（化學工程專業(yè)論文）海藻酸鈉理化性質(zhì)研究和特種品種制備.pdf

天津大學博士論文 摘要 海藻酸鈉作為天然生物大分子，由于其立體結(jié)構(gòu)的特殊性，表現(xiàn)出特殊的物 理化學性質(zhì)，具有可生物降解、良好的生物相容性、和生物黏附性等特性，從而 廣泛地應(yīng)用于醫(yī)藥和生物技術(shù)等領(lǐng)域。本文用熱力學、光譜學等方法對海藻酸鈉 凝膠機理進行了分析。并對海藻酸鈉的結(jié)構(gòu)組成和特種海藻酸鈉品種的制備進行 了探討。 用等溫滴定量熱法研究了鈣鋅離子與海藻酸鈉相互作用的熱力學過程。量熱 滴定擬合結(jié)果表明，c a 2 + 與海藻酸鈉相互作用時有兩種結(jié)合位點，分別對應(yīng) k i = i 2 1 e 7 ( l - m o l d ) ， a s i = 1 4 1 8 4 0 m o l t k 1 ) ， a h i = i 8 9 ( k j m o l 。1 ) ； i ( 2 = 2 9 0 e 4 ( l m o l 1 ) ，a s 2 = 7 9 0 8 ( j m o l l k 1 ) ，a n 2 = 1 8 4 ( k j m o l 1 ) 。鋅與海藻酸鈉 相互作用時只有一種結(jié)合位點，結(jié)合常數(shù)k = 9 4 7 2 ( l m o l 。1 ) ，熵變 a s = 1 2 8 9 5 ( j m o l q k 。1 ) ，焓變a h = 1 5 8 ( k j m o l 1 ) 。鈣與海藻酸鈉的相互作用比鋅 與海藻酸鈉的相互作用強。掃描電鏡照片表明，海藻酸鋅凝膠比海藻酸鈣凝膠交 聯(lián)點多，空腔比較小，腔與腔之間的隔膜比較多。 用圓二色譜對海藻酸鈉與鈣鋅離子相互作用的穩(wěn)態(tài)溶液凝膠過程進行了研 究，結(jié)果表明該過程分前后兩個階段，在臨界點之前第一階段內(nèi)，海藻酸鈉與陽 離子生成的凝膠配合物結(jié)構(gòu)在線性變化范圍內(nèi)是相同的，同時速度和機理也是一 樣的。對海藻酸鈉與鈣鋅離子的選擇識別和相互作用研究表明，鈣離子與海藻酸 鈉的g 、m 單元相互作用差別很大，鋅離子與g 、m 單元相互作用差別比較小。 鋅離子對g 、m 單元的識別作用不如鈣離子。通過四個不同組成的海藻酸鈉樣 品圓二色c d 信號隨溫度變化的譜圖，結(jié)合x 射線衍射、1 3 c - n m r 技術(shù)證明海 藻酸鈉中存在雙螺旋結(jié)構(gòu)的功能微區(qū)。g 段形成的雙螺旋功能微區(qū)結(jié)構(gòu)，隨溫度 發(fā)生有序無序可逆轉(zhuǎn)變。 海藻酸鈉與二價陽離子凝膠時會發(fā)生膨脹收縮現(xiàn)象。對c u 2 + 、c a 2 + 、z n 2 + 離 子來說，膨脹收縮程度的大小，與離子大小，成鍵電子軌道等離子性質(zhì)有關(guān)。且 膨脹和收縮是可逆的。 在海藻酸鈉與鈣離子結(jié)合過程中，量熱反應(yīng)的第一類結(jié)合位點，對應(yīng)于離子 量對圓二色譜影響的第一階段線性部分，鈣鑲嵌于已存在的螺旋蛋盒空腔中，相 似于分子內(nèi)交聯(lián)，使粘度有稍微下降的趨勢。半蛋盒結(jié)構(gòu)以及二聚體聚集體形成 過程，對應(yīng)于量熱反應(yīng)的第二類結(jié)合位點，在圓二色c d 譜圖上，對應(yīng)于第二階 段的斜率比值比第一階段小。在這一過程中，以分子問交聯(lián)為主，體系粘度急劇 上升。c u z + 、c a 2 十、z n 2 + 與海藻酸鈉相互作用時，體系的焓變、熵變符合等動力 學關(guān)系，說明三種離子與海藻酸鈉的相互作用都是靜電離子相互作用。 天津大學博士論文 古羅糖醛酸裂解酶( g 1 y a s e ) 降解p o l y g b l o c k s 所得七種寡糖的產(chǎn)率分別 為3 9 5 、2 2 1 、2 1 3 、2 2 、2 4 、8 3 與1 2 。結(jié)構(gòu)鑒定結(jié)果說明，產(chǎn) 物中含有一種二聚糖a g ( 3 9 5 ) ；二種三聚糖( a g g ，2 2 1 ；a m g ，2 1 3 ) ； 產(chǎn)物中不含+ a m ，a m m 或者a g m ；產(chǎn)物中甘露糖醛酸的含量從9 增加到 1 0 6 8 ，m 含量增加了1 8 7 。根據(jù)以上實驗結(jié)果推測裂解位點位于兩個古羅糖 醛酸之間( g g ) ，使得一個古羅糖醛酸變成不飽和糖醛酸位于產(chǎn)物的非還原末 端，而另一個古羅糖醛酸位于產(chǎn)物的還原末端。這些結(jié)果驗證了g 1 y a s e 是古羅 糖醛酸專一裂解酶。此外從產(chǎn)物含量可知，五聚糖只占3 ，六聚糖幾乎沒有檢 測到，說明g 1 y a s e 酶所能識別的最長鏈段為五聚糖。用1 3 c - n m r 結(jié)合馬爾可夫 ( 貝努利) 統(tǒng)計理論對海藻酸鈉l v c r 的結(jié)構(gòu)進行分析，結(jié)果表明l v c r 中g(shù) 單元含量為3 9 7 7 。 