基于海藻酸钠的生物医用微球材料研究进展

吴吟秋，林礼智，陈达永，刘宝林*

（1.上海理工大学医疗器械与食品学院，上海 200093；2.北京理工大学材料学院，北京 100081；3.泰州市榕兴医疗用品股份有限公司，江苏 泰州 225321）

0　引言

海藻酸钠（Sodium Alginate，NaAlg，简称AGS）是一类典型的海洋高分子材料，它是从褐藻类的海带或马尾藻中提取的一种多糖碳水化合物，所以有时也称褐藻酸钠或海带胶和海藻胶。海藻酸钠是由β-D-甘露糖醛酸（M）和其差向异构体α-L-古罗糖醛酸（G）经β-1,4和α-1,4糖苷键连接而成的一种线型聚合物，包括由GG和MM形成的均聚物和GM形成的交替共聚物，其分子式为[C6H7O6Na]n，相对分子量在32000～200000之间[1-2]。

微球材料具有特殊尺寸与特殊结构，可应用于聚合物改性、特种涂料及粘合剂、油田助剂等方面[3]。而其在复杂应用环境中具有良好的流散性和聚集成型性能，可在医学领域拥有良好的应用前景。近年来，利用海藻酸钠良好的生物学性能，以及其侧链所携带的羧基良好的离子交联性能，构建微球类材料，并将其应用于医学领域，引起了人们的关注[4]。在微球的构建方法，应用领域探索等方面已取得了大量研究成果。

1　海藻酸纳微球的性能简介

1.1　生物相容性

多聚物生物相容性的好坏是衡量其能否成功地作为人体的药物运输载体的重要条件之一。药物运输载体要求材料具有良好的生物相容性，不引起生物体的过敏，炎症等异常反应[5]；同时生物体也不能对材料性能产生较大的负影响，例如降低材料强度、产生纤维化反应等。

到目前为止，已对海藻酸钠的生物相容性开展了充分研究，结果表明海藻酸钠溶液的浓度、粘度、组成等都会影响其生物相容性。其中，G段和M段的含量，材料的浓度等因素的影响作用最显著。Klock等[6]发现，富含甘露糖醛酸的海藻酸盐刺激产生的细胞因子较富含古罗糖醛酸的海藻酸盐产生的多。因此，为避免过敏反应，在选用作为生物体内药物释放载体时，就要考虑含M段少、G段多的海藻酸盐。

对于应用于生物体的载药微球来说，其主要功能是保护并运载药物到达人体内，并在患处可控的缓释药物以延长疗效。因此，进入人体内的微球必须具备良好的生物相容性，对人体无致癌性、无毒性，且对血液、器官、组织、免疫系统等没有任何的不良影响。为了探究海藻酸盐的生物相容性，汤德锭等[7]用海藻酸钠/明胶/甲基丙烯酸酯复合水凝胶进行细胞培养并将其移植到活体动物体内，结果显示，细胞实验中水凝胶中细胞的存活率在第五天后维持在80%以上，动物皮下组织在移植该水凝胶后很正常，证明了海藻酸钠的良好生物相容性。郭欢等[8]对生物人工肝用海藻酸钠/壳聚糖微囊进行了外细胞毒性及溶血试验，结果显示该微囊几乎无细胞毒性的极低溶血率，亦说明海藻酸钠具有良好生物相容性。

1.2　生物粘附性

生物粘附可定义为两个界面之间的接触和吸附作用，其中一个界面作为生物基质，另一个界面具有粘性表面，就会产生粘附现象。因为海藻酸盐所带侧基为羧基，所以它被归类为阴离子粘膜粘附物，而聚阴离子多聚物比聚阳离子或非离子多聚物能更有效地产生生物粘附性，因此，海藻酸纳的生物粘附特性在给药体中有着很大的潜在应用。

