聚乙二醇化壳聚糖的合成-正文

聚乙二醇化壳聚糖的合成11文献综述1.1壳聚糖概述壳聚糖(chitosan)是由自然界广泛存在的几丁质(chitin)经过脱乙酰作用得到的，化学名称为聚葡萄糖胺(1-4)-2-氨基-B-D葡萄糖，是甲壳素N-脱乙酰基的产物，一般而言，N-乙酰基脱去55%以上的就可称之为壳聚糖，或者说，能在1%乙酸或1%盐酸中溶解1%的脱乙酰甲壳素，这种脱乙酰甲壳素被称之为壳聚糖。结构式如图1-1：图1-1壳聚糖结构式壳聚糖是甲壳素N-脱乙酰基的产物，一般而言，N-乙酰基脱去55%以上的就可称之为壳聚糖，或者说，能在1%乙酸或1%盐酸中溶解1%的脱乙酰甲壳素，这种脱乙酰甲壳素被称之为壳聚糖。事实上，N-脱乙酰度为55%以上的甲壳素，就能在这种稀酸中溶解。作为工业品的壳聚糖，N-脱乙酰度在70%以上。N-脱乙酰度在55%~70%的是低脱乙酰度壳聚糖，70%~85%的是中脱乙酰度壳聚糖，85%~95%的是高脱乙酰度壳聚糖，95%~100%的是超高脱乙酰度壳聚糖。N-脱乙酰度100%的壳聚糖极难制备。甲壳素的每个糖基上，也许都有N-乙酰基，也许不一定都有N-乙酰基，凡是N-乙酰度在50%以下的，都被称之为甲壳素，因为它肯定不溶于上述浓度的稀酸。脱乙酰基程度(D.D)决定了大分子链上胺基(NH2)含量的多少，而且D.D增加，由于胺基质子化而使壳聚糖在稀酸溶液中带电基团增多，聚电解质电荷密度增加，其结果必将导致其结构，性质和性能上的变化，至今壳聚糖稀溶液性质方面的研究都忽略了D.D值对方程的影响。壳聚糖是甲壳质经脱乙酰反应后的产品，脱乙酰基程度(D.D)决定了大分子链上胺基(NH2)含量的多少，而且D.D增加，由于胺基质子化而使壳聚糖在稀酸溶液中带电基团增多,聚电解质电荷密度增加，其结果必将导致其结构，性质和性能上的变化，至今壳聚糖稀溶液性质方面的研究都忽略了D.D值对方程的影响。VANDUM等人[1]曾研究了不同离子强度对壳聚糖在稀溶液中的分子尺寸和粘度的影响。结果认为离子强度不同会改变无规线团的膨胀度进而改变分子尺寸和特性粘度，通过对不同D.D壳聚糖进行MARK-HOUWINK方程常数的测定，结果表明K2A值随D.D值的变化。从而由聚乙二醇化壳聚糖的合成2MARK-HOUWINK方程常数K2A有规律地依赖于壳聚糖的脱乙酰度而变化，而且在相同分子量时，随着脱乙酰度的增加,壳聚糖在稀溶液中分子尺寸，特性粘度和扩张因子等增加，而特性比和空间位阻因子随着脱乙酰度的增加而减少。从而在适用范围内的任意一个壳聚糖样品通过比较简单的特性粘度测量，即可计算其平均分子量，从而可积累一些基础数据用于进一步的研究工作。由于壳聚糖和甲壳质具有高化学反应活性并且易于被一些化学试剂修饰，因此这方面的研究工作进行的较多，也取得了可喜的成果。从而通过各种方法对壳聚糖进行了性质改良。国外通过冰冻氢氧化钠-十二烷基硫酸钠系统的简单步骤制备成功了烷基-CHITIN纤维[2]，烷基化产生了各种不同链长和体容度的烷基卤素化合物，对水或甲酸的亲合性的增加，这种亲合性的增加是由于部分分子晶体结构破坏而产生的。核磁共振的研究表明C6位置上的羟基优于C3位置被取代，同时也制备了烷基-CHITIN纤维和薄膜.这种亲合性质的改善，在以后的壳聚糖应用中有良好的价值。另外还制备出了壳聚糖多孔小珠，对重金属有螯合作用，也可以用于生物材料的固定化反应。通过碘化卤化制备了壳聚糖移植共聚物，卤化与碘化的方法主要进行壳聚糖功能集团的改造，其中碘化条件温和，并可以产生各种反应的前体。该反应易于发生在C6位值上，另外用于制备阳离子移植共聚物，其反应条件在室温和紫外光308nm处进行。对壳聚糖各种功能集团的改造还包括制备羟基壳聚糖，目前国内用甲醛和乙酸酐为交联剂，制备了以壳聚糖为母体的壳聚糖凝胶LCM-X，并对其性质进行研究。