海藻酸盐水凝胶研究进展

1 海藻酸盐凝胶概述

海藻酸盐是从褐藻中提取的高分子化合物, 是由β-D-甘露糖醛酸 (M单元) 与α-L-古罗糖醛酸 (G单元) 依靠1, 4-糖苷键连接, 并由不同GGG、MMM片段组成的线性多聚糖 (见图1) 。对于某一海藻酸盐, 分子结构中β-D-甘露糖醛酸与α-L-古罗糖醛酸的比率以及它们的排列序列会决定该盐的性质, 因为两种单体具有不同的离解常数, 前者p Ka=3.38, 后者p Ka=3.65。研究发现, 海藻酸盐中G段含量较高时得到高凝冻强度, 而高M段含量的海藻酸盐则得到中度凝冻强度。它是唯一一种可在室温下溶于水而形成水溶胶的多糖, 其线型长分子链近似于纯聚糖醛酸的分子链。在所有的褐藻中都含有海藻酸, 它是褐藻细胞壁的重要组分, 但是只有少数几种具有商业价值, 其中包含海藻酸钠。

海藻酸钠又名褐藻酸钠、海带胶、褐藻胶、藻酸盐, 是由海带中提取的天然多糖碳水化合物。其溶液可以与很多二价和三价阳离子反应形成凝胶;凝胶可以在室温或任何高于100℃的温度条件下形成, 加热也不融化。海藻酸微球可通过挤压含所需蛋白质的海藻酸钠溶液制备, 以小滴的形式1进入二价阳离子如Ca2+、Sr2+或Ba2+等交联的溶液而制备。海藻酸盐水凝胶的强度与阳离子浓度、藻酸盐浓度有关[1]。单价阳离子和Mg2+不能形成凝胶, 而Sr2+和Ba2+所形成的凝胶比Ca2+形成的凝胶性能更强。其它二价阳离子如:P b2+、C u2+、C d2+和M n2+等也可以形成海藻酸钠交联凝胶, 但因具有毒性使其应用受限。

共聚物的凝胶化和交联主要通过古罗糖酸的钠离子与二价阳离子交换而得。二价钙离子在羧基部位进行离子取代, 另一侧链海藻酸也可与钙离子相连, 从而形成交连, 在此钙离子与两条海藻酸钠键相连。钙离子有助于把分子聚集在一起, 而分子聚合的本性和它们的聚合更加固了约束的钙离子, 这被称为协同结合。依此类推, 协同结合的强度和选择性由其舒适性决定, 包括包装在“盒子”里的“鸡蛋”的特定大小及围绕在鸡蛋周围盒子包装的层数。

海藻酸盐广泛应用于食品、医药、纺织、印染、造纸、日用化工等产品, 作为增稠剂、乳化剂、稳定剂、粘合剂、上浆剂等使用。海藻酸钠在体内能以酶降解方式形成甘露糖醛酸和葡萄糖醛酸[2~3], 从而在食品应用方面得到新的拓展。它不仅是一种安全的食品添加剂, 而且可作为仿生食品或疗效食品的基材, 由于它实际上是一种天然纤维素, 可减缓脂肪糖和胆盐的吸收, 具有降低血清胆固醇、血中甘油三酯和血糖的作用, 可预防高血压、糖尿病、肥胖症等现代病。它在肠道中能抑制有害金属如锶、镉、铅等在体内的积累, 正是因为褐藻酸钠这些重要作用, 在国内外已日益被人们所重视。

2 海藻酸盐凝胶的应用

2.1 用作酶的固定化载体

向海藻酸钠溶液中加入二价的阳离子 (如C a2+, B a2+等) 时, 多糖分子链立即会与阳离子交联形成网状结构的凝胶, 在此过程中可将酶包埋于其中。该反应过程条件温和, 操作简便, 有利于酶活的保存, 适宜用来固定生物活性酶。目前, 利用海藻酸盐凝胶固定酶的研究已经很多, 其中大多数都是用海藻酸钙凝胶。

李业梅等[4]利用海藻酸钠 (SA) 将辣根过氧化物酶 (HRP) 固定到热裂解石墨电极表面, 制备了HRP-SA膜修饰电极。研究结果表明, 包埋在SA膜中的辣根过氧化物酶可与电极直接传递电子, 并且过程伴随有质子的转移。顾旭炯等[5]以海藻酸钠为载体, 用包埋法共固定α-淀粉酶和糖化酶双酶体系, 研究了共固定化过程中双酶的比例、p H值、温度对共固定化后体系稳定性的影响, 并探讨了此双酶体系在热稳定性、储藏稳定性、连续使用稳定性方面的效果。

