概述药用高分子的由来与发展我国是医药文明古国中.ppt

1,1 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142219）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,6,1.2 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,9,1.2.2 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,11,1.2.3 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,13,2 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,15,2.2 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91那样的模型。,第九章 药用高分子,图91 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92）。,第九章 药用高分子,19,图92 端基型和主链型高分子载体药物模,第九章 药用高分子,20,2.3 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,22,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3040倍。,第九章 药用高分子,23,第九章 药用高分子,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,第九章 药用高分子,26,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,28,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10003000， 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。,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,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,32,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,33,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,35,用甲基富马酰氯与5氟尿嘧啶（5Fu）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,36,从以上例子可见，许多低分子药物在高分子化后 仍能保持其原来的药效。在某些情况下，高分子骨架 还有活化和促进药理活性的作用。 但必须注意到，相反的情况也同样存在。在有些 情况下，低分子药物高分子化后，药效随高分子化而 降低，甚至消失。例如，著名的抗癌药 DL对（二 氯乙基）氨基苯丙氨酸在变成聚酰胺型聚合物后，完 全失去药效。,第九章 药用高分子,37,第九章 药用高分子,38,将低分子药物高分子化是克服低分子药物的缺 点、提高药物疗效的一种有效方法。但至今为止成功 的例子并不很多。其中存在的问题是显而易见的。一 是可利用的高分子骨架有限，主要限于聚乙烯醇、聚 （甲基）丙烯酸酯、聚丙烯酰胺，纤维素衍生物等有 活性基团的聚合物。二是结构因素对药理作用的影响 尚不清楚，缺乏详尽的理论指导，造成很多药物高分 子化后失去药理作用。因此，在低分子药物高分子化 方面，还有许多工作要做。,第九章 药用高分子,39,3 药理活性高分子药物 3.1 药理活性高分子药物的特点 药理活性高分子药物是真正意义上的高分子药 物。它们本身具有与人体生理组织作用的物理、化 学性质，从而能克服肌体的功能障得，治愈人体组 织的病变，促进人体的康复和预防人体的疾病等。