药用高分子的由来与发展

11概述1.1药用高分子的由来与发展我国是医药文明古国，中草药用于治疗生物体疾病的历史十分悠久，天然药用高分子的使用要比西方国家早得多。东汉张仲景（公元142～219）在《伤寒论》和《金匮要略》中记载的栓剂、洗剂、软膏剂、糖浆剂及脏器制剂等十余种制剂中，首次记载了采用动物胶汁、炼蜜和淀粉糊等天然高分子为多种制剂的赋形剂，并且至今仍然沿用。第九章药用高分子2早在公元前1500年开始，人们就开始有意识地利用植物和动物治病。高分子化合物在医药中的应用虽然也有相当长的历史，但早期使用的都是天然高分子化合物，如树胶、动物胶、淀粉、葡萄糖、甚至动物的尸体等。如今，尽管天然高分子药物在医药中仍占有一定的地位，但无论从原料的来源、品种的多样化以及药物本身的物理化学性质和药理作用等方面看，都有一定的局限性，远远满足不了医疗卫生事业发展的需要。第九章药用高分子3近一个多世纪以来，通过有机合成的方法获得了大量的低分子药物，为推动全球医疗事业起了巨大的作用，在医学史上有着不可磨灭的贡献。但是，低分子药物却同时存在着很大的副作用。此外，低分子药物在生物体内新陈代谢速度快，半衰期短，易排泄，因而在发病期间要频繁进药。过高的药剂浓度常常带来过敏、急性中毒和其他副作用。另一方面，低分子药物对进入体内指定的部位也缺乏选择性，这也是使进药剂量增多、疗效较低的原因之一。第九章药用高分子4在这种背景下，药用高分子的研究受到了人们的重视。高分子药物具有低毒、高效、缓释和长效等特点。与生物体的相容性好，停留时间长。还可通过单体的选择和共聚组分的变化，调节药物的释放速率，达到提高药物的活性、降低毒性和副作用的目的。进入人体后，可有效地到达症患部位。第九章药用高分子5合成高分子药物的出现，不仅改进了某些传统药物的不足之外，而且大大丰富了药物的品种，为攻克那些严重威胁人类健康的疾病提供了新的手段。因此以合成高分子药物取代或补充传统的低分子药物，已成为药物学发展的重要方向之一。第九章药用高分子61.2药用高分子的类型和基本性能1.2.1药用高分子的定义和类型药用高分子的定义至今还不甚明确。在不少专著中，将药用高分子按其应用目的不同分为药用辅助材料和高分子药物两类。药用辅助材料是指在药剂制品加工时所用的和为改善药物使用性能而采用的高分子材料，例如稀释剂、润滑剂、粘合剂、崩解剂、糖包衣、胶囊壳等。第九章药用高分子7药用辅助材料本身并不具有药理作用，只是在药品的制造和使用中起从属或辅助的作用。因此这类高分子从严格意义上讲不属于功能高分子，但显然属于特种高分子的范畴。而高分子药物则不同，它依靠连接在聚合物分子链上的药理活性基团或高分子本身的药理作用，进入人体后，能与肌体组织发生生理反应，从而产生医疗效果或预防性效果。第九章药用高分子8除了上述两类药用高分子材料外，今年来还逐渐形成了介于这二者之间的一类处于过渡态的高分子化合物。这类材料虽然本身染不具有药理作用，但由于它的使用和存在却延长了药物的效用，为药物的长效化、低毒化提供帮助。例如用于药物控制释放的高分子材料。本章将对高分子药物作较全面的介绍。第九章药用高分子91.2.2高分子药物一些水溶性高分子材料本身具有药理作用，可直接作药物使用，这就是高分子药物。按分子结构和制剂的形式，高分子药物可分为三大类：(a)高分子化的低分子药物这类高分子药物亦称高分子载体药物，其药效部分是低分子药物，以某种化学方式连接在高分子链上。第九章药用高分子10(b)本身具有药理活性的高分子药物这类药物只有整个高分子链才显示出医药活性，它们相应的低分子模型化合物一般并无药理作用。(c)物理包埋的低分子药物这类药物中，起药理活性作用的是低分子药物，它们以物理的方式被包裹在高分子膜中，并通过高分子材料逐渐释放。典型代表为药物微胶囊。第九章药用高分子111.2.3药用高分子应具备的基本性能由于药用高分子的使用对象是生物体，通过口服或注射等方式进入消化系统、血液或体液循环系统，因此必须具备一些基本的特性。