壳聚糖-羟丙甲基纤维素共混膜的生物黏附性*

李若慧,常康威,王 思

（1.北京联合大学 生物化学工程学院，北京 100023；2.北京航空航天大学 材料科学与工程学院，北京 100191）

壳聚糖-羟丙甲基纤维素共混膜的生物黏附性*

李若慧1,常康威2**,王 思1

（1.北京联合大学 生物化学工程学院，北京 100023；2.北京航空航天大学 材料科学与工程学院，北京 100191）

把壳聚糖和羟丙甲基纤维素溶液相混合，通过相转化法成膜工艺制备壳聚糖和羟丙甲基纤维素共混膜，以猪大肠为黏附对象，考察在不同工艺条件下制得的CS/HPMC共混膜对猪大肠的黏附特征，研究结果表明：在越高温度下成膜，生物黏附性能越差；甘油的加入会使共混膜的生物黏附性能下降，当用量增加到0.2g时，生物黏附性能下降变得平缓；制膜液的浓度越高，所成膜的生物黏附性能越好；随着HPMC用量的增加，共混膜的生物黏附性能增强。并阐明CS/HPMC共混膜的生物黏附性能与在不同条件下成膜所得到的膜片材料结构和表面形态之间的关系。扫描电镜照片显示CS/HPMC共混膜的微观形貌呈多孔结构，这种结构对其生物黏附性能有影响。

壳聚糖；羟丙甲基纤维素；共混膜；生物黏附性

前 言

生物黏附制剂是一类以具有生物黏附性的聚合物为载体材料，通过载体的生物黏附作用，长时间黏附于黏膜而发挥疗效的新型制剂[1～4]，其中口腔黏膜贴剂可贴敷在皮肤和黏膜创伤或溃疡表面进行覆盖，有利于创面的愈合。壳聚糖（CS）是天然高分子，由甲壳素在碱性条件下水解使其部分脱乙酰基而得到，是目前自然界中唯一的碱性多糖，具有口腔黏膜贴剂载体材料所要求的很多优良特性，无毒、无刺激性、无致敏性、无致突变作用，可溶于酸性水溶液。除了良好的生物相容性和生物降解性外，还具有许多独特的性能：一定的消炎、止血、抗菌作用，可促进血管内皮的生长、成纤维细胞、角质细胞的增生，进而促使创面再生、修复和愈合。从化学结构上来看，壳聚糖的苷键较不活泼，不与体内液体发生反应，在体内不蓄积，还具有高黏性。但是单纯的壳聚糖膜硬度较高，亲水性较差，作为口腔黏膜贴剂的载体材料性能有待改进。

羟丙基甲基纤维素（HPMC）可溶解于很多溶剂，为亲水性天然高分子材料，在水中的溶解性很好，对热、光、湿均有相当的稳定性。具有增稠能力，排盐性、pH稳定性、保水性、尺寸稳定性、优良的成膜性、黏附性，常用于药用辅料，一般用作分散剂、增稠剂、薄膜、包衣材料。本研究通过相转化法制膜工艺将壳聚糖和羟丙基甲基纤维素制成膜状共混新材料，不仅兼有两种材料的优良性能，而且可以发挥两种材料在生物学、黏附性上的协同作用，作为口腔黏膜贴剂载体材料将会具有更加优良的综合性能。

1 实验部分

1.1 试剂

壳聚糖（脱乙酰度大于90%，粒径80目壳聚糖），济南海得贝海洋生物工程有限公司；羟丙基甲基纤维素（HPMC，规格为K4M），由北京化学试剂公司提供；其它试剂均为分析纯级市售品，使用前未经任何处理。

