天然高分子生物医学材料

天然高分子生物医学材料人们对生命科学的浓厚兴趣在于人类本身就是生命．人们对生物医高分子重视与关切是因为构成人类肌体的基本物质，诸如蛋白质、核糖核酸、多糖、一些脂质都是高分子化合物；人类肌体的皮肤、肌肉、组织和器官都是由高分子化合物组成的。天然高分子材料是人类最早使用的医学材料之一。五十年代中期，由于合成高分子的大量涌现，曾使这类材料退居次要地位。然而，由于天然材料具有不可替代的优点，它的多功能性质和与生体的相容性，生物可降解性，加之对它的改性与复合，人们一直没有放弃对它的深入研究，特别是最近对杂化材料研究的需要，更显示出它的特点，成为不可缺少的重要生物医学材料之一。目前天然高分子生物医学材料主要有天然多糖类材料和天然蛋白质材料二大类。由于它们结构和组成的差异，表现出不同的性质，应用领域也不完全一样。但是，相似之处在于它们在体内很容易降解，降解产物对人体无毒且可为人体所吸收，参与人体的代谢循环，因此具有广泛的潜在用途。第一节天然多糖类材料多糖是由于许多单糖分子经失水缩聚，通过糖苷键结合而成的天然高分子化合物，多糖水解后如果只产生一种单糖则称为均聚糖如纤维素、淀粉等，最终水解产物是二种或二种以上单糖则称为杂聚糖如菊粉等。自然界广泛存在的多糖主要有：胶等。软骨素等。—葡聚糖、Ｄ—半乳聚糖、甘露聚糖等。出芽短梗孢糖等。研究较多的多糖类材料为纤维素、甲壳素和壳聚糖。一、纤维素纤维素是由Ｄ－吡喃葡萄糖经由β１，４糖苷键连结的高分子化合物，具有不同的构型和结晶形式，人们发现纤维素已经有１５０多年，但是由于它的结构复杂性，至今仍然不能说对其十分清楚。纤维素的分子呈长链状，是一种结晶性高分子化合物，不同种纤维素之间的结晶结构存在差异，天然纤维素属纤维Ｉ型，再生纤维素属纤维Ⅱ型。用强碱处理天然纤维，结晶结构发生变化，由Ｉ型变为ＩＩ型。纤维的结晶程度在不同天然纤维间也存在差异，一般来说，随着结晶程度的提高其抗张程度、硬度、密度增加，但弹性、韧性、膨润性、吸水性、化学反应性下降。精制的天然纤维素其结晶度约为７０％，丝光纤维约为４８％，再生纤维约为３８％～４０％。无定形区的纤维分子排列杂乱，因而较易进行化学反应。纤维素是一种非还原性的碳水化合物，不溶于水和一般有机溶剂，但能溶解于某些碱性溶剂和高浓度的无机酸溶液如铜胺碱、季胺碱亦可溶解于若干种盐的浓水溶液中。纤维素的每一个葡萄糖单元具有三个羟基，有８种取代的可能性，如果各羟基具有相等的反应机会，且已取代的羟基对未取代羟基不产生影响，从理论上讲基取代度可达３０。但是由于它的结晶性和Ｃ２、Ｃ３和Ｃ６的反应活性不同，其取代度一般均在０～３．０之间。纤维素在医学上最重要的用途是制造各种医用膜，这种纤维膜的制造反应包括以下三个步骤：目前再生纤维素的生产主要有以下三种技术：成可溶性络合物，然后与酸反应再生。生成黄原酸，然后与酸反应再生。干燥状态的再生纤维素膜比较脆，不易得到满意结果，因此常需加入甘油做增塑剂，由于进行了增塑和膜的湿敏性等原因故应适当保存。再生纤维素（铜珞玢）：是目前人工肾使用较多的透析膜材料，对溶质的传递，纤维素膜起到筛网和微孔壁垒作用。一种再生纤维素（铜珞玢）在临床上虽获得极大成功，然而经过长期连续使用也可能引起诸如神经障碍、色素沉积等弊端，未移除的中分子量物质在体内蓄积亦可引起病理症状和出现暂时性白细胞减少症。另一种再生纤维素的制造方法是利用醋酸纤酸素的脱乙酰化的方法进行再生。方法是将醋酸纤维素用四甲基砜增塑，再用熔融挤出法制成空心纤维，然后用氢氧化钠进行水解反应，四甲基砜在水解反应中移除并以甘油取代之。醋酸纤维素的性质主要取决于乙酰化程度，增塑剂的性质和比例，亦取决于纤维素分子的链长。醋酸纤维素膜，主要用于血透析系统全氟代酰基纤维素：用于制造膜式肺、人工心瓣膜、人工细胞膜层，各种导管、插管和分流管等。纤维素及其衍生物还可以用作载体进行多种酶的固定，微胶囊的制备和药物释放系统，齿科修补材料和止血剂。