对高分子药物的要求包括：(1)高分子药物本身以及它们的分解产物都应是无毒的，不会引起炎症和组织变异反应，没有致癌性；(2)进入血液系统的药物，不会引起血栓；第九章药用高分子12(3)具有水溶性或亲水性，能在生物体内水解下有药理活性的基团。(4)能有效地到达病灶处，并在病灶处积累，保持一定浓度。(5)对于口服的药剂，聚合物主链应不会水解，以便高分子残骸能通过排泄系统被排出体外。如果药物是导入循环系统的，为避免其在体内积累，聚合物主链必须是易分解的，才能排出人体或被人体所吸收。第九章药用高分子132高分子化药物2.1低分子药物高分子化的优点低分子药物分子中常含有氨基、羧基、羟基、酯基等活性基团。它们是与高分子化合物结合的极好反应点。低分子药物与高分子化合物结合后，起医疗作用的仍然是低分子活性基团，高分子仅起了骨架或载体的作用。但越来越多的事实表明，高子骨架并不是惰性的，它们对药理基团有着一定的活化和促进作用。第九章药用高分子14高分子载体药物进入人体后，药理作用通过体液或生物酶的作用发挥出来。高分子载体药物有以下优点：能控制药物缓慢释放，使代谢减速、排泄减少、药性持久、疗效提高；载体能把药物有选择地输送到体内确定部位，并能识别变异细胞；稳定性好；释放后的载体高分子是无毒的，不会在体内长时间积累，可排出体外或水解后被人体吸收，因此副作用小。第九章药用高分子152.2低分子药物与高分子的结合方式林斯道夫（Ringsdorf）等提出，高分子载体药物应具有图9—1那样的模型。第九章药用高分子ESTD药物基团可溶性基团输送用基团连接基团图9—1高分子载体药物的Ringsdorf模型16从图中可见，高分子载体药物中应包含四类基团：药理活性基团、连接基团、输送用基团和使整个高分子能溶解的基团。连接基团的作用是使低分子药物与聚合物主链形成稳定的或暂时的结合，而在体液和酶的作用下通过水解、离子交换或酶促反应可使药物基团重新断裂下来。输送用基团是一些与生物体某些性质有关的基团，如磺酰胺基团与酸碱性有密切依赖关系，通过它可将药物分子有选择地输送到特定的组织细胞中。第九章药用高分子17可溶性基团，如羧酸盐、季铵盐、磷酸盐等的引入可提高整个分子的亲水性，使之水溶。在某些场合下，亦可适当引入烃类亲油性基团，以调节溶解性。上述四类基团可通过共聚反应、嵌段反应、接枝反应以及高分子化合物反应等方法结合到聚合物主链上。第九章药用高分子18高分子载体药物除了林斯道夫模型外，四类基团还可以其他方式组合，得到分子型态各异的模型。例如药理活性基团位于主链中的主链型和位于分子两端的端基型等，它们通常是通过缩聚反应和活性聚合反应获得的（见图9—2）。第九章药用高分子19图9—2端基型和主链型高分子载体药物模药物基团可溶性基团输送用基团连接基团ETSDDSSDSE高分子主链药物基团连接基团可溶性基团T输送用基团SDS高分子主链药物基团可溶性基团输送用基团连接基团ETSDDSSDSE高分子主链药物基团连接基团可溶性基团T输送用基团SDS高分子主链第九章药用高分子202.3高分子载体药物的研究和应用药用高分子的研究工作是从高分子载体药物的研究开始的。第一个高分子载体药物是1962年研究成功的将青毒素与聚乙烯胺结合的产物。至今已研制成功许多品种，目前在临床中实际应用的药用高分子大多属于此类。第九章药用高分子21碘酒曾经是一种最常用的外用杀菌剂，消毒效果很好。但是由于它的刺激性和毒性较大，近年来日益受到人们的冷落。如果将碘与聚乙烯吡咯烷酮结合，可形成水溶性的络合物。这种络合物在药理上与碘酒有同样的杀菌作用。由于络合物中碘的释放速度缓慢，因此刺激性小，安全性高，可用于皮肤，口腔和其他部位的消毒。第九章药用高分子[CH2CH]nNCH2CCH2CH2OII22青霉素是一种抗多种病菌的广谱抗菌素，应用十分普遍。它具有易吸收，见效快的特点，但也有排泄快的缺点。利用青霉素结构中的羧基、氨基与高分子载体反应，可得到疗效长的高分子青霉素。