殼聚糖凝膠的制備及應(yīng)用研究進(jìn)展

陳世蘭,陳 勇,周小濤,吳 瑤 (重慶科技學(xué)院化學(xué)與生物工程學(xué)院,重慶 401331)

殼聚糖凝膠的制備及應(yīng)用研究進(jìn)展

陳世蘭,陳 勇,周小濤,吳 瑤 (重慶科技學(xué)院化學(xué)與生物工程學(xué)院,重慶 401331)

介紹了殼聚糖凝膠的制備方法，闡述了殼聚糖微凝膠和殼聚大塊凝膠的類(lèi)型及其性能研究進(jìn)展,并對(duì)相關(guān)研究進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

殼聚糖；微凝膠；復(fù)合凝膠；藥物釋放

殼聚糖具有生物相容性、生物降解性,且降解產(chǎn)物無(wú)毒等特性，使其在生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域備受關(guān)注，其中有關(guān)藥物控制釋放體系的研究較多，根據(jù)不同功能需求，研究者們采用不同的方法制備了不同尺寸的殼聚糖凝膠和殼聚糖復(fù)合凝膠。在用作藥物控制釋放載體材料的研究早期，主要制備僅以殼聚糖為原料對(duì)環(huán)境pH值響應(yīng)的凝膠體系，隨著生物醫(yī)學(xué)對(duì)載體材料的功能化要求的提高及研究者對(duì)載體材料的深入研究，殼聚糖復(fù)合凝膠應(yīng)運(yùn)而生，隨之產(chǎn)生的還有對(duì)環(huán)境pH值、溫度、鹽(或鹽濃度)、磁場(chǎng)、光等產(chǎn)生響應(yīng)的多功能殼聚糖復(fù)合凝膠。為此，筆者闡述了殼聚糖凝膠的制備方法，總結(jié)分析研究現(xiàn)狀，為殼聚糖凝膠的研究提供參考。

1 殼聚糖凝膠的制備方法

1.1化學(xué)交聯(lián)法

用化學(xué)交聯(lián)法合成凝膠通常需要加入化學(xué)交聯(lián)劑,而殼聚糖的化學(xué)交聯(lián)是利用其分子骨架上的C2位氨基和C6位羥基(見(jiàn)圖1),因而殼聚糖的化學(xué)交聯(lián)劑有醛類(lèi)(如甲醛,戊二醛,乙二醛等)、京尼平(一種中藥成分,見(jiàn)圖2)[1]、乙二醇縮水甘油醚、聚乙二醇、異氰酸酯類(lèi)[2]及環(huán)氧氯丙烷等。此外,還可將殼聚糖改性,使其帶有不飽和雙鍵,再與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成交聯(lián)型聚合物。

圖1 殼聚糖結(jié)構(gòu)式

圖2 京尼平結(jié)構(gòu)式

殼聚糖衍生物大多是利用殼聚糖分子骨架上的活性基團(tuán)經(jīng)過(guò)化學(xué)改性后的產(chǎn)物,由于改性過(guò)程中活性基團(tuán)不可能完全參與反應(yīng),因而制備殼聚糖衍生物凝膠也可選用相應(yīng)交聯(lián)劑,如N-羥丙基十二烷基二甲基氯化銨改性殼聚糖可用環(huán)氧氯丙烷交聯(lián),羧甲基化殼聚糖、羥丙基化殼聚糖等可用戊二醛交聯(lián)。此外,還可以根據(jù)改性時(shí)新引入基團(tuán)的性質(zhì)選擇相應(yīng)的交聯(lián)劑。迄今,大多殼聚糖的化學(xué)交聯(lián)劑為毒性較高的醛類(lèi),若殼聚糖用作生物醫(yī)用材料,需探索交聯(lián)性能較好且無(wú)毒或低毒副作用的新型化學(xué)交聯(lián)劑。

