（材料物理与化学专业论文）壳聚糖衍生物的合成及其药物控制释放应用研究.pdf

潘颖楠：壳聚糖衍生物的合成及其药物控制释放应用研究 1 摘要 近年来，可再生、无污染的天然高分子越来越备受关注和青睐，而壳聚糖以 其良好的生物相容性和生物降解性也正引起人们越来越多的重视。但是壳聚糖不 溶于水，仅溶于少量稀酸( 如h a c 、h c l ) ，使其在生物医学领域的应用受到很大 程度的限制。经过化学衍生化改性的壳聚糖的溶解性能、物理化学性能以及生物 物理性能，与壳聚糖相比有较大的差异甚至相反的性质。大量的实验结果表明壳 聚糖衍生物不仅具有良好的生物相容性、生物降解性以及低毒性，而且还具有两 亲性、血液相容性及良好的细胞相容性。这些具有生物活性的两亲性壳聚糖衍生 物的自聚集行为使其在药物控制释放载体领域有着广泛的应用，如o 羧甲基壳聚 糖对抗癌药物喜树碱的负载，n 琥珀酰化壳聚糖在水溶液中聚集形成结构较为规 整的球形粒子，可作为蛋白药物的载体。为了进一步提高药物载体的可控性，本 文利用分子设计原理，设计并合成n 马来酰化壳聚糖( n m c s ) ，以及n 羧乙基 壳聚糖( n c e c s ) 。分别利用乳液界面自由基聚合以及乳液界面缩合聚合法制备 载药纳米微胶囊。 本文首先合成了两种壳聚糖衍生物n m c s 和n c e c s ，通过红外光谱( f t - i r ) 、 核磁( h - n m r ) 、x 衍射( x i m ) 、热失重分析( t g a ) 等表征手段对合成的两 种壳聚糖衍生物n m c s 和n c e c s 进行结构性质表征；研究了它们的生物物理性 质。 通过粘度测定、荧光光谱、微量滴定仪( i t c ) 、原子力显微镜( a f m ) 、扫 描电镜( s e m ) 等技术研究了n m c s 和n c e c s 的聚集行为并阐述其聚集机理。 结果表明，n m c s 在浓度为0 5m g m 1 时聚集形成直径为2 5 肛1 长度为1 0 0 肛l 的纤维结构，聚集的驱动力是氢键和疏水作用，而n c e c s 聚集形成尺寸为4 0 1 0 0 n m 左右的纳米粒子，聚集的驱动力是亲水疏水和氢键作用。 通过粘度测定、透射电镜( t e m ) 、动态光散射( d l s ) 等研究了p h 值和盐 ( n a c l 和c a c l 2 及浓度) 对n m c s 聚集行为的影响。结果表明粘度随着p h 的增 加先增加后减小，随着盐浓度的增加粘度减小，并且c a c l 2 比n a c l 效果更为明 2 扬州大学硕士学位论文 显。 细胞培养和细胞活性的研究表明n m c s 和n c e c s 均具有良好的细胞相容 性，两种壳聚糖衍生物对细胞没有明显的细胞毒性，使得细胞能很好的铺展、增 殖生长。研究了n m c s 与h e m a 的接枝共聚物的p h 敏感性和血液相容性，结 果表明接枝共聚物具有良好的p h 敏感性，并且随着瑚三m a 比例的增加血液相容 性明显提高。 利用t i ! m 、场发射扫描电镜( f e s e m ) 、d l s 等研究微胶囊的结构形貌和粒 径尺寸分布。结果表明载药微胶囊的粒径与空载微胶囊相比有所增加。研究了 n m c s 水包油乳液聚合形成的微胶囊p - n m c s ( 交联密度和壁厚) 对抗高血压药 物非洛地平的缓释，结果表明通过调节交联密度和壁厚可以达到对药物的可控性 释放。研究了n c e c s 与均苯三甲酰氯( t m c ) 油包水乳液定向聚合形成的微胶 囊t m c e c s 对模拟蛋白( b s a ) 的释放行为，结果表明微胶囊对b s a 可以达到 缓释效果。 具有两亲性的生物相容性的壳聚糖衍生物是具有应用潜力的药物控制释放 载体材料。 ， 关键词：壳聚糖衍生物，两亲性，药物释放载体，界面自由基聚合，界面缩合聚 合，纳米微胶囊 潘颖楠：壳聚糖衍生物的合成及其药物控制释放应用研究 3 a b s t r a c t i i lr e c e n ty e a r s ，r e n e w a b l e ，n o n - p o l l u t i n gn 删p o l y m e r sh a v eb e e ni i lf a v o ro f i n c r e a s i n gc o n c e m ，c 址t o s a n 埘t hg o o db i o c o n l p a t i b i l 毋a 1 1 db i o d e 彤l d a b i l 时i s a ：t t r a c t e dm o r ea n dm o r ea ：t t e n t i o n h o w e v e r ，c l l i t o s a nd o e sn o td i s s o l v ei i lw a t e r ，o n l y d i s s o l v e si i las m a j l 锄o u n to fd i l u t ea c i d ( h a c ，h c l ) ，t h e r e f o r e ，i t s 印p l i c a t i o n s 证t 1 1 e b i o m e d i c a lf i e