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嘉峪檢測網(wǎng) 2019-10-31 09:37
作者:王健 , 王春仁
中國食品藥品檢定研究院, 北京 102629
摘要:
目的:全面梳理離子敏感性生物材料的研究進展,對此類材料的主要應(yīng)用領(lǐng)域、發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用前景進行歸納總結(jié),為相關(guān)領(lǐng)域的深入研究提供參考。方法:以離子敏感性生物材料的重要科研和應(yīng)用進展為主線,展現(xiàn)離子敏感性生物材料的發(fā)展過程、主要應(yīng)用領(lǐng)域及其發(fā)展前景。結(jié)果與結(jié)論:離子敏感性生物材料目前主要應(yīng)用于離子交換樹脂、離子敏感電極、離子選擇敏感膜、離子敏感性凝膠四個領(lǐng)域,是新一代精準醫(yī)療對各種生物響應(yīng)機理進行探索研究的基礎(chǔ)材料之一。對于藥物受控釋放、醫(yī)學診斷、組織工程(含生物增材制造)和生物醫(yī)學裝置及相關(guān)醫(yī)療器械的研制創(chuàng)新均會產(chǎn)生深遠影響。
關(guān)鍵詞:離子敏感性生物材料 生物響應(yīng)材料 材料研制與應(yīng)用
生物醫(yī)用敏感材料,是指對所處環(huán)境中理化信號,如溫度、濕度、光照、電壓、離子、pH及其他物質(zhì)產(chǎn)生細微變化時,具備敏感的反應(yīng)能力,引起材料本身電阻率、電動勢、電流等物理量迅速變化的功能材料[1]。離子環(huán)境是生物響應(yīng)材料對生理環(huán)境敏感的主要因素之一。對周邊環(huán)境中某些離子細微變化具備敏感性的生物敏感材料,稱為離子敏感性生物材料。近年來,從材料的智能化屬性角度提出了“智能”生物響應(yīng)材料的概念,這是指對生物信號或者病理學異常敏感,并且能與它們作用或者能被它們激勵的材料。智能響應(yīng)材料的提出,進一步為敏感性生物材料的應(yīng)用提出了明確的方向,即材料的“智能”屬性,而所謂智能化屬性正是基于目前敏感性生物材料由被動需求型,逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫邆淇舍槍μ囟ㄉ項l件做出相應(yīng)反應(yīng)的主動調(diào)節(jié)控制型材料的發(fā)展趨勢應(yīng)運而生的??梢灶A(yù)見,未來將出現(xiàn)越來越多的具備智能屬性的生物醫(yī)用敏感材料。目前,離子敏感性生物材料主要應(yīng)用于離子交換樹脂、離子敏感電極、離子選擇敏感膜、離子敏感性凝膠四個領(lǐng)域。本文將對這幾類生物醫(yī)用敏感材料的發(fā)展狀況進行綜述和展望。
1 離子交換樹脂
1.1 離子交換樹脂工作原理及分類
離子交換樹脂是一類分子中含有活性基團而能與其他物質(zhì)進行離子交換的響應(yīng)型高分子材料。其分子結(jié)構(gòu)的一部分是由固定離子和可交換離子組成的活性基團,另一部分則是呈現(xiàn)三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的樹脂基體骨架,在酸、堿和一般的常規(guī)溶劑中性質(zhì)穩(wěn)定。離子交換與吸附樹脂則是離子交換與吸附分離操作的物質(zhì)基礎(chǔ)[2]。通常利用離子交換樹脂在不同酸堿介質(zhì)中具備的敏感離子交換能力,實現(xiàn)對某些特定物質(zhì)的吸附提純、凈化濃縮、交換選擇和催化。離子交換樹脂又可細分為凝膠型樹脂、大孔型樹脂、超高交聯(lián)樹脂、復(fù)合功能樹脂、樹脂基復(fù)合吸附材料等。離子交換樹脂的基本特性使其可用于物質(zhì)的分離和提純,為某些特定物質(zhì)的有效吸附和分離方面提供高效的解決方案。目前,離子交換樹脂已經(jīng)廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)藥衛(wèi)生、食品、水處理、環(huán)保、冶金和原子能工業(yè)等領(lǐng)域。