Chickering等[9]利用张力测试仪对海藻酸盐黏膜粘附性进行了测试，测定了不同多聚物与肠上皮细胞间的粘附值，结果表明海藻酸盐具有很好的粘膜粘附能力。彭中德等[10]将相同大小的海藻酸盐敷料和云南白药创口贴对新西兰兔创面止血，测定二者的出血时间，亦得到海藻酸盐粘附性更好。Kondamraj[11]在PVA中加入一定浓度的海藻酸钠后发现，聚合物片剂与口腔黏膜间的路易斯酸碱作用能力增强，使得热力学上的粘膜吸附更容易发生。

用海藻酸钠制备的药物载体可以直接将药物送至肠胃或鼻咽喉黏膜等患病处，由于海藻酸盐的粘附特性使得其可以在黏膜组织的表面粘附，借此可以延长药物的停留释放时间，进而达到改善药物生物利用度。刘苗苗等[12]制备了一种新型核-壳结构海藻酸钠凝胶球，在小分子药物的体外释放实验中显示这种新型核-壳结构海藻酸钠凝胶球可以延长药物释放时间。

1.3　体内降解特性

根据Kin等人[13]的研究，海藻酸钠在人体内不降解或降解的非常缓慢，而其钙离子交联物在体内却可以降解，但是降解动力学至今尚不明确。对此现象人们普遍认为：海藻酸钙的降解是不可控的，主要表现为降解释放出长链和短链的海藻酸钠分子，在哺乳类动物的体内，长链分子是无法被分解的。

马文渊等[14]将海藻酸钠凝胶植入裸鼠体内，在术后8周获得的组织部切片观察到支架材料部分降解。赵昱等[15]将海藻酸钠凝胶球复合软骨细胞，研究其在动物体内外的降解情况，结果表明：在体外，4周后海藻酸钠开始溶解，6周后凝胶球正常边界消失，溶解明显；在体内，1周后海藻酸钠开始降解，2周后海藻酸钠凝胶部分降解，4周后海藻酸钠降解完全。

1.4　化学稳定性

海藻酸盐微球在酸环境中的稳定性良好，但在碱性介质中，海藻酸盐微球会由于网格结构中的钙离子被去除而发生降解，进而导致被包埋药物的泄漏和海藻酸盐多聚物的溶解。据文献报道，海藻酸钙凝胶在生理缓冲液中15小时后的机械强度会损失60%。而将海藻酸钙凝胶微球置于0.1 M磷酸缓冲液中时，其会迅速膨胀，钙离子从凝胶网格结构中游离下来并形成磷酸钙沉淀，最重导致凝胶微球的整体塌陷降解[16]。此外，海藻酸盐微球也可溶解在0.1 mol/L、pH=7.8的柠檬酸钠溶液中[17]，因此，柠檬酸钠溶液常被作为海藻酸盐微球的破碎液。赵建平等[18]在用超声方法对海藻酸钠降解时亦发现海藻酸钠在碱性环境下降解速率较快。

1.5　吸水性

海藻酸盐交联形成微球后，具有良好的吸水性能。微球的吸水原理既包含了以毛细吸附为主的物理吸附，又包含以化学键的方式把水与亲水基团结合在一起的化学吸附。在吸水之前，高分子链（网）相互交联形成空间三维网状结构，形成固态网束，未电离出成对离子对；当遇到水时，首先是海藻酸盐微球表面的亲水基团与水分以氢键作用相结合，固态网束慢慢扩展，微球溶胀，微球内部的亲水性基团水解变成可移动的离子，随着毛细现象的推移，水分子会逐渐扩散到微球内部，因此，微球的内部环境和外部环境形成渗透压差，进而促进微球的继续吸水。海藻酸盐微球形成的内部结构因与其反应物质不同而不同，其内部结构越致密，吸水性越差[19]。

2　海藻酸盐微球的制备及性能

2.1　海藻酸盐微球的交联机理

因为海藻酸盐是阴离子聚合物，容易与二价、三价阳离子形成离子键而固化，所以常采用阳离子（如钙离子）固化海藻酸盐微球。可以用于交联的二价阳离子有Ca2+、Co2+、Zn2+、Ba2+、Fe2+，三价阳离子有Fe3+、Al3+，而Ca2+（CaCl2）是最常用的交联剂。由于钙离子不会对人体引起危害，因此一般都采用CaCl2为交联剂。

