翻译海洋多糖微胶囊化及其应用养殖业.doc

海洋多糖在微型胶囊和应用到水产养殖:“从海洋到海洋”摘要：本文的主要目的是讨论一些物理化学特性的多糖作为内在因素的超分子结构,可以有效地提供胶囊药物和其他生物实体。因此,概述了多糖的一些基本特征,如它们的构象、动态和热力学性质。分析多糖胶凝特性还包括特殊性带电多糖。然后,在实践中通过实验方法强调基本的物理化学聚合物合成过程。一些文献的描述用于影响分子相互作用的因素的分类。最后，据报道一个实际案例研究中,已在使用海洋多糖基质的胶囊疫苗在水产中养殖。关键词：多糖特性；构和动态；凝胶；胶囊；鱼类疫苗1. 引言 在过去二十年里聚合物科学观点已扩大许多其他领域的研究，食品科学与技术制药和生物医学应用。 首要原则在普通聚合物中当特定的交互是弱或缺席,大多聚合物被定义为不兼容的和显示倾向于接受液-液相分离。除了通过减少或增加温度,一些聚合物也可能进一步相分离成有序的复杂结构。因此,从许多不同的观点理解相行为和关联现象的混合聚合物,尤其是生物聚合物是很重要的。热力学相界面位置和动态方面的相分离与非平衡放松过程遵循微扰的系统从一个热稳定到热不稳定状态。事实上,这些过程通常诱导不仅气温的变化,但也有溶解力的(浓度或组合)或压力。聚合物兼容性,意义上的热力学稳定,取决于一个微妙的方法参数,这两个分子构象和具有内在活性。作为一般的原则,两个高分子量聚合物相互不兼容是缺乏良好的互动。一个伟大的实际利益的情况是,一个或两个聚合物弱荷和调制的解决方案可以通过调优的兼容性的离子强度或pH值1。这些现象的某些方面在下面几节中简要描述了,论述了络合聚合物和凝胶化弱带电多糖他们自己结合形式的分子(从纳米到微)特定现象对一些实际的应用,包括交代的疫苗水产养殖。本文的目的是通过实验进一步验证这个领域的研究，因此它未必详尽或全面。摘要部分在半教程的方式,从描述的一些基本的多糖(聚糖)形成链拓扑和超分子结构,可以有效地提供胶囊药物,应用在疫苗中。因此,以下部分报告在几个分子方面参与反应的聚合物组合结构,针对基本现象之后的实践工作。然后,通过引入生物相容性的要求,而且的生物降解和安全的聚合基质,分析提供一些聚合类别通常被认为是安全的(或公认安全),在很大程度上尤其使用聚合物,无论从历史和从经济观点。第三部分实践中通过实验方法说明了基本物理化学聚合物结合,通过粗化的微调分子相互作用的宏观目标的封装的大分子药物。最后，第四部分具体论述一个案例研究,使用多糖基质的胶囊疫苗,探索水产养殖的配方和特性的几个系统。2. 多糖2.1 结构和形状决定因素对聚合和凝胶这工作指出了生物物理规则建设的纳米结构与应用程序在食品、药用化妆品和医药领域。注意主要给多糖构象和解决方案的属性的基础在一过程生成毫微结构和微结构。主要的原因当然是关注对多糖由于其多功能性伴随着完全生物相容性、生物降解性。描述的拓扑和动力学参数表征的构象性质多糖提出了其他地方2和总结了2.3节。空间和时间的相关性的概念已经清楚地指出在最近的一篇论文中处理统计构象分析聚糖的。这个问题是总结了这个问题“是什么构象州是否采纳和他们有什么多糖人口?“相对于其他更简单的一个“的形状是什么的多糖吗?“3。解决方案性能的生物聚合物、多糖特别是,一直相当兴趣的许多商业应用程序,如增厚、暂停和胶凝剂4,5。在广泛的流变行为显示多糖在水溶液是由于各种构象和链的灵活性,跨越从或多或少扩大线圈(如右旋糖酐或瓜尔)到刚性杆限制(比如黄原胶)所特有的,对于这类聚合物。仍然缺少的是,然而,直接相关的化学结构和构象特征的连锁店的流变行为显示,尽管实验和仿真研究,解决了最近理解流程的弹性和耗散在纳米级别通过原子力显微镜和构象分析6、7。主要的原因来引用流变性质是由于清楚的定义,比的弹性模量对耗散粘性一给识别的存在一个凝胶阶段,通常被称为“软凝聚态”。一个凝胶阶段发生,不可逆转的现象对化学交联聚合物链,而它是由于溶剂或温度微扰在许多其他情况下,归类为“可逆凝胶”。热可逆的形成(物理)凝胶已经见诸于许多稀释聚合物溶液和曾引发了一场巨大的兴趣,因为两个基本方面的形态和凝胶的这些系统动力学8。聚合物物理凝胶也由结晶从静止的解决方案,而一段时间的信念坚持说,除了生物聚合物凝胶网络8,剪切被要求。作为一个著名的例子,在晶体形成的许多合成聚合物凝胶期间的薄板类型,像那些由稀溶液11。根据实验的发现在凝胶的形成,许多变量,包括控制产生的结构,特别是,冷却速率,冻结温度和溶剂性能,这些都是重要的结晶过程。作为解决方案是冷却、链条可以形成晶体域作为可逆交叉连接如果链缠结在解决方案十分发达。该方案符合温度的概念,它能生成的最小功能交联凝胶化12用迈尔和田中统计模型13。