基于海藻酸鈉的生物醫(yī)用微球材料研究進展

吳吟秋，林禮智，陳達永，劉寶林*

（1.上海理工大學醫(yī)療器械與食品學院，上海 200093；2.北京理工大學材料學院，北京 100081；3.泰州市榕興醫(yī)療用品股份有限公司，江蘇 泰州 225321）

0　引言

海藻酸鈉（Sodium Alginate，NaAlg，簡稱AGS）是一類典型的海洋高分子材料，它是從褐藻類的海帶或馬尾藻中提取的一種多糖碳水化合物，所以有時也稱褐藻酸鈉或海帶膠和海藻膠。海藻酸鈉是由β-D-甘露糖醛酸（M）和其差向異構體α-L-古羅糖醛酸（G）經(jīng)β-1,4和α-1,4糖苷鍵連接而成的一種線型聚合物，包括由GG和MM形成的均聚物和GM形成的交替共聚物，其分子式為[C6H7O6Na]n，相對分子量在32000～200000之間[1-2]。

微球材料具有特殊尺寸與特殊結構，可應用于聚合物改性、特種涂料及粘合劑、油田助劑等方面[3]。而其在復雜應用環(huán)境中具有良好的流散性和聚集成型性能，可在醫(yī)學領域擁有良好的應用前景。近年來，利用海藻酸鈉良好的生物學性能，以及其側鏈所攜帶的羧基良好的離子交聯(lián)性能，構建微球類材料，并將其應用于醫(yī)學領域，引起了人們的關注[4]。在微球的構建方法，應用領域探索等方面已取得了大量研究成果。

1　海藻酸納微球的性能簡介

1.1　生物相容性

多聚物生物相容性的好壞是衡量其能否成功地作為人體的藥物運輸載體的重要條件之一。藥物運輸載體要求材料具有良好的生物相容性，不引起生物體的過敏，炎癥等異常反應[5]；同時生物體也不能對材料性能產(chǎn)生較大的負影響，例如降低材料強度、產(chǎn)生纖維化反應等。

到目前為止，已對海藻酸鈉的生物相容性開展了充分研究，結果表明海藻酸鈉溶液的濃度、粘度、組成等都會影響其生物相容性。其中，G段和M段的含量，材料的濃度等因素的影響作用最顯著。Klock等[6]發(fā)現(xiàn)，富含甘露糖醛酸的海藻酸鹽刺激產(chǎn)生的細胞因子較富含古羅糖醛酸的海藻酸鹽產(chǎn)生的多。因此，為避免過敏反應，在選用作為生物體內(nèi)藥物釋放載體時，就要考慮含M段少、G段多的海藻酸鹽。

對于應用于生物體的載藥微球來說，其主要功能是保護并運載藥物到達人體內(nèi)，并在患處可控的緩釋藥物以延長療效。因此，進入人體內(nèi)的微球必須具備良好的生物相容性，對人體無致癌性、無毒性，且對血液、器官、組織、免疫系統(tǒng)等沒有任何的不良影響。為了探究海藻酸鹽的生物相容性，湯德錠等[7]用海藻酸鈉/明膠/甲基丙烯酸酯復合水凝膠進行細胞培養(yǎng)并將其移植到活體動物體內(nèi)，結果顯示，細胞實驗中水凝膠中細胞的存活率在第五天后維持在80%以上，動物皮下組織在移植該水凝膠后很正常，證明了海藻酸鈉的良好生物相容性。郭歡等[8]對生物人工肝用海藻酸鈉/殼聚糖微囊進行了外細胞毒性及溶血試驗，結果顯示該微囊?guī)缀鯚o細胞毒性的極低溶血率，亦說明海藻酸鈉具有良好生物相容性。

1.2　生物粘附性

生物粘附可定義為兩個界面之間的接觸和吸附作用，其中一個界面作為生物基質(zhì)，另一個界面具有粘性表面，就會產(chǎn)生粘附現(xiàn)象。因為海藻酸鹽所帶側基為羧基，所以它被歸類為陰離子粘膜粘附物，而聚陰離子多聚物比聚陽離子或非離子多聚物能更有效地產(chǎn)生生物粘附性，因此，海藻酸納的生物粘附特性在給藥體中有著很大的潛在應用。