国内外关于壳聚糖凝胶的研究及应用报导指出[3]制备LCM-X既不溶于水，稀酸和碱溶液，也不溶于一般的有机溶剂，但是LCM-X是具有活性基团(NH2)的凝胶，并且具有较好的机械强度和化学性质稳定性等优良性能且不需特殊处理，即带有活性基团(NH2)，以及其母体几丁质资源丰富，价格低廉，是一种很有应用前景的生物多聚物。但是由于目前尚未找到适宜的分散剂，致使LCM-X未能形成颗粒化的产品，应用受限制，这一点有待于进一步研究解决。国内外对水凝胶的方面的研究很重视，开发新的水凝胶资源是主要的任务之一，水凝胶具有优良的生物相容性，抗凝血性，吸水溶胀性和良好的光学性能。在固定化酶，细胞分离，蛋白制备，缓释药物，较接触旋的制造以及人工脏器的研究中具有重要的作用。但是目前在国内外见详细的报导有关壳聚糖水凝胶性质的研究，国内仅对水凝胶的初步性质进行了探索，结果认为水凝胶以甲醇为成胶介质凝胶的吸胀性最强[4]。关于壳聚糖凝胶的研究有待于进一步开展。壳聚糖的生物相容性良好，在生物医学及制药等方面的应用极其广泛，可用作烧伤敷料及伤口愈合剂，包扎纱布用壳聚糖处理后，伤口愈合速度可提高75%。用壳聚糖制成的可吸收性手术缝线，机械强度高，可长期贮存，能用常规方法消毒，可染色，可掺入药剂，能被组织降解吸收，免除患者拆线的痛苦。壳聚糖能抑制胃酸和溃疡，具有降解胆固醇及三甘油脂的作用。肝素是一种带有磺酸基、羧基的极有效的抗凝血剂，硫酸聚乙二醇化壳聚糖的合成3酯化的壳聚糖在结构上与肝素相似，这种类肝素衍生物一般具有相当甚至超过肝素活性，为提供合成廉价的抗凝血剂提供了有效的途径。此外，壳聚糖还可用于制作人工肾透析膜和隐形眼镜。由壳聚糖制备出的微胶囊，是一种生物降解型的高分子膜材料，是优良且极具发展前途的医用缓释体系。壳聚糖具有高化学反应活性并且易于被一些化学试剂修饰，因此这方面的研究工作进行的较多，也取得了可喜的成果。从而通过各种方法对壳聚糖进行了性质改良。如壳聚糖多孔小珠，对重金属有螯合作用，也可以用于生物材料的固定化反应。通过碘化卤化制备了壳聚糖移植共聚物。卤化与碘化的方法主要进行壳聚糖功能集团的改造,其中碘化条件温和，并可以产生各种反应的前体。该反应易于发生在C6位值上，用于制备阳离子移植共聚物。其反应条件在室温和紫外光308nm处进行。对壳聚糖各种功能集团的改造还包括制备羟基壳聚糖。由于壳聚糖在特定的条件下，能发生水解、烷基化、酰基化、羧甲基化、磺化、硝化、卤化、氧化、还原、缩合和络合等化学反应，可生成各种具有不同性能的壳聚糖衍生物。上述反应在甲壳素和壳聚糖中引入了大的侧基，破坏了其结晶结构，因而其溶解性提高，从而扩大了壳聚糖的应用范围。1.2壳聚糖的接枝共聚壳聚糖的接枝共聚研究最早见于1973年的一篇美国专利，Slagel[5]等首先将丙烯酰胺-2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸与壳聚糖的接枝共聚物用于提高纸制品的干态度。1979年，Kojima等[6]采用三丁基硼烷(TBB)作为引发剂用于甲基丙烯酸甲酯与甲壳素的接枝共聚。1990年代以后，壳聚糖接枝共聚的研究进入蓬勃发展时期。研究开发了新的接枝单体、新的引发剂体系、新的合成技术以及可控导入大分子单体，如具有生物相容性、生物可降解性的合成大分子单体，药物载体用树枝状大分子，可控制释放且能超分子组装识别的环糊精大分子，甚至与大多数合成聚合物具有很好相容性的单分散聚烷基唑啉大分子。如果说早期的接枝共聚研究具有尝试性和科学研究的好奇性，那么这个时期的研究目标则更具理性和目的性，接枝策略也更多样化。接枝共聚是壳聚糖改性的重要方法之一，由于PEG易与壳聚糖发生交联，一般采用PEG单甲醚(mPEG)作为接枝单元，与壳聚糖或壳聚糖衍生物葡胺糖单元上的不同位置结合，即可得到多种PEG化壳聚糖衍生物，如PEG-g-壳聚糖、PEG-g-壳聚糖季铵盐等。目前的接枝共聚衍生化反应主要在壳聚糖的2-N位置和6-C位置进行。N-PEG化壳聚糖合成方法主要有两步合成法和一步合成法。