海藻酸鹽-殼聚糖復(fù)合微/納米凝膠研究進(jìn)展

李 潔,朱紅娜,周莉莉,李建法

(紹興文理學(xué)院 化學(xué)系，浙江 紹興 312000)

凝膠是由一些無機(jī)或有機(jī)高分子經(jīng)化學(xué)或物理交聯(lián)形成的聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由于聚合物功能基團(tuán)、交聯(lián)程度和相對(duì)分子質(zhì)量大小的變化，凝膠表現(xiàn)出不同的親水或疏水性、及在不同介質(zhì)環(huán)境下的收縮或膨脹能力. 利用凝膠的這些特性，可以用作藥物、蛋白質(zhì)等活性物質(zhì)的載體，從而提高活性成分的穩(wěn)定性或延長(zhǎng)其持效期. 微/納米凝膠是指粒徑為幾十納米至幾百微米之間的凝膠顆粒，它將凝膠和微/納米粒子的優(yōu)點(diǎn)有效結(jié)合在一起. 不僅可以保持凝膠的高負(fù)載能力和穩(wěn)定性，同時(shí)獲得良好的分散性和透過能力，進(jìn)而提高活性成分的生物利用率和靶向定位效果. 微/納米凝膠從結(jié)構(gòu)上可分為實(shí)心球和膠囊兩種，對(duì)活性成分的負(fù)載方式以包埋為主，另有少量表面吸附(圖1). 制備微/納米凝膠的原料很多，既有合成類的高分子如聚乙烯醇、聚異丙基丙烯酰胺等，也有天然來源高分子如海藻酸鹽、殼聚糖和纖維素衍生物. 其中海藻酸鹽和殼聚糖具有良好的生物相容性、黏附性和降解性，在藥物、蛋白質(zhì)輸送、酶固定化等領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì). 利用海藻酸鹽陰離子和殼聚糖陽離子之間的相互作用，不僅可以方便地制備復(fù)合微/納米凝膠，而且可以避免使用那些具有潛在毒害作用的交聯(lián)組分. 因此，近年來，以海藻酸鹽與殼聚糖為原料制備的微/納米凝膠引起了研究者們的廣泛興趣. 本文作者在簡(jiǎn)單介紹海藻酸鹽、殼聚糖及單一組分微/納米凝膠的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)討論兩者復(fù)合制備微/納米凝膠的研究進(jìn)展及在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景.

(A)實(shí)心球，(B)膠囊，(C)實(shí)心球表面吸附圖1 微/納米凝膠結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic structure of micro- / nano-gels

1 海藻酸鹽微/納米凝膠

海藻酸是來源于褐藻的天然多糖，是由β-(1,4)-D-甘露糖醛酸(M)和α-(1，4)-L-古羅糖醛酸(G)等兩種結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的線性共聚物. 海藻酸分子結(jié)構(gòu)中含有大量羧酸基，在堿性條件下可水解形成海藻酸鈉等水溶性海藻酸鹽，后者的性質(zhì)與其M/G兩種結(jié)構(gòu)單元的比例和分子量等密切相關(guān). 海藻酸鈉與多價(jià)金屬陽離子如鈣離子反應(yīng)時(shí)，可通過多價(jià)陽離子的橋聯(lián)作用，發(fā)生快速交聯(lián)形成具有“蛋箱”結(jié)構(gòu)的凝膠. 基于這一凝膠特性，海藻酸鹽經(jīng)常被用作藥物、蛋白質(zhì)、細(xì)胞等的載體，具有緩釋、穩(wěn)定及提高活性等多種功能[1]. 例如，利用海藻酸鹽的原位凝膠技術(shù)，可將其用于眼用或口服藥物的輸送[2-3]；將血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)包載到海藻酸鹽微球中，可以提高藥物活性，并有望用于組織修復(fù)工程[4].

