海藻酸-壳聚糖微球的制备及其在生物医药领域的应用
金鑫1, 杨军星1, 王英男2, 刘志辉1, 王博蔚3
1.吉林大学口腔医院修复科 长春 130021
2.吉林大学化学学院 长春 130021
3.吉林大学第二医院妇产科 长春 130041
[通信作者] 刘志辉,副教授,博士,Email:liuzhihui1975@sina.com

[作者简介] 金鑫,住院医师,硕士,Email:441266577@qq.com

摘要

壳聚糖是唯一的天然碱性氨基多糖,海藻酸是一种天然阴离子多聚糖,这两种物质都具有良好的生物相容性,无细胞毒性,具有生物可降解性,是制备微球的良好材料。本文综合阐述了近年来国内外联合利用壳聚糖和海藻酸两种天然高分子物质制备微球的主要方法(包括离子交联法和乳化法),以及海藻酸-壳聚糖微球作为药物载体在生物医药领域的应用。

关键词: 壳聚糖; 海藻酸; 载药; 控释; 微球
中图分类号:R318.08    文献标志码:A      
Preparation and biomedical applications of alginate-chitosan microspheres
Jin Xin1, Yang Junxing1, Wang Yingnan2, Liu Zhihui1, Wang Bowei3
1. Dept. of Prosthodontics, Hospital of Stomatology, Jilin University, Changchun 130021, China
2. College of Chemistry, Jilin University, Changchun 130021, China
3. Dept. of Obstetrics and Gynecology, The Second Hospital of Jilin University, Changchun 130041, China
Abstract

Chitosan is the only natural alkaline amino polysaccharide, and alginate is a kind of natural anionic polysac-charide. These polysaccharides are good materials for microsphere preparation because of their good biocompatibility, nontoxicity and biodegradability. This paper reviews the main methods (ion crosslinking and emulsification) of microsphere preparation by using the combination of chitosan and alginate and its application as a drug carrier in biomedicine.

Keyword: chitosan; alginate; drug-loaded; control release; microsphere

壳聚糖(chitosan)是由甲壳素脱乙酰基后得到的一种带正电荷的直链多糖, 也是唯一的碱性多糖。由于具有良好的生物相容性、易降解性, 以及无毒、抑菌、生物黏着性好等特点, 壳聚糖在药物载体等方面有着广阔的应用前景[1, 2, 3]。海藻酸是从褐藻中提取出来的水溶性阴离子多聚糖, 能与壳聚糖通过阴、阳离子静电吸引生成聚电解质复合微纳米凝胶, 能够表现出不同的亲水或疏水性, 以及在不同介质环境中的收缩或者膨胀能力。利用凝胶的这些特性, 可以用作药物、蛋白质等活性物质的载体, 从而提高活性成分的稳定性或延长其持效期, 控制药物释放, 延长药效, 降低不良反应, 改变给药途径, 增强制剂的靶向给药能力, 提高药物的生物利用率[4, 5]

海藻酸-壳聚糖载药微球是将海藻酸、壳聚糖和药物通过物理或化学方法制备成纳米或微米级的聚合物, 使药物在介质中缓慢释放, 以实现药物的靶向作用。本文综合国内外文献, 介绍了海藻酸-壳聚糖微球的几种制备方法及其在生物医药领域的应用。

1 壳聚糖及海藻酸简介
1.1 壳聚糖

壳聚糖又名脱乙酰壳多糖, 是甲壳素脱乙酰化的产物, 是一种重要的天然多糖, 其化学名称为葡萄糖胺(1, 4)-2-氨基-2-脱氧-β -D-葡聚糖, 其结构[6]如图1所示。壳聚糖分子中含有大量的羟基(-OH)和氨基(-NH2), 使其易进行化学修饰, 且具有较强的吸附性。壳聚糖中大量羟基可以形成较强的氢键相互作用, 在中性和碱性条件下不溶解[7]; 其氨基非常活泼, 在酸性介质中可以结合1个氢离子(H+)而被质子化, 从而形成带正电荷的聚电解质; 在中性介质中, 氨基易与芳香醛(或酮)、脂肪醛反应生成席夫碱(Schiffs base)[7, 8], 这些性质为壳聚糖的改性和功能化提供了基础。

