醫(yī)療診斷用高分子材料

醫(yī)療主講：用高分子材料教師號11145藥物化學與藥物分析教研室醫(yī)療用高分子材料用微球磁性高分子微球生物傳感高分子材料在器中的應用用微球一、基本概念二、

方法高分子成球高分子親和微球三、在醫(yī)療

中的應用一、基本概念定義：高分子微球是指直徑在納米級至微米級形狀為球形或者為其他幾何形

狀的高分子材料或高分子復合材料。組成：載體、鍵合在微球表面的功能基團、所固定的生物活性物質。分類：①天然高分子微球—聚多糖類（淀粉、海藻酸及其鹽類、膠等）、蛋白質（明膠、清蛋白等）。②

高分子微球—以苯乙烯、乙烯基吡啶、丙烯酸酯、丙烯酰胺以及它們的衍生物為原料

，聚乳酸（PLA）、乳酸/羥基乳酸共聚物（PLGA）③半高分子微球—纖維素衍生物（羧甲基纖維素、羥甲基纖維素等）優(yōu)點：①體積小②比表面積大③易控制成單分散性④生物相容性良好⑤易于表面化學改性⑥易于分離和提純二、

方法方法1.高分子微球的主要有兩條路線：一是從已有的高分子（包括高分子和天然高分子）開始，利用乳液溶劑蒸發(fā)、噴射干燥、相分離等方法將高分子成微球。二是

從小分子單體開始

，利用懸浮聚合、乳液聚合、沉淀聚合、分散聚合等方法將單體

成微球。路線1：-溶劑蒸發(fā)法：噴霧干燥法：相分離法：其主要原理是：將高分子材料溶解在互不相溶的兩種液體中，利用材料在兩種溶液溶解性能的不同

微球。再采用過濾、冷凍干燥等方法得到微球。該法還可以通過改變溫度、pH以及非溶劑和能引起相分離的聚合物等來實現(xiàn)。其他：超聲法、低溫噴霧提取法、超臨界流體技術等。路線2：懸浮聚合：概念：通過強力攪拌并在分散劑的作用下，把單體分散成無數(shù)的小液珠懸浮于水中，由油性

劑

而進行的聚合反應。體系：疏水性單體、水（分散相)、穩(wěn)定劑（分散劑、懸浮劑）、疏水性

劑。缺點：必須使用分散劑，后期難以除去，影響聚合物性能，制得微球粒徑一般在10μm之上，單分散性不好。劑分散成乳液聚合：概念：單體在水介質中，由乳液狀態(tài)進行的聚合。特征：最重要的特征為分隔效應——聚合增長中心被分隔在為數(shù)眾多的聚合場所內，使得聚合速率高，產物分子量高。體系：疏水性單體、水（分散相）、劑、水溶性缺點：產物中有劑。劑，難以完全清除。乳液聚合體系示意圖····—低聚物基·無皂乳液聚合：特點：完全不含或只含微量

劑優(yōu)點：得到粒徑分布單一，表面“清潔”，并且其表面功能基團的數(shù)目和分布均可得到控制。增長機理：①均相增長機理②非均相增長機理影響體系最終微球的形態(tài)、微球表面特性和乳液的應用性能。無皂乳液聚合

高分子微球：(1)基本要求：使微球穩(wěn)定,

鏈和端基上

產生離子基團劑碎片法K2S2O8

分解引入-SO4-水溶性單體參加共聚制共聚單體強親水性

→微球表面穩(wěn)定表面活性單體參加共聚賦予微球表面活性，使其穩(wěn)定成核機理。細乳液聚合：特點：在亞微米單體液滴中步驟：優(yōu)點：①體系穩(wěn)定性高，有利于工業(yè)生產實施；②產物膠粒的粒徑較大，且粒徑通過控制助

劑的用量易控制；③聚合速率適中，生產易于控制。微乳液聚合：概念：油分散在水的連續(xù)相中或水分散在油的連續(xù)相中的由表面活性界面提供穩(wěn)定作用的熱力學體系。特點：①乳液是透明或半透明狀態(tài)——分散相液滴直徑為5~80nm；②分散體系中液滴之間的范德華力是隨液滴尺寸增加的，而且在某個臨界值以上才變得重要。分散聚合：概念：由溶于