自20世紀(jì)90年代，人們對(duì)海藻酸鹽納米凝膠顆粒的研究越來越多. RAJAONARIVONY等[5]采用氯化鈣和聚-L-賴氨酸做交聯(lián)劑制備了粒徑在250～850 nm的海藻酸鹽凝膠顆粒，并將其用作阿霉素的載體. AHMAD等[6]將海藻酸鹽納米凝膠顆粒用于包載抗結(jié)核藥物，可以延長(zhǎng)藥效、提高藥物活性. 與常規(guī)尺寸的凝膠顆粒相比，制備納米凝膠顆粒時(shí)所用的海藻酸鹽溶液濃度較低、黏度較小，從而獲得更好的分散性. 采用的交聯(lián)技術(shù)與常規(guī)凝膠基本相同，主要采用氯化鈣化學(xué)交聯(lián)方法. 但是，采用單一海藻酸鹽組分的微/納米凝膠機(jī)械強(qiáng)度低、尺寸和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，影響了對(duì)藥物等活性成分的緩釋效果，因此，近年來，利用海藻酸鹽與其他材料一起制備復(fù)合型微/納米凝膠受到了人們的更多關(guān)注[7-8].

2 殼聚糖微/納米凝膠

殼聚糖是甲殼素經(jīng)脫乙?；幚砗蟮漠a(chǎn)物，化學(xué)結(jié)構(gòu)是2-氨基-2-脫氧-D-葡萄糖(D-葡萄糖胺)和2-乙酰氨基-2-脫氧-D-葡萄糖(N-乙酰-D-葡萄糖胺)經(jīng)β-(1,4)-糖苷鍵位相連的共聚物，酸性條件下殼聚糖分子上的氨基質(zhì)子化，使其溶解性能大大改善，形成陽離子型的聚電解質(zhì). 因此，溶解后的殼聚糖可與陰離子型聚合物形成聚電解質(zhì)絡(luò)合物[9]，或與聚陰離子化合物如三聚磷酸鹽發(fā)生 “離子凝膠反應(yīng)”[10]. 殼聚糖無毒且具有良好的生物相容性，它可以黏附在黏膜表面，又可以穿透上皮細(xì)胞，這一系列特性使殼聚糖基凝膠成為重要的生物醫(yī)學(xué)材料[11].

制備殼聚糖微/納米凝膠顆粒最常用的方法是利用殼聚糖和三聚磷酸鹽的離子凝膠反應(yīng). CALVO等[12]將含有三聚磷酸鹽的弱堿性水溶液直接與含殼聚糖的酸性溶液在室溫下混合，由于磷酸根與殼聚糖氨基之間的靜電相互作用，導(dǎo)致殼聚糖的分子內(nèi)或分子間交聯(lián)，隨即形成粒徑在200～1 000 nm的凝膠顆粒. 該納米凝膠對(duì)牛血清白蛋白(BSA)的包載效率可達(dá)80%，連續(xù)釋放時(shí)間長(zhǎng)達(dá)1周. 離子凝膠法條件溫和、操作簡(jiǎn)便，所制備的殼聚糖納米凝膠可用于敏感藥物的輸送體系. 例如，此法制備的殼聚糖納米凝膠有助于提高胰島素在腸道中的吸收即生物利用率[13]，也可以用于寡核苷酸的口服給藥系統(tǒng)[14]及基因輸送系統(tǒng)[15]. 除了采用三聚磷酸鹽做交聯(lián)劑外，硫酸鈉、戊二醛、硫酸軟骨素[16]等也曾用作交聯(lián)劑制備殼聚糖微/納米凝膠顆粒.

另外一種制備殼聚糖微/納米凝膠的重要方法是反相膠束法. 該方法利用W/O型微乳液的良好分散作用，使反相膠束成為制備納米凝膠的微反應(yīng)器. 通常，先在有機(jī)溶劑中加入表面活性劑形成反相膠束，再緩慢加入殼聚糖溶液形成W/O型微乳液，然后再滴加交聯(lián)劑. 最后將有機(jī)溶劑和表面活性劑除去，得到粒徑在幾十納米的凝膠顆粒[17].

