環(huán)境友好高分子材料——海藻酸鈉的性質(zhì)與應(yīng)用

1、摘 要海藻酸鈉是一種從海藻中提取出的多糖鈉鹽，具有良好的生物相容性和生物可降解性。海藻酸鈉與鈣離子交聯(lián)形成凝膠的特性，也使得海藻酸鈉有著比一般環(huán)境友好高分子更多的應(yīng)用環(huán)境。海藻酸鈉在生物醫(yī)藥、食品和日用化工方面都有著廣泛的應(yīng)用，是一種良好的環(huán)境友好高分子材料。關(guān)鍵詞：海藻酸鈉；凝膠；環(huán)境友好高分子1 前言近幾年，隨著世界的發(fā)展，人們對于石油資源的需求越來越大，隨之而來的資源短缺和環(huán)境污染等問題也凸顯出來。自然而然的，人們開始將目光轉(zhuǎn)向了地球上巨大的寶庫海洋。海洋占了地球71%的面積，人類還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有開發(fā)出其中巨大的價(jià)值，但就現(xiàn)有的一些發(fā)現(xiàn)，就給人們帶來了極大的幫助。海藻酸鹽就是其中之一。海藻酸是

2、從海帶或海藻中提取的一種天然多糖類化合物，是-D-甘露糖醛酸(M)和-L-古羅糖醛酸(G)通過糖苷鍵連接形成的一類線性無規(guī)鏈狀陰離子聚合物1，結(jié)構(gòu)式如圖1所示。海藻酸中羧基上的氫易被Na+、a2+等金屬陽離子所取代，形成相應(yīng)的海藻酸鈉、海藻酸鈣等等。其中海藻酸鈉（Sodium alginate，SA）由于其良好的生物相容性和可加工性能，在海藻酸鹽中的應(yīng)用最為廣泛。圖1 海藻酸結(jié)構(gòu)式2 海藻酸鈉的性質(zhì)及制備工藝2.1 海藻酸鈉的理化性質(zhì)海藻酸鈉溶液是一種典型的高分子電解質(zhì)溶液，在純水中，低濃度的海藻酸鈉Nsp/C值將隨海藻酸鈉濃度的降低而升高，所以在測定其特性粘數(shù)時(shí)需要加入無機(jī)鹽類保持一定的離子

3、強(qiáng)度，國內(nèi)不同廠家生產(chǎn)的海藻酸鈉值從4.3866.865不等，平均相對分子質(zhì)量從(2.193.43)x105不等，G/M值從0.21.0不等，動(dòng)力黏度從35±0.7到103±12(n=4)不等，海藻酸鈉溶液的濃度和黏度沒有線性關(guān)系，而黏度取對數(shù)后與濃度作線性回歸，線性關(guān)系較好2。鈣離子濃度對海藻酸鈉溶液的特性粘數(shù)有影響，高分子電解質(zhì)溶液的黏度特性與非電解質(zhì)高分子溶液的黏度也有所不同，濃度較小時(shí)，電離度大，大分子鏈上電荷密度增大，鏈段間的斥力增加，電離度下降，斥力減小，分子鏈蜷曲，黏度也就下降。G/M是海藻酸鈉分子中古羅糖醛酸(G)和甘露糖醛酸(M)的比值，海藻酸鈉作為緩釋制

4、劑的載體，其G/M值影響緩釋作用，因此有較重要的意義。有文獻(xiàn)報(bào)道，用核磁共振可定量測定海藻酸鈉的G/M值3。2.2 海藻酸鈉的交聯(lián)2.2.1 離子交聯(lián)二價(jià)陽離子如Ca2+、Ba2+、Sr2+極易與海藻酸古洛糖醛酸上的羧基發(fā)生靜電相互作用，形成乳白色的水凝膠。但海藻酸與二價(jià)金屬離子的水凝膠反應(yīng)是可逆的，二價(jià)離子很容易與水凝膠周圍介質(zhì)環(huán)境中的離子(如Na+、Mg2+等)發(fā)生交換，而且這一過程很難控制也無法避免，因而此類水凝膠在生理介質(zhì)環(huán)境中易溶解，失去水凝膠特性，這在一定程度上限制了海藻酸鹽水凝膠的應(yīng)用。盡管Cu2+、Pb2+、Cd2+、Co2+、Ni2+、Zn2+和Mn2+也都能與海藻酸鍵合形成