（或水）的單體通過聚合生成不溶于該溶劑的聚合物，而且形成膠態(tài)穩(wěn)定的分散體系。配方：溶劑或混合溶劑單體或混合單體分散劑劑40%~60%30%~50%3%~10%1%（單體量）助分散劑和鏈轉移劑等其他添加劑。機理：低聚物沉淀機理接枝共聚物聚結機理沉淀聚合：概念：在溶液聚合的基礎上，采用適當?shù)娜軇┖吞砑觿?，使單體溶于介質中，而生成的聚合物不溶于介質中而沉淀下來，可直接得到聚合物固體。優(yōu)點：①聚合熱易于散發(fā)，體系粘度小，大大提高了聚合過程的易操作性；②反應后期剩余的單體仍然可以

擴散，這有利于提高轉化率和增大分子量；③聚合產物分子量分布窄，殘留單體大部分保留在溶劑中，有利于獲得高純度產品。聚合：概念：先用無皂乳液聚合，分散聚合或霧化法等方法制成小粒徑單分散聚合用單體進聚合物顆粒，然后以此為行溶脹，使顆粒長大，再制得粒徑較大的微球。體系：

微球（或

液滴）、單體（或單體液滴）、分散相、

劑、穩(wěn)定劑等。優(yōu)點：①可大粒徑微球，目前通過種子溶脹方法可以獲得數(shù)十微米的大粒徑微球載體；②使功能基團集中分布于表層并且可以在粒子的表層引入新的功能基；③利用聚合過程中相分離形成非球形或不規(guī)則的粒子結構，從而為制備具有特種功能的高分子微球提供了有效途徑。高分子微球的聚合方法比較2.高分子親和微球的

方法高分子親和微球即為高分子微球的表面嫁接具有特定的親和配位能力的生物活性物質，利用這些活性物質與目標物質之間的親和配位關系，選擇性地吸附并最終分離出目標物質。親和微球主要由高分子微球載體和固定于載體上的生物活性物質組成。生物活性物質的固定化：吸附法：吸附法是通過范德華力將生物活性物質吸附到微球載體上。缺點：活性物質與高分子微球的相互作用較弱，會發(fā)生活性物質脫落或交換，喪失生物活性。微球的表面特性如親水性和非均相結構對于抑制非特異性吸附和提高膠體穩(wěn)定性具有重要作用。為此Okubo對P(St-HEMA）微球的表面結構提出了三種模型，

：微球表面結構和抗體在其上的吸附狀態(tài)(陰影代表親水性區(qū)域)物理吸附操作簡便,條件較溫和,不易喪失,蛋白質的空間結構不易發(fā)生變化,但活性物質和高分子微球的相互作用較弱,兩者之間易受外界條件如:pH值、溫度、離子強度的影響而分離。共價偶聯(lián)法：概念：共價偶聯(lián)法就是通過共價鍵將生物活性物質連接到微球載體上的方法。缺點：操作較復雜,反應條件較劇烈,喪失較多優(yōu)點：活性物質與高分子微球通過共價鍵牢固地結合在一起,它可以大大延長微球的使用

,并且可設計定向偶聯(lián),因而成為目前的研究熱點。分類：直接偶聯(lián)法和間接偶聯(lián)法。直接偶聯(lián)法：高分子微球表面含有某些功能基團，如-CHO、-CH2Cl和環(huán)氧等很容易與生物活性分子的-NH2反應，如：①通過氯甲基苯中的Cl原子發(fā)生親核取代反應、②甲基丙烯酸縮水甘油酯功能化的膠粒

氧乙烷基的開環(huán)反應等，將生物分子共價偶聯(lián)到功能高分子微球上，此時就用直接偶聯(lián)法。間接偶聯(lián)法：當某些高分子微球上的功能基不能直接與生物分子上的功能基反應時,一般需要進行活化處理。活化方法很多,主要有疊氮形成法、酸酐形成法、碳二亞胺法、酰氯法、烷基化或芳基化法、重氮化法、異脲鍵合法(異硫酸法、溴化