最近的文献报告14提供基础的更好理解凝胶结构和胶凝机理对于许多系统,要么合成或天然聚合物。热可逆凝胶化的机理研究的多糖在溶液中通过研究温度浓度关系、热力学行为的溶剂和凝胶融化,这一变化在分子构象几个光谱方法和结构和动态光散射分析。特别是,时间依赖性的结构和动态参数可以测量快速淬火后的多糖溶液在给定浓度(高于临界阈值),提供一幅如计划性地报道在图1中。这个机制由不同的步骤:一个线圈(双)螺旋跃迁后跟一个分子间的关联,最后导致宏观网络就像一个晶体点阵。 图1。一般机制(成核和生长)的凝胶的形成是宏观衡量粘弹性、光学和光学架属性。插图显示的草图的聚合物溶液微观结构在不同阶段。 模型对纤维聚合起来尤其是从多糖领域,也被拍摄到几个显微镜方法对于结冷、琼脂糖、卡拉胶和其他相对僵硬的连锁店14,17、18)。许多这些生物聚合物具有较低的灵活性(如。,蠕虫多糖与持续长度Lp 60海里)和显示一个非凡的偏差,从解决方案的行为描述为灵活的分子。他们经常在合作的过程进行冻结引发小温度变化、离子强度、pH8,19。一个类似的建议还提出了聚苯乙烯凝胶20,其中络合与溶剂是至关重要的因素影响链补强。然而,无论是解决方案特征和凝胶形态和行为所展现出来的许多生物聚合物的分子机制可以支持或构象图案作为那些归因于僵硬多糖和溶剂混合聚苯乙烯。2.2 热力学因素作为链尺寸和刚度不仅取决于结构特性也在溶剂的质量,另一点,讨论是更一般的热力学方面的凝胶。在物理凝胶化过程,重要的驱动力是构象排序链,而这段达到临界规模的吉布斯自由能稳定。这个维度的凝胶核再次由刚度的链。在此基础上,它似乎不适当的假设非常灵活的连锁店已知形成凝胶在稀释的解决方案是有组织的相同机制提出了刚性聚合物。因此,无论是在生物聚合物和合成聚合物结晶过程和凝胶可以发生当地无论是薄板像(如,淀粉)或纤维像(如,明胶)组织。独立结构的晶体的交汇处,下令凝胶的大小是一个有关方面的阶段确定了热力学稳定性,因此改变溶解温度的凝胶阶段。另一个是存在一个组件(溶剂或塑化剂),作为一种溶剂对非晶/液相平衡在溶解温度与固体结晶相。第一个发展理论公式是由弗洛里温度和Mandelkern21和使用弗洛里温度哈金斯模型的热力学性质的聚合物溶液。然而,这是不够的,很多情况下,那里的结晶相是由晶体的尺寸和形态学是依赖于实验条件22。在一个示意图表示图与温度的免费能源吉布斯,能源表面是被一个曲线族的液相(即,曲线的免费能源吉布斯液体聚合物和纯液体的聚合物浓度增加的其他组件),也被曲线族的固相(即,吉布斯自由能曲线的完美晶体的无限大小和水晶与越来越多的缺陷和减少大小)。熔化温度,比如那些在图2中,然后一个函数的两个组成的系统和空间特征的晶体(即Gibbs-Thomson-Tamman方程),最近的“重新发现”领域的纳米材料。许多文献结果证实这一普遍的解释,虽然他们并不总是报道这种形式。图2.图解表示法的曲线与温度的免费能源吉布斯对液相(作为一个函数组成的,蓝线);和结晶相作为功能降低晶体大小(红线)。实际效果是减少熔化温度的测量。 在讨论了如何的整个过程链链相互作用是由化学和物理参数,它也是值得指出的原则,塑造聚合物总量为特定的功能。事实上,最重要的特性为球面凝胶粒子不仅是直径(从毫米到纳米)还经销各种聚合物聚集作为实际的结构可能会改变从内部表面。为了让这个清楚一个例子,它足以提到的相关性生存的一个细胞封装在一个凝胶粒子从维度的承压腔和程度的扩散的代谢物和四吡咯环类化合物,除了适当的环境化学性质。因为上述原因,凝胶系统在生物领域(尤其是对应用在食品和医药)主要是基于生物聚合物和多糖在特定的。最后,在一些不那么严厉的应用程序,其他种类的凝胶准备从合成天然聚合物通过化学等或由自由基聚合的单体在存在双官能团的交联剂。新类型的凝胶与两个级别的结构层次结构也被改造,首先使凝胶纳米颗粒,然后共价结合在一起。用这种方法主要的网络是由交联聚合物链在每个单独的粒子,而二次网是一个系统的交联纳米颗粒。这种纳米凝胶有吸引人的特性,常规凝胶没有,包括高表面积,一个明亮的颜色在室温下,温度可调异质性纳米尺度上23。2.3 多糖溶液性质如何依靠糖链单体组成? 现在众所周知,线性聚糖,不同于另一个只有在糖苷连锁位置和立体化学,可以显示一个广泛的平衡构象特性24,25。连锁的可变性灵活性来自大量的自然与几个链接可用糖残留模式和从可能发生的内部的和分子间相互作用。这位前控制整个链几何和后者管理模式的形状和尺寸表征聚合物在解决方案。在一定条件下上述约束可能诱发普通螺旋构象在某种程度上。一个“投资组合”如何速写的主要结构性多糖块预示了当地的构象特性,因此链拓扑是图3中给出。