河北联合大学Hebei United University2008级《医用高分子》课程论文医用高分子微球姓名陈朝阳班级08应用化学学号02分数医用高分子微球陈朝阳(河北联合大学化工与生物技术学院，唐山，063009)摘要：本文对高分子微球的结构性能做了简要介绍,综述了生物医用高分子微球载体的制备方法、表面功能化途径以及生物活性物质的固定化方法,并对高分子微球在医学领域的应用作了概要介绍，最后对其性能及制备技术的改进和在生物医用及其他方面的应用发展前景做了简单预想。
关键词：高分子微球；功能化；生物活性物质；固定化；医学应用高分子微球是指直径在纳米级至微米级形状为球形或其它几何体的高分子材料或高分子复合材料。
生物医用高分子微球由载体、键合在微球表面上的功能基以及所固定的生物活性物质三部分组成。
可分为天然高分子微球和合成高分子微球两大类。
前者有聚多糖类和蛋白质后者多以苯乙烯、乙烯基吡啶、丙烯酸酯、丙烯酰胺及它们的衍生物为原料制备。
由于其分子结构的可设计性吸引了越来越多的科学工作者的兴趣，进而更加快了其开发应用的步伐。
可以通过选择聚合单体和聚合水平上来设计合成和制备,并且可以比较方便地控制其尺寸的大小和均一性,使之具有所需要的特定性能与功能。
这种微观结构和性能的可设计性,使得高分子微球在对材料特性要求较高的生物医学领域中显示出巨大的发展潜力。
与无机材料微球或来源于生物体的血球等相比,高分子微球除具有固相化载体特有的易于分离和提纯的优点外,还具有廉价、比表面积大、单分散性好、易于制备及功能化以及对生物体相容性可调、有利于研究与生物体成份相互作用等特点。
1. 高分子微球载体的制备天然高分子微球本身带有反应性基团,可直接用于生物活性物质的固定化。
合成高分子微球则必须通过如下方法引入功能基团:(1)功能单体共聚法。
即少量功能单体与主单体进行共聚的方法,有时可以加入交联剂以获得交联的微球；(2)微球载体表面修饰法。
其中,功能单体共聚由于易控制功能度及交联度,不易产生副产物而倍受青睐。
图1 生物医用高分子微球1.1 功能单体共聚法常用的功能单体有丙烯酸、丙烯醛、丙烯酰胺、乙烯基吡啶以及它们的衍生物。
实际应用中,高分子微球表面亲水-疏水结构的调控很重要,所以常将疏水性单体(如苯乙烯)与亲水性功能单体(如丙烯酸)共聚,有时还需加交联单体以获得交联型的高分子微球。
主要的聚合方法有悬浮聚合、沉淀聚合、分散聚合、乳液聚合等,各种方法所制得的微球体具有不同的尺寸范围。
高分子微球制备法中乳液聚合具有散热容易,同时可得到高的聚合速度和高的分子量,且以水为介质等优势而颇受欢迎。
但常规乳液聚合产物中由于残留乳化剂而影响其最终使用性能, 无皂乳液聚合则可以消除这一不利因素。
同时,由于无皂乳液聚合制备的微球比表面积大, 粒径分布均匀,表面洁净,并且表面的一些性质如亲水性、功能基团的数目和分布在一定程度上可以控制,因此在生物医学领域的应用越来越广泛。
功能单体的选择对于无皂乳液聚合微球表面特性非常重要,典型的表面功能基及其常用的功能单体:种子乳液聚合法近年来已成为制备高分子微球最重要、最常用的技术之一。
种子乳液聚合有如下优点:(1)可制备大粒径微球，目前通过种子溶涨方法可以获得数十微米的大粒径微球载体；(2)使功能基团集中分布于表层并且可以在粒子的表层引入新的功能基；(3)利用聚合过程中相分离形成非球形或不规则的粒子结构,从而为制备具有特种功能的高分子微球提供了有效途径。
在非均相聚合方法中,悬浮聚合法工艺简单,颗粒球形度好,而且可以得到微米级甚至毫米级的大粒径微球,用于高分子微球的制备具有显著的优点。
