芳香化壳聚糖衍生物的合成与医药学应用*

王康锐, 方 英, 蒋 姝, 肖玉玲, 黄承洪

(1.重庆科技学院 化学化工学院,重庆 401331； 2.重庆轻工职业学院 药学与护理系,重庆 400065)

0 引 言

壳聚糖是一种天然的阳离子多糖,是生物医学应用的理想材料[1,2]。但是壳聚糖分子间强有力的氢键,使得壳聚糖的溶解性极差,极大地限制了壳聚糖的应用,因此对其改性处理很有必要。通常提升壳聚糖溶解性会采用酰基化、烷基化、醚化、季铵化、接枝共聚与交联等改性方法[3～7],以提高应用价值。在改性处理中,以苯为代表的芳香性物质,固然能改善溶解性,更为重要的是，芳香性物质本身具有抗氧化性、荧光性、光敏性等特点[8],会赋予壳聚糖某些新的功能,即芳香性物质接枝壳聚糖后,以及通过工艺优化,使得新材料优点更加明显,极大地促进了壳聚糖材料的研发和应用。

本文就典型芳香化壳聚糖衍生物材料的合成方法、工艺方法及医药学领域的典型应用进行了归纳和总结。

1 芳香化壳聚糖衍生物的合成

1.1 苯化壳聚糖衍生物

芳香性的邻苯二甲酸酐保护壳聚糖的氨基是制备各种壳聚糖衍生物的最常用技术[9]。Gu C等人[10]将5 mmol壳聚糖、14 mmol邻苯二甲酸酐溶解在N,N—二甲基甲酰胺溶液中,在氮气保护条件下,120 ℃搅拌反应8 h,然后分离、干燥得到N—邻苯二甲酰壳聚糖。该方法使N—邻苯二甲酰壳聚糖在极性有机溶剂中具有较高的溶解度,另外壳聚糖C2氨基被保护后,极大地扩展了壳聚糖C6羟基化学修饰范围。Lin W J等人[11]将聚乙二醇单甲醚碘化后与N—邻苯二甲酰壳聚糖反应,再以水合肼去除邻苯二甲酸酐,并接枝乳糖酸得到N—乳糖酸—O—聚乙二醇化壳聚糖。由于引入乳糖含有较多的羟基基团,溶解性明显提升。

邻苯二甲酸酐保护壳聚糖的反应温度较高,并且需要氮气作为保护气,使得实验较为复杂。在以苯甲醛为代表的芳香醛中,在较温和的条件下进行席夫碱反应,节省了成本,提高了效率,使得壳聚糖的氨基得以保护或改性。Mardani H R等人[12]将1.3 g壳聚糖溶于醋酸溶液中,缓慢滴加5 g/10 mL苯甲醛的乙醇溶液,在70 ℃搅拌反应3 h。过滤、干燥得黄色粉末状的壳聚糖席夫碱。Chen Q等人[13]将壳聚糖与苯甲醛反应形成席夫碱中间体,再与溴乙烷反应,合成了N—苄基—N,N—二乙基季铵化壳聚糖材料,该材料在水和有机溶剂中有优异的溶解性。

以上是壳聚糖与苯醛衍生物直接嫁接的形式,另一种常见的方式是芳香酸与壳聚糖通过酰胺键进行偶联。该方法通常会使用1—乙基—3—(3—二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺(EDC)作为偶联剂。例如Wang X Y等人[14]将0.31 mmol水杨酸和EDC溶解在乙醇中,在常温、搅拌下滴入壳寡糖0.62 mmol(NH2)的水溶液,反应53 h,通过透析和冻干得到产物。Khalili S T等人[15]将苯甲酸通过介导法与壳聚糖反应制备苯甲酸化壳聚糖纳米凝胶,尺寸约89 nm,该材料包封的精油在密封条件下最好,其最低抑菌浓度为300 mg/L。另外,通过介导法接枝壳聚糖的还有咖啡酸[16]、龙胆酸[17]、丁香酸[18]、香草酸[19]等带有羧基的苯环芳香衍生物。

1.2 萘化壳聚糖衍生物

萘及其衍生物具有芳香族官能团的抗癌特性[20],拓展了萘化壳聚糖衍生物材料的应用空间。其合成方法主要是以醛基席夫碱反应和羧基酰胺化反应为主。Woraphatphadung T等人[21]将2.0 g壳聚糖溶解在醋酸溶液中,逐滴加入两倍氨基当量的2—萘醛的乙醇溶液于室温搅拌24 h,得到N—萘化壳聚糖。Nowakowska M等人[22]以1—萘乙酸为原料合成,将0.5 g壳聚糖溶于醋酸溶液,缓慢滴加0.25 g/10 mL萘乙酸水溶液,搅拌反应24 h,经分离、干燥得萘化壳聚糖。该方法没有使用偶联剂EDC,直接在室温条件进行酰胺化反应,并且所制备的萘化壳聚糖具有较好的水溶性。

