3
刘文广 3 3
姚康德
孙书军 (天津大学高分子材料研究所 天津 300072) 摘 要 过去几十年里 ，有关疏水改性聚电解质的理论和应用研究取得了长足的进展 ，通常认为其不同 寻常的流变及溶解特性是由疏水基团的分子间或分子内相互作用产生的 。本文综述了近年来有关壳聚糖及 脱氧胆酸 、烷基化和棕榈酰改性壳聚糖衍生物自缔合性质的研究进展 ，并简要介绍它们在药物释放和转基因 领域的应用研究 。 关键词 壳聚糖 疏水性 自缔合 释放
中图分类号 : O63611 ; O64113 文献标识码 : A 文章编号 : 10052281X (2004) 0620984205
The Self 2A ssociation Beh avior of Chitosan and I ts H ydrophobic Derivatives
3 3
S u n S h uju n Liu W enguang Yao K an g de
( R esearch Institute of P olym eric Materials , T ianjin University , Tianjin 300072 , C hina )
Abstract Over the past decades , much progress has been m ade in the theoretical research and the applicati on of hydrophobically 2m odified polyelectrolytes ( H MPE s ) . The H MPE s show unusual rheol ogical features and high solubiliz ati on properties , which are generally considered to originate from the inter 2or intra interacti on of hydrophobic m oieties. In this article , the latest progress in the study on the sel f 2ass ociati on behavi ors of chitosan , deox ycholic acid 2 , alkyl 2 and palmitoyl 2m odi fied chitosan derivatives is reviewed. Their applicati ons in drug delivery system and transgenic vectors are described as well .
对外经贸实务
chitosan ; hydrophobicity ; sel f 2ass ociati on ; delivery
K ey w or d s 然存在的聚电解质 ，因为通常存在多种与分子间相
互作用有关的因素 ，所以其缔合行为比合成的聚电
解质更复杂 。壳聚糖作为自然界含量第二丰富的天 然聚电解质 ，对其自缔合行为的研究具有十分重要 的理论和实际意义 ，且其具有良好的生物相容性和 生物可降解性 ，这为其作为药物和基因释放载体提 供了可能 。 本文将简要介绍壳聚糖及三类疏水改性壳聚糖
自缔合性质的研究成果 ，以及在药物释放和转基因 领域中应用的最新进展 。
一 、引 言
几十年来 ，疏水改性聚电解质已经被许多学者 广泛研究 1 ,2 ，其不同寻常的流变学特性 、溶解特性 及自缔合特性皆缘于疏水基团的分子内或分子间相 互作用 。一般情况下 ，疏水缔合作用可以显著地改 变聚合物溶液的流变学特性 ，其中最直接的表现就 是溶液粘度的变化 。分子内相互作用缔合会使得分 子链蜷缩 ，致使溶液粘度略有下降 ；而分子间相互作 用缔合则类似物理交联 ，使溶液粘度大幅增加 。
近年来 ，聚电解质多糖的自缔合性开始为研究 人员所关注 ，其中壳聚糖及其疏水改性衍生物的自
缔合现象引起了一些学者的研究兴趣 3 —9
。对于天 二 、壳聚糖的自缔合性
壳聚糖 ( C S ) 是甲壳素脱乙酰基的产物 ，是由许
收稿 :2003 年 10 月 , 收修改稿 : 2003 年 12 月 3 国家自然科学基金重点项目资助 (No . 50233020) 3 3 通讯联系人 e 2mail :wg liu @tju. edu. cn