法、

脲酰氯法)等。共價結合的氨基酸殘基應當是生物分子活性所非必需的,否則會導致生物分子損失。最典型的是膠粒表面-COOH的活化,目前主要有三種方法:a.酸酐形成法：本反應過程簡單,無須對中間產物進行分離。b.碳二亞胺法：c.活潑酯法:包埋法：概念：包埋法是應用最為普遍的固定化技術,它是將生物活性物質固定在聚合物的三

網(wǎng)狀結構中的方法。分類：晶格法——將生物活性分子結合到半透性凝膠微球的晶格中。膠囊法——將生物活性分子

到半透性高分子膠囊中。PAM是一種常用的包埋材料,具有相當好的強度、彈性和化學惰性,多用于固定化酶和非生長微生物(如酵母細胞)。優(yōu)點：①對生物成分的活性影響較小,被包物不易泄漏,可固定高濃度的生物活性物質；②操作過程簡單,可對多種生物成分進行包埋。缺點：①必須嚴格控制許多實驗條件；②聚合物形成過程中產生的

基可能會使生物活性成分失活;③由于擴散阻力大使響應時間增加等。交聯(lián)法：交聯(lián)法就是通過雙功能或多功能分子在生物活性分子之間、生物活性分子/載體之間交聯(lián)形成網(wǎng)狀結構而使生物活性物質固定化的方法。最常用的交聯(lián)試劑如戊二醛,能在溫和的條件下與蛋白質的

氨基反應。交聯(lián)法可以加強固定化作用,但產物形成條件不易確定,必須仔細控制pH值、離子強度、溫度及反應時間等參數(shù)。三、在醫(yī)療

中的應用免疫載體將抗體或抗原通過物理吸附或化學鍵和的方法固載于微球載體表面可以制成基于微球的定量或定性檢測試劑，能夠檢測體液中對應的抗體或抗原。類風濕因子（RF）是一種抗變變性IgG的自身抗體，具有與人或動物變性IgG結合的特點。將處理過的人IgG與聚苯乙烯膠乳顆粒結當待測致敏顆粒，中含有RF時，則與致敏顆粒上變性的IgG發(fā)生反應，出現(xiàn)凝聚現(xiàn)象。陽性ab孕婦尿液中含有絨毛腺促 激素（HCG），正常人尿中無HCG。當向孕婦尿中加入一定量抗HCG抗體時，尿HCG即與抗HCG發(fā)生抗原抗體反應，此時，再加入繳入抗原（吸附有HCG的聚苯乙烯膠乳顆粒），因抗體被消耗，故不能發(fā)生

。反之，若待撿尿中無HCG（無妊娠尿），則加入的抗HCG抗體未被結合和消耗，可與隨后加入的繳入抗生反應，出現(xiàn)肉眼可見的細小顆粒。LAT優(yōu)點：快速，便宜。LAT的方法：載玻片法——定性微滴定法——半定量濁度滴定法——定量測定 物沉淀面積——定量乳膠粒發(fā)生特異性反應乳膠粒特點：粒子尺寸均勻高比表面積，親和結合容量高分散穩(wěn)定性適于抗體或抗原分子的固定，對其他蛋白附。DNA將固定在固相載體上的核酸作為探針進行核酸雜交，這在核酸技術中占有十分重要的地位。其原理是,固定化的單鏈核酸在溶液中與具有互補堿基序列的多核苷酸片段冷卻時形成雙螺旋結構，從而達到對特定DNA的檢測和序列分析的目的。血液檢測放射性標記微球、彩色標記微球、熒光標記微球、磁性標記微球可供研究組織中局部血流情況，如腫瘤脈管血流速率、視網(wǎng)膜和脈絡膜循環(huán)、肺泡微管的功能直徑定位等。栓塞性微球直接經(jīng)動脈管導入,阻塞在腫瘤血管,斷絕腫瘤組織養(yǎng)分和抑殺腫瘤細胞,可作為雙重抗腫瘤藥劑。哈德斯菲爾德大學的研究

