全 文 ：第6卷第1期
2008年1月
生物加工过程
ChineseJournalofBioprocessEngineering
Jan．2008
·65·
区域选择性改性的纤维素和壳
及其血液相容性
刘 春
聚糖衍生物
(大连理工大学 精细化工国家重点实验室，大连116012)
摘要：通过对纤维素和壳聚糖的区域选择性改性。将内皮细胞表面硫酸乙酰肝素(ES-HS)分子结构中对其血液
相容性有重要影响的官能团引入纤维素和壳聚糖的分子结构中，并将其通过离子键固定在部分阳离子化的纤维素
膜上，以期模拟ES-HS的血液相容性。血小板吸附结果表明，6住改性的纤维素衍生物的吸附程度较高。在五种
壳聚糖衍生物中，2住的NS03／NAe为6／4的衍生物表现出最低的血小板吸附。当保持壳聚糖2位的NS03／NAc
值不变时，对6位进行完全磺酸酯化，也可有效减少血小板的吸附。
关键词：血液相容性；纤维素；壳聚糖；改性；区域选择性
中图分类号：0636．1 文献标识码：A 文章编号：1672—3678(2008)01—0065—04
Regioselectivelymodifiedcelluloseandchitosanderivatives
andtheirbloodcompatibility
’
LIUChun
(StateK yLaboratoryofFineChemicals，DalianUniversityofTechnology，Dalian116012，China)
Abstract：Inordertosimulateth bloodcompatibilityofendothelialcellsurfaceheparansulfate(ES—
HS)，differentfunctionalgroupsinES—HS，whichplayagreatroleinbloodcompatibility，havebeenre—
gioselectivelyintroducedintothemoleculesofcelluloseandchitosanwithvariabledegreeofsubstitution
(DS)．Thesemodifiedcelluloseandchitosanderivativeswereimmobilizedonpartiallycationizedcellu—
losemembranesviapolyelectrolytecompl xesformation．7nleplateletadhesionpropertiesofthederiva-
tiresmodifiedm mbraneshavebeentestedinvitro．Theresultsshowedthatcellulosederivativesmodified
at6-positionhadhigherplateletadhesion．Amongthemodifiedfivechitosanderivatives，theonewitha
valueof6／4ofNS03／NAcat2-positionsh wedthelowestplateletadhesion．耽eplat letadhesionde—
creasedclearlyafterintroducing6一O-sulfogr upsintochitosanderivativeatasameratioofNS03／NAe
(6／4)．
Keywords：bloodcompatibility；cellulose；chitosan；modification；regioselective
自1960年以来，人们通过各种方法来提高生物
医用材料的血液相容性。其中，最引人注目和被广
泛接受的方法是对材料表面进行改性‘11。目前国
内外在这个领域的研究已有一定的进展，主要有以
收稿日期：2007-04．11
基金项目：精细化工国家重点实验室开放课题资助项目(KF0510)；大连理工大学交叉学科建设基金及青年教师基金资助项目；教育部
留学回国人员科研启动基金资助项目(教外司留[2007]1108)
作者简介：刘春(1970一)，男，湖北威宁人，博士。副教授，研究方向：精细化学品。E—mail：Chunliu70@126．corn
万方数据
· 66· 生物加工过程 第6卷第1期
下3种方法：(1)表面固定抗凝剂肝素：将具有生物