l dh a v eb e e ng r e a t l yr e s t r i c t e d t h es o l u b i l i t ) r ，p h y s i c a la r l dc h e m i c a l p r o p e r t i e sa i l db i o p h y s i c a lp r o p e n i e so fc h i t o s a j ld e r i v a t i v e sa r eq u i t ed i 圩e r e n t 舶m t h a to fc h i t o s a n ，e v e no p p o s i t et oc m t o s a n al a r g en 啪b e ro fe x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt l l a tc 1 1 i t o s a i ld e r i v a t i v e s 谢廿ld e s i 朗e ds 仃u 咖en o t0 1 1 l yh a v ew a t e r s o l u b i l i t ) ， 锄p h i p l l i l i c 时，b i o d e 彤d a b i l i t ) ，a 1 1 dl o wt o x i c i 够，b u ta l s oh a v eh e m o c o m p a t i b i l i t ) ，a n d g o o dc y t o c o m p a t i b i l i 够s e l f a s s e m b l e so ft l l e s e 锄p h i p h i l i cc m t o s a nd e r i v a t i v e s 、i t h b i o a c t i v i t i e sm a k et h e mg o o dc a n d i d a t ea sm ed r u gc a m e r so f c o m r o l l e dr e l e a s e f o r e x a m p l e ，o c a r b o x y m e t h y lc k t o s a na g g r e g a t e sc a i ll o a da n dd e l i v e 哆m ea n t i - c a l l c e r d m gc 锄p t o t h e c i n ，n s u c c i n y l - c 1 1 i t o s a l la g 伊e g a t e di na q u e o u ss o l u t i o nt of o n i lm o r e r e g u l a rs p h e r i c a lp 觚i c l e sa n dc a nb e u s e dt ol o a dp r o t e i nd m ge 虢c t i v e l y i nt h i sp a p e r ， m em o l e c u l a r d e s i g np r i n c i p l e w a su s e dt o s y n t h e s i z e t 1 1 e a m p h i p l l i l i c a 1 1 d b i o c o m p a t i b l en - m a j e i ca c y l a t i o nc l l i t o s a l l ( n m c s ) a n dn - c a r b o x y m e t i l y lc k t o s a i l ( n c e c s ) 1 1 1 ee m u l s i o nm e 舭i a l 行e er a d i c a lp o l y m e r i z a t i o nw a u sd e v e l o p e dt o p r e p a r et 1 1 en m c sn a l l o c a p s u l e s ；m ee m u l s i o ni m e r f - a c i a lc o n d e n s a t i o np 0 1 y m e r i z a t i o n w a si n 仃( ) d u c e dt op r e p a r en a n o c a p s u l e sf o rt 1 1 ed r u gc o n 臼o l l e dr e l e a s e f i r s t l y ，n m c sa n dn c e c s 、v e r es y n t h e s i z e da n dc l w a c t e r i z e db ym e a n so fi n 行a r e d s p e c 缸d s c o p y ( f t i r ) ，n u c l e a rm a 印e t i cr e s o n a n c e ( h - n m r ) ，x r a yd i f 弛c t i o n ( ) ， t 1 1 e m a l 黟a v i m e t r i