氨酸软骨素硫酸盐( p l l c s a ) 、聚赖氨酸聚 苯乙烯磺酸盐( p l l p s s ) 、聚赖氨酸透明质酸( p l i ，h a ) ，让光敏细胞在所得多层 膜上生长，发现双层膜的膜层数以及膜的最后一层对光敏细胞的生长数量有很大的影 响。 g a r z a 邛j 将h a 和聚赖氨酸( p l l ) 层层自组装制得多层膜后，又将聚苯乙烯磺酸盐 聚丙烯酰胺系统作为膜外的阻碍。通过研究发现，阻碍的存在并不影响质子在膜间的传 递。之后g a r z a 等【z 9 j 将透明质酸和聚赖氨酸层层自组装制得多层膜后，将乳酸和羟基乙 酸的共聚物( p l g a ) 作为膜的外界阻碍，它可以阻碍聚乳酸分子在膜间的扩散过程， 从而达到延缓膜降解的目的。通过控制p l g a 的厚度来研究其延缓降解的天数。 i 粕 ri 亩眵酬驴 图1 5h a 作为聚阴离子制备层层自组装膜过程 f i g 1 5t h ep r e p 啪t i o np r o c e s so fl a y e rb yl a y e rs e l fa s s e m b l ym e m b r a n eh aa sp o l y a n i o n i e 聚电解质多层膜有两种类型：膜厚度随沉积步骤的增加而线性增长；膜厚度随沉积 步骤的增加而指数增长，而h a 与聚赖氨酸( p l l ) 的多层膜是典型的指数增长的。p o r c e l 等 3 0 1 研究了制备多层膜的方法对膜厚度的增长方式的影响。他分别用浸没和喷涂的方法 来制备多层膜