生物高分子材料在药物传递系统中的降解__机理与表征方法

第35卷第1期2010年3月广州化学GuangzhouChemistryVol.35No.1Mar.2010文章编号：1009-220X(2010)01-0054-14生物高分子材料在药物传递系统中的降解Ⅰ.机理与表征方法何潇1，沈青1,2*（1.东华大学高分子材料与工程系；2.东华大学纤维材料改性国家重点实验室，上海201620）摘要：生物高分子材料在现代药物传递系统中不仅起着载体的作用，而且还影响和控制药物的缓释机理。文章为第一部分，主要介绍生物高分子材料在药物传递系统中的降解机理与表征方法。关键词：生物高分子材料；降解；机理；表征中图分类号：O636文献标识码：A自20世纪80年代起，生物技术、生物工程和生物材料以它独有的特点和显著的进展促进了高分子材料在生物学和生物医学领域的研究、发展和应用。如一些研究已经报道了生物高分子材料的表面化学元素、成分、物理形态和结构，生物体系中高分子材料表面的相互作用及与细胞反应的结果[1]。这说明高分子生物材料已经在医学研究和临床试验中取得了重大的进展，但这些工作是非常有限的，仍需要对组织（或细胞）和生物医学材料间的界面化学进行必要的了解。事实上，关于表面性能对生物高分子材料功能的影响以及生物高分子材料作为药物传递体系时的表现行为、相关机理的研究仍然非常缺乏。而这些对我们了解这类材料在生物环境中的作用和应用具有非常重大的意义。一些文献曾经报道了一些生物高分子材料的表面特征[2]，但研究者关注的主要是生物高分子材料经表面修饰（如在生物材料表面加入表面活化剂）后降解行为的改变以及对材料外部的影响。例如Jahangir等人[3]报道了蛋白质吸附和加入胆固醇酯酶来改进水解聚乙醚-氨基甲酸乙酯表面的效果。表面降解和本体腐蚀是最重要的降解过程，正如图1所示，降解可以在材料的本体或表面任意一个层面进行[4]。生物高分子材料内外的pH值都决定其降解反应的机理。就本体腐蚀而言，可以观察到高分子材料的整个降解过程和其相对分子质量的迅速降低，但是质量降低过程相对比较缓慢；对于表面腐蚀，其生物降解过程主要是在表面进行的[5]。收稿日期：2009-07-25∗通讯作者[e-mail]基金项目：高等学校学科创新引智计划资助项目（No.111-2-04）。作者简介：何潇（1986~），女，2006级本科生。第1期何潇等：生物高分子材料在药物传递系统中的降解Ⅰ.机理与表征方法55a.本体腐蚀b.表面腐蚀→→→→图1本体腐蚀和表面腐蚀的示意图生物高分子材料的表面研究涉及到降解过程中的的化学成分、结构信息和形态改变，但研究表面降解行为动力学的报道还非常少。一般而言，通过对生物高分子材料表面反应的研究，不仅能增加对表面水解降解动力学的认识，而且可以使我们对新的生物高分子材料及其衍生物的应用有进一步的认识。此外，理解本体降解对了解生物可降解高分子材料的应用有很大的帮助。但这类高分子材料作为载药系统时，研究人员更关注的是其表面降解机理。目前的文献大多关注高分子的表面表征和表面催化反应，而极少涉及表面降解反应机理，因此本文将对生物环境、界面性能和生物高分子材料表面官能团之间复杂的相互作用和关系（如表面重组、非特定和特定蛋白质吸附及化学反应）及酸碱反应、离子配对、离子交换、氢键结合和二价离子桥等现象进行解释，其中涉及到一些重要的生物高分子材料，如聚α-羟基酸、聚羟基乙酸和聚乳酸等的药物释放机理。这些涉及到的生物高分子材料见表1。表1本文涉及的生物高分子缩写全称PLA聚丙交酯，聚乳酸PLLA聚L-丙交酯，聚L-乳酸PGA聚乙二醇，聚羟基乙酸PDLLA聚DL-丙交酯PLGADL-丙交酯乙二醇共聚物，DL-乳酸羟基乙酸共聚物L-丙交酯乙二醇共聚物，L-乳酸羟基乙酸共聚物PCL聚ε-羟基乙酸内酯P(PF-co-CL)聚丙烯延胡索酸酯-共-羟基乙酸内酯POE（多原酸酯）3,9-二乙酯-2,4,8,10-四氧杂螺[5,5]十一烷-共-N-苯基-二乙醇胺（DETOSU/PDE）P(3HB)聚R-3-羟基丁酸P(3HB-co-3HV)聚R-3-羟基丁酸酯-共-R-3-羟基戊酸酯1生物高分子材料表面的定量分析1.1与生物高分子材料各种性能有关的表面化学在很多传统和现代应用中，材料的根本性能不仅依靠它们的本体性质，而且在很大程度上依赖它们的表面微观结构和界面行为，这使得表面科学在科学技术的发展中所起的作用如催化、腐蚀和吸附等被人们日益关注。