芳香化殼聚糖衍生物的合成與醫(yī)藥學(xué)應(yīng)用*

王康銳, 方 英, 蔣 姝, 肖玉玲, 黃承洪

(1.重慶科技學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院,重慶 401331； 2.重慶輕工職業(yè)學(xué)院 藥學(xué)與護(hù)理系,重慶 400065)

0 引 言

殼聚糖是一種天然的陽離子多糖,是生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的理想材料[1,2]。但是殼聚糖分子間強(qiáng)有力的氫鍵,使得殼聚糖的溶解性極差,極大地限制了殼聚糖的應(yīng)用,因此對其改性處理很有必要。通常提升殼聚糖溶解性會采用酰基化、烷基化、醚化、季銨化、接枝共聚與交聯(lián)等改性方法[3～7],以提高應(yīng)用價值。在改性處理中,以苯為代表的芳香性物質(zhì),固然能改善溶解性,更為重要的是，芳香性物質(zhì)本身具有抗氧化性、熒光性、光敏性等特點[8],會賦予殼聚糖某些新的功能,即芳香性物質(zhì)接枝殼聚糖后,以及通過工藝優(yōu)化,使得新材料優(yōu)點更加明顯,極大地促進(jìn)了殼聚糖材料的研發(fā)和應(yīng)用。

本文就典型芳香化殼聚糖衍生物材料的合成方法、工藝方法及醫(yī)藥學(xué)領(lǐng)域的典型應(yīng)用進(jìn)行了歸納和總結(jié)。

1 芳香化殼聚糖衍生物的合成

1.1 苯化殼聚糖衍生物

芳香性的鄰苯二甲酸酐保護(hù)殼聚糖的氨基是制備各種殼聚糖衍生物的最常用技術(shù)[9]。Gu C等人[10]將5 mmol殼聚糖、14 mmol鄰苯二甲酸酐溶解在N,N—二甲基甲酰胺溶液中,在氮氣保護(hù)條件下,120 ℃攪拌反應(yīng)8 h,然后分離、干燥得到N—鄰苯二甲酰殼聚糖。該方法使N—鄰苯二甲酰殼聚糖在極性有機(jī)溶劑中具有較高的溶解度,另外殼聚糖C2氨基被保護(hù)后,極大地擴(kuò)展了殼聚糖C6羥基化學(xué)修飾范圍。Lin W J等人[11]將聚乙二醇單甲醚碘化后與N—鄰苯二甲酰殼聚糖反應(yīng),再以水合肼去除鄰苯二甲酸酐,并接枝乳糖酸得到N—乳糖酸—O—聚乙二醇化殼聚糖。由于引入乳糖含有較多的羥基基團(tuán),溶解性明顯提升。

鄰苯二甲酸酐保護(hù)殼聚糖的反應(yīng)溫度較高,并且需要氮氣作為保護(hù)氣,使得實驗較為復(fù)雜。在以苯甲醛為代表的芳香醛中,在較溫和的條件下進(jìn)行席夫堿反應(yīng),節(jié)省了成本,提高了效率,使得殼聚糖的氨基得以保護(hù)或改性。Mardani H R等人[12]將1.3 g殼聚糖溶于醋酸溶液中,緩慢滴加5 g/10 mL苯甲醛的乙醇溶液,在70 ℃攪拌反應(yīng)3 h。過濾、干燥得黃色粉末狀的殼聚糖席夫堿。Chen Q等人[13]將殼聚糖與苯甲醛反應(yīng)形成席夫堿中間體,再與溴乙烷反應(yīng),合成了N—芐基—N,N—二乙基季銨化殼聚糖材料,該材料在水和有機(jī)溶劑中有優(yōu)異的溶解性。

