芳香化殼聚糖衍生物的合成與醫(yī)藥學(xué)應(yīng)用-

芳香化殼聚糖衍生物的合成與醫(yī)藥學(xué)應(yīng)用*王康銳,方英,蔣姝,肖玉玲,黃承洪

(1.重慶科技學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院,重慶401331；2.重慶輕工職業(yè)學(xué)院藥學(xué)與護(hù)理系,重慶400065)

0引言

殼聚糖是一種天然的陽(yáng)離子多糖,是生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的理想材料[1,2]。但是殼聚糖分子間強(qiáng)有力的氫鍵,使得殼聚糖的溶解性極差,極大地限制了殼聚糖的應(yīng)用,因此對(duì)其改性處理很有必要。通常提升殼聚糖溶解性會(huì)采用?；?、烷基化、醚化、季銨化、接枝共聚與交聯(lián)等改性方法[3～7],以提高應(yīng)用價(jià)值。在改性處理中,以苯為代表的芳香性物質(zhì),固然能改善溶解性,更為重要的是，芳香性物質(zhì)本身具有抗氧化性、熒光性、光敏性等特點(diǎn)[8],會(huì)賦予殼聚糖某些新的功能,即芳香性物質(zhì)接枝殼聚糖后,以及通過(guò)工藝優(yōu)化,使得新材料優(yōu)點(diǎn)更加明顯,極大地促進(jìn)了殼聚糖材料的研發(fā)和應(yīng)用。

本文就典型芳香化殼聚糖衍生物材料的合成方法、工藝方法及醫(yī)藥學(xué)領(lǐng)域的典型應(yīng)用進(jìn)行了歸納和總結(jié)。

1芳香化殼聚糖衍生物的合成

1.1苯化殼聚糖衍生物

芳香性的鄰苯二甲酸酐保護(hù)殼聚糖的氨基是制備各種殼聚糖衍生物的最常用技術(shù)[9]。GuC等人[10]將5mmol殼聚糖、14mmol鄰苯二甲酸酐溶解在N,N—二甲基甲酰胺溶液中,在氮?dú)獗Ｗo(hù)條件下,120℃攪拌反應(yīng)8h,然后分離、干燥得到N—鄰苯二甲酰殼聚糖。該方法使N—鄰苯二甲酰殼聚糖在極性有機(jī)溶劑中具有較高的溶解度,另外殼聚糖C2氨基被保護(hù)后,極大地?cái)U(kuò)展了殼聚糖C6羥基化學(xué)修飾范圍。LinWJ等人[11]將聚乙二醇單甲醚碘化后與N—鄰苯二甲酰殼聚糖反應(yīng),再以水合肼去除鄰苯二甲酸酐,并接枝乳糖酸得到N—乳糖酸—O—聚乙二醇化殼聚糖。由于引入乳糖含有較多的羥基基團(tuán),溶解性明顯提升。

鄰苯二甲酸酐保護(hù)殼聚糖的反應(yīng)溫度較高,并且需要氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣,使得實(shí)驗(yàn)較為復(fù)雜。在以苯甲醛為代表的芳香醛中,在較溫和的條件下進(jìn)行席夫堿反應(yīng),節(jié)省了成本,提高了效率,使得殼聚糖的氨基得以保護(hù)或改性。MardaniHR等人[12]將1.3g殼聚糖溶于醋酸溶液中,緩慢滴加5g/10mL苯甲醛的乙醇溶液,在70℃攪拌反應(yīng)3h。過(guò)濾、干燥得黃色粉末狀的殼聚糖席夫堿。ChenQ等人[13]將殼聚糖與苯甲醛反應(yīng)形成席夫堿中間體,再與溴乙烷反應(yīng),合成了N—芐基—N,N—二乙基季銨化殼聚糖材料,該材料在水和有機(jī)溶劑中有優(yōu)異的溶解性。