1.3 蒽化壳聚糖衍生物

蒽类有三个苯环的共轭芳香性结构,具有荧光性,可做示踪剂。蒽类物质除了醛基席夫碱反应外,更需要依赖官能团的转换,才能拓展蒽化壳聚糖材料的应用。Kumar S等人[23]将0.5 mg的壳聚糖醋酸溶液中,滴加9—蒽醛溶液。然后将溶液平铺在玻板表面,于室温干燥24 h得蒽化壳聚糖。Prichystalová H等人[24]将9—氨基蒽通过氰尿酰氯引入氯原子后,以亲核取代反应,制备具有荧光特性的蒽化壳聚糖。Wan Q等人[25]以蒽为原料,两次官能团转换后得到9,10—双(醛苯)蒽,再与壳聚糖氨基反应,制备了发光聚合物纳米粒子。该粒子具有独特的成像特性,可做生物医学探针。Cui W等人[26]首先用9—羟基蒽与琥珀酸酐反应,将羟基蒽转化为羧基蒽,再与壳聚糖氨基进行酰胺化反应,得到由琥珀酸共聚的蒽化壳聚糖。蒽化壳聚糖最大的特点是具有较好的荧光特性,兼具良好的生物相容性,不管是在药物定位与细胞成像方面都具有很大的应用潜力。

1.4 卟啉化壳聚糖衍生物

卟啉及其衍生物是一类芳香杂环化合物,具有特殊的生理活性和能量转移的功能。壳聚糖具有良好的生物相容性,卟啉化壳聚糖使得卟啉富集,可增强能量的转移,即能有效地提高光动力治疗或催化功能。Kumar S等人[27]使用醋酸将壳聚糖的氨基质子化,与带负电的四(4—磺酰基苯基)卟啉的磺酸盐基团通过静电相互作用自组装,形成卟啉化壳聚糖。Synytsya A等人[28]通过自组装的方法制备了卟啉化壳聚糖,改变不同的pH值,可实现卟啉自聚集状态的转换。Jahanbin T等人[29]使壳聚糖与Gd(Ⅲ)内四(4—吡啶基)卟啉通过物理吸附缔合,从而制备了新型卟啉化壳聚糖磁共振成像造影剂材料。

1.5 其他芳香化壳聚糖衍生物

其他芳香化壳聚糖主要以杂环芳香性化合物衍生物为主,如噻吩、喹啉、吲哚化壳聚糖。主要以醛基或羧基接枝壳聚糖,值得一提的是，某些杂环以碳点为引发剂,制备低聚杂环芳香性物质更容易与壳聚糖反应,方法更加简便有效[30]。

2 工艺方法

2.1 膜剂工艺

壳聚糖溶液具有成膜特性,往往用来开发膜剂。相转化法是制备芳香化壳聚糖衍生物制膜的主要方法之一,具有操作条件温和,操作简便等特点。Cui L等人[31]通过相转化法制备壳聚糖膜,乙醇作为制备壳聚糖膜的再生剂,可以防止再生壳聚糖分子的重排,与乙腈和丙酮相比,得到膜表面光滑且平坦没有任何裂纹。Zhang X等人[32]制备了没食子酸化壳聚糖膜,膜的物理性能和抗氧化能力受到接枝方法和接枝率的影响。Kumar S等人[33]在室温干燥含有噻吩醛的壳聚糖醋酸溶液24 h,即得噻吩化壳聚糖膜。这类膜剂可用于包埋药物和抗菌抑菌。

2.2 水凝胶工艺

壳聚糖还具有水凝胶特性,根据制备方法的不同,可分为物理凝胶和化学凝胶[34]。在物理链中,聚合物链通过分子间次级作用保持在一起,材料重复性差,导致其在某些领域的应用受到限制。Maity S等人[35]设计了对于Fe3+壳聚糖水凝胶,该凝胶由蒽化壳聚糖与PVA的羟基通过氢键作用连接,凝胶机械强度不高。在化学凝胶中,聚合物链通过不可逆的共价键结合在一起,达到长久有效的目的。Qiao X等人[36]以4—叠氮苯基乙酸接枝壳聚糖,当用紫外辐射处理形成水凝胶时,其溶液发生化学交联,使得药物肝素植入眼内可有效维持时间超过4周。