ca 1 1 m y s i s ( t g a ) a r l ds t u d i e d t l l e i r b i o l o g i c a l a n dp h y s i c a l p r o p e r c i e s n l ea g g r e g a t i o nb e h a v i o r so fm en m c sa n dn c e c sw e r e 咖d i e dt l l r o u 曲m e v i s c o m e t 巧，n u o r e s c e n c es p e c 协o s c o p y ，1 1 1 i c r o t i t r a t o r ( i t c ) ，a t o i l l i cf o r c em i c r o s c o p e ( a f m ) ，s c 籼i n ge l e c 仃o nm i c r o s c o p y ( s e m ) t l l ea g g r e g a t i o nm e c h a n i s m so fn m c s a n dn c e c si i la q u e o u ss o l u t i o nw e r ed i s c u s s e d n m c sc a j lb ea g 缈g a t e di n t o 助e r s 谢mad i 锄e t e ro f2 5p ma 1 1 dl e n g mo f1o o ma tt e nt 油e sc o n c e n 砌i o n ( o 5m “) k g h e rm a i lm ec a c ( 0 0 5m g m 1 ) o fn m c s t h ed r i v i n gf o r c eo fa g 伊e g a t i o ni s 4 扬州大学硕士学位论文 c o n s i d e r e dt ob et h eh y d r o g e nb o n d sa n dh y d r o p h o b i ci n t e r a c t i o i l s n c e c sa g g r e g a t e d i 1 1 t on 甜l o p a r t i c l e sw i t l las i z er a n g i l l gf 而m4 0t o1o om n t h ea g g r e g a t i o nm e c h a m s m i st 1 1 eh y d r o p h i l i c h y d r o p h o b i ca i l dh y d r o g e nb o n d i n gi m e r a c t i o n s t h ev i s c o m e t 巧，仃a i l s m i s s i o ne l e c 仃o ni i l i c r o s c o p y ( t e m ) ，d y n 锄i cl i g h ts c a t t e 曲g ( d l s ) w e r eu t i l i z e dt o 咖d yt h ee f f e c t so f p hv a l u ea n ds a h ( k i n d s ( n a c l 铀1 dc a c l 2 ) a 1 1 dc o n c e n 仃a t i o n s ) o nt 1 1 ea g g r e g a t i o nb e h a v i o r so fn m c s n l er e s u l t ss h o w e dt h a t v i s c o s i 锣f i r s ti n c r e a u s e da n dt 1 1 e nd e c r e a s e dw i t hm ep hi i l c r e a s e da n dd e c r e a s e di n v i s c o s i 够w i t l lt l l es a l tc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e d c e l lc u l t u r ea n dc e ua c t i v i 够s t u d i e ss h o w e dm a tb o t 量1n m c sa n dn c e c sb e l l 乏l v e d g o o dc y t o c o m p a t i b i l i t y t oi m p m v et h eh e m o c o m p a t i b i l i t ) ，n m c sw a s 伊a n e d 晰l h e m a b e t t e rh e m o c o m p a t i b i l i 够w a sa c l l i e v e d + a tl l i g h e rc o n t e mo fh e m ai 1 1m e n m c s g p 玎三m a t e m ，f i e l de m i s s i o ns c a n n 堍e l e c 们nm i c r o s