二、甲壳素与壳聚糖甲壳素的学名为１，４—２—乙酰胺基—α—脱氧—β—Ｄ葡聚糖。壳聚糖是甲壳素脱去部分乙酰基后的产物。甲壳质及壳聚糖的化学结构与纤维素十分相似，它们之间的差别在于分子长链上的每个葡萄糖单元上的C2上所接的基团，所接基团为乙酰胺基的是甲壳素，所接基团为氨基（-NH2）的是壳聚糖，而纤维素分子所接的基团为羟基（-OH）甲壳素是一种来源于动物的天然多糖，在自然界中的产量仅次于纤维素而居第二位，也是现今所发现的众多天然多糖中仅有的具有明显碱性的天然多糖。甲壳素的发现至今已有一百多年的历史，但它的发展比较缓慢。１９７７年，在美国波士顿召开第一届甲壳素／壳聚糖国际学术讨论会之后，发现具有极大的潜在应用价值和广阔的发展前景才逐渐受到人们的普遍重视。壳聚糖呈白色或灰白色，略有珍珠光泽，半透明无定形固体，约在185℃分解，不溶于水和稀碱溶液，可溶于稀有机酸和部分无机酸（盐酸），但不溶于稀硫酸、稀硝酸、稀磷酸、草酸等。壳聚糖作为溶液被存放和使用时，需处于酸性环境中但由于其缩醛结构的存在使其在酸性溶液中发生降解，溶液粘度随之下降，如果加入乙醇、甲醇、丙酮等可延缓壳聚糖溶液粘度降低，以乙醇作用最明显。壳聚糖的化学性质由于甲壳质含有羟基，壳聚糖同时含有羟基和氨基，二者可以通过酚化、羧基化、羟基化、氰化、醚化、烷化、酯化、醛亚胺化、叠氮化、成盐、螫合、水解、氧化、卤化、接枝与交联等反应生成各种不同结构和不同性能的衍生物。甲壳素和壳聚糖的制备目前工业上生产甲壳素的主要原料是虾蟹壳。甲壳素和壳聚糖的制备方法比较简单，工艺已很成熟。分析表明，虾壳和蟹壳的主要成分是碳酸钙、蛋白质、甲壳素以及少量色素，因此，甲壳素的提取过程也就是甲壳质与无机盐和粗蛋白分离的过程。1.酸脱钙：通常取粉碎的干蟹壳用质量分数为5％－10％的稀盐酸浸泡24h，盐酸溶液以浸没蟹壳为准，用清水洗涤数次，抽滤完成脱钙。2.碱脱蛋白：再用质量分数为6％－10％氢氧化钠溶液浸没除钙，然后将蟹壳用水浴加热至沸腾并保温lh左右，抽滤，滤渣用清水洗涤至中性，这一步主要是脱蛋白过程。3.脱色过程：可在紫外线作用下完成或用质量分数为0.6％的高锰酸钾浸泡10－20h，过滤，用清水洗至中性，然后用质量分数0.6％的亚硫酸氢钠漂白10－20h，过滤用清水洗涤至中性，干燥即可得到甲壳质。甲壳素和壳聚糖的制备方法比较简单，工艺已很成熟。采用虾或蟹壳，经清洗后浸酸脱钙，再用碱液脱除蛋白即得到甲壳素。如继续以浓碱去乙酰基则得到壳聚糖。壳聚糖的脱乙酰化度和分子量是其两项重要参数。另外不同原料（蟹虾壳、海蟹壳、对虾壳、河虾壳和蚕蛹）用同一方法在相同条件下制备壳聚糖，收率分别为13.6%、12.3%、10.5%、8.70%、l.8%，可见螫虾壳和海蟹壳是首选原料。此外，还可用酶法、微波法制备壳聚糖。目前甲壳低聚糖的主要制备方法是化学法、糖转移法和酶解法。化学法主要有：氟化氢降解法、酸水解法、氧化法；酶降解法有：专一性酶降解法和非专一性酶降解法。目前大多数采用化学法提取甲壳低聚糖，但此法单糖含量高低聚糖收率低，分离过程复杂，并且环境污染严重，而酶降解法工艺简单，环境污染小，并可以控制聚合度。甲壳素一般来源于甲壳类动物，因而发现其有明显的氨基酸含量，即使经过碱处理仍然有大约0.５％的氨基酸存在。但经过严格脱乙酰的处理后，由于氨基酸的可溶性，一般在壳聚糖中就不再含氨基酸，即使有也极其微量。壳聚糖的金属离子含量正在引起人们的逐渐重视，因为过高的金属对于制作医用品（例如血液透析膜）是不适宜的。甲壳素在人体的代谢途径有二：一是在溶菌酶的作用下首先分解成低聚糖，然后经一系列化学反应，一部分以二氧化碳的形式由呼吸道排出体外，另一部分则以糖蛋白的形式为人体吸收利用。代谢途径甲壳质和壳聚糖的应用壳聚糖是天然生物多糖甲壳质的脱乙酰基衍生物，其存在自由氨基，具有十分活泼的物理化学性质，由于壳聚糖具有无毒副作用、良好的生物相容性、可控的生物降解性、无抗原性等特性。