關(guān)鍵詞：等溫滴定量熱，圓二色譜，海藻酸鈉，1 3 c - n m r ，雙螺旋，功能微區(qū)， 古羅糖醛酸裂解酶 天津大學博士論文 a b s t r a c t s o d i u ma l g i n a t e ，an a t u r a lb i o m o l e c u l e ，s h o w ss p e c i a lp h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t i e s d u et os t e r i cs t n l c m r e c h a r a c t e r i t y b e i n gb i o d e g r a d a b l e ，b i o c o m p l i a n c e a n d b i o a d h e s i v e ，a l g i n a t eh a sb e i n gw i d e l yu s e d i nt h eb i o l o g i c a la n dp h a r m a c e u t i c a l f i e l d s f o rb e t t e ra p p l i c a t i o no fa l g i n a t e ，i ti s n e c e s s a r yt h a tw es t u d yi t ss o l g e l m e c h a n i s mw i t l lt h e r m o d y n a m i ca n ds p e c t r a lm e t h o d sf r o mt h ep h y s i c o c h e m i c a l p r o p e r t i e s s i m u l t a n e o u s l y , a l g i n a t e c o m p o s i t i o n s h o w e db ed e t e r m i n e da n d p r e p a r a t i o no f i t ss p e c i a ls a m p l e sb es t u d i e d t h e r m o d y n a m i c so ft h ei n t e r a c t i o no fc a l c i u ma n dz i n ci o n s w i t hs o d i u m a l g i n a t eh a sb e e ns t u d i e db yi s o t h e r m a lt i t r a t i o nc a l o r i m e t r y t h er e s u l t ss h o w e dt h a t t h e r ea r et w os i t e sw h e nc a l c i u mi o n c o m p l e x a t e s 塒t l la l g i n a t e ，、析t i l k l = 1 2 1 e 7 ( l m o l 。1 )a s i = 1 4 1 8 4 ( j m o l l k - 1 ) ， a h l = 1 8 9 ( k j m o l 1 ) ； k 2 = 2 9 0 e 4 ( l m o l 。1 ) ，a s 2 = 7 9 0 8 ( j m o l - k 1 ) ，a h 2 = 1 8 4 ( k j m o l 。1 ) t h e r ei so n l yo n e s i t ew h e nz i n ci o ni n t e r a c t sw i t ha l g i n a t e ，w i t ht h eb i n d i n ga f f i n i t yk = 9 4 7 2 ( l m o l 叫) ， e n t r o p y a s = 1 2 8 9 5 ( j m o l q k 1 ) ，e n t h a l p ya h = 1 5 8 ( k j m o l 。1 ) t h eb i n d i n ga f f i n i t yo f c a l c i u mi o nc o m p l e x a t i n gw i ma l g i n a t ea r eg r e a t e rt h a nz i n ci o n t h es c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p y ( s e m ) m i c r o g r a p hs h o w e d t h a t t h e r e a r em o r e l i n k i n g p o i n t s ，s m a l l e rc a v i t i e s ，a n dm o r es e p t ab e t w e e nt h ec a v i t i e si nz n a l g i n a t eg e lt h a ni n c a - a l g i n a t eg e l t h es t e a d y s t a t ei n t e r a c t i o nr e s e a r c ho fc a l c i u ma n dz i n ci o n s 、析t ha l g i n a t e d u r i n gt h es o l - g e lt h r a n s i t i o nb yc i r c u l a rd i c h r o i s m ，s h o wt h i sp r o c e s si n c l u d e st h e f o r m e ra n dl a t t e rt w op h a s e s d u r i n gt h ef i r s tl i n e a rc h a n g es c a l e ，t h e 柵c t u r eo ft h e g e l c o n j u g a t eo fa l g i n a t e - m e t a li o n si sh o m o l o g i c a lb e f o r et h ec r i t i c a lp o i n t t h er a t e a n dm e c h a n i s