1.2 離子交換樹脂在制藥領(lǐng)域的應(yīng)用
1959年,何炳林等[3]利用ABC-10弱酸型大孔樹脂分離得到純度較高的鏈霉素,開啟了我國利用離子交換樹脂進行抗生素的提取、分離及維生素濃縮和純化的先河;其后,又陸續(xù)對樹脂成分和功能進行改進提升,進一步提高了我國鏈霉素提純工藝水平[4-6]。由于在固相合成技術(shù)領(lǐng)域的突出貢獻,美國學者Merrifield[7]榮獲1984年諾貝爾化學獎,其后的幾十年,以固相有機合成為基礎(chǔ)發(fā)展起來的組合化學技術(shù)已成為新藥研發(fā)的有力手段[8]。在我國,離子交換樹脂近些年來還被用于中藥制劑的開發(fā)、成分分析、制劑工藝等方面。李清潭等[9]采用6種連續(xù)離子交換色譜分離甘草酸和甘草黃酮,確定了兩種中藥成分的最佳分離工藝。周軍輝等[10]用樹脂從披針葉黃華地上部分中分離純化金雀花堿。牛猛等[11]利用離子交換樹脂混用技術(shù)分離純化了妥布霉素,采用優(yōu)化工藝條件將妥布霉素純度從32.85%提高到94.82%。近年來,美國沃特世公司推出了全新陽離子交換色譜柱和消耗品,能夠完成mAb電荷異構(gòu)體分析,可在生物制劑和生物類似藥的發(fā)現(xiàn)、開發(fā)及生產(chǎn)應(yīng)用中用于確認藥物療效和安全性,顯著提升了抗體藥物分析的靈活性、重現(xiàn)性和分離度,推動抗體藥物分析技術(shù)向前邁進一大步[12]。
1.3 離子交換樹脂在檢驗檢測領(lǐng)域的應(yīng)用
目前,離子交換樹脂已經(jīng)成為現(xiàn)代分析化學檢測中最為常用的基礎(chǔ)材料,可用來檢測各類藥品、食品、生物制品、醫(yī)療器械產(chǎn)品中有效成分、雜質(zhì)、陰陽離子等物質(zhì),具有良好的分離、濃縮效果和極佳的特異性和敏感性。李響等[13]采用高效陰離子交換色譜-脈沖安培檢測法測定用于重組人促紅素中唾液酸的含量。肖偉敏等[14]采用陰離子交換高效液相色譜法測定嬰幼兒食品與乳品中的核苷酸,該方法分離效果好,線性范圍寬,穩(wěn)定性和準確性好,解決了依據(jù)GB 5413.40-2016進行樣品檢測時的基質(zhì)干擾問題。劉金霞等[15]以3種陽離子交換樹脂微柱為柱填充材料,采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)進行檢測,研究動態(tài)條件下內(nèi)蒙古產(chǎn)區(qū)黃芪中16種稀土離子的交換性能,并確定了最佳交換及洗脫條件。Xu等[16]合成了高交聯(lián)強陽離子交換樹脂,并將其作為選擇性吸附劑,用于與痛風相關(guān)的堿性嘌呤代謝物的固相萃取。劉冰冰等[17]建立了離子交換樹脂-固相萃取富集-電感耦合等離子體光譜(ICP-AES)聯(lián)用方法,用于測定水中的重金屬元素Zn、Mn、Cu、Co、Ni、Cd、Pb的含量,該方法為解決電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定痕量元素存在的測試成本高,抵御復(fù)雜基質(zhì)或高鹽基質(zhì)對設(shè)備損傷大、能力差等一系列問題,提供了可供參考的技術(shù)方案。
1.4 離子交換樹脂作為味覺掩體、藥物釋放載體的應(yīng)用