现代表面科学主要研究原子和分子水平上的表面科学，当今世界材料科技的很多领域的发展都受益于表面分析技术的应用。新型催化剂、传感器和逐渐细小化的半导体设备等的发展也都是以分子水平上的表面科学技术的发展为基础的。56广州化学第35卷由于高分子材料在复合材料、润湿剂、涂料、黏合剂、摩擦离合器和生物相容性等领域的广泛应用，高分子材料的表面科学已经发展成为一个逐渐成熟的动态领域。例如：对高分子材料进行表面分析不仅可研究材料的化学结构、表面添加剂，还可以分析出材料的表面污染物。另外，对材料进行表面修饰可提高材料的表面可湿性和粘附性。因此表面修饰是高分子材料表面分析的一个主要方法。新型高分子材料的合成得到了高分子材料的表面结构和成分，同时也促进了新型测试仪器的发展和方法的革新。1.2生物高分子材料的表面表征技术1.2.1X-射线光电子能谱和次级离子质谱法X-射线光电子能谱（XPS）也叫做化学电子能谱术分析法（ESCA），是超高真空重负荷机器（UHV）测定高分子的方法。该法在提供化学元素信息的同时，也展示了高的表面灵敏度，能最大程度地减少对样品的破坏，不易受样品绝缘性的影响。XPS目前常用来测定高分子材料的表面组成、追踪反应过程和化学降解。XPS有三方面的优点使它成为高分子材料表面分析技术的理想方法：化学位移的定性信息能鉴定高分子材料的表面功能性；结构的定量分析可以测定元素和官能团的浓度；而小角能量测定法能使其测量深度仅有几个微米[6]。次离子质谱法（SIMS）是另一种简单而有用的表面分析技术。通常，质量分析是通过四杆质量分析器（QMF）、质谱仪（TOF）或者扇形磁场质谱仪来组成的。目前，TOF-SIMS的发展引起了研究者的兴趣，因为TOF质量分析法能测定高质量的离子和分析分子质量高达（10000～20000amu）的样品。TOF-SIMS对离子质量的限制较低。SIMS的测定方法有两种不同的模型：动态和静态[7]。Gardella和deGatia[8]曾讨论了基于XPS和SIMS方法探测生物材料表面化学的现状和面对的挑战。由于这类材料的应用大都涉及到表面接触，并都是在生物环境中进行的，因此他们简述了其结构测定中的问题，并用XPS、SIMS法表征材料来解释这些环境中的反应的相互关系。1.2.2其它表面表征技术除了XPS和SIMS，还有很多可以测试生物材料表面性质的技术，如：接触角法、荧光波谱学、饿歇电子能谱（AES）、凝胶渗透色谱（GPC）和X射线边缘吸收色谱（NEXAFS）等。其它还有：低能量离子散射光谱（ISS）；高分辨电子能量损失谱（HREELS）；傅里叶转变红外光谱（FT-IR）；尤其是衰减全反射红外光谱ATR-FTIR和拉曼光谱[9]。表2对这些方法进行了比较。其中FT-IR方法对高分子材料的骨架测定是非常有效的，而ATR-FTIR对于表面（1～5μm）很敏感。当离子束撞击固体表面时可能发生多种现象。其中一种便是主要离子的散射，这个过程是通过ISS分析固体样品最外层而发现的。由于ISS极强的表面敏感性，ISS已经广泛应用于表面吸附和解吸附的基础研究、合金的隔离、表面结构重组和应用材料的表征，特别是催化剂。ISS在聚合物中的应用主要有以下两个发展方向：官能团定位研究和分子取向中的阴影效应、表面化学成分测定和反应。ISS联合其他表面光谱法也已经用来获得多组分高分子材料的深层轮廓。第1期何潇等：生物高分子材料在药物传递系统中的降解Ⅰ.机理与表征方法57HREELS技术已经广泛应用在证明单晶体和接触反应系统模型的小分子吸附。HREELS在某些方面优于IR和拉曼光谱等其它技术。