在《歐洲制藥科學雜志》上一篇文章中描述，聚合物微球應用于肝癌治療中,注入供給腫瘤的動脈,它們

血液流動、切斷氧氣和營養(yǎng)物質的供應。然后微球也可直接將抗癌藥物

進入腫瘤,減少系統(tǒng)性副作用。磁性高分子微球一、基本概念二、

方法三、表面功能化四、在醫(yī)療

中的應用一、基本概念定義：磁性高分子微球是指通過適當?shù)姆椒ㄊ褂袡C高分子與無機磁性物質結合起來形成具有一定磁性及特殊結構的微球。特點：同時兼具普通高分子微球的眾多特性和磁性納米材料的磁響應特征，不但能通過共聚及表面改性等方法賦予其表面功能基團，還能在外加磁場的作用下方便迅速地分離。按照結構不同分類：①殼-核結構高分子材料作為核，磁性材料作為殼層。②核-殼結構磁性材料為核，高分子材料組成殼層。③殼-核-殼結構外層和內層為高分子材料，中間為磁性材料。磁性微球結構磁性物質

高分子層

功能配基磁性材料：γ-Fe2O4、Me-Fe2O4（Me =

Co，Mn，Ni）、Fe3O4、Ni、Co、Fe、Fe-Co和Ni-Fe合金等，目前被研究最多且應用最廣泛的是鐵及其氧化

物（Fe、Fe2O4和Fe3O4等）。高分子材料：聚乙烯亞胺、聚乙烯醇、多糖(纖維素、瓊脂糖、葡聚糖、殼聚糖等)和牛白蛋白等。表面常帶有化學功能的基團,如-OH、-NH2、-COOH和-CONH2等，使得磁性微載體就幾乎可以偶聯(lián)任何具有生物活性的蛋白。功能配基：配基必須具有生物專一性的特點,而且載體和微球與配基結合后不影響或改變配基原有的生物學特性，保證微球的特殊識別功能。二、

方法根據(jù)不同的結構類型具有不同的

方法。就高分子包覆磁性無機粒子類微球而言，目前通常采用包埋法、單體聚合法、和原位法這三種方法來

。其中單體聚合法與一般的高分子微球采用同樣的方法，即懸浮聚合法、乳液聚合法、細乳液聚合法、微乳液聚合法和分散聚合法等多種方法。1.包埋法概念：將磁性粒子分散于高分子溶液中，通過霧化絮凝、沉積、蒸發(fā)等方法得到包有一定量磁微粒的高分子微球。如下圖所示：特點：磁性微粒與大分子之間主要是通過范德華力、氫鍵和螯合作用以及功能基間的共價鍵相結合。常用的包埋材料：纖維素、尼龍、磷脂、聚酰胺、聚丙烯酰胺、硅烷化合物等。舉例：Bahar等人將懸浮有Fe3O4粒子的聚苯乙烯氯仿溶液倒入水中，攪拌，

，然后蒸發(fā)出溶劑，得到磁性聚苯乙烯微球。優(yōu)點：方法簡單缺點：得到的微球粒徑分布寬，形狀不規(guī)則，粒徑不均勻，殼層中難免混有溶劑、劑或沉淀劑，用于免疫檢測或細胞分離等領域時，微球的生物相容性將受到影響。同時，該方法僅限于某些可溶或可熔的高分子，而且需要額外的分離設備和能源消耗。2.單體聚合法在磁性粒子和有機單體存在的情況下，根據(jù)不同的聚合方式加入不同的助劑來聚合制備磁性高分子微球的方法。3.原位法概念：該方法首先制得單分散的致密或多