c o p e ( f e s e m ) ，d l sw e r eu t i l i z e dt o s t u d ym em o 印h 0 1 0 9 ya n ds i z e d i s t r i b u t i o no ft h e n a n o c 印s u l e s n a n o c 印s u l e s p - n m c s ( c r o s s l i n l ( i n gd e n s 时 a i l dw a l l t l l i c k n e s s )f o r n l e d 廿l i - o u 曲n m c s o i l - i n w a t e r 锄u l s i o np 0 1 y m e r i z a t i o nl o a d e da n t i h ) ，p e r t e n s i v e ( 1 m g sf e l o d i p i n e 7 n l e r e s u l t ss h o 、v e dm a td r u g sr e l e a u s ec a i lb ec o n t r o l l e db ya d j u s t m gm ec r o s s l i n k i n g d e n s 时a 1 1 d 、a l l “c k i l e s s n c e c sr e a c t e dw i m1 ，3 ，5 - b e n z 肌e t r i c a r b o n y lt r i c m o r i d e ( t m c ) 恤o u 曲w a t e r i i l o i le 舢l s i o n d i r e c t i o n a l p o l y m e r i 厕o n t of o 吼也e n a n o c a p s u l e st m c e c sl o a d e ds i m u l a t i o np r o t e i n ( b s a ) ，r e s u l t ss h o 、v e dt h a t t l ：i e n 锄o c 印s u l e sc a i lb ea c m e v e da tac o n t l 的l l e dr e l e a s e a m p h i p h i l i c c l l i t o s a i ld e r i v a t i v e s 州t hm eb i o c o m p a t i b i l 匆h a v eap o t e n t i a l 印p l i c a t i o na sc o n 仃o l l e dr e l e a s ed m gc 枷e r s k 吩w o r d s ：c 王l i t o s a i ld e r i v a t i v e s ，锄p 1 1 i p l l i l i c i 够，( h u g d e l i v e 巧c a r r i e r s ，i n t e r f a c i a l f r e e r a d i c a lp o l y m e r i z a t i o 玛i n t e m 屺i a lc o n d e l l s a t i o np o l y m e r i z a t i o n ，n a i l o c 印s u l e s 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导f 独立进行研究工作所取得的 研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体己经 发表的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：乡豸颖夺南 签字目期：w 哆年舌月7 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和 借阅。本人授权扬州大学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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授 权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 学位敝储虢潘颍捅新虢身研 f 签字日期：讼可年月7 日签字日期：矽b 7 年冲 日 潘颖楠：壳聚糖衍生物的合成及其药物控制释放应用研究 5 1 1 壳聚糖的研究发展 第一章前言 壳聚糖( c 衄o s a n ) ( 1 ，4 二氨基一2 一脱氧d d 葡萄糖，c t s ) ，是甲壳素在浓碱 及加热条件下部分脱乙酰基的线性氨基多糖类天然高分子化合物【l 卅。甲壳素 ( c h i t i n ) ( 结构式见图1 1 ) ，学名：( 1 _ 4 ) 2 一乙酰胺基2 脱氧b d 葡聚糖，由 n 一乙酰胺基2 脱氧d 葡聚糖通过6 1 ，4 糖苷键连接而成，是动物体内经生物合 成的一种多糖类天然高分子化合物。