多糖类生物医用材料_甲壳素和壳聚糖的研究及应用

:黄光佛(1947年-),副教授,长期从事有机化学、生物化学等教学科研工作,发表论文多篇;*通信联系人。)黄光佛,卿胜波,李盛彪,黄世强*(,430062):对甲壳素和壳聚糖的制备工艺,结构与性质以及其在固定化酶、药物控释载体、絮凝剂、吸附剂、医用敷料等方面的应用进行了综述。:多糖;生物医用材料;甲壳素;壳聚糖生物材料(Biomaterials)是一种植入生体活系统内或与活系统相结合,但又不与生体起药理反应的材料。由于生物材料主要以医疗为目的,它又被称为生物医用材料(BiomedicalMaterials)。作为生物医用材料之一的生物医用高分子材料是在活体这个特殊环境中使用的材料,因此要求它有优良的生物相容性(即血液相容性、组织相容性和免疫性)、医疗功能等特性。多糖是所有生命有机体的重要组分,在控制细胞分裂和分化、调节细胞生长和衰老以及维持生命有机体的正常代谢等方面有重要作用。同时,多糖也具备上述作为生物医用材料的基本要求,能够在生物体中酶解成易被活体吸收、无毒副作用的小分子物质,不会残留在活体内,是一类生物降解吸收型高分子材料(Bio2absorbablePolymers)。作为一类重要的生物高分子化合物,多糖却长期未受到重视,发展较蛋白质、核酸晚得多。自80年代以来,国外形成了甲壳素(Chitin)、壳聚糖(Chitosan,CS)等多糖类生物医用材料的开发研究热潮。进入90年代,我国对甲壳素和壳聚糖资源的开发研究也越来越重视。甲壳素、壳聚糖等天然高分子在固定化酶、药物控释载体、絮凝剂、人工透析膜、吸收缝合线、伤口涂敷料、人造皮肤等生物医药方面已有广泛应用,本文拟对此方面的工作进行扼要介绍。1制备工艺111甲壳素广泛存在于虾、蟹和昆虫等节肢动物的外壳和菌、藻类等低等植物的细胞壁中,是自然界中最为丰富的生物高分子之一。蟹、虾、昆虫等甲壳中的无机组分主要为碳酸钙,有机组分主要为蛋白质和甲壳素。因此,由它们制取甲壳素实质上为这三者的分离。采用先碱浸、后酸浸的循环浸泡方法,可以减少酸碱用量,加快反应速度[1]。彭立凤[2]对制备进展进行了较为详细地介绍。11211211壳聚糖的制备壳聚糖是由甲壳素经脱乙酰化转变而来的。将甲壳素浸入一定温度,浓度为40%~50%的氢氧化钠溶液中,在氮气中,浸泡若干小时进行非均相脱乙酰基反应,然后过滤,热水冲洗至中性,干燥后得到白色片状壳聚糖[3]。壳聚糖粗品还可制成精制壳聚糖[4、5]。按反应程度的不同,得到不同脱乙酰度(D1D)的壳聚糖,脱乙酰度越高,则分子量越低[6]。研究发现,脱乙酰度随反应时间的增加,开始增加很快,随后趋于缓慢。在相同条件下,小碎片的脱乙酰速率较快,大#43#第3期高分子通报碎片的则较慢[7]。非均相下脱乙酰化得到的壳聚糖的脱乙酰化度一般在80%左右,产品既不溶于水也不溶于稀酸。如果进行均相脱乙酰化反应,则可得到脱乙酰化度50%左右且能溶于水的壳聚糖[8]。Kurita等[9]用均一法和非均一法两种水解法制得同一脱乙酰度的甲壳素产品,其结构和性质都不尽相同。研究发现,用螯虾壳、河虾壳、对虾壳、海蟹壳和蚕蛹壳制备壳聚糖的收率和粘均分子量差异较大(见表1)。螯虾壳收率最高,而且螯虾壳中甲壳素的分子量最大,是制备高分子量壳聚糖的理想材料[10]。1样品收率P%脱乙酰化度P%1*2*[G]P(mL.g-1)ŠMn@10-5螯虾壳1316791477129651218河虾壳817771178148011115海蟹壳1213801078138171016对虾壳101578168014709916蚕蛹壳118761076116019111*采用电位滴定法测试,2*采用IR法测试。11212壳聚糖微球的制备张所信等[11、12]制备了毫米级实心及中空壳聚糖球粒,将其用于A2淀粉酶和糖化酶的固定化。李湛勇[13]采用反相悬浮法聚合制备了壳聚糖微球,并将它用于乙型肝炎表面抗原的吸附。丁明等[14]利用液体石蜡作有机分散介质,甲醛、戊二醛作交联剂,通过反相悬浮交联法制备了窄分布微球,其将在生物医用等领域得到更大的应用。