环境友好高分子材料——海藻酸钠的性质与应用

摘 要 海藻酸钠是一种从海藻中提取出的多糖钠盐 具有良好的生物相容性和生 物可降解性 海藻酸钠与钙离子交联形成凝胶的特性 也使得海藻酸钠有着比 一般环境友好高分子更多的应用环境 海藻酸钠在生物医药 食品和日用化工 方面都有着广泛的应用 是一种良好的环境友好高分子材料 关键词 海藻酸钠 凝胶 环境友好高分子 1前言 近几年 随着世界的发展 人们对于石油资源的需求越来越大 随之而来 的资源短缺和环境污染等问题也凸显出来 自然而然的 人们开始将目光转向 了地球上巨大的宝库 海洋 海洋占了地球 71 的面积 人类还远远没有开 发出其中巨大的价值 但就现有的一些发现 就给人们带来了极大的帮助 海 藻酸盐就是其中之一 海藻酸是从海带或海藻中提取的一种天然多糖类化合物 是 D 甘露糖醛 酸 M 和 L 古罗糖醛酸 G 通过糖苷键连接形成的一类线性无规链状阴离子 聚合物 1 结构式如图 1 所示 海藻酸中羧基上的氢易被 Na a2 等金属阳离 子所取代 形成相应的海藻酸钠 海藻酸钙等等 其中海藻酸钠 Sodium alginate SA 由于其良好的生物相容性和可加工性能 在海藻酸盐中的应用最 为广泛 图 1 海藻酸结构式 2海藻酸钠的性质及制备工艺 2 1 海藻酸钠的理化性质 海藻酸钠溶液是一种典型的高分子电解质溶液 在纯水中 低浓度的海藻 酸钠 Nsp C 值将随海藻酸钠浓度的降低而升高 所以在测定其特性粘数 时需 要加入无机盐类保持一定的离子强度 国内不同厂家生产的海藻酸钠 值从 4 386 6 865 不等 平均相对分子质量从 2 19 3 43 x105不等 G M 值从 0 2 1 0 不等 动力黏度从 35 0 7 到 103 12 n 4 不等 海藻酸钠溶液的浓度和黏度没 有线性关系 而黏度取对数后与浓度作线性回归 线性关系较好 2 钙离子浓 度对海藻酸钠溶液的特性粘数有影响 高分子电解质溶液的黏度特性与非电解 质高分子溶液的黏度也有所不同 浓度较小时 电离度大 大分子链上电荷密 度增大 链段间的斥力增加 电离度下降 斥力减小 分子链蜷曲 黏度也就 下降 G M 是海藻酸钠分子中古罗糖醛酸 G 和甘露糖醛酸 M 的比值 海藻酸 钠作为缓释制剂的载体 其 G M 值影响缓释作用 因此有较重要的意义 有文 献报道 用核磁共振可定量测定海藻酸钠的 G M 值 3 2 2 海藻酸钠的交联 2 2 1 离子交联 二价阳离子如 Ca2 Ba2 Sr2 极易与海藻酸古洛糖醛酸上的羧基发生静电 相互作用 形成乳白色的水凝胶 但海藻酸与二价金属离子的水凝胶反应是可 逆的 二价离子很容易与水凝胶周围介质环境中的离子 如 Na Mg2 等 发生 交换 而且这一过程很难控制也无法避免 因而此类水凝胶在生理介质环境中 易溶解 失去水凝胶特性 这在一定程度上限制了海藻酸盐水凝胶的应用 尽 管 Cu2 Pb2 Cd2 Co2 Ni2 Zn2 和 Mn2 也都能与海藻酸键合形成水凝胶 而且 Cu2 Pb2 的键合能力比 Ca2 强 但是由于这些阳离子具有一定毒性而限 制了在医学领域的应用 因此 海藻酸盐作为医药及组织工程材料使用时通常 选用 Ca2 作为交联剂 4 当 Ca2 和海藻酸形成水凝胶时 Ca2 与 G 片段上的多个氧原子发生螯合作 用 其中一个单元的羧基氧和该单元的 O 5 连接两单元的氧原子 另一单元 上的 O 2 和 O 3 使得海藻酸链间结合得更加紧密 协同作用更强 链链间的 相互作用最终将会导致三维网络结构即水凝胶的形成 在此三维网络结构中 Ca2 像鸡蛋一样位于蛋盒中 与 G 嵌段形成了 蛋盒 结构 如图 2 所示 5 图 2 海藻酸钙的 蛋盒 结构 2 2 2 化学交联 与离子交联相比较 化学交联海藻酸盐水凝胶为不可逆体系 不存在离子 交换海藻酸盐水凝胶那样由于可逆的离子交换反应 而在力学性能和降解速率 上表现出不可控性的缺点 6 同时 化学交联时可以根据使用要求选用不同的 交联分子精确控制凝胶的交联密度 溶胀度 从而获得力学性能稳定的水凝胶 需要注意的是添加的交联剂分子通常具有毒性 形成水凝胶后应彻底清除以避 免植入体内后对细胞以及组织的毒害作用 海藻酸盐上有羧基活性基团 可以同二胺 二肼类物质例如己二酰二肼 聚乙二醇 二胺发生交联反应 