以上是殼聚糖與苯醛衍生物直接嫁接的形式,另一種常見的方式是芳香酸與殼聚糖通過酰胺鍵進(jìn)行偶聯(lián)。該方法通常會使用1—乙基—3—(3—二甲基氨基丙基)碳酰二亞胺(EDC)作為偶聯(lián)劑。例如Wang X Y等人[14]將0.31 mmol水楊酸和EDC溶解在乙醇中,在常溫、攪拌下滴入殼寡糖0.62 mmol(NH2)的水溶液,反應(yīng)53 h,通過透析和凍干得到產(chǎn)物。Khalili S T等人[15]將苯甲酸通過介導(dǎo)法與殼聚糖反應(yīng)制備苯甲酸化殼聚糖納米凝膠,尺寸約89 nm,該材料包封的精油在密封條件下最好,其最低抑菌濃度為300 mg/L。另外,通過介導(dǎo)法接枝殼聚糖的還有咖啡酸[16]、龍膽酸[17]、丁香酸[18]、香草酸[19]等帶有羧基的苯環(huán)芳香衍生物。

1.2 萘化殼聚糖衍生物

萘及其衍生物具有芳香族官能團(tuán)的抗癌特性[20],拓展了萘化殼聚糖衍生物材料的應(yīng)用空間。其合成方法主要是以醛基席夫堿反應(yīng)和羧基酰胺化反應(yīng)為主。Woraphatphadung T等人[21]將2.0 g殼聚糖溶解在醋酸溶液中,逐滴加入兩倍氨基當(dāng)量的2—萘醛的乙醇溶液于室溫攪拌24 h,得到N—萘化殼聚糖。Nowakowska M等人[22]以1—萘乙酸為原料合成,將0.5 g殼聚糖溶于醋酸溶液,緩慢滴加0.25 g/10 mL萘乙酸水溶液,攪拌反應(yīng)24 h,經(jīng)分離、干燥得萘化殼聚糖。該方法沒有使用偶聯(lián)劑EDC,直接在室溫條件進(jìn)行酰胺化反應(yīng),并且所制備的萘化殼聚糖具有較好的水溶性。

1.3 蒽化殼聚糖衍生物

蒽類有三個苯環(huán)的共軛芳香性結(jié)構(gòu),具有熒光性,可做示蹤劑。蒽類物質(zhì)除了醛基席夫堿反應(yīng)外,更需要依賴官能團(tuán)的轉(zhuǎn)換,才能拓展蒽化殼聚糖材料的應(yīng)用。Kumar S等人[23]將0.5 mg的殼聚糖醋酸溶液中,滴加9—蒽醛溶液。然后將溶液平鋪在玻板表面,于室溫干燥24 h得蒽化殼聚糖。Prichystalová H等人[24]將9—氨基蒽通過氰尿酰氯引入氯原子后,以親核取代反應(yīng),制備具有熒光特性的蒽化殼聚糖。Wan Q等人[25]以蒽為原料,兩次官能團(tuán)轉(zhuǎn)換后得到9,10—雙(醛苯)蒽,再與殼聚糖氨基反應(yīng),制備了發(fā)光聚合物納米粒子。該粒子具有獨特的成像特性,可做生物醫(yī)學(xué)探針。Cui W等人[26]首先用9—羥基蒽與琥珀酸酐反應(yīng),將羥基蒽轉(zhuǎn)化為羧基蒽,再與殼聚糖氨基進(jìn)行酰胺化反應(yīng),得到由琥珀酸共聚的蒽化殼聚糖。蒽化殼聚糖最大的特點是具有較好的熒光特性,兼具良好的生物相容性,不管是在藥物定位與細(xì)胞成像方面都具有很大的應(yīng)用潛力。

1.4 卟啉化殼聚糖衍生物

卟啉及其衍生物是一類芳香雜環(huán)化合物,具有特殊的生理活性和能量轉(zhuǎn)移的功能。殼聚糖具有良好的生物相容性,卟啉化殼聚糖使得卟啉富集,可增強(qiáng)能量的轉(zhuǎn)移,即能有效地提高光動力治療或催化功能。Kumar S等人[27]使用醋酸將殼聚糖的氨基質(zhì)子化,與帶負(fù)電的四(4—磺?；交?卟啉的磺酸鹽基團(tuán)通過靜電相互作用自組裝,形成卟啉化殼聚糖。Synytsya A等人[28]通過自組裝的方法制備了卟啉化殼聚糖,改變不同的pH值,可實現(xiàn)卟啉自聚集狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。Jahanbin T等人[29]使殼聚糖與Gd(Ⅲ)內(nèi)四(4—吡啶基)卟啉通過物理吸附締合,從而制備了新型卟啉化殼聚糖磁共振成像造影劑材料。