自然界每年经生物合成的甲壳素百亿吨之 多，其储量是仅次于纤维素的第二大天然有机化合物，也是地球上除蛋白质外数 量最为巨大的天然含氮有机化合物，广泛存在于节肢动物、环节动物、软体动物、 原生和腔肠动物等的外壳中，同时他们也存在于低等植物如真菌和藻类等的细胞 壁中，另外也可来源于有机酸、抗生素与酶的酿造副产物【7 | 。 壳聚糖( 结构式见图1 1 ) 是甲壳素最为重要的衍生物，一般为白色固体或 米黄色粉末，有时也呈片状结晶。一般而言，分子中含氨基的结构单元数占结构 单元总数的摩尔百分比，即脱乙酰度d d 大于5 0 时就可称为壳聚糖。壳聚糖中 因含有大量易被质子化的游离氨基( - n h 2 ) ，因而稀酸( 如稀醋酸、盐酸等) 是 它的良溶剂，但它不溶于稀硫酸和磷酸及碱性溶液。壳聚糖的相对分子量因原料 和制备方法不同而不同，其一般在数万至数百万之间。脱乙酰度和粘均分子量是 壳聚糖的两大主要性能指标。 c h 2 0 hc h 2 0 h n h 2 o 十 j y n h c o c h 3 图1 1 甲壳素( d d 5 0 ) 和壳聚糖( d d 5 0 ) 的结构示意图( d d = x ( y + x ) ) 壳聚糖含有游离氨基，能结合酸质子，是天然多糖中唯一的碱性聚阳离子多 糖【8 】，分子链具有复杂的双螺旋结构1 1 ，因而具有许多特殊的物理化学性质和生 6扬州大学硕士学位论文 理功能【1 2 。13 1 ，而且由于壳聚糖可生物降解，无毒副作用，因此关于它的应用研究 正日益引起学术界的极大关注和兴趣。 壳聚糖是一种天然生物活性聚糖，其特有的直链聚阳离子结构使其具有抑 菌、消炎、保湿等功能，可用于医药、化妆品配方等领域，对壳聚糖进行降解得 到的低聚水溶性壳聚糖，在食品和日用化学品方面也具有广泛的用途。同时，壳 聚糖分子内含有游离的氨基和羟基，则经过化学改性引入新的化学活性基团，改 变了其物理化学性质，得到一系列的壳聚糖衍生物，从而大大拓宽壳聚糖的应用 范围i l 引。因而，壳聚糖及其衍生物的应用开发已引起人们广泛的重视。 由于壳聚糖本身的刚性结构，使其不溶于中性溶液及碱性溶液中，在某种程 度上限制了壳聚糖的应用，但是壳聚糖分子的基本单元是带有氨基的葡萄糖，分 子中含有氨基和羟基，性质比较活泼，可对壳聚糖进行进一步的化学改性修饰。 1 2 壳聚糖的化学改性 1 2 1 羧基化反应 改善壳聚糖的溶解性能，尤其是水溶性能，是开拓壳聚糖应用领域的重要环 节【l5 | 。将壳聚糖进一步醚化，可制成水溶性的羧甲基壳聚糖，根据羧甲基位置不 同可分为三种：分别为o 一羧甲基壳聚糖，n 羧甲基壳聚糖，n ，o 羧甲基壳聚糖。 氯代烷酸或乙醛酸可与壳聚糖上的羟基或氨基反应，得到相应的羧基化壳聚糖衍 生物。吴友吉等【l6 】选用对亲核取代反应有活化作用的非质子溶剂二甲亚砜，尝试 了制备高取代度的羧甲基壳聚糖( c m c d s ) 的一种新方法一非质子溶剂法。传统的 加热方法为水浴法或油浴法，但现在已经有人尝试半微波加热法或微波加热法。 用微波辐射代替传统的加热方法可提高加热效率，使反应时间大大缩短，适当提 高反应收率【l7 1 。羧甲基壳聚糖作为壳聚糖的重要的水溶性衍生物之一，保持了壳 聚糖许多优异性能的同时，又具有独特的性能，如水溶性、两性、保湿保水性、 乳化性、增稠性等，已在生物医药领域获得广泛的应用1 8 。2 0 】。 1 2 2 酰基化反应 潘颖楠：壳聚糖衍生物的合成及其药物控制释放应用研究 7 壳聚糖的酰化反应是在羟基或氨基上导入不同相对分子质量的脂肪族或芳 香族酰基。一般酰化反应是在乙酸和酸酐或酰氯中进行的，反应条件温和，反应 速度较快，但是试剂消耗多，分子链断裂也十分严重。近几年来的研究发现甲磺 酸可以代替乙酸进行酰化反应。酰化反应中甲磺酸既是溶剂，又是催化剂，反应 在均相中进行，所得产物酰化程度较高；壳聚糖可溶于乙酸溶液中，加入等量甲 醇不产生沉淀，所以用乙酸甲醇溶剂也可制备壳聚糖的酰基化衍生物。郑化等【2 1 1 发现三氯乙酸二氯乙烷、二甲基乙酰胺氯化锂等混合溶剂都能直接溶解壳聚糖， 使反应在均相中进行，从而可以制备具有高取代度的壳聚糖衍生物。 1 2 3 羟基化反应 羟基壳聚糖衍生物的合成一般是在碱性介质中进行的。在碱性条件下，壳聚 糖与环氧乙烷或环氧丙烷直接反应，得到的是氮、氧位取代的衍生物。用碱性壳 聚糖和环氧乙烷进行羟乙基化反应可得到羟乙基壳聚糖，但由于环氧乙烷在碱作 用下会发生水解反应，因而得到的衍生物结构具有不确定性。用缩水甘油或3 氯 1 ，2 丙二醇也可进行羟基化反应，一步反应就可以在壳聚糖分子中引入两个羟基。 通常羟基化甲壳素或壳聚糖衍生物具有水溶性，也具有良好的生物相容性。 1 2 4 烷基化反应 烷基化反应可以在壳聚糖的羟基上( o 烷基化) 进行，也可以在壳聚糖的氨基 上进行( n 一烷基化) 。烷基化壳聚糖由于削弱了壳聚糖分子间和分子内的氢键，从 而大大改善了其水溶解性，但若引入的碳链过长( 十六烷基) ，也会影响其溶解性 【2 2 仍】。