基于壳聚糖的先进材料__药物缓释体系

1、第16卷第3期2008年9月纤维素科学与技术Journal of Cellulose Science and TechnologyV ol. 16 No. 3Sept. 2008文章编号:1004-8405(200803-0064-15基于壳聚糖的先进材料. 药物缓释体系唐文琼1,周天韡1,沈青1,2*(1. 东华大学材料科学与工程学院;2. 东华大学纤维材料改性国家重点实验室,上海200051摘要:作为一种天然高分子多糖,壳聚糖由于其来源广泛,具有良好的生物降解性、生物相融性和无毒性等特性,成为备受青睐的原材料。文章简要介绍了2000年以来在基于壳聚糖的先进材料的制备及应用方面的研究进展。主

2、要涉及基于壳聚糖的药物缓释体系。关键词:壳聚糖;药物缓释体系中图分类号:O636.1 文献标识码:A壳聚糖(chitosan是甲壳素(chitin的N-脱乙酰基的产物,是一种天然的高分子多糖。甲壳素在自然界中广泛存在于甲壳类动物的外壳、骨骼,以及真菌类生物的细胞壁中,因而壳聚糖是来源十分广泛的一种天然多糖。已有的研究结果表明,壳聚糖具有很好的生物降解性、生物相融性以及良好的抗菌作用。研究人员据此研究了壳聚糖在农业、食品加工业、生物医学等方面的应用,并取得了很大的进展。而今,研究者将更多的目光投向了壳聚糖在某些领域的新的应用,比如应用于药物缓释载体、生物传感器、吸附金属离子以及组织修复等方面。通

3、过研究者的不懈努力,在这些方面的研究取得了一定的进展。本文概述2000年以来科学研究者在药物缓释领域取得的最新研究进展。1 基于壳聚糖的药物缓释体系传统的药物释放系统,由于人体在摄入药物后,药物一次性在人体内释放,导致血清中该药物的浓度在很大的范围内波动:在药物刚被释放后,血清中的药物浓度会达到一个峰值,然后药物的浓度会迅速下降。而对于某些药物,药效的发挥与血清中的药物浓度有很大关系,这样在药物浓度达到峰值时,会给人体带来意想不到的副作用,而在药物浓度迅速降低之后,又会导致药物疗效的下降。为了解决上述问题,科学家们致力于研究一种可以使药物在人体内发挥最佳的作用,同时将副作用减小到最低,并且还可

4、将药效时间延长的技术,而药物缓释技术在此时应运而生。药物缓释技术是一项出现于20世纪80年代的新技术1,它旨在药物被病人吞咽后,在一段持续的时间内将该药物释放;这就要求用一种可以在人体内逐步降解的,且不会引起人体排异反应的材料作为药物的缓释载体。为了实现此目的,科学家们研收稿日期:2008-01-23 通讯作者作者简介:唐文琼(1987,女,东华大学高分子材料与工程学院本科生。究了很多天然的以及人工合成的生物相容性很好的高分子聚合物。迄今为止,壳聚糖以其良好的性能备受青睐,成为药物缓释的一种重要载体。以下简要介绍2000年以来各国科学家对壳聚糖作为药物缓释载体的研究成果。1.1 微球状药物缓释

5、体系喜树碱是一种良好的抗癌药物,医学上证明它在抵抗乳腺癌、子宫癌、肺癌等方面有很好的疗效。但由于喜树碱是一种不溶于水的药物,医学家们曾并不看好它作为抗癌药物的发展前景。而随着科技的进一步发展,科学家们曾经把喜树碱制作成一种微滴并将其注射到老鼠的肿瘤中。遗憾的是,由于微滴不能在体内形成连续的膜或者固体,从而无法在动物体内发挥很好的抗癌作用。加拿大的M. Berrada等人2将超纯的壳聚糖粉末加入到0.1 mol/L的盐酸溶液中,然后将高压灭菌的喜树碱粉末在无菌条件下逐滴地滴入壳聚糖溶液中,从而得到壳聚糖/喜树碱溶液。此外还要将灭菌的-甘油磷酸粉末溶解到蒸馏水中,待壳聚糖/喜树碱溶液冷却后,将-甘

6、油磷酸溶液缓慢滴入壳聚糖/喜树碱溶液中,此溶液即为壳聚糖热敏溶液。将热敏溶液倒入事先涂好聚乙二醇的模具中,恒温37,1.5 h,即可得到以壳聚糖为载体的喜树碱水凝胶。对于缓释作用的研究,M. Berrada等人将制备好的凝胶放入pH 7.4的磷酸缓冲溶液中,通过Hewlett Packard色析仪器分析得出结论,不到5%的喜树碱在第一天被释放出来,13%在前3天被释放,而在30天后80%的药物被释放到缓冲溶液中。将该凝胶注射到小鼠的肿瘤中,通过分析也证明它能有效地抑制肿瘤的增长。该实验的成果为更多的不溶于水的药物的缓释提供了理论依据。儿茶酚是一种优良的抗氧化试剂,它可以在某些水果及饮料,如茶、

7、咖啡中提取。除了抗氧化性,它还有抗动脉硬化、抗癌、抗糖尿病等功效,因而被广泛地应用于制药领域,尤其是当其被注射到人体的血液中后,它的抗氧化作用可以有效地预防心血管疾病的发生。但也有实验证明,当儿茶酚被暴露在人体小肠的碱性环境中时,它会迅速减少。为了保护儿茶酚不在肠道的碱性环境中减少并提高其在人体血清中的浓度,Liyan Zhang等人3利用壳聚糖作机体,与其他化学物质作用制成胶囊,将儿茶酚包裹在其中实现儿茶酚的缓释。制备胶囊膜的具体方法为:将壳聚糖溶解在醋酸溶液中,并加入适量NaOH调节pH值至4.7。然后将NaP3O10溶液逐滴加入壳聚糖溶液中,边加边搅拌,并保持壳聚糖与NaP3O10的质量