mh a v et h es i m i l a rc h a n g e t h er e s e a r c ho fs e l e c t i v i t y ， r e c o g n i t i o na n d i n t e r a c t i o n so fc a l c i u ma n dz i n ci o n s 、) ，i t l la l g i n a t e ，s h o w st h a tt h ei n t e r a c t i o n so f c a l c i u mi o nw i 廿lg u l u r o n i ca n dm a n n u r o n i cu n i t sa r em o r ed i f f e r e n tt h a nt h a to fz i n c i o n t h es e l e c t i v i t ya n dr e c o g o n i t i o no fz i n ci o nf o rg u l u r o n i ca n dm a n n u r o n i cu n i t s a r el e s st h a nc a l c i u mi o n t h ec i r c u l a rd i c h r o i s ms p e c t r a 、析t ht e m p e r a t u r eo ff o u r d i f f e r e n tc o m p o s i t i o na l g i n a t e ，c o m b i n e dw i t hx - r a yd i f f r a c t i o na n d c n m rs p e c t r a t e c h n o l o g y , s h o w e dt h a tt h e r ea r ef u n c t i o n a lm i c r o d o m a i u si na l g i n a t e t h ef u n c t i o n a l m i c r o d o m a i n sf o r m e db yg u l u r o n a t eu n i t s ( g ) ，s h o wo r d e r - d i s o r d e rt r a n s i t i o n sw i t h t e m p e r a t u r e s w e l l i n g a n d s h r i n k i n g ，w h e na l g i n a t eg e l s w i t hd i v a l e n tc a t i o n s f o r 天津大學博士論文 c u p r i c ，c a l c i u ma n dz i n ci o n s ，t h es w e l l i n ga n ds h r i n k i n gd e g r e ea r er e l a t e dt ot h e c a t i o n i cp r o p e r t i e s ，s u c ha st h ei o n i cr a d i u s a n db o n do r b i t s f u r t h e r m o r e ，s w e l l i n ga n d s h r i n k i n ga r er e v e r s i b l e t h ep r i m a r yi t cb i n d i n gs i t e sf o ra l g i n a t ei n t e r a c t i o nw i t hc a l c i u mi o n c o r r e s p o n dt ot h ef i r s tl i n e a rs c a l ei nt h ec ds p e c t r ao fi n t e n s i t yv a r i a t i o nw i t h c a l c i u m i o nc o n c e n t r a t i o n t h ec a l c i u mi o n s i n l a yi nt h e “e g g b o x ”c a v i t i e s ，s i m i l a r w i t ht h ei n t r a r n o l e c u l a r l i n k a g e ，l e a d i n g al i t t l ed e c r e a s ef o r t h e v i s c o s i t y t h e f o r m a t i o np r o c e s so ft h eh a l f - e g g b o xs t r u c t u r ea n dd i h e l i xa g g r a t i o n s ，c o r r e s p o n dt o t h es e c o n di t cb i n d i n gs i t e s t h es l o p er a t i of o rt h es e c o n d p h a s ea r es m a l l e rt h a nt h e f i r s t d u r i n gt h i sp r o c e s s ，t h ei n t e r m o l e c u l a rl i n k a g ea r ed o m i n a t i n g ，a n dt h er e l m i v e v i s c o s i t yh o i k s c a l c i u m ，z i n c ，c u p r i ci o n si n t e r a c tw i t