氧位烷基化壳聚糖衍生物，通常有三种合成方法：( 1 ) 席夫碱法：先使壳聚 糖与醛反应形成席夫碱，再用卤代烷进行烷基化反应，然后在醇酸溶液中脱去保 护基，即可得到只在氧位取代的衍生物；( 2 ) 金属模板合成法：先用过渡金属离子 与壳聚糖进行络合反应，使- n h 2 和c 3 位o h 得到保护，然后与卤代烷进行反应， 之后用稀酸处理得到只在c 6 位上发生取代反应的氧位衍生物；( 3 ) n 邻苯二甲酰化 法：采用n 邻苯二甲酰化反应保护壳聚糖分子中的氨基，烷基化后再用肼脱去n 8 一 扬州大学硕士学位论文 邻苯二甲酰，由于自由氨基的存在，该类烷基化壳聚糖衍生物在金属离子吸附方 面有着较为广泛的应用。 1 2 5 酯化反应 壳聚糖的硫酸酯化和磷酸酯化是其化学改性中重要方法之一【2 4 1 。硫酸酯化试 剂有浓硫酸、二氧化硫三氧化硫、氯磺酸吡啶等，反应一般在非均相中进行。 t e r b o j e v i c h 【2 4 】等将9 5 浓h 2 s 0 4 和9 8 h s 0 3 c 1 加入到壳聚糖中进行搅拌反应得到 壳聚糖6 o h 硫酸酯；若利用c u 2 + 与壳聚糖形成螯合物保护游离的氨基，也可以使 氯磺酸选择性的作用在6 o h 上。若壳聚糖加入到过量的s 0 3 一d m f ( n ，n 二甲基 甲酰胺) 中，反应在均相中进行，得到o 硫酸酯和n 硫酸酯，产物是无定形。壳 聚糖硫酸酯化衍生物在结构上与肝素相似，因此具有抗凝血活性【2 5 】。 磷酸酯化壳聚糖的制备可用p 2 0 5 在甲磺酸中进行。高取代的壳聚糖磷酸化衍 生物可以溶于水，但低取代产物不溶于水。其水溶性产物能够显示出典型的聚电 解质的粘度特性，可用于吸附各种会属离子。 1 2 6 磺化反应 壳聚糖及其衍生物磺化之后，具有类似肝素分子的骨架结构，因此可作为一 类较好的抗凝血剂。磺化壳聚糖衍生物可大大提高抗凝血功能2 6 3 2 】。据报道磺化 壳聚糖的抗凝血活性随壳聚糖中磺酸基的增加而增强，低分子量的3 ，6 二磺酸基 n 羧甲基壳聚糖具有与肝素类似的抗凝血活性，其微孔结构的材料加入到血液中 无毒副作用2 8 1 ，可用于血液的保存。磺酸化壳聚糖的抗凝血活性取决于磺酸化的 程度和分子量的大小口3 弓4 1 。壳聚糖的磺化衍生物具有抗凝血活性和脂蛋白酶 ( l p l ) 释放活性，3 ，6 二磺酸基壳聚糖的抗凝血活性大约是肝素的两倍，可作为肝 素的替代物用于血液分析【3 5 1 。n 磺化糠醛壳聚糖具有良好的抗凝血活性【3 6 1 。在碱 性介质中用三氧化硫嘧啶修饰壳聚糖表面得到的磺化壳聚糖膜对血小板的粘附 现象明显减少【3 7 1 ，表现出良好的血液相容性。磺酸化壳聚糖链上引入羧基能提高 产物的抗凝血性，羧基化的位置也影响其抗凝血性能。n i s k m u r a 等【3 3 峙艮道羧甲基 潘颖楠：壳聚糖衍生物的合成及其药物控制释放应用研究 9 磺酸化壳聚糖抑制纤维蛋白原转化为纤维蛋白的能力比相应的磺酸化壳聚糖要 高。h i m o 等p 4 】报道，o 羧基磺酸化壳聚糖对于a p t t 和1 v r 无影响，能很好地抑 制凝血酶和组织因子i i i 。h u a n g 等【3 9 1 报道，在磺酸化壳聚糖的- n h 2 上引入羧基， 可显著延长a p t t 和t t ；在氨基和羟基上同时引入羧基后的抗凝血效果比只在氨 基上引入羧基好；低磺酸化和c 6 0 无磺酸基的壳聚糖只表现出较小的抗凝血活 性，n ，o 一羧丁基硫酸酯化壳聚糖却能明显延长a p t t 和t t ，而其n 一羧丁基衍生 物却没有明显的抗凝血作用。屠美等h 0 1 选用壳聚糖为原材料，通过在其主链上化 学改性引入一c o o h 和s 0 3 h 两种基团制备成类肝素化合物，研究了反应过程中羧 甲基和磺酸基取代度及不同取代位置对复钙时间和溶血率的影响。发现壳聚糖类 肝素化合物的抗凝血性是由壳聚糖主链上引入的c o o h 和s 0 3 h 两种基团的协同 效应产生的，血液相容性的优劣主要取决于c o o h 和s 0 3 h 两者的比例。s h a r o n 等h 1 也1 将分子量大约为5 0 0 0 的低分子量壳聚糖膜的表面键合上负电基团s 0 3 ，可 改善其血液相容性。s h a r o n 研究表明，壳聚糖膜的血液相容性与壳聚糖膜表面的 j 下电荷密度有关，用5 甲酰2 呋喃磺酸( f f s ) 处理的壳聚糖膜粘附血小板的数量最 小，其表面几乎没有血液凝聚，且血浆复钙时间最长。 1 2 7 席夫碱反应 壳聚糖可在中性介质中与芳香醛或脂肪醛反应生成席夫碱。这个反应在壳聚 糖的研究和应用中是很有用的，一方面可用于保护氨基，进行氧位取代反应；另 一方面，由一些特殊的醛形成的席夫碱，如戊二醛，可用于固定化酶。此外，用 硼氢化钠可将席夫碱还原，得到一系列很有用的衍生物。如壳聚糖与甲醛反应可 在n 上引入甲基；壳聚糖与水杨醛反应生成n 水杨叉壳聚糖；与3 甲酰2 羟基苯 甲酸缩合成n ( 3 羧基) 水杨叉壳聚糖。此外，壳聚糖还可以与葡萄糖、半乳糖、 纤维二糖、麦芽糖等糖类反应，生成相应的衍生物m 】。 1 2 8 交联反应 壳聚糖在双官能团的醛或酸酐等存在下可发生交联反应。除戊二醛是一种普 1 0 扬州大学硕士学位论文 遍使用的交联剂以外，还有乙二醇、氯代腈脲、二元酸等。经过交联反应的壳聚 糖性能与未改性的壳聚糖相比有很大差别。壳聚糖的交联使其形成了网络结构， 这种结构能使水分子、生物活性物质自由扩散】。交联后的壳聚糖膜经干燥后在 酸碱溶液中均不溶解，可得到水渗透性和除盐性优良的反渗透膜。