1.2 壳聚糖和羟丙基甲基纤维素共混膜的制备

取一定量的壳聚糖溶解于2%（wt）的冰醋酸溶液中，过滤，得到壳聚糖溶液。取一定量的羟丙基甲基纤维素溶于水中，在冷水浴进行溶解，溶解过程中不断进行搅拌，防止凝结成块。待全部溶解后从水浴中取出，得到羟丙基甲基纤维素溶液，放置至室温。按照一定的比例把两种溶液混合，加入一定量的甘油，得到制膜液，充分搅拌混合均匀，过滤、静置至无气泡，除去混合液中的表面泡沫。将除泡后的制膜液流涎于洁净干燥的耐温塑料成模版上，水平放置于干燥箱内，在一定温度下成膜，待成膜完全时，取出，冷却后，小心揭膜，并放置于干燥器内待用。

1.3 体外生物黏附时间的测定[5]

把浸泡于人工唾液(Na2HPO42.38g，KH2PO40.19g，NaCl 0.8g溶于1000 mL水中配制而成)中的新鲜干净的猪大肠黏膜，剪取足够面积，粘贴固定于载片上，保持表面平坦，取10×20mm大小的共混膜片黏附于黏膜上，用100g砝码压迫5min，去砝码后放置60min。然后放入于烧杯中，并且在烧杯加入50mL人工唾液。将烧杯置于(37±1)℃恒温水浴锅内，观察黏附片的形态变化，记录黏附膜片从猪大肠膜上脱落的时间，即为生物黏附时间。

1.4 体外生物黏附强度的测定[6～8]

采用自制的黏附强度测定装置(如图1)。把膜固定好后，开始计时，按照同样的滴加水的速率，往塑料袋中滴加水，直到膜片剥离，用塑料袋中水的质量来测定共混膜片与肠黏膜之间的剥离力，作为共混膜片的生物黏附力。

分别剪取猪大肠黏膜足够量，粘贴固定于载片1和2上，保持表面平坦，将待测10×20mm大小的共混膜片置于载片1和2之间，使肠黏膜与共混膜片紧密接触，同时施加外力100g，持续5 min。调整输液流量为每秒2滴，直到共混膜片和肠黏膜之间发生脱落，称量塑料袋中的水与载片2及其上的肠黏膜总质量，即为共混膜片的剥离力，除以共混膜片的面积，即得到生物黏附强度。每个共混膜片测定3次。

图1 体外生物黏附性的测定装置Fig.1 Apparatus for in vitro bioadhesion properties test

1.5 共混膜表面形态结构的表征

取共混膜干燥样品一小块，用液氮冷却后，快速切断裂面，并对其横截面进行喷金处理，在FEI Quanta 200型扫描电镜（SEM）下观察共混膜的表面和横截面的形态结构。

2 结果与讨论

2.1 成膜温度对黏附性能的影响

首先取2.4g的壳聚糖，溶解于2%（wt）的冰醋酸溶液，待全部溶解后，冷却至室温，再取0.6g的羟丙基甲基纤维素加入上述已溶解壳聚糖后的冷却溶液中，搅拌充分溶解，配制成3%（wt）的成膜液，在不同温度下成膜。测定其生物黏附时间、剥离力，计算其生物黏附强度。

图2 成膜温度对粘附性能的影响Fig.2 Effect of film forming temperature on bioadhesion properties

从图2可以看出当成膜温度较低时，共混膜的黏附时间长，随着成膜温度的升高，黏附时间略有下降，尤其当成膜温度高于60℃以后，黏附时间随着成膜温度的升高急剧下降。这种结果与相转化成膜的过程所发生的物理化学的变化有密切的关系，可能有两方面的原因：一是成膜液由液相转化为固相的过程中伴随着溶剂的挥发和逸出，当成膜温度过高时，溶剂挥发速度快、溶剂分子逸出量大，固化成膜时，在膜上会形成更多、更大的孔隙。当与肠膜接触时，这些孔隙的存在使得膜的黏附面积减小，因此黏附时间变短。二是在相转化成膜时不仅发生物理变化，同时伴随有基团之间的化学变化，成膜温度越高，这种变化的程度越高，导致黏附时间急剧缩短，这和黏附强度的变化可以相互印证。

