天然生物医用高分子材料的研究进展.pdf

.21中国医疗器械信息2009年第15卷第5期 Vol.15 No.5技术专题(医用高分子)Thematic Forum(Medical Polymer Materials)文章编号：1006-6586(2009)05-0021-07 中图分类号：R318.08 文献标识码：A收稿日期：2009-05-04作者简介：杨立群，副教授；张黎明，教授生物医用高分子材料是生物材料的重要组成部分，目前在医药领域已得到广泛应用，如用于疾病的诊断和治疗、损伤组织和器官的替换或修复、合成或再生等。根据不同来源，可将其分为天然和人工合成的生物医用高分子材料两大类。天然生物医用高分子原材料源于自然界，资源丰富、容易获取，具有很好的生物相容性、可降解性和较低的毒性，因而有着广阔的应用前景。近几年来，将天然高分子改性用作生物医用材料的研究工作十分引人关注，本文将着重介绍本课题组近期有关研究进展，同时评述了该领域的研究状况和发展趋势。天然高分子一般是指自然界动、植物以及微生物资源中的生物大分子1。目前应用于生物医用领域的天然高分子主要包括多糖类和蛋白质类等(表 1)。1 具有特殊功能和生物活性的天然多糖 多糖为单糖组成的天然高分子化合物，广泛地存在于动、植物和微生物体中。纤维素(Cellulose)是地球上最丰富的天然高分子，是自然界中取之不尽、用之不绝的可再生资源。纤维素主要来源于树木、棉花、麻、谷类植物。一些纤维素衍生物，如甲基纤维素、羧甲基纤维素以及羟乙基纤维素等常用作药物载体、药片黏合剂、药用薄膜、包衣及微胶囊材料。通过细菌的酶解过程产生的纤维素(即细菌纤维素)，具有良好的生物相容性、湿态时高的力学强度、优良的液体和气体通透性，能防止细菌感染，促天然生物医用高分子材料的研究进展杨立群1,2 张黎明11 中山大学化学与化学工程学院 (广州 510275)2 中国科学院广州化学研究所 (广州 510650)内容摘要：多糖和蛋白质是自然界中重要的天然高分子，具有很好的生物相容性、可降解性和低毒性，因此由它们所形成的天然生物医用高分子材料有着广泛的应用前景。本文着重评述当前几类重要天然生物医用高分子材料的研究进展状况和发展趋势，涉及具有特殊功能的多糖、两亲性多糖衍生物、生物大分子前药以及天然高分子类水凝胶。关 键 词：多糖 蛋白质 两亲性多糖衍生物 生物大分子前药 水凝胶Progresses of Biomaterials Prepared from Natural Biomacromolecules YANG Li-qun1,2 ZHANG Li-Ming11 School of Chemistry and Chemical Engineering,Sun Yat-sen University (Guangzhou 510275)2 Guangzhou Institute of Chemistry,Chinese Academy of Sciences (Guangzhou 510650)Abstract:Polysaccharides and proteins,as importantly natural biomacromoleules,show good biocompatibility,biodegradability and low toxicity.This article reviews the progresses of bioactive polysaccharides,amphiphlic polysaccharide derivatives,macromolecular prodrugs,and polysaccharide-and