然而，醛类交 联剂与壳聚糖生成的席夫碱具有化学不稳定性，双宫能团酸酐与壳聚糖交联需在 高温下进行，易使壳聚糖降解。郑化等用环氧氯丙烷在2 0 6 0 条件下与壳聚 糖交联，结果提高了壳聚糖膜的机械强度并且延缓了溶菌酶对其的降解速率。 一般的改性方法是用醛类交联剂对壳聚糖进行交联，交联后的壳聚糖在酸| 生 环境中的溶解性较低，但对金属离子的吸附能力有一定程度的降低【蚓。若交联壳 聚糖进一步引入其它基团【4 7 。4 8 1 ，则可以提高壳聚糖对金属离子的选择吸附性，并 且降低壳聚糖在酸性环境中的溶解性。葛华才等【4 9 】报道用微波法制得的壳聚糖香 草醛席夫碱再与甲醛进行交联生成交联壳聚糖香草醛席夫碱，微波辐射能大大促 进反应的进行。 1 2 9 接枝共聚反应 对壳聚糖进行接枝共聚改性反应主要有两种途径：( 1 ) 在高分子的骨架上产生 大分子自由基从而引发另一种单体聚合；( 2 ) 通过分子链上的反应性官能团与其它 聚合物分子链偶合。通常的接枝共聚反应有：化学法、辐射法和机械法。但壳聚 糖的接枝共聚只有化学法和辐射法【5 0 】。从反应机理来看，可分为自由基引发接枝 和离子引发接枝【”j 。聚乙二醇( p e g ) 是一种能够溶于水和多种溶剂、具有良好 的生物相容性和可降解性的聚醚型高分子化合物。将甲壳素和壳聚糖与p e g 接枝 共聚，可将它们的优异性能有效结合，产物适用于生物医用材料。h a m s 等【5 2 】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氏反应后，以 n a b h 3 c n 还原制得了壳聚糖- g p e g 。s u 西m o t o 等酬对用这种方法制得的各种壳聚 糖i 舻p e g 的水溶性进行了研究，几乎所有的接枝产物在酸性条件下都可溶，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 接枝率等，将接枝产物乙酰化后可获得水溶性的产物。 潘颖楠：壳聚糖衍生物的合成及其药物控制释放应用研究 1 3 壳聚糖在药物控释材料上的应用 载体药物，又称高分子药物，指将小分子药物植入在特定高分子材料的分子 链上所制成的药物。药物分子不断从高分子链上水解下来，或者高分子链完全降 解、药性缓慢释放，可保持药物较长时间的药理作用。作为载体，生物活性物质 必须在其中稳定，并能确保活性物质按需释放，同时还要具有良好的生物相容性 和肌体舒适感。2 0 世纪8 0 年代美国药典将药物释放体系分类为立刻释放、缓和 释放、延迟释放、长效释放和靶向释放。另外，还有以环境( p h 、离子强度、温 度等) 响应高分子材料开发的病灶信号响应药物释放体系。这些均需以载体材料 的结构、传递、降解机理进行调控【5 4 1 。 药物载体是药物释放体系的重要组成部分，也是影响药效的主要因素。对于 载体材料，要求其具有优良的综合性能：性质稳定；要有合适的释药速率；无毒、 无刺激性；能与药物匹配、不影响药理作用及含量测定；要有一定的强度及可塑 性；具有合适的渗透性、亲水性及溶解性【5 5 。 众多的载体材料中，可生物降解高分子载体材料具有其独特的优异特性：可 有效地延长药物的作用时间，提高药效，同时有效地减少药物对人体的毒副作用； 良好的生物相容性和生物降解特性可有效降低人体的排斥反应；同时一些新型药 剂药物能准确无误地只作用于需药部位( 器官、脏器或细胞等) ，能使药物高效 地在靶向部位富集，提高药物的利用率，从而减少人体器官( 如肝、肾等) 对药 物代谢的负担。近年来可生物降解高分子材料已引起人们的重视与研究，广泛地 应用于药物、基因等的控制释放体系的载体材料、体内埋植材料、生物粘合剂、 组织器官修复材料、外科手术用材料等生物医学领域。 壳聚糖( 1 ，4 二氨基一2 一脱氧一d 一葡萄糖) 是从虾、蟹等甲壳纲动物中提取的一 种天然碱性高分子多糖。壳聚糖是目前研究最多的多糖类天然高分子衍生物之 一，它是一种带正电荷的多糖，具有良好的生物相容性与低的生理毒性，能与多 种带负电荷的聚合物、大分子或聚电解质在水相中相互作用，形成水凝胶、微胶 囊、纳米微粒、复合物等多种形式的药物载体，并被广泛用于蛋白、多肽、核苷 扬州大学硕士学位论文 酸、基因等活性物质的传递【5 6 1 。此外，它与粘膜表面有着特异黏附作用，这种特 性可以通过上皮组织定向地传输生物活性大分子【5 刀。利用壳聚糖带电性能，调节 和控制它的物理化学性能，还可用于制备药物载体、细胞培养抗凝剂、缝合线及 血液抗凝剂等【5 8 】。壳聚糖具有原料丰富、无味无毒、价廉，可生物降解等优点， 被广泛地用于药物控制释放载体。 壳聚糖及其衍生物在人体内可生物降解，并具有良好的生物相容性，因此作 为药物载体有着极大的优越性。将壳聚糖制成凝胶，药物被包围其中，它们被植 入人体后是蚀解性缓释，即表面高分子材料吸水膨胀和形成凝胶，使水分子不能 很快进入内部来溶解药物，只有当水分子进入内部后，药物才能慢慢溶出，直到 药物释放完全为止。壳聚糖及其衍生物作为缓释剂可使药物的释放受到控制，血 药浓度平稳，保持在有效浓度范围内，延长有效时间而不出现毒性。