離子交換樹脂還經(jīng)常被用做味覺掩體、反離子響應(yīng)藥物釋放和持續(xù)藥物釋放載體。研究[18]表明,使藥物進入離子交換樹脂的骨架,可以達到掩蓋不良氣味的目的。Gao等[19]應(yīng)用離子交換樹脂、異丁烯酸與二乙烯基笨交聯(lián)聚合物為載體,搭載喹諾酮類及其衍生物的液體制劑,成功研制出無苦味的喹諾酮類口服液。隨著口腔崩解片和兒科液體制劑使用量的不斷增加,離子交換樹脂在這些制劑中的味道掩蔽和持續(xù)藥物釋放中將會發(fā)揮更重要的作用。
2 離子選擇敏感膜與離子敏感電極
首先應(yīng)明確離子選擇敏感膜、離子敏感電極的基本內(nèi)在關(guān)系。離子敏感電極又稱為離子選擇微電極(Ion selective microelectrode),起初主要用于化學分析和電化學研究。近年來,隨著分子生物、細胞生物學、微生物學、醫(yī)學檢驗、環(huán)境科學等研究領(lǐng)域?qū)W科交叉的迅速發(fā)展,離子敏感電極的應(yīng)用范圍得以充分擴展,相關(guān)技術(shù)取得了長足進步。離子選擇敏感膜則是離子敏感電極的核心部分。離子敏感膜與合適的內(nèi)參比系統(tǒng)結(jié)合可組裝成一種電化學傳感器,即離子選擇性電極(ISE)。離子選擇敏感膜的類型與性能決定了離子敏感電極對離子敏感的種類和靈敏度。因此,離子選擇性高、電阻抗低、化學穩(wěn)定性好是作為離子選擇敏感膜應(yīng)該具備的基本技術(shù)要求。
2.1 離子選擇敏感膜
電化學交流阻抗法(ESI)作為傳統(tǒng)重金屬檢測技術(shù)(如原子吸收光譜法、原子熒光分光光度法、電感耦合等離子法等設(shè)備昂貴的測試方法)的補充,具備成本低、操作簡單、分析快速和離子專屬性好的特點,從而得到了廣泛應(yīng)用[20-22]。該方法的物質(zhì)基礎(chǔ)就是各類離子選擇敏感膜。離子選擇敏感膜大致可分為玻璃膜、晶體膜、液態(tài)膜與聚合物膜4類。其中, 玻璃膜是研究最早的敏感膜, 以性能優(yōu)良的H+、Na+玻璃電極為代表;液態(tài)膜是由液體離子交換劑溶解在不溶于水的有機溶劑中形成的,其優(yōu)點是可測離子的種類多,但是有機離子交換劑易隨溶劑滲漏,需經(jīng)常補充。20世紀60年代出現(xiàn)了以聚合物作為成膜基體用于制備離子敏感膜。而高分子物質(zhì)優(yōu)異的成膜能力,使其在離子敏感膜制備中顯示出日益顯著的重要性。聚合物離子敏感膜在世界范圍內(nèi)已有商品化產(chǎn)品出售。我國在離子選擇敏感膜領(lǐng)域也作了大量研究工作:任素云等[23]制備出多重金屬離子檢測用三維石墨烯電化學生物傳感器敏感膜,既可用作電化學生物傳感器敏感膜以吸附生物分子DNA,又能同時實現(xiàn)對Ag+、Hg2+、Cu2+ 3種離子的檢測;雷佳宏等[24]以核酸適體為識別分子,以經(jīng)魚精蛋白活化的聚離子敏感膜電極為信號識別單元,構(gòu)建了一種檢測三磷酸腺苷(ATP)的流動注射分析方法,對ATP檢測的線性范圍為2.0~12.0μmol·L-1,檢出限為1.0μmol·L-1,該方法亦可用于對其他聚陰離子檢測;王鵬等[25]發(fā)明了一種離子選擇電極敏感膜,包括離子載體、高分子聚合物、增塑劑、離子添加劑以及與待測離子相應(yīng)的電解質(zhì),臨床用于無機鹽和/或有機鹽類電解質(zhì)中各類離子的檢測;賈健君等[26]制備了一種以復(fù)合敏感膜為離子載體的新型全固態(tài)硫酸根離子選擇性電極,該電極在硫酸根離子濃度為10-4~10-1 mol·L-1的范圍內(nèi)呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系,檢測下限為10-4 mol·L-1,所測電壓與硫酸根離子濃度的負對數(shù)之間斜率為-27.13 mV/dec。
2.2 離子敏感電極
