1. 研究目的与意义
1）研究的目的、意义:
几丁质又名甲壳素是一种维持和保护甲壳动物和微生物躯体的线性氨基多糖，广泛存在于甲壳纲动物及真菌类的细胞壁中，在自然界中的含量仅次于纤维素，而且也是地球上储量最大的含氮有机化合物。近几年来纳米材料与纳米技术的发展掀起了新材料研究领域的一股热潮，生物纳米纤维材料技术已经成为世界各国重点项目及先端技术的研究热点。其中几丁质纳米纤维材料的发展也得到一定进步。水凝胶（hydrogel）是一种能吸收大量水分的具有三维网络结构的材料，由于其不溶于水且具有吸水，保水，缓释等优越性能，被广泛的用于农，林，食品，医药，日用化工等领域。本实验室前期的研究中，已经能够成功制备几丁质纳米纤维基水凝胶，为了进一步研究其载药释放性能，本课题将尝试探索几丁质纳米纤维水凝胶在药物缓释方面的性能，为几丁质纳米纤维水凝胶的应用研究提供一定的理论基础。
（2）主要研究内容：
2. 国内外研究现状分析
一、国内外同类研究的综述
2.1几丁质纳米纤维材料的原料与性质
几丁质又叫甲壳素，大量存在于海洋节肢动物(如虾、蟹)的甲壳中，也存在于昆虫、藻类细胞膜和高等植物的细胞壁中,分布极其广泛,在自然界的储量仅次于纤维素，每年生物合成的几丁质有10亿吨之多。因此，它是一种取之不尽、用之不竭的再生资源。甲壳素的化学名称为(1，4)-2-乙酰氨基-2-脱氧-β-D-葡聚糖,它是通过β-1，4糖苷键相连的线性生物高分子，分子量从几十万到几百万。几丁质脱除乙酰基后的产物是壳聚糖，其化学名称为(1，4)-2-氨基-2-脱氧-β-D-葡聚糖。几丁质和壳聚糖具有与纤维素很相近的化学结构，它们的区别仅是在C2位上的羟基分别被一个乙酰氨基和氨基所代替，其中几丁质的结构如图1所示。从几丁质的晶体结构来分类，主要包括α-几丁质、β-几丁质和γ-几丁质。大部分几丁质是α型的，分子链通过许多分子间和分子内氢键相互平行排列，主要存在于螃蟹壳、虾壳中，这一类原料作为食品废弃物来源相当广泛。β-几丁质主要存在于管线虫、鱿鱼等生物体中，分子链以反平行的形式排列。而γ结构中则同时包括了平行和反平行链，是两种形式的混合。相比于β-几丁质，α-几丁质有更强的晶体结构。
几丁质和壳聚糖一样是环境友好型材料，具有生物兼容性好、生物可降解、可再生等性质。在生物医用材料、生物医药、生物农药、保健食品、环保、复合材料等方面有广泛的应用前景。
2.2纳米纤维材料的制备方法与发展
最早的纳米纤维素胶体悬浮液是由Nickerson和Habrle于1947年用盐酸和硫酸水解木材和棉絮制备得到的，Ranby等在1952年用酸解法制备了长50-60 nm、宽5-10 nm的棒状纳米纤维素晶须。研究表明用盐酸和硫酸在中等温度(45-60℃)水解不同的纤维素原料可以制备l％左右的纳米纤维素晶须的水悬浮液。2006年，日本东京大学矶贝明（Akira Isogai）教授研究团队首次以2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧游离基（TEMPO）-触媒氧化法从天然植物纤维素材料成功制备了截面宽 3-4 nm、长数微米的完全单离分散的纤维素纳米纤维，使纤维素纳米纤维制备研究取得了突破性进展。TEMPO在液相氧化体系中作为一种有效的催化剂高度选择性地将纤维素C6位的羟基氧化为羧基或羧酸盐。触媒氧化反应的机理如图2所示，氧化后的纤维素依然具有较高的结晶度和结晶尺寸，大量的羧基和醛基被引入到了纤维素结晶区的表面，TEMPO不会改变天然纤维素原有的微纤维构成，而引入羧基浓度主要取决于氧化体系中氧化剂NaClO的用量，而当羧基浓度达到一定程度时即不会再受氧化条件的影响。这一机理不仅适用于纤维素纳米纤维的制备，也同时适用于几丁质。