通过 NH2和 COO 的脱水缩合反应形成酰胺键 从而得到稳定的海藻酸钠共价交联水凝胶 这种凝胶过程在数小时内完成 凝 胶无色透明 含水率高 柔软 经冷冻干燥后呈层状结构 吸水后变得透明 通过采用活化体系 诸如 EDC NHS 体系 来提高交联速率 使凝胶速率加快 7 2 3 海藻酸钠的制备工艺 首先将原料海藻以水洗净 除去附着的盐分和夹杂物 切成细丝 然后以 低浓度的酸性溶液浸泡 除去盐类及可溶性蛋白质等水溶性成分 加热到 40 50 加入碳酸氢钠 使海藻膨化成黏稠状 此时反应 pH 值约为 12 海 藻酸钙转化成海藻酸钠 反应生成的碳酸钙析出沉淀 分离出的海藻酸钠加水 稀释 过滤 漂白后 加少量硫酸使凝胶沉淀 将凝胶置心机分离 除去可溶 性成分后 将其混悬于甲醇中 加入氢氧化钠或碳酸钠中和 可得海藻酸钠 用压榨法除去甲醇 干燥 粉碎即可 8 3海藻酸钠的应用 3 1 生物医药方面的应用 3 1 1 海洋活性药物的应用 海洋活性药物 是利用从各种海洋生物中提取出的具有生物活性的化合物 所开发出来的新型药物 而海藻酸钠作为从海藻中提取出的一种天然多糖 正 是可以用于开发海洋活性药物的新对象 用海藻酸钠可开发抗肿瘤 抗病毒 抗放射 抗衰老 抗心脑血管疾病的海洋药物 9 心脑血管药物藻酸双酯钠 PSS 是从海带等海藻中分离提取的海藻酸钠 经化学修饰组成的一种半合 成的多糖硫酸酯 它具有明显的抗凝血 降低血粘度 降低血脂 抑制红细胞 和血小板聚集 以及改善微循环的作用 PSS 治疗缺血性心脑血管疾病总有效 率达 91 98 10 1 降胆固醇 血糖的作用 海藻酸钠可在胃酸的作用下 转变为海藻酸 促进胆固醇的排泄 起到膳食纤维的作用 Kimura 11 等对 Wistar 大鼠灌胃胆固 醇后 再灌胃海藻酸钠溶液 测定大鼠粪便中胆固醇的含量以及血液中葡萄糖 和胰岛素含量 发现海藻酸钠可降低胆固醇的吸收 同时可降低血糖含量 另 有研究者将海藻酸钠用于治疗肥胖病 发现其能有效地减少人体对胆固醇和葡 萄糖的摄入 12 2 免疫抑制作用 Mirshafiey 13 等以牛血清白蛋白诱导的肾小球 肾炎 为模型 考察了海藻酸钠对此病理模型的治疗作用 发现海藻酸钠可以减少蛋 白尿 抑制基质金属蛋白酶 2 matrix metalloproteinase 2 MMP 2 的活性和抗体 的产生 抑制了肾小球病变的发展 具有免疫抑制作用 3 抗炎作用 海藻酸钠可与吞噬细胞表面的 CD 44 和 TLR 2 受体结合 抑制肿瘤坏死因子 tumor necrosis factor TNF 白介素 1 interleukin 1 IL 1 和白介素 6 interleukin 6 IL 6 等炎症因子的产生 将其应用于眼部可 起到抗炎作用 14 4 抗氧化作用 Xue 15 等考察了几种海洋多糖抑制卵磷脂过氧化的作用 结果显示海藻酸钠具有明显的抗氧化作用 且分子量是影响海藻酸钠抗氧化作 用的重要因素 3 1 2 在外科创伤修复上的应用 创伤修复材料是指有助于促进创伤愈合的医用生物材料 这类材料组织相 容性好 植入或覆盖创面与机体不发生不良反应 且能治疗或替代机体中的缺 损组织 促进其愈合 海藻酸钠是一种天然植物性创伤修复材料 用它制作的 凝胶膜片或海绵材料 可用来保护创面和治疗烧 烫伤 海藻酸钠与甘油可制 成创伤护肤凝胶 干燥后成为无毒柔软的护肤或含有治疗药物的凝胶膜 实验 表明 16 其具有防止细菌侵染伤口和治疗的作用 胶膜又易用清水洗去 用海 藻酸钠作部分下鼻甲切除术后的包扎材料 止血效果好 优于石蜡敷料 用海 藻酸钠钙纤维可成功地治疗中毒性表皮坏死 3 1 3 在骨组织工程上的应用 引导骨再生 GBR 是指利用屏障膜引导骨组织再生防止周围纤维结缔组织过 早长入骨缺损区 改变骨创愈合环境 从而促进骨组织再生修复 海藻酸钠因 为其较好的生物相容性和生物可降解性 可以作为支架培养骨细胞等 从而引 导骨再生 Chen 17 等通过热致相分离法制备了壳聚糖 海藻酸钠可吸收屏障膜 壳聚糖层作为骨引导层 海藻酸盐则作为修饰层起到反黏附的作用 并且研究 了各种壳聚糖 海藻酸钠引导膜经过不同交联后的性能与体内实验 证实经过热 值相分离法制备的壳聚糖 海藻酸钠膜能有效地隔离上皮组织 有利于骨的修复 3 1 4 