比如它有单一的振动模式和电子光谱性能、高灵敏度（小于0.1%个单层）、高应用效果，可以丰富表面表征。而它最有用的特点是定位灵敏[10]。表2适于高分子材料表面研究的光谱技术XPS（ESCA）IR和拉曼SIMSISSHREELS环境因数分析高真空0.6eV－1cm-1超高真空0.1～1amu超高真空可变超高真空25～200cm-1元素/分子信息无H/化学位移官能团ID所有同位素/分子，裂解无H或He/低分辨官能团ID测量范围单层体积0.01单层10-6/10-9单分子层单层单层侧面分辨5μm－10μm10nm（原子）分子（离子）无无敏感深度＞5nm1nm1nm0.3～0.5nm0.3～6nm样品损坏小，有时伴随有非单一的X-射线无高（待研究），静态环境下低高（待研究）无主要成果元素和化学分析，电子结构分子振动，官能团大小测量限制低，分子离子/碎裂离子键元素，原子定位分子震动表面灵敏性表3显示了各种技术下的生物材料相关系统的样品表征特点。对于形态学特征的表征，扫描电镜（SEM）、扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）等方法已经被广泛应用。但每一种方法都同时存在着优点和缺点，所以通常生物高分子材料表面性质研究需要应用不止一种的方法。表3生物降解材料相关体系表征的各种技术生物高分子表面表征技术参考文献生物材料表面的主要结构和反应XPS,SIMS[11]生物聚酯XPS,SIMS[12]木材次表面酸碱性能XPS[13]木材表面接触角[14]木材本体酸碱性能FT-Raman[15]生物共聚酯XPS,TOF-SIMS[16]细胞黏附XPS,ATR-FTIR,TOF-SIMS,荧光光谱法[17]生物降解缝合材料XPS,SIMS[18]PLA和PLGA膜XPS[19]PLGA的结构XPS,SSIMS[20]聚合物生物降解XPS[21]含氟聚合物基质的牛血清蛋白吸附荧光光谱法[22]氟化乙烯基丙烯膜XPS,ATR-FTIR[23]生物医用灭菌钛合金XPS,SAM[24]带电聚合物基质XPS,接触角[25]氧化铌表面组装聚L-赖氨酸TOF-SIMS[26]生物高分子材料XPS,SIMS[27]血管紧缩素转化酶抑制剂SIMS[28]58广州化学第35卷（续表3）医疗设备抗菌表层XPS[29]角蛋白纤维；阳离子烷基蛋白TOF-SIMS[30]蛋白质吸收膜TOF-SIMS[31]DNA序列TOF-SIMS[32]高支化的脂肪族聚酯TOF-SIMS[34]磷酸胆碱XPS,TOF-SIMS[35]聚丙二醇和环氧乙烷的三嵌段共聚物的蛋白吸附XPS,TOF-SIMS[36]含氢硅中仿生磷灰石的生长和活性SIMS[37]PEG表面的蛋白抵抗力XPS,TOF-SIMS[38]多组分吸附膜XPS,TOF-SIMS[39]透明质酸及其表面TOF-SIMS[40]等离子喷射羟磷灰石表面XPS,TOF-SIMS[41]珍珠的母珠母贝XPS,SIMS[42]纤维粘连蛋白和RGD基质XPS,TOF-SIMS,AFM,接触角[43]生物材料界面SEM,离子和振动光谱法[44]水凝胶聚合物体系；隐形眼镜表面XPS,SIMS[45]神经元和表面改性XPS,接触角[46]高稳定性光学纤维XPS[47]云母和PTFE膜基质的蛋白质吸附TOF-SIMS[48]1.3生物高分子材料的表征关于生物高分子材料的表征和它们与生物体系之间的界面反应方面的研究已有许多报道。从早期的Davies的研究[15]到现在所发表的文章可以发现，用一种技术很难全面反映材料表面化学结构的信息，因此往往同时应用多种技术。聚β-羟基丁二酸及其衍生物的表面化学结构就是通过同时应用XPS和SIMS对其进行研究而得到的（图2）。表4聚β-羟基酸[49]共聚物比例聚合物苯基β-苹果酸丁基β-苹果酸Β-苹果酸缩写聚苯基β-苹果酸100――PMLABZ100聚苯基β-苹果酸-共-丁基β-苹果酸9010―PMLABz90Bu10