图2纤维素TEMPO氧化的机理示意图
2008年Fan等通过超声的方法以鱿鱼软骨为原料制备了直径3～4nm，长度为数微米的β-几丁质纳米纤维，超声过程中没有发生脱乙酰反应，纤维保持原来的结构。而酸水解的方法制备α-几丁质纳米纤维也取得一定成功蟹壳去除蛋白和钙质后，在酸性溶液中通过机械碾磨的方法可得到10～20nm的几丁质纤维。其中所制得几丁质要通过部分脱乙酰作用，使C2位的乙酰氨基在NaOH作用下部分转化为氨基，从而在酸性条件下进行机械处理，从而得到几丁质纳米纤维。其中部分脱乙酰的机理如图3所示。
图3部分脱乙酰机理
2.3几丁质水凝胶材料的应用
水凝胶材料是指能迅速吸收及并保持大量水分而又不溶于水的低交联度材料,具有高分子电解质特性和三维网络结构,是一类集吸水、保水、缓释于一体并且发展迅速的功能高分子材料。高分子水凝胶材料可分为无机和有机高分子水凝胶材料两类,平常所指高分子水凝胶材料一般是有机高分子水凝胶材料,而有机高分子水凝胶材料又有天然与合成高分子水凝胶材料之分。聚合物成为高分子水凝胶材料必须具备两个条件:高分子主链或侧链上带有大量的亲水基团和具有适当的交联网络结构。高分子水凝胶材料本身所具有的优越性能引起众多研究者极大的兴趣与关注,相应的制备与开发研究日新月异,其应用已渗入到农、林、牧、园艺、沙漠防治、医疗卫生、生物医药、建筑、石油化工、日用化工、食品、电子和环保等各个领域,并仍在向更广阔的应用领域拓展。
水凝胶作为大分子药物的控释材料更为适宜,因为水凝胶所含有的大量水性环境适合极性蛋白质分子的扩散。与疏水聚合物相比,同被固定化的酶或组织只有弱得多的相互作用,在有害的环境(如胃里的酶或者低pH)里,水凝胶可以保护蛋白质不受损害,固定在水凝胶中的生物分子活性能够保持较长的时间。
水凝胶具有温敏性及PH敏感性，热敏性整体式水凝胶可以响应温度的逐步变化制备开关式药物控释膜。开关控释膜的形成可以认为是温度的突然变化时,凝胶表面比其内部收缩快很多,形成一致密渗透率低的皮肤层。当温度低于LCST时,水凝胶处于溶胀状态,充满整个阀门区,阀门区处于关闭状态;当温度高于LCST时,水凝胶收缩,阀门区有很大的自由空间,阀门处于开放状态。很明显,这种开关控制作用仅对大分子药物较好,小分子药物即使在阀门关闭状态也能通过扩散作用透过溶胀的水凝胶,产生一定量的释放。这种给药装置的优点是可以通过改变阀门和释药孔的数目来调节药物的释放。壳聚糖分子内所含的碱性2NH2与H 结合或解离,相关氢键发生解离或形成,因而具有明显的pH敏感性。受外界pH变化刺激时,体积相转变取决于氢键、范德华力、疏水作用和静电等分子间相互作用的微不平衡。改变壳聚糖侧链功能基的酸碱性、亲疏水性等,使凝胶的pH敏感性发生变化。为防止药物在胃中失活,将药物包囊在有弱酸性基团的聚合物敏感性水凝胶中,在胃的酸性环境中,水凝胶处于收缩状态,使药物不释放或少释放,在到达肠道的弱碱性环境后,水凝胶吸水溶胀,药物通过溶解扩散释放。利用合适的敏感性载体材料,可设计pH敏感型口服结肠定位给药系统。
2.4缓释材料中微乳液及常用组分