图 1 壳聚糖的化学结构Fig 1 The chemical structure of chitosan

1.2 海藻酸

海藻酸是β -D-甘露糖醛酸(β -D-mannu-ronic)和α -L-古洛糖醛酸(α -L-guluronic)按照1→ 4糖苷键连接而成的线型聚合物, 化学结构见图2, 每个糖醛酸单元上含有1个羧基, 因此海藻酸在中性或碱性条件下呈现聚阴离子电解质的性质[9]。当海藻酸与水接触时, 能够形成具有黏附性的溶液, 可与壳聚糖通过正负电荷相互吸引发生反应并形成聚电解质复合物。

图 2 海藻酸的化学结构Fig 2 The chemical structure of alginate

由海藻酸盐和壳聚糖制得的海藻酸-壳聚糖微球已用于免疫、生化等方面的研究。

2 海藻酸-壳聚糖微球常见制备方法

离子交联法和乳化法是制备海藻酸-壳聚糖微球常见的方法, 工艺简单且能有效保留高分子的生物活性, 条件较温和, 应用广泛。

2.1 离子交联法

离子交联法是利用聚电解质阴、阳离子所带正、负电荷间相互作用的一种自组装技术, 主要通过静电作用发生可逆的、分子内或分子间的物理交联, 交替地吸附上带相反电荷的聚电解质阴、阳离子[10]

杨军星等[11]采用滴注法将海藻酸与钙离子交联, 利用层层自组装技术在核心球的表面依次包覆壳聚糖、海藻酸和壳聚糖, 海藻酸核心球和壳聚糖分别负载血管内皮生长因子(vascular endo-thelial growth factor, VEGF)和万古霉素, 形成多重载药缓控体系。采用正交实验检验海藻酸浓度、钙离子浓度及壳聚糖浓度对药物包封率和载药量的影响。使用扫描电子显微镜观察多层微球的表面、截面形貌及粒径, 通过傅里叶变换红外光谱检测海藻酸与壳聚糖的自组装情况, 分别用不同的方法检测药物包封率、载药量及体外释放情况。结果表明, 优化配方制备的双重载药多层微球释药时间较长, 兼具控制感染和促进血管生成两种功能, 有望应用于组织工程骨研究。

付昱等[12]利用层层组装技术构建了壳聚糖和海藻酸的阻隔层, 并研究了该阻隔层对磁性载药聚乳酸微球的药物释放作用。实验结果表明, 阻隔层能够有效抑制模型药物的突释, 可以延缓药物释放。具有阻隔层的磁性载药体系具有药物释放平缓和生物相容性高等特点, 是理想的磁靶向载药体系。

Li等[13]用海藻酸和壳聚糖通过离子凝胶法制备了海藻酸包覆的壳聚糖微球, 粒径约为1 μ m, 制得的微球适合口服。海藻酸包覆在载牛血清白蛋白(bovine serum albumin, BSA)的壳聚糖微球表面, 能够调节BSA的释放, 且海藻酸耐酸, 能够有效保护BSA, 在酸溶液中降解减缓至少

2 h, 并且载药量和包封率分别达到了6%和60%。

离子交联法制备海藻酸-壳聚糖微球有一定的优势[14]:制备条件温和; 微球颗粒直径尺寸可控; 有较强的结合其他物质的能力, 比如多肽、蛋白质、疫苗等; 可以调整其包载药物, 改变释放率; 经冻干和复原仍可以保持微球的完整性和药物活性。这些优点为离子交联法成为一种很有前景的微球制备方法奠定了基础, 但是其仅靠带相反电荷的大分子之间的静电作用形成可逆的物理交联, 并无化学反应, 因此微球机械强度较低, 并且微球容易黏连而导致直径增大[15]

2.2 乳化法

乳化交联法[16]是微球制备中应用很广的方法, 因其与离子交联法相比更容易实现工业化。此方法是指在油相中乳化壳聚糖水溶液形成油包水乳液, 然后加入交联剂(如甲醛和戊二醛)形成稳定的乳液, 得到的微球经过滤、洗涤、干燥即可。最终产物微球的直径受组分(油相、水相、表面活性剂、交联剂)和条件(乳化时间、交联时间、交联温度等)的影响。其优点在于可以包载亲水或疏水的多种药物, 且微球结构比较致密, 外形规整, 载药量较为理想。但是, 这种方法使用的交联剂容易与药物发生反应, 影响药物活性。

