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壳聚糖微球的应用研究

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维普资讯 http://www.cqvip.com 中问体 ・30・ Chemical Intermediate 2008年第01期 综述与专论 壳聚糖微球的应用研究 王珊 ,叶光辉 ,郑敏燕 ,郭金婵 (1.成阳师范学院化学系,陕西成阳712000;2.中国长庆油田勘探局钻井工程总公司,陕西西安710021) 摘要:壳聚糖是甲壳素脱乙酰化后的产物,由于它具有生物相溶性、可生物降解、无毒、吸附等特性, 已广泛应用于医学、食品等方面。壳聚糖微球除具有壳聚糖本身特点外,在性能上又有新的改善。本文 从壳聚糖微球作为药物缓释、基因治疗、螯合金属离子、负载催化剂、吸附染料等用途出发,对其应用 前景进行了简单的综述。 关键词:壳聚糖;壳聚糖微球;应用 中图分类号:062 文献标识码:A 文章编号:1006—253x(2008)o1—030—5 The Application of Chitosan Microsphere WANG Shan ,YE Guang-hui2,ZHENG Min-yan ,GUO Jin-ehan (1.The chemistry department of Xianyang nOlTllal college.Xianyang 712000,Shanxh China; 2.CNPC Changqing petroleum,tan 710021,Shanxi,China) Abstract:Chitosan is the N-deacetylated derivative of chitin.It has excellent properties such as biocompatibility,biodegraded,non-toxicity,adsorption properties,etc.So chitosan microsphere is all ideal candidate for controlled drug release formulations,Gene therapy,chelate with metal ions,eom- plex catalysts,and adsorption dye.These applications of chitosan microsphere were reviewed. Key words:chitosan;chitosan microsphere;application 壳聚糖是自然界存在的碱性多糖,它由蟹、虾壳 1 作为药物载体 中的甲壳素经脱乙酰化反应而得,由于其良好的粘合 性、生物可降解性、生物相溶性和无毒等特点而广泛 壳聚糖具有良好的生物相溶性,愈来愈受到人们 应用在医学、食品、化工等方面。壳聚糖微球氨基和羟 的关注。近20年来,许多科学家致力于壳聚糖作为药 基上存在孤对电子及空轨道而具有良好的吸附能力, 物载体的研究。研究发现,壳聚糖具有良好的成球性 氨基质子化形成的阳离子可与阴离子发生静电结合, 能以及特异的药理活性,它可以作为药物载体用来控 是一种优异的功能高分子材料,在医学免疫、生物工 释和输送药物。使用壳聚糖微纳米颗粒除了具有壳聚 程、化学工业、分析化学及微电子等领域有着极其广 糖本身的性质以外,而且可以增强药物稳定性,提高 阔的应用前景。很多科学研究者都在努力开发以壳聚 疗效、降低毒副作用,并且可以达到其病灶部位,从而 糖微球为载体的各种材料。但壳聚糖微球的应用进展 达到靶向治疗的目的 ]。 尚未见报道。本文在查阅大量文献的基础上,对壳聚 1994年,0hya等乜 首次进行了载药壳聚糖纳米粒 糖微球在各个相关领域中的应用进行了研究,以便大 的研究。