例如将青霉素与乙烯醇—乙烯胺共聚物以酰胺键相结合，得到水溶性的药物高分子。这种高分子青霉素在人体内停留时间比低分子青霉素长30～40倍。第九章药用高分子23第九章药用高分子[CH2CH]nOH[CH2CH]mNHCOCHNCHCSCH3CH3CHCONH3乙烯醇—乙烯胺共聚物载体青霉素24以乙烯基吡咯烷酮—乙烯胺共聚物或乙烯基吡咯烷酮—丙烯酸共聚物作骨架，也得到水溶性高分子青霉素，并具有更好的稳定性和药物长效性。而且聚乙烯吡咯烷酮本身可作血液增量剂，与生物体相容性良好。第九章药用高分子25乙烯基吡咯烷酮—乙烯胺共聚物载体青霉素[CH2CH]n[CH2CH]mNHCOCHNCHCSCH3CH3CHCONH3NO第九章药用高分子26[CH2CH]n[CH2CH]mNHCOCHNCHCSCH3CH3CHCONOCOOH第九章药用高分子乙烯基吡咯烷酮—丙烯酸共聚物载体青霉素27利用分子中羧基和胺基的缩聚反应，可制得药理活性基团位于主链的聚青霉素。第九章药用高分子HOOCCHNCCHSCH3CH3CHCONH2CCHNCCHSCH3CH3CHCONHOn28此外，青霉素在一定条件下还可发生开环聚合：这种聚合物的分子量一般只能达到1000～3000，其水解后的结构与原来青霉素结构不同，但实验结果表明仍有良好的抗菌作用，且比低分子青毒素有更好的持久性。HOOCCHNCCHSCH3CH3CHCONH2n[NHCHCO]nCHSNHCCHCOOHCH3CH3第九章药用高分子29维生素是人体生长和代谢所必须的微量有机物，但所需量很小。按理说，人们每天食用的蔬菜、水果、谷物中的维生素已足够维持肌体活动的需要。但实际上，维生素并不易被人体吸收，其中大部分在进入人体后又被排泄掉了，浪费很大。已经研制了多种维生素与高分子化合物结合的产物，药效大大提高。例如VB1中的羟基能顺利地与聚丙烯酸中的羧基结合。第九章药用高分子30[CH2CH]nCOOH+HOCH2CH2NSCH3[CH2CH]nCOOCH2NSCH3CH2NNCH3+ClCH2H2NHClCH2NNCH3+ClH2NHClVB1（硫胺盐酸盐）第九章药用高分子31利用半胱氨酸型聚合物中的SH基使VB1开环加成，可得到与上述高分子VB1不同结构的产物，但药效基本不变。第九章药用高分子[CH2C]nC+HOCH2CH2NSCH3CH2NNCH3+ClH2NVB1（硫胺盐酸盐）CH3ONHCHCH2SHCOOH[CH2C]nCCH3ONHCHCH2SCOOHSCHCCH3NCHOCH2NNH2NCH332同样，VC（抗坏血酸）中羟基与聚合物中的羧基以酯的形式结合，也可得到含VC的聚合物。第九章药用高分子PCOOH羧甲基纤维素+CCCHCCCH2OHHHOHOHOOOPCOOCHCHCH2OHCCCOOHOHO33低分子抗癌药常常伴有恶心、脱发、全身不适等不良反应。如将这些药物与高分子结合，可定向地将药物输送到病灶处，为变异细胞所吸收，不会在全身循环过久，从而避免了毒性作用。在低分子抗癌药中，有很大部分是核酸碱类化合物。现已将核酸碱类抗癌药大分子化。这些核酸碱类聚合物具有DNA或RNA的某些性质，可以被肿瘤细胞所吸收，制止肿瘤细胞的复制，起到抗癌作用。第九章药用高分子34用以制备核酸碱类聚合物的单体主要是尿嘧啶、腺嘌呤的乙烯基衍生物，例如烷硫基嘌呤的烯烃衍生物，5—氟尿嘧啶的乙烯基衍生物等。乙烯基尿嘧啶是最简单的尿嘧啶单体，能在引发作用下聚合形成水溶性聚合物，它能像天然核酸那样彼此间通过氢键缔合形成高分子络合物，有良好的抗肿瘤作用。第九章药用高分子CH2CHNHNOnCH2CHNHNO[]n35用甲基富马酰氯与5—氟尿嘧啶（5—Fu）反应得到单体，均聚物和共聚物都具有抗肿瘤活性。第九章药用高分子NHNOnHOF+CCCH3OOCHHCOClCCCH3OOCHHCONHNOOFCHCHCH3OOCCONHNOOF[]nCOOCH336从以上例子可见，许多低分子药物在高分子