在缓释载体上的应用 海藻酸钠作为药用辅料已有较长的历史 可作为助悬剂 增稠剂 乳化剂 微囊材料 涂膜剂的成膜材料 具有如下优点 18 1 性质稳定 2 有合宜的释 药速率 3 无毒 无刺激性 4 能与药物配伍 不影响药物的药理作用及含量 测定 5 有一定的强度及可塑性 能完全包封囊心物 或药物与附加剂能比较 完全地进入球的骨架内 6 具有符合要求的粘度 渗透性 亲水性 溶解性等 特性 因而用于多种剂型的制备 受到广大药学工作者的青睐 近年来海藻酸钠用于开发缓控释制剂尤为引人注目 在口服药物中加入海 藻酸钠 由于黏度增大 延长了药物的释放 延长了疗效 减轻不良反应 研 究发现含海藻酸钠的氨茶碱片 葡萄糖酸钙片 有缓慢的溶解速度和 S 形释放 曲线 表明藻酸钠对药物的释放可起到控制作用 19 海藻酸与聚赖氨酸 海藻酸与乙酸壳多糖 海藻酸与白蛋白等合用作复合 囊材 海藻酸钠为原料制备微球或微囊血管栓塞剂 可使患者肿瘤缩小 并可 减少手术后的复发或转移 改善症状 提高疗效 减少毒副反应 延长患者生 存期 20 3 2 食品方面的应用 海藻酸钠具有良好的增稠性 成膜性 稳定性 絮凝性和螯合性 是重要 的食品工业原料 可作为多种食品的添加剂 如面包 面条 从而改善食品结 构 提高食品质量 一些饮料的澄清剂 一些果酱的增稠剂 沈巧生 21 等人使 用 0 3 海藻酸钠作稳定剂 可使芹菜汁在 40 天内保持均匀悬浮态 无沉淀分 层 邓勇 22 等人用海藻酸钠和蔗糖脂肪酸酯作为涂膜剂 对黄瓜进行涂膜处理 后 于室温下贮藏 结果表明 由 0 48 的海藻酸钠和 5 0 蔗糖脂肪酸酯组成 的涂膜液对黄瓜有明显的保鲜效果 可以减少黄瓜的失重率 保持硬度和减少 叶绿素的损失 延长黄瓜的货架寿命 海藻酸钠能与 Ca2 形成不溶于水的致密 网络结构 水分子可以自由通过 颗粒状的物质则不能 利用这个特性 将海 藻酸钠与不同的果蔬浆制成一定粘度的溶液 注入一定浓度的 Ca2 溶液中 进 行适时的离子交换 得到一定形状的 软硬适度的果 蔬粒 从而解决果蔬制 粒的难题 此外 海藻酸钠还具有减肥 降低血脂 消除体内有害物质等保健 功能 3 3 日用化工方面的应用 渗透汽化膜是分离恒沸物及沸点相近的液体混合物最有效的方法之一 海 藻酸用于渗透蒸发时具有渗透通量大 分离系数高的特点 是一种性能优良的 优先透水膜 但由于海藻酸钠有很大的亲水性 在分离含水量较高的混合物时 膜溶胀度较大 分离系数 选择性 显著下降 张可达 23 等人制备出海藻酸钠 PVA 共混膜 结果表明 与成熟的均质 PVA 渗透汽化膜相比 共混膜透过系 数及分离系数均大幅度提高 尤其适用于乙醇浓度低于 80 的乙醇 水混合物 Aminablaavi 24 等人制备了 PVA 海藻酸钠的均质共混平板膜用于异丙醇的脱 水研究 采用戊二醛作为交联剂 Shi 25 等人仔细研究了高渗透汽化脱水性的 海藻酸钠致密膜的制备方法和操作条件 经多价离子 A13 Cr3 Fe3 Mg2 交换修饰后 膜具有较好的长效稳定性 4结果与展望 海藻酸钠作为一种天然的环境友好高分子材料 因其良好的功能特性受到 了人们越来越多的重视 在食品医药乃至日用工业等多个领域都有着广泛的应 用 前景十分广阔 但纯海藻酸钠的机械性能等不如其他许多材料 这限制了 海藻酸钠的进一步的应用 因此 对海藻酸钠进行改性以适应更多应用环境将 成为今后具有潜力的发展道路 参考文献 1 Rehm B Microbial production of biopolymers and polymer precursors applications and perspectives M Caister Academic Press 2009 2 马萍 孙淑英 刘东春 等 海藻酸钠理化参数的测定 J 中国海洋药物 2005 6 2 54 56 3 Stberg T Lund EM Graffner C Calcium alginate matrices for oral multiple unit administration IV Release characteristics in different media J International Journal of Pharmaceutics 1994 112 241 