芳香化殼聚糖衍生物的合成與醫藥學應用*

王康銳, 方 英, 蔣 姝, 肖玉玲, 黃承洪

(1.重慶科技學院 化學化工學院,重慶 401331； 2.重慶輕工職業學院 藥學與護理系,重慶 400065)

0 引 言

殼聚糖是一種天然的陽離子多糖,是生物醫學應用的理想材料[1,2]。但是殼聚糖分子間強有力的氫鍵,使得殼聚糖的溶解性極差,極大地限制了殼聚糖的應用,因此對其改性處理很有必要。通常提升殼聚糖溶解性會采用酰基化、烷基化、醚化、季銨化、接枝共聚與交聯等改性方法[3～7],以提高應用價值。在改性處理中,以苯為代表的芳香性物質,固然能改善溶解性,更為重要的是，芳香性物質本身具有抗氧化性、熒光性、光敏性等特點[8],會賦予殼聚糖某些新的功能,即芳香性物質接枝殼聚糖后,以及通過工藝優化,使得新材料優點更加明顯,極大地促進了殼聚糖材料的研發和應用。

本文就典型芳香化殼聚糖衍生物材料的合成方法、工藝方法及醫藥學領域的典型應用進行了歸納和總結。

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殼聚糖的氨基是制備各種殼聚糖衍生物的最常用技術[9]。Gu C等人[10]將5 mmol殼聚糖、14 mmol鄰苯二甲酸酐溶解在N,N—二甲基甲酰胺溶液中,在氮氣保護條件下,120 ℃攪拌反應8 h,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溶劑中具有較高的溶解度,另外殼聚糖C2氨基被保護后,極大地擴展了殼聚糖C6羥基化學修飾范圍。Lin W J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,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,溶解性明顯提升。

鄰苯二甲酸酐保護殼聚糖的反應溫度較高,并且需要氮氣作為保護氣,使得實驗較為復雜。在以苯甲醛為代表的芳香醛中,在較溫和的條件下進行席夫堿反應,節省了成本,提高了效率,使得殼聚糖的氨基得以保護或改性。Mardani H R等人[12]將1.3 g殼聚糖溶于醋酸溶液中,緩慢滴加5 g/10 mL苯甲醛的乙醇溶液,在70 ℃攪拌反應3 h。過濾、干燥得黃色粉末狀的殼聚糖席夫堿。Chen Q等人[13]將殼聚糖與苯甲醛反應形成席夫堿中間體,再與溴乙烷反應,合成了N—芐基—N,N—二乙基季銨化殼聚糖材料,該材料在水和有機溶劑中有優異的溶解性。

以上是殼聚糖與苯醛衍生物直接嫁接的形式,另一種常見的方式是芳香酸與殼聚糖通過酰胺鍵進行偶聯。該方法通常會使用1—乙基—3—(3—二甲基氨基丙基)碳酰二亞胺(EDC)作為偶聯劑。例如Wang X Y等人[14]將0.31 mmol水楊酸和EDC溶解在乙醇中,在常溫、攪拌下滴入殼寡糖0.62 mmol(NH2)的水溶液,反應53 h,通過透析和凍干得到產物。Khalili S T等人[15]將苯甲酸通過介導法與殼聚糖反應制備苯甲酸化殼聚糖納米凝膠,尺寸約89 nm,該材料包封的精油在密封條件下最好,其最低抑菌濃度為300 mg/L。另外,通過介導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的抗癌特性[20],拓展了萘化殼聚糖衍生物材料的應用空間。其合成方法主要是以醛基席夫堿反應和羧基酰胺化反應為主。Woraphatphadung T等人[21]將2.0 g殼聚糖溶解在醋酸溶液中,逐滴加入兩倍氨基當量的2—萘醛的乙醇溶液于室溫攪拌24 h,得到N—萘化殼聚糖。Nowakowska M等人[22]以1—萘乙酸為原料合成,將0.5 g殼聚糖溶于醋酸溶液,緩慢滴加0.25 g/10 mL萘乙酸水溶液,攪拌反應24 h,經分離、干燥得萘化殼聚糖。該方法沒有使用偶聯劑EDC,直接在室溫條件進行酰胺化反應,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

蒽類有三個苯環的共軛芳香性結構,具有熒光性,可做示蹤劑。蒽類物質除了醛基席夫堿反應外,更需要依賴官能團的轉換,才能拓展蒽化殼聚糖材料的應用。Kumar S等人[23]將0.5 mg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24 h得蒽化殼聚糖。Prichystalová H等人[24]將9—氨基蒽通過氰尿酰氯引入氯原子后,以親核取代反應,制備具有熒光特性的蒽化殼聚糖。Wan Q等人[25]以蒽為原料,兩次官能團轉換后得到9,10—雙(醛苯)蒽,再與殼聚糖氨基反應,制備了發光聚合物納米粒子。該粒子具有獨特的成像特性,可做生物醫學探針。Cui W等人[26]首先用9—羥基蒽與琥珀酸酐反應,將羥基蒽轉化為羧基蒽,再與殼聚糖氨基進行酰胺化反應,得到由琥珀酸共聚的蒽化殼聚糖。蒽化殼聚糖最大的特點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胞成像方面都具有很大的應用潛力。