8、比为2.51、51、7.51和101。在NaP3O10溶液加入时,壳聚糖微滴就逐步形成了。然后将儿茶酚的纯乙醇溶液以上述同样的方法加入壳聚糖溶液中,即可得到载有儿茶酚的缓释载体。Liyan Zhang等人通过研究证明,当壳聚糖与磷酸钠的质量比分别为2.51、51、7.51和101时,儿茶酚在模拟的无酶作用的胃环境和肠环境中释放比例分别为15.19%、25.51%、40.24%和37.97%。实验结果还证明,在真实的大肠环境中,儿茶酚的释放率还将提高更多。为了治愈盲肠内发生的各种疾病,科学家们研究了很多将药物运送到盲肠内的技术。但由于这些技术大都依赖于释放环境的pH值,使得它们的运送成功率受到了

9、很大的限制。而可以解决这种限制的新的缓释技术则是要依附于生物高分子凝胶作为药物载体。马其顿的Maja Simonoska等人4利用一步喷洒干燥法(one step spray-drying method制备出了直径在415 m之间的壳聚糖-藻酸钙微滴,将budesonide这种药物固定到壳聚糖-藻酸钙微滴上,最后用Eudragit S 100做成膜包裹在微滴外部,这就制成了载有budesonide的药物缓释体。66 纤维素科学与技术第16卷他们还对这些微滴进行了形态学、溶胀性的分析,最后将其应用到模拟的环境中测试其药物缓释的性能。实验结果表明,由Eudragit S 100包裹的缓释体在pH为

10、6.8的酸性环境中能实现药物的长时间释放,但由于Eudragit S 100是一种pH敏感的试剂,在pH为7.4(肠环境的pH值时,Eudragit S 100会溶解,这也就导致了药物的释放速度变得比较快。即使如此,由Eudragit S 100包裹的载有budesonide的壳聚糖-藻酸钙微滴仍将是一种很有潜力的用于治愈肠内发炎病症的制剂。Sunil A. Agnihotri等人5采用了一种新式的方法制备壳聚糖微滴,作为clozapine的缓释载体。这种方法是通过控制改变实验中的各个参数,比如交联时间,微滴上所承载的clozapine 的量等,以达到最理想的药物附着率、微滴的大小及药物缓释的

11、比率。这个方法避免了油相中的乳化作用及喷射干燥的冗长的实验过程。在制备好缓释微滴后,他们用FTIR、DSC及XRD等分析了clozapine在附着到壳聚糖微滴上之后的晶体性质。此外他们还用TGA分析了承载药物之后壳聚糖微滴的热分解性质。实验结果证明,纯的壳聚糖微滴比附着药物之后的壳聚糖微滴更加稳定。然后他们还测试了该缓释体系在pH值为7.4的磷酸盐缓冲溶液中的缓释性能,结果证明在此环境中clozapine的释放时间可达到12 h;而在白化病小鼠体内的实验结果证明小鼠对clozapine的吸收被延迟了。清华大学贺庆等人6利用油相乳化溶剂蒸发法制备了壳聚糖/肝磷脂微滴,以牛血清蛋白作为药物制剂,研

12、究了微滴的药物缓释作用。微滴的具体制备方法如下:将5 g Span 80作为乳化剂加入到100 mL矿物油中,将油相持续搅拌直至其变得均一。然后将3%的壳聚糖溶液逐滴加入到油相中,并用搅拌器持续搅拌油相直至水相和油相之间发生乳化作用。在乳化液形成后将12.5 mL的肝磷脂溶液逐滴加入乳化体系中,接着持续搅拌3 h,之后加入1.6 mL 10%的NaOH溶液。待乳化体系中的微滴变成电中性之后,将体系保持40,15 h,使水相蒸发。在此之后用离心法将微滴分离出来并洗涤干净,即得到实验用的缓释载体。贺庆等人用FTIR和SEM分析了微滴的形态,并研究了其对牛血清蛋白的缓释效果。实验结果表明,壳聚糖/肝

13、磷脂微滴上所承载的牛血清蛋白可以在120 h内持续释放,并且释放量是总承载量的55%,而且在前48 h的释放速率是相对稳定的。剩余部分的牛血清蛋白在短时间内不会被释放,直至壳聚糖/肝磷脂微滴被体内的酶水解掉。这就证明了壳聚糖/肝磷脂微滴在药物缓释方面有很大的发展潜力。接枝共聚是将两种聚合物联合在一起并获得一种兼具两种高聚物性能的新的聚合物的方法。河南大学Baolin Guo等人7就利用接枝共聚的方法制备了壳聚糖-马来酸酐-(2-二甲氨基甲基丙烯酸乙酯的微滴,并研究了这种微滴对辅酶A的缓释作用。微滴的制备方法为:将2 g壳聚糖溶解到0.1 mol/L的醋酸中持续搅拌24 h,然后用微孔玻璃漏斗过

14、滤出不溶物质。接着将溶液倾倒在涂有聚四氟乙烯的模具上,静置2天至溶剂蒸发完全,从而获得壳聚糖膜。然后将壳聚糖膜洗涤干净,取0.5 g膜和9.13 g马来酸酐溶解,加入100 mL甲醇和少量水冷凝剂搅拌24 h,真空干燥,从而获得了壳聚糖-马来酸酐膜。取0.2 g该膜在15 mL 2%的盐酸中恒温75,2 h,向其中加入0.8 mL 2-二甲氨基甲基丙烯酸乙酯和10 mg (NH42S2O8,恒温75,6 h。最后将产物洗涤干净并离心,即可得到实验用的壳聚糖-马来酸酐-(2-二甲氨基甲基丙烯酸乙酯微滴。Baolin Guo等人用FTIR、NMR、UV分析了微滴的形态,用GPC测定了微滴的相对分子

15、质量及其分布,用DLS分析了微滴的大小及分布。此外,他们还研究了温度和pH对微滴对辅酶A的缓释作用的影响。实验结果表明,随着温度的升高,微滴上所承载的辅酶A的释放比率也随之增加;在pH 7时,辅酶A的吸收峰是最高的,即大部分辅酶A是吸附在微滴上的,而在pH 3.7时,大部分辅酶A被释放到溶液中。上述实验结果表明,可以通过控制温度和pH等因素控制辅酶A的释放,即合成的壳聚糖-马来酸酐-(2-二甲氨基甲基丙烯酸乙酯微滴是一种有潜力的药物缓释载体。相互贯穿的高聚物网络是将两种具有相异性能的高聚物联合在一起的结构。当用这种相互贯穿的方法将两种高聚物联合到一起后,这种新的体系就兼具了两种高聚物母体的性能

