海藻酸钠壳聚糖微胶囊的制备及应用

海藻酸钠壳聚糖微胶囊的制备及应用

海藻酸钠微带（apa）是目前研究最多、最成熟的微带。然而，由于聚吡咯酸的价格高，生物相容性低，微带apa的应用受到限制。壳聚糖与聚赖氨酸结构相似,但壳聚糖在生物相容性和资源上有明显优势,逐渐成为聚赖氨酸的理想替代材料。本文着重对海藻酸钠和壳聚糖这两种天然聚电解质材料制备微胶囊的原理、方法、影响因素和应用背景进行介绍,总结海藻酸钠/壳聚糖微胶囊(ACA)的研究方法,为进一步开发利用提供参考。1海藻酸钠和地壳聚糖的物理和化学性质1.1提高糖苷水凝胶的表达海藻酸钠(sodiumalginate)是从海藻中提取的一种天然多糖类化合物,无臭无味,易溶于水,不溶于乙醇、乙醚、氯仿和酸(pH<3)。它是由古洛糖醛酸(G段)与其立体异构体甘露糖醛酸(M段)2种结构单元以3种方式(MM段、GG段与MG段)通过α(1-4)糖苷键链接而成的线性嵌段共聚物。在其水溶液中加入Ca2+、Ba2+等阳离子后,G单元上的Na+与二价离子发生离子交换反应,G基团堆积而成交联网络结构,从而转变成水凝胶。海藻酸钠具有良好的增稠性、成膜性、稳定性、絮凝性和螯合性,应用相当广泛的。用海藻酸钠开发缓控释制剂已成为一个热门的课题。1.2碱性多糖的结构壳聚糖(chitosan)是由甲壳素经脱乙酰化反应脱去50%以上乙酰基制备而成,化学名为聚(1,4)-2-氨基-2-脱氧-β-D-葡聚糖。它是天然多糖中唯一的碱性多糖,具有许多独特的物理化学特性。因其良好的生物相容性、极小的毒性,经济,而倍受各国药学研究人员的关注。在药物制剂方面,尤其缓释、控释制剂领域,已有相当的研究深度和广度。2海洋酸钠和地壳聚糖微带的制备和影响因素2.1epp-增塑化材料薛伟明等通过理论分析与试验研究,认为Ca2+引起海藻酸钠凝胶机理为:1个Ca2+与海藻酸钠分子链段中2个GG片段通过4个配位键形成配合物,即“蛋格(Egg-box)”结构(图1),其中,由G单元的5-COO-和2-OH参与配位键形成。由于壳聚糖分子链上有大量的伯氨基,海藻酸钠的分子链上有大量的羧基,在静电力作用下,可以通过正、负电荷吸引形成聚电解质膜(图2)。李沙等通过差示扫描量热法(DSC)探讨ACA的成型机理,证实各组分不是以各自独立的形式存在于样品中,而是发生了静电相互作用,以新的相互结合状态存在;Ribeiro等研究表明海藻酸钠羧基和壳聚糖氨基之间的静电相互作用是复杂结构的主要力量。2.2海藻酸钠/壳聚糖微胶囊aca的制备制备海藻酸钠胶珠最常用的方法是锐孔-凝固浴法,但该法受针头直径和海藻酸钠溶液黏度的限制,制备的凝胶珠粒径较大,为了克服这些缺点,出现了一些改进技术。如静电液滴生成技术,在针头和凝胶浴之间形成静电场,从而增加了电场力,可更容易地克服针孔内壁的黏滞阻力及液滴自身的界面张力,由此得到颗粒更小的凝胶珠。此外,还有离心喷雾造粒法、喷雾法与高压静电场结合法、乳化法、气体搅拌乳化(内源凝胶)与膜乳化法等。聚电解质络合原理制备海藻酸钠/壳聚糖微胶囊(ACA),是以海藻酸钠(钙)胶珠作为微胶囊的内核,在外部要包覆聚合物膜层才能最终形成微胶囊。其方法可分为一步法、两步法和复合法。