protein-based hydrogels,which are potentially used as biomaterials.Key words:Polysaccharide,Protein,Amphiphilic Polysaccharide Derivatives,Macromolecular Prodrug,Hydrogel表 1 主要天然高分子天然高分子来源植物动物微生物多糖类纤维素、淀粉(直链淀粉和支链淀粉)、海藻酸盐、果胶、卡拉胶、瓜尔胶壳聚糖、透明质酸、硫酸软骨素、肝素细菌纤维素、葡聚糖、黄原胶、香菇多糖、裂褶菌多糖蛋白质类大豆蛋白、玉米醇溶蛋白干酪素、血清蛋白胶原蛋白.22中国医疗器械信息2009年第15卷第5期 Vol.15 No.5技术专题(医用高分子)Thematic Forum(Medical Polymer Materials)使伤口的愈合。细菌纤维素的应用领域包括：人造皮肤和外科敷料，Biofill和 Gengiflex是两个典型的细菌纤维素产品,Biofill已成功地用于二级和三级烧伤、溃疡等的人造皮肤临时替代品2，Gengiflex已用于牙根膜组织的恢复3。人造血管，Klemm 等4研究发现内径为 1mm 的 BASYC(BActerial SYnthesized Cellulose，图 1)在湿的状态下具有高机械强度，高持水能力，低粗糙度的内径以及完善的生物活性等优良特性，证明了它在显微外科中作为人工血管的巨大应用前景。软骨组织工程，将未经修饰的细菌纤维素应用于人软骨细胞,发现它可以支持软骨细胞增殖,并且用透射电镜可以检测到软骨细胞在支架内部生长网，证明细菌纤维素在软骨组织工程中是一种非常有潜力的生物支架材料5。医疗护理品，细菌纤维素具有良好的机械性能、抗形变和撕裂能力,可以用来生产外科手术用品,如外科手术的手套、用于擦拭血液、汗液等的带子6。软骨、神经等组织工程9-12。将壳聚糖乙酸溶液和聚乙二醇溶液混合后，通过静电纺丝得到纳米纤维13，研究显示软骨细胞(HTB-94)在该纤维上面繁殖良好(图 2)，表明壳聚糖复合材料在骨组织材料工程中很有应用前景。图1 细菌纤维素制备的不同规格BASYC导管 4甲壳素(chitin)是一种广泛存在于昆虫、海洋无脊椎动物的外壳以及真菌细胞中的多糖。壳聚糖(chitosan)是甲壳素脱乙酰基后的产物，具有良好的生物相容性和生物可降解性。在医学领域，壳聚糖可作为生物相容性很好的可降解材料，制成手术缝合线、人造血管和人工皮肤等医疗产品；在药学领域，壳聚糖具有抗肿瘤、治疗心血管疾病和促进伤口愈合等功效7。此外，壳聚糖还具有选择性促进表皮细胞生长的独特生物活性，因此可将壳聚糖作为良好的支架材料广泛地应用在组织工程学中8，如应用于皮肤、骨、图2 软骨细胞(HTB-94)在壳聚糖/聚乙二醇纳米纤维上培养5天后的扫描电镜(SEM)照片13香 菇 多 糖(Lentinan)是从香菇子实体、菌丝体或发酵液中提取出来的一种水溶性葡聚糖,它在水溶液中能形成三螺旋链构象(图 3)14，具有抑制肿瘤、抗菌消炎、抗辐射提高机体免疫力等多种生理活性。日本学者早于 80 年代开始将香菇多糖作为生物反应调节剂应用于临床；国内也于 90 年代开始将香菇多糖大量应该用于临床治疗恶性肿瘤及病毒性肝炎等疾病，显示出较好的疗效15,16。从裂褶菌(又名白参、树花)子实体、菌丝体或发酵液中提取出一种水溶性多糖，即裂褶菌多糖(Schizophyllan)。它具有与香菇多糖类似的化学结构(图4a)、三螺旋构象(图 4b)17和生理活性。近期研究发现18-19，将裂褶菌多糖的三螺旋链解开得到单股无规线团能与单螺旋的寡核苷酸重新组合成三螺旋构象，可以将寡核苷酸运输进入细胞中(图 5)，从而提高基因的转染效率。