壳聚糖在药物微囊化及应用中的研究进展

白 颖,张海峰,王 玮＊,金邻豫

(1.河南大学药学院药剂学教研室,河南 开封 475004;2.河南大学化学化工学院仿真实验室,河南 开封 475004)

壳聚糖在药物微囊化及应用中的研究进展

白 颖1,张海峰1,王 玮1＊,金邻豫2

(1.河南大学药学院药剂学教研室,河南 开封 475004;2.河南大学化学化工学院仿真实验室,河南 开封 475004)

壳聚糖;微囊;载体材料

药物微囊化是指利用天然的或合成的高分子材料(囊材)将固体药物或液体药物(囊心物)包裹而形成贮库型微型胶囊的过程。微囊也可以看成是微球中间有一个或多个微腔,在微腔内包裹着药物[1],微囊和微球可统称为微粒制剂,为了便于文字表述,本文中均统一称为微囊。药物微囊化的进展可分为几个阶段,20世纪70年代主要开发的是粒径为5μm～2 mm的微囊,随后发展的产品粒径更小,这种载药微粒能显著提高药物活性和生物利用度,目前的产品可将微粒导入到体内特定靶部位而发挥疗效。本文将就壳聚糖在载药微囊的制备及壳聚糖载药微囊的应用情况进行综述。

1 壳聚糖的特性

微囊主要是由载体材料和药物组成。载体材料也可简称囊材,主要包括高分子材料、促进溶解与吸收的促进剂、控制药物释放的阻滞剂及稳定剂等。理想的囊材应具备的条件包括:应具有良好的生理相容性,不产生过敏反应;与药物有足够的结合能力,具有较强的载药性;与药物不发生任何反应,能配伍,从而不影响药物的药理作用及含量测定;对人体组织具有一定的亲和性以增强靶区域的滞留性,能保证载药微囊实现缓释、控释释药,释药后具有良好的生物降解性,安全无毒地排出体外。

壳聚糖[2]是甲壳素经强碱水解或酶解作用脱去乙酰基转化而成的,它和甲壳素最主要的区别就是脱乙酰基程度不同。它是一种天然的阳离子聚合物,因为含有氨基可溶于酸或酸性溶液;生物相容性好、无毒,具有生物黏附性;在体内可被溶菌酶、胃蛋白酶等多种酶酶解,具有优良的生物降解性和成膜性;有促进伤口愈合、降血脂、降胆固醇等生物活性;对肿瘤细胞有选择性吸附作用,可直接抑制肿瘤细胞,与抗癌药合用可增强抗癌作用等。由壳聚糖的特性可看出,它是一种优良的微囊化载体材料。

2 壳聚糖载药微囊的制备

微囊化过程实际上是一个涂膜的过程,即将被涂膜的物质分散至直径以微米计的颗粒(滴)后,通过物理、化学方法在其周围涂上一层高分子的薄膜。依据囊壁形成的机理和成囊条件,微囊制备方法大致可分为3类,即化学法、物理法和物理化学法。目前已报道有多种方法可以用来制备壳聚糖载药微囊,以下为比较常用的制备方法。

2.1 单凝聚法

单凝聚法也叫沉淀法,利用的原理是降低壳聚糖的溶解度,使其沉淀析出,从而将药物包裹而成囊。具体的制备过程是:将壳聚糖溶于含乳化剂的稀酸(一般选用醋酸)溶液中,在搅拌和超声的条件下将沉淀剂(如硫酸盐、磷酸盐、硬脂酸盐等)滴加进壳聚糖酸溶液中,加入沉淀剂后继续搅拌和超声一定时间,将所得微囊洗涤、干燥即得成品。优点是制备过程中不使用有机溶剂,有利于保持包封药物的活性,且粒径可控制到很小,可以用于黏膜给药。缺点是因为一般不使用化学交联剂,药物很容易扩散至囊材外的水相,不仅包封率不高而且释放速度也变得很快,无法实现长时效的缓释;单组分的壳聚糖微囊在酸性溶液中会溶胀释药,包封药物可能会在胃液中失去活性。Hejazi等[3]没有将药物直接分散在壳聚糖酸溶液后再沉淀,而是先以硫酸钠为沉淀剂制备壳聚糖微囊后,再分散于药物溶液中,结果发现包封率提高了60%。为控制释放速度,Fwu-long等[4]以三聚磷酸盐为沉淀剂制备出壳聚糖微囊后,通过在氨基上引用不同的功能基团来进行化学改性,发现可以达到理想的释放效果,也可在得到微囊后再进行交联,但必须控制交联条件,否则药物易被交联到微囊上。