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化合物,具有特殊的生理活性和能量轉移的功能。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,可增強能量的轉移,即能有效地提高光動力治療或催化功能。Kumar S等人[27]使用醋酸將殼聚糖的氨基質子化,與帶負電的四(4—磺酰基苯基)卟啉的磺酸鹽基團通過靜電相互作用自組裝,形成卟啉化殼聚糖。Synytsya A等人[28]通過自組裝的方法制備了卟啉化殼聚糖,改變不同的pH值,可實現卟啉自聚集狀態的轉換。Jahanbin T等人[29]使殼聚糖與Gd(Ⅲ)內四(4—吡啶基)卟啉通過物理吸附締合,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，某些雜環以碳點為引發劑,制備低聚雜環芳香性物質更容易與殼聚糖反應,方法更加簡便有效[30]。

2 工藝方法

2.1 膜劑工藝

殼聚糖溶液具有成膜特性,往往用來開發膜劑。相轉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,操作簡便等特點。Cui L等人[31]通過相轉化法制備殼聚糖膜,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有任何裂紋。Zhang X等人[32]制備了沒食子酸化殼聚糖膜,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。Kumar S等人[33]在室溫干燥含有噻吩醛的殼聚糖醋酸溶液24 h,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,根據制備方法的不同,可分為物理凝膠和化學凝膠[34]。在物理鏈中,聚合物鏈通過分子間次級作用保持在一起,材料重復性差,導致其在某些領域的應用受到限制。Maity S等人[35]設計了對于Fe3+殼聚糖水凝膠,該凝膠由蒽化殼聚糖與PVA的羥基通過氫鍵作用連接,凝膠機械強度不高。在化學凝膠中,聚合物鏈通過不可逆的共價鍵結合在一起,達到長久有效的目的。Qiao X等人[36]以4—疊氮苯基乙酸接枝殼聚糖,當用紫外輻射處理形成水凝膠時,其溶液發生化學交聯,使得藥物肝素植入眼內可有效維持時間超過4周。

2.3 納米微粒/微球工藝

當前,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法、化學交聯法等方法。乳化交聯法是將藥物與殼聚糖制備成不同類型的乳液,然后加入交聯劑使內相固化制備納米粒。Mo F等人[37]通過乳液交聯法將富馬酸二甲酯包裹在殼聚糖中,微球平均尺寸為20～150 μm,最高封裝效率和裝載效率分別為85.7 %和13.2 %。化學交聯法是利用殼聚糖氨基與醛類化合物進行交聯發生氨醛縮合反應制備殼聚糖納米粒子的方法[38]。戊二醛是常見的交聯劑,在交聯過程中可以用水徹底洗滌以除去過量的戊二醛交聯劑,并且可以制備納米級材料。Esmaeili A等人[39]使用戊二醛交聯聚乙二醇化殼聚糖,采用沉淀法制備了MnFe2O4超順磁性納米粒子,平均粒徑為21～25 nm。

3 芳香化殼聚糖衍生物的醫藥學應用

3.1 光動力性能

光動力滅活/治療中,如果將光敏劑固定在惰性固體載體中,則可以實現環保和經濟可行性,從而可以回收利用[40]。光敏劑通常是具有大環共軛π鍵的芳香性物質,與殼聚糖接枝后,具有光動力效應,有望應用于光動力治療。例如,Nowakowska M等人[22]通過修飾殼聚糖獲得了包含萘基發色團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化合物反應,達到水質檢測的作用。在水質檢測方面,光敏劑還可直接殺死細菌。Bonnett R等人[41]將光敏劑鋅(Ⅱ)酞菁四磺酸與殼聚糖共價連接,并用于檢測水樣中的大腸桿菌,具有顯著的光殺滅性。為了有效減少抗生素的使用,Zhang R等人[42]合成了一種氫卟酚化殼聚糖共軛物,在光照下,局部產生單線態氧對耐藥革蘭氏陽性耐甲氧西林金黃色葡萄球菌和革蘭氏陰性鮑曼不動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,被廣泛地應用在食品公共健康領域。Moreno-Vsquez M J等人[43]接枝沒食子酸化殼聚糖,與殼聚糖相比,沒食子酸化殼聚糖對金黃色葡萄球菌和銅綠假單胞菌具有更強的抗菌活性。Wang Y等人[17]也得到相似的結果。Lee D S等人[44]將沒食子酸-g-殼聚糖測試10種食源性病原體的抗菌活性,表明沒食子酸-g-殼聚糖對革蘭氏陽性菌具有比對革蘭氏陰性菌更高的抗菌作用。同樣，Kim G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

釋藥環境影響藥物的持續釋放。Nguyen D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實現毛果蕓香堿藥物遞送,隨著芳環數目的增加,載體藥物的抗炎和抗氧化能力增強,可以長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。Sriram K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 結束語

芳香化殼聚糖拓展殼聚糖的化學修飾方法,賦予殼聚糖具有芳香性物質的特點和功能,開發了芳香化殼聚糖衍生物新材料,提供了研發及應用的相關理論。本文從苯、萘、蒽、卟啉和其他雜環芳香性物質入手,梳理了芳香性基團與殼聚糖接枝的合成方法。其中主要分為兩類,通過醛基席夫堿反應和羧基酰胺化反應。也有少數芳香性物質通過官能團轉變,得以實現芳香化殼聚糖。在工藝方面,芳香化殼聚糖可以有多種應用方式,本文梳理了膜劑、水凝膠、微球/微粒等工藝方法。在醫藥應用方面,總結了芳香化殼聚糖衍生物在光動力治療、抗菌性能和載藥性能方面的應用。未來在光電特性和納米組裝等方面可望獲得較大的進步。