采用水/油(w/o)型乳化剂进行乳化,以戊二 家对此领域的发展情况有所了解。 醛为交联剂对壳聚糖的游离氨基进行交联,制备得到 收稿151期:2007—9—12 基金项目:陕西省教育厅专项科研计划资助项目,项目编号07JK426;咸阳师范学院专项基金,项目编号04XSYK206。 作者简介:王珊(1977一),女,在读博上,从事高分了合成研究。 维普资讯 http://www.cqvip.com 2008年01月 壳聚糖微球的应用研究 ・31・ 图1扫描电镜图(A)空白壳聚糖微球(B)载药后的壳聚糖微球 (27.1%)r3i _■ 缓释、控释、靶向释放药物,应用于药物的器官靶向、 多肽蛋白类药物的非注射途径给药以及注射给药的 长效制剂研究等,因此具有非常广阔的应用前景。 2 吸附重金属离子 由于分子中羟基、氨基和其它基团的存在,壳聚 Figl SEM of chitosan microsphere(A)and 1oaded chi tosan microsphere(B) 了5一氟尿嘧啶(5一FU)壳聚糖纳米粒(平均粒径: 糖可以利用氢键、盐键等形成似网状结构的笼形分 0.8±0.1 u m)。由于制备过程中所采用的5一FU衍生 物也含有氨基端,因此交联后药物被固定而不是被包 裹。这种先驱性的探索为制备具有良好稳定性、重现 性的壳聚糖纳米粒提供了良好的思路。XU;钔等系统的 研究了壳聚糖的分子量、脱乙酰化度及所包覆药物浓 度对牛血清白蛋白(BSA)壳聚糖纳米粒子释放行为的 影响,发现分子量越大,药物的包封率越大,但释放率 大幅度降低(例当壳聚糖分子量从1.0×10 上升到 2.1×10。时,药物的包埋率可以迅速的提高为原来的 2倍。但是释放率却从73.9%下降至17.6%);而脱乙酰 化程度的影响是随着壳聚糖脱乙酰化度的提高而提 高,包埋率也随之提高,但药物的释放率会下降;同等 条件下,增加壳聚糖用量和提高BSA的浓度均会导致 BSA释放率的下降。Mooren等瞄 研究了泼尼松龙磷酸 钠壳聚糖纳米粒通过小肠上皮粘膜的情况。结果表 明,壳聚糖纳米粒能提高药物通过上皮细胞的通过 率。这是因为壳聚糖本身是一种安全有效的吸收促进 剂,且能够粘附于膜上皮,增加药物与上皮组织的接 触时问,减少药物清除,从而提高药物的生物利用度。 Janes等_7_制备了多柔比星壳聚糖纳米粒,体外药物 释放实验表明,在前2h内药物释放达17%,随后2天 药物释放仅增加4.5%。Calvo等 用聚环氧乙烷,聚环 氧丙烷共聚物等交联的壳聚糖纳米粒,用于破伤风类 毒素的口服给药载体,其释放主要决定于壳聚糖的生 物降解和溶蚀,因此药物的释放明显延长。 表1目前已制备的壳聚糖载药微球 药物类型 名称 抗癌药 氟 嘧啶顺铂 ■氨■氯销米托总 等 生化药 牛血清黄体酮胰岛素小牛胸腺D N A等 消炎药 吲哚美辛酮洛芬地塞米松双氯芬酸钠等 茎 茎 墨 圭兰室堕苎塑主垄里些墨 壳聚糖纳米粒作为一种新型的药物载体,具有无 毒、良好的生物相溶性和生物可降解性,可提高药物 的稳定性,改变给药途径,增加药物的吸收,提高药物 的生物利用度,降低药物的毒副作用等特点:也可以 子,对多种金属离子进行螯合,所以可以利用这一性 质有效地吸附或捕集溶液中的金属离子。亦可用于有 毒重金属离子的吸附。关于壳聚糖吸附金属离子的报 道已经很多。大量研究结果表明[912],壳聚糖对金属离 子的吸附与壳聚糖脱乙酰度的大小、物理状态、溶液 的pH值、吸附时间和温度以及所吸附的金属离子的 种类有关,不同的吸附条件对同一金属离子可得到不 同的吸附结果。壳聚糖对金属离子有较高的亲和力主 要是因为大量氨基的存在,壳聚糖及其衍生物对金属 离子的吸附主要依赖于氨基的质子化和金属离子的 特性。为了有效解决机械强度和可重复使用性能,减 少流失情况,同时结合高分子微球的特性,一般选用 壳聚糖微球对金属离子进行吸附。庄华_1。 