2.2 应用于微囊的制备及应用

在对用钙固化海藻酸钠而制备微囊时, 可以采用水相/油相 (W/O) 法, 也可直接采用水相/水相 (W/W) 法, 而W/W法也有外部固化法和内部固化法两种。单纯用Ca2+交联得到的海藻酸钙微囊, 其交联点之间的空隙大, 尽管进入体内其养分和代谢产物能自由出入, 但也存在许多不足, 如小分子药物包埋率低, 释放速度快等。为补充这一缺陷, 目前常用的是与人工合成的阳离子聚合物——聚赖氨酸酯单凝聚法或/和复凝聚法制备海藻酸微囊[6]。该微囊的大规模制备方法主要有两种, 即气体吹喷制囊法和静电微囊发生法。由于后者的静电相互作用, 无高温和化学交联的影响。对稳定性差, 生物半衰期短的生物活性物质非常适合。而且是所制备的微囊直径大小为0.25mm~0.35mm, 其大小均匀, 表面光滑。

2.3 用作金属离子螯合剂

海藻酸微溶于水, 其碱金属盐大部分都溶于水, 如海藻酸钠。但对二价、三价的金属、重金属离子可以通过单独的羟基进行螯合而形成不溶于水的凝胶 (结构式见图2) 。其螯合强度取决于金属离子的性能[7], 依下列顺序而增加:Co

王孝华等[8]通过实验, 测定了海藻酸根与Pb2+、Ca2+、Zn2+和Mn2+等典型金属离子的络合能力, 并取得了相应的络合常数。结果表明海藻酸根与Pb2+的络合能力最强, 与M n2+的络合能力最弱。

利用藻酸络合金属离子的特性, 可以把Z n (A l g) 2、Ca (Alg) 2、Mn (Alg) 2等用作食品添加剂加入食物中, 食用后, Zn (Alg) 2、Ca (Alg) 2、Mn (Alg) 2等就可以和体内的铅离子交换, 最后排出体内的铅离子等有害的元素。而锌离子、钙离子、锰离子也正是人体所需要的, 这样既补充了体内所缺乏的有益元素, 也排出了体内的有害元素[9]。

2.4 用作栓塞剂

海藻酸盐栓塞剂具有生物相容性好, 靶向栓塞定位好, 栓塞球大小易控且质量稳定, 在临床栓塞剂应用中是一种优异的选择。胡安斌等[10]研究了原发性肝癌患者经治疗后, 比较其肿瘤大小的变化, 血清甲胎蛋白值的变化和近期生存率, 实验组在引起肿瘤坏死、缩小方面强于对照组 (P<0.05) 。在甲胎蛋白的下降率和降低程度方面也比对照组好 (P<0.05) 。在近期生存率方面, 两组患者3、6个月的生存率差异不显著, 在12个月的生存率差异显著 (P<0.05) , 实验组疗效优于对照组。

另外, 微球栓塞剂还可用于甲状腺功能亢进、脾元脏器功能介入栓塞, 脑、脊髓的神经介入栓塞, 控制出血, 如肿瘤手术前止血、血管畸形导致的动脉出血, 实质脏器出血等栓塞[11]。

2.5 其它方面应用

海藻酸钠能促进巨噬细胞和人浆细胞的许多免疫学功能, 如:增强其细胞的溶解活性和刺激这些细胞分泌大量的白细胞介素1和白细胞介素6等, 而且海藻酸钠还表现出抑制肿瘤生长等功能。实验表明, 海藻酸钠能抑制小鼠的S-180, 欧利希腹水癌和同种肠化生癌。同时经研究发现, 海藻酸钠中MM块含量水平高, 其抗肿瘤活性就高, 并发现甘露糖醛酸残基是海藻酸钠中活性细胞动素的诱导者。此外, 海藻酸钠的分子构象也会影响其抗肿瘤活性[12]。

此外, 海藻酸钠在用于药物缓释和再生医学方面还有很大的发展空间[13], 尤其是各种创伤、损害所致的组织缺损及缺陷进行原位修复时, 可考虑开发利用该物质[14]。如今随着对海藻酸盐本身结构与功能的深入研究, 在全面了解并认识它与机体组织细胞间的相互作用基础上, 建议采用复合材料的形式来予以相互弥补并相互增进, 以至达到仿生性修复。