2.2 复凝聚法

复凝聚法是利用2种带有相反电荷的高分子材料以阴阳离子间相互作用的形式交联形成复合微囊,因为此时体系接近等电点而使溶解度降低,微囊从溶液中沉淀析出。由于壳聚糖的酸溶液带正电荷,因此可以选用任何带负电荷的聚合物做复合囊材,目前最常用的是海藻酸盐、明胶、酪蛋白等。与海藻酸钠复合成囊的制备过程:将药物溶于海藻酸钠的溶液中,然后将其滴加至含CaCl2的壳聚糖酸溶液中,海藻酸盐将变成不溶的海藻酸钙而固化成微囊并与壳聚糖形成离子聚合体,使壳聚糖吸附在海藻酸钙微囊的表面或进入内部。Bayomi等[5]首先将药物溶解于壳聚糖(体积分数为5%醋酸溶解)溶液中,在搅拌下,将配制的酪蛋白溶液缓慢加入上述药液中,二者在p H=4.98的条件下凝聚析出,最后加入甲醛进行交联。采用复凝聚法制备载药微囊时,包封率和药物释放速率与两种聚合物的浓度和交联剂的用量有关,微囊的粒径随聚合物浓度增加而增加,随搅拌速度增大而减少。Munjeri等[6]以酰胺化果胶为聚阴离子材料采用复凝聚法得到了果胶-壳聚糖微囊,他们比较了固化液内只含有CaCl2与含壳聚糖和CaCl2的结果,发现加入壳聚糖能有效地延缓药物的释放,达到控释效果。复凝聚法的优点是制备中可以不使用有机试剂及化学交联剂,有利于保护药物的活性;复合微囊可以实现在酸性环境中不释放,而在中性环境下释放药物。缺点是工艺条件较难控制,只有当复凝聚的两种聚合物的电荷相等时,才能获得最大产率,此外由于所采用的材料大多都是天然高分子材料,各批材料本身存在差异,为实际控制增加难度。

2.3 乳化固化法

乳化固化法一般的制备方法是先用各种乳化方法制备不同类型的乳剂,然后除去溶剂使分散相固化而得微囊或微球。囊心物和囊材均为水溶性物质时,一般制备成W/O型乳液,再蒸去水分或通过对聚合物交联来进行固化。固化方法需根据聚合物的特点和具体用途来选择。以壳聚糖为囊材时一般选择化学交联法即通过壳聚糖与戊二醛发生席夫反应来进行固化,也可采用水分蒸发法,但固化时间过长,包封率也不高。Perugini等[7]采用该法包封乙醇酸的研究表明,所包封的乙醇酸在15min内会释放出87%的量。当采用戊二醛为交联剂时,亲水性药物将会均匀分散在壳聚糖微球中,而脂溶性药物则被包封在壳聚糖微囊内的各个小空腔内,释药时必须先扩散至壳聚糖囊膜层内,再扩散至囊外。何强芳等[8]通过改变交联剂用量来控制微粒的骨架密度,缩短了成球时间,使包封率大大提升。本法的优点是制备工艺简单易行,可通过控制交联度来控制药物释放。缺点是使用化学交联剂,会破坏药物尤其是有生物活性药物的活性,影响所制微囊的生物相容性及黏附性。Fwulong等[9]尝试用一种天然的交联剂京尼平(Genipin)植物药来交联壳聚糖微粒,同时也用戊二醛做交联剂进行比照,发现用京尼平交联的微粒所引起的炎症明显比戊二醛低,降解速度也明显较慢。

2.4 喷雾干燥法

喷雾干燥法是将要包封的药物分散于聚合物溶液中,再以喷雾法将混合溶液喷入惰性气流中,使液滴中的溶剂迅速蒸发,将药物包封于聚合物材料中。由于壳聚糖只溶解于弱酸水溶液,喷雾干燥时需选用较高的温度才能使水分蒸发。He等[10]用喷雾干燥法制备了包裹 H2受体拮抗剂西咪替丁、法莫替丁和尼扎替丁的壳聚糖微囊,微囊带正电,以增强黏膜黏附性能,使之适合于鼻腔或胃肠道给药并对与制备参数有关的微囊理化性质及体外释放特性进行了研究。制备的微囊球形良好,粒径分布均匀。空白微囊表面光滑但扭曲,尤其当交联剂用量较少时,含药微囊呈球形且表面光滑。在壳聚糖的-NH2上连接其他功能基团,不仅能改变壳聚糖的水溶性及其在有机溶剂中的溶解性,还能改变其与药物、细胞、组织之间的相互作用,提高了包封率、靶向性和生物相容性。Giunchedi等[11]将壳聚糖改性为亲水性的甲基吡咯烷酮壳聚糖后,再采用喷雾干燥法制备了包封氨苄青霉素的壳聚糖微囊,结果表明改性后的壳聚糖微囊所包封药物的活性比改性前提高了很多。在空气中喷雾干燥制备的微囊由于水分的突然蒸发,往往形成多孔结构,释药速度将会很快。Fwu-long等[12]采用改进的喷雾干燥法,制备了改性的疏水性微囊以改变其释药行为。他们将含盐酸土霉素或土霉素的壳聚糖醋酸溶液喷入醋酸酐中,使壳聚糖边固化边与醋酸酐反应生成酰基化壳聚糖微囊,产率比改进前提高了1倍以上,所得到的微囊结构非常致密,溶胀度大大下降。本法的优点是所制微囊粒径分布范围窄、粘连少、干燥快、囊型好、重现性好及有很高的包封率。但缺点也很多:设备有时需要添加昂贵的防爆装置;反应中为了得到理想的产物而会添加一些易燃有机溶剂,在高压高温下有引起爆炸的危险;制备过程中需要持续的高温,不利于生物活性物质及热不稳定性药物的包封。