30多年來,離子選擇性電極的響應(yīng)特性和響應(yīng)機理都取得了充分研究。發(fā)展新型敏感材料和新的制備技術(shù)是離子研究電極中的一個重要方向。除用于傳統(tǒng)常規(guī)離子檢測外,離子選擇性微電極在生物醫(yī)學領(lǐng)域的應(yīng)用是近年來該領(lǐng)域的研究熱點。離子選擇性微電極是一種能定量測定細胞等生物微環(huán)境內(nèi)單一離子活度的信息傳感器。其基本原理是:被測定離子活度的對數(shù)值與由離子選擇性微電極和參比電極構(gòu)成的電池電動勢值之間存在線性關(guān)系,即符合Nenstian方程。
離子選擇性微電極的發(fā)明始于20世紀50年代中期,最初是把內(nèi)充3 mol·L-1 KCl溶液的玻璃微電極(標準微電極)引入細胞膜電位的測量,可通過細胞膜電位或電流的變化來間接反映細胞內(nèi)外離子組分的相對變化,不能直接測定其離子濃度或活度。經(jīng)過60年代、70年代的技術(shù)改進逐漸制成了pH、pK、pNa玻璃微電極、可測定K+和Cl-的離子交換玻璃微電極。此后,Daniel等[27]制成了中性載體離子選擇性微電極,使選擇性得到了明顯改善,能測定H+、Na+、K+、Li+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、Cl-等離子的離子選擇性微電極陸續(xù)研制成功。但是,現(xiàn)有的HCO3-、Cl-微電極的抗干擾能力仍然不足,選擇性仍有待進一步提升。最初以無機離子為主要探測目標的離子選擇性電極,在檢測有機離子或分子類物質(zhì)方面也逐漸獲得了進展。目前,離子選擇性微電極在中樞神經(jīng)系統(tǒng)研究中已經(jīng)得到應(yīng)用,如腦組織細胞外K+、Cl-、Na+、Ca2+的測定,脊髓細胞外K+的測定,以及軟體動物如蝸牛單個神經(jīng)元的pH及K+、Na+、Li+、Cl-的活度測定。在骨骼肌和心肌研究中,H+、Na+、K+、Ca2+的測定同樣也采用了離子敏感微電極[28]。在丘腦底核(STN)電刺激治療帕金森病術(shù)中,應(yīng)用微電極記錄、分析針道沿途各核團電生理學特性,確認STN內(nèi)各亞區(qū)范圍、邊界及STN與周圍結(jié)構(gòu)的邊界并制圖,有助于對基底節(jié)各神經(jīng)核團電生理特性的了解。呂曉寧等[29]采用氟化鑭電極晶體為敏感膜,制備了選擇性微電極,用于測定唾液中氟離子。
3 離子敏感性凝膠
離子敏感性凝膠為高分子溶液劑, 它的形成機制是利用高分子輔料對外界刺激(體內(nèi)外不同的生理環(huán)境—離子強度)的響應(yīng),使高分子輔料在生理條件下發(fā)生分散狀態(tài)或構(gòu)象的可逆變化,完成由溶液向凝膠的轉(zhuǎn)化過程。目前用于離子敏感性凝膠基質(zhì)的高分子輔料主要包括海藻酸鈉、結(jié)冷膠、鹽敏感性水凝膠等。
3.1 海藻酸鈉
海藻酸鈉(Sodium Alginate,SA)是由β-D-甘露糖醛酸和α-L-古洛糖醛酸殘基通過1,4-糖苷鍵聯(lián)接構(gòu)成的線型多糖類嵌段共聚物,具有良好的溶膠-凝膠特性,其水溶液與一定濃度的一價或二價金屬陽離子(如人淚液中均含Na+、K+、Ca2+和Ba2+等離子)相遇會發(fā)生膠凝化,形成半固體狀凝膠。劉志東[30-31]聯(lián)合使用海藻酸鈉和羥丙甲纖維素研究離子敏感性眼用即型凝膠劑,以羥丙甲纖維素為增稠劑,降低海藻酸鹽的用量。周李念等[32]制備了明膠-海藻酸鈉復(fù)合水凝膠,研究了不同配比下復(fù)合水凝膠的流變特性,并將其用于擠壓式3D細胞打印,打印出的細胞在靜態(tài)培養(yǎng)14天后仍存活90%以上。侯小路等[33]構(gòu)建了部分氧化的海藻酸鈉凝膠,并通過納米粒子接枝的方式在其中包覆IGF-1和BIO形成復(fù)合凝膠,觀察了凝膠對老齡急性心肌梗死大鼠心臟功能的改善情況。王健等[34]制備了物理穩(wěn)定性和生物相容性良好的海藻酸鈉-多聚鳥氨酸-海藻酸(A-PLO-A)和海藻酸鋇-多聚鳥氨酸-海藻酸(B-PLO-A)兩種新型凝膠微囊,進行微囊化肝細胞體內(nèi)移植治療肝衰竭大鼠的研究。