通常,其中一些众所周知的平衡构象差异是计划性地说明了典型的僵硬和扩展(14)-linked链的纤维素(26、27和类似的“纤维”连锁店,比如壳聚糖28。其他特点是展现的“伪螺旋”(14)-连接随机线圈的连锁直链淀粉29或更多无序打开螺旋形像的(13)-连接链凝胶多糖25,30。额外的实例提供的链拓扑重要的工业多糖,像透明质酸(31、32,裂裥菌素6和硬葡聚糖7,以一个合理的水平的精度。尽管计划性地在上面给出的简单语句,它是更复杂的在实践中对实验用开发结构(分子)的理解和动力学的构象流动性低聚糖和多糖在解决方案。虽然现代分子动力学研究提供了大量的数值模拟,底层物理规则是隐藏在背后的“美”的分子数据计算产品。 图3.结构表示的四个双糖从葡萄糖:(一)麦芽糖(-(1 - 4)链接);(b)黑曲霉糖(-(1 - 3)链接);(c)纤维二糖(-(1 - 4)链接);(d)昆布二糖(-(1 - 3)链接)。相关的多糖结构的直链淀粉(A),黑曲霉多糖(B),纤维素(C)和昆布二糖(D)显示在命令螺旋构象以x射线衍射研究纤维(左)和随机建模的快照连锁由蒙特卡罗计算(右)。为实现这些图形视图,时间依赖性的构象变化的解决方案已经被认为是这可能也要依赖于特征的糖苷联系7,31，33。完整的物理描述所有这些当地的运动是方便地给出的谱密度的13 C-1H债券运动在纳秒频率范围(34 36。因此,一些之间的相关性构象动力学和结构细节的追求,尽管系统理论研究的结构动力学关系天然糖分序列仍在进展37。为了细看上述特性,为正确的设置非常预赛的知识形态的多糖在溶液中基本上是给三个贡献之间的相关性:一级结构(即化学身份的碳水化合物聚合链中),内在构象特性由旋转平衡(通常是主要的贡献是由于地球旋转的糖苷的联系)和与其它分子相互作用的系统,即物种、溶剂和溶质38。正如前面提到的,主要的结构是复杂的多糖由不同类型的联系在同聚物和不同种类的单体单元,事实而产生大量不同的聚合物。葡聚糖(见一个通用公式在图3)是那些完全组成由葡萄糖,而葡萄糖醛酸的葡萄糖姜黄素是聚合物。同样甘露聚糖和半乳糖体以及葡萄糖发酵和鼠李半乳糖醛酸聚糖,是同聚物的甘露,半乳糖,葡萄糖酸和半乳糖醛酸,分别。 尽管有一个结构规律上市多糖(同聚物),其他许多种聚糖不同聚物及其化学结构往往是相当复杂的,因为对于微生物和植物多糖(39 41。从实验的角度来看,几个甲基催产素和一氧化碳多糖具有不同链连接和异头配置进行研究,以确定在多大程度上聚合连锁结构和性质的单体的单位负责首选溶解和链拓扑和尺寸42。相反,因为人们普遍认为,结构和拓扑的许多大分子受到溶解、理论模型必须包含这些溶剂效应除了内部的灵活性,以估计改变构象访问结果存在的溶剂分子。实际的问题是在何种程度上,溶剂和一氧化碳溶质有助于稳定状态而不是其他一些构象。因为溶液性质反映分布的链分子构象,实验数据是独一无二的解决方案来统计热力学平均超过所有的可访问的分子的构象的现象。这方面已经说明了考虑可访问的一个简单的糖构象州单位“真空”和构象扰动引起溶剂介质43 50。因此,在大多数现实情况下,帐户必须采取的构象扰动给特定的分子相互作用。这些交互经常调整符合当地最低和强加一些结构性约束给远程伪指令。天真的应对这些问题,这需要一个完整的知识的时空依赖链的拓扑,常常是“十足”的使用经验诸如“灵活性”。有一些对比鲜明的解释是否有水的存在有助于增加或减少的糖苷的构象的自由。这是有时由于贡献的可能性的水分子桥接两个相邻糖戒指,一个事件更可能在硬双糖比更为灵活的16链接双糖。甚至当旋转运动是限于只有几个角度,许多这样的波动糖苷的结合是放大沿着供应链骨干,随着分子量的增加。即便是有限的累积可能会产生非常大的地方旋转拓扑变化对于聚合物链,因此有关改变热力学、流体力学和流变特性,这些系统。其他内部运动通常只做一些贡献,可观察到的属性在大分子规模26。试图考虑全面的构象已经过去为了预测一些合适的组实验数据,就像水动力体积和回转半径,最近,小角x射线散射结果47,51。2.4 解决方案的离子多糖解决方案的行为的离子高分子(聚合电解质)目前是更复杂的。基于实验证据的聚电解质的解决方案,所有高分子量离子高分子具有一种特殊的行为,使他们除了所有其它离子低分子量分子以及来自非离子型大分子。一个通用的后果存在的带电基团链是一个有利的贡献在水中的溶解度聚合物。同样,一个强烈吸引力的潜在产生的电荷密度之间的聚合物和相反的电荷的解决方案。因此,活动的价值系数的抗衡离子强烈减少对相同的离子存在的单价的相反的带电的物种。当得也相当的脆弱群体(如羧基的团体),这种行为的聚合物是一个函数的pH值(即电离度)。