Chickering等[9]利用張力測試儀對海藻酸鹽黏膜粘附性進行了測試，測定了不同多聚物與腸上皮細胞間的粘附值，結果表明海藻酸鹽具有很好的粘膜粘附能力。彭中德等[10]將相同大小的海藻酸鹽敷料和云南白藥創(chuàng)口貼對新西蘭兔創(chuàng)面止血，測定二者的出血時間，亦得到海藻酸鹽粘附性更好。Kondamraj[11]在PVA中加入一定濃度的海藻酸鈉后發(fā)現(xiàn)，聚合物片劑與口腔黏膜間的路易斯酸堿作用能力增強，使得熱力學上的粘膜吸附更容易發(fā)生。

用海藻酸鈉制備的藥物載體可以直接將藥物送至腸胃或鼻咽喉黏膜等患病處，由于海藻酸鹽的粘附特性使得其可以在黏膜組織的表面粘附，借此可以延長藥物的停留釋放時間，進而達到改善藥物生物利用度。劉苗苗等[12]制備了一種新型核-殼結構海藻酸鈉凝膠球，在小分子藥物的體外釋放實驗中顯示這種新型核-殼結構海藻酸鈉凝膠球可以延長藥物釋放時間。

1.3　體內(nèi)降解特性

根據(jù)Kin等人[13]的研究，海藻酸鈉在人體內(nèi)不降解或降解的非常緩慢，而其鈣離子交聯(lián)物在體內(nèi)卻可以降解，但是降解動力學至今尚不明確。對此現(xiàn)象人們普遍認為：海藻酸鈣的降解是不可控的，主要表現(xiàn)為降解釋放出長鏈和短鏈的海藻酸鈉分子，在哺乳類動物的體內(nèi)，長鏈分子是無法被分解的。

馬文淵等[14]將海藻酸鈉凝膠植入裸鼠體內(nèi)，在術后8周獲得的組織部切片觀察到支架材料部分降解。趙昱等[15]將海藻酸鈉凝膠球復合軟骨細胞，研究其在動物體內(nèi)外的降解情況，結果表明：在體外，4周后海藻酸鈉開始溶解，6周后凝膠球正常邊界消失，溶解明顯；在體內(nèi)，1周后海藻酸鈉開始降解，2周后海藻酸鈉凝膠部分降解，4周后海藻酸鈉降解完全。

1.4　化學穩(wěn)定性

海藻酸鹽微球在酸環(huán)境中的穩(wěn)定性良好，但在堿性介質(zhì)中，海藻酸鹽微球會由于網(wǎng)格結構中的鈣離子被去除而發(fā)生降解，進而導致被包埋藥物的泄漏和海藻酸鹽多聚物的溶解。據(jù)文獻報道，海藻酸鈣凝膠在生理緩沖液中15小時后的機械強度會損失60%。而將海藻酸鈣凝膠微球置于0.1 M磷酸緩沖液中時，其會迅速膨脹，鈣離子從凝膠網(wǎng)格結構中游離下來并形成磷酸鈣沉淀，最重導致凝膠微球的整體塌陷降解[16]。此外，海藻酸鹽微球也可溶解在0.1 mol/L、pH=7.8的檸檬酸鈉溶液中[17]，因此，檸檬酸鈉溶液常被作為海藻酸鹽微球的破碎液。趙建平等[18]在用超聲方法對海藻酸鈉降解時亦發(fā)現(xiàn)海藻酸鈉在堿性環(huán)境下降解速率較快。

1.5　吸水性

海藻酸鹽交聯(lián)形成微球后，具有良好的吸水性能。微球的吸水原理既包含了以毛細吸附為主的物理吸附，又包含以化學鍵的方式把水與親水基團結合在一起的化學吸附。在吸水之前，高分子鏈（網(wǎng)）相互交聯(lián)形成空間三維網(wǎng)狀結構，形成固態(tài)網(wǎng)束，未電離出成對離子對；當遇到水時，首先是海藻酸鹽微球表面的親水基團與水分以氫鍵作用相結合，固態(tài)網(wǎng)束慢慢擴展，微球溶脹，微球內(nèi)部的親水性基團水解變成可移動的離子，隨著毛細現(xiàn)象的推移，水分子會逐漸擴散到微球內(nèi)部，因此，微球的內(nèi)部環(huán)境和外部環(huán)境形成滲透壓差，進而促進微球的繼續(xù)吸水。海藻酸鹽微球形成的內(nèi)部結構因與其反應物質(zhì)不同而不同，其內(nèi)部結構越致密，吸水性越差[19]。