图3 香菇多糖的三螺旋链构象14.23中国医疗器械信息2009年第15卷第5期 Vol.15 No.5技术专题(医用高分子)Thematic Forum(Medical Polymer Materials)2 两亲性多糖衍生物 多糖具有良好的生物相容性和降解性，是理想的药物载体原材料。一些水溶性多糖链上存在大量可反应的活性基团(如羟基、氨基和羧酸基团)，通过化学反应在亲水性的多糖主链上偶联一些疏水基团(如长链烷基、胆甾基团等)，可合成两亲性多糖衍生物(Amphiphilic polysaccharide derivatives)20。在水溶液中，两亲性多糖衍生物通过疏水基团间的非极性相互作用力，自聚集形成热力学稳定的纳米胶束，作为载体材料用于药物的传输，有利于实现缓时释放药物的目的21。如图 6 所示，在非极性相互作用力的驱动下，疏水性药物与两亲性多糖衍生物自组装形成载药胶束22，被负载的药物可通过扩散或多糖衍生物的降解而被缓慢地释放出来。近几年来本课题组开展了一系列两亲性多糖衍生物的研究工作，已合成出一些两亲性多糖衍生物(表 2)，并对它们在水溶液中的胶束化行为以及负载药物的性能进行了研究。表 2 合成的两亲性多糖衍生物亲水性多糖疏水性单体参考文献羧甲基纤维素，海藻酸钠胆固醇22,23,24葡聚糖、支链淀粉、壳聚糖聚乳酸、聚己内酯25,26,27麦芽七糖聚己内酯28羧甲基-羟丙基瓜尔胶，羧甲基纤维素N-聚异丙基丙烯酰胺29,30葡聚糖N-聚乙烯己内酰胺31胆固醇广泛地存在于动物体内，其多元环状结构表现出极强的疏水性。胆固醇分别与羧甲基纤维素和海藻酸钠反应后可得到两亲性的多糖衍生物22-24。通过原子力显微镜(AFM)观察到含胆固醇基羧甲基纤维素衍生物(CCMC)形成的胶束形态如图 7 所示，它们在水溶液中聚集成为粒径约为 50 nm 的球状粒子23。CCMC 负载吲哚美辛药物的实验表明22，在 pH 为 6-8范围内，CCMC 胶束负载药物的能力随 pH 值升高而增加。CCMC 载药胶束的体外释放药物行为也显示出对pH 值的敏感性，pH 值越高载药胶束释放药物的速度越快。吲哚美辛大约在 8h 后被完全释放出来，即能起到缓释吲哚美辛的作用，将有利于吲哚美辛起到长时间治疗疾病的效果。图4 裂褶菌多糖：(a)化学结构，(b)三螺旋构象17图5 裂褶菌多糖转运寡核苷酸进入细胞的示意图18图6 疏水性药物与两亲性多糖衍生物通过自组装形成载药胶束22图7 CCMC胶束的AFM照片:(a)、(b)相图,(c)高度图 23聚乳酸、聚己内酯生物相容性很好，在体内能被降解，将它们作为疏水性单体与不同的多糖通过化学反应可合成出各种两亲性多糖衍生物25-28。含聚乳酸侧链的两亲性壳聚糖衍生物胶束对肝癌细胞(HepG-2)的生长无抑制作用，显示出良好的生物相容性；通过基因转染实验，发现衍生物胶束的转染效率为 18%，优于未改性壳聚糖的转染效率，显示出作为性能优良.24中国医疗器械信息2009年第15卷第5期 Vol.15 No.5技术专题(医用高分子)Thematic Forum(Medical Polymer Materials)基因载体的应用前景27。含脂肪族聚酯侧链的两亲性葡聚糖衍生物胶束对小鼠成纤维细胞(L929)生长无抑制作用，表现出良好的生物相容性；通过小鼠体内代谢动力学实验，发现载药胶束将 5-氟尿嘧啶在小鼠体内半衰期提高了 4 倍；通过体内抑瘤实验，发现载药胶束将肿瘤细胞的杀伤率提高了 27.1%25。近期一些对环境敏感的聚合物引起了人们的关注。如聚(N-异丙基丙烯酰胺,PNIPAAM)和聚(N-乙烯基己内酰胺,PNVC)都具有温度敏感性，它们形成的水溶液在温度低于 32C 时为均相溶液，而高于该温度时则会出现相分离现象。