用戊二醛、 环氧氯丙烷对壳聚糖进行交联,为了提高其吸附性 能,引入带游离基的多乙烯多胺。,制备出新型的交联 树脂,并考察了对Hg 、Pb 、zn。 的吸附性能及相关的 影响因素,发现在浓度fK'f ̄的情况下,此微球仍然可 以把超过55%的金属离子吸附出来。苏海佳 等人研 究交联的壳聚糖微球去除水体中的重金属离子,发现 经交联的壳聚糖微球在水中很稳定,可以重复利用, 吸附l0次吸附容量没有明显降低。为减少交联带来 的吸附容量降低,用分子印迹的方法,制备得到的模 板壳聚糖微球对Ni 、zn 、Cu。 等特定的金属离子进 行吸附,结果表明其吸附容量可以提高一倍。 3 L(mfn) 图2壳聚糖微球对RR2的吸附一解吸一再吸附过程 Fig2 The adsorpti013一desorpti013一readsorption to RR2 of chitosan microsphere ̄ 目 维普资讯 http://www.cqvip.com 中问体 ・32・ Chemical Intermediate 2008年第O1期 由于壳聚糖的独特分子结构,在酸性条件下游离 合物,有可能作为高活性、高选择性并在常温常压下 所以现在利用壳聚糖 的氨基容易质子化,因此它对许多阴离子型的染料具 有专一催化性能的人工模拟酶,有很高的亲和力,这些染料包括分散、直接、活性、酸 制备具有特殊性质的催化剂已成为近年来的重点和 性、还原、硫化和纳夫妥染料,但壳聚糖仅对碱性染料 难点[ ]。而且由于壳聚糖的亲水性可使以它为载体的 具有较低的亲和力。关于壳聚糖吸附染料的性能和机 催化剂应用在精细有机合成体系如氧化水中的端基 理前人已经作过详细的报道。且其吸附染料后可回 烯烃、邻苯二酚等,但是公开发表的以壳聚糖为载体 收,具有重复利用性能。丁世敏n朝等人研究了环氧氯 的催化剂报道相对比较少。科学家Kucherov A. 丙烷交联壳聚糖多孔微球对3种不同类型的染料:橙 V.等人_l。 通过共沉淀或吸附等方法将Cuz+与壳聚糖 黄II、活性艳蓝、酸性紫染料的吸附性能,并与活性 炭、壳聚糖的吸附性能进行比较,探讨了染料的初始 浓度、溶液pH值、吸附剂用量对吸附量及吸附速率常 数的影响。结果表明:在10℃时,交联壳聚糖多孔微球 对橙黄n的饱和吸附量是活性炭、壳聚糖的4.39、 6.68倍,吸附速率是壳聚糖的2.58倍;对3种染料的 饱和吸附量分别为1 182、934、595mg/g。交联壳聚糖多 孔微球对染料具有很高的吸附容量及较快的吸附速 率,且可以再生,但会影响它的吸附性能,为了进一 步提高其吸附有机染料的性能,福建师范大学陈盛研 究组[ 6]对壳聚糖微球进行了修饰,使其结构中胺基含 量增加,碱性增强,成为一种新型的壳聚糖胺基衍生 物微球,并对三种阴离子偶氮染料:甲基橙(MO)、活性 艳红(RR2)、直接黑OB19)进行吸附研究,发现有效的 提高了其吸附能力。为了得到便于分离的吸附剂,改 变壳聚糖微球难以分离的特点,陈盛的研究小组[” 制 备出了具有磁性的壳聚糖微球吸附剂,这种新型吸附 剂不仅吸附能力强、吸附速度快,而且易分离、可再 生,是一种很有开发应用前景的新型染料废水吸附 剂。目前他们已经应用磁性壳聚糖微球对酸性偶氮染 料废水进行了脱色研究。 4 负载催化剂 图3蛋壳样品SEM照片1.8%[6.5%Cu/chitosan]/sio2ll6] Fig3,The SEM of t.8%[6.5%Cu/chitosan]/sioz 。 壳聚糖分子中的活性基团,使得很多过渡金属 及稀土金属固定在高分子载体上可引起均相或非均 相的催化,利用此具有光学活性的天然高分子金属配 人[结合,形成蛋~壳壳聚糖/SiO 、壳聚糖/MCM-41并通 过FTIR、UV—Vis、SEM和ESR等方法对其结合方式进 行了验证。它的催化活性是通过氧化水中的邻、对羟 基苯酚,在杂化体系醌的形成过程中显示出稳定活泼 的催化活性。