1.2物理交聯(lián)法

物理交聯(lián)法主要包括離子交聯(lián)法和輻射交聯(lián)法。離子交聯(lián)法形成的凝膠中無(wú)共價(jià)交聯(lián)鍵橋,而輻射交聯(lián)法形成的凝膠中大多是共價(jià)交聯(lián)鍵橋。離子交聯(lián)型殼聚糖凝膠僅在極酸或極堿的條件下才解離,表現(xiàn)出更顯著的pH值響應(yīng)性。常見(jiàn)離子交聯(lián)劑有多元酐、多元酸和多元酸鹽等。易文清等[3]采用三聚磷酸鈉和六偏磷酸鈉為復(fù)合交聯(lián)劑,制備了離子交聯(lián)的殼聚糖微球,其對(duì)環(huán)境離子強(qiáng)度和pH值的改變產(chǎn)生響應(yīng),在酸性介質(zhì)中溶脹度可達(dá)到357%,且凝膠沒(méi)有任何破碎。Dambies等[4]以鉬酸鹽為交聯(lián)劑, 制備出具有薄的外層和含有小孔內(nèi)層的微球結(jié)構(gòu),為核殼結(jié)構(gòu)殼聚糖微球的合成提供了新的思路。筆者[5]曾采用檸檬酸三鈉為離子型交聯(lián)劑制備了具有核-殼結(jié)構(gòu)的殼聚糖凝膠粒。

殼聚糖為陽(yáng)離子型聚電解質(zhì),可與陰離子聚電解質(zhì)通過(guò)靜電作用形成物理交聯(lián)型凝膠。筆者[6]考察了水溶液中殼聚糖與聚甲基丙烯酸的復(fù)合作用,發(fā)現(xiàn)兩者之間的作用本質(zhì)主要為庫(kù)倫引力,并初步確定了大分子間的復(fù)合結(jié)構(gòu)模型。利用2種聚電解質(zhì)間的靜電作用合成酸性或堿性條件下均能溶脹的凝膠,有望拓展凝膠的應(yīng)用范圍。

輻射交聯(lián)法是從聚合物或單體出發(fā)合成凝膠的方法,該方法無(wú)需添加化學(xué)引發(fā)劑或其他助交聯(lián)的化學(xué)物質(zhì),輻射能量高且輻射劑量可控,因而該方法具有產(chǎn)物純凈、反應(yīng)易激發(fā)、反應(yīng)溫度低、反應(yīng)易控、操作簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)。常用的輻射方法有60Co衰變產(chǎn)生的γ-射線、高能電子束及紫外光等。

2 殼聚糖微凝膠的類(lèi)型

2.1僅以殼聚糖為基質(zhì)的微凝膠

隨著殼聚糖在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,越來(lái)越多的人進(jìn)行微膠囊及納米微球的研究,發(fā)明了許多制備殼聚糖微球的方法。何強(qiáng)芳等[7]以殼聚糖為載體, 以真空泵油和石蠟油相混合為油相，以span-80和硬脂酸鎂為復(fù)合乳化劑,通過(guò)乳液-化學(xué)交聯(lián)法制備了5-氟脲嘧啶(5-Fu)殼聚糖微球,所得微球的藥物包封率達(dá)43.6%～84.8%。在pH分別為7.4和3.9的緩沖溶液中進(jìn)行的藥物釋放試驗(yàn)表明,5-Fu與殼聚糖質(zhì)量比、交聯(lián)劑用量及釋藥介質(zhì)的pH值均對(duì)微球的釋藥速率產(chǎn)生影響，且殼聚糖與5-Fu之間有較強(qiáng)的分子間作用力,微球球形規(guī)整,分散性好。藥物分子除在合成時(shí)包埋于材料中，還可以通過(guò)被動(dòng)吸附方式擔(dān)載,避免藥物接觸有機(jī)試劑引起活性損失。Filipovic等[8]采用噴霧干燥法制備了卡馬西平/殼聚糖-羥丙基纖維素聚合物微球，發(fā)現(xiàn)微球?qū)λ幬锏陌饴屎歪尫盘卣饕蕾囉谒苽湮⑶虻木酆衔锝M成、聚合物分子量和藥物與聚合物的比例,藥物包封率低的微球較包封率高的微球能更好地控制藥物釋放。但噴霧干燥時(shí)溫度較高,不宜用于制備載藥體系。施曉文等[9]用反相懸浮交聯(lián)法制得了多孔改性殼聚糖微球,發(fā)現(xiàn)交聯(lián)劑濃度、殼聚糖與聚乙二醇(PEG2000)的重量比對(duì)微球的粒徑和孔徑有明顯影響,PEG2000用量越大則微球的粒徑和孔徑越大,但對(duì)陰離子交換容量影響不大。與牛血清蛋白(BSA)的吸附表明,交聯(lián)密度對(duì)吸附率有較大影響。Fujita等[10]將不同的肝磷脂(非抗凝血?jiǎng)?HA)加入含有乳糖的殼聚糖(殼聚糖-LA)水溶液中制得注射型殼聚糖-LA/HA微凝膠,研究了殼聚糖-LA/ HA對(duì)纖維原細(xì)胞增長(zhǎng)素(FGF-2)的固定作用，發(fā)現(xiàn)該微凝膠在皮下(老鼠體內(nèi))注射后20d后可生物降解,且在注射部位附近有新血管和含纖維組織形成。