,第九章 药用高分子,40,实际上，高分子药物的应用已有悠久的历史，如 激素、酶制剂、肝素、葡萄糖、驴皮胶等都是著名的 天然药理活性高分子。人工合成的药理活性高分子的 研究、开发和应用的历史不长，对许多高分子药物的 药理作用也尚不十分清楚。但是，由于生物体本身就 是由高分子化合物构成的，因此人们相信，作为药物 的高分子化合物，应该有可能比低分子药物更易为生 物体所接受。,第九章 药用高分子,41,目前，药理活性高分子药物的研究工作主要从下 面三个方面展开： (1) 对已经用于临床的高分子药物，努力搞清其 药理作用。 (2) 根据已有低分子药物的功能，设计既保留功 能、又克服副作用的高分子药物。 (3) 开发新功能的药理活性高分子药物。 近年来，合成药理活性高分子药物的研究工作进 展很快，已有相当数量的品种进人商品市场。,第九章 药用高分子,42,3. 2 药理活性高分子药物的研究和应用 低分子量的聚二甲基硅氧烷具有低的表面张力， 物理、化学性质稳定，具有很好的消泡作用，故广泛 用作工业消泡剂。由于它无毒，在人体内不会引起生 理反应，故亦被用作医用消泡剂，用于急性肺水肿和 肠胃胀气的治疗，国内外都有应用。,第九章 药用高分子,43,聚乙烯N氧吡啶能溶于水中。注射其水溶液或 吸入其喷雾剂，对于治疗因大量吸入含游离二氧化硅 粉尘所引起的急性和慢性矽肺病有较好效果，并有较 好的预防效果。研究表明，只有当聚乙烯N氧吡啶 的分子量大于3万时才有较好的药理活性，其低聚物 以及其低分子模型化合物异丙基N氧吡啶却完全没 有药理活性。,第九章 药用高分子,44,这可能是由于高分子量的聚乙烯N氧吡啶更容 易吸附在进入人体的二氧化硅粉尘上，避免了二氧化 硅与细胞成分的直接接触，从而起到治疗和预防矽肺 病的作用。,第九章 药用高分子,45,不少聚氨基酸具有良好的抗菌活性，但其相应的 低分子氨基酸却并无药理活性。例如表91所示，2.5 g/ml 的聚 L赖氨酸可以抑制 E. Coli 菌（大肠杆 菌），但L赖氨酸却无此药理活性，赖氨酸的二聚 体的浓度要高至聚L赖氨酸的180倍才显示出相同的 效果。对S. Aureus菌（金黄色葡萄球菌）的抑制能力 基本上也遵循此规律。,第九章 药用高分子,46,第九章 药用高分子,表91 聚赖氨酸的抗菌活性,47,肝素是生物体中的种多糖类化合物，分子结构 中含有SO3-，COO-，及NHSO3-等功能基团。 它与血液有良好的相容性，具有优异的抗凝血性能。 模拟它的化学结构，人工合成的含有这三种功能基团 的共聚物，同样具有很好的抗凝血性能。但对主链结 构、三种功能基团的比例等因素的影响作用，还有待 于进一步探讨。,第九章 药用高分子,48,第九章 药用高分子,49,在生物体内，存在一种承担防御作用的蛋白质 干扰素。诱发生物体的干扰素，要比单纯使用外来 药物更能抵抗疾病的产生和发展。天然的多糖类化合 物对激发干扰素有良好作用。合成的阴离子聚合物就 是一类能诱发产生干扰素、激发产生广普免疫活性的 重要物质，具有免疫、抗病毒、抗肿瘤的作用。 在阴离子聚合物中，最引人注目的是由二乙烯基 醚与顺丁烯二酸酐共聚所得的吡喃共聚物。,第九章 药用高分子,50,第九章 药用高分子,51,吡喃共聚物是一种干扰素诱发剂，相对分子质量具有广泛的生物活性。它能直接抑 制多种病毒的繁殖，有持续的抗肿瘤活性，可用于治 疗白血病、肉瘤，泡状口腔炎症、脑炎等。它还有良 好的抗血凝性，有促进肝中钚的排除的功能。 它的抗肿瘤活性与它能活化巨噬细胞有关。吡喃 共聚物的毒性比其他许多阴离子聚合物低得多，但用 于临床试验仍然偏高，因此，作为抗癌药物，仍有许 多研究工作要做。,第九章 药用高分子,52,顺丁烯二酸酐与其它单体合成的各种共聚物的药 理活性差别很大，如顺丁烯二酸酐与苯乙烯的共聚物 完全无吡喃共聚物的功能。分子量的影响也很大，如 上述吡喃共聚物当相对分子质量低于5万时，药理活 性消失。吡喃共聚物诱发干扰素的活性不如天然的多 糖类化合物，但长效性和持续性则好得多。