16、,而且据报道,以这样的方法获得的高聚物体系还有协同作用。基于以上原理,印度的Ajit P. Rokhade等人8以戊二醛作交联剂,利用乳化交联的方法制备了相互贯穿的壳聚糖/甲基纤维素凝胶。具体方法是:将壳聚糖溶解在2%的醋酸溶液中,然后将甲基纤维素溶解到其中,并持续搅拌过夜以获得均一溶液。接着将茶碱溶解到上述溶液中,并将最终混合的溶液溶到含有Span 80的石蜡液体中,然后以400 r/min的速度持续搅拌10 min。再将含1 mol/L HCl 的戊二醛缓慢加入到混合液中持续搅拌3 h。通过过滤获得微滴后,对其洗涤和干燥,即得到了实验用的缓释体系。他们利用FTIR、DSC、XRD等方法对微

17、滴的形态进行分析,并用1 mol/L HCl和pH 7.4的缓冲溶液模拟胃液和小肠环境下pH,研究了其药物缓释的性能。实验结果表明:随着交联程度的增大,药物释放率也随之增加了。在模拟的胃液和小肠环境中,药物的持续释放达到了24 h,这也说明该体系可以用于茶碱的缓释。利用二醛和壳聚糖交联是将水溶性高聚物凝胶变成非水溶性凝胶的常用方法。利用这种交联方法制备的微滴能够准确地控制其上附着的药物缓释的时间,而且共价交联能够增加凝胶微滴的机械强度。但需要特别注意的是,由于乙二醛具有毒性,可以使蛋白质等物质发生变性,因此在将活性药物附着上去之前必须将多余的自由乙二醛除去。基于以上原理,Leticia Mar

18、tinez等人9利用以下方法制备了壳聚糖/聚环氧乙烷半贯穿网络体系微滴作为有前景的药物缓释载体:将壳聚糖溶解在2%的醋酸溶液中温和搅拌放置过夜,然后用无灰滤纸过滤溶液,再将聚环氧乙烷加入到溶液中以形成半贯穿的交联体系。将上述交联后的溶液逐滴滴入10%的氢氧化钠水溶液中,并同时用电磁搅拌器温和搅拌。由于在较高pH条件下壳聚糖不溶解,滴入的液体很快固化形成微滴。得到的微滴用蒸馏水漂洗以除去附着的多余的氢氧化钠溶液,最后将微滴贮存在水中。为了形成共价交联体系,取20 g溶胀后的微滴,将其悬浮于250 mL乙二醛溶液中,同时恒温20用电磁搅拌器温和搅拌24 h。这样就完成了整个制备过程。Leticia

19、 Martinez等人利用FTIR及同步加速红外微分光镜对制备的微滴进行了形态和机械强度等方面的分析,证明可以通过控制微滴的溶胀性来控制药物缓释的时间,从而使其成为一种很有前景的药物缓释体系。同样,Babu V. R. 等人10利用油相乳化的方法制备了壳聚糖-二甲基丙烯酰胺半贯穿网络体系微滴,作为氯噻(一种利尿降压的药物的缓释载体。具体方法如下:将一定量的壳聚糖溶解在2%的醋酸溶液中电磁搅拌过夜。然后加入一定量的二甲基丙烯酰胺和硫酸钾,搅拌24 h。聚合过程在氮气保护气氛中恒温70,6 h。再用丙酮萃取高聚物,将沉淀在氮气气氛中干燥24 h。取0.5 g 该高聚物溶解在2%的醋酸溶液中,并向其

20、中加入适量的氯噻,搅拌至均一。把均一的溶液加入到100 mL石蜡的烧杯中,电磁高速搅拌30 min使其乳化。再加入1 mL 0.1 mol/L的HCl使微滴呈悬浮状,离心获得微滴。Babu V. R. 等人利用FTIR、68 纤维素科学与技术第16卷XRD、DSC研究了氯噻在半贯穿网络体系中的相对分子质量分布,用SEM表征了微滴的形态,并研究了影响微滴对氯噻的缓释的因素。实验结果表明,随着微滴中二甲基丙烯酰胺比重的增加,氯噻的缓释量减低;随着pH的增加(从1.2增加至7.4,氯噻的缓释量增加;随着交联剂用量的增加,氯噻的释放速率降低,但缓释量增加;随着微滴上所承载的氯噻量的增加,释放速率增加,

21、而控制微滴上承载的氯噻的量就能较好地实现缓释,70%的氯噻在600 min内可以慢慢释放,而700 min后85%的氯噻被释放出来。以上结果显示,壳聚糖-二甲基丙烯酰胺半贯穿网络体系微滴可以作为氯噻的缓释载体。K. S. V. Krishna Rao等人11也利用戊二醛作交联剂,用丙烯酰胺与聚乙烯醇接枝共聚得到的共聚物与壳聚糖共聚,制备出具有半贯穿网络结构的高聚物微滴作为头孢羧氨苄的缓释载体,研究了该体系的缓释性能。实验结果表明,在酸性环境下(pH 1.2,壳聚糖共聚载体在10 h内将承载的头孢羧氨苄全部释放,而在碱性环境中(pH 7.4,该载体在前10 h内仅释放了所承载药物的60%。这种共

22、聚得到的高聚物载体比只用壳聚糖做成的载体的缓释性能更优良。阿昔洛维是一种良好的抗病毒药物,但由于阿昔洛维的半衰期很短,只有23 h,故患者在服用该药物时,必须每天摄入5次。如此频繁的药物摄入会给病患带来很多麻烦,还会对人体带来一定的副作用。为此,科学家们致力于研究一种缓释载体以实现对阿昔洛维的缓释。Ajit P. Rokhade等人12以与丙烯酰胺接枝共聚的右旋糖苷和壳聚糖为反应物,以戊二醛作为交联剂,利用乳化交联的方法制备出半贯穿的高聚物微滴,作为阿昔洛维的缓释载体。他们利用FTIR分析了微滴的形态及大小,并利用DSC、X-RD分析了在将阿昔洛维固定到缓释载体之后微滴的晶体结构。此外,他们还