由于这些原因,这项研究的过程化去质子化羧基的聚合物是一种有效的工具,了解各种各样的贡献和揭示,通过改变的电荷密度,变化发生在分子内和分子间的相互作用。然而,由于灵活性的构象改变之间的距离带电基团聚合物链,一个新的平衡是统计学定义的能量最低的总吉布斯系统52作为一种重要的后果,这能量平衡,改变温度、离子强度、pH值等,可以引发改变构象和尺寸,经常聚电解质合作在许多生物聚合物,国家之间的值不同的电荷密度。这些国家可能具有不同的结构(如螺旋伸展链过渡),通过不同程度的灵活性的链(球状线圈扩大链)或不同区段的聚合(单体的二聚的或多聚体提链)。对实验数据的解释和理解之间的相关性属性和结构、理论方法基于分子模型是必要的。中央的问题是,量化间的相互作用对聚合物和指控在这些和各自的抗衡离子。最常见的方法是那些描述线性聚电解质使用模型与当地圆柱几何。尽管没有推导给出了这里的热力学函数与该进程相关的“离子绑定”53,54,让我们简要说明聚电解质的方法,基于反离子缩合理论的发展对稀溶液的曼宁(55),预测一个积极的焓变化对混合聚合物与一个简单的盐。在同样的条件下,一个积极的体积变化和一个负熵变化也预测了仅仅静电相互作用的点费用与线性聚电解质。测量的焓的绑定评估直接量热实验已发布不同的阳离子和多糖和很好地证实了预测的行为,当其他的构象变化或综合过程缺席。在其他情况下,审查的依靠实验焓的变化作为函数的程度的络合(或离子聚合物摩尔比率)透露协同(绑定和/或状态转换),轻松地监视发生一个链构象转变56,特别是如果依赖理论趋势对比到纯粹的聚电解质绑定。此外,分析可以检测实际的电荷密度的离子多糖(无论是单链或多个连锁聚合),因为自由一价或二价化合价的阳离子有效地充当“热力学探针”的真正的化学势相关结构特点的带电的物种。图4说明了这个概念的离子作为一个热力学探针通过比较结构信息得到散射实验,asos通过分子热力学实验,都使用合适的理论。图4.关联数据结构构象得到散射实验(顶部)和结构数据得到分子热力学理论(底部)。这个例子指的是链质量单位长度(从光散射)和平均距离带电组(从电位法或量热法)。在这个角度,理论推导的吉布斯能源、焓和体积变化对混合聚电解质与单价和二价离子一直探索为许多情况下,如。为卡拉胶和Cs +54,57,总是与实验测定值相同的属性。同样显而易见的是,体积变化,作为实验观察,可能大于计算理论的基础上,仅因为没有规定的理论在离子反溶剂体积变化。至于它关注短程交互在缺乏聚集或凝胶的形成,引入带电组修改平衡几何的单体的单位和贡献的静电的性质对最近邻构象的能源。至少有两种方法是在与这个审查;一是描述和Smidsrd Haug58因为合理化的维度属性的聚合电解质作为函数的盐浓度,另一个是前面提到的制定一个统计热力学理论的“物理”框架的离子聚合电解质交互。这两个理论公式处理构象的聚合物和预测构象特性必须是一个函数的离子强度(见例子53,59)。更多的近期发展的结构属性应用程序开发的离子多糖(60 - 63使间接使用上面的概念。2.5 海洋多糖:海藻酸和甲壳胺的解决方案某些方面的主要现象,描述了构象性质,和他们的扰动,已覆盖的碳水化合物聚合物在本节。我们的一个主要担忧是描述这些“效果”从复杂的构象平衡中生成简单的连锁店。事实上,直到最近构象人口之间的定量关系和物理性能得到充分认识。本节中,然而,不给广泛引用的试验测定多糖的形状和大小在不同实验条件下,而是它试图集中在分子原因这些扰动。一个题外话也可以包括静电电荷聚电解质多糖,因为他们的扩散和使用,因为有趣的变化发生在这些系统,包括海洋多糖在下一节讨论。特别是,因为海藻酸和甲壳胺将用于应用程序的给定在第四节之间的关系,这些化合物的结构特点及其使用的胶凝系统集中在这里。海藻酸是一种多糖的藻类或细菌来源。它由单位的D mannuronic酸(M)和L-guluronic酸(G)这聚合物块结构形式沿着链,即M块和G块相间的MG序列64。 原来的工作说明的褐藻酸盐绑定属性可以追溯到年代,指出了重要的合作关系残留序列65 - 67和蛋箱模型提出里斯和同事68。这个模型已经被中央的现象学描述的褐藻酸盐凝胶化,尽管最近两一个细化和扩展的原始模型摆脱一些更多的光在结构特点的“二聚的形式”的序列参与螯合与钙离子和负责凝胶强度70 - 72。最近的一项综述海藻酸钠作为一个“生物材料”73描述了几个特性的作用及共聚单体含量的分数和序列的褐藻酸盐离子绑定属性对二价离子和包括扩展描述的热力学方面的“蛋箱”模型和水凝胶形成的机理74 - 76。这个结论在胶凝特性的褐藻酸盐属性来钙离子正确的大小和电荷适应扭曲的蛋箱结构,包括一个不可忽视的影响二级连接由于交替序列的MG型77。