因为氨基性质活泼，可用很多基团和化学物质进行修饰或连上一些促进细胞生长的细胞因子和激素等物质，因此壳聚糖及壳聚糖膜在生物医学、组织工程、药物缓释、细胞及酶的固定化等许多方面有着十分广泛的应用。尤其是近几年壳聚糖作为可降解的生物材料在组织工程研究中己引起人们的重视。此外壳聚糖在骨，肌腱、神经、皮肤和血营修复的研究中都表现出良好的应用前景。1医用纤维和膜材料用甲壳质、壳聚糖纤维制成的手术缝合线己应用于临床。与传统的羊肠线相比，用壳聚糖制成的吸收型外科手术缝合线材料柔软，易打结，机械强度高，易被机体吸收，同时不改变皮肤胶原蛋白中羟脯氨酸含量，无炎症反应，还可用常规方法消毒，增加伤口的抗张强度，加速伤口愈合。甲壳素缝线的力学性质良好，能很好地满足临床实践要求。在手术伤口愈合过程中，甲壳素缝线在体内的抗张强度逐渐下降。动物实验表明，埋植于家兔背部肌肉内１４天，其强度下降到原来的４５％，２５天后下降至７％，但在体内完全溶解的期限却比ＰＧＡ缝线长，大致需要６个月。甲壳素缝线已经具备了可吸收性缝线的基本要求，具有以下特点：漂亮；用壳聚糖制成的医用纤维膜具有均匀、透明、手感好、柔软、良好的透气性、吸水性和杀菌性等优点。中国纺织大学己成功地将壳聚糖无纺布、壳聚糖流涎膜、壳聚糖涂层纱布等多种医用敷料用于临床；其中用壳聚糖醋酸溶液制成的壳聚糖无纺布，透气透水性能极佳，用于大面积的烧、烫伤，能吸收组织渗出液，防止感染，效果很好。以甲壳质、壳聚糖为主要原料制成的人工皮肤已应用于临床，青岛海洋大学亦成功研制出新型敷料一人造皮肤，该敷料在治疗过程中对创伤无刺激、无过敏、无毒性反应，且比常规疗法的愈合速度快得多，是一种很好的治创伤敷料。2凝血作用包扎用纱布经甲壳质粉末或壳聚糖溶液处理后包扎伤口就立即止血，并有消炎作用，伤口愈合速度提高75％，伤口长好后纱布不粘连，甚至不留痕迹。用壳聚糖制成止血海绵，能够立即止血，临床效果非常好。3抗肿瘤作用甲壳素、壳聚糖及其衍生物的抑癌作用已被许多实验所证实。但关于甲壳质及其衍生物抑制癌细胞转移的机理，还没有完全清楚。据推测，甲壳质及其衍生物的癌细胞转移抑制机制并非基于免疫细胞的活化或是诱导出杀肿瘤活性，而是甲壳质及其衍生物能和血管内皮表面粘附分子相结合，封锁癌细胞对血管内皮的粘附和运动。甲壳质、壳聚糖及其衍生物能够阻碍癌症转移过程中各阶段转移性癌细胞与宿主间的相互关系，也就是说抑制接著性，移动性与渗透性等癌细胞机能，使得癌细胞无法顺利转移。甲壳质、壳聚糖及其衍生物的免疫功能已被国际所公认。壳聚糖能有效地增加巨噬细胞的吞噬功能和水解酶的活性，通过增强机体非特异性免疫系统的功能而抑制肿瘤生长。巨噬细胞激活后，除了本身的吞噬杀灭肿瘤细胞等功能增强外，又能分泌多种免疫因子调节其他细胞免疫与体液免疫。此外，壳聚糖还可显著促进脾脏细胞生成抗体的能力。4增强免疫5降低脂肪和胆固醇心、脑血管疾病，主要诱因是过量的胆固醇及其脂质在血管内壁沉积引起动脉硬化，而且血管变狭窄，血液流动不通畅或者是毛细血管壁变脆导致破裂而造成出血。为防止心、脑血管病的发生，必须调节体内胆固醇的含量。调节的途径有三条：减少吸收量；改变合成速度；加强降解和排泄。壳聚糖是聚阳离子很容易与胆汁结合并全部排除体外，大大降低了胆固醇酶的催化活性，阻碍了胆固醇的转化吸收。同时壳聚糖能聚集在带负电荷的脂肪周围，形成屏障阻碍脂肪消化酶的活化从而阻碍了脂肪的消化吸收。利用壳聚糖作为被膜材料制造微胶囊进行细胞培养和人工生物器官，是其重要的应用方面，借助于壳聚糖聚阳离子特性与海藻酸钠、羧甲基纤维素等带负电性的高分子聚阴离子反应，可制备不同形状的微胶囊，使高浓度细胞的培养成为可能。多孔质的甲壳素海绵在口腔外科领域用作拔牙创伤、囊摘除、齿科切除部的保护材料，不仅可促进创伤的愈合也容易脱除，对细菌的增殖也有一定的抑制。壳聚糖能够形成一种坚硬的、吸水性的生物