23、在与人体的胃肠环境相当的pH条件下研究了影响药物缓释的因素。实验结果表明:随着交联剂用量的增加、微滴中壳聚糖比重的降低、以及微滴上所承载的阿昔洛维的量的增加,微滴对阿昔洛维的累积释放量增加。药物的持续释放时间可达到12 h,从而可以在一天内两次服用阿昔洛维,实现了对其的药物缓释。利用离子交联的方法制备壳聚糖和其他高聚物的凝胶已经被广泛地应用于药物缓释载体的制备中。最近,武汉大学Yongmei Xu等人13利用壳聚糖藻酸盐与氯化钙和硫酸钠双重交联制备出凝胶微滴作为牛血清蛋白的缓释载体。具体方法如下:首先将一定量的藻酸钠在40下溶解到30 mL的蒸馏水中,同时机械搅拌5 min,然后将一定量的壳聚

24、糖粉末加入到藻酸钠溶液中。为了使壳聚糖溶解,要向藻酸钠溶液中加入一定量醋酸,并用氢氧化钠调节pH至5.0。再将混合液在40下持续搅拌20 min至形成均一溶液。接着用16#针管将该溶液逐滴滴入100 mL 2% CaCl2溶液中,搅拌15 min后,微滴就形成了。将微滴取出并洗涤干净,再将微滴加入到50 mL 2% Na2SO4溶液中搅拌15 min,这样就得到了壳聚糖藻酸盐与Ca2+和SO42-双重交联的微滴。将其用蒸馏水洗涤三次并恒温40真空干燥。用与上述相同的方法把牛血清蛋白加载到微滴上,即可制备出缓释体系。Yongmei Xu等人表征了微滴的形态,测试了其溶胀性及相对分子质量分布,研究

25、了模拟的胃、小肠和盲肠中该缓释体系的性能,并与只与Ca2+交联的单交联微滴的缓释性能作了对比。实验结果表明:在模拟的胃环境中,单交联微滴对牛血清蛋白的释放速度更快些,且在4 h内释放了所承载的药物的80%,而双重交联微滴在8 h内仅释放了承载药物量的3%;在模拟的小肠和盲肠环境中,单交联微滴在与药物结合后很快就被破坏了,而对于双重交联微滴,在模拟小肠环境中,微滴中藻酸盐与壳聚糖质量比为91的体系在前8 h内释放了承载药物总量的81.24%,高于藻酸盐与壳聚糖质量比为73、55的体系,且在模拟盲肠坏境中药物的释放速率比在模拟胃环境中的快。这些结果都表明这种双重交联的壳聚糖-藻酸盐微滴更适用于药物

26、缓释系统。天津大学昝佳等人14制备了热敏的壳聚糖/-甘油磷酸凝胶,并以5-氟尿嘧啶(一种抗肿瘤、抗癌的药物为研究药物,研究了该凝胶微滴的药物缓释性能。热敏的壳聚糖/-甘油磷酸凝胶微滴的制备方法如下:将200 mg壳聚糖粉末溶解到10 mL 0.1 mol/L的醋酸溶液中,再向其中加入560 mg甘油磷酸,保持在冰水浴中并搅拌3060 min,并通过加入饱和的磷酸氢二钠溶液调整pH到7.27.4之间。然后将5-氟尿嘧啶/聚-3-羟基丁酸盐附着到微滴上,即得到了缓释体系。对于普通的5-氟尿嘧啶释放系统,50%70%的5-氟尿嘧啶会在18 h内释放,而将聚3-羟基丁酸盐加入到释放系统后,初期的大量释

27、放可从85%降低到29%,而且全部药物的释放时间也可以增加到10个月。这对于5-氟尿嘧啶的抗癌效果有很大的改善。因而该体系可以被用于5-氟尿嘧啶的缓释。此外,复旦大学Yongli Zheng等人15以戊二醛为交联剂,利用聚天门冬氨酸的钠盐与壳聚糖醋酸溶液进行离子共聚,获得聚合高分子电解质微滴,作为5-氟尿嘧啶的缓释载体。5-氟尿嘧啶通过两种方法被固定到缓释载体上,其一是将5-氟尿嘧啶与壳聚糖的混合溶液逐滴加入到聚天门冬氨酸钠盐的溶液中,其二是将5-氟尿嘧啶溶液加入到壳聚糖-聚天门冬氨酸钠盐的悬浊液中,电磁搅拌2 h,然后室温下再搅拌3 h而获得。Yongli Zheng等人研究了在磷酸盐缓冲溶

28、液中壳聚糖-聚天门冬氨酸钠盐微滴对5-氟尿嘧啶的缓释作用,通过与5-氟尿嘧啶单独被释放的速率比较,表明虽然初始阶段5-氟尿嘧啶的释放速率依然很快,但通过交联后,药物的释放时间可以达到192 h,这样不仅大大提高了药效,同时也避免了很多药物带来的副作用。从而表明,壳聚糖-聚天门冬氨酸钠盐微滴也可作为5-氟尿嘧啶的缓释载体。Sunil A. Agnihotri等人16首先利用自由基聚合的方法制备了聚环氧乙烷和聚丙烯酰胺的共聚物,然后以戊二醛作交联剂,将得到的共聚物和壳聚糖接枝共聚制备出半贯穿网络结构的高聚物,以其作为5-氟尿嘧啶的缓释载体,研究了该药物缓释体系在模拟的胃肠环境(无酶作用中的缓释性能

29、及影响缓释的因素。实验结果表明,随着交联剂用量的加大,药物的释放速率降低;随着缓释载体中壳聚糖含量比例的增加,药物的释放速率提高。阿霉素也是一种良好的抗肿瘤药物,但由于其本身的毒性较大,在临床医学上的应用也受到限制。而用胶质载体运载阿霉素不仅可以降低其毒性带来的副作用,还可以提高该药物的疗效。中国海洋大学Chengguang Liu等人17将壳聚糖改性,首先将亚油酸基团接到壳聚糖的氨基上形成一个疏水的部分,然后将羧甲基连接到壳聚糖的羟基上从而形成一个亲水的部分。然后通过超声波降解的方法获得微滴,作为阿霉素的缓释载体。他们测试了不同pH 条件下该承载着阿霉素的微滴在磷酸缓冲溶液中的缓释性能。实验