2.2.1海藻酸钠微囊组主要有2种方式:一种方式是将壳聚糖和氯化钙的混合溶液直接滴入海藻酸钠溶液中,最终形成含海藻酸钙凝聚层、壳聚糖/海藻酸钠络合层、壳聚糖沉淀层3层膜,内部是液态的微胶囊。王娜等采用此法制备ACA,固定化木聚糖酶,使酶的热稳定性、重复操作稳定性和贮藏稳定性有了明显提高。另一种方式是反向操作,即将海藻酸钠溶液滴入壳聚糖和氯化钙的混合溶液中形成微胶囊,这种方式较为常用。付加雷等用此法制备干扰素-tau(IFN-tau)微囊,得到的载药微囊外层较致密、内芯较疏松,最外层是沉淀出的壳聚糖外层,一般不含IFN-tau;中层是均匀分散有IFN-tau的壳聚糖/海藻酸钠的复合膜;内芯是均匀分散有IFN-tau的海藻酸钙芯料。陶呈斐等用此法制备酮咯酸氨丁三醇海藻酸钠微囊,优化工艺条件后制得的微囊包封率达到90%,载药量44%,在水中的释药行为符合Higuchi方程。熊何健等对茶多酚的包埋;李强等对八角茴香油的包埋;程超等对鸭跖草黄酮类物质的包埋,均采用这种方式制备海藻酸钠/壳聚糖微胶囊。2.2.2发酵剂和培养基类似于传统的APA微胶囊的制备方法,首先将海藻酸钠溶液滴到氯化钙溶液中钙化成核,然后分别用壳聚糖、海藻酸钠溶液进行包覆成膜。陈爱政等用ACA固定化细胞发酵木糖醇;付颖丽等用ACA固定化培养大肠杆菌;张杰等用ACA固定化克雷伯氏杆菌;白雪莲等用ACA固定化苹果酒酵母;熊鹰等用ACA包埋人卵巢癌细胞;张武杰等用ACA包埋载间充质干细胞;刘利萍等用ACA包埋姜油树脂,而他们制备ACA的方法均采用两步法。2.2.3壳聚糖氨基的制备复合法是在一步法和两步法基础上建立起来的,先制备海藻酸钠/壳聚糖微胶囊,然后再以双功能团分子(常用戊二醛、1,6-己二异氰酸脂或苯四甲酸二酐溶液)对微胶囊的表面进行修饰,形成壳聚糖和双功能团分子的交联层。孙万成等研究了ACA作为固定化磷脂酶A1的载体,加入1%戊二醛在4℃环境进行表面修饰10h,壳聚糖氨基可与戊二醛基形成shiff氏碱,在胶囊表面形成一层致密的保护膜。3种制备方法各有其优缺点:一步法制备方法简单,成囊速度快,微囊化物质不容易在制备过程中流失,比较适合于蛋白分子的微囊化,但制得的微胶囊球性度和光洁度较差,微胶囊之间容易黏接;两步法制备的微胶囊球性度和光洁度好,但制备过程相对繁琐,并且在制备海藻酸钙胶珠时,微囊化物质容易流失,相对而言更适合于细胞的微囊化;复合法制备的微胶囊强度较好,理化性质更稳定,但制备方法更复杂,反应条件激烈,因此不适用于敏感物质的微囊化。2.3微胶囊膜的通过性和透性影响ACA性能的主要因素有:壳聚糖分子量、pH值、溶液浓度、海藻酸钠浓度和成囊反应时间等。微胶囊性能,如强度性能、膜渗透性能、生物相容性、对包埋细胞或酶的保护性能等,是决定其能否成功应用的前提,其中以强度性能和膜的渗透性能最为关键。壳聚糖相对分子质量主要是通过影响膜厚来影响微胶囊的膜强度和其他性能。杨明珠等使用壳低聚糖代替高分子量壳聚糖,直接与海藻酸钠静电复合制备微胶囊,壳低聚糖空间位阻减小,更易扩散到海藻酸钠中形成厚膜。改变壳低聚糖溶液pH值和成膜反应时间,用倒置相差显微镜观察并计算膜厚,用回旋式振荡器、AG-10TA万能测试仪对微胶囊膜力学强度进行检测,用牛血清白蛋白做蛋白释放对膜通透性等性能进行检测,检测结果表明:用壳低聚糖在溶液pH值为7时制备出的微胶囊力学性能较好;此种微胶囊膜的通透性在较短成膜时间下主要受到膜厚的影响;当成膜时间延长,膜的致密度则成为其主要影响因素。