以上是殼聚糖與苯醛衍生物直接嫁接的形式,另一種常見(jiàn)的方式是芳香酸與殼聚糖通過(guò)酰胺鍵進(jìn)行偶聯(lián)。該方法通常會(huì)使用1—乙基—3—(3—二甲基氨基丙基)碳酰二亞胺(EDC)作為偶聯(lián)劑。例如WangXY等人[14]將0.31mmol水楊酸和EDC溶解在乙醇中,在常溫、攪拌下滴入殼寡糖0.62mmol(NH2)的水溶液,反應(yīng)53h,通過(guò)透析和凍干得到產(chǎn)物。KhaliliST等人[15]將苯甲酸通過(guò)介導(dǎo)法與殼聚糖反應(yīng)制備苯甲酸化殼聚糖納米凝膠,尺寸約89nm,該材料包封的精油在密封條件下最好,其最低抑菌濃度為300mg/L。另外,通過(guò)介導(dǎo)法接枝殼聚糖的還有咖啡酸[16]、龍膽酸[17]、丁香酸[18]、香草酸[19]等帶有羧基的苯環(huán)芳香衍生物。

1.2萘化殼聚糖衍生物

萘及其衍生物具有芳香族官能團(tuán)的抗癌特性[20],拓展了萘化殼聚糖衍生物材料的應(yīng)用空間。其合成方法主要是以醛基席夫堿反應(yīng)和羧基酰胺化反應(yīng)為主。WoraphatphadungT等人[21]將2.0g殼聚糖溶解在醋酸溶液中,逐滴加入兩倍氨基當(dāng)量的2—萘醛的乙醇溶液于室溫?cái)嚢?4h,得到N—萘化殼聚糖。NowakowskaM等人[22]以1—萘乙酸為原料合成,將0.5g殼聚糖溶于醋酸溶液,緩慢滴加0.25g/10mL萘乙酸水溶液,攪拌反應(yīng)24h,經(jīng)分離、干燥得萘化殼聚糖。該方法沒(méi)有使用偶聯(lián)劑EDC,直接在室溫條件進(jìn)行酰胺化反應(yīng),并且所制備的萘化殼聚糖具有較好的水溶性。

1.3蒽化殼聚糖衍生物

蒽類有三個(gè)苯環(huán)的共軛芳香性結(jié)構(gòu),具有熒光性,可做示蹤劑。蒽類物質(zhì)除了醛基席夫堿反應(yīng)外,更需要依賴官能團(tuán)的轉(zhuǎn)換,才能拓展蒽化殼聚糖材料的應(yīng)用。KumarS等人[23]將0.5mg的殼聚糖醋酸溶液中,滴加9—蒽醛溶液。然后將溶液平鋪在玻板表面,于室溫干燥24h得蒽化殼聚糖。PrichystalováH等人[24]將9—氨基蒽通過(guò)氰尿酰氯引入氯原子后,以親核取代反應(yīng),制備具有熒光特性的蒽化殼聚糖。WanQ等人[25]以蒽為原料,兩次官能團(tuán)轉(zhuǎn)換后得到9,10—雙(醛苯)蒽,再與殼聚糖氨基反應(yīng),制備了發(fā)光聚合物納米粒子。該粒子具有獨(dú)特的成像特性,可做生物醫(yī)學(xué)探針。CuiW等人[26]首先用9—羥基蒽與琥珀酸酐反應(yīng),將羥基蒽轉(zhuǎn)化為羧基蒽,再與殼聚糖氨基進(jìn)行酰胺化反應(yīng),得到由琥珀酸共聚的蒽化殼聚糖。蒽化殼聚糖最大的特點(diǎn)是具有較好的熒光特性,兼具良好的生物相容性,不管是在藥物定位與細(xì)胞成像方面都具有很大的應(yīng)用潛力。