已有的生物黏附理论认为[9]：生物黏附膜材与黏膜接触后，黏膜表面与黏附膜材之间便会产生一定的结合作用，这种结合作用主要是由于膜材分子结构上的极性基团，例如：氨基、羟基、羧基等，与黏膜上的黏性糖蛋白分子上的极性基团之间形成强烈的相互作用，即黏附膜材与黏膜糖蛋白之间的结合力。同时两者的大分子链发生物理性缠结，进而形成黏液凝胶网状结构，使膜材和黏膜表面之间产生生物黏附力。从图2可以看出随着成膜温度的升高，膜的黏附强度几乎呈线性下降，说明随着成膜温度的升高，膜的黏附强度急剧下降。这可能是因为：一成膜温度越高，相转化固化成膜时，成膜液中的高分子获得更高的能量使大分子链之间排列紧密，不利于发生物理性缠结，当与肠黏膜接触时，与肠黏膜上黏性糖蛋白分子之间的结合力减弱，使剥离力下降；二是在相转化成膜时伴随着壳聚糖和HPMC的氨基和羟基基团之间的物理化学变化，导致这些基团相互之间的作用力很大。并且温度越高，这种变化的程度越高，使得与黏性糖蛋白分子之间能够形成结合作用的基团数量越少，因此黏附强度越低。

2.2 甘油用量对黏附性能的影响

首先取2.4g的壳聚糖，溶解于的2%（wt）的冰醋酸溶液，待全部溶解后，冷却至室温，再取0.6g的羟丙基甲基纤维素加入上述已溶解壳聚糖后的冷却溶液中，搅拌充分溶解，配制成3%（wt）的制膜液。在制膜液中加入一定量的甘油，在70℃下成膜。测定其黏附时间、剥离力，计算其生物黏附强度。

甘油是口腔黏附制剂中常用的辅助材料，通常被用于壳聚糖膜材料的增塑作用。可是甘油的使用对CS/HPMC共混膜的生物黏附性具有很大的破坏作用。从图3可以看出，只用很少量的甘油，黏附时间和黏附强度都急剧下降。然后随着甘油用量的增加，下降的趋势变缓。这可能是由于甘油是小分子物质，并且带有三个羟基，这些小分子上的羟基具有更加自由的运动活性，当膜材与肠黏膜接触时，这些羟基基团与肠黏膜的黏性糖蛋白上的极性基团发生亲和作用，具有更强的活动自由度和优势，更易于与肠黏膜的表面发生结合作用，因此减少了膜材中高分子链的氨基、羟基与肠膜上的糖蛋白之间的发生作用的机会。这样不仅减弱了膜材中高分子链的氨基、羟基与肠黏膜上的黏性糖蛋白之间的结合力，而且更难于形成大分子链之间的缠结结构，因此使黏附时间和黏附强度都明显急剧下降。当甘油的用量达到一定程度时，这种作用的影响变得不那么明显，所以随着甘油用量的继续增加，下降的趋势变缓。

图3 甘油用量对粘附性能的影响Fig.3 Effect of glycerin on bioadhesion properties

2.3 制膜液浓度对黏附强度的影响

取2.4g的壳聚糖，溶解于不同量的2%（wt）的冰醋酸溶液，冷却至室温。取0.6g的羟丙基甲基纤维素溶于上述溶液中，分别配制成不同浓度的制膜液，在70℃下成膜。测定其黏附时间、剥离力，计算其生物黏附强度。