微乳液这个概念是1959年由英国化学家J.H.Schulman提出来的，微乳液一般是由表面活性剂、助表面活性剂、油与水等组分在适当比例下组成的无色、透明(或半透明)、低粘度的热力学体系。由于其具有超低界面张力(10~10 N/m)和很高的增溶能力(其增溶量可达60 %~70%)的稳定热力学体系。微乳液为透明分散体系，其形成与胶束的加溶作用有关，又称为"被溶胀的胶束溶液"或"胶束乳液"。简称微乳。通常由油、水、表面活性剂、助表面活性剂和电解质等组成的透明或半透明的液状稳定体系。分散相的质点小于0.1μm，甚至小到数十埃。其特点是分散相质点大小在0.01~0.1μm间，质点大小均匀，显微镜不可见;质点呈球状;微乳液呈半透明至透明，热力学稳定，如果体系透明，流动性良好，且用离心机100g的离心加速度分离五分钟不分层即可认为是微乳液;与油、水在一定范围内可混溶。分散相为油、分散介质为水的体系称为O/W型微乳状液，反之则称为W/O型微乳状液。微乳液一般需加较大量的表面活性剂，并需加入辅助表面活性剂(如极性有机物，一般为醇类)方能形成。
1）表面活性剂的选择
表面活性剂在微乳液的形成中起重要作用。离子型表面活性剂通常形成的微乳液区域较大，较易形成微乳液，但其刺激性太大，而应尽量减少其用量；非离子表面活性剂由于毒性和溶血作用较小，能与大多数药物结合，而多用于药物载体。因此，考虑到形成微乳液凝胶的难易程度及其稳定性，常使用离子表面活性剂与非离子表面活性裁的复配体系。最常用的离子型表面活性荆是二（2-乙基）已基磺基琥珀酸钠（AOT）非离子型表面活性剂有：失水山梨醇脂肪酸酯（Span类）；聚氧乙烯失水山梨醇脂肪酸酯（Tween类）；卵磷脂类和聚氧乙烯醚。
2）油相的选择
油相对于微乳液凝胶的形成也很重要，一般选用生物亲和性强的油作为油相，如：甘油三酸酯、乙烷基油酸盐、十四烷酸异丙酯（IPM）及十六烷酸异丙酯等。Kantaria等详细研究了庚烷、丁酸乙酯、辛酸乙酯、IPM、大豆油、甘油三酸酯作为油相时的微乳液相图，结聚表明，选用IPM形成的微乳液区域较大，又因其生物亲和性强，而更适合要用，故常选择IPM为油相。
本实验中以肉豆蔻酸异丙酯（IPM）、Span、Tween按一定的配比，制备出纳米级微乳液。
3）作为药物载体的的优点
微乳液的重要性在于乳胶粒属纳米级颗粒。微乳液型药物载体相较于其它体系，最突出的一个特点就是可以增溶药物。最近研究发现，不管是水溶性的药物还是油溶性的药物，在微乳液中都可以达到很大的增溶量。药物在微乳液的小液滴内的增溶，对于药物的缓释和控释具有十分重要的意义。因为小液滴内的药物要想释放，必须先通过由表面活性剂分子组成的界面膜，这一过程通常是比较慢的，而药物在微乳液的小液滴内的总浓度可以达到很高。因此，药物增溶在微乳液中，就可以达到减少用药次数，缓慢释放药物的目的。药物增溶在水包油型微乳液的小液滴中，避免了与连续相的接触，可以保护易水解的药物在到达病患部位之前不被体液分解。还有一些药物容易被某些酶分解，药物增溶在微乳液中可以提高其稳定性。微乳液的这些独特的结构特点决定了它在药物缓释方面具有潜在的巨大的应用前景。而且离子型表面活性剂形成的微乳液，其小液滴界面是带电的。即使是非离子型表面活性剂形成的微乳液，其液滴表面也常常因为吸附连续相中的离子而带电。微乳液还可以增强药物的稳定性，提高药物的生物利用率。所以，微乳液作为药物载体，有着其它体系无可比拟的优越性。
3. 研究的基本内容与计划
4. 研究创新点
几丁质纳米纤维水凝胶由于其优良的特性，在全世界成为研究的热点。它相对于其他凝胶来说具有尺寸小，容易被细胞吞噬；容易穿过人体中的各种保护膜，而且其载药效率相比其他载体要高。药物释放时不会出现血药浓度的峰谷波动现象，避免了超过治疗血药浓度而导致的对人体的毒副作用；而且药物将会持续缓慢的释放入人体内，药物作用时间长，缓释效果好。随着人们对药物利用率的要求提高和对药物缓释、控释的日益重视，相信在不久的将来，微乳液型药物载体会有更广阔的应用前景。