30、结果表明:未附着在缓释载体上的阿霉素在初始阶段会迅速释放,并在6 h内完成60%的释放;而缓释载体上的阿霉素释放则十分缓慢,在前6 h内仅释放了19.4%,而在接下来的72 h内阿霉素的释放量也只达到37.8%。阿霉素在酸性环境中的释放速率要高于其在碱性环境中的释放速率,通过调节pH可以控制附着在改性壳聚糖微滴上的阿霉素的释放速率。而通过这种方法改性的壳聚糖也是药物缓释的一个良好载体。眼部的结膜上皮是高度不渗透的,这对于维持视觉十分重要,但也为眼部疾病的治愈造70 纤维素科学与技术第16卷成了阻碍,因为很多药物都无法进入眼睛内部而发挥疗效,故而很多用于眼部疾病的药物都是液体的。虽然液体有助于药

31、物进入眼内,但由于药物已经被高度稀释了,其疗效不是很理想。壳聚糖有着良好的生物相容性、生物降解性及抗菌作用,并且壳聚糖可以通过某些手段被制成纳米级的微滴,故壳聚糖微滴成为了眼部药物的良好载体。Yolanda Diebold等人18利用冷冻干燥的方法制备了壳聚糖-海藻糖的纳米级微滴,并对其进行了表征。实验结果表明,药物在进入眼内后会首先停留在黏膜层,然后进入到角膜细胞,进入角膜细胞的药物量会随着药物附着位置的不同而改变。因此,壳聚糖-海藻糖纳米级微滴是眼部药物缓释的良好载体。M. Prabaharan等人19首先将壳聚糖改性获得羟甲基壳聚糖,然后在三聚磷酸钠的溶液中,使其与磷脂酰乙醇胺进行离子交

32、联,从而获得壳聚糖与磷脂酰乙醇胺的接枝共聚物,将其制成微滴,并对其进行了形态学各方面的表征。接着以酮类为研究药物,研究了该微滴在pH 1.4、7.4的环境中对酮基布洛芬的药物缓释作用。实验结果说明,该缓释体系是一个对pH敏感的疏水的载体,在酸性环境中,载体对酮基布洛芬的释放速率比在碱性环境中快很多。而且当载体上承载的药物量为29%时,缓释时间最长达到45 h。随着载体上所承载药物量的增加,缓释所需时间更长,由此说明该微滴可以作为酮类药物的缓释载体。中国海洋大学Huiyun Zhou等人20利用乳化,然后蒸发溶剂的方法制备了疏水性的纤维素乙酸酯为包裹层,以壳聚糖为核心的微滴作为药物缓释载体,研究

33、了这种载体对亲水性药物、疏水性药物和两性药物的缓释作用。在实验中,他们分别以ranitidine hydrochloride、6-巯基嘌呤和醋氨酚作为亲水性、疏水性和两性药物进行了研究。实验结果表明,承载着三种不同类型药物的缓释体系在pH 3.8、6.8的环境中,对药物的缓释量并没有很大的变化;随着药物的亲水性降低,体系对药物的缓释速率下降,体系对ranitidine hydrochloride的释放量在48 h可达到60%,而对6-巯基嘌呤的释放量只有不到30%。武汉大学Xianghong Peng等人21利用环己胺作模板,以戊二醛作交联剂,制备了N-甲基化的壳聚糖空心微滴,将氧氟沙星(一种

34、抗菌药物填充到微滴的空心部分,从而得到了一个药物缓释体系。然后他们研究了不同pH、相对分子质量和季铵化程度的壳聚糖外壳对药物缓释性能的影响。实验结果表明,在pH 7.4的磷酸盐缓冲溶液中,氧氟沙星被很快地释放出去,而在pH 1.2的盐酸溶液中,氧氟沙星的释放速率则大大降低;随着壳聚糖相对分子质量的增加,对氧氟沙星的释放速率降低。由此说明可以通过控制壳聚糖的相对分子质量和交联密度来控制药物的释放时间,从而取得理想的缓释效果。由于壳聚糖的高分子质量、高黏度及在生理pH(7.27.4下的难溶性,限制了它在药物缓释方面的应用。浙江大学Fuqiang Hu等人22研究了改性的低分子质量壳聚糖作为药物缓释

35、载体的性能。他们通过用硬脂酸与低分子质量壳聚糖上的氨基反应,通过取代氨基,制备了硬脂酸和壳聚糖的接枝共聚物。然后将该共聚物与戊二醛进行交联反应,得到了纳米级的壳聚糖微滴,并研究了该体系对paclitaxel的缓释作用。实验结果表明,在pH 7.4的磷酸盐缓冲溶液中,随着载体上所承载的药物量的增加,释放速率降低,且在8 h之内,载体上所承载的药物达到全部释放;随着壳聚糖上的氨基被硬脂酸取代的比率提高,药物的释放速率降低;随着壳聚糖硬脂酸共聚物与戊二醛交联比例的增加,药物的释放速率降低。由此说明该改性的低分子质量壳聚糖体系在药物缓释方面有很大的应用潜力。印度的K. C. Gupta等人23研究了与

36、戊二醛、乙二醛交联的壳聚糖微滴对centchroman (一种避孕药物的缓释性能,并研究了影响该体系缓释性能的因素。实验结果表明:随着壳聚糖相对分子质量的增加,在初始阶段释放的壳聚糖的量会随之增加,而这个初始阶段的释放是不可用于药物缓释的。为了避免二醛(戊二醛、乙二醛等作交联剂时对人体产生毒性,很多科学研究者尝试了很多其他的物质作为交联剂。由于壳聚糖主链上有大量的氨基,而氨基在酸溶液中会质子化而使壳聚糖带有正电荷,很多科学研究者利用该机理,寻找带有大量负电荷的阴离子作为交联剂,从而通过静电作用实现交联。K. C. Gupta等人24以磷酸六钠作为交联剂,利用该盐的阴离子带有的大量负电荷,成功地

37、与壳聚糖进行了交联,得到了壳聚糖的微滴,并研究了它对centchroman的缓释作用。实验证明,微滴上所承载的centchroman在初始阶段会大量释放,这是一个很不稳定的阶段而且不能被用于药物缓释,但通过调节pH可以降低该阶段对centchroman的释放量,从而更有效地将该药物释放出来,实现壳聚糖微滴的药物缓释作用。氨苄青霉素是一种低分子质量的抗菌药物,它的半生命周期很短,因此不利于其在人体内持续地释放。Anil K. Anal等人25以质子化的壳聚糖和Ca2+作为阳离子体,以多磷酸盐和藻酸盐作为阴离子体,利用两者之间的静电作用使其凝胶化,制备了单层和多层的凝胶微滴,研究了该体系对氨苄青霉