第 6 期
孙书军等 壳聚糖及其疏水衍生物自缔合行为
·985 ·
多无规排列的 22氨基222脱氧2D 2葡萄糖和 22乙酰氨
基222脱氧2D 2葡萄糖的重复单元组成的线性多糖 ，其 结构类似于细胞外基质中的糖胺聚糖 。在水溶液
中 壳聚糖表现出两亲分子的特征 ,Am iji
10
用芘单体
激 发态荧光中 Ⅲ峰 ( 384nm ) 与 Ⅰ峰 ( 372nm ) 强度的比
值 ⅢΠⅠ作为极性探针11
, 考察了分子量 为 70k 和
750k 两种壳聚糖 (脱乙酰度大于 70 %) 的缔合行为 。
当壳聚糖浓度低于 011m g Πm l 时 , 两种壳聚糖的 ⅢΠ Ⅰ值都约为 016 , 这一数值与在水中测得的结果相 近 ，由此推测此时未发生缔合 。但是 ，随着壳聚糖浓 度的 增 加 , ⅢΠⅠ值 也 不 断 增 大 , 当 浓 度 增 大 到
510m g Πml 时 , C S 270k 与 C S 275k 的 ⅢΠⅠ值 分 别 为 0173 和 1112 ，说明此时芘分子已进入到与二氯甲烷
和异丙醇类似的微环境中 。芘微环境疏水性的增 加 ，表明壳聚糖链已通过分子间的疏水相互作用发 生了 自 缔 合 , 通 过 对 比 发 现 , CS 2750k 的 ⅢΠⅠ值 更 高 ，这可能是由于其缔合形成了更紧密的结构 。史 向阳等12
也用两种结构类似的分子内电荷转移化 合物 ,32羟基262甲基24′2N , N 2二甲氨基黄酮丙酸酯 和 32甲氧基24′2N , N 2二甲氨基黄酮作为荧光探针 ,
证实了壳聚糖在水溶液中的缔合特性 。
此外 ，陈天等13
还借用稳态荧光测定表面活性 剂在水溶液中聚集数的方法 ，测定了壳聚糖在水溶
液中的聚集情况 。实验测得分子量为 3135 ×105
和
5187 ×105
的壳聚糖在水溶液中的聚集数 N 分别为
01033 和 01028 ，进而计算出这两种壳聚糖构成每个
疏水微区的链节数分别约为 69 和 102 。由此得出结 论 ：壳聚糖分子量越大 ，形成每个疏水微区所需的链 节数越多 ，则疏水区域越大 ；若假设壳聚糖分子链上 的每个链节均参与疏水微区的生成 ，则壳聚糖分子 量越大 ，每个壳聚糖分子链能够生成的疏水微区的 数目越多 。
由于壳聚糖具有增强生物大分子药物的透膜能 力以及生物粘附性和生物降解性 ，有助于增加生物 大分子药物在体内的吸收 ，因此在生物大分子药物 载体 。
三 、壳聚糖疏水衍生物自缔合性
11 脱氧胆酸改性衍生物
脱氧胆酸是胆汁酸的主要成分 , 胆汁酸在水中
可以自缔合形成胶束 , Lee 等18 ,19 将这一特性引入 到壳聚糖中 , 图 1 给出了脱氧胆酸改性壳聚糖衍生 物的结构式 。
图 1 脱氧胆酸改性壳聚糖的化学结构
Fig. 1 C hemical stru cture of d eoxycholic acid 2m od ified chitosan
研究发现 , 水溶液中当浓度超过临界缔合浓度
(C A C ) 时 , 脱氧胆酸疏水改性的壳聚糖就会形成
稳定的自缔合体 , 且动态光散射实验测定 , 自缔合 体的平均直径 ( d H ) 小于 200nm 。随着脱氧胆酸取 代度的增加 , 自缔合体的平均半径会略有减小 , 可
能是由于疏水性相互作用的增强 , 自缔合体内部呈 现非极性 , 形成了较紧密的结构 。同时 , 溶液中
离 子强度的增加也会导致 d H 和 C AC 有所减小 。为了 进一步估算自缔合体的缔合数 , Lee 使用了荧光猝 灭法 , 结果显示 , 一个疏水微区中脱氧胆酸的缔合 数为一常数 , 与取代度无关 。因此可以推测 , 随着 取代度的增加和壳聚糖链上脱氧胆酸数目的增多 , 由一条聚合物链形成的自缔合体内可以存在多个疏 水微区 , 即可能存在多核结构20 。
两亲聚合物形成的自缔合体要遵循能量最低结 构要求 , 由疏水性的内核和亲水性的外壳构成 , 这 种疏水Π亲水的核Π壳结构可以作为疏水物的释
放载体 。阿霉素 (ADR ) 是临床上常用的一种抗癌 制剂16 等 ，这些药剂形式都能在一定程度上避免肠 21