从图4可以看出，随着制膜液浓度的增加，黏附时间增强。当制膜液浓度较高时，一方面，由于黏度较高使溶剂挥发缓慢，在发生相转化时，溶质大分子链有更充分的时间调整链的构象，使之成膜后的链的排列更加紧密，所以会首先在表面形成高致密度的结构，而在内层由于大分子链有充分的运动时间而趋向于卷曲状态。当共混膜片和肠黏膜之间发生接触后，致密的表层结构使环境中的水分子向膜内的渗透缓慢，使膜的亲水速度放慢，使黏附时间延长。而一旦表层结构吸水后，内层水分子的移动加快，使卷曲的大分子链与肠黏膜上的黏性糖蛋白分子链之间更易于发生物理纠缠而形成凝胶网状结构，因此黏附强度增加。另一方面，溶剂挥发量较少时，在膜上形成的孔隙度较小，与肠黏膜接触时的面积增大，也使黏附时间增加。同时与肠黏膜上的黏性糖蛋白分子链的进行基团发生相互作用的机会增加，因此使黏附强度增大。

图4 制膜液浓度对粘附性能的影响Fig.4 Effect of the concentration of membrane liquid on bioadhesion properties

2.4 组分配比对黏附性能的影响

取一定量的壳聚糖，溶解于2%的冰醋酸溶液，冷却至室温后，按一定比例取羟丙基甲基纤维素溶于冷水中，两种溶液混合后，配成浓度为3%（wt）的溶液，在70℃下成膜。测定其黏附时间、剥离力，计算其生物黏附强度。

图5 组分配比对粘附性能的影响Fig.5 Effect of composition proportion on bioadhesion properties

从图5中可以看出，单纯的羟丙基甲基纤维素膜片的黏附性最强，而单纯的壳聚糖膜片的黏附性最差，这与它们本身的分子链结构有关。在羟丙基甲基纤维素的每个糖基上带有两个羟基，其主链是α-1,4苷键，易于与水发生溶剂化作用而溶胀，易于在肠黏膜表面黏附，黏附时间很长。溶胀后大分子链趋向于卷曲的形态，与肠黏膜之间形成强烈的物理缠结作用力，使黏附强度很高。而在壳聚糖的每个糖基上虽然带有两个羟基与一个氨基或酰胺键（如图6），比羟丙基甲基纤维素具有更多的极性基团，但是这些基团之间通常都是以分子间或分子内的氢键形式存在，难以与肠黏膜上糖蛋白上的基团发生作用，所以使黏附时间短。另外，由于其主链是β－1,4苷键，分子链非常的规整，排列更加紧密，水分子很难向大分子链内渗透，膜片的亲水性差，所以壳聚糖与水之间的溶剂化作用很弱，壳聚糖大分子链的形态不容易改变，难于与肠黏膜上糖蛋白形成物理缠结，作用力弱，黏附强度差。

图6 壳聚糖的结构Fig.6 The structure of chitosan

CS/HPMC共混膜的黏附性能比壳聚糖膜有明显增强。这是由于HPMC大分子上有羟丙基，羟丙基是短的柔性支链，羟丙基上的羟基可以与壳聚糖大分子呋喃环或糖苷基上的氧原子之间形成氢键，代替了壳聚糖主链上羟基与这些氧原子形成的氢键，所以HPMC的加入可以扩大膜中大分子间隙，使大分子链的运动能力增加，有利于水分子向内渗透，形成溶剂化作用，这个过程可以起到两方面的作用：一方面大分子链的运动能力增加有利于大分子链之间的缠结发生；另一方面还改善了单纯壳聚糖膜的亲水性，促使大分子链更容易吸水而减少大分子链之间的相互作用，有利于链的构象的改变而发生缠结作用，使黏附时间延长，黏附强度增加。随着羟丙基甲基纤维素的比例增加，这种作用越强烈，所以随着羟丙基甲基纤维素的比例增加，CS/HPMC共混膜的黏附性能增强。

2.5 CS/HPMC共混膜的表面形貌结构

CS与HPMC的共混膜外观均匀、宏观呈均相状态，通过扫描电镜观察，微观呈多相态结构，表层结构致密而均匀（图7），说明CS与HPMC之间具有很好的互混容性。断面结构呈现均匀对称的多孔状（图8），膜断面的组织形态含有孔隙结构，这些孔隙是在成膜时因溶剂挥发而发生相转变时所形成，相转变过程的工艺条件决定着孔隙结构。孔隙结构对其生物黏附性能会产生重要的作用，对黏附时间和黏附强度都有一定的影响。