迟雪等[17]采用乳化交联法制备了载有石榴皮提取物的海藻酸-壳聚糖微球, 应用星点设计-效应面法优化了壳聚糖的沉积时间、乳化剂用量和海藻酸用量对微球载药量的影响。使用二项式方程模拟微球实验结果, 相关性较好(r=0.994)。优化的最佳制备工艺条件为:海藻酸用量0.98%, 壳聚糖沉积时间2.56 h, 乳化剂用量17.83%, 固化时间5 h, 戊二醛用量1 mL, 此时微球的载药量为12.19%, 与预测值偏差较小。

此外, 利用改性的海藻酸或壳聚糖优化微球的形态和功能的研究也有一些报道。王婷婷等[18]用内源乳化凝胶法制备了包载L-抗坏血酸的微球。比较理想的制备条件为:Span 80质量分数为2%, 水相体积分数为30%, 转速为400 r· min-1, 壳聚糖浓度为18.80 g· L-1, 冰乙酸/碳酸钙(n/n)为3.29, 钙/壳聚糖(m/m)为0.071 6, 此时制备的壳聚糖微球包封率为63.83%。使用羧甲基壳聚糖进一步包封, 包封率为77.08%, 且扫描电子显微镜下微球表面气孔明显减少。

张旭等[19]先通过乳化交联法制备了包载四环素的壳聚糖微球, 然后利用氧化海藻酸交联聚磷酸钙/壳聚糖复合材料制备了载药微球的新型复合体系。结果显示, 氧化海藻酸交联聚磷酸钙/壳聚糖复合材料中无机相均匀分散在连续有机相基体中, 且制备的空白复合体系与载药复合体有较为理想的孔隙结构和贯通性, 微球表面光滑且比较致密, 有利于减缓药物的突释效应, 以期制备出能进行骨缺损修复的缓释复合药物载体。

Mao等[20]在对万古霉素海藻酸-壳聚糖复合微球的研究中, 通过乳化交联方法制备微球。微球平均球粒直径为(25.3± 5.4)μ m, 平均载药量为18.5%± 2.3%, 该模型相关系数r=0.999 6。体内研究结果表明微球不仅降低了毒性, 且仍保持有效的药物浓度。体内和体外实验结果均表明, 乳化交联技术是制备藻酸盐-脱乙酰壳聚糖复合微球的一种可行方法。

3 海藻酸-壳聚糖微球的应用
3.1 伤口敷料

Chen等[21]开发了抗菌及可生物降解的复合水凝胶敷料微球, 用于药物输送和伤口愈合。为增强抗菌性能和力学性能, 在凝胶制备过程中加入盐酸四环素。体外药物释放实验表明, 这种方法制备的复合凝胶敷料释放时间更持久, 盐酸四环素的加入使凝胶的抗菌活性和力学性能显著提高, 未来可将此材料应用于抑制大肠埃希菌和金黄色葡萄球菌等细菌感染。

Shi等[22]将微球用于开发新型止血材料。用羧甲基壳聚糖、海藻酸和胶原蛋白制备的复合微球可以促进血小板黏附、血小板聚集以及血小板体外活化。此外, 这种复合微球显示出良好的生物降解性和非细胞毒性。此种微球有助于血小板栓子的形成, 为进一步研究止血药物奠定了基础, 是伤口敷料的潜在材料。

3.2 靶向供药

3.2.1 血液给药 Rodness等[23]制作了海藻酸钙-壳聚糖微球向损伤的大鼠心肌提供心脏血管内皮生长因子。这些微球表面光滑、有浅凹、无孔, 平均直径3.2 μ m。体内实验表明, 含VEGF微球给药区域附近的心脏疤痕具有更高的毛细血管密度。心脏病发作会导致缺乏流向心脏的血液, 使心脏细胞受损。此种带有生长因子的微球可以缓解心脏梗塞区受损, 有促进血管增长、心脏组织修复和预防心衰的作用。

Fletcher等[24]制备的海藻酸-壳聚糖的水凝胶可以对模型进行可控的免疫球蛋白(immuno-globulin, Ig)G抗体及Fab抗体片段的传递。这些抗体的可控性传递可以对生物进行靶向给药, 从而逐步实现特定器官的免疫以及提高给药环境的免疫强度。