特别是反相悬浮聚合工艺,历史较长,技术成熟,应用广泛。
此外磁性高分子微球和高密度高分子微球也得到开发应用。
在实际制备高分子微球时,采用多步种子乳液聚合法制备，通过控制加料方式,制备不同形态的乳胶粒；还可利用无皂乳液聚合技术制备了单分散、表面洁净的乳胶粒。
分步异相凝聚法也是制备高分子微球常用方法图2分步异相凝聚法制备微球首先用乳液聚合法分别合成带有正电荷的小粒径高分子微球和带有负电荷的大粒径微球。
利用静电吸引，在溶液中将小微球吸附到大微球的表面，形成外表面较为粗糙的微球聚集体。
加热溶液至小微球的玻璃化温度之上。
这样，包附在大微球周围的小微球将凝结成连续层，整个微球体系的表面随着加热时间的增加而变得光滑，最终可制得核-壳型高分子微球(如图3所示)。
Okubo等用分步异相凝聚法制备了一系列亲水核-疏水壳的复合结构微球。
该法制备的高分子微球大小一般从亚微米级到微米级不等。
由于制备过程中往往加热温度较高，会导致活性物质的失活，所以此类微球一般只适合于作为生物活性物质的载体。
此外，线-球转变法也是制备高分子微球的重要方法由于交联的聚(N-异丙基丙烯酰胺)PNIPAAm水凝胶微球的流体动力学尺寸随温度变化而变化，同时微球表面的亲水-疏水性也随之发生变化。
可利用PNIPAAm的这一热敏特性，合成主链为PNIPAAm，支链为亲水性聚合物(如聚环氧乙烷PEO)的线状接枝共聚物。
该线状共聚物在加热至PNIPAAm的低临界溶解温度(LCST)之上时，水溶液中的PNIPAAm链因脱水而聚集在一起，成为疏水核，而水溶性的PEO支链分布在核的周围，成为亲水壳层，于是形成了核-壳结构的高分子微球，亲水的PEO层对微球起着稳定作用；当温度重新降低至LCST之下后，微球回复到原来的线状状态。
这一过程为可逆过程。
线状共聚物也可以是嵌段共聚物，通过改变溶剂或温度来选择性地降低某一嵌段部分的溶解性，从而通过线-球转变制备核-壳结构微球。
用线-球转变法制备的微球常用作药物靶向的载体。
1.2 微球载体表面修饰法对于具有一定生物医学功能的单体,可以用上述几种方法直接制备出具有医用功能的高分子微球，而对一些没有这类功能的高分子微球，则可以通过对微球,-CHO等)。
另外，表面进行功能化处理而使微球表面带有功能基团(如-COOH，-NH2为了得到特定形态的微球，还可以适当改变合成步骤和条件，或者对制备好的微球进行一些特殊处理，如为了得到多孔高分子微球，可以采用逐步碱/酸法或碱/冷法。
2.生物活性物质的固定化2.1 吸附法吸附法是通过范德华力将生物活性物质吸附到微球载体上，研究发现牛血蛋白(BSA)及人血蛋白(HAS)在疏水胶粒及离子型胶粒上的吸附时发现:吸附是很快且不可逆的过程,相对于静电作用而言,疏水部分相互作用在吸附中占主导地位, 蛋白质的吸附量依赖于实验条件、胶粒表面电荷密度和蛋白质的物理化学性质。
微球的表面特性如亲水性和非均相结构对于抑制非特异性吸附和提高胶体稳定性具有重要作用。
为此Okubo对P(St-HEMA微球的表面结构提出了三种模型如图3所示：图3 微球表面结构和抗体在其上的吸附状态( 阴影代表亲水性区域) (1)微球的表面大部分是疏水性的,抗体主要以尾朝下的形式被吸附,这种定向吸附可以保持抗体的免疫活性。
但由于HEMA在表面含量较少,未吸附抗体的空隙以疏水性为主,因此易发生非特异性吸附(对于目标蛋白质以外的其它蛋白质的吸附)；(2)微球的表面大部分是亲水性的,HEMA成分覆盖了整个表面,因此可以完全抑制非特异性吸附,但抗体在这种大极性表面上是以侧向形式被吸附的,故无法发挥免疫活性。