壳聚糖来源于几丁质(提取自甲壳纲动物和昆虫外骨骼或从一些藻类和真菌)和本质上是一个聚乙烯葡萄糖胺不同程度的乙酰化(DA)和分子量。一个变量的存在很多免费的氨基基团和替换负责可调交互与阴离子和聚阴离子系统78。虽然少建模、壳聚糖构象性质主要归因于双重的纤维素像螺旋79。这些特性在很大程度上解释内在构象刚度以几个水动力和散射实验,有时在过去的不确定性的影响由于微凝胶的形成对样品在高DA80。最近的实验结果往分配到随机乙酰取代相关的关键因素在控制链条的变化,一个显著的灵活性取得了在中度到介质DA( 50%)。这结果至少部分是由于共同的“公司单体”效应,但必须包含其他因素,如短程近邻相互作用28和远程排除体积效应81。最近,增强的灵活性和溶解度特性已经链已达到控制化学蚀刻的糖苷环与高碘酸盐氧化82,以及通过介绍几种类型的吊坠团体在氨基功能83。3. 水凝胶多糖胶囊3.1水凝胶多糖的基础技术的应用程序在生物材料科学,水凝胶被定义为“三维、亲水、聚合物网络能够吸取大量的水或生物体液”84。这样的网络可以化学(共价)或物理交联(通过可逆分子纠缠,离子和疏水相互作用,h债券等等)。由于其高含水量和柔软的一致性,水凝胶非常类似于自然生活组织,表演,克服了其他类型的生物材料。一般来说,水凝胶分为天然聚合物凝胶,合成聚合物凝胶和两种的组合类型。一些生物医用高分子材料被录用,每一个与特定的属性影响水凝胶设计参数84 - 87。在天然聚合物,多糖有一个广泛的应用因其特殊性:他们是丰富的,并获得来自可再生能源(如植物、藻类、细菌);他们现在各种各样的组成和性质,不容易复制合成路线;他们的生产通常更容易和便宜比合成聚合物。因此,数量的多糖追究技术应用的水凝胶是极其广泛的88。多糖也受雇为衍生品获得化学或物理改性、裁缝最后感兴趣的属性;此外,生物技术可以使体外生产的高水平的多糖从微生物89 - 91。在生物定向应用程序、多糖水凝胶是剥削为固定矩阵和防护结构(如脚手架和胶囊)为明智的材料,如活细胞和活性化合物。应用程序相关的技术领域(制药、食品、生物医学)的水凝胶基于两个代表海洋多糖、海藻酸和甲壳胺,将审查。3.2制药应用程序制药应用水凝胶是基于他们的能力作为特殊药物运载工具。药物和生物活性化合物纳入矩阵,可以根据各种版本发布概要文件根据水凝胶特性84。这是公认的药物释放从矩阵遵循两个主要机制,这是扩散蛋白质通过毛孔的聚合物网络和退化的聚合物网络93。此外,水扩散和肿胀通过水凝胶是两个主要因素影响药物释放率94。因此,药物释放从水凝胶是由几个参数:孔隙体积分数;孔隙大小;程度;大小和理化性质互连的药物分子,在通用类型和强度之间交互作用的药物和高分子链86。当海藻酸和甲壳胺用于制备水凝胶矩阵对药物释放、优良的控制聚合物结构和分子量95 - 98,和条件的用于配方(例如类型和浓度的胶凝离子、聚合物浓度、程序等。)99 - 101,使定制功能性质的药物输送系统。在分子水平上,海藻酸水凝胶结构是严格相关的成分和序列的聚合物,从而起源的示例。壳聚糖性质也决定的乙酰化程度。所有这些因素的影响很深的水凝胶的特点,因此能够欺骗、保护和释放药物的有效负载。一些特殊的性质的水凝胶显示在生理条件:例如,他们可以膨胀取决于外部环境的,按照生理响应性水凝胶。一些显著变化的水凝胶溶胀比,因此在发布功能,与pH值、离子强度、温度或电磁辐射。此外,水凝胶作为药物载体能够与粘膜表面(例如在胃肠道或呼吸道上皮)延长粘留时间在载体的交互。载体之间的交互和粘膜表面糖蛋白发生主要是通过氢键、材料包含一个高密度的羧基和羟基选择这些应用程序84,102,103。基于水凝胶系统已经开发为保护和交付的低分了体重药物和大分子载荷104105,如多肽和蛋白类药物(胰岛素,褪黑激素,肝素、血红蛋白、甲状旁腺激素,降钙素,等等。)106 - 108,核酸(DNA,小干扰rna)109，110和抗原(从流感病菌、百日咳、白喉、破伤风等等。)107，111 - 113。除了抗原,也疫苗已封装(减毒或灭活的病原体)在两个医疗和兽医领域,结合固定化细胞对药物输送系统。这样的技术获得了极大的关注,因为可以保护疫苗在政府(为口服)和希望控制目标和交付率114，115。一个详细的示例应用程序的生物高聚物封装的鱼疫苗将展示4.2节。3.3其他应用程序最古老的应用在食品技术水凝胶多糖在食品,它们自然会负责任的纹理,所以他们被用作增厚或胶凝剂(例如在果汁和巧克力)。现在,使用微型胶囊与生物聚合物已取得重大发展的重要性食物富含生物活性成分(脂质、维生素、多肽、脂肪酸、抗氧化剂、矿物质和还活细胞,如益生菌)和营养物质(成分与潜在的健康益处116 - 118),用以保护化合物对失活或退化,也为他们的控制交货。