,第九章 药用高分子,53,4 药物微胶囊 4.1 微胶囊和药物微胶囊的基本概念 微胶囊是指以高分子膜为外壳、其中包有被保护 或被密封的物质的微小包囊物。就像鱼肝油丸那样， 外面是一个明胶胶囊；里面是液态的鱼肝油。经过这 样处理，鱼肝油由液体变成了固体。事实上，世界上 第一个微胶囊专利也就是鱼肝油微胶囊。微胶囊的颗 粒直径要比传统的鱼肝油丸小得多，尺寸范围在零点 几微米至几千微米之间，一般为5200 m。,第九章 药用高分子,54,微胶囊内被包裹的物质通常称为芯（core）、核 （nucleus）或填充物（fill）；外壁称为皮（skin）、 壳（shell）或保护膜（protecilve foil）。微胶囊中所 包裹的物质，可以是液体、固体粉末，也可是气体。 由于应用目的和制造工艺不同，微胶囊的大小、 形状可有很大变化，其包裹形式也有多种。常见的有 图93所示几种类型。,第九章 药用高分子,55,图93 微胶囊的类型,第九章 药用高分子,单核,多核,多核，不规则外形,双璧,微胶囊簇,含微胶囊之微胶囊,56,微胶囊可以改变一个物质的外形而不影响它的 内在性能。例如，一种液体物质经世胶囊化后就变 成了固体粉末，其外形完全发生了变化，但在微胶 囊内部还是液体，性质并不改变。但从另一意义上 讲，物质的微胶囊化可改变其性质，它可以使物质 分散成细小状态，经微胶囊化后，物质的颜色、比 重、溶解性、反应性、压敏性、热敏性、光敏性均 发生了变化。,第九章 药用高分子,57,例如，一个比水重的物质可通过调节聚合物膜 的比重和包入空气而使它浮于水面上。 微胶囊的最大特点是可以控制释放内部的被包 裹物质，使其在某一瞬间释放出来或在一定时期内 逐渐释放出来。 瞬间释放是通过挤压、摩擦、熔融、溶解等作 用使外壳解体；逐惭释放则是通过芯材向壳体外逐 渐渗透或外壳逐渐溶解、降解而使芯材释放出来。,第九章 药用高分子,58,微胶囊在工农业生产、日常生活中有十分广泛的 用途。例如，将无色染料包在微胶囊内，然后涂布在 酸性底基的纸上。书写时，压力将微胶囊压破，无色 染料遇酸而显色。这就是无碳复写纸的工作原理。 将环氧树脂的固化剂微胶囊化混于环氧树脂中， 可构成单组分环氧树脂粘合剂。粘合时，在外力作用 下，微胶囊外壳破裂，固化剂与环氧树脂相遇接触而 固化。,第九章 药用高分子,59,把香料、驱蚊剂等的微胶囊混入内墙涂料中，依 靠微胶囊外壳聚合物的渗透作用将香料、驱蚊剂逐渐 释放出来，成为具有长效芳香、驱蚊作用的涂料。 把农药，化肥微胶囊化则可得长效缓释农药、化 肥。 其他还可举出许多有意义的应用例子。药物的微 胶囊化，就是微胶囊技术的一个重要应用领域。,第九章 药用高分子,60,与普通的药物相比，药物微胶囊有不少优点。 药物被高分子膜包裹后，避免了药物与人体的直接 接触，药物只有通过对聚合物壁的渗透或聚合物膜 在人体内被浸蚀、溶解后才能逐渐释放出来。因此 能够延缓、控制药物释放速度，掩蔽药物的毒性、 刺激性、苦味等不良性质，提高药物的疗效。 经微胶囊化的药物，与空气隔绝，能有效防止 药物贮存过程中的氧化、吸潮、变色等不良反应， 增加贮存稳定性。,第九章 药用高分子,61,4.2 用作药物微胶囊膜的高分子材料 可用作微胶囊膜的材料很多，有无机材料，也 有有机材料，但应用最普遍的是高分子材料。从理 论上讲，任何可成膜的高分子材料都可用于制备微 胶囊。但在实际应用时，要考虑芯材的物理、化学 性质，如溶解性、亲油亲水性等，因此，真正能用 作微胶囊膜的高分子材料并不是很多。,第九章 药用高分子,62,作为药物微胶囊的包裹材料，除了应满足药用高 分子应具备的基本性能外，还应该对药物有良好的渗 透性，或能在人体中溶解或水解，使药物能以一定方 式释放出来。 目前已实际应用的药物微胶囊材料中，除了天然 的高聚物如骨胶、明胶、阿拉伯树胶、琼脂等和半合 成的高聚物如乙基纤维素、羧甲基纤维索、醋酸纤维 素等。应用较多的合成高聚物有聚葡萄糖酸、聚乳 酸、乳酸与氨基酸的共聚物、甲基丙烯酸甲酯与甲基 丙烯酸乙酯的共聚物等。,第九章 药用高分子,63,选择药物微胶囊膜材料的工作是一项细致的工 作，除了考虑上述条件外，还要考虑其使用环境和使 用对象。例如，植入体内和注