38、素的缓释作用。实验结果表明,制备凝胶微滴所使用的壳聚糖溶液的浓度越高,体系对氨苄青霉素的吸附率越高,而且在模拟的胃肠环境中,单层的壳聚糖-藻酸盐凝胶微滴在4 h内将其吸附的70%的氨苄青霉素释放,而多层的凝胶微滴则只会将20%30%的药物释放,故而表现出更好的缓释性能。此后,Anil K. Anal等人26又利用乳化和喷洒干燥这两种方法制备了壳聚糖和三聚磷酸钠的交联高聚物微滴,作为氨苄青霉素的缓释载体,并研究了该缓释体系在模拟的胃肠环境中的缓释性能。实验结果表明,交联之后的壳聚糖微滴的稳定性受pH的影响,而在模拟的胃肠环境中加入胃蛋白酶或者胰液素都不会影响其稳定性,而溶解酵素则会使壳聚糖微滴变

39、得易溶;壳聚糖微滴对药物的缓释受壳聚糖与三聚磷酸钠盐交联度的影响,氨苄青霉素在模拟胃肠环境中的释放时间可以延迟到8 h。以改性的壳聚糖凝胶微滴作为缓释体系,是药物缓释的一个很好的选择。然而微滴的大小往往会影响缓释效果的重复性。因此,制备出具有统一直径的微滴对于药物缓释的稳定性是很有意义的。中国科学院Lian-yan Wang等人27在普通的乳化制备壳聚糖微滴的基础上,让改性的壳聚糖溶液(水相通过一个具有统一直径的多孔玻璃膜进入油相,从而得到了具有统一直径的壳聚糖微滴,并以牛血清蛋白为研究对象,研究了该体系对蛋白质类和疫苗类药物的缓释效果。实验结果表明,在牛血清蛋白的释放初期,会有一个释放量相当

40、大的阶段,接下来,剩余的药物会以比较慢的速率释放出来,大概120 h后,壳聚糖微滴上所承载的药物全部被释放。口服药物需要克服的一个困难就是要对酶和pH的梯度变化有一定的抵抗性,这样才能在由胃到达肠系统的过程中发挥药效。Wenching Lin等人28以壳聚糖、三聚磷酸钠盐和右旋糖苷盐三者共聚,并将共聚物制备成微滴,研究了其对布洛芬的缓释效果。实验结果表明,在模拟的胃环境(pH 1.4中,布洛芬在3 h内的释放速率一直很慢,而在模拟的肠环境(pH 6.8中,几乎全部的布洛芬在6 h内就全部被释放。由此表明,壳聚糖/三聚磷酸钠盐/右旋糖苷盐的共聚物微滴可以成功地将疏水性的药物释放到肠内而避免在胃中

41、损失这些药物,故72 纤维素科学与技术第16卷而是一种很好的药物缓释体系。1.2 膜状药物缓释体系聚乙二醇是一种生物相容性很好的无毒的高聚物,它通常用于与其他聚合物混合或复合以制备用于药物缓释系统的膜材料。而据报道,聚乙二醇和壳聚糖复合制备的膜材料能促进细胞的增殖,并且不会降低细胞中蛋白质的活性。武汉大学Qun Wang等人29利用投射/溶剂蒸发法(casting/solvent evaporation制备了壳聚糖/聚乙二醇膜作为ciprofloxacin hydrochloride的缓释载体。具体方法如下:将壳聚糖和聚乙二醇分别溶解在2%的醋酸溶液及蒸馏水中,然后将两种溶液按不同比例混合以获

42、得聚乙二醇质量分数分别为2%、3.5%、5.5%和8%的溶液。再将0.2 g ciprofloxacin hydrochloride溶解在上述四种溶液中,边溶解边搅拌直至获得均相溶液。接着用超声波降解法除去溶液中的气泡,把溶液倾倒在2015 cm2的Teflon盘上。将其放入炉中恒温37,48 h。这样就得到了实验所用的缓释膜。Qun Wang 等人对制备出的缓释膜进行了形态学及机械性能的分析,并研究了影响药物缓释的各项因素:膜上壳聚糖与聚乙二醇的质量比、膜上所承载的ciprofloxacin hydrochloride的量、pH、缓释溶液的离子强度、膜的厚度、膜上所涂的藻酸钠等。实验结果表明

43、,ciprofloxacin hydrochloride的释放量会随着缓释膜中聚乙二醇的比重增加而增多,随着缓释膜上所承载的药物量的增加而减少。对于pH,在模拟的肠环境中,缓释膜的厚度从35 m增加到85 m,同时ciprofloxacin hydrochloride的浓度会从100%降低到71%。改变藻酸钠溶液的浓度会使肠环境中ciprofloxacin hydrochloride的释放量降低16%,胃环境中的释放量降低38%。根据以上的研究结果,可以通过控制以上的各项因素来实现对药物释放速度的控制。Qun Wang等人30还研究了壳聚糖/聚乙烯醇膜对牛血清蛋白的缓释作用。他们同样利用投射/

44、溶剂蒸发法(casting/solvent evaporation制备了壳聚糖/聚乙烯醇膜并使其与三聚磷酸盐交联,然后用FTIR、XRD和SEM表征了膜的特性。接着他们对该药物载体对牛血清蛋白的缓释作用进行了研究,结果表明,影响药物缓释的因素有:膜中壳聚糖与聚乙烯醇的质量比、膜上所承载的牛血清蛋白的量、pH、缓释溶液的离子强度及与三聚磷酸盐交联的时间。当膜中壳聚糖与聚乙烯醇的质量比为9010、7030、5050和3050时,牛血清蛋白的释放率分别为63.3%、72.9%、81.8%和91.8%;当膜上所承载的牛血清蛋白的量分别为0.1、0.2、0.3 g时,释放率分别为100%、81.8%和5