3 海藻酸鹽-殼聚糖復(fù)合微/納米凝膠的制備

海藻酸鹽分子鏈上含有大量的陰離子型羧酸根，而殼聚糖分子鏈上有大量的氨基，兩者分別帶正、負(fù)電荷，混合后陰、陽離子對(duì)間產(chǎn)生靜電結(jié)合，形成聚電解質(zhì)絡(luò)合物[18]. 利用殼聚糖的絡(luò)合作用可改善海藻酸鹽凝膠的致密度，不僅有利于強(qiáng)化對(duì)藥物等活性成分的緩釋作用，而且有助于改善海藻酸鹽在堿性條件下的穩(wěn)定性、防止其溶解；同時(shí)，殼聚糖自身在酸性條件下的穩(wěn)定性也得到改善. 因此，采用海藻酸鹽和殼聚糖經(jīng)適當(dāng)方式制備復(fù)合微/納米凝膠受到大家的關(guān)注[19-20].

3.1 一步交聯(lián)法

該方法利用海藻酸鹽與鈣離子的交聯(lián)反應(yīng)、海藻酸鹽與殼聚糖之間的靜電相互作用制備復(fù)合凝膠顆粒. 基本步驟是，首先將殼聚糖溶解并加入氯化鈣，形成混合交聯(lián)劑溶液，然后將海藻酸鈉溶液滴入，再經(jīng)后續(xù)干燥等過程制備凝膠顆粒. VANDENBERG等[21]將牛血清白蛋白和海藻酸鈉的混合溶液通過針孔滴入殼聚糖/氯化鈣混合溶液中，再經(jīng)抽濾和酸洗，制備了表面交聯(lián)的復(fù)合微膠囊制劑，由于未經(jīng)干燥處理，微膠囊的粒徑較大，為1 080～5 430 μm. WITTAYA-AREEKUL等[22]將皮質(zhì)類固醇藥物Prednisolone分散在海藻酸鈉溶液中，然后滴入含氯化鈣的殼聚糖溶液中，得到粒徑為1 000～2 000 μm的凝膠微球. 研究表明，凝膠粒徑大小主要與載藥量有關(guān)，而氯化鈣和殼聚糖濃度對(duì)粒徑的影響相對(duì)較小. 與分別采用氯化鈣和殼聚糖交聯(lián)相比，一步交聯(lián)得到的微凝膠有更好的黏膜黏附性，有望用于結(jié)腸定位給藥系統(tǒng). 為了制備粒徑更小的凝膠，YU等[23]將一步法制備的海藻酸鹽-殼聚糖復(fù)合珠狀凝膠，用攪拌機(jī)打碎，再經(jīng)冷凍干燥制得粒徑為100～200 μm的微凝膠. 與未經(jīng)殼聚糖處理的海藻酸鹽凝膠相比，復(fù)合凝膠可以明顯延緩對(duì)藥物的釋放.

由于滴制凝膠顆粒的大小很大程度上取決于滴孔尺寸，進(jìn)一步降低凝膠尺寸受到限制. 為此，MLADENOVSKA等[24]將包載5-氨基水楊酸(5-ASA)的海藻酸鈉溶液經(jīng)噴霧干燥器噴嘴注入殼聚糖和氯化鈣混合交聯(lián)劑中，得到粒徑<10 μm的凝膠顆粒. 經(jīng)激光共聚焦掃描顯微鏡觀察，殼聚糖主要位于顆粒外層，形成了雙層實(shí)心球結(jié)構(gòu)(圖2). DODOV等[25]則直接將海藻酸鈉溶液、氯化鈣和殼聚糖的混合交聯(lián)液等兩份溶液通過一個(gè)雙流體噴嘴直接混合后，噴霧干燥得到粒徑為6～15 μm的復(fù)合凝膠顆粒.