1.5 其他芳香化殼聚糖衍生物

其他芳香化殼聚糖主要以雜環(huán)芳香性化合物衍生物為主,如噻吩、喹啉、吲哚化殼聚糖。主要以醛基或羧基接枝殼聚糖,值得一提的是，某些雜環(huán)以碳點為引發(fā)劑,制備低聚雜環(huán)芳香性物質(zhì)更容易與殼聚糖反應(yīng),方法更加簡便有效[30]。

2 工藝方法

2.1 膜劑工藝

殼聚糖溶液具有成膜特性,往往用來開發(fā)膜劑。相轉(zhuǎn)化法是制備芳香化殼聚糖衍生物制膜的主要方法之一,具有操作條件溫和,操作簡便等特點。Cui L等人[31]通過相轉(zhuǎn)化法制備殼聚糖膜,乙醇作為制備殼聚糖膜的再生劑,可以防止再生殼聚糖分子的重排,與乙腈和丙酮相比,得到膜表面光滑且平坦沒有任何裂紋。Zhang X等人[32]制備了沒食子酸化殼聚糖膜,膜的物理性能和抗氧化能力受到接枝方法和接枝率的影響。Kumar S等人[33]在室溫干燥含有噻吩醛的殼聚糖醋酸溶液24 h,即得噻吩化殼聚糖膜。這類膜劑可用于包埋藥物和抗菌抑菌。

2.2 水凝膠工藝

殼聚糖還具有水凝膠特性,根據(jù)制備方法的不同,可分為物理凝膠和化學(xué)凝膠[34]。在物理鏈中,聚合物鏈通過分子間次級作用保持在一起,材料重復(fù)性差,導(dǎo)致其在某些領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制。Maity S等人[35]設(shè)計了對于Fe3+殼聚糖水凝膠,該凝膠由蒽化殼聚糖與PVA的羥基通過氫鍵作用連接,凝膠機(jī)械強(qiáng)度不高。在化學(xué)凝膠中,聚合物鏈通過不可逆的共價鍵結(jié)合在一起,達(dá)到長久有效的目的。Qiao X等人[36]以4—疊氮苯基乙酸接枝殼聚糖,當(dāng)用紫外輻射處理形成水凝膠時,其溶液發(fā)生化學(xué)交聯(lián),使得藥物肝素植入眼內(nèi)可有效維持時間超過4周。

2.3 納米微粒/微球工藝

當(dāng)前,殼聚糖基納米粒子的研究受到重視。納米微粒/微球工藝通常有乳化交聯(lián)法、化學(xué)交聯(lián)法等方法。乳化交聯(lián)法是將藥物與殼聚糖制備成不同類型的乳液,然后加入交聯(lián)劑使內(nèi)相固化制備納米粒。Mo F等人[37]通過乳液交聯(lián)法將富馬酸二甲酯包裹在殼聚糖中,微球平均尺寸為20～150 μm,最高封裝效率和裝載效率分別為85.7 %和13.2 %?；瘜W(xué)交聯(lián)法是利用殼聚糖氨基與醛類化合物進(jìn)行交聯(lián)發(fā)生氨醛縮合反應(yīng)制備殼聚糖納米粒子的方法[38]。戊二醛是常見的交聯(lián)劑,在交聯(lián)過程中可以用水徹底洗滌以除去過量的戊二醛交聯(lián)劑,并且可以制備納米級材料。Esmaeili A等人[39]使用戊二醛交聯(lián)聚乙二醇化殼聚糖,采用沉淀法制備了MnFe2O4超順磁性納米粒子,平均粒徑為21～25 nm。