3 海藻酸盐凝胶应用前景

海藻酸盐水凝胶的生物相容性好, 材料有亲水性, 与周围流体无界面张力, 因而很少有蛋白吸附和细胞黏附, 而且凝胶柔软特性又减少了对周围组织的摩擦刺激, 适宜用作人工血管的研制。海藻酸盐水凝胶与其他聚合物相比, 价格低、来源丰富、易塑形、具有更好的亲水性, 易于细胞吸附, 营养物质易于渗透等特点;但也存在组成成分不稳定, 体内吸收差和有一定抗原性等缺点。有人通过实验发现藻酸钙微囊的强度不能满足细胞长期增殖发展的需要。Sittinger M等[15]利用藻酸钙复合软骨细胞修复兔关节缺损时, 大约20%的植入体被纤维组织取代, 认为细胞外支架材料的机械强度有待提高。

随着对海藻酸盐本身结构与功能的深入研究, 在全面了解并认识它与机体组织细胞间的相互作用基础上, 以复合材料的形式来进行研究是一个趋势, 以求相互弥补并相互增进, 以至达到仿生性修复。

摘要：简要叙述了海藻酸盐水凝胶的形成机制, 介绍了其在酶固定载体、微囊制备、金属离子螯合剂、栓塞剂等方面的应用。阐明了其优缺点及应用的发展趋势。

关键词：海藻酸盐,水凝胶,应用

参考文献

[1] 王彦君, 孔维佳.软骨组织工程天然支架材料的研究进展[J].国外医学.耳鼻咽喉科学分册, 2004, 28 (3) :179～181.

[2] Li ZS, Ramay HR, Hauch KD, et al.Chitosan-alginate hybrid scaffolds forbone tissue engineering[J].Biomaterials, 2005, 26 (18) :3919～3928.

[3] 陈书军, 雷德林, 杨维东, 等.以藻酸钙为载体的可注射软骨[J].解放军医学杂志, 2001, 26 (4) :241～243.

[4] 李业梅, 刘光东, 张志凌.辣根过氧化物酶在海藻酸钠水凝胶中的电化学和电催化特性[J].应用化学, 2006, 23 (4) :399～403.

[5] 顾旭炯, 刘璘, 朱巍等.海藻酸钠包埋法共固定α-淀粉酶和糖化酶的研究[J].化学与生物工程, 2006, 23 (5) :26～28.

[6] Bunger CM, Gerlach C, Freier T, etal.Biocompatibility and surface struc-t u r e o f c h e m i c a l l y m o d i f i e dimmunoisolating alginate-PLL capsules[J].J Biomed Mater Res A, 2003, 67 (4) :1219～1227.

[7] 顾其胜, 朱彬.海藻酸盐基生物医用材料[J].中国组织工程研究与临床康复, 2007, 11 (26) :5194～5198.

[8] 王孝华, 聂明, 谭世语.几种常见海藻酸盐络合常数的测定[J].食品科学, 2005, 26 (10) :194～195.

[9] 柴之芳, 祝汉民.微量元素化学概论[M].北京:原子能出版社, 1994:208～214.

[10] 胡安斌, 郑启昌.微囊化异种肝细胞移植对大鼠爆发性肝衰竭治疗作用的研究[J].中国普通外科杂志, 2003, 12 (3) :198～201.

[11] 马光辉, 苏志国.高分子微球材料[M].北京:化学工业出版社, 2005:115～122.

[12] 俞怡晨, 姚炎庆, 张亚琼等.壳聚糖-海藻酸盐纳米粒子的制备及其对BSA的载药与释放特性[J].功能高分子学报, 2005, 18 (4) :598～601.

[13] 覃昱, 裴国献, 谢德明, 等.壳聚糖海藻酸钠微球与骨髓基质细胞相容性实验研究[J].中国矫形外科杂志, 2003, 11 (13) :901～903.

[14] Lindenhayn K, Perka C, SpitzerRS, et al.Retention of hyaluronicacid in alginate beads:aspects for invitro cartilage engineering[J].J BiomedMater Res, 1999, 44 (2) :149～155.

[15] Sittinger M, Perka C, Schultz O, etal.Joint cartilage regeneration by tis-sue engineering[J].Z Rheumatol, 1999, 58 (3) :130～135.