248 4 童粤生 沈德勇 王士斌 等 混合交联剂制备海藻酸盐微囊及其性能研究 J 医学研究杂志 2010 39 6 27 31 5 何天白 等 功能高分子与新技术 M 北京 化学工业出版社 2001 523 555 6 Balakrishnan B Jayakrishnan A Self cross linking biopolymers as injectable in situ forming biodegradable scaffolds J Biomaterials 2005 26 3941 3951 7 Lee K Y Rowley J A Eiselt P et al Controlling mechanical and swelling properties of alginate hydrogels independently by cross linker type and cross linking density J Macromolecules 2000 33 4291 4294 8 陈蕾 罗志刚 何小维 海藻酸钠在医学工程上的应用进展 J 医疗卫生装备 2008 29 9 33 35 9 Haltiwallger R S and J B Lowe Role of glycosylation in development J Annual Review of Biochemistry 2004 73 1 491 537 10 Yamada K and K Kakehi Recent advances in the analysis of carbohydrates for biomedical use J Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis 2011 55 4 702 727 11 Kimura Y Watanabe K Okuda H Effects of soluble sodium on cholesterol excretion and glucose tolerance in rats J J Ethnopharmacol 1996 54 47 54 12 Paxman J R Richardson J C Dettmar P W Alginate reduces the increased uptake of cholesterol and glucose in overweight male subjects a pilot study J Nutrition Research 2008 28 8 501 505 13 Mirshafiey A Borzooy Z Abhari R S et al Treatment of expetimental immune complex glomerulonephritis by sodium alginate J Vasc Pharmacol 2005 43 30 35 14 Xia E N Jani D Method of treating inflammation of the eye US 765925982 P 2010 02 09 15 Xue C H Yu GL Hirata T et al Antioxidative activities of several marine polysaccharides evaluated in a phosphatidylcholine liposomal suspension and organic solvents J Bioscience Biotechnology Biochemistry 1998 62 2 206 209 16 李良铸 生化制药学 M 北京 中国医药科技出版社 2003 281 284 17 Chen T W Chang S J Niu C C et al Alginate coated chitosan membrane for guided tissue regeneration J Journal of Applied Polymer Science 2006 102 5 4528 4534 18 李红兵 海藻酸作为新型药物转运载体的开发