2.5 自乳化-固化法

一般乳化-固化法所制得微囊的粒径较大,不适合于静脉注射给药等特定给药途径。利用两亲性高分子材料自乳化可形成纳米级乳液或形成纳米级胶束的特点,能够制备纳米级载药微囊。壳聚糖表面的亲水性低,进入体内易发生凝聚,因此需要对其进行结构修饰。代昭等[13]通过对壳聚糖进行烷基取代处理而制得具有两亲性的壳聚糖烷基衍生物,该衍生物由于烷基的疏水作用而发生自凝聚,从而形成载药微囊。实验结果表明,这种纳米级的微囊体系性能非常优良。Shantha等[14]对壳聚糖进行接枝处理,加上聚乙二醇结构单元后再进行乳化交联制备微囊,PEG嵌段不但能帮助乳化,还显著增强了微囊的亲水性。Calvo等[15]对单凝聚法进行了改进,他们在壳聚糖的酸溶液中添加了聚氧乙烯-聚氧丙烯(PEO-PPO)后,再加入三聚磷酸钠溶液(TPP),通过控制壳聚糖与TPP的质量比,可得到半透明的纳米级的壳聚糖微囊;同时研究发现PEO的引用也能增加载药微囊的表面亲水性,说明有提高载药微囊在血液内循环寿命的可能。本法的优点是稳定性好,载药量、包封率均高,极大降低毒副作用,也能极大提高对脂溶性药物的负载力。缺点则包括该方法所得的粒子是自乳化胶束形成,在人体体液环境中存在临界胶团浓度,在临界胶团浓度下易解聚,从而导致药物快速释放。故其长循环效果值得探讨,对进一步增加胶束亲脂部分内聚力的研究也宜进一步深入。

2.6 其他方法

陈艳等[16]选用不同的交联剂通过离子交联法制备了壳聚糖/5-氟尿嘧啶纳米粒子,所制得的粒子分散均匀,且球形很好。将制得的载药粒子与 K562肿瘤细胞共同培养后发现,细胞凋亡率与培养时间基本成正比关系,表明载药粒子在细胞培养液中的释药量随培养时间的增加而增大,能明显促进细胞凋亡。

Lin等[17]采用壳聚糖溶液包衣法,以壳聚糖与明胶的混合溶液为包衣液制备吲哚美辛微粒,结果表明未包衣的微粒呈二级释放特征,包衣后则可有效降低突释现象,实现长时间的缓释效果。

3 壳聚糖载药微囊的应用

3.1 抗癌药物的载体

壳聚糖本身具有抗癌性,是一种抗癌药物的理想载体。目前,以壳聚糖为载体,已制备出5-氟尿嘧啶、阿霉素、丝裂霉素、顺铂、紫杉醇、喜树碱等药物的缓释微囊,研究表明这些缓释微囊能够有效地提高抗癌药物的生物利用度并降低药物自身的毒副作用。何强芳等[8]以壳聚糖为载体,戊二醛为交联剂,以span80和硬脂酸镁为复合乳化剂,真空泵油和石蜡油相混合为油相,通过乳液化学交联法制备了粒径小、分散性好、药物含量及药物包封率较高、可适于静脉注射和对患部直接注射的5-氟尿嘧啶壳聚糖微粒,实验结果表明,壳聚糖微囊对5-fu的缓释作用明显,释放周期比较长,壳聚糖可作为载5-fu的理想载体。李沙等[18]采用复凝聚法制备了阿霉素海藻酸钠-壳聚糖微囊,以凋亡细胞的原位末端转移酶标记技术及SRB活细胞染色法考察该微囊的体内外抗癌活性,实验结果表明,所制得的微囊载药量很高,与阿霉素原料药相比具有更强的抗癌活性。这提示将该微囊用于癌症动脉栓塞化疗方面的研究具有很高的实用价值。