圖2 海藻酸鹽/殼聚糖復(fù)合凝膠的雙層結(jié)構(gòu)Fig.2 Double-layered structure of alginate/chitosan composite gel

區(qū)別于常見的通過海藻酸鹽交聯(lián)反應(yīng)制備復(fù)合凝膠，GOYCOOLEA等[26]通過對(duì)殼聚糖進(jìn)行交聯(lián)制備復(fù)合凝膠顆粒. 主要步驟包括：分別制備殼聚糖、三聚磷酸鹽和海藻酸鈉的溶液，首先將三聚磷酸鹽與海藻酸鈉溶液混合，然后再與殼聚糖溶液混合，將得到的復(fù)合凝膠顆粒離心分離，冷凍干燥后顆粒的粒徑在270～390 nm之間，且粒徑大小隨海藻酸鈉相對(duì)分子質(zhì)量和用量的提高而增大. 李國(guó)明等[27]采用乙二醇二縮水甘油醚為交聯(lián)劑，先將混有藥物的海藻酸鈉溶液均勻乳化到液體石蠟中，再加入殼聚糖和交聯(lián)劑混合液，加熱反應(yīng)，制備了粒徑在20 μm以下的復(fù)合微球，產(chǎn)品對(duì)鹽酸阿米替林具有較好的緩釋作用. 此外，在一步交聯(lián)法制備的復(fù)合微凝膠中加入納米磁粒有助于利用磁場(chǎng)調(diào)控凝膠中所含活性成分的釋放速率[28].

3.2 兩步交聯(lián)法

該方法中，海藻酸鈉溶液首先經(jīng)鈣離子交聯(lián)形成海藻酸鈉微/納米球，再與殼聚糖結(jié)合制備復(fù)合凝膠顆粒. COPPI等[29]利用噴霧干燥技術(shù)制備了包載牛血清白蛋白(BSA)的海藻酸鹽微球，平均直徑小于10 μm，然后分別經(jīng)氯化鈣溶液和殼聚糖溶液交聯(lián)得到穩(wěn)定的凝膠顆粒. 采用該方法制備的藥物顆?？勺鳛榭诜苿?，一方面減少蛋白質(zhì)藥物在胃內(nèi)的降解，另一方面可以提高藥物在腸道中的吸收. DE和ROBINSON等[30]先用氯化鈣溶液預(yù)交聯(lián)海藻酸鈉，同時(shí)超聲波震動(dòng)形成顆粒狀凝膠，后者再經(jīng)殼聚糖進(jìn)行表面處理，最后得到粒徑為300～600 nm的凝膠顆粒. 研究表明，氯化鈣、殼聚糖的用量是形成納米顆粒的關(guān)鍵，它們與海藻酸鹽的質(zhì)量比均不能超過0.1∶1，否則形成的凝膠顆粒較大.

TAQIEDDIN和AMIJI[31]以鈣離子交聯(lián)的海藻酸鹽凝膠為核，包裹殼聚糖后再用三聚磷酸鹽交聯(lián)制備了核/殼結(jié)構(gòu)的微膠囊，作為酶的固定化載體，其顆粒粒徑超過2 mm，且中心部分呈液態(tài). 邢楠等[32]則將海藻酸鈣/殼聚糖微膠囊用于包封牛血清白蛋白(BSA)，其通透性與制備微膠囊時(shí)殼聚糖的濃度有關(guān). 殼聚糖濃度越小，通透性越好. LIU等[33]則分別采用內(nèi)交聯(lián)法和外交聯(lián)法制備了海藻酸鹽-殼聚糖復(fù)合微膠囊，結(jié)果顯示，內(nèi)交聯(lián)法制備的微膠囊其殼聚糖壁層較厚，水中膨脹度較小.