两步法[7]是常用的壳聚糖接枝方法，第一步先将mPEG活化，一般可通过二甲基亚砜(DMSO)、二重稳态自由基、醇氧化酶等氧化剂将MPEG氧化为聚乙二醇醛(mPEGA)，再在酸性水溶液条件下与壳聚糖上的伯氨基反应，即可得到Ⅳ-PEG化壳聚糖。然而mPEGA的制备过程较复杂，活化程度低，且mPEGA易被氧化，反应中也难以避免醛醇聚乙二醇化壳聚糖的合成4缩合的发生。因此，Hu等改进了合成路线，先将mPEG在三苯基亚磷酸盐的作用下与碘代甲烷反应得到碘化mPEG，再与6-三苯基甲基壳聚糖接枝，脱去三苯基甲基后便可得到N-PEG化壳聚糖。该路线不需使用催化剂，且简便易行。一步反应法[7]是在甲酸溶液中，先将溶解的壳聚糖与mPEG混匀，再加入适量甲醛，壳聚糖上的氨基先与甲醛生成希夫碱中间体，再与mPEG上的羟基结合，即可得到PEG-g-壳聚糖。该方法制备简单，反应周期短，操作方便。Sugimoto[8]等认为在对壳聚糖进行改性时，有必要保留其氨基糖结构单位和大部分氨基，因此对壳聚糖6位C上的改性就显得非常重要。Makugka[9]等先用邻苯二甲酸酐在干燥的二甲基酰胺中与壳聚糖反应，使壳聚糖上的氨基得到保护，然后再通过取代反应即得到一系列mPEG衍生物，所得到的壳聚糖衍生物均为浅木兰色粉末。交联改性是壳聚糖常用的改性方法，交联可以增强壳聚糖及其衍生物的力学强度和耐酸、耐有机溶剂性能。戊二醛是壳聚糖交联改性中最常用的交联剂，然而其细胞毒性和在肠道pH值下难以溶解的性质限制了它在药物传输系统中的应用。以PEG为交联剂得到的壳聚糖共聚物，不仅安全无毒，而且其溶胀性能明显提高。Kulkarni[4]等制备了PEG-壳聚糖交联聚合物，发现在pH为7.4时，其泡胀率为130%～250%，未交联的壳聚糖在pH为7.4时泡胀率仅为100%。在pH为1.1时，PEG-壳聚糖交联聚合物泡胀率为170%～350%，壳聚糖则已经完全溶解。且当PEG的相对分子质量增加时，聚合物的泡胀率也随之增加。PEG-壳聚糖交联聚合物在不同pH值环境下均有良好的溶胀性，从而使其有潜力成为胃肠道缓释给药的载体。目前关于PEG-壳聚糖共聚物的研究较少，但其合成过程简单，可以克服PEG接枝壳聚糖共聚物的一些不足，不仅能改善其溶解性能，还赋予其一些新的功能。Ganji等以KSO为自由基引发剂制备了PEG-壳聚糖聚合物，作为新型的可注射的嵌段聚合物，该聚合物展现出良好的温敏性，在低温时该聚合物为可注射的液体，而当温度达到体温时，便转化为不透明的凝胶，便于给药。1.3PEG-g-壳聚糖特性1.3.1PEG-g-壳聚糖理化特性对壳聚糖进行化学改性，既可以改善壳聚糖的水溶性，又能赋予壳聚糖一些新的性能，常见方法有酰化、羧甲基化、巯基化、季胺化以及聚乙二醇(PEG)接枝等。Harris等[10]于1984年首先采用还原氨基化反应将PEG醛接枝到壳聚糖上的氨基，合成了PEG壳聚糖接枝共聚物。因在壳聚糖中引入亲水性的基团，破坏了壳聚糖分子链排列的规整性，削弱了壳聚糖分子链间的氢键作用，从而使溶解性能得到改善。近年来随着国内外对PEG化壳聚糖的研究逐渐深人，发现PEG修饰不仅能提高壳聚糖的溶解性，而且还可以改善壳聚糖以及壳聚糖衍生物的细胞毒性，从而使聚合物的生物相容性增加，促进聚乙二醇化壳聚糖的合成5了PEG化壳聚糖在多肽药物、基因药物传输以及生物功能材料上的应用。将PEG链引入壳聚糖分子结构，不仅增加其亲水性，还降低了结晶性，使其在两相中的性能都得到改善。Jeong[11]等制备了PEG-g-壳聚糖，并用紫外分光光度计法测定了壳聚糖，多种相对分子质量PEG-g-壳聚糖在不同pH值水溶液和不同有机溶剂中的溶解性能。结果表明，壳聚糖溶液在pH为6.0时开始出现混浊；当pH值升至7.4时，则完全析出，且不溶于DMSO、二甲基酰胺、乙醇等有机溶剂。而PEG-g-壳聚糖在pH为4.0～11.0时均可溶解，而且在DMSO、二甲基酰胺中也有良好的溶解性。Mao[12]等制备的PEG-g-N-三甲基壳聚糖(PEG-g-TMC)，即使接枝率只有10%，聚合物在pH为1～14时都可溶于水，且与PEG的相对分子质量无关，最大