而(3)微球的表面由于具有适当的亲疏水平衡以及非均相结构, 抗体在疏水性区域以尾朝下定向吸附保持了免疫活性,同时未吸附抗体的空隙是亲水性的,不仅避免了非特异性吸附而且提高了胶体稳定性,因而成为理想的免疫载体。
既然蛋白质在微球上的吸附主要是由疏水作用决定的,那么减少物理吸附的最好方法是调节微球表面的HLB值。
一些研究发现,还可以用HEMA、MAA、MMA、NIPAM、NIPAM/GMA等功能单体合成带有各种亲水壳层的核-壳型聚苯乙烯胶粒。
这种胶粒吸附蛋白质少,当蛋白质与功能高分子微球偶联时,可以减少伴随的物理吸附。
物理吸附操作简便,条件较温和,活力不易丧失,蛋白质的空间结构不易发生变化,但活性物质和高分子微球的相互作用较弱,两者之间易受外界条件如: pH值、温度、离子强度的影响而分离。
2.2 共价偶联法共价偶联法就是通过共价键将生物活性物质连接到微球载体上的方法。
尽管共价偶联操作较复杂,反应条件较剧烈,活力丧失较多,但由于活性物质与高分子微球是通过共价键牢固地结合在一起的,它可以大大延长微球的使用寿命,并且可设计定向偶联,因而成为目前的研究热点。
其又可分为：2.2.1 直接偶联法有些功能基团如-CHO、-CH2Cl容易与生物分子的-NH2反应,如通过氯甲基苯中的Cl原子发生亲核取代反应、或甲基丙烯酸缩水甘油酯功能化的胶粒中环氧乙烷基的开环反应,将生物分子共价偶联到功能高分子微球上。
-CHO极易与生物分子中的伯胺反应生成亚胺衍生物, 可以用硼氢化物将C=N双键还原成更稳定的C-N单键,Bale和Oenich等发现有还原剂存在时固定蛋白质更有效。
然而按Slomkowsky的结果,有Schiff碱生成的多齿结构固定蛋白质很稳定,放置数天也无蛋白质脱落现象。
2.2.2 间接偶联法当某些高分子微球上的功能基不能直接与生物分子上的功能基反应时,一般需要进行活化处理。
活化方法很多,主要有叠氮形成法、酸酐形成法、碳二亚胺法、酰氯法、烷基化或芳基化法、重氮化法、异脲键合法(异硫氰酸法、溴化氰法、氰脲酰氯法)等。
共价结合的氨基酸残基应当是生物分子活性所非必需的,否则会导致生物分子活力损失。
最典型的是胶粒表面-COOH的活化,目前主要有三种方法:a．酸酐形成法：本反应过程简单,无须对中间产物进行分离。
b. 碳二亚胺法：本方法原由Goodfriend提出,是最常用来连接生物活性物质与载体的方法碳二亚胺(R1N=C=NR2)是一种化学性质很活泼的试剂,能使氨基和羧基间脱水缩合而形成酰胺键。
水溶性的1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)-碳二亚胺等的出现, 使这一反应能成功应用于乳液体系中。
c. 活泼酯法:DCC为二环己基碳二亚胺。
本法是对碳二亚胺法的改进,其在导向药物的研究中得到了广泛的应用。
另外,在共价偶联时,为防止活性物质受到空间位阻而影响其活性,通常需先在载体上连一个!“空间臂”,这样可以使载体表面更柔软,以适应活性物质空间结构, 尽可能保留其活性。
常用的“空间臂”有戊二醛、1,6-二氨基己烷等。
任广智等的研究表明: 载体和酶之间的连接手臂越长,得到固定化酶活性越高。
2.3 包埋法包埋法是应用最为普遍的固定化技术,它是将生物活性物质固定在聚合物的三维空间网状结构中的方法。
包埋法分为两类:将生物活性分子结合到半透性凝胶微球的晶格中,称为晶格法；将生物活性分子包裹到半透性高分子胶囊中,称为微胶囊法。