ha l g i n a t e ，t h e i re n t h a l p i e sa n d e h t r o p i e ss h o wi s o k i n e t i cr e l a t i o n s h i p ，c o n f i r m i n gt h a tt h e i ri n t e r a c t i o nm e c h a n i s m s a r et h es a m e s e v e n o l i g o s a c c h a r i d e s w e r e g a i n e d f r o m p o l y - g b l o c k sh y d r o l y z e db y g u l u r o n a t e l y a s e ，w i t hy i e l d s o f 3 9 。5 ，2 2 1 ，21 3 ，2 2 ，2 4 ，8 3 a n d 1 2 ，r e s p e c t i v e l y s t r u c t u r a le l u c i d a t i o ns h o w e dt h a to r d yo n ed i s a c c h a r i d e ( a c 寫3 9 5 、 a n dt w o t r i s a c c h a r i d e s ( a g g , 2 2 i ；a m g , 21 3 ) w e r e s e p a r a t e d f r o mt h e m i x t u r e b a s e do nt h ef a c tt h a tn oa m ，a m mo ra g mf r a c t i o n sw e r es e p a r a t e d ，w e p o s t u l a t e dt h a tt h eh y d r o l y s i sm a i n l yo c c u r r e db e t w e e nt w og u l u r o n i ca c i d s ( gg 1 m a k i n go n eg u l u r o n i ca c i d ( g ) r e s i d u eo nt h er e d u c i n ge n da n da nu n s a t u r a t e d g u l u r o n i ca c i d ( a ) i nt h en o n r e d u c i n ge n d t h e s er e s u l t sp r o v e dt h a tt h eg 1 y a s ew a sa g u l u r o n i ca c i ds p e c i f i cl y a s e f u r t h e r m o r e ，av e r yl o wy i e l do fp e n t a s a c c h a r i d e ( 3 、 a n dn ot r a c ea m o u n to fh e x a s a c c h a r i d e i n d i c a t e dt h a tt h em i n i m a lr e c o g n i t i o n o l i g o s a c c h a r i d e so fg l y a s es h o u l db ep e n t a s a c c h a r i d e t h es t r u c t u r ec o m p o s i t i o no f s o d i u ma l g i n a t el v c rw a sa n a l y z e d b y1 3 c - n m rw i t hm a r k o v ( b e m o u l l i a n ) s t a t i s t i c s ，齜r e s u rs h o w e dt h a tt h ea m o u n to fgu n i t si na l g i n a t el v c ri s3 9 7 7 k e yw o r d s ：i s o t h e r m a lt i t r a t i o nc a l o r i m e t r y , c i r c u l a rd i c h r o i s m ，s o d i u m a l g i n a t e ， 1 3 c - n m r , d o u b l eh e l i x ，f u n c t i o n a lm i c r o d o m a i n ，g u l u r o n a t c1 y a s e 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特別加以標注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表 或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得墨壅盤堂或其他教育機構(gòu)的學位或證 書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中 作了明確的說明并表示了謝意。 學位論文作者簽名堙紅織簽字魄支形年言臚舊 學位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學位論文作者完全了解墨鲞盤堂有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定。 