3.2 其他药物的载体

近年来,随着药剂学的飞速发展,壳聚糖微囊可以包封的药物的种类越来越多,以下举几例简单说明:①H2受体拮抗剂法莫替丁、西咪替丁等通过选择性地阻断胃黏膜上的 H2受体而抑制胃酸及胃蛋白酶的分泌,是常用的强效治疗胃及十二指肠溃疡的药物,但该类药物的体内半衰期短,刺激性大,生物利用度低。He等[19]采用喷雾干燥法制备的西米替丁和法莫替丁壳聚糖微囊,缓释作用明显,可明显提高药效。②胰岛素是治疗Ⅰ型糖尿病的常用药物,在胃肠环境下很易降解,将其微囊化可有效保持其稳定性且方便患者服药。杨利芳等[20]采用静电液滴工艺制备了胰岛素海藻酸钠-壳聚糖微囊,以四氧嘧啶为诱导剂建立糖尿病小鼠模型,对载药微囊的口服药效学进行评价,结果表明,以该微囊为基础的口服胰岛素制剂生物利用度高且缓释效果明显,胰岛素的相对活性保持很高。

3.3 生物活性物质载体

碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)是一种具有多种生物学功能的蛋白多肽,能促进细胞分化,参与调控体内血管新生的整个过程,生理作用很广泛。卜寿山等[21]采用Berthold的沉淀/凝聚法制备壳聚糖微囊,用此微囊包裹bFGF,结果表明,该微囊能够持续释放活性bFGF,从而保证在较长时间内促进血管的增生,在冠心病的治疗领域具有潜在的应用价值。胡云章等[22]选取HBV表面抗原亚单位疫苗及HBVDNA疫苗作为模型,制备了壳聚糖为囊材的载药微囊疫苗,经过 ELISA法检测血清中抗 HBV IgG,该疫苗在16周才达峰值,证明壳聚糖微囊能够使诱导的IgG应答水平阈值的时间延长。壳聚糖的酸溶液带正电,可与带负电荷的生物活性物质如DNA、抗原及大多数蛋白质药物相互作用。徐咏梅等[23]以牛血清蛋白作蛋白质模型药物,制备了低分子量壳聚糖载药纳米粒子并对其性能进行了探讨,经过 PEG修饰后包封率很高,体外缓释效果明显,有望作为良好的蛋白质药物载体进行临床运用。

3.4 中药缓释制剂

在中医药现代化的进程中,将微囊技术应用到制备中药提取物缓释制剂后,将使其药物的释放可控,提高药物稳定性,延长中药提取物在有效血药浓度的作用时间,减少或避免毒副反应的发生,还能有效提高生物利用度。红景天为景天科红景天属多年生草本或亚灌木植物,其药用有效成分主要为根和根茎中的红景天苷,具有抗缺氧、抗疲劳、抗微波辐照、抗毒等作用。赵武奇等[24]以复凝聚法制备了红景天苷微囊并对其控制释放进行研究,实验结果表明,该缓释微囊克服了红景天散剂、酒类、胶囊、口服液等剂型利用率低、使用频繁的缺点。这对于提高红景天苷的生物利用率、延长有效成分的作用时间、减少服用次数、更好地发挥其作用有着重要的意义。去甲斑蝥素剂量过大时,会引起明显的毒副反应,其细胞毒性作用存在浓度、时间依赖关系,主要与其峰值血药浓度有关,通过将其微囊化则可显著克服以上缺点。八角茴香油是从八角茴香中提取的挥发性芳香油,易被氧化,保存及使用均不便,通过对其微囊化可有效抑制其挥发和氧化,大大地增强稳定性[25]。

4 展望

壳聚糖的很多特性使其成为一种理想的载体材料,在药物微囊化的过程中占有非常重要的地位。壳聚糖微囊制剂是一个优良的缓控释给药系统,广泛应用于药物控释载体、基因运载工具、免疫隔离作用、环境净化和人工器官、细胞培养微反应器等方面。目前研究的热点集中在具体的制备工艺的优化、控制微囊质量、改善外观及光洁度等方面,而对体内释药特性、药代动力学过程和药效学等方面的研究较少,并且国内在临床大规模应用上还与国外存在较大差距。随着国内、外微囊技术研究的不断深入,壳聚糖在微囊体系中的应用将会有更加广阔的前景。

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[责任编辑 姬 荷]

O636

A

1672-7606(2010)04-0242-04

2010-10-09

河南大学校内基金项目(04YBRW060)

白颖(1970-),女,河南 开封 人,讲师,从事药物缓控释与微粒靶向制剂的研究工作。

＊通讯作者:王玮(1964-),男,河南 开封 人,博士,硕士生导师,教授,从事药物缓控释与微粒靶向制剂的研究工作。