药物 , Lee 使用阿霉素作为模型药物研究了脱氧 胆酸改性壳聚糖的释放行为 。ADR 被物理包埋在 自缔合体内 , 冷冻干燥后的原子力显微镜照片显 示 , 包载 ADR 的脱氧胆酸壳聚糖自缔合体呈现球 形 , 进一步的荧光实验发现 , 物理包埋在自缔合体 内的 ADR 释放非常缓慢 。由于引入脱氧胆酸 , 使自 缔合体具有疏水的刚性内核 , 这就强烈地限制了包
胃道 p H 环境和酶对生物大分子药物的降解 , 提高 生物利用度 。
黄伟等
17
对壳聚糖纳米颗粒作为转基因载体
进行初步研究后证实 ，基因纳米颗粒能够转染人胚 胎肾细胞 ( HEK293) 和肝癌细胞 ( Hep G 2) ，基因能够 在这两种细胞中表达 ，因此壳聚糖也可以用作基因
化学进展
·986 ·第16 卷裹在其中的ADR 的移动, 因而导致其较慢的释放行
为。这对于药物的缓释研究是很有启示意义的。另
外, 因为自缔合体核壳结构的外壳带正电,
所以其还可以作为释放载体运送带负电的DNA 。
凝胶化。图2 是Uchegbu 给出的相邻棕榈酰基通过
疏水相互作用形成凝胶的机理。由于在实验中使
用了非共价交联和冷冻干燥方
法, 使得产物凝胶既有较大的孔隙度, 又有很好的
水合能力, 其吸水率达到自身质量的20 倍, 而没
有明显的体积变化, 因此这种软湿材料很适合用于
口腔内用药28 。此外, 这种物理交联的水凝胶,
可以通过控制其疏水程度来改变凝胶的微结构, 进
而控制药物的释放, 并且作为载体在其释放完包载
的药物后, 会逐渐消蚀降解, 这就省去了再次取出
载体的操作麻烦。
Uchegbu 等还发现, 棕榈酰化乙二醇壳聚糖
( G CP) 的分子量与其尺寸有直接的关系29 。通过
酸解降低G CP 分子量, 致使其形成的泡囊的尺寸努西达
也减小, 且泡囊的z2均平均直径与G CP 重均分子
量的算术平方根近似成正比。这种通过改变分子量
来控制泡囊尺寸的方法, 在药物释放领域可能会有
特别的应用。
进而, Uchegbu 等又将G CP 季铵盐化30 , 得到
一种新型聚皂2季铵盐化棕榈酰乙二醇壳聚
糖
( G CPQ) , 并用甲基橙和芘考察了溶液中G CPQ 聚
合物胶束的疏水区域。当甲基橙被溶解在胶束的疏
水核中时, 会产生向紫增效应31 。在G CPQ 存在
条件下, 甲基橙的最大吸收波长从465nm 移至
427nm , 这就证实了G CPQ 在溶液状态下有疏水区
域存在。
由于分子链间的疏水性缔合, G CPQ 在高浓度下
会形成凝胶。凝胶状态中的芘溶解于分子链内胶束
的疏水区域中, 当G CP Q 被稀释到溶液状态时, 仍Lee 等22 ,23将脱氧胆酸疏水改性的壳聚糖用作非病
毒载体, 琼脂糖凝胶电泳阻滞条带的实验结果证
实, 脱氧胆酸壳聚糖自缔合体与质粒DNA 间可以
形成复合物22 ,23。对C OS21 细胞的转染研究表明,
此复合物的转染效率高于裸DNA , 可能是由于壳
聚糖疏水性的提高促进了与细胞膜磷脂双层的相互
作用, 进而提高了基因的转运能力。
何其莘21 棕榈酰化改性衍生物
通常, 使用戊二醛、乙二醛或其他交联剂可以
得到壳聚糖基微球或凝胶24 ,25 , 但是由于细胞毒
性、生物相容性和生物降解性的限制, 二醛类交联
材料未能得到广泛应用。Uchegbu 等26 ,27 将疏水性
的棕榈酰基引入水溶性的乙二醇化壳聚糖中, 利用
棕榈酰基间的疏水相互作用, 冷冻干燥后形成了非
共价键交联水凝胶。一般通过共价键连接到聚合物
的疏水基团的自缔合行为, 既可以只发生在一条聚
合物链内, 也可以发生在多条不同的聚合物链上,
或者两者同时存在。通常, 在稀溶液中更倾向于分
子内的疏水缔合, 但当聚合物浓度增加时, 分子间
疏水缔合较易形成, 从而导致溶液粘度的增大,
果继续增大聚合物溶液浓度, 甚至可能发生
如
图2 通过相邻棕榈酰基间的疏水相互作用形成
棕榈酰化乙二醇壳聚糖凝胶的机理
Fig. 2 Proposed mechanism of g el formation in palmitoyl g lycol
chitosan g els inv olving hydrop hob ic interactions b etw een
neig hb ouring palmitoyl g rou p s
图3 G CPQ 聚皂凝胶的溶液特性示意图
Fig. 3 S chematic representation of the s olu tion properties