2　海藻酸鹽微球的制備及性能

2.1　海藻酸鹽微球的交聯(lián)機理

因為海藻酸鹽是陰離子聚合物，容易與二價、三價陽離子形成離子鍵而固化，所以常采用陽離子（如鈣離子）固化海藻酸鹽微球。可以用于交聯(lián)的二價陽離子有Ca2+、Co2+、Zn2+、Ba2+、Fe2+，三價陽離子有Fe3+、Al3+，而Ca2+（CaCl2）是最常用的交聯(lián)劑。由于鈣離子不會對人體引起危害，因此一般都采用CaCl2為交聯(lián)劑。

Chan等[20-21]為了研究交聯(lián)機理，以異辛烷為油相，制備了W/O乳液后，添加CaCl2和ZnSO4的混合溶液并比較了不同交聯(lián)劑對制備結果的影響。他們發(fā)現(xiàn)，隨著ZnSO4比例的增加交聯(lián)度增高，微球粒徑減小，凝聚物減少，此項實驗證明CaCl2和ZnSO4與海藻酸鹽的結合能力不同，究其原因可能是Ca2+與海藻酸鹽的古羅糖醛酸的結合具有選擇性，而Zn2+沒有這一性質(zhì)，只能和更多的羧基結合。

艾文家[22]探究了海藻酸鈉與不同堿土金屬離子的的絡合機理，發(fā)現(xiàn)海藻酸鈉與Ca2+絡合呈多步驟，與“蛋盒”模型一致；與Sr2+絡合是呈三步驟，不遵循“蛋盒”模型；與Ba2+絡合時無類似“蛋盒”模型出現(xiàn)；與Mg2+不發(fā)生絡合，這是因為Mg2+加入發(fā)生了靜電屏蔽作用。

2.2　乳化-固化法制備海藻酸鹽微球

乳化-固化法是制備生物降解性高分子、天然高分子微球最常用的方法之一。一般的制備過程是：先用各種乳化方法制備成W/O型、O/W型、W/O/W型、O/W/O型乳液，然后用除去溶劑的方法使分散相固化而得到微球。

固化法又分為外部固化法（External gelation）和內(nèi)部固化法（Internal gelation），兩種方法可以得到不同的微球膜結構，但最常使用的還是較為簡單的外部固化法。外部固化法的具體操作過程如下：用注射器、玻璃滴管、噴射頭等將海藻酸鈉的水溶液滴入CaCl2溶液中，鈣離子從液滴的外部擴散進入液滴內(nèi)部，液滴的固化是逐漸從表面至內(nèi)部。表面固化的速度較快，而隨著表面的固化，鈣離子向內(nèi)擴散的速度逐漸變慢，由此導致膜的結構從外至內(nèi)并不均一。內(nèi)部固化法的具體操作過程如下：將CaCO3粉末分散于海藻酸鈉水溶液中，然后用同樣的方法將分散液滴加到酸性的水溶液中，H+將逐漸擴散到液滴內(nèi)部并于CaCO3反應形成Ca2+，Ca2+再逐漸從內(nèi)向外擴散使得海藻酸鹽固化。

黃敏等[23]分別采用外部固化法和內(nèi)部固化法制備海藻酸鈉微球，外部固化法所得微球球徑小，球體分布較均勻；內(nèi)部固化法所得微球球徑較大，克服了外部固化法微球易團聚現(xiàn)象，但微球粘連情況嚴重，固化效果不佳。

2.3　復凝聚法制備海藻酸鹽微球

復凝聚是通過兩種帶有相反電荷的高分子材料的離子間的相互作用交聯(lián)形成復合微球，因為體系接近等電點而導致溶解度降低從溶液中析出，從而形成沉淀微球。

陰離子聚合物海藻酸鹽可與陽離子聚合物通過復凝聚法形成復合微球。通常采用復凝聚法制備微球的方式有兩種：① 一步法：將海藻酸納溶液滴加到殼聚糖的乙酸水溶液中，海藻酸鈉滴液接觸到殼聚糖后固化；② 兩步法：先用鈣離子交聯(lián)法制得海藻酸鈣微球后，再將海藻酸鈣微球加入乙酸溶解的殼聚糖水溶液中，使其表面剩余的羧基與瓊脂糖復合。與一步法相比，兩步法制備得到的微球結構更穩(wěn)定，更適合于實際應用。

G?ser?d等[24]比較了以上兩種方法，發(fā)現(xiàn)方法①能合成0.015 μg/mm2的殼聚糖/海藻酸鈉復合微球，而方法②能合成 2μg/mm2的殼聚糖/海藻酸鈉復合微球，實驗結果說明，方法②由于鈣離子的固化作用使微球的孔隙率較高，利于殼聚糖更多地滲透到內(nèi)部與海藻酸鈉復合，最大復合比可達0.4。