3.2.2 结肠给药 近年来, 口腔结肠特异性药物传递系统更多地用于结肠类疾病。治疗结肠类疾病的挑战在于结肠药物传递系统能否耐受胃中的低pH, 并在高pH的结肠中快速释放药物。

Duan等[25]开发了新型锌离子交联海藻酸/N-琥珀酰-壳聚糖混合微球共传递锌和5-氨基水杨酸, 用于结肠炎的协同治疗。5-氨基水杨酸和锌在酸性介质中释放较少, 而在结肠碱性环境中释放较多, 并且在口服给药后没有观察到系统毒性。因此, 锌离子交联海藻酸/N-琥珀酰-壳聚糖混合物是锌和5-氨基水杨酸共传递到结肠的良好载体, 在炎症性肠病治疗中具有巨大的潜力。

Wang等[26]用海藻酸-壳聚糖微球加载淫羊藿苷, 并用三硝基苯磺酸/乙醇诱导大鼠结肠黏膜损伤。结果表明载有淫羊藿苷的微球不仅能减少结肠损伤, 也能减少炎症反应的产生。装载有淫羊藿苷的靶向微球可以通过减少炎症反应发挥结肠保护作用, 可用于治疗溃疡性结肠炎。

3.2.3 鼻腔给药 Yalcin等[27]探讨了羟丙基-β -环糊精聚合物微球对阿尔茨海默症(早老性痴呆症)的作用。实验表明, 基于脱乙酰壳聚糖或海藻酸钠的已经喷雾干燥的羟丙基-β -环糊精微球, 经鼻施用时, 通过抑制氧化反应并产生海马体凋亡信号, 使得微球能针对β -淀粉样蛋白诱导的神经毒性提供一定保护作用, 为进一步研究阿尔茨海默症的药物治疗奠定基础。

3.3 改善口服制剂

Hazra等[28]利用离子交联法制备了疏水性药物槲皮素的海藻酸-壳聚糖聚合微球。实验表明, 槲皮素的微球制剂是一种很有前途的载体, 作为疏水性良好的口服控释剂型药物, 能够有效避免口服药物在口腔中过早溶解、释放的现象。

Jelvehgari等[29]采用海藻酸-壳聚糖微球系统来改善抗组胺药物马来酸氯苯那敏的苦味。实验显示在模拟胃肠等体内环境中均能实现药物的缓慢释放, 可以用来制作一些接受度高的口服制剂。

Wang等[30]将传统的中药配方左金丸包载在海藻酸-壳聚糖微球中, 在急性胃黏膜损伤的模型中能够有效延长药效时间、减轻炎症反应、降低黏膜损伤指数。这些满载生物碱的微球有望成为治疗胃溃疡的控释药物。

3.4 运输蛋白质

Liu等[31]制备了携带有葡萄糖氧化酶(glucose oxidase, GOX)的海藻酸-壳聚糖微球(alginate chitosan microspheres, ACMS), 分别在体内和体外研究可局部靶向交付活性氧的微球能否用来治疗实体肿瘤。实验结果表明, GOX加载到海藻酸钙凝胶珠中, 通过静电作用和壳聚糖络合形成稳定的葡萄糖氧化酶体系, 其中GOX在ACMS系统表面浓度更高。在体外实验中, ACMS-GOX表现出对乳腺癌细胞的细胞毒性, 且其功效随着培养时间的增加而增加。瘤内注射ACMS-GOX显著延缓肿瘤生长, 同时毒性比一般自由GOX要低得多。表明ACMS-GOX配方可作为蛋白质类药物用于实体肿瘤的瘤内交付。

4 结语

近年来, 制备具有生物特性的天然高分子纳米微球来封装各种药物、蛋白质和DNA等成为热门的课题。海藻酸-壳聚糖微球具有良好的生物相容性、生物降解性、稳定性, 无毒性, 无免疫原性。离子凝胶法和乳化交联法制得的载药微球, 制备过程温和, 能够有效地保留高分子物质的生物活性, 作为负载各种药物的材料在医学、药学、生物工程等领域具有广阔的应用前景。

目前, 如何使缓释微球体积更加微小, 如何更加高效地传递及缓释药物, 如何有效控制药物的释放和作用周期, 以及如何创造更加简单、方便、微创的方式给药, 都是现今需要进一步研究和克服的难题。

The authors have declared that no competing interests exist.

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