3.2 結(jié)冷膠
結(jié)冷膠(Gellan Gum)是一種線性陰離子雜多糖,由葡萄糖、葡糖醛酸、鼠李糖以2:1:1的摩爾比連接成四元重復(fù)單元,形成聚合物主鏈。其有兩種存在形式,分別為天然結(jié)冷膠(高?;Y(jié)冷膠)以及去乙?;Y(jié)冷膠(DGG)。其中,DGG結(jié)構(gòu)中?;炕虿糠直蝗コ?,使得分子間空間阻礙作用明顯減弱,形成的凝膠能力增強,對鈣、鎂離子特別敏感,膠凝強度是鈉、鉀等1價離子的25倍[35],故在凝膠劑研究中應(yīng)用較多。曹師磊等[36]采用去乙酰結(jié)冷膠為材料制備了離子敏感性鼻用原位凝膠劑,研究其在家兔鼻腔內(nèi)的在體消除動力學。徐瀟[37]采用魔芋葡甘聚糖對結(jié)冷膠進行共混改性,測試了溶膠及凝膠的加工流變性,初步評價了復(fù)合凝膠球的藥物釋放性,為天然食品復(fù)合膠體藥物材料的研究與應(yīng)用提供了實驗數(shù)據(jù)與理論依據(jù)。Miyazaki等[38]以結(jié)冷膠為基質(zhì)制得茶堿口服緩釋即型凝膠。結(jié)冷膠還可作為一種重要的成分運用于眼部原位凝膠給藥系統(tǒng)。Tayel等[39]將鹽酸特比萘芬納米乳分散于結(jié)冷膠溶液中制得納米乳-原位凝膠,其中0.2%結(jié)冷膠納米乳原位凝膠對眼刺激性最小。
3.3 鹽敏感性水凝膠
鹽敏感性水凝膠是隨溶液中鹽離子種類或濃度變化發(fā)生溶脹或收縮行為的一類智能水凝膠。Zhang等[40]以丙烯酸和玉米糠廢棄物為原料,以2, 2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮和過硫酸銨為復(fù)合引發(fā)劑,以N, N'-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑,通過紫外照射輻射交聯(lián)共聚制備得到復(fù)合水凝膠。當鹽溶液濃度低于0.05 mol·L-1時,水凝膠在不同鹽離子溶液中的溶脹率順序為KCl>NaCl>NH4Cl>AlCl3>FeCl3>MgCl2>CaCl2。林海琳[41]等以N, N-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑,過硫酸銨-亞硫酸氫鈉為引發(fā)劑,采用水溶液法合成了醚化海藻酸鈉-丙烯酸-聚乙烯醇高吸水性樹脂,考察比較了樹脂在不同pH值緩沖溶液和鹽溶液中的平衡含水率并對聚合物-溶劑的相互作用機理進行了探討。
4 展望
隨著生物醫(yī)學和醫(yī)療器械創(chuàng)新發(fā)展的日新月異,傳統(tǒng)離子敏感性生物材料,已經(jīng)逐漸突破人們熟知的應(yīng)用范圍,向多學科多領(lǐng)域交叉發(fā)展。以滿足人類健康需求為目標的生物醫(yī)學,為離子敏感性生物材料的發(fā)展開辟了一塊嶄新的領(lǐng)域。離子敏感性生物材料逐漸向著生物響應(yīng)材料這一更為貼近當代生物醫(yī)學需求的方向發(fā)展。而離子敏感僅僅是生物響應(yīng)材料對環(huán)境敏感因素如pH、氧化還原、酶、葡萄糖、離子、ATP、乏氧、溫度、機械因素、核酸等諸多因素的一個方面。因此,在研制、考察、評價生物響應(yīng)材料時,應(yīng)結(jié)合上述因素進行綜合考慮。同時,還要善于屏蔽多因素影響,尋找與特定生物響應(yīng)材料相關(guān)功能或需求影響最強的因素,進行深入分析。未來,離子敏感性生物材料將對藥物受控釋放、醫(yī)學診斷、組織工程(含生物增材制造)與生物醫(yī)學裝置和醫(yī)療器械的研制創(chuàng)新產(chǎn)生深遠影響。
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