特授權(quán)墨盜盤鱟可以將學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢 索，并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學校 向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。 ( 保密的學位論文在解密后適用本授權(quán)說明) 學位論文作者簽名夕參紅鴛 簽字日期：彥口d 占年三月a 、日 新躲碭乏撅 簽字嗍勿痧多哆7 日 翮舌 j - 一 刖舌 海藻酸鈉由海藻等藻類深加工而成。海藻是生長在海水里的藻類植物，是海 洋生物資源的一大家族，有2 5 0 屬，1 5 0 0 余種，有經(jīng)濟價值的種類就有1 0 0 多種。 在我國漫長的海岸線上，北至黃海的遼河、鴨綠江口，南至北部灣的白蘭河口及 西沙群島、中沙群島和南沙群島等遼闊的海域中都有海藻的蹤跡，二十一世紀世 界人工栽培海藻已非常普及，栽培總面積約2 0 萬公頃( 3 0 0 萬畝) ，海藻總產(chǎn)量約 為6 3 5 萬t ( 鮮重) ；其中，海帶3 1 0 萬t ，裙帶菜2 2 0 萬t ，紫菜7 5 萬t ，江籬1 0 萬t ，腆 鱗菜1 0 萬t ，其他1 0 萬t ?？偖a(chǎn)值約3 0 億美元以上。我國海帶和紫菜干品產(chǎn)量分別 達到了3 0 萬t 和3 萬t ，占世界的第一位和第三位【1 4 】。在我國，國家很重視海藻的 深加工技術(shù)，把海藻深加工技術(shù)列人海洋領(lǐng)域的8 6 3 研究和開發(fā)計劃。 海藻酸鈉具有抗腫瘤、調(diào)節(jié)免疫能力、消除自由基和抗氧化、抗高血脂、降 低血糖、抵抗放射起到防護效果等作用，在體內(nèi)有抗凝血作用可用來治療心血管 疾?。辉隗w外具有止血作用，可用來開發(fā)外用醫(yī)療敷料。研究人員用海藻酸系列 原材料可開發(fā)抗腫瘤、抗病毒、抗放射、抗衰老、抗心腦血管疾病的海洋藥物， 同時針對各種人群的特殊需要，研制海洋生物工程制品。 海藻酸鈉是一種線性天然生物大分子，在單元糖環(huán)上具有羧基和羥基等功能 基團，作為食品乳化劑、穩(wěn)定劑、增稠劑廣泛地用于農(nóng)業(yè)、食品加工、藥品和工 業(yè)產(chǎn)品中。海藻酸鈉帶有羧基，是一種陰離子聚電解質(zhì)，由于其本身立體結(jié)構(gòu)的 特殊性，表現(xiàn)出特殊的物理化學性質(zhì)，其在溫和條件下可與二價陽離子( 如c a 2 + 、 z n 2 十) 形成凝膠。由于海藻酸可生物降解、生物相容良好和具生物黏附性，從而 廣泛地應(yīng)用于藥學和生物技術(shù)等領(lǐng)域。鈣鋅為生物元素中的必需元素，按酸堿理 論，c a 2 + 屬于硬酸，z n 2 + 屬于軟酸，可代表兩大類金屬與配體的相互作用。c a 、 z n 2 + 對生命活動有重要意義，海藻酸鈉與c 0 抖、z n 2 + 形成的凝膠，可以使一些藥 物實現(xiàn)緩釋，正引起極大關(guān)注。 。 目前，國內(nèi)外對海藻酸鈉凝膠的研究，主要通過與其它物質(zhì)復(fù)配、交聯(lián)、覆 膜等來改變藥物溶出速度。如通過調(diào)節(jié)海藻酸鈉、氯化鈣濃度與聚賴氨酸用量來 控制粒徑大小和分布，可得到微球( 1 a r r t 級) 和納粒( n m 級) 。通過控制p h 、 n a c l 濃度等制備條件來得到一定性能要求的凝膠顆粒，從而控制釋放速率。此 外，還可通過覆膜和使用交聯(lián)劑來調(diào)控釋藥速率。以上方法主要通過實驗現(xiàn)象觀 測控釋效果，但不能從機理上闡述和預(yù)測實驗結(jié)果。要選擇適宜的制備方法，得 到工藝制備簡便可控，微球( 或微囊) 機械性能良好、符合醫(yī)藥指標的載藥率、 有良好的貯存穩(wěn)定性和符合醫(yī)藥指標的釋放速率，需要從海藻酸鈉理化性質(zhì)著 手，用物理化學、熱力學方法對海藻酸鈉的凝膠機理進行研究。 前言 近幾年，國際上結(jié)構(gòu)化學、理論化學、分子動態(tài)學的研究取得了重要進展， 我國在這方面具有較高研究水平，將物理化學、材料科學、生命科學、藥物釋放 科學相融合。如用化學熱力學( 熱化學、溶液化學) 的方法來研究海藻酸鈉的溶 液凝膠結(jié)構(gòu)、凝膠動態(tài)結(jié)構(gòu)和凝膠動力學；用分子識別和生物分子相互作用對 海藻酸鈉和無機離子之間的聚集狀態(tài)進行研究；用熱力學觀點解釋海藻酸聚集體 對藥物的緩釋行為。理論化學、分子動態(tài)學、超分子化學領(lǐng)域中的等溫滴定量熱 ( i t c ) 、圓二色譜( c d ) 、納秒光譜儀、分子探針、熒光光譜儀等方法技術(shù)可 用于海藻酸鈉研究，本課題選用了等溫滴定量熱、圓二色譜技術(shù)等研究方法。 由于m 、g 糖單元的構(gòu)象不同，不同m 、g 含量的海藻酸鈉性能不同，不 同分子量的海藻酸鈉應(yīng)用領(lǐng)域不一樣，海藻酸鈉在高科技領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展空 間，純m 段、純g 段、標準品海藻酸鈉、寡聚海藻酸鈉糖、特種組成的海藻酸 鈉樣品都屬于海藻酸鈉特種品，應(yīng)該對這些樣品的制備進行研究；包括海藻酸不 同級分的制備、提純分離和結(jié)構(gòu)組成鑒定，以及海藻酸鈉的降解技術(shù)。 綜上所述，在前人研究的基礎(chǔ)上，本文具體研究內(nèi)容包括： 1 、用等溫滴定量熱儀( i t c ) 對鈣鋅與海藻酸鈉相互作用動力學過程進行研究； 研究了魔芋葡甘聚糖與海藻酸鈉形成復(fù)雜聚集體的機理和結(jié)構(gòu)，以及魔芋葡甘聚 糖對海藻酸凝膠體系藥物釋放性能的影響； 2 、通過水解，結(jié)合核磁測定海藻酸鈉組成結(jié)構(gòu)，用圓二色色譜( c d ) 設(shè)計一種 快速簡便準確測定海藻酸結(jié)構(gòu)的方法；用圓二色色譜找到海藻酸的特征吸收峰。 