这些物质的加入到食品矩阵追赶产生生理益处或减少特定疾病的风险。这意味着一个巨大的挑战,共同之处与制药应用程序,因为只有一个减少数量的分子保持可用口服后,由于一些因素,如低渗透或溶解在肠道,在胃肠道和不稳定(由于pH、酶、有无其他营养物质)117,或在食品加工条件(温度、氧气、光)。微型胶囊用于稳定活性、敏感、或挥发性成分,并可以被认为是全新的成分的来源与特殊属性,多亏了定制属性:针对性和缓释控释提高食品添加剂的有效性,确保最佳剂量,(不是轻微)提高成本效率119。许多封装程序也一直发展在食品行业:每个技术适合不同的系统以满足需求的物理化学和分子的一个特殊的活性生物。很多肝生物聚合物是兼容与许多食物组件和已经被应用在食品工业(如海藻酸、果胶、葡聚糖、淀粉、纤维素和衍生品),可以把一个适当的保护产品和有针对性的交付。通常这些聚合物改性优化兼容性与食品矩阵118，120。原则上,真正的区别之间存在程序用于食品和制药技术,但滞留的分子。在生物医学技术(组织工程和再生医学)水凝胶是最相关的材料,由于其特殊性,如生物相容性、物理性能、灵活性的合成、和各种各样的成分121。水凝胶目前用于多个应用程序:作为支架,作为组织壁垒和生物粘合剂,作为药物仓库,作为交付系统的生物活性代理(,增强自然修缮的过程),因为矩阵来封装和交付细胞121。因此组织工程学是一个潜力巨大的组织和器官再生,替代传统的方法来组织或器官衰竭,主要基于更换组织与合成植入物,在移植的器官,也在体外治疗(被动膜交换,实验生物混合系统,等等)。在几个策略,最吸引人的是基于细胞的结合和聚合物支架86。3 d支架被用作基质支持和引导组织再生在几个体外和体内系统模拟细胞外基质(ECM),一个结构产生的蛋白质和糖基大分子,提供了物理和生物支持细胞和组织的生长。生物材料的制备与定义细胞外基质模仿形状和复杂的多孔结构代表还是技术挑战122。水凝胶设计为3 d支架应该提供一个理想的大小孔,容纳活细胞;此外,它们可以用来溶解,释放活跃分子85。现在各种各样的组织已经被设计,系统在临床试验阶段或应用程序,包括动脉、膀胱、皮肤、软骨、骨、韧带和肌腱85，123。细胞固定化和封装系统已经广泛的应用:其中最研究和描述是细胞的移植,提出作为疗法治疗各种各样的疾病。这项技术是基于原则,外国细胞(异种的或同种异体)是物理隔离和保护从宿主的免疫系统的人工膜124 - 126。因此水凝胶微胶囊可以提供免疫离析,没有干扰的扩散氧气,营养和代谢产品121。各种细胞类型包括初级细胞不同,干细胞127或细胞的生物工程研究治疗不同的疾病128。一些相关的例子是心血管疾病的治疗,肾脏和肝脏衰竭,和糖尿病(由微型胶囊的胰岛)123，129，130。3.4方法采用微胶囊正如之前报道,封装在聚合物凝胶是用来保护范围广泛的生物材料的兴趣,从小型分子细胞(细菌、酵母、植物和动物的起源)。作为一个通用的定义,微型胶囊是“技术的包装固体、液体和气体材料在小胶囊释放他们的内容在控制利率通过很长时间的“116。各种各样的方法已开发的封装,最好的选择是基于最终的需求,比如平均粒度、物理/化学特性,有效负载应用程序,所需的发布机制,工业生产规模和可接受的加工成本123。在所有现有的方法,这里主要关注将给微型胶囊,离子凝胶的大部分受雇于,利用一些海洋聚合物的能力,形成水凝胶在存在适当的多价抗衡离子(如海藻酸钙离子的124或三磷酸对壳聚糖131)。保护是基于嵌入效应的聚合物基体控制之间的交互,内部和外部的部分。尽管这样的通用技术是广泛应用于食品工业的技术领域、医药、生物医学、各种各样的程序需要一些系统化,必然包括其他方法。在文学的定义93，116,凝胶粒子技术主要包括三种不同的方法来准备通过微凝胶(如图5中计划性地代表):(一)删除聚电解质溶液到一个解决方案的小离子;(b)通过一个水油乳化技术;(c)络合电荷相反的聚合电解质混合,额外的涂层过程。这些原始分类合并这些年来其他方法的使用,实际上,几种不同的技术和过程,往往产生混乱的条款。在试图合理化的几种方法到框架概述了在前面的章节中,图形分类的程序和技术来封装在水凝胶多糖提出了图6。生产的微观粒子被认为是一种初步的步骤对身体的一代的球形微小、独立的最后阶段的准备。此后,无论生产方法的使用,使用微粒的一个适当的胶凝机制是稳定微畴预见。 因此,在接下来的部分,方法来获得微量滴/粒子和那些改变他们在水凝胶将分别描述了通过回顾最近的一些文献分类116，123，132，133。