孔高分子微球，此球根據(jù)不同的需

要含有可能與鐵鹽形成配位鍵或離

子鍵的基團（如含有N基團，環(huán)氧基，羥基，磺酸基等）。然后可根據(jù)高分子微球所具有的不同功能基以不同的方法來

磁性高分子微球。優(yōu)點：①在磁化過程中，單分散高分子微球的粒徑和粒徑分布不變，所得磁性高分子微球也就具有良好的單分散性；②磁性粒子在整個高分子微球中均勻分布，且濃度相同，從而使磁性微球在磁場下具有一定的磁性響應；③可以

各種粒徑的致密或多孔的磁性高分子微球，且可出磁含量大于30%的高磁含量微球。三、表面功能化要利用磁性高分子微球表面的功能性，必須使磁性微球表面帶上所希望的功能基團。方法：單體共聚法表面處理法常用的表面基團：羧基、氨基表面基團見表3-5四、在醫(yī)療

中的應用1.免疫檢測在免疫檢測中，磁性高分子微球表面上偶聯(lián)的抗體（或抗原）可與環(huán)境中特異性抗原（或抗體）結合，形成抗原-抗體復合物，在外加磁場作用下，使特異性抗原（或抗體）與其他物質分離。這種分離方法克服了放射免疫測定（RIA）和傳統(tǒng)酶聯(lián)免疫測定方法的缺點，具有靈敏度高、檢測速度快、特異性高、重復性好等

優(yōu)點，更重要的是能將待檢測物質分離出來。舉例：抽出患者骨髓，通過細胞分離除去腫瘤患者骨髓液中的腫瘤細胞，在患者經(jīng)過放射或化療后重新注入已凈的骨髓來輔助放射和化療，實現(xiàn)對腫瘤患者更有效的治療。Briscoe等利用磁性微球成功地在骨髓移植過程中對骨髓中的T細胞進行了分離。免疫磁性微球的分離原理直接法對細胞進行分類抗CD3磁球磁球結合T細胞加入B和T細胞中負向選擇正向選擇磁架進行分離間接法對T細胞進行分離單克隆抗體CD3羊抗鼠修飾磁球BiomagT細胞2.核酸研究免疫磁球可以看作是親合層析技術中的微型配基裁體，借助親合素-生物素（Biotin-Avidin）系統(tǒng)免疫磁球可與非蛋白質結合，生物素和親合素間有著高度的親和力，兩者的結合迅速、專一、穩(wěn)定，在分子生物學、醫(yī)學、免疫組織化學等領域中的應用也越來越廣泛，與生物磁珠技術結合后，更是產生了的發(fā)展前景，并廣泛地應用于分離純化RNA、mRNA、核酸片段等及相關研究。高分子材料在

生物傳感器中的應用一、生物傳感器簡介二、生物傳感器用高分子固定化載體三、應用舉例一、生物傳感器簡介概念：生物傳感器是利用生物要素與物理化學檢測要素結合在一起對被分析物進行檢測的裝置。組成：生物識別元件（感受器）信號轉換器（換能器）信號檢測元件（檢測器）生物傳感器結構框圖生物分子作識別元件的傳感器包括酶-底物、酶-輔酶、抗原-抗體、激素-受體、DNA雙螺旋拆分的分子等，把它們的一方固定化后都可作為識別元件來選擇地測量另一方。除了生物大分子以外，還可以用細胞器、細胞、組織、微生物等具有對環(huán)境中某些成分識別功能的元件來作識別元件。甚至可以用人工

的受體分子與傳感器結合來測定微生物、細胞和相關的生物分子。二、生物傳感器用高分子固定化載體生物傳感器中的生物活性物質是傳感器的部分，它們一般都溶于水，本身不穩(wěn)定，需要固定在各種載體上才能延長其活性，固定化技術的應用，很大程度上決定著傳感器的性能。目前固定化載體用的最多的是高分子材料。1.惰性高分子材料常用：聚氯乙烯、聚硅氧烷、聚氨酯、氟碳聚合物等。舉例：Mizutani等人采用聚二甲基硅氧烷包埋葡萄糖氧化酶構建了一種葡萄糖傳感器，后來他們研究組又采用聚二甲基硅氧烷固定了三種酶構建了一種尿素傳感器。新的物理