在特征峰處研究海藻酸鈉的性質(zhì)及與c a 2 + 、z n 2 + 的相互作用； 3 、用重量增加法研究海藻酸鈉凝膠過程中的膨脹收縮性能，將宏觀現(xiàn)象與微觀 機理結(jié)合起來，從宏觀現(xiàn)象對所得微觀機理進行驗證； 4 、將等溫滴定量熱儀( i t c ) 、圓二色譜( c d ) 、粘度測試、膨脹收縮幾種研究 結(jié)果對比分析，對海藻酸鈉凝膠機理進一步探討，分析了其對藥物緩釋的影響； 5 、對海藻酸鈉進行分級和結(jié)構(gòu)鑒定，研究g 1 y a s e 酶對p o l y - g - b l o c k s 的降解； 并對海藻酸鈉樣品l v c r 的結(jié)構(gòu)進行分析。 2 第一章文獻綜述 第一章文獻綜述 1 1 海藻酸鈉的應(yīng)用研究狀況 1 1 1 海藻酸的結(jié)構(gòu) 海藻酸膠是海藻細胞壁和細胞間質(zhì)的主要成分，海藻酸膠分子是由p d 1 ，4 甘露糖醛酸和a l 1 ，4 古羅糖醛酸兩種單體組成的嵌段線性聚合物。在一個分子 中，可能只含有其中一種糖醛酸構(gòu)成的連續(xù)鏈段，也可能由兩種糖醛酸鏈節(jié)構(gòu)成 嵌段共聚物【l 巧】。兩種糖醛酸在分子中的比例變化，以及其所在的位置不同，都 會直接導(dǎo)致海藻酸的性質(zhì)差異，如粘性、膠凝性、離子選擇性等睜”】。海藻酸的 化學結(jié)構(gòu)見圖t 刪 h ( a )( b )( c ) ( a ) m 段( b ) g 段( c ) m g 交替段 圖1 1 海藻酸分子鏈的化學組成結(jié)構(gòu) f i g 1 1c h a i nc h e m i c a lc o m p o n e n ts t r u c t u r eo fs o d i u m 海藻酸鈉 1 1 2 用海藻酸鈉開發(fā)海洋活性藥物 海藻酸膠具有良好的生物活性，在“藍色醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)正在興起的今日【1 4 - 2 2 ，將 海藻酸系列開發(fā)成藥品保健品具有重要意義。用海藻酸系列原材料可開發(fā)抗腫 瘤、抗病毒、抗放射、抗衰老、抗心腦血管疾病的海洋藥物【2 3 4 2 1 ，海洋藥物獨特 的療效、低毒性已引起人們的高度重視。以活性物質(zhì)構(gòu)效關(guān)系的理論研究為基礎(chǔ) 研制開發(fā)防治疑難病、多發(fā)病為主的海洋多糖類藥物，同時針對各種人群的特殊 需要，研制海洋生物工程制品。 海洋生物開發(fā)技術(shù)的發(fā)展誕生了中國第一個海洋藥物藻酸雙脂鈉( p s s ) ， 就是用海藻酸膠為原料開發(fā)的，開創(chuàng)了中國海洋藥物的先河。我國的科研者后來 又以海藻酸膠為原料開發(fā)出了抗乙肝病毒新藥“海力特”、降脂抗栓新藥“甘糖 酯”、降糖藥物“降糖寧散”等藥。多種海洋藥物的開發(fā)和生產(chǎn)，掀起了海洋藥物 產(chǎn)業(yè)化的高潮。 1 1 2 1 心腦血管藥物藻酸雙酯鈉( p s s ) 和甘糖酯( p g m s ) p s s 4 1 】是從海帶等海藻中分離提取的海藻酸，經(jīng)化學修飾組成的1 種半合成 3 第一章文獻綜述 的多糖硫酸酯。它具有明顯的抗凝血、降低血粘度、降低血脂、抑制紅細胞和血 小板聚集，以及改善微循環(huán)的作用。p s s 治療缺血性心腦血管疾病總有效率達 9 1 - - - 9 8 ，而p s s 除了在心腦血管病中的應(yīng)用外，還被廣泛用于治療眼瞼黃色 瘤【4 3 ，4 4 1 、突發(fā)性耳聾、系統(tǒng)性紅斑狼瘡、糖尿病性周圍神經(jīng)病變、不安腿綜合 癥、新生兒硬化癥及銀屑病、積聚性痤瘡、變態(tài)性血管炎、系統(tǒng)性硬皮病、靜脈 炎、結(jié)節(jié)性紅斑、硬紅斑、扁平苔癬【4 5 】等。 而甘糖酯【4 2 1 ( p r o p y l e n eg l y c o lm a n n u r a t es u l f a t e ，p g m s ) 是在p s s 基礎(chǔ)上研 制的一種相對低相對分子質(zhì)量的類肝素海洋藥物，是p s s 的換代產(chǎn)品，其療效 更高，副作用小。 1 1 2 2 治療腎衰藥物腎海康( f p s ) 以褐藻酸糖膠為原料開發(fā)的腎?？? f p s ) 4 1 , 4 2 , 4 6 - 4 9 ，治療慢性腎衰，對中早 期。腎衰效果好，無毒副作用，特別對改善腎功能，提高腎臟對肌酐清除率效果尤 為顯著，現(xiàn)已按國家二類新藥獲準進入臨床研究，有的學者通過將海藻酸膠進行 酸水解得到的相對低分子質(zhì)量片段與海藻酸膠進行抗氧化能力的對比，從而得出 相對分子質(zhì)量以及分子組成對抗氧化能力的影響。 1 1 2 3 開發(fā)降膽固醇、降血脂藥物 另外，海藻酸還能降低人體內(nèi)的膽固醇。首先，海藻酸進入消化系統(tǒng)后，其 膠質(zhì)會包裹部分膽固醇，使這部分膽固醇無法被吸收。其次，人消化吸收脂肪是 靠自身分泌的膽汁酸，膽汁酸越多吸收的脂肪越多。一些膽汁酸分解脂肪后會被 腸壁再吸收和利用，而海藻酸的膠質(zhì)彌漫在腸壁上，可以阻礙膽汁酸的再吸收， 使消化道內(nèi)膽汁酸數(shù)量減少。這時，人體會自動合成新的膽汁酸來補充，而合成 膽汁酸的原料正是肝臟內(nèi)的膽固醇。這就是說，為了合成膽汁酸，肝臟內(nèi)的膽固 醇將被大量消耗，而血液中的膽固醇含量也隨之被降低。