2.3 纳米微粒/微球工艺

当前,壳聚糖基纳米粒子的研究受到重视。纳米微粒/微球工艺通常有乳化交联法、化学交联法等方法。乳化交联法是将药物与壳聚糖制备成不同类型的乳液,然后加入交联剂使内相固化制备纳米粒。Mo F等人[37]通过乳液交联法将富马酸二甲酯包裹在壳聚糖中,微球平均尺寸为20～150 μm,最高封装效率和装载效率分别为85.7 %和13.2 %。化学交联法是利用壳聚糖氨基与醛类化合物进行交联发生氨醛缩合反应制备壳聚糖纳米粒子的方法[38]。戊二醛是常见的交联剂,在交联过程中可以用水彻底洗涤以除去过量的戊二醛交联剂,并且可以制备纳米级材料。Esmaeili A等人[39]使用戊二醛交联聚乙二醇化壳聚糖,采用沉淀法制备了MnFe2O4超顺磁性纳米粒子,平均粒径为21～25 nm。

3 芳香化壳聚糖衍生物的医药学应用

3.1 光动力性能

光动力灭活/治疗中,如果将光敏剂固定在惰性固体载体中,则可以实现环保和经济可行性,从而可以回收利用[40]。光敏剂通常是具有大环共轭π键的芳香性物质,与壳聚糖接枝后,具有光动力效应,有望应用于光动力治疗。例如,Nowakowska M等人[22]通过修饰壳聚糖获得了包含萘基发色团的水溶性聚合物光敏剂,吸收近紫外光可以与水溶液中有机化合物反应,达到水质检测的作用。在水质检测方面,光敏剂还可直接杀死细菌。Bonnett R等人[41]将光敏剂锌(Ⅱ)酞菁四磺酸与壳聚糖共价连接,并用于检测水样中的大肠杆菌,具有显著的光杀灭性。为了有效减少抗生素的使用,Zhang R等人[42]合成了一种氢卟酚化壳聚糖共轭物,在光照下,局部产生单线态氧对耐药革兰氏阳性耐甲氧西林金黄色葡萄球菌和革兰氏阴性鲍曼不动杆菌均具有显着的杀菌作用。

3.2 抗菌性能

芳香化壳聚糖衍生物比壳聚糖具有更强的抗菌性,尤其是具有抗氧化活性的酚酸接枝壳聚糖后,被广泛地应用在食品公共健康领域。Moreno-Vsquez M J等人[43]接枝没食子酸化壳聚糖,与壳聚糖相比,没食子酸化壳聚糖对金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌具有更强的抗菌活性。Wang Y等人[17]也得到相似的结果。Lee D S等人[44]将没食子酸-g-壳聚糖测试10种食源性病原体的抗菌活性,表明没食子酸-g-壳聚糖对革兰氏阳性菌具有比对革兰氏阴性菌更高的抗菌作用。同样，Kim G等人[45]也证明了芳香酸化壳聚糖可以抗菌,从而防止食源性病原体的传播。

3.3 载药性能

释药环境影响药物的持续释放。Nguyen D等人[46]利用芳香族酚类化合物接枝共聚壳聚糖的疏水作用来实现毛果芸香碱药物递送,随着芳环数目的增加,载体药物的抗炎和抗氧化能力增强,可以长久有效地治疗青光眼。药物释放与载体的初始载药量密切相关。Sriram K等人[47]以苯二酮改性壳聚糖并掺杂CuO以提高疏水性药物姜黄素的包封效率和抗癌活性,初始载药量增加,则药物释放速率增加。

4 结束语

芳香化壳聚糖拓展壳聚糖的化学修饰方法,赋予壳聚糖具有芳香性物质的特点和功能,开发了芳香化壳聚糖衍生物新材料,提供了研发及应用的相关理论。本文从苯、萘、蒽、卟啉和其他杂环芳香性物质入手,梳理了芳香性基团与壳聚糖接枝的合成方法。其中主要分为两类,通过醛基席夫碱反应和羧基酰胺化反应。也有少数芳香性物质通过官能团转变,得以实现芳香化壳聚糖。在工艺方面,芳香化壳聚糖可以有多种应用方式,本文梳理了膜剂、水凝胶、微球/微粒等工艺方法。在医药应用方面,总结了芳香化壳聚糖衍生物在光动力治疗、抗菌性能和载药性能方面的应用。未来在光电特性和纳米组装等方面可望获得较大的进步。