3 芳香化殼聚糖衍生物的醫(yī)藥學(xué)應(yīng)用

3.1 光動力性能

光動力滅活/治療中,如果將光敏劑固定在惰性固體載體中,則可以實現(xiàn)環(huán)保和經(jīng)濟(jì)可行性,從而可以回收利用[40]。光敏劑通常是具有大環(huán)共軛π鍵的芳香性物質(zhì),與殼聚糖接枝后,具有光動力效應(yīng),有望應(yīng)用于光動力治療。例如,Nowakowska M等人[22]通過修飾殼聚糖獲得了包含萘基發(fā)色團(tuán)的水溶性聚合物光敏劑,吸收近紫外光可以與水溶液中有機(jī)化合物反應(yīng),達(dá)到水質(zhì)檢測的作用。在水質(zhì)檢測方面,光敏劑還可直接殺死細(xì)菌。Bonnett R等人[41]將光敏劑鋅(Ⅱ)酞菁四磺酸與殼聚糖共價連接,并用于檢測水樣中的大腸桿菌,具有顯著的光殺滅性。為了有效減少抗生素的使用,Zhang R等人[42]合成了一種氫卟酚化殼聚糖共軛物,在光照下,局部產(chǎn)生單線態(tài)氧對耐藥革蘭氏陽性耐甲氧西林金黃色葡萄球菌和革蘭氏陰性鮑曼不動桿菌均具有顯著的殺菌作用。

3.2 抗菌性能

芳香化殼聚糖衍生物比殼聚糖具有更強(qiáng)的抗菌性,尤其是具有抗氧化活性的酚酸接枝殼聚糖后,被廣泛地應(yīng)用在食品公共健康領(lǐng)域。Moreno-Vsquez M J等人[43]接枝沒食子酸化殼聚糖,與殼聚糖相比,沒食子酸化殼聚糖對金黃色葡萄球菌和銅綠假單胞菌具有更強(qiáng)的抗菌活性。Wang Y等人[17]也得到相似的結(jié)果。Lee D S等人[44]將沒食子酸-g-殼聚糖測試10種食源性病原體的抗菌活性,表明沒食子酸-g-殼聚糖對革蘭氏陽性菌具有比對革蘭氏陰性菌更高的抗菌作用。同樣，Kim G等人[45]也證明了芳香酸化殼聚糖可以抗菌,從而防止食源性病原體的傳播。

3.3 載藥性能

釋藥環(huán)境影響藥物的持續(xù)釋放。Nguyen D等人[46]利用芳香族酚類化合物接枝共聚殼聚糖的疏水作用來實現(xiàn)毛果蕓香堿藥物遞送,隨著芳環(huán)數(shù)目的增加,載體藥物的抗炎和抗氧化能力增強(qiáng),可以長久有效地治療青光眼。藥物釋放與載體的初始載藥量密切相關(guān)。Sriram K等人[47]以苯二酮改性殼聚糖并摻雜CuO以提高疏水性藥物姜黃素的包封效率和抗癌活性,初始載藥量增加,則藥物釋放速率增加。

4 結(jié)束語

芳香化殼聚糖拓展殼聚糖的化學(xué)修飾方法,賦予殼聚糖具有芳香性物質(zhì)的特點和功能,開發(fā)了芳香化殼聚糖衍生物新材料,提供了研發(fā)及應(yīng)用的相關(guān)理論。本文從苯、萘、蒽、卟啉和其他雜環(huán)芳香性物質(zhì)入手,梳理了芳香性基團(tuán)與殼聚糖接枝的合成方法。其中主要分為兩類,通過醛基席夫堿反應(yīng)和羧基酰胺化反應(yīng)。也有少數(shù)芳香性物質(zhì)通過官能團(tuán)轉(zhuǎn)變,得以實現(xiàn)芳香化殼聚糖。在工藝方面,芳香化殼聚糖可以有多種應(yīng)用方式,本文梳理了膜劑、水凝膠、微球/微粒等工藝方法。在醫(yī)藥應(yīng)用方面,總結(jié)了芳香化殼聚糖衍生物在光動力治療、抗菌性能和載藥性能方面的應(yīng)用。未來在光電特性和納米組裝等方面可望獲得較大的進(jìn)步。