Chan等[20-21]为了研究交联机理，以异辛烷为油相，制备了W/O乳液后，添加CaCl2和ZnSO4的混合溶液并比较了不同交联剂对制备结果的影响。他们发现，随着ZnSO4比例的增加交联度增高，微球粒径减小，凝聚物减少，此项实验证明CaCl2和ZnSO4与海藻酸盐的结合能力不同，究其原因可能是Ca2+与海藻酸盐的古罗糖醛酸的结合具有选择性，而Zn2+没有这一性质，只能和更多的羧基结合。

艾文家[22]探究了海藻酸钠与不同碱土金属离子的的络合机理，发现海藻酸钠与Ca2+络合呈多步骤，与“蛋盒”模型一致；与Sr2+络合是呈三步骤，不遵循“蛋盒”模型；与Ba2+络合时无类似“蛋盒”模型出现；与Mg2+不发生络合，这是因为Mg2+加入发生了静电屏蔽作用。

2.2　乳化-固化法制备海藻酸盐微球

乳化-固化法是制备生物降解性高分子、天然高分子微球最常用的方法之一。一般的制备过程是：先用各种乳化方法制备成W/O型、O/W型、W/O/W型、O/W/O型乳液，然后用除去溶剂的方法使分散相固化而得到微球。

固化法又分为外部固化法（External gelation）和内部固化法（Internal gelation），两种方法可以得到不同的微球膜结构，但最常使用的还是较为简单的外部固化法。外部固化法的具体操作过程如下：用注射器、玻璃滴管、喷射头等将海藻酸钠的水溶液滴入CaCl2溶液中，钙离子从液滴的外部扩散进入液滴内部，液滴的固化是逐渐从表面至内部。表面固化的速度较快，而随着表面的固化，钙离子向内扩散的速度逐渐变慢，由此导致膜的结构从外至内并不均一。内部固化法的具体操作过程如下：将CaCO3粉末分散于海藻酸钠水溶液中，然后用同样的方法将分散液滴加到酸性的水溶液中，H+将逐渐扩散到液滴内部并于CaCO3反应形成Ca2+，Ca2+再逐渐从内向外扩散使得海藻酸盐固化。

黄敏等[23]分别采用外部固化法和内部固化法制备海藻酸钠微球，外部固化法所得微球球径小，球体分布较均匀；内部固化法所得微球球径较大，克服了外部固化法微球易团聚现象，但微球粘连情况严重，固化效果不佳。

2.3　复凝聚法制备海藻酸盐微球

复凝聚是通过两种带有相反电荷的高分子材料的离子间的相互作用交联形成复合微球，因为体系接近等电点而导致溶解度降低从溶液中析出，从而形成沉淀微球。

阴离子聚合物海藻酸盐可与阳离子聚合物通过复凝聚法形成复合微球。通常采用复凝聚法制备微球的方式有两种：① 一步法：将海藻酸纳溶液滴加到壳聚糖的乙酸水溶液中，海藻酸钠滴液接触到壳聚糖后固化；② 两步法：先用钙离子交联法制得海藻酸钙微球后，再将海藻酸钙微球加入乙酸溶解的壳聚糖水溶液中，使其表面剩余的羧基与琼脂糖复合。与一步法相比，两步法制备得到的微球结构更稳定，更适合于实际应用。

Gåserød等[24]比较了以上两种方法，发现方法①能合成0.015 µg/mm2的壳聚糖/海藻酸钠复合微球，而方法②能合成 2µg/mm2的壳聚糖/海藻酸钠复合微球，实验结果说明，方法②由于钙离子的固化作用使微球的孔隙率较高，利于壳聚糖更多地渗透到内部与海藻酸钠复合，最大复合比可达0.4。