1.4卟啉化殼聚糖衍生物

卟啉及其衍生物是一類芳香雜環(huán)化合物,具有特殊的生理活性和能量轉(zhuǎn)移的功能。殼聚糖具有良好的生物相容性,卟啉化殼聚糖使得卟啉富集,可增強(qiáng)能量的轉(zhuǎn)移,即能有效地提高光動(dòng)力治療或催化功能。KumarS等人[27]使用醋酸將殼聚糖的氨基質(zhì)子化,與帶負(fù)電的四(4—磺?；交?卟啉的磺酸鹽基團(tuán)通過(guò)靜電相互作用自組裝,形成卟啉化殼聚糖。SynytsyaA等人[28]通過(guò)自組裝的方法制備了卟啉化殼聚糖,改變不同的pH值,可實(shí)現(xiàn)卟啉自聚集狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。JahanbinT等人[29]使殼聚糖與Gd(Ⅲ)內(nèi)四(4—吡啶基)卟啉通過(guò)物理吸附締合,從而制備了新型卟啉化殼聚糖磁共振成像造影劑材料。

1.5其他芳香化殼聚糖衍生物

其他芳香化殼聚糖主要以雜環(huán)芳香性化合物衍生物為主,如噻吩、喹啉、吲哚化殼聚糖。主要以醛基或羧基接枝殼聚糖,值得一提的是，某些雜環(huán)以碳點(diǎn)為引發(fā)劑,制備低聚雜環(huán)芳香性物質(zhì)更容易與殼聚糖反應(yīng),方法更加簡(jiǎn)便有效[30]。

2工藝方法

2.1膜劑工藝

殼聚糖溶液具有成膜特性,往往用來(lái)開(kāi)發(fā)膜劑。相轉(zhuǎn)化法是制備芳香化殼聚糖衍生物制膜的主要方法之一,具有操作條件溫和,操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。CuiL等人[31]通過(guò)相轉(zhuǎn)化法制備殼聚糖膜,乙醇作為制備殼聚糖膜的再生劑,可以防止再生殼聚糖分子的重排,與乙腈和丙酮相比,得到膜表面光滑且平坦沒(méi)有任何裂紋。ZhangX等人[32]制備了沒(méi)食子酸化殼聚糖膜,膜的物理性能和抗氧化能力受到接枝方法和接枝率的影響。KumarS等人[33]在室溫干燥含有噻吩醛的殼聚糖醋酸溶液24h,即得噻吩化殼聚糖膜。這類膜劑可用于包埋藥物和抗菌抑菌。

2.2水凝膠工藝

殼聚糖還具有水凝膠特性,根據(jù)制備方法的不同,可分為物理凝膠和化學(xué)凝膠[34]。在物理鏈中,聚合物鏈通過(guò)分子間次級(jí)作用保持在一起,材料重復(fù)性差,導(dǎo)致其在某些領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制。MaityS等人[35]設(shè)計(jì)了對(duì)于Fe3+殼聚糖水凝膠,該凝膠由蒽化殼聚糖與PVA的羥基通過(guò)氫鍵作用連接,凝膠機(jī)械強(qiáng)度不高。在化學(xué)凝膠中,聚合物鏈通過(guò)不可逆的共價(jià)鍵結(jié)合在一起,達(dá)到長(zhǎng)久有效的目的。QiaoX等人[36]以4—疊氮苯基乙酸接枝殼聚糖,當(dāng)用紫外輻射處理形成水凝膠時(shí),其溶液發(fā)生化學(xué)交聯(lián),使得藥物肝素植入眼內(nèi)可有效維持時(shí)間超過(guò)4周。

2.3納米微粒/微球工藝

當(dāng)前,殼聚糖基納米粒子的研究受到重視。納米微粒/微球工藝通常有乳化交聯(lián)法、化學(xué)交聯(lián)法等方法。乳化交聯(lián)法是將藥物與殼聚糖制備成不同類型的乳液,然后加入交聯(lián)劑使內(nèi)相固化制備納米粒。MoF等人[37]通過(guò)乳液交聯(lián)法將富馬酸二甲酯包裹在殼聚糖中,微球平均尺寸為20～150μm,最高封裝效率和裝載效率分別為85.7%和13.2%。化學(xué)交聯(lián)法是利用殼聚糖氨基與醛類化合物進(jìn)行交聯(lián)發(fā)生氨醛縮合反應(yīng)制備殼聚糖納米粒子的方法[38]。戊二醛是常見(jiàn)的交聯(lián)劑,在交聯(lián)過(guò)程中可以用水徹底洗滌以除去過(guò)量的戊二醛交聯(lián)劑,并且可以制備納米級(jí)材料。EsmaeiliA等人[39]使用戊二醛交聯(lián)聚乙二醇化殼聚糖,采用沉淀法制備了MnFe2O4超順磁性納米粒子,平均粒徑為21～25nm。