45、9.6%;当pH值分别为1.0、3.8、5.4和7.4时,释放率分别达到100%、100%、37.9%和7.8%;当释放溶液的离子强度分别为0.1、0.2、0.3和0.4 mol/L时,释放率分别为78.4%、82.3%、84.3%和91.7%;当膜与三聚磷酸盐的交联时间分别为0、5、15、30、60 min时,对应的释放率分别为100%、100%、81.8%、65%和43.3%。以上结果显示,壳聚糖/聚乙烯醇膜在药物缓释领域中很有发展空间。近年来,除了利用传统的投射/溶剂蒸发的方法制备药物缓释膜之外,出现了一种新的制备缓释膜的方法,即高分子电解质的层层自聚法(layer-by-layer s

46、elf-assembly。Chaoyang Wang等人31利用该法制备了壳聚糖/聚(2-烯丙酰氨基-2-甲基丙烷磺酸 poly(2-acrylamido- 2-methylpropanesulfonic acid膜,用于对消炎痛(indomethacin这种药物的缓释,并研究了体内的酶解对药物缓释的影响。膜的制备方法如下:在20 mL 1%的壳聚糖溶液中分别加入胃蛋白酶、纤维素酶、脂肪酶和溶解酵酶,然后将混合液在37保存6 h,接着用乌氏黏度计测定混合液的黏度。在混合液中加入荧光物质,然后将混合液涂在石英薄片上,向其中加入藻酸钠溶液,即可将其沉淀,再在其上面涂一层聚乙烯亚胺的水溶液。这样将壳

47、聚糖/聚(2-烯丙酰氨基-2-甲基丙烷磺酸溶液浸入沉淀溶液中沉淀,一层层反复涂上电解质溶液,即可得到实验用的缓释膜。Chaoyang Wang等人对膜进行了酶侵蚀作用的研究,考察对药物缓释的影响,他们通过测定膜上荧光度的变化来确定酶对膜的降解作用,然后用该膜包裹消炎痛制成微胶囊。实验表明,在pH为4.0的胃蛋白酶溶液中,膜的降解率最高,并且温度从20提高至60会加快膜的降解;且在pH为4.0的胃蛋白酶溶液中消炎痛的释放速率是最快的,但延长膜的保温时间可使缓释速率降低。实验证明,在胃蛋白酶溶液中存放6 h之后,膜依然可以包裹在消炎痛的外面,以实现药物缓释的作用。香精油近年来越来越多地被用作药物使

48、用,它具有提高情绪、抵抗抑郁、防虫防臭及除菌的作用。但某些精油是易爆的,当其在人体内释放时,若释放量很少,则不能达到预期的药效;若用量太多,则会引起人体的不适感。台湾的Wen-Chuan Hsieh等人32研究了通过乳化的方法将壳聚糖制成膜,包裹在香茅精油微滴的外面,从而将其制成胶囊。他们研究了壳聚糖膜中壳聚糖的浓度对香茅精油的缓释速率的影响,实验结果表明,随着壳聚糖浓度的增加,制备的壳聚糖膜中壳聚糖分子间的空隙越小,从而对香茅精油的释放速率降低。此外,他们还对壳聚糖膜进行了预热处理,结果表明,在较高温度下(80对壳聚糖膜进行热处理后,壳聚糖膜会收缩,从而使膜上壳聚糖分子间的间隙减小,故对香茅

49、精油的释放速率减慢,且预热处理的时间越久,缓释效果越好。壳聚糖除了与其它某些物质聚合或被改性之后可用于药物缓释之外,纯的壳聚糖也可以被用于药物的缓释。Kieko Saito等人33用盐酸和氢氧化钠先后处理壳聚糖的悬浊液,在此之后,壳聚糖的悬浊液即开始变成凝胶状。然后对其进行冻干处理,得到壳聚糖膜,将其剪成适当大小的碎片,并将阿霉素加到壳聚糖膜上。为了研究该药物缓释体系的性能,他们将载有阿霉素的壳聚糖碎片放入小鼠的腹腔膜上,通过定期检查小鼠的尿液、肝脏和血浆等来研究壳聚糖膜对阿霉素的缓释效果。实验结果表明,在药物放入小鼠体内的一星期后,在小鼠的尿液里发现了阿霉素,而在两星期后在小鼠的肝脏中发现了

50、阿霉素,在血液中并没有发现阿霉素,而是在两星期之后发现了阿霉素的代谢物。而没有代谢掉的壳聚糖膜可以在小鼠体内存在高达两个月,从而证明该体系可以将阿霉素的缓释时间大大延长。在“1.1”中曾介绍了以凝胶微滴的体系形式对5-氟尿嘧啶进行的缓释研究,除了将壳聚糖改性体系做成微滴外,I. M. Wl-Sherbiny等人34研究了膜体系对5-氟尿嘧啶的缓释作用。他们以戊二醛为交联剂,以壳聚糖为基体,与丙烯酰氨基乙酸共聚生成具有贯穿网络结构的共聚物水凝胶,并通过在皮氏培养皿上将其制备成膜。然后以5-氟尿嘧啶为研究对象,将其加载到制备好的膜上,研究了该体系的药物缓释效果。实验结果表明,体系对5-氟尿嘧啶在酸

51、性环境中的释放速率比在碱性环境中更快,且壳聚糖与丙烯酰氨基乙酸的交联程度也是影响缓释速度的因素。此外,Y. Zambito等人35用壳聚糖-HCl膜包裹在5-氟尿嘧啶的外部,可避免5-氟尿嘧啶在回肠和上盲肠中被水解,然后将5-氟尿嘧啶运输到下盲肠中,并缓释出来,从而发挥药效。在治疗卵巢癌的过程中,paclitaxel是一种常用药,但由于paclitaxel在人体内的作用部位会引起组织纤维症,给人体带来了不利的影响。Emmanuel A. Ho等人36将壳聚糖和卵磷脂利用物理交联的方法制备成凝胶膜,然后将壳聚糖/卵磷脂膜移植到小鼠体内,研究了该74 纤维素科学与技术第16卷凝胶膜对paclita

52、xel的缓释性能。实验结果表明,壳聚糖/卵磷脂凝胶膜对paclitaxel有很好的缓释性能,而且该缓释体系不会引起作用部位的组织纤维症。此外,壳聚糖/卵磷脂膜也可以应用到其他抗癌药物的缓释当中去。Carmen Alvarea-Lorenzo等人37利用双丙烯酰胺和戊二醛作先后的交联剂,使壳聚糖与聚(N-异丙基丙烯酰胺在无放射条件下进行交联,然后以平板玻璃为模板,制备出具有半贯穿网络体系的膜,作为双氯灭酸钠的缓释载体,并利用高灵敏度差示扫描量热法研究了各热力学参数对该体系的温度引发的相转移反应的影响。此外,实验研究还证明,膜中壳聚糖的含量与交联时所使用的戊二醛的浓度是成比例的,且膜对药物的吸附主