11213壳聚糖膜的制备甲壳素和壳聚糖容易制成膜。从蟹壳、蚕蛹壳中和乌龟骨中提取出甲壳素,经纯甲酸溶解后成膜。随着制膜温度的升高,其结晶度降低。不同来源的甲壳素在相同的条件下溶解成膜后,得到的X射线衍射峰基本相同,表明其晶体结构相同,只是晶体畸变程度略有不同。由壳聚糖浇注成的有柔性的无色透明膜具有良好的粘附性、通透性及一定的抗拉强度。湿膜的抗拉强度随脱乙酰度的增加而明显增强(干膜则无明显增加),若与聚乙烯醇混合制膜,并进行热处理时,膜的抗拉强度大大提高,甚至超过纤维素膜。含有添加剂(如甘油、聚乙二醇等)的膜,有较低的耐湿性和较高的通透性。壳聚糖和丝心蛋白之间存在着较强的氢键相互作用,合金膜基本相容,在丝心蛋白中共混一定量的壳聚糖可以改善其吸水性和机械性能[15]。2结构与性质甲壳素是N2乙酰基2D2葡萄糖胺通过B21,42甙键相连的直链状氨基多糖,其化学名为(1,4)222乙酰氨基222脱氧2B2D2葡萄糖,也称为聚(N2乙酰基2D2葡糖胺)。结构式为:甲壳素为白色半透明的片状固体,由于分子间存在)O,H)O)型和)O,H)N)型强氢键作用,大分子之间存在有序结构,因晶态结构不同,有A、B、C三种多晶物。它于270e左右分解,几#44#高分子通报2001年6月乎不溶于水、稀酸、稀碱和其它有机溶剂,可溶于浓盐酸、硫酸、78%~97%的磷酸以及无水甲酸。甲壳素在碱性条件下水解,脱去部分乙酰基后就转变成壳聚糖,其化学名为:聚(1,4)222氨基222脱氧2B2D2葡萄糖,结构式为:壳聚糖为半透明、略有珍珠光泽的片状固体,约185e分解,不溶于水和碱。因分子中有)NH2基,呈碱性,可溶于矿酸、有机酸以及弱稀酸中,形成粘性溶液。根据产品粘度不同,可将其分为高粘度(粘度大于1Pa#S的1%壳聚糖醋酸溶液)、中粘度(粘度在011~012Pa#S之间的1%壳聚糖醋酸溶液)、低粘度(粘度在01025~0105Pa#S之间的1%壳聚糖醋酸溶液)三大类。甲壳素经脱乙酰化处理得到的壳聚糖的分子量通常在几十万左右,因其不溶于水,限制了它在许多方面的应用。壳聚糖在适当条件下经酶降解[16]、无机酸降解和氧化降解[17]等方法解聚,可获得分子量较低的水溶性产物。此外,利用壳聚糖分子结构中的氨基或羟基的反应活性,在其大分子链上引进亲水基团,可以改善壳聚糖的水溶性。最近发现,通过引入C2、C4、C8烷基取代基,削弱壳聚糖分子间的氢键作用,也能够改善其溶解性能,并且能够降低正电性,抗凝血性能随烷基取代基的增长而得以改善[18]。通过控制甲壳素脱乙酰化反应的条件和脱乙酰度,也可制备水溶性壳聚糖。随脱乙酰基程度的提高,壳聚糖膜亲水性增加后,血液相容性也有所改善,当D1D值达90%时,表现出较好的血液相容性[19]。D1D值增加,由于氨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,其结果必将导致壳聚糖结构、性质和性能上的变化。Mark2Hou2wink方程常数K和a有规律地依壳聚糖的脱乙酰度而变化(如表2)。当分子量相同时,随D1D值的增加,壳聚糖在稀溶液中的分子尺寸、特性粘数([G])和扩张因子(AG)等增加,而特性比(C])和空间位阻因子(R)随脱乙酰度的增加而减少[20]。2D1Dk2aD1D%(wt)K@10-3(mL#g-1)a690110411128411424019691615890188100161800181VanDuin等人[21]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,发现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数。蒋文华等[22]通过研究壳聚糖在强电解质中的稀溶液粘度发现,壳聚糖的特性粘度与外加盐的离子强度的平方根的倒数成正比,壳聚糖分子链的僵硬性参数B值为01074,即壳聚糖具有较大的分子链刚性和抗盐性能。