2.2殼聚糖復(fù)合微凝膠

為改善殼聚糖微凝膠的性能(如強(qiáng)度、載藥性、響應(yīng)性等),可將其他物質(zhì)引入殼聚糖微凝膠形成殼聚糖復(fù)合微凝膠。王宏麗等[11]利用海藻酸鈉(SA)聚陰離子及殼聚糖聚陽(yáng)離子電解質(zhì)的性質(zhì),以順鉑(DDP)為模型藥,采用乳化交聯(lián)法制備SA-DDP緩釋微凝膠,根據(jù)靜電吸附原理合成SA/DDP/殼聚糖復(fù)合載藥微凝膠,微凝膠圓整,載藥微凝膠表面致密且分散性好,微凝膠粒徑在11.0～58.8μm之間,采用原子吸收分光光度計(jì)對(duì)載藥微凝膠的載藥率、藥物包封率和藥物體外釋放性質(zhì)進(jìn)行測(cè)試,發(fā)現(xiàn)使用該載藥微凝膠可減少藥物的投放量和投放次數(shù),降低了毒副作用。謝宇等[12]采用磁性Fe3O4納米顆粒為磁核,用反相懸浮聚合法制備了磁性殼聚糖復(fù)合微凝膠,考察了殼聚糖濃度、乳化劑用量、交聯(lián)劑濃度、攪拌速度等參數(shù)對(duì)殼聚糖成球的影響，并在特定試驗(yàn)條件下制得形貌光滑、粒徑為0.5～2μm的磁性殼聚糖復(fù)合微凝膠。Yan等[13]利用帶有相反電荷的殼聚糖和聚L-谷氨酸,通過(guò)層層自組裝制備聚電解質(zhì)中空微膠囊,其對(duì)疏水抗癌藥物的負(fù)載率較高且對(duì)藥物持續(xù)緩慢釋放,因而在生物醫(yī)藥領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。Chellat等[14]合成了殼聚糖/黃原膠聚電解質(zhì)微凝膠,在模擬生理介質(zhì)中考察了該微凝膠的降解行為,用高精密液相色譜以氨基葡萄糖和N-乙基-氨基葡萄糖為參比測(cè)定殼聚糖的降解程度,發(fā)現(xiàn)在培養(yǎng)時(shí)間(15d)內(nèi)降解產(chǎn)物為殼聚糖低聚物。

3 殼聚糖大塊凝膠的類(lèi)型

殼聚糖微凝膠可包覆藥劑,用于特定區(qū)域的藥物釋放,但大多藥物釋放速率較快,而殼聚糖大塊凝膠則主要用于藥物的長(zhǎng)效釋放,可避免藥物快速釋放對(duì)人體造成傷害。