于炜婷等以激光共聚焦扫描显微镜为研究手段,原位直观地考察了在不同pH条件下,ACA聚电解质膜的络合程度和蛋白扩散情况。结果表明:当壳聚糖溶液的pH值由3.50增加到6.50,微胶囊膜的络合深度呈现高-低-高的趋势,而微胶囊膜的膨胀性能呈现低-高-低的趋势,模型蛋白通过微囊膜的扩散呈现低-高-低的趋势,拐点均出现在pH=4.00和5.50处。刘映薇等考察了微胶囊类型、海藻酸钠黏度和壳聚糖分子量对微胶珠/囊通透性的影响。结果表明:不同类型微胶珠/囊的通透性依次为海藻酸钠(A)微胶珠>海藻酸钠/壳聚糖(AC)微胶囊>海藻酸钠-壳聚糖-海藻酸钠(ACA)微胶囊;海藻酸钠黏度越高,壳聚糖分子量越大,微胶珠/囊的通透性越低。邢楠等对海藻酸钙-壳聚糖微胶囊的牛血清白蛋白(BSA)双向通透性能进行了定量和定性的初步研究,考察了微胶囊的组成成分及海藻酸钠、壳聚糖的溶液浓度对BSA通透性能的影响。结果表明:海藻酸钙/壳聚糖微胶囊在pH1.5～2.0时通透性减弱,pH6.8时通透性增强,且海藻酸钙微胶囊通透性大于海藻酸钙/壳聚糖微胶囊;海藻酸钙/壳聚糖微胶囊中壳聚糖浓度越小,通透性越好;海藻酸钠浓度的影响不显著。2.4壳聚糖/海藻酸钠微球对模拟菌液稳定性的影响壁材的性质决定了微胶囊化产品对环境的耐受性,试验证明海藻酸钠属于肠溶性壁材,故海藻酸钠/壳聚糖微胶囊具有一定的耐酸性和肠溶性,可以对包埋物进行控制释放。蒋爱民等以海藻酸钠为壁材,制备嗜酸乳杆菌微胶囊,产品具有较好的耐酸性和肠溶性。陈洪兴等以海藻酸钠/壳聚糖为壁材,制备双歧杆菌微胶囊,并对其耐胃酸性、常温贮存稳定性和低温贮存稳定性进行观察,与未包埋的菌液进行比较均有显著提高。赵武奇等研究了壳聚糖/海藻酸钠微球对红景天苷的控制释放,将制备的微球放入模拟胃液中释放2h,再放入模拟小肠液释放8h,得出了缓释效果最佳的微球制备工艺条件。Vandenberg等对海藻酸钠/壳聚糖微胶囊在生产过程和模拟胃/肠液中影响蛋白质释放的一些理化因素进行了研究。张峻等对壳聚糖/海藻酸钠包理法制备葡萄多酚微胶囊的工艺进行研究,考察微胶囊在模拟胃液和肠液环境中的控制释放效果。结果表明:在pH6.0的条件下制备的微胶囊比pH5.0时制备的微胶囊对葡萄多酚具有更好的控释效果;被包埋物分子量越大,持续释放时间越长。Silva等用内源乳化法制备了壳聚糖/海藻酸钠微球,包封亲脂性标记物,壳聚糖作为外层涂膜,可以增加机械强度和微球在模拟肠液中的稳定性。标记物在模拟胃环境中释放很少,转移到模拟肠液中迅速释放,无壳聚糖涂层的微球释放更彻底,可能是由于标记物黏附到壳聚糖涂层上,具有较慢释放速率的涂层微球更适合作为油溶性药物的运输载体。3海藻酸钠/壳聚糖微囊的制备工艺海藻酸钠/壳聚糖生物微胶囊作为一个优良的缓释给药系统,具有良好的生物相容性和机械强度,原料易得、价格便宜,制备工艺简单且可工业化生产而倍受国内外学者关注。目前,海藻酸钠/壳聚糖微胶囊的应用研究已经涉及药物控制释放、动植物细胞培养、细胞和酶的固定化以及生化物质分离等领域,成为医学、生物、材料、制药、食品等多学科的研究热点,具有广泛的应用前景。虽然随着对海藻酸钠、壳聚糖这类天