通過上述阻礙膽固醇的 吸收和促進肝臟內(nèi)膽固醇消耗，海藻酸起到了良好的降血脂作用。因此，海藻酸 膠可用于開發(fā)降膽固醇、降血脂的藥物。 1 1 2 4 特種海藻酸膠活性藥物海藻酸鉀 低分子海藻酸及海藻酸鹽是生產(chǎn)各種治療心血管疾病的主要原料，其中低分 子海藻酸鉀被譽為生命活化因子，可有效的凈化血液環(huán)境，養(yǎng)護血管，阻止血黏 度增高，不能形成血栓，使血管保持年輕狀態(tài)，防止糖尿病、動脈硬化、高血壓、 冠心病、呼吸系統(tǒng)疾病及肝臟病的發(fā)生【5 0 】。 導(dǎo)致人血壓升高的一個重要因素是人體中的微量元素鈉和鉀失去平衡。因為 吃鹽的緣故，人每天都要吃進一些鈉，但不一定能補充進足夠的鉀。因此，許多 人特別是高血壓患者經(jīng)常處于鉀低鈉高的狀態(tài)。能夠給人體補充鉀而減少鈉，顯 4 第一章文獻綜述 然是防治高血壓的一種有益方法。 海藻中的海藻酸實際上是包裹著鉀、鈣、鎂等金屬離子的混合物。海藻酸有 一特性在酸性環(huán)境里，會與鉀、鈣、鎂等金屬離子分離，在堿性環(huán)境中，又與金 屬離子結(jié)合。那么海藻進入人的胃以后，在胃酸作用下，海藻酸釋放了所含的鉀 等金屬離子。但由于海藻酸不能被胃消化吸收，所以它要繼續(xù)在人體內(nèi)旅行。海 藻酸進入腸道后，由于腸道是堿性的，它又要尋找金屬離子結(jié)合，由于人每天都 吃鹽，腸道里鈉離子最多，于是海藻酸就大量地與鈉離子結(jié)合，并將其牢牢包裹 直到排出體外。由此看來，吃海藻正好可以補充鉀和清除多余的鈉。 以海藻為原料提取低聚海藻酸鹽，研制、開發(fā)、生產(chǎn)純天然、無任何毒副作 用的藥品、保健品、功能性食品添加劑，用于治療高血壓病、高血脂癥、糖尿病， 經(jīng)過國家專利局檢索中心的檢索證實低分子海藻酸鉀可降低原發(fā)性高血壓患者 的血漿醛固酮水平，是國際首創(chuàng)。新發(fā)現(xiàn)低聚海藻酸鉀可以減少精子的畸變，提 高精子的成熟率，間接證實低聚海藻酸鉀可提高有氧代謝水平，改善微循環(huán)。雅 威特公司開發(fā)小分子海藻酸鉀注射液治療冠心病、高粘度血癥新藥的技術(shù)已得到 國家科技部資助。 利用海藻酸鉀可開發(fā)降壓、降脂新藥，開發(fā)低分子“海藻酸鉀”靜脈注射液。 低聚海藻酸鈣在降壓的同時補鈣；含鋅低聚海藻酸鉀食品降壓、補鋅、 益智；含鉻海藻酸鉀對高血壓并伴有糖尿病的患者在降壓的同時降血糖。 中國現(xiàn)有高血壓患者1 4 億，其中1 0 的患者( 1 4 0 0 萬人) 長期服用降壓藥， 按每人每月平均費用為8 2 元計算，一年每人平均支付1 0 0 0 元人，總額1 4 0 億 元，低聚海藻酸鹽系列產(chǎn)品占有1 0 的市場份額就是年銷售收入1 4 億元。 1 1 2 5 配制復(fù)方海藻酸糖合劑 黑龍江商學院中藥系藥物研究所的季宇彬教授等科研工作者用昆布多糖、海 藻酸多糖、羊棲菜多糖、海篙多糖、人參多糖、黃蔑多糖、遼寧蔥木多糖和刺五 加，按順序比例為2 ：2 ：4 ：2 ：0 5 ：1 5 ：2 ：6 制成的復(fù)方海藻酸糖合劑【5 1 】。具有良好的生 物學活性。 1 1 2 6 化學改性海藻酸膠的生物學活性 近年來，國外學者對海藻中所提取的海藻酸膠進行了化學改性的研究工作。 d a v i d t 5 2 】等學者將分子量較高的藻膠( 幾十萬一幾百萬的分子量) 用酸進行反應(yīng)， 把其降解成較低分子量( 1 萬一5 萬) ，在反應(yīng)過程中控制酸的濃度、溫度和時間可 獲得不同分子量大小的降解產(chǎn)物。通過改變其結(jié)構(gòu)，從而提高其生物活性或降低 其毒副作用。 在國內(nèi)，中國海洋大學的管華詩、胡曉柯【1 7 】等科研者用酶法水解海藻酸膠， 得到純度很高不同組成的低分子海藻酸糖片斷，具有不同的藥理學活性。例如， 5 第一章文獻綜述 高m 段可用來開發(fā)心腦血管藥物，高g 段可用來止血。 n i s h i m u r a 【5 3 】和t a k a n o 5 4 】等學者對海藻酸膠進行硫酸酯化的研究，使之具抗 病毒、抗凝血等活性。他們通過化學手段對海藻酸膠化合物分子進行結(jié)構(gòu)改性， 以獲得更多結(jié)構(gòu)類型的海藻酸膠衍生物的方法。這些研究引起世人的高度重視。 1 1 2 7 其他 海藻酸鈉膠可用做安全有效的止血藥；低聚糖海藻酸鈉可用做代血漿，是維 持血容量的良好的擴容劑，海藻酸鉀還可用做人工牙模材；低聚海藻酸保健膠囊 可適用于腎功能不全的高血壓患者。要對量大的低活性物質(zhì)海藻酸及其衍生物進 行人工修飾，使之變?yōu)楦呋钚晕镔|(zhì)。從而為海藻酸膠的進一步開發(fā)提供理論和實 例依據(jù)。 1 1 3 海藻酸作為藥物轉(zhuǎn)運載體的開發(fā) 聚合物的生物相容性或?qū)ι锝M織的免疫原性是決定其能否作為藥物釋放 載體與組織工程材料的主要因素之一，海藻酸具有良好的生物粘著性。藥劑學中 利用海藻酸鈉的溶解度特性、凝膠和聚電解質(zhì)作為緩釋制劑的載體、包埋劑或生 物粘附劑，利用其水溶脹性，作為片劑崩解劑，利用其成膜性，制備微囊，利用 其與二價離子的結(jié)合性，曾作為軟膏基質(zhì)或混懸劑的增粘劑，其中作為緩釋制劑 的骨架和包埋和微囊材料等尤為重要【5 5 1 。近年來超純的( 通過0 2 2 1 x m 微孔濾膜) 交聯(lián)海藻酸鈉作為包埋材料的植入劑已有商品出售并見有各方面文獻報道【5 5 1 。 最近國內(nèi)外科研者將海藻酸開發(fā)為新型藥物轉(zhuǎn)運載體很活躍【5 6 - 6 0 。 