of the G CPQ p olys oap g el formu lation
第6 期孙书军等壳聚糖及其疏水衍生物自缔合行为·987 ·
状态。实际上, 当芘进入G CPQ 的凝胶中时, 便形
成了稳定的聚合物胶束缔合体。并且粘度测试数据
发现, G CPQ 中溶解芘后, 会形成一种更紧密的构
象, 说明芘分子促进了疏水链的缔合, 使得G CPQ
聚合物线团有一定的收缩。墙上画大饼
进一步的实验研究确认G CPQ 具有良好的血液
相容性及无细胞毒性, 预示其在生物医学领域应用
的良好前景。
31 烷基化改性壳聚糖衍生物
我们32图4 壳聚糖(a) 和疏水改性壳聚糖( b) 在水溶液中
形成缔合物的示意图
将不同长度的烷基侧链( 丁基、辛基、
十二烷基、十六烷基) 引入到壳聚糖上, 通过核磁
毛果绣线菊
共振结合电位滴定方法测定了产物的取代度均约为
7m ol % , 这就很容易考察由于侧链长度不同造成的
疏水性差异。通过荧光光谱法发现, 丁基壳聚糖
(42C S) 和十二烷基化壳聚糖( 122C S) 在酸性条件
下均发生了自缔合, 而脱乙酰度接近100 %的壳聚
糖并未发生自缔合。同时我们测定了42C S 和122C S
的临界自缔合浓度( C AC) 分别为7124 ×10 - 3 m gΠ
ml 和2134 ×10 - 3 m gΠml 。我们认为, 122CS 的C AC
值略低的原因可能是由于烷基侧链长度的增加导致
疏水性的增加, 促进了自缔合现象在较低的浓度下
即可发生。
对于十二烷基化壳聚糖溶液, Phili ppova33 通
过实验发现, 脲或者醇的加入, 只是部分削弱而不
是完全破坏了疏水微区, 因此他们推测溶液中有两
类疏水微区存在: 一类是典型的带有疏水侧链聚合
物自缔合形成的疏水微区; 另一类则是壳聚糖本身
所固有的疏水微区。图4 是Philippova 给出的壳聚
糖(a) 和疏水改性壳聚糖衍生物( b) 在水溶液中
的缔合示意图。
另外, Safronor34 还通过实验和数学计算方法
给出了壳聚糖( C S) 和十二烷基化壳聚糖(122CS)
的Fl ory2Huggins 相互作用参数x 值分别为- 0101 和
- 0121 , 且发现盐(NaAc) 的加入并不改变x 值。
烷基化改性多糖衍生物已被研究人员关注并在
一些领域有所应用35 —37 。姚康德研究组38 将壳
聚
糖及其烷基化衍生物作为维生素B2 的释放载体,
研究结果显示, 壳聚糖上引入烷基链后能够促进疏
水性自缔合体的形成, 增加了载药能力, 并且在酸
性条件下, 随着烷基侧链长度的增长, 分子间疏水
性相互作用增强, 导致载体膜的渗透系数和扩散系
数相应减小, 对药物起到了缓释的作用。最近, 刘
Fig. 4 S chematic representation o f ag g reg ates formed in
aqu eous solu tions of chitosan (a) and hydrop hob ically
m od ified chitosan ( b)
验时发现, 裸DNA 被酶解成碎片, 而与122CS 复
合的DNA 保持完好40 。图5 为加入DNA酶后, 裸
DNA (a) 和从复合物中释放出来的DNA ( b) 的原
子力显微镜照片。由图可见, 由于长疏水烷基链的
引入, 阻止了DNase 的渗透, 从而起到保护DN A
防止酶解的作用。
图5 加入DNA 酶后, 裸DNA ( a) 和从复合物中释放
出来的DNA ( b) 的原子力显微镜照片
Fig. 5 AFM imag es of p ure DNA ( a )and DNA released
from c omplex ( b) w ith the add ition of DNase .
四、结束语
近几十年来, 科研人员对壳聚糖进行了大量系
统的研究, 已经取得了丰硕的成果。但是, 对壳聚
糖及其衍生物疏水缔合的研究才刚刚开始, 仍有许
多物理化学问题没有弄清, 如分子量和取代度对缔
合的影响, 缔合体形成胶束的稳定性和尺寸的控制
等, 特别是作为基因释放载体时, 还存在着转染率
不高等问题。这需要化学家、材料学家、生物学家
共同努力, 推动这一领域的进展。
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