这是由于壳 聚糖颗粒可以逐渐膨胀，特别在酸性溶液中( p h = 1 2 ) 可以漂浮形成凝胶，而多 数缓释剂的聚合物只能在较高p h 值下才形成凝胶，因此，壳聚糖制成的缓释剂在 肠胃内可以延长滞留时间，提高药物的生物利用度【5 引。 徐蔚，曹毅，张纪等研究了壳聚糖作为载体对药物碳铂进行释放研究，发 现药物的包封率极高，微球可长时间( 最长达2 周) 保持形态基本不变。宋维纠6 1 】 等研究了离子交联壳聚糖基对药物水杨酸控释释放的研究，发现总的药物释放率 达到8 0 。刘超【6 2 】成功制备了o 双十二酰化壳聚糖和o 双十六酰化壳聚糖自组装 泡囊，并以此为载体对模型药物维生素b 1 2 的药物释放行为进行了研究，考察酰 化壳聚糖自组装泡囊的药物包封率和载药量，实验结果还表明0 一双十二酰化壳聚 糖自组装载药泡囊的药物释放行为基本符合二级药物释放。壳聚糖分子结构中具 有丰富的活性羟基与氨基可以发生多种衍生化改性，制备出具有设定生物物理性 质的壳聚糖衍生物作为药物的控释载体。 1 4 微胶囊的制备方法 在众多壳聚糖及其衍生物作为药物载体的研究中制备为微球( 微胶囊) 的形 潘颖楠：壳聚糖衍生物的合成及其药物控制释放应用研究 式尤其多。这是因为微胶囊具有以下优势：较低的密度与材料消耗，可在一定程 度上减小生物的毒性；相对更大的载药空间；同时，通过对微胶囊性能的改变( 如 囊壁材料组成与分子量、微囊形态、囊壁厚度等) 可实现载体缓释性能的多层次 调控。制备微胶囊的关键是形成核壳结构的聚合物粒子，作为囊芯物质的核可以 是固体颗粒，也可以是液滴或气泡，则可以分别记为固体模板、液体模板、气体 模板【6 3 】。 1 4 1 固体模板技术 固体模板法是近几年来制备聚合物微囊微球技术的热点之一，它是以可去除 生物胶体微粒为模板，通过静电层层组装( l b l ) 、模板聚合、种子溶胀法等技术 获得聚合物为壳层的核壳结构微粒，如果将模板溶解或分解则可得到中空微胶 囊。该方法可得到不同的包囊材料，且聚合物膜的通透性、尺寸和壁厚精细可控。 1 4 1 1 静电层层组装 这种方法是将模板法与自组装过程结合，以逐层技术为基础，利用聚阴离子 和聚阳离子的静电相互作用在带电颗粒表面形成聚电解质的超分子自组装薄层。 与其它制备方法相比，其显著优越性在于能在纳米尺度上对微胶囊囊壁的组成、 厚度、结构形态、表面状态等进行精确的控制。通过模板颗粒大小与形态可控制 微囊的内腔尺寸与形状；利用组装层数可精确控制囊壁厚度；聚电解质的种类控 制、组装条件( 如离子强度、p h 等) 调节微囊表面特性、囊壁渗透性。更引人 注目的是该制备过程完全在水相体系完成，对于保持药物活性具有极大的优势。 1 4 1 2 模板聚合 这种方法是在微粒模板表面物理吸附或化学键合可聚合单体及交联剂，引发 聚合或交联反应，在形成聚合物膜后再将模板溶解除去，从而制得中空微囊。选 择不同的单体，模板聚合，特别是活性自由基聚合能够精确控制制备的聚合物微 囊的尺寸与囊壁厚度，同时还能赋予载体于一定的功能。但对于大多数可降解高 扬州大学硕士学位论文 分子材料及其单体，其结构上并不具备可用于聚合的不饱和双键；同时，如何控 制单体只在模板表面聚合也是一个亟待解决的问题。 1 4 1 3 种子溶胀法 这种方法是先通过不饱和单体的乳液共聚制备种子乳液，以聚合物乳胶粒子 为模板，加入溶胀剂( 碱液或溶剂) 使粒子溶胀，再通过冷却降温或交联共聚等 方式使粒子表面固定，最终获得中空聚合物粒子。按照表面壳层固化方式的不同， 已见报道的方法有碱溶胀法、碱酸溶胀法和动态溶胀法。这三种方法中都可得到 结构规整、粒径为数百纳米到数十微米的聚合物中空粒子。但前两者对核、壳材 料的物质有着严格的要求，核为亲水聚合物，壳为疏水聚合物，同时两者还需具 备一定的相容性。对于大多数酸性可降解高分子，碱的处理会导致其快速降解， 因而并不适合用前两种方法制备生物可降解的微胶囊。第三种方法是在溶胀过程 中如何避免形成新的乳胶粒子是一个最需要解决的问题。 1 4 1 4 空气悬浮法和真空蒸发沉积法 这两种方法的特点是以固化的芯材颗粒为模板，通过空气气流作用，使囊材 在模板上凝结并固化。 空气悬浮法，即用流化床的强气流将芯材微粒( 滴) 悬浮于空气中，通过喷 嘴将适当粘度的壁材溶液喷涂于微粒( 滴) 表面。提高气流温度使壁材溶液中的 溶剂挥发，则壁材析出而成囊。 真空蒸发沉积法是以固体颗粒作为芯材，壁材的蒸气凝结于芯材的表面而实 现胶囊化。该方法可应用于疏水性、亲水性及与水反应的物质的微胶囊化。 1 4 2 液滴模板技术 液滴模板技术是以液滴为模板，通过聚合反应或材料自身溶解度在界面发生 聚合物的相分离或交联固定而沉积形成对液体的包裹，液滴的挥发使得粒子形成 中空结构。根据囊壁形成原理不同，主要有界面聚合法、非溶剂相分离法、凝聚 潘颖楠：壳聚糖衍生物的合成及其药物控制释放应用研究 法和胶束交联法或模板聚合法几种。 1 4 2 1 界面聚合法 界面聚合法是先将两种反应单体分别溶于互不相溶的液相连续相与分散相 中，通过两相界面聚合反应，在界面形成聚合物膜，之后分散相介质挥发，可获 得中空结构的粒子6 3 1 。传统的界面聚合法是建立在聚合物单体的界面缩聚反应基 础上，工艺简单、方便，可在常温下进行。利用这种方法既可制备含水，也可制 备含油的微胶囊。在界面反应制备微胶囊时，影响产品性能的重要因素是粒子的 分散状态、搅拌速度、介质粘