5、水凝膠，而且Cu2+、Pb2+的鍵合能力比Ca2+強(qiáng)，但是由于這些陽離子具有一定毒性而限制了在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，海藻酸鹽作為醫(yī)藥及組織工程材料使用時(shí)通常選用Ca2+作為交聯(lián)劑4。當(dāng)Ca2+和海藻酸形成水凝膠時(shí)，Ca2+與G片段上的多個(gè)氧原子發(fā)生螯合作用（其中一個(gè)單元的羧基氧和該單元的O-5、連接兩單元的氧原子、另一單元上的O-2和O-3），使得海藻酸鏈間結(jié)合得更加緊密，協(xié)同作用更強(qiáng)，鏈鏈間的相互作用最終將會(huì)導(dǎo)致三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)即水凝膠的形成。在此三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，Ca2+像雞蛋一樣位于蛋盒中，與G嵌段形成了“蛋盒"結(jié)構(gòu)（如圖2所示）5。圖2 海藻酸鈣的“蛋盒”結(jié)構(gòu)2.2.2 化學(xué)交聯(lián)與

6、離子交聯(lián)相比較，化學(xué)交聯(lián)海藻酸鹽水凝膠為不可逆體系，不存在離子交換海藻酸鹽水凝膠那樣由于可逆的離子交換反應(yīng)，而在力學(xué)性能和降解速率上表現(xiàn)出不可控性的缺點(diǎn)6；同時(shí)，化學(xué)交聯(lián)時(shí)可以根據(jù)使用要求選用不同的交聯(lián)分子精確控制凝膠的交聯(lián)密度、溶脹度，從而獲得力學(xué)性能穩(wěn)定的水凝膠。需要注意的是添加的交聯(lián)劑分子通常具有毒性，形成水凝膠后應(yīng)徹底清除以避免植入體內(nèi)后對細(xì)胞以及組織的毒害作用。海藻酸鹽上有羧基活性基團(tuán)，可以同二胺，二肼類物質(zhì)例如己二酰二肼、聚乙二醇-二胺發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，通過-NH2和COO-的脫水縮合反應(yīng)形成酰胺鍵，從而得到穩(wěn)定的海藻酸鈉共價(jià)交聯(lián)水凝膠。這種凝膠過程在數(shù)小時(shí)內(nèi)完成；凝膠無色透明、含水率

7、高、柔軟，經(jīng)冷凍干燥后呈層狀結(jié)構(gòu)，吸水后變得透明。通過采用活化體系(諸如EDC/NHS體系)來提高交聯(lián)速率，使凝膠速率加快7。2.3 海藻酸鈉的制備工藝首先將原料海藻以水洗凈，除去附著的鹽分和夾雜物，切成細(xì)絲。然后以低濃度的酸性溶液浸泡，除去鹽類及可溶性蛋白質(zhì)等水溶性成分。加熱到4050，加入碳酸氫鈉，使海藻膨化成黏稠狀，此時(shí)反應(yīng)pH值約為12，海藻酸鈣轉(zhuǎn)化成海藻酸鈉。反應(yīng)生成的碳酸鈣析出沉淀。分離出的海藻酸鈉加水稀釋，過濾、漂白后，加少量硫酸使凝膠沉淀，將凝膠置心機(jī)分離，除去可溶性成分后，將其混懸于甲醇中，加入氫氧化鈉或碳酸鈉中和，可得海藻酸鈉，用壓榨法除去甲醇，干燥、粉碎即可8。3 海藻酸

8、鈉的應(yīng)用3.1 生物醫(yī)藥方面的應(yīng)用3.1.1 海洋活性藥物的應(yīng)用海洋活性藥物，是利用從各種海洋生物中提取出的具有生物活性的化合物所開發(fā)出來的新型藥物。而海藻酸鈉作為從海藻中提取出的一種天然多糖，正是可以用于開發(fā)海洋活性藥物的新對象。用海藻酸鈉可開發(fā)抗腫瘤、抗病毒、抗放射、抗衰老、抗心腦血管疾病的海洋藥物9。心腦血管藥物藻酸雙酯鈉（PSS）是從海帶等海藻中分離提取的海藻酸鈉，經(jīng)化學(xué)修飾組成的一種半合成的多糖硫酸酯。它具有明顯的抗凝血、降低血粘度、降低血脂、抑制紅細(xì)胞和血小板聚集，以及改善微循環(huán)的作用。PSS治療缺血性心腦血管疾病總有效率達(dá)91%-98%10。（1）降膽固醇、血糖的作用：海藻酸鈉可