3芳香化殼聚糖衍生物的醫(yī)藥學(xué)應(yīng)用

3.1光動(dòng)力性能

光動(dòng)力滅活/治療中,如果將光敏劑固定在惰性固體載體中,則可以實(shí)現(xiàn)環(huán)保和經(jīng)濟(jì)可行性,從而可以回收利用[40]。光敏劑通常是具有大環(huán)共軛π鍵的芳香性物質(zhì),與殼聚糖接枝后,具有光動(dòng)力效應(yīng),有望應(yīng)用于光動(dòng)力治療。例如,NowakowskaM等人[22]通過(guò)修飾殼聚糖獲得了包含萘基發(fā)色團(tuán)的水溶性聚合物光敏劑,吸收近紫外光可以與水溶液中有機(jī)化合物反應(yīng),達(dá)到水質(zhì)檢測(cè)的作用。在水質(zhì)檢測(cè)方面,光敏劑還可直接殺死細(xì)菌。BonnettR等人[41]將光敏劑鋅(Ⅱ)酞菁四磺酸與殼聚糖共價(jià)連接,并用于檢測(cè)水樣中的大腸桿菌,具有顯著的光殺滅性。為了有效減少抗生素的使用,ZhangR等人[42]合成了一種氫卟酚化殼聚糖共軛物,在光照下,局部產(chǎn)生單線態(tài)氧對(duì)耐藥革蘭氏陽(yáng)性耐甲氧西林金黃色葡萄球菌和革蘭氏陰性鮑曼不動(dòng)桿菌均具有顯著的殺菌作用。

3.2抗菌性能

芳香化殼聚糖衍生物比殼聚糖具有更強(qiáng)的抗菌性,尤其是具有抗氧化活性的酚酸接枝殼聚糖后,被廣泛地應(yīng)用在食品公共健康領(lǐng)域。Moreno-VsquezMJ等人[43]接枝沒(méi)食子酸化殼聚糖,與殼聚糖相比,沒(méi)食子酸化殼聚糖對(duì)金黃色葡萄球菌和銅綠假單胞菌具有更強(qiáng)的抗菌活性。WangY等人[17]也得到相似的結(jié)果。LeeDS等人[44]將沒(méi)食子酸-g-殼聚糖測(cè)試10種食源性病原體的抗菌活性,表明沒(méi)食子酸-g-殼聚糖對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌具有比對(duì)革蘭氏陰性菌更高的抗菌作用。同樣，KimG等人[45]也證明了芳香酸化殼聚糖可以抗菌,從而防止食源性病原體的傳播。

3.3載藥性能

釋藥環(huán)境影響藥物的持續(xù)釋放。NguyenD等人[46]利用芳香族酚類化合物接枝共聚殼聚糖的疏水作用來(lái)實(shí)現(xiàn)毛果蕓香堿藥物遞送,隨著芳環(huán)數(shù)目的增加,載體藥物的抗炎和抗氧化能力增強(qiáng),可以長(zhǎng)久有效地治療青光眼。藥物釋放與載體的初始載藥量密切相關(guān)。SriramK等人[47]以苯二酮改性殼聚糖并摻雜CuO以提高疏水性藥物姜黃素的包封效率和抗癌活性,初始載藥量增加,則藥物釋放速率增加。

4結(jié)束語(yǔ)

芳香化殼聚糖拓展殼聚糖的化學(xué)修飾方法,賦予殼聚糖具有芳香性物質(zhì)的特點(diǎn)和功能,開(kāi)發(fā)了芳香化殼聚糖衍生物新材料