金言[25]以凝聚产率和扫描电镜的微观结构形态为指标，通过正交试验法筛选出复凝聚法制备海藻酸钠-壳聚糖复合微球的最佳制备工艺条件，通过极差分析和方差分析得出pH和温度是显著影响因素。

用复凝聚法制备载药微球的时候，药物的包埋率和药物的释放速率与两种聚合物的浓度和交联剂的用量相关，药物释放速率随聚合物的浓度和交联剂的增加而减缓。微球的粒径则与搅拌速率和聚合物的浓度有关，随着聚合物浓度增加而增加，随着搅拌速率增加而减小。

2.4　喷雾干燥法制备海藻酸盐微球

喷雾干燥法首先把要包埋的药物分散在聚合物溶液中，再利用喷枪将上述混合溶液喷入高温惰性气流中，待液滴中的溶剂迅速蒸发后，得到包埋药物的粉状制品。用喷雾干燥法制备的微球粒径一般在10～100 µm，但喷头直径、聚合物浓度、喷雾温度、喷雾速度、干燥温度、气体流速等影响均会影响到微球的粒径、包埋率、药物释放行为等。此外，由于该方法制备的微球需要经历收缩、膨胀、破裂等复杂形态变化，极易破坏微球的形状规则性，并且热的干燥气流也对暴露在球外的药物活性产生不利的影响，且制得的微球对药物的包封率较低，因此比较适合对性质稳定的药物进行包埋。但是该方法易于放大，生产强度大、设备安全性高，极易进行工业化批量生产。

张杰等[26]采用喷雾干燥法制备了海藻酸钙微球，并通过优化微球的平均粒径和对牛血清蛋白（BSA）包埋率等制备参数，获得了平均粒径70 µm左右、符合正态分布、球形度好的海藻酸钙微球，其对BSA的包埋率大于60%、载药率达到8%以上。

房正邹[27]以海藻酸钠和硫酸钠混合液作为喷出液，氯化钡溶液作为接收液，通过静电喷雾法一步合成含有硫酸钡的海藻酸钠微球（AB微球）；后经壳聚糖一次包覆与海藻酸二次包覆后，由柠檬酸钠液化获得CA-B微胶囊。通过浸入模拟胃酸环境与模拟肠液环境，结果显示CA-B微胶囊对双歧杆菌的保护作用大于AB微球，且经CA-B微胶囊包覆的双歧杆菌的肠靶向性优于AB微球包覆的双歧杆菌。

3　海藻酸钠微球的应用

海藻酸钠微球由于具有良好的生物相容性、生物可降解性和亲水性能，具有广泛的应用价值。

3.1　海藻酸钠微球在栓塞治疗中的应用

海藻酸钠微球可克服传统栓塞剂碘化油流失缺陷，能高效增强栓塞血管的效应，在栓塞治疗中可大大提高其疗效[28]。将粒径大于12µm的微球直接注射到癌变部位的动脉血管内，微球会随着血液流动而阻塞在癌变部位的毛细血管中，甚至可以暂时栓塞小动脉，如此一来，既使肿瘤立即处于缺血状态，切断了肿瘤细胞的营养补给，又可使载药微球滞留在病变部位，实现药物的有效作用。

陈威等[29]将海藻酸钠微球与碘化油分别介入治疗转移性肝癌患者，术后复查显示海藻酸盐微球介入的总有效率与获益率均高于碘化油，随访1年结果显示海藻酸钠微球组患者术后9个月及12个月的生存期分别为100%和95%，说明海藻酸钠微球经肝动脉化疗栓塞是安全、有效的介入治疗手段。刘景峰等[30]在研究海藻酸钠微球在原发性肝细胞肝癌经皮肝动脉化疗栓塞（TACE）治疗中应用的效果及安全性时，发现海藻酸钠微球作为栓塞剂用于原发性肝细胞肝癌TACE治疗，可提高患者远期疗效，且安全性较好。黄德佳等[31]研究了海藻酸钠微球在肝动脉化疗栓塞治疗中晚期原发性肝癌中的疗效时得出，将海藻酸钠微球用于肝动脉化疗栓塞术中治疗原发性肝癌安全性高，患者耐受良好，与明胶海绵颗粒比较，可获得更加优异的近期及远期疗效。