1 1 3 1 海藻酸用作緩釋包衣材料 一些研究者嘗試將交聯(lián)海藻酸鹽用作緩釋包衣【6 1 1 ，海藻酸鈉為水溶性聚合 物，常用于片劑制備作粘合劑和崩解劑，但其與鈣鹽作用，與鈣離子發(fā)生交鏈形 成的鈣鹽不溶于水，它形成的衣膜具控制藥物釋放速率的能力。例如：在流化床 中進行包衣，以1 海藻酸鈉水溶液與1 7 氯化鈣水溶液同時或交替噴至吲哚 美鋅和對乙酰氨基酚小丸上，帶負電的海藻酸鈉通過靜電作用與鈣離子發(fā)生交 聯(lián)，在小丸表面形成不溶性膜，膜厚1 0 0 9 m 的小丸釋藥可持續(xù)8 小時。所成之 膜光滑均勻，包衣過程中小丸不發(fā)生粘連，改變交聯(lián)劑用量或膜厚可調(diào)節(jié)釋藥速 率，處方簡單，不象水分散體要加多種穩(wěn)定劑。但包衣液中含大量水，故包衣過 程較長 1 1 3 2 海藻酸鈉與果膠在結(jié)腸給藥上的應(yīng)用 結(jié)腸內(nèi)有大量的細菌，某些細菌可產(chǎn)生p 一葡萄苷酶、纖維素酶、硝基還原 酶、偶氮還原酶等酶系，許多高分子材料在結(jié)腸被這些酶所降解【6 2 , 6 3 】，而這些高 6 第一章文獻綜述 分子材料作為藥物載體在胃、小腸由于相應(yīng)酶的缺乏不能降解，這就保證藥物在 胃和小腸不釋放 6 4 1 。同時應(yīng)考慮到消化道內(nèi)胃的p h 為0 9 1 5 ，小腸為6 0 6 8 。 在結(jié)腸為6 5 7 5 ，海藻酸，果膠都是酸性多糖，在胃內(nèi)低p h 環(huán)境中不溶解，在 腸道堿性環(huán)境下溶解，同時可被結(jié)腸酶系降解，而且由于果膠鈣，海藻酸鈣可吸 收體內(nèi)的鉛、鎘等重金屬的積累。對高血壓、便秘等慢性病有一定療效，并可降 低血糖、血脂、減少膽固醇，具有防癌、抗癌等作用。因此，海藻酸鈣，果膠鈣、 海藻酸一果膠一鈣被用來開發(fā)作為結(jié)腸定位給藥系統(tǒng)【6 5 6 6 。 1 1 3 3 海藻酸鈉被用來制作微球，微囊及用作血管栓塞劑 海藻酸鈉與鈣等二價金屬離子“交聯(lián)”形成的物質(zhì)以較穩(wěn)定的凝膠形式存在， 具有很好的生物相容性和生物粘連性，制備方法溫和，同時，海藻酸鈉作為囊材 具有如下優(yōu)點： 性質(zhì)穩(wěn)定；有合宜的釋藥速率；無毒、無刺激性；能與藥物配伍， 不影響藥物的藥理作用及含量測定；有一定的強度及可塑性，能完全包封囊心 物，或藥物與附加劑能比較完全地進入球的骨架內(nèi)；具有符合要求的粘度、滲 透性、親水性、溶解性等特性。 因此，海藻酸鈉作為微囊材料是一個很有發(fā)展前景的領(lǐng)域 6 7 。7 3 1 ，海藻酸與聚 賴氨酸、海藻酸與乙酸殼多糖、海藻酸與白蛋白等合用作復(fù)合囊材，因海藻酸鈣 不溶于水，故海藻酸鈉可用c a c l 2 固化成裂7 4 】。 最近，國內(nèi)有公司( 北京圣醫(yī)耀) 正在推廣海藻酸鈉微球血管栓塞劑【】，并 受到國家科技創(chuàng)新基金的資助。用微球或微囊進行化療栓塞可以使腫瘤縮小，也 可減少手術(shù)后的復(fù)發(fā)或轉(zhuǎn)移，改善癥狀，提高療效，減少毒副反應(yīng)，延長病人生 存期。因此對海藻酸微囊進行深入細致的研究，具有重要意義【7 5 1 。 1 1 3 4 海藻酸鈉在納米生物上的應(yīng)用 s i n j a nd e ，r o b i n s o n 等用殼聚糖一海藻酸，賴氨酸一海藻酸復(fù)合材料來做納 米微球【7 6 1 ，實驗室已做出來，應(yīng)進行理化性質(zhì)深入研究，收集對中試有指導(dǎo)意 義的參數(shù)。利用海藻酸鈉線性長鏈上富含羧基和羥基，將藥物通過價鍵接技到高 分子鏈上，然后通過分子自組裝技術(shù)進行鈉米微粒的制備，可擴大海藻酸鈉作為 藥物轉(zhuǎn)運載體的范圍和應(yīng)用性能。用i t c 可研究海藻酸鈉與其它生物高分子、 藥物、靶向位點之間的相互作用、構(gòu)象變化，為藥物載體的設(shè)計和開發(fā)提供基礎(chǔ) 性構(gòu)效關(guān)系理論【7 7 】。 1 1 3 5 作為基因治療的轉(zhuǎn)運載體 為基因治療提供新型的給藥轉(zhuǎn)運載體系統(tǒng)正引起越來越多科研者的興趣和 關(guān)注。反義技術(shù)的藥理學基礎(chǔ)是在m r n a 分子水平上降低致病蛋白基因的表達。 7 第一章文獻綜述 這一原理意味著能設(shè)計出合理的具有特定序列的核酸藥物，這些核酸藥物通過沃 森克里克( w a t s o n c r i c k ) 氫鍵作用尋找特定的m r n a 并阻止其表達。反義寡核苷 酸是陰離子生物大分子，擁有1 0 2 5 個核苷酸單位，分子量3 - - 8 k d a 它們是親 水性的( 1 0 9 d ( o e t a n o l w a t e r ) 一3 5 ) ，不能穿過生物膜；再加上降解、核酸酶的新陳代 謝，和在一些生物器官表面的粘附。這樣就降低了核酸藥物到達靶向器官的量， 以至于細胞吞噬劑量的降低。寡核苷酸轉(zhuǎn)運載體的優(yōu)化需要提高非胃腸道吸收， 正確的靶向( 時間和空間上) ，提高細胞的吞噬量和充分的細胞內(nèi)轉(zhuǎn)運。非病毒 基因載體包括陽離子脂質(zhì)體，樹枝狀聚合物和其它陽離子高分子。 海藻酸鈉具有粘液吸附，生物降解和生物相容，作為寡核苷酸載體具有誘人 的前景【5 9 1 。海藻酸鈉和低分子量的聚賴氨酸( p o l y - l 1 y s i n e ) 所形成的微膠囊，可 以保護內(nèi)分泌器官移植后的免疫排斥作用，而且b o w e r s o c k 和l e r n o i n e 已經(jīng)證明 口服和鼻腔給藥的可行性。最近報道，在小牛血管中，海