重点将是封装在水凝胶的生物实体(生物分子、毒品等),考虑到文学术语可能有不同的程序在不同应用领域118。3.5微粒生产 第一步在制备微胶囊水凝胶是获取微滴胶化的,它会以不同的方式。三个程序将呈现:挤压、乳液和喷雾技术。“挤压”技术被广泛利用,在最简单的情况下,可以由使用注射器和针头。作为一般的原则,聚合物的解决方案是通过一个孔和挤压滴入一个硬化(胶凝)浴。滴的大小决定了最终的凝胶颗粒的尺寸,并且可以通过几个控制系统参数:直径的孔,流量、粘度的解决方案,解决方案之间的距离硬化和孔板,聚合物浓度和温度123。降低液滴(和凝胶粒子大小)是一个基本的技术问题,这都由几个设备开发基于不同的物理机制。最常用的同轴层流气流,空气雾化,静电势,振动喷嘴,喷气切割和旋转的磁盘雾化134 - 136。由此产生的颗粒大小不是唯一的因素被认为是自其他方面相关,比如再现性,大小可调性和分布、时间和产量的生产。乳化分散液体的过程在第二个液体,非混相118。由此产生的乳液可以定义基本的一个系统两个阶段(分散和分散)的水滴液体分散在另一个:当乳液是由油滴在一个水相,它被称为“水包油”(O / W),而相反的系统被称为“油包水型”(W / O)。一种乳状液的稳定性可以受添加表面活性剂。通过处理两个阶段的构成、类型的聚合物和表面活性剂,这项技术已经被雇佣也生产纳米液滴和粒子。这种技术的进步也已获得应用程序的微流控原则137138。在喷射技术、干燥是基于形成的干颗粒从流体物质(一个解决方案,一个乳液或悬挂),在加热的雾化气体(空气或氮气),和快速去除溶剂(水)。粉末粒子然后分开的干燥空气。这种持续的过程是影响系统的温度(饲料、空气入口和空气出口温度)、粘度和浓度的提要的解决方案,形态学的聚合物。水凝胶粒子可以之后产生的再保险补水的粉胶凝条件下。其他的方法,如喷雾冷却和喷雾冷却,都是基于不同的原理和在缺乏溶剂:的分散在聚合物基体活性产品冷却(或冷藏)允许凝固和固定118，123，139。最后,喷涂技术常常被报道在协会与凝胶粒子生产。它是一种有效的涂层技术,基于设备如流化床,用于与几乎任何聚合物。核心粒子悬浮由一个空气流,然后涂上一层聚合物溶液喷从不同的方向(顶部、底部和使用一个切向喷雾)。这种技术可以用在水凝胶微胶囊后的凝胶步骤116，123。3.6凝胶化方法这个步骤,制备微滴遵循所需的尺寸是凝胶化,它可以发生在不同的方式通过物理和化学机制。物理胶凝主要由离子凝胶和热凝胶。离子凝胶是反过来进行的两个主要技术、扩散和内部设置。第一个是基于介绍(主要是一个滴)的聚合物溶液变成一个离子的解决方案:凝胶化发生在离子扩散到聚合物溶液滴。第二个是基于添加胶凝离子在不活跃的形式(如碳酸钙对海藻酸钙凝胶)。凝胶是引发的变化在某些系统属性,一般pH值的变化123。离子凝胶是适合海洋生物聚合物如海藻酸、壳聚糖、卡拉胶和材料的不同来源(例如果胶)。微型胶囊在海藻酸水凝胶可能是最利用140 - 143。聚电解质络合(压电陶瓷)之间,聚合物相反的指控,被关联到水凝胶的形成,要么作为方法形成凝胶结构,或技术来提高质量(机械强度和渗透屏障)的水凝胶珠已经准备好。在后一种情况下,络合可以并发的凝胶,或随后的离子(涂层步骤)。压电陶瓷壳聚糖、海藻酸之间形成(或其他生物聚合物)已经开发了很长时间,主要用于制药应用程序用于生产微和基于纳米粒子系统144 - 148。热凝胶化应用到琼脂糖,因为海洋多糖、但也明胶、麦芽糊精和几个合成聚合物,如有机玻璃、聚苯乙烯、聚(n异丙基丙烯酰胺)等。一些提示对于理解这种现象的理论得到在第一节。关于细胞封装,基于琼脂糖凝胶被广泛研究了几种生物应用149,150。化学凝胶是基于共价交联的高分子链,从而导致形成了3 d矩阵。几个例子已报告在文学、历史最悠久的网状的葡萄聚糖准备凝胶珠为凝胶排阻层析法。壳聚糖微胶囊的形成最初基于戊二醛交联。然而,它的使用是避免在细胞和人类的应用程序由于毒性这样的反应物。共价交联酶可以获得同样的路线,其中安全的交联剂庆大霉素已经被用于制备壳聚糖凝胶和珠子88。还有一长串的共价交联反应诱导的暴露于紫外线和可见光(照片交联水凝胶)151。此外,一些策略的组合物理和化学水凝胶形成的技术被提出,导致“串联”机制,以裁缝和提高针对微型胶囊生产152 - 154。它也必须提到应用程序的自然生物聚合物纳米级。生物聚合物所研发的纳米囊、纳米凝胶、纳米粒子已经开发自年代早期(在平行于脂质体和其他基于脂质纳米系统)与逻辑应用到封装的生物实体的较小的尺寸(主要是药物,治疗蛋白质、核酸)155 - 158。药物输送系统基于多糖纳米粒子有好几个优势:能力穿透细胞和组织;可能提高药物的生物利用度,降低毒副作用;能够控制释放属性由于生物降解性和刺激(pH值、离子和温度),与情感的材料146。