此外，海藻酸盐微球栓塞剂还可应用于子宫肌瘤治疗。杨彦粉[32]在探究不同栓塞剂在症状性子宫肌瘤治疗中的应用时发现，海藻酸钠微球在子宫动脉介入治疗子宫肌瘤中有明显效果且对卵巢功能无影响，在术中应用海藻酸钠微球更好，因为相较于其他栓塞剂，海藻酸钠微球形状更规则。海藻酸钠微球应用于子宫肿瘤治疗时，将500～700 μm、700～900 μm的海藻酸钠微球混用比单用500～700 μm治疗效果更好[33]。

3.2　海藻酸钠微球作为药物缓释载体的应用

海藻酸钠作为天然高分子多糖，具有良好的生物相容性和一定的免疫佐剂作用。因此，海藻酸钠微球及其与其他高分子形成的复合微球可以成为DNA疫苗、蛋白质类生物大分子的载体制备成靶向性药剂，并保护其免受胃酸环境的影响，从而达到提高运作效率、增强免疫效果的目的，因此，海藻酸钠在这一领域具有广阔的发展应用前景[34-37]。杨继庆[38]成功制备了基于海藻酸盐凝胶包埋法的固定化酶反应器，且该固定化酶重现性好、稳定性高。

与此同时，海藻酸钠因其血液相容性和体内可降解的特性而成为靶向药剂的良好载体材料。可以通过将磁性粒子加入到载药微球中，利用体外的磁场作用来控制体内药物的定向移动以达到定位治疗的效果。Ciofani等[39]人的研究发现，装载了神经生长因子的磁靶向海藻酸钠微球可以诱导神经细胞PC12体外分化，促进细胞沿微球排布生长。另外，还可以用过在制备的微球上装饰靶向性的因子或药物来实现靶向性治疗的目的。李培培等[40]以海藻酸钠、魔芋葡甘聚糖共混体系为载体材料，制备黄连素结肠靶向凝胶微球,并考察其体外释药性。结果显示该工艺制得的凝胶微球载药量和包封率均较高，药物在人工胃液、小肠液中仅有少量释放，在人工结肠液中2 h释放完全，具有良好的结肠靶向释药性能。张闯年等[41]将具有肝靶向性的分子甘草次酸偶联在海藻酸钠上，制备了装载抗癌药物阿霉素的肝靶向性纳米粒，实验结构表明，甘草次酸-海藻酸钠载药纳米微球在体外模拟生理条件，药物可持续释放20天，并对7703肝癌细胞具有明显的杀伤作用。

3.3　海藻酸钠微球的其它应用

海藻酸钠微球良好的性能使其在细胞移植、免疫检测等方面具有良好的应用前景。郭晓霞等[42]发现，在卵巢细胞微囊移植过程中，海藻酸/多聚赖氨酸/海藻酸钠微球，这是因为微球可以在微囊化卵巢细胞和小鼠间提供一个屏障。李青[43]制备了免疫磁性海藻酸钠复合微球，并以此建立了肺癌细胞磁性富集与检测系统，此检测系统比单纯的免疫细胞化学检测技术检出率高。

此外，海藻酸钠微球还制备抗感染复合材料[44]，其改性微球可应用于金属回收、环保等领域[45-46]。

4　结论与展望

海藻酸盐为阴离子聚合物，具有良好的生物相容性和生物粘附性，可与二价阳离子交联，采用乳化-固化法、喷雾干燥法、复凝聚法可制成海藻酸盐微球及其复合微球，这些基于海藻酸钠的微球材料具有一定的化学稳定性、高吸水性、良好的生物相容性和生物可降解性，可应用于药物缓释载体、靶向药剂载体、细胞移植等领域中，且具有良好的应用前景。