如果建立二元复合体系即在多孔的Si()2 体系上承载Cu/Chitosan薄膜时,这时可以明显提高 氧化氢醌的能力(和本体Cu/Chitosan体系的催化能 力相比)。如果在MCM-41承载Cu/Chitosan,其催化能 力反而降低.这一方法的报道,可为设计新的、含少量 贵金属的、以壳聚糖为载体的新型催化剂提供一个有 效的设计路线。我国武汉大学陈水平等 用反相悬浮 交联法制备出粒径为100u m以下的壳聚糖多孔微 球。并试图用壳聚糖多孔微球负载PdC1 ,实验发现 PdC1 中Pd可与壳聚糖中的N配位键,所形成的配合 物可在常温常压下较好地进行选择性催化氢化反应 将氯代硝基苯还原为氯苯,并有效地抑制氯的氢解。 在40℃下,以无水乙醇为溶剂,Pd/底物的质量比为 0.03~0.05时,产率超过80%,有效解决了困扰科研 工作者很久的氯取代基在氢化过程中发生的氢解脱 氯的问题。法国的Karine Molvinge{ 利用壳聚糖的 性质制备出了Chitosan/Si02杂化微球,并对它的催 化性能进行了实验。陈水平 捌研究小组还对壳聚糖 负载纳米TiO 光催化降解阳离子桃红溶液,发现虽然 与TiO 相比,降解速度稍慢,但克服了TiO 粉状态易 流失和难回收的弊端。而且CS微球对阳离子桃红溶 液的色度去除率较高;同时他们还利用此微球进行光 催化降解亚甲基兰水溶液,取得了较好的效果;同时 发现其具有易回收、过滤及良好的重复性。 5 基因治疗 壳聚糖是一种并不多见的无生物毒性的碱性多‘ 糖,具有良好的组织相溶性,易于生产和储存,成为一 种高效载体应用于基因治疗领域。1995年,Mumper等 24=首次进行了壳聚糖一DNA复合物的制各。这种复 维普资讯 http://www.cqvip.com 2008年01月 壳聚糖微球的应用研究 ・33・ 图4壳聚糖/DNA复合物的聚焦荧光显微照片 Fig4 Chitosan/DNA complex as viewed under confocal fluorescence microscope 。 合物是壳聚糖以溶液的形式与DNA自聚集形成沉淀, 从而制备得到大小为150 ̄500nm的微球,使它在基 因治疗领域作为载体成为可能。后期很多科学家都在 基因治疗方面给予广泛关注。Ozbas—turan等人 25 将 壳聚糖/DNA复合物微球置于磷酸缓冲液中(PBS, pH=7.4),37 ̄C条件下检测260nm上清液的吸光度,发 现释药时长可以达到5O天。与此同时,研究者发现经 过交联的壳聚糖/DNA复合物微球在水中的稳定性超 过3个月,远远超过未交联微球的几个小时。中国医 科院冷希岗所在研究组_26 首次将壳聚糖纳米颗粒承 载TFPI基因,为血管再狭窄的基因治疗奠定基础。他 们所得的纳米颗粒平均粒径149nm,包埋DNA效率可 以达到96%以上,最终DNA含量可以达到37%。其研究 结果表明,载基因的壳聚糖可以有效的保护DNA,防止 核酸酶对其的降解作用。壳聚糖作为一种具有广泛应 用的基因治疗载体,对其应用目前仅限于实验室研 究,有待进一一步系统深化。 壳聚糖微球由于其小尺寸、大的比表面结构、功 能基在表面的富集、表面和内部的差异、优良的包埋 性能等特点,已经在高科技领域发挥着重要的作用。 为了能够利用其特殊功能设计得到新型材料,必须将 材料、生化、医疗等学科有效综合运用,使之更加成熟 化和多样化的为人类服务。 参考文献: [1]R Muzzarel1i,et a1.BiochemicalS Significance of exogenous chitins and chitosans in animal S and patients E3].Carbor hydr Polym,1993,20:7-16. 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