53、要是通过质子化的壳聚糖上的氨基与双氯灭酸钠上的羟基作用实现的。对于药物缓释,随着离子强度的增加,体系对双氯灭酸钠的释放速率增加;且壳聚糖与戊二醛的后交联程度也对药物缓释有很大的影响。1.3 纤维状药物缓释体系利用纤维作药物缓释载体,是一种新型的缓释方式。但由于传统的纤维制备技术通常涉及高温或者有机溶剂,这就使得该过程不适合蛋白质类药物的附着,因为这些强烈的外界条件会使蛋白质类药物的活性降低甚至变性。为了解决这一问题,I-Chien Liao等人38利用两种带有相反电荷的高分子聚合电解质相互作用,移出两种电解质溶液交界面的聚合物,这样就可以得到纤维。于是,他们利用壳聚糖和藻酸盐溶液相互作用,制备

54、了壳聚糖/藻酸盐纤维,并研究了该体系对不同药物的缓释性能。首先以氟美松作为非离子低分子质量药物的样品进行缓释性能研究,实验结果表明,对于这种类型的药物,虽然壳聚糖/藻酸盐纤维对其的加载效率很高,但由于在释放的初始阶段释放量很大,因此不能作为该类药物的缓释载体;以BSA作为负电荷性药物的样品,研究结果表明,壳聚糖/藻酸盐纤维在对BSA释放的初始阶段释放量也很大,但总的释放时间可达到35天,而且通过控制纤维中壳聚糖与藻酸盐的比例,可控制缓释时间;以抗生物素蛋白作为阳离子型药物的样品,研究结果表明初始阶段的大量释放可达到55%,持续释放时间可达到22天,但若向体系中加入肝磷脂,可将初始阶段的释放量降

55、低到30%左右,而持续释放时间也可达到42天。武汉大学Qun Wang等人39利用喷丝法制备了壳聚糖/淀粉纤维作为水杨酸的缓释载体,其具体方法如下:将壳聚糖溶解到2%的醋酸溶液中制备所需的壳聚糖溶液;将淀粉在高温下溶解到蒸馏水中,然后按淀粉溶液的质量分数分别为10%、30%、50%和70%配制成混合物溶液。接着过滤,并将滤出液用超声波降解直至所有气泡都消失。最后用纤维胶喷丝头将混合溶液喷到由三聚磷酸盐和乙醇配制而成的凝结浴中得到纤维。对于将水杨酸固定到载体上,则是将2 g水杨酸在蒸馏水中配成溶液,再将其与壳聚糖淀粉溶液均一混合,用同样的方法得到纤维。在制得缓释纤维后,他们利用红外光谱、X射线衍

56、射等方法对纤维的形态,机械性能进行了表征。研究还证明,该纤维的缓释性能与壳聚糖和淀粉的质量比、纤维上承载的水杨酸的量、pH及缓释溶液的离子强度等因素有关。纤维中淀粉的相对含量增多可以使水杨酸的缓释量增加;纤维上承载的水杨酸的量增加会使释放速率降低,在较低的pH和较高的离子强度条件下都可以加快释放的速率。因此可以通过控制以上的各因素来控制水杨酸的释放速率,从而实现药物缓释。1.4 粉末状药物缓释体系针对治愈肠内炎症的药物缓释系统是当前很多研究者在致力研究的。要实现药物的缓释,必须控制药物载体在人体内被降解的速度,但药物从口腔,经过胃、十二指肠、小肠直至盲肠,整个过程的pH是在不断变化的,而作为药

57、物载体的高聚物往往是对pH敏感的。为了解决这个问题,Jurairat Nunthanid等人40以5-对氨基水杨酸为研究对象,利用以下方法制备了壳聚糖/羟甲基纤维素膜:为了提高壳聚糖的溶解性,选择低分子质量的壳聚糖,将其溶解在 3.5%的醋酸溶液中,然后将溶液喷洒在入口温度为125左右的干燥器上,以获得研究所用的粉末。他们用NMR对粉末进行了表征。接着,用水压冲压机将100 mg的5-对氨基水杨酸粉末压成药片,药片的外层包裹上壳聚糖醋酸盐/羟甲基纤维素粉末,制成内外两层的药片;其中壳聚糖醋酸盐和羟甲基纤维素按照不同的质量比混合。实验结果表明,随着包裹层粉末中壳聚糖醋酸盐比重的增加,药物延迟释放

58、的时间缩短。此外,Jurairat Nunthanid等人分别用0.1 mol/L的HCl(pH 6.8、Tris-HCl(pH 5.0和醋酸盐缓冲溶液模仿胃、小肠和盲肠的pH,研究pH对药物缓释的影响。实验结果表明,随着pH升高,壳聚糖醋酸盐的溶解性降低,因而释放药物的时间也随之延长。因此,可以通过控制壳聚糖与羟甲基纤维素的质量比,以使药物可以到达盲肠而不会提前被释放,取得最佳的药效。以壳聚糖为基体的很多药物缓释体系的缓释性能受到外界的pH、离子强度及缓冲试样等条件的影响,而在人体内,pH是随着消化系统的位置而改变的。因而研究出一种不依赖于pH、离子强度、缓冲试样的药物缓释体系是很有价值的。Mamoru Fukuda等人41用热熔挤压的方法将壳聚糖和黄原胶的混合粉末制成药片,研究了该体系对扑尔敏的缓释性能。实验结果表明,与直接压缩得到的药片相比较,热熔挤压法所得到的药片在0.1 mol/L的HCl 及pH 6.8、7.4的磷酸盐缓冲溶液中都表现出良好的药物缓释性能,即使在缓冲溶液中的离子强度很大时,体系的缓释性能依然很好。此外,该体系在40的温度下储存一个月后,它的药物缓释性能与之前相比并无明显变化。2 结语以上阐述了基于壳聚糖的药物缓释载体在近几年研究中所取得的进展。本文的后续篇基于壳聚糖的先进材料. 生物传感