為固定化新方法的開發(fā)應用及傳統(tǒng)方法的改進提供了良好條件。其中光交聯(lián)具有條件溫和、易控制交聯(lián)度、對酶和細胞活性影響不大的優(yōu)點。如Hoffman等人用γ射線輻照接枝的聚合物作為固定化酶的載體，制得了具有生物活性的膜材料。2.天然高分子材料、蛋白及纖維常用：瓊脂糖凝膠、脂素等。優(yōu)點：無毒、親水、生物相容性及細胞親和性好。舉例：絲素蛋白常作為酶的固定化基材。并且絲素蛋白經(jīng)機械作用、加熱、PH的變化、添加極性溶劑等處理后容易轉變?yōu)棣抡郫B結構而不溶于水，不需交聯(lián)劑，反應條件簡單易控制。3.導電高分子材料常用：聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯優(yōu)點：①室溫進行，方法簡單，電化學聚合酶的固定化可以一步完成，并直接固定于電極表面；②高分子膜的厚度和酶的固定量容易控制，制得的傳感器重現(xiàn)性好；③高分子膜嚴格地在電極的有限表面上形成，有利于電極的微型化和陣列電極上酶的固定化；④具有優(yōu)良的

能力。舉例：聚苯胺（PAN)具有獨特的摻雜行為和良好的電化學可逆性，原料易得，合成方法簡單，在生物傳感器中的應用十分廣泛。它可通過改變聚合時的電流密度或通過摻雜來調節(jié)PAN膜孔徑大小以提高傳感器的性能。PAN及其衍生物膜制得的傳感器具有響應快、檢出限低、線性范圍寬等優(yōu)點。4.離子交換聚合物材料采用離子交換聚合物膜修飾電極可以有效的消除電活性物質的干擾Eastman-AQ：涂于電極表面上，形成的膜除具有強的附著力外，且具有預富集、離子交換及防污性能。由于Eastman-AQ膜對電極表面具有較強的吸附力，其厚度對傳感器的性能影響較大，一般較薄的膜既能提供對陰離子物質（抗壞血酸、尿酸等）的排斥作用，又增加了陽離子物質（如多巴胺、腎上腺素和去鉀腎上腺素等）的電流響應。Nafion：①對有機陽離子，尤其是有機金屬陽離子的交換選擇系數(shù)特別高，能抵抗陰離子和許多生物分子的干擾作用；②化學性質和熱力學穩(wěn)定性非常好，它在水中溶脹但不溶于水，且在適當條件下可溶于，因此能在電極表面形成修飾膜。③Nafion膜簡單、離子交換量大、附著力強、選擇性和防污性能好，而且不影響酶的活性。5.水凝膠定義：水凝膠是在水中溶脹并保持大量水分而又不溶解的聚合物。優(yōu)點：具有良好的生物相容性，固定在水凝膠中的生物分子活性能夠保持較長時間。分類：“傳統(tǒng)的”水凝膠

“環(huán)境敏感的”水凝膠“傳統(tǒng)的”水凝膠一般都采用將其與其他高分子材料進行復合實現(xiàn)對酶的固定化。用強親水性的水凝膠包埋方法固定化酶，雖能給酶提供一個類似

的環(huán)境，但存在酶的泄漏問題，生物傳感器的穩(wěn)定性不佳。提高穩(wěn)定性一般有兩種方法：①用親水和疏水單體共同固定化酶；②將其通過共價鍵鍵合到水凝膠上，并可通過引入“

”分子使酶的失活降到最低程度。根據(jù)水凝膠的環(huán)境敏感性，可將它與生物傳感器物理元件相連，然后將生物分子固定在水凝膠表面或，便可得到生物傳感器，用于疾病及做日常監(jiān)測。如利用水凝膠固定抗原，可用于免疫檢測。6.高分子復合物概念：兩種不同性質的高分子體系，經(jīng)氫鍵力、庫倫力、給-受電子體的相互作用力、范德華力、疏水鍵力等次價力聚合而成。優(yōu)點：具有優(yōu)良的質量傳遞性能，對