9、在胃酸的作用下，轉(zhuǎn)變?yōu)楹Ｔ逅?，促進(jìn)膽固醇的排泄，起到膳食纖維的作用。Kimura11等對Wistar大鼠灌胃膽固醇后，再灌胃海藻酸鈉溶液，測定大鼠糞便中膽固醇的含量以及血液中葡萄糖和胰島素含量，發(fā)現(xiàn)海藻酸鈉可降低膽固醇的吸收，同時(shí)可降低血糖含量。另有研究者將海藻酸鈉用于治療肥胖病，發(fā)現(xiàn)其能有效地減少人體對膽固醇和葡萄糖的攝入12。（2）免疫抑制作用：Mirshafiey13等以牛血清白蛋白誘導(dǎo)的腎小球。腎炎為模型，考察了海藻酸鈉對此病理模型的治療作用，發(fā)現(xiàn)海藻酸鈉可以減少蛋白尿，抑制基質(zhì)金屬蛋白酶-2(matrix metalloproteinase-2，MMP-2)的活性和抗體的產(chǎn)生，抑制了

10、腎小球病變的發(fā)展，具有免疫抑制作用。（3）抗炎作用：海藻酸鈉可與吞噬細(xì)胞表面的CD-44和TLR-2受體結(jié)合，抑制腫瘤壞死因子-(tumor necrosis factor ，TNF-)、白介素-1(interleukin-1，IL-1)和白介素-6(interleukin-6，IL-6)等炎癥因子的產(chǎn)生，將其應(yīng)用于眼部可起到抗炎作用14。（4）抗氧化作用：Xue15等考察了幾種海洋多糖抑制卵磷脂過氧化的作用，結(jié)果顯示海藻酸鈉具有明顯的抗氧化作用。且分子量是影響海藻酸鈉抗氧化作用的重要因素。3.1.2 在外科創(chuàng)傷修復(fù)上的應(yīng)用創(chuàng)傷修復(fù)材料是指有助于促進(jìn)創(chuàng)傷愈合的醫(yī)用生物材料，這類材料組織相容性好

11、，植入或覆蓋創(chuàng)面與機(jī)體不發(fā)生不良反應(yīng)，且能治療或替代機(jī)體中的缺損組織，促進(jìn)其愈合。海藻酸鈉是一種天然植物性創(chuàng)傷修復(fù)材料，用它制作的凝膠膜片或海綿材料，可用來保護(hù)創(chuàng)面和治療燒、燙傷。海藻酸鈉與甘油可制成創(chuàng)傷護(hù)膚凝膠，干燥后成為無毒柔軟的護(hù)膚或含有治療藥物的凝膠膜。實(shí)驗(yàn)表明16，其具有防止細(xì)菌侵染傷口和治療的作用，膠膜又易用清水洗去。用海藻酸鈉作部分下鼻甲切除術(shù)后的包扎材料，止血效果好，優(yōu)于石蠟敷料。用海藻酸鈉鈣纖維可成功地治療中毒性表皮壞死。3.1.3 在骨組織工程上的應(yīng)用引導(dǎo)骨再生GBR是指利用屏障膜引導(dǎo)骨組織再生防止周圍纖維結(jié)締組織過早長入骨缺損區(qū)， 改變骨創(chuàng)愈合環(huán)境，從而促進(jìn)骨組織再生修復(fù)

12、。海藻酸鈉因?yàn)槠漭^好的生物相容性和生物可降解性，可以作為支架培養(yǎng)骨細(xì)胞等，從而引導(dǎo)骨再生。Chen17等通過熱致相分離法制備了殼聚糖/海藻酸鈉可吸收屏障膜，殼聚糖層作為骨引導(dǎo)層，海藻酸鹽則作為修飾層起到反黏附的作用；并且研究了各種殼聚糖/海藻酸鈉引導(dǎo)膜經(jīng)過不同交聯(lián)后的性能與體內(nèi)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)經(jīng)過熱值相分離法制備的殼聚糖/海藻酸鈉膜能有效地隔離上皮組織，有利于骨的修復(fù)。3.1.4 在緩釋載體上的應(yīng)用海藻酸鈉作為藥用輔料已有較長的歷史，可作為助懸劑、增稠劑、乳化劑、微囊材料、涂膜劑的成膜材料，具有如下優(yōu)點(diǎn)18:(1)性質(zhì)穩(wěn)定；(2)有合宜的釋藥速率；(3)無毒、無刺激性；(4)能與藥物配伍不影響藥物的