金言[25]以凝聚產(chǎn)率和掃描電鏡的微觀結構形態(tài)為指標，通過正交試驗法篩選出復凝聚法制備海藻酸鈉-殼聚糖復合微球的最佳制備工藝條件，通過極差分析和方差分析得出pH和溫度是顯著影響因素。

用復凝聚法制備載藥微球的時候，藥物的包埋率和藥物的釋放速率與兩種聚合物的濃度和交聯(lián)劑的用量相關，藥物釋放速率隨聚合物的濃度和交聯(lián)劑的增加而減緩。微球的粒徑則與攪拌速率和聚合物的濃度有關，隨著聚合物濃度增加而增加，隨著攪拌速率增加而減小。

2.4　噴霧干燥法制備海藻酸鹽微球

噴霧干燥法首先把要包埋的藥物分散在聚合物溶液中，再利用噴槍將上述混合溶液噴入高溫惰性氣流中，待液滴中的溶劑迅速蒸發(fā)后，得到包埋藥物的粉狀制品。用噴霧干燥法制備的微球粒徑一般在10～100 μm，但噴頭直徑、聚合物濃度、噴霧溫度、噴霧速度、干燥溫度、氣體流速等影響均會影響到微球的粒徑、包埋率、藥物釋放行為等。此外，由于該方法制備的微球需要經(jīng)歷收縮、膨脹、破裂等復雜形態(tài)變化，極易破壞微球的形狀規(guī)則性，并且熱的干燥氣流也對暴露在球外的藥物活性產(chǎn)生不利的影響，且制得的微球?qū)λ幬锏陌饴瘦^低，因此比較適合對性質(zhì)穩(wěn)定的藥物進行包埋。但是該方法易于放大，生產(chǎn)強度大、設備安全性高，極易進行工業(yè)化批量生產(chǎn)。

張杰等[26]采用噴霧干燥法制備了海藻酸鈣微球，并通過優(yōu)化微球的平均粒徑和對牛血清蛋白（BSA）包埋率等制備參數(shù)，獲得了平均粒徑70 μm左右、符合正態(tài)分布、球形度好的海藻酸鈣微球，其對BSA的包埋率大于60%、載藥率達到8%以上。

房正鄒[27]以海藻酸鈉和硫酸鈉混合液作為噴出液，氯化鋇溶液作為接收液，通過靜電噴霧法一步合成含有硫酸鋇的海藻酸鈉微球（AB微球）；后經(jīng)殼聚糖一次包覆與海藻酸二次包覆后，由檸檬酸鈉液化獲得CA-B微膠囊。通過浸入模擬胃酸環(huán)境與模擬腸液環(huán)境，結果顯示CA-B微膠囊對雙歧桿菌的保護作用大于AB微球，且經(jīng)CA-B微膠囊包覆的雙歧桿菌的腸靶向性優(yōu)于AB微球包覆的雙歧桿菌。

3　海藻酸鈉微球的應用

海藻酸鈉微球由于具有良好的生物相容性、生物可降解性和親水性能，具有廣泛的應用價值。

3.1　海藻酸鈉微球在栓塞治療中的應用

海藻酸鈉微球可克服傳統(tǒng)栓塞劑碘化油流失缺陷，能高效增強栓塞血管的效應，在栓塞治療中可大大提高其療效[28]。將粒徑大于12μm的微球直接注射到癌變部位的動脈血管內(nèi)，微球會隨著血液流動而阻塞在癌變部位的毛細血管中，甚至可以暫時栓塞小動脈，如此一來，既使腫瘤立即處于缺血狀態(tài)，切斷了腫瘤細胞的營養(yǎng)補給，又可使載藥微球滯留在病變部位，實現(xiàn)藥物的有效作用。

陳威等[29]將海藻酸鈉微球與碘化油分別介入治療轉(zhuǎn)移性肝癌患者，術后復查顯示海藻酸鹽微球介入的總有效率與獲益率均高于碘化油，隨訪1年結果顯示海藻酸鈉微球組患者術后9個月及12個月的生存期分別為100%和95%，說明海藻酸鈉微球經(jīng)肝動脈化療栓塞是安全、有效的介入治療手段。劉景峰等[30]在研究海藻酸鈉微球在原發(fā)性肝細胞肝癌經(jīng)皮肝動脈化療栓塞（TACE）治療中應用的效果及安全性時，發(fā)現(xiàn)海藻酸鈉微球作為栓塞劑用于原發(fā)性肝細胞肝癌TACE治療，可提高患者遠期療效，且安全性較好。黃德佳等[31]研究了海藻酸鈉微球在肝動脈化療栓塞治療中晚期原發(fā)性肝癌中的療效時得出，將海藻酸鈉微球用于肝動脈化療栓塞術中治療原發(fā)性肝癌安全性高，患者耐受良好，與明膠海綿顆粒比較，可獲得更加優(yōu)異的近期及遠期療效。