3应用31160年代后期酶的固定化迅速发展起来。酶的固定化技术就是通过物理或化学的方法将酶束缚在一定的区间内,制成仍具有催化活性的酶的衍生物,固定化酶比游离酶具有诸多方面的优#45#第3期高分子通报点[23]。甲壳素和壳聚糖及其衍生物在酶的固定化方面的应用日益受到人们的重视,在日本,以甲壳素和壳聚糖及其衍生物作为固定化酶载体的技术已进入实际应用阶段[24],国内在这方面也开展了广泛而深入的研究。L2天门冬酰胺酶(EC3151111)能专一地催化水解L2天门冬酰胺,形成天门氨酸和氨,而L2天门冬酰胺是某些敏感肿瘤细胞代谢链上的一个环节,一旦破坏,将影响肿瘤细胞的氨基酸、蛋白质合成,从而抑制肿瘤的生长。但直接使用该酶会产生严重的副作用。为了克服天然酶针剂出现的抗原2抗体反应,它被制成用各种载体固定的固定化酶。壳聚糖是一种天然氨基多糖,可在室温下凝胶化,在磷酸盐缓冲液Na+、K+、Mg2+离子存在下稳定,对热亦稳定,可得高密度、高活性固定化酶,是较理想的载体材料之一。它作为固定化酶载体,具有原料易得、价格低廉、机械性能良好、化学性能稳定、固定化酶效率高等优点[25]。壳聚糖固定化酶采用简单吸附法[26]、凝胶包埋法[27]、戊二醛交联法[28]等方法制备。Hirano[29]研究了壳聚糖及其N2乙烯基、N2羟基、N2巯基酰基衍生物形成凝胶的机理,并用于固定化酶。采用戊二醛为交联剂,酶能够通过化学键与载体结合,并且其操作稳定性也较前面两者有所提高,因而在研究中受到广泛重视。近年来发现以甲醛活化的壳聚糖为载体进行固定化酶,其活力回收可达113%,比用戊二醛作交联剂进行固定化的活力回收高出5倍多。但其稳定性并不理想,经过5次连续反应后,其活力仅为原来的10%[30]。而先交联制备可溶胀的壳聚糖载体微球,然后将模型高分子药物以被动吸附方式提载在溶胀的微球内,制备缓释高分子药物微球,可以避免高分子药物接触有机试剂引起的活性损失[31]。将壳聚糖微球应用于固定化L2天门冬酰胺酶,可以较好地吸附它,其固定化酶的活力回收率也较高,且稳定性得到提高[32、33]。312药物控释系统自70年代以来引起了人们的广泛兴趣。一般来说药物载体是由高分子材料充当的,其中包括天然高分子材料。Yoshiaki等[34]用直接压片法制备了阿斯匹林P壳聚糖缓释片剂。曹宗顺[35]制备了尼莫地平P甲壳素片剂,研究表明甲壳素也具有一定的缓释作用,是一种很好的片剂辅料。壳聚糖具有独特的聚阳离子特性,可以与海藻酸钠(聚阴离子)通过静电相互作用,在海藻酸钠微囊表面复合一层聚电解质半透膜,从而提高微囊的稳定性和载药量,并可调节药物释放速度。微囊中壳聚糖含量越多,其对海藻酸钠的缓释作用越强,而且在pH114的缓冲液中缓释作用明显大于pH7.2的缓冲液,此研究结果可用于对胃刺激性大的药物的剂型设计[36]。舒晓正等[27]用乳化法制备了粒径小于200Lm可注射用壳聚糖2海藻酸钠微囊,在壳聚糖P海藻酸钠微囊表面复合的牛血清蛋白持续释放时间从几小时延长到半个月以上。此外,以壳聚糖和羧甲基纤维素钠为主要辅料,采用复凝法和乳液相分离法相结合的工艺,可以制备水溶性药物头孢氨苄的缓释微囊[38]。以壳聚糖和合成高分子为原料,可以制成敏感性水凝胶。它是一种亲水性但不溶于水的高分子交联网络(Semi2IPN),具有感知环境(如pH、离子强度、温度、光场、电场等)细微变化的能力,并通过体积的溶胀和收缩来响应这些来自外界刺激的功能,同时水凝胶吸水后还具有生物材料/软而湿0的形态。Semi2IPN内的次价键(如静电相互作用、氢键等)可以随环境可逆地生成和断裂,从而导致Semi2IPN的溶胀体积发生不连续变化。李文俊等人[39]以壳聚糖及聚丙烯酸(PAA)为原料,制成了一种以聚电解质CSPPAA为基础的Semi2IPN水凝胶膜。实验证明,该水凝胶膜不仅对pH值变化非常敏感,而且对离子也显示出特殊的刺激响应性,这些功能为其在药物释放体系等方面的应用提供了可能。#46#高分子通报2001年6月313[40]