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以聚合物胶束作为疏水药物和多肽、蛋白质、基因等生物大分子药物的载体引起了研究者的极大兴趣,原因在于聚合物胶束有许多优异特性诸如纳米尺寸的核-壳结构、优良的热力学稳定性。作为最具有应用前景的药物控制释放载体之一,聚合物胶束的疏水核能负载和增溶疏水药物,亲水外壳能避药物免载体被网状皮内系统(recticuloendothelialsystem,RES)吞噬从而延长药物在血液中的循环时间,此外聚合物胶束因其纳米级的尺度而具有主动和被动的药物靶向效应,从而可以使药物在肿瘤等病灶区大量聚集。目前,虽然人们已经对大量的两亲性聚合物的合成及其聚集行为展开了深入广泛的研究(主要集中在对合成嵌段聚合物胶束的研究上),但涉及天然产物及其衍生物胶束行为的报道很少。壳聚糖是存在于甲壳类动物外壳中一种多糖,因其本身具有许多优良的生物学特性近年来已经成为最有应用前景的一种生物材料,被广泛应用于生物医学和制药领域。倘若能以壳聚糖为基本原料制备性能稳定有紧密核-壳结构的聚合物胶束,将极大促进其在药物传递系统的应用和发展。
本论文通过壳聚糖接枝疏水酰基制备了水溶性的壳聚糖衍生物,研究了它们的胶束行为与其组成、结构之间的关系以及壳聚糖聚合物胶束对药物的负载能力和对药物的控制释放能力。
为了制备水溶性的疏水酰基修饰的壳聚糖,选用酸酐作为酰化试剂,将被水溶胀的壳聚糖分散在DMSO中与脂肪酸的酸酐反应,制备了系列壳聚糖衍生物。其中包括以高(重均分子量Mw=45×104)、中(重均分子量Mw=19×104)、低(重均分子量Mw=5×104)三种分子量的壳聚糖为原料,在壳聚糖分子的氨基上引入包括硬脂酰基、软脂酰基、月桂酰基、正辛酰基和油酰基等脂肪酰基,衍生物的结构通过FT-IR和1HNMR予以确认,并用1HNMR计算出衍生物中所引入酰基的取代度。结果表明,酸酐与壳聚糖的酰化反应有高度的位置选择性,壳聚糖只有氨基参加了酰化反应。衍生物的溶解性能实验显示衍生物能溶于水和DMSO等极性溶剂,但不溶于甲苯、氯仿等有机溶剂。
系统研究了系列不同取代度、不同长度疏水酰基取代的N-脂肪酰基壳聚糖在水溶液中的胶束化行为。通过检测分子探针芘在壳聚糖衍生物水溶液中的荧光光谱,确定了不同N-脂肪酰基壳聚糖的临界聚集浓度(CAC);通过激光散射检测了系列壳聚糖衍生物在水溶液中的胶束粒径;通过透射电镜(TEM)观察了这些壳聚糖衍生物胶束的形貌和粒径分布。实验结果显示:通过在壳聚糖氨基上引入强疏水性脂肪酰基所获得的衍生物的胶束,其CAC值(最低值为1.43×10-3mg/mL)远低于文献报道的水溶性壳聚糖衍生物胶束的CAC值(文献报道最低值为1.3×10-2mg/mL);N-脂肪酰基壳聚糖胶束的粒径(80~160nm)也比文献报道的壳聚糖衍生物胶束的粒径(160~850nm)小。这些结果均显示了N-脂肪酰基壳聚糖胶束的稳定性和结构紧密性超过文献报道的壳聚糖衍生物胶束。
N-脂肪酰基壳聚糖的自组装行为受到引入疏水酰基的碳链长度及取代度的强烈影响,此外还受壳聚糖原料分子量的影响。结果表明:对以相同分子量的壳聚糖为原料合成的N-脂肪酰基壳聚糖,在相同疏水酰基取代度情况下,疏水酰基的碳链越长,所获得胶束的CAC值越低胶束越稳定,通常胶束的粒径也会减小,反映所获得的胶束结构更紧密。对相同疏水酰基接枝的相同分子量的壳聚糖,疏水基取代度增加,CAC数值下降,胶束粒径也减小,但取代度增加到一定程度后,进一步增加取代度,胶束粒径变化不大,有时反而会因局部微区溶解欠佳而导致胶束粒径变大。壳聚糖原料分子量对胶束形成有非常重大的影响,对以重均分子量过高(Mw=45×104)的壳聚糖原料合成的N-脂肪酰基壳聚糖,其在水中虽然能很快溶解,但因壳聚糖主链刚性大,衍生物难以形成胶束,在合适范围内,壳聚糖分子量下降,胶束的CAC值下降,胶束粒径减小。
通过先用醛保护壳聚糖的氨基获得壳聚糖的西佛碱中间产物,再将中间产物分散于四氢呋喃中并分别与硬脂酰氯、软脂酰氯、正辛酰氯等反应,制备出系列不同取代度不同长度疏水基修饰的水溶性壳聚糖衍生物N,O-酰基壳聚糖。用IR、1HNMR对其结构进行了表征,并用1HNMR计算壳聚糖衍生物总酰化取代度。X-射线衍射分析表明这种疏水酰基双取代的壳聚糖衍生物可溶于水和DMSO,但激光散射和荧光光谱检测表明它们在水中均不能聚集成胶束。进一步从理论探讨了N-脂肪酰基壳聚糖的胶束能得以形成的原因,并运用亲水-亲油平衡值理论分析了亲水基、疏水基的引入对两亲性壳聚糖衍生物在水中聚集行为的影响。
考察了N-脂肪酰基壳聚糖胶束对疏水药物布洛芬(IBU)的负载和控释能力,并研究了载药N-脂肪酰基壳聚糖胶束的药物释放规律和环境对药物释放行为的影响。IR,1HNMR和TEM等检测结果显示IBU分子和负载了药物的N-脂肪酰基壳聚糖分子之间存在较强的相互作用(主要是氢键作用)。N-脂肪酰基壳聚糖的取代度增加,药物的负载能力增强。体外药物释放实验结果显示:随着N-脂肪酰基壳聚糖分子疏水基取代度的增加,药物的释放速度减慢;药物的释放速度随环境温度的升高和pH值的下降而显著提高。
凝胶电泳检测表明,N-脂肪酰基壳聚糖对DNA有明显的负载复合作用,并且在很小浓度下,这种聚合物与DNA的结合依然很明显,表明在很低的N/P比值条件下,N-脂肪酰基壳聚糖就显示了对DNA强的结合能力;DNA核酸酶实验显示,N-脂肪酰基壳聚糖对DNA有很好的保护作用。