此外，海藻酸鹽微球栓塞劑還可應用于子宮肌瘤治療。楊彥粉[32]在探究不同栓塞劑在癥狀性子宮肌瘤治療中的應用時發(fā)現(xiàn)，海藻酸鈉微球在子宮動脈介入治療子宮肌瘤中有明顯效果且對卵巢功能無影響，在術中應用海藻酸鈉微球更好，因為相較于其他栓塞劑，海藻酸鈉微球形狀更規(guī)則。海藻酸鈉微球應用于子宮腫瘤治療時，將500～700 μm、700～900 μm的海藻酸鈉微球混用比單用500～700 μm治療效果更好[33]。

3.2　海藻酸鈉微球作為藥物緩釋載體的應用

海藻酸鈉作為天然高分子多糖，具有良好的生物相容性和一定的免疫佐劑作用。因此，海藻酸鈉微球及其與其他高分子形成的復合微球可以成為DNA疫苗、蛋白質(zhì)類生物大分子的載體制備成靶向性藥劑，并保護其免受胃酸環(huán)境的影響，從而達到提高運作效率、增強免疫效果的目的，因此，海藻酸鈉在這一領域具有廣闊的發(fā)展應用前景[34-37]。楊繼慶[38]成功制備了基于海藻酸鹽凝膠包埋法的固定化酶反應器，且該固定化酶重現(xiàn)性好、穩(wěn)定性高。

與此同時，海藻酸鈉因其血液相容性和體內(nèi)可降解的特性而成為靶向藥劑的良好載體材料?？梢酝ㄟ^將磁性粒子加入到載藥微球中，利用體外的磁場作用來控制體內(nèi)藥物的定向移動以達到定位治療的效果。Ciofani等[39]人的研究發(fā)現(xiàn)，裝載了神經(jīng)生長因子的磁靶向海藻酸鈉微球可以誘導神經(jīng)細胞PC12體外分化，促進細胞沿微球排布生長。另外，還可以用過在制備的微球上裝飾靶向性的因子或藥物來實現(xiàn)靶向性治療的目的。李培培等[40]以海藻酸鈉、魔芋葡甘聚糖共混體系為載體材料，制備黃連素結腸靶向凝膠微球,并考察其體外釋藥性。結果顯示該工藝制得的凝膠微球載藥量和包封率均較高，藥物在人工胃液、小腸液中僅有少量釋放，在人工結腸液中2 h釋放完全，具有良好的結腸靶向釋藥性能。張闖年等[41]將具有肝靶向性的分子甘草次酸偶聯(lián)在海藻酸鈉上，制備了裝載抗癌藥物阿霉素的肝靶向性納米粒，實驗結構表明，甘草次酸-海藻酸鈉載藥納米微球在體外模擬生理條件，藥物可持續(xù)釋放20天，并對7703肝癌細胞具有明顯的殺傷作用。

3.3　海藻酸鈉微球的其它應用

海藻酸鈉微球良好的性能使其在細胞移植、免疫檢測等方面具有良好的應用前景。郭曉霞等[42]發(fā)現(xiàn)，在卵巢細胞微囊移植過程中，海藻酸/多聚賴氨酸/海藻酸鈉微球，這是因為微球可以在微囊化卵巢細胞和小鼠間提供一個屏障。李青[43]制備了免疫磁性海藻酸鈉復合微球，并以此建立了肺癌細胞磁性富集與檢測系統(tǒng)，此檢測系統(tǒng)比單純的免疫細胞化學檢測技術檢出率高。

此外，海藻酸鈉微球還制備抗感染復合材料[44]，其改性微球可應用于金屬回收、環(huán)保等領域[45-46]。

4　結論與展望

海藻酸鹽為陰離子聚合物，具有良好的生物相容性和生物粘附性，可與二價陽離子交聯(lián)，采用乳化-固化法、噴霧干燥法、復凝聚法可制成海藻酸鹽微球及其復合微球，這些基于海藻酸鈉的微球材料具有一定的化學穩(wěn)定性、高吸水性、良好的生物相容性和生物可降解性，可應用于藥物緩釋載體、靶向藥劑載體、細胞移植等領域中，且具有良好的應用前景。