13、藥理作用及含量測定；(5)有一定的強(qiáng)度及可塑性能完全包封囊心物或藥物與附加劑能比較完全地進(jìn)入球的骨架內(nèi)；(6)具有符合要求的粘度、滲透性、親水性、溶解性等特性。因而用于多種劑型的制備，受到廣大藥學(xué)工作者的青睞。近年來海藻酸鈉用于開發(fā)緩控釋制劑尤為引人注目。在口服藥物中加入海藻酸鈉，由于黏度增大，延長了藥物的釋放，延長了療效、減輕不良反應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)含海藻酸鈉的氨茶堿片、葡萄糖酸鈣片，有緩慢的溶解速度和S形釋放曲線，表明藻酸鈉對藥物的釋放可起到控制作用19。海藻酸與聚賴氨酸、海藻酸與乙酸殼多糖、海藻酸與白蛋白等合用作復(fù)合囊材海藻酸鈉為原料制備微球或微囊血管栓塞劑可使患者腫瘤縮小并可減少手術(shù)后的復(fù)發(fā)

14、或轉(zhuǎn)移，改善癥狀，提高療效，減少毒副反應(yīng)。延長患者生存期20。3.2 食品方面的應(yīng)用 海藻酸鈉具有良好的增稠性、成膜性、穩(wěn)定性、絮凝性和螯合性，是重要的食品工業(yè)原料?？勺鳛槎喾N食品的添加劑(如面包、面條)，從而改善食品結(jié)構(gòu)，提高食品質(zhì)量；一些飲料的澄清劑；一些果醬的增稠劑。沈巧生21等人使用0.3%海藻酸鈉作穩(wěn)定劑，可使芹菜汁在40天內(nèi)保持均勻懸浮態(tài)，無沉淀分層。鄧勇22等人用海藻酸鈉和蔗糖脂肪酸酯作為涂膜劑，對黃瓜進(jìn)行涂膜處理后，于室溫下貯藏。結(jié)果表明：由0.48%的海藻酸鈉和5.0%蔗糖脂肪酸酯組成的涂膜液對黃瓜有明顯的保鮮效果，可以減少黃瓜的失重率，保持硬度和減少葉綠素的損失，延長黃瓜的

15、貨架壽命。海藻酸鈉能與Ca2+形成不溶于水的致密網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：水分子可以自由通過，顆粒狀的物質(zhì)則不能。利用這個(gè)特性，將海藻酸鈉與不同的果蔬漿制成一定粘度的溶液，注入一定濃度的Ca2+溶液中，進(jìn)行適時(shí)的離子交換，得到一定形狀的、軟硬適度的果、蔬粒，從而解決果蔬制粒的難題。此外，海藻酸鈉還具有減肥、降低血脂、消除體內(nèi)有害物質(zhì)等保健功能。3.3 日用化工方面的應(yīng)用滲透汽化膜是分離恒沸物及沸點(diǎn)相近的液體混合物最有效的方法之一。海藻酸用于滲透蒸發(fā)時(shí)具有滲透通量大、分離系數(shù)高的特點(diǎn)，是一種性能優(yōu)良的優(yōu)先透水膜。但由于海藻酸鈉有很大的親水性，在分離含水量較高的混合物時(shí)，膜溶脹度較大，分離系數(shù)(選擇性)顯著下降。

16、張可達(dá)23等人制備出海藻酸鈉/PVA共混膜，結(jié)果表明：與成熟的均質(zhì)PVA滲透汽化膜相比，共混膜透過系數(shù)及分離系數(shù)均大幅度提高，尤其適用于乙醇濃度低于80%的乙醇、水混合物。Aminablaavi24等人制備了PVA/海藻酸鈉的均質(zhì)共混平板膜用于異丙醇的脫水研究，采用戊二醛作為交聯(lián)劑。Shi25等人仔細(xì)研究了高滲透汽化脫水性的海藻酸鈉致密膜的制備方法和操作條件，經(jīng)多價(jià)離子(A13+、Cr3+、Fe3+、Mg2+)交換修飾后，膜具有較好的長效穩(wěn)定性。4 結(jié)果與展望海藻酸鈉作為一種天然的環(huán)境友好高分子材料，因其良好的功能特性受到了人們越來越多的重視，在食品醫(yī)藥乃至日用工業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，

17、前景十分廣闊。但純海藻酸鈉的機(jī)械性能等不如其他許多材料，這限制了海藻酸鈉的進(jìn)一步的應(yīng)用，因此，對海藻酸鈉進(jìn)行改性以適應(yīng)更多應(yīng)用環(huán)境將成為今后具有潛力的發(fā)展道路。參考文獻(xiàn)1Rehm B. Microbial production of biopolymers and polymer precursors : applications and perspectivesM. Caister Academic Press, 2009.2馬萍,孫淑英,劉東春,等. 海藻酸鈉理化參數(shù)的測定J. 中國海洋藥物. 2005, 6(2):54-56.3 Stberg T, Lund EM, Graffner C

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