图7 CS/HPMC共混膜的表层形态Fig.7 CS/HPMC blend membrane surface morphology

图8 CS/HPMC共混膜的断面形态Fig.8 CS/HPMC blend membrane section morphology

3 结 论

壳聚糖共混膜对生物膜的黏附作用由下列因素决定：（1）膜材分子结构上的极性基团，例如氨基，羟基，羧基，这些极性基团可以和生物膜的糖蛋白上极性基团之间发生极性作用，这种作用会受到水分子的影响；（2）膜材大分子链和生物膜的糖蛋白大分子链之间的相互缠结，形成黏液凝胶网状结构，使结合力大大增加；（3）膜材的表面组织形态结构影响着这种结合力。由于成膜时的工艺条件不同，所形成膜的微观结构不同，对共混膜的生物黏附性能的影响情况不同。

1)成膜温度升高，CS/HPMC共混膜的生物黏附性能下降，尤其是当温度超过60℃以后，黏附时间随着成膜温度的升高急剧下降；

2)甘油的使用会使共混膜的生物黏附性能下降，当用量增加到0.2g时，生物黏附性能下降变得平缓。

3)制膜液的浓度越高，所成膜的生物黏附性能越好。但是过高的浓度使制膜液的黏度大大增加，影响流延效果，而且会使膜片的厚度增大，不利于口腔膜剂的使用。

4)共混膜的配比对生物黏附性能有很大的影响，加入羟丙基甲基纤维素会改善壳聚糖的生物黏附性能，随着羟丙基甲基纤维素的用量增加，CS/HPMC共混膜的生物黏附性能增强。

作为口腔黏附制剂载体的膜片，其生物黏附性能的好坏直接影响制剂在口腔中的滞留时间,从而影响药效，因而膜材的选择、配比以及成膜工艺都是非常重要的影响其生物黏附性的因素，开发生物黏附性能优良的膜材是制备口腔黏附制剂关键性问题。

通过对本研究过程所讨论的CS/HPMC共混膜的生物黏附性能的影响因素分析，建议具体的成膜实施工艺为：成膜温度为60℃；不使用或者少量使用甘油；制膜液浓度不要超过3%（wt）；壳聚糖用量的增加会使CS/HPMC共混膜的生物黏附性能下降，但是会改善共混膜的生物相容性、力学性能、释药特性，针对不同的口腔黏附制剂载体的膜片材料应该综合考虑，选择最合适的组分配比。

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Bioadhesion Properties of Chitosan and Hydroxypropyl Methyl Cellulose Blended Membrane

LI Ruo-hui1,CHANG Kang-wei2and WANG Si1
（1.College of Biochemical Engineering,Beijing Union University,Beijing 100023,China;2.College of Materials Science and Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China）

The chitosan(CS)and hydroxypropyl methyl cellulose(HPMC)blended membranes were prepared under different technological conditions via L-S phase inversion.The bioadhesion properties of this membrane with pig intestine were investigated in vitro through bioadhesion time and bioadhesion strength.The results showed that the bioadhesion properties declined while forming membranous at a higher temperature;the bioadhesion time and bioadhesion strength tended to decrease mildly when glycerin added up to 0.2g;the bioadhesion properties of CS/HPMC blended membranes improved with increasing the concentration of membrane liquid and the amount of HPMC.The relationship of bioadhesion properties with the structure and surface morphology of CS/HPMC blended membrane to be formed under different technological conditions was explained.The result of SEM indicated that the surface morphology of blended membrane was porous structure which had effects on the bioadhesion properties.

Chitosan;hydroxypropyl methyl cellulose;blended membrane;bioadhesion properties

A

1001-0017（2012）04-0023-05

2012-04-09 *

科技部国际合作项目（编号：2010DFB30850-3）

李若慧（1966-），女，北京人，副教授，硕士研究生，研究方向：高分子生物材料。

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