BORGES等[34]則以殼聚糖為核制備了復(fù)合納米凝膠顆粒，并將其用作乙肝表面抗原的載體. 首先，在殼聚糖溶液中加入硫酸鈉得到凝膠顆粒，經(jīng)冷凍干燥后，再將凝膠顆粒分散到海藻酸鈉溶液中，最后經(jīng)氯化鈣交聯(lián)，得到粒徑為460～820 nm的復(fù)合凝膠顆粒. 與一步交聯(lián)法制備復(fù)合微/納米凝膠相比，兩步交聯(lián)法操作較為復(fù)雜，但相對(duì)容易控制復(fù)合凝膠顆粒的組成與結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改進(jìn)對(duì)藥物、蛋白質(zhì)等釋放行為的調(diào)控[35].

3.3 其他方法

除了上述兩種通過化學(xué)交聯(lián)制備海藻酸鹽-殼聚糖復(fù)合凝膠顆粒的方法外，DOUGLAS等[36]將低濃度的海藻酸鹽溶液與殼聚糖溶液以1∶1.5的質(zhì)量比混合，通過這兩種大分子之間的靜電作用，得到平均粒徑為157 nm的凝膠顆粒，用作基因載體時(shí)可提高轉(zhuǎn)染效率.

RIBEIRO等[37]采用乳化/內(nèi)部交聯(lián)技術(shù)制備了殼聚糖強(qiáng)化海藻酸鹽微球，具體步驟如下：先將海藻酸鈉分散到磷酸鹽緩沖液中，加入微晶碳酸鈣，將混合懸浮液加入到含乳化劑的液體石蠟中. 充分乳化后，加入冰醋酸使碳酸鈣溶解，同時(shí)使海藻酸鈉交聯(lián)，再用殼聚糖乳液進(jìn)行處理，得到粒徑為20～250 μm的復(fù)合凝膠顆粒.

TAO等[38]以微米級(jí)的三聚氰胺甲醛樹脂顆粒為核，利用海藻酸鹽和殼聚糖之間的靜電自組裝能力制備殼層，然后用酸將核溶出，得到粒徑在10 μm以下的凝膠殼體，該微殼體所特有的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)使它具有更好的穩(wěn)定性.

4 復(fù)合微/納米凝膠的優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用前景

海藻酸鹽-殼聚糖復(fù)合微/納米凝膠作為一種性能優(yōu)異的載體，主要應(yīng)用于藥物控制釋放、細(xì)胞和酶的固定化等多個(gè)領(lǐng)域. 與其他載體相比，該復(fù)合凝膠主要具有如下幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：1) 海藻酸鹽和殼聚糖均具有良好的生物相容性、黏附性和降解性，是安全性較高的生物材料；2) 復(fù)合凝膠具有更高的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，適用于包載更多種類的藥物，包括蛋白質(zhì)等大分子藥物；3) 殼聚糖和海藻酸鹽品種多樣，在分子量大小、取代度等方面可供選擇的余地較大，能夠滿足不同類型活性成分對(duì)載體的要求；4) 復(fù)合凝膠的微/納米尺度使其更容易分散，可提高藥物等活性成分的利用率；5) 海藻酸鹽和殼聚糖原料來源豐富，具有一定的成本優(yōu)勢(shì)；6) 復(fù)合凝膠的制備方法，如一步交聯(lián)法過程簡(jiǎn)單、條件溫和，與噴霧干燥、冷凍干燥等技術(shù)相結(jié)合，可以制備粒徑從幾十納米到上千微米的凝膠顆粒，為包載各種活性物質(zhì)提供了充分的備選方案.

鑒于海藻酸鹽-殼聚糖復(fù)合微/納米凝膠的突出優(yōu)勢(shì)，該領(lǐng)域已成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)之一. 目前，研究工作主要關(guān)注通過改進(jìn)制備方法和工藝，嘗試制備出粒徑分布均勻、外形規(guī)整并具有良好包載能力的海藻酸鈉-殼聚糖復(fù)合納米凝膠. 相信隨著對(duì)該復(fù)合凝膠結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用方面的深入研究，海藻酸鈉-殼聚糖納米凝膠將在藥物和蛋白質(zhì)輸送、酶固定等生物和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域顯示出良好的應(yīng)用前景.

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