该温度点通常被称为最低临界溶解温度(LCST)。利用 PNIPAAM 和 PNVC 对温度敏感以及离子多糖对 pH 敏感的特性，本课题组合成了环境响应型的两亲性多糖衍生物，如温度响应型的 PNIPAAm/羧甲基-羟丙基瓜尔胶衍生物29以及 PNVC/葡聚糖衍生物31，温度和 pH 双重响应型的PNIPAAm/羧甲基纤维素衍生物30 等。研究结果表明，它们在水溶液中随着周围环境(如温度、pH 值)的变化会出现相转变现象并伴随有自缔合行为，因而它们在用作智能药物控释载体、蛋白质复性助剂等方面具有较好的应用前景。3 生物大分子前药前药(Prodrugs)是原药与载体通过化学键连接起来的一种暂时性化合物，它可以改变或修饰原药的理化性质，在体内降解成原药后再发挥药效。这种概念自从 20 世纪 50 年代提出后，已经在药物结构修饰、药物化学发展中发挥了重要的作用，并已成为 21 世纪药物设计与开发的重要手段。前药设计的目的在于32：改善药物的一些不良因素如水溶性低、组织或黏膜刺激等；或者改善药动学上一些影响药效发挥的因素如易降解、半衰期(t1/2)太短或太长、药物透膜能力低，以及缺乏理想的靶向性等。天然高分子生物相容性好，容易被体内的各种酶降解，因而非常适合用作前药的载体材料。3.1 血清白蛋白载体的前药血清白蛋白(Albumin)显酸性，可在 pH49 的范围稳定存在，即使将它于 60C 下加热 10 h 也不会发生变性；血清白蛋白很容易被肿瘤和受感染的组织吞噬，并且具有很好的生物可降解性、无毒性以及无免疫活性。所以，这些特殊的性质决定了血清白蛋白非常适合用作治疗肿瘤的前药载体材料33。Wang 等34将(+)-FDI-CBIM 多肽偶联到人体血清白蛋白链上合成出一种前药，动物实验结果表明该前药能明显地抑制结肠癌和乳腺癌肿瘤的生长。Graeser 等35报道了一种血清白蛋白前药具有非常强的抑制肿瘤生长的能力，在与阿霉素用药量相同的条件下，该前药能抑制 62%体积的肿瘤生长。3.2 多糖载体的前药果胶(Pectin)存在于植物细胞壁中，它在人体胃和小肠生理环境内能保持结构的完整性,但是在结肠中能被梭杆菌、真杆菌和双歧杆菌等细菌降解，所以果胶被广泛用于结肠靶向前药的载体材料36。Xi等37合成了以共价键结合的果胶-酮洛芬前药，将其与酮洛芬原药分别通过灌胃方式对大鼠进行给药，一定时间后取出大鼠胃肠道中不同部位的内容物，测定药物的分布。结果表明，酮洛芬原药在大鼠的胃和小肠中均有分布，而从前药中释放的酮洛芬主要分布在大鼠的盲肠和结肠，说明前药具有结肠定位释放药物的性能。葡聚糖(Dextran)是一种主要由 1,6-D-吡喃葡糖苷键接而成的多糖，该糖苷键可以被结肠中的细菌酶以及哺乳动物细胞中的葡聚糖酶降解38,39，因而葡聚糖作为一种前药的载体材料已得到了广泛的研究40。Harboe 等41将药物分子偶联到葡聚糖大分子链的末端合成出一种大分子前药，它在胃和小肠内保持完好；而在结肠中，随着前药中糖苷键被葡聚糖酶的降解，药物被缓慢地释放出来。一些药物如萘普生、布洛芬、5-氨基水杨酸、甲基脱氢皮质甾醇和地塞米松都通过以上方法制备出前药，并且在猪体内外进行了实验，结果发现药物在猪结肠内的释药量是胃肠道内的 17 倍。这些葡聚糖前药系统能实现药物在结肠部位的靶向缓释，从而提高了药物的生物利用度。硫酸软骨素(Chondroitin sulphate)是一种存在于动物结缔组织中的黏多醣，它能被人体大肠产生的厌氧细菌降解42。