3.1殼聚糖/合成大分子復(fù)合凝膠

天然高分子組成的凝膠在生物相容性、細(xì)胞控制降解、應(yīng)用安全上有潛在優(yōu)勢(shì),然而該材料穩(wěn)定性較差，而合成大分子凝膠能精確控制其功能,可供選擇的品種較多。與天然材料相比,合成材料必須嚴(yán)格控制材料中混雜的未反應(yīng)單體、小分子副產(chǎn)物等,以避免可能由此產(chǎn)生的生物不相容性和藥物的不良相互作用等問(wèn)題。Torre等[15]研究了羥氨芐青霉素三水化合物及羥氨芐青霉素鈉從殼聚糖/聚丙烯酸(PAA)凝膠中釋放的釋放行為,發(fā)現(xiàn)殼聚糖與PAA間的相互作用以及聚合物與藥物間的相互作用影響了藥物的釋放，且羥氨芐青霉素三水化合物僅隨凝膠的溶脹和消溶脹而釋放,而羥氨芐青霉素鈉與聚合物間存在離子鍵相互作用,延緩了藥物的釋放。Swami等[16]用光聚合技術(shù)(不含任何光引發(fā)劑和交聯(lián)劑)合成了殼聚糖/聚N-乙烯基吡咯烷酮(PVP)及殼聚糖/聚(N-乙烯基吡咯烷酮-co-甲基丙烯酸羥乙酯)(P(NVP-co-HEMA))的IPN凝膠,研究發(fā)現(xiàn)殼聚糖/PVP凝膠較殼聚糖/P(NVP-co-HEMA)凝膠表現(xiàn)出較高的溶脹能力及較快的藥物(茶堿)釋放速率。通過(guò)細(xì)胞增殖試驗(yàn)可知,上述凝膠具有良好的生物相容性。El-Sherbiny等[17]以2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮為光引發(fā)劑，通過(guò)輻射N(xiāo)-丙烯酰甘氨酸和殼聚糖的混合物制備溫度/pH雙重敏感的IPN凝膠,考察了凝膠在pH值為2.1和7.4的緩沖溶液中的溶脹行為(不同溫度下),并以5-Fu為模型藥物,測(cè)定上述pH環(huán)境中的釋放行為，結(jié)果顯示酸性介質(zhì)中藥物釋放速率較快。殼聚糖與合成大分子復(fù)合凝膠的性能較好，但其生物相容性及相容本質(zhì)、降解性及降解本質(zhì)商待明確。

3.2殼聚糖/天然高分子復(fù)合凝膠

用天然多糖作為藥物載體,具有生物相容性好、制備條件溫和及免疫原性低等優(yōu)點(diǎn),因而備受關(guān)注。劉群等[18]以乳化內(nèi)部凝膠化法制備了海藻酸鈉-殼聚糖微膠囊(ACM微膠囊),考察了成膜反應(yīng)過(guò)程中影響微膠囊膜強(qiáng)度的幾個(gè)主要參數(shù),初步探討了海藻酸鈉與殼聚糖2種高分子間發(fā)生聚電解質(zhì)絡(luò)合反應(yīng)的機(jī)制。李沙等[19]采用乳化膠凝法制備ACM微膠囊,通過(guò)差示掃描量熱法探討其成型機(jī)理，并以BSA為模型藥來(lái)研究微膠囊對(duì)大分子藥物的包載能力及釋藥特性，發(fā)現(xiàn)隨藥載比增加、殼聚糖濃度升高,微囊中載藥量也明顯增加。Das等[20]利用天然大分子果膠與殼聚糖形成凝膠,研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)交聯(lián)環(huán)境pH值為1.5、殼聚糖濃度為1%、果膠與藥物用量比為3∶1時(shí),殼聚糖/果膠中藥物可于腸部定位釋放。盡管由天然高分子化合物制得的載藥體系無(wú)毒副作用，但載藥體系的強(qiáng)度還有待改善。

4 結(jié) 語(yǔ)

殼聚糖凝膠的制備方法中,化學(xué)交聯(lián)法和物理交聯(lián)法各有優(yōu)缺點(diǎn),因此,可開(kāi)發(fā)能結(jié)合2種交聯(lián)方法優(yōu)勢(shì)的新型交聯(lián)體系。殼聚糖微凝膠用于載藥體系的前景較好,但其載藥量及載藥效率較低,對(duì)藥物的緩慢控制釋放能力較差，而殼聚糖與合成大分子形成載體材料的性能較好，但需明確其生物相容性及降解本質(zhì)。同時(shí)，殼聚糖與天然高分子形成的載藥體系強(qiáng)度還需提高。此外，對(duì)控制藥物釋放的載體材料的多功能化、生理毒副作用等相關(guān)問(wèn)題是今后需要重點(diǎn)研究的內(nèi)容。

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[編輯] 李啟棟

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.04.005

O636.1

A

1673-1409(2012)04-N013-04

2012-02-16

重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KJ111412)；重慶市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(CSTC,2008BB4358)。

陳世蘭(1980-),女,2003年大學(xué)畢業(yè),博士,講師,現(xiàn)主要從事智能高分子材料方面的教學(xué)與研究工作。