合理化的装配机制和功能来定制属性(大小、炸药、装载能力)到令人满意的水平是至关重要的目标前进聚乙烯囊泡c可生物降解纳米粒子作为有效的药物运载工具。现在研究人员获得的结果在这个领域已经生成的一个巨大的专利数量159,160和非凡的科学生产138,161 - 165。4. 微型胶囊对鱼接种疫苗在水产养殖:一个实验研究4.1鱼接种疫苗在水产养殖水产养殖快速发展的行业代表了食品工业中,提供一个一半的人类所食用的鱼类总量166。在过去的30年里,水产养殖已经扩大,加剧,和多元化。然而,鱼类养殖的集约生产导致应力对鱼类和健康问题,比如增加疾病爆发的脆弱性。这种情况影响显著的经济和社会经济发展的许多国家166，167。预防疾病,通过使用最佳实践畜牧业和生物控制方法(如接种疫苗和使用兴奋剂)是强制性的,由于担心环境污染与化学治疗相关,多个抵抗抗生素的出现,以及随之而来的消费不安全产品168。在国际层面上,教育的迫切要求积极主动和被动程序已经表示,要解决健康问题为了维持增长的水生动物食品生产166。目前,应用研究是面向开发新的预防策略基于鱼接种疫苗。这种做法有一个伟大的相关性在大规模商业鱼类养殖,例如,一直负责成功的鲑鱼栽培。一般来说,商业疫苗是基于灭活细菌病原体,但目前一些病毒,没有寄生虫疫苗是商用169。在这种背景下,口服疫苗接种是吸引人的,因为第一次接触病原体通过粘膜表面发生肠道的层面的内脏相关的淋巴组织(高尔特)。鱼实际上并不目前小肠集合淋巴结的补丁和抗原运输M细胞:然而淋巴细胞和巨噬细胞之间存在的上皮细胞和固有层,肠细胞显示一个抗原运输能力170。而腹腔内注射,口服疫苗是简单、有效、无应力和易于管理大量的鱼有一段时间,因此被适合大规模鱼免疫。口服疫苗通常产生于两个方面:由顶级涂层提要与抗原或准备加入饲料生产过程中。口服疫苗目前礼物也相关的缺点,如一般高数量的抗原引起免疫反应;缺乏充足的时间免疫保护;损害从消化水解;必要提高后肠吸收的,为了引起一个有效的保护性的免疫应答,生理和解剖差异,物种(胃或无胃性鱼类)115，167。这些限制使得研究人员开发方法保护的疫苗,因此疫苗新的鱼类和先进的技术已经实现。用一个系统的综述鱼类疾病最扩散,疫苗已经可用,该物种被和发展策略,读者交付是寄给一些相关审查出版物115，169，171。4.2实验研究在这里工作的一部分概括为一个案例研究建立了一个研究项目的框架172在这一网络的科学机构和鱼类养殖植物共享他们的能力来开发一种口服疫苗的协议,利用政府的灭活细菌可生物降解的生物聚合物矩阵。通过引进其中一个最相关的鱼类疾病在密集的水产养殖,造成重大的经济损失,彩虹鳟鱼利用)农业173。微型胶囊已运用自年代末以来,用来保护疫苗将在水产养殖。三种聚合物(海藻酸、壳聚糖和PLGA)主要用于封装不同的病原体(如鳗弧菌,气单胞菌属或核酸(例如DNA质体包含基因编码为抗原),为了治疗一些鱼类(鲤鱼,日本挣扎着,鳟鱼,尼罗罗非鱼,等等。)115。结果迄今为止获得的具体案例的褐藻酸盐的封装lactococcosis病原体表明,这个系统还没有最佳:目前主要在一个成功的提升了,在协会与传统的注射173,174。设置一个微型胶囊系统大规模生产的疫苗是非常具有挑战性的微载体加载技术。该系统已在我们研究175是一个升级前一个,一个来自实验室规模,已成功进行初步试验,无论是在鱼(鲈鱼)和哺乳动物(老鼠)模型176，177。它是基于一个混合的生物聚合物,被选中在其他候选人生物材料。特别是,海藻酸、壳聚糖和纤维素衍生物(羟丙基甲基纤维素(HPMC)已经被用于一个程序,基于一个离子凝胶化结合聚电解质络合作用。溶菌酶也被添加为佐剂和一氧化碳封装与疫苗,由于其金属属性178。该系统已被完整描述和已经被测试两个季节性试验,评价结果不是本文的对象。制备微胶囊的大规模179一直的设置一个模型的系统(聚合物珠),得到了在实验室规模的一个简单的挤压技术180。喂食的解决方案和珠子对属性进行了表征181，182源自不同材料的组合(海藻酸、壳聚糖、HPMC和溶菌酶)。这个成分影响封装过程和制定检测也从焊缝形状、透明度和形态。就业的基本原理的一个简单的模型系统来自必要性收集信息关于每个组件的作用及其相互交互系统内部。此外,聚合物性质的影响(例如类型和起源的褐藻酸盐样本,或壳聚糖特征对生成的水凝胶研究和优化。复合生物聚合物珠子可以用作通用模型的药物输送系统,因此已经过测试,在各种环境条件(pH值、温度、离子强度等)相对应不同的生理条件(模仿,例如,胃和肠道释放,胃少或胃含有鱼等),从而使调查的人力与兽