Peng 等43 分别将三种不同的非甾体抗.25中国医疗器械信息2009年第15卷第5期 Vol.15 No.5技术专题(医用高分子)Thematic Forum(Medical Polymer Materials)炎药布洛芬、酮洛芬、萘普生通过化学键偶联在硫酸软骨素上合成出三种大分子前药，结果发现前药的水溶性比原药的好；药物释放研究表明，三种前药能降低原药对上消化道的损伤，并能缓慢地释放出药物。本课题组最近的研究结果表明44，羟乙基纤维素-吲哚美辛前药在模拟胃液和小肠液基本不释放吲哚美辛原药；而在结肠酵解液中，该前药能被结肠细菌酶缓慢降解，进而持续释放出吲哚美辛，具有较好的结肠靶向缓释药物特性。4 天然高分子类水凝胶水凝胶是一类吸水后能发生溶胀、并能保持大量水分而不溶解的网络高聚物。物理交联水凝胶可以通过分子间的弱相互作用力形成，如静电作用力、氢键、疏水作用等。而化学交联水凝胶通常是通过化学反应以化学键交联而形成的三维网络聚合物。由于天然高分子材料制备的化学交联水凝胶具有良好的生物相容性、溶胀性和负载的药物不易失活等特性，因此，它们在药物释放和组织工程生物医学领域得到了广泛的应用。壳聚糖是一种含有氨基阳离子的多糖，具有良好的细胞相容性、抗菌性、形状可塑性和成空性等特点，所以，壳聚糖水凝胶在关节和软骨等组织的构建、基因的传输以及药物控制释放等领域的研究引人注目。Hong 等45报道，含丙烯酸和乳酸的壳聚糖衍生物在引发剂的作用下生成化学交联水凝胶，软骨细胞能在该水凝胶中生存 12 天，说明该水凝胶有希望作为可注射的支架材料在组织工程和矫形外科中获得应用。戊二醛通常作为交联剂用于合成化学交联的壳聚糖水凝胶。近期研究发现46,47，从栀子果提取出的一种天然葡萄糖配基化合物-京尼平(Genipin)也能与壳聚糖的氨基反应，形成强度较高、可生物降解的水凝胶。值得注意的是京尼平的毒性比戊二醛低 5,00010,000倍1，因而更适合在生物医学领域中应用。本课题组最近以大豆蛋白为基质材料48，在京尼平的交联作用下合成出化学交联的水凝胶(图 8)。研究表明固定凝胶化温度为 35C，当京尼平的加入量由 2.5 mmol/L 增加至 10.0 mmol/L 时，凝胶化时间由119.8 min 缩短为 18.5 min；固定京尼平的加入量为 5.0 mmol/L，当凝胶化温度由 35C 升高至 50C 时，凝胶化时间由 44.7 min 缩短为 27.6 min。京尼平交联的大豆蛋白水凝胶能吸附蛋白质的模型化合物-牛血清蛋白(BSA)，并在 pH7.4 的 PBS 缓冲溶液中 5h 内能缓释BSA，表明该水凝胶可作为蛋白类药物载体在肠部位缓释药物。图8 大豆蛋白与京尼平形成水凝胶的机理 48大豆蛋白在谷氨酰胺转移酶(transglutaminase)的交联作用下也能形成化学交联的水凝胶49，凝胶过程的影响因素主要是大豆蛋白和谷氨酰胺转移酶的加入量、凝胶化时间等。以 5-氨基水杨酸为模型药物，原位合成了负载 5-氨基水杨酸的酶交联大豆蛋白水凝胶，体外释放实验表明，该载药水凝胶能起到缓释药物的作用，因此谷氨酰胺转移酶交联的大豆蛋白可应用于药物释放。5 展望多糖、蛋白质及其衍生物具有非常好的生物相容性、可降解性和低毒性，在生物、医学和药学领域有广泛的应用前景。但是，这些天然高分子结构较为复杂，如何以它们为基质材料构建和合成具有新型结构和功能的天然生物医用高分子材料仍有待进一步研究。致 谢：感 谢 国 家 自 然 科 学 基 金(No.20574089；20676155)、霍英东教育基金会第十届高等院校青年教师优选资助课题(104036)和中科院纤维素化学重点实验室基金(LCLC-2008-08)的资助。参考文献1 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