活性的肝素填充到生物材料基体中心。或者通过化
学方法键合到材料表面旧J，利用肝素的抗凝血性能
来提高材料表面的血液相容性。前者的抗凝血性
能只能持续较短的时间，而后者的抗凝血性能有待
于进一步提高。(2)NO缓释涂层MJ：该法基于人体
的内皮细胞能产生NO来抑制血小板活性的机制，
制备能够产生NO的聚合物，将其固定到生物材料
的表面通过释放NO来达到抑制凝血的效果。该法
的关键问题是控制NO的释放速度，因为NO的毒
性很强。(3)内皮细胞化怕j：内皮细胞能够抑制血
栓形成，维持血管内表面光滑，保持血流通畅。生
物医用材料表面的内皮细胞化可以减少血栓形成
及血小板激活，从而达到材料表面的血液相容性。
目前材料表面的内皮细胞化存在内皮细胞与材料
表面的黏附力差、在使用中容易脱落、不能形成完
整的内皮细胞单层等问题。因此，尽管材料表面改
性技术在某种程度上降低了血液中的蛋白和细胞
在材料表面的吸附或沉积，真正意义上的无血栓生
成却远未实现。
20世纪80年代人们发现了存在于血管内皮表
面的内皮细胞表面硫酸乙酰肝素(ES-HS：endotheli—
alcellsurfaceheparansulphate)峥。70o德国的Bau—
manil研究组哺1首次将ES-HS从牛肺大动脉中分离
出来，并将其固定到人工血管的内表面，通过动物
实验发现其具有长期稳定的血液相容性。这一发
现为实现无血栓生成的生物医用材料的表面改性
提供了一种现实可能性。然而，由于ES-HS的分离
过程十分复杂，成本昂贵，限制了其进一步的开发
应用。该研究组进一步研究了区域选择性磺化的
纤维素衍生物的血液相容性，发现选择性的3一O磺
化的纤维素衍生物具有良好的血液相容性一J。本
文在前期纤维素改性工作基础上¨0I，通过区域选择
性改性纤维素和壳聚糖，将ES—HS分子中与其血液
相容性相关的官能团(如COOH，NH：，NAc，OS03，
NSO，等)引入其分子结构中来模拟Es．HS的血液相
容性，并将改性的多聚糖衍生物通过化学方法固定
到纤维素膜的表面，研究表面涂层的血液相容性。
1实验材料和方法
1．1试剂
纤维素，AvicelPH-101，平均聚合度为280，Flu．
ka；壳聚糖，平均相对分子质量为1．5×105，Fluka；
纤维素透析膜，孔径为1．5～2．0am，Serva；其他试
剂均购自Fluka；有机溶剂经CaH2处理后减压蒸出。
1．2分析方法
水溶性的多聚糖衍生物通过纤维素透析膜纯
化。多聚糖衍生物的结构经13CNMR和红外光谱
表征。
1．3区域选择性改性纤维素
纤维素的区域选择性改性按文献[10]进行。
制备了6一氨基石一脱氧纤维素。进一步合成了6一磺
酰氨基一6·脱氧纤维素1和6-N-羧甲基岳氨基一6一脱
氧纤维素2。
1．4区域选择性改性壳聚糖
壳聚糖的区域选择性改性按文献[1l—12]进
行。制备了壳聚糖衍生物3(DS：。^c0．34，DS2。。
0．28，DS2NcM0．38)；4(DS2N^c0．39，DS2Hs0．61)；5
(DS2NA。0．05，DS2Ns0．90)；6(DS2N^。0．14，DS2Ns
0．86)；7(DS2N^c0．14，DS2NcM0．86，DS60s1．0)。
1．5将改性的多聚糖衍生物固定到纤维素透析膜
表面
部分阳离子化的纤维素透析膜经QUAB@188
(质量分数65％的3一氯12一羟基丙基三甲基氯化铵水
溶液)在异丙醇和水的混合溶液中制备，pH为9．0。
在室温下将部分阳离子化的纤维素膜浸入到
0．5mg／mL的多聚糖衍生物的水溶液中10min。
1．6多聚糖衍生物固定的纤维素透析膜表面的血
小板吸附实验
经多聚糖衍生物改性的纤维素膜的血小板吸
附实验按文献[13]进行。附着在纤维素膜表面的
血小板经固定、染色、漂洗、压片后通过电子显微镜
计量单位面积的血小板个数，然后同没有改性的纤
维素膜的吸附结果比较。
2结果与讨论
ES—HS分子中完全取代和部分取代的官能团，
如COOH，NH2，NAc，OS03，NS03等，它们在ES-
HS的血液相容性中起着重要作用。将这些官能团
区域选择性地引入到纤维素和壳聚糖可以制备Es．
HS类似物，来模拟ES．HS的血液相容性功能。区
域选择性改性的纤维素和壳聚糖衍生物的结构见
图1。
万方数据
2008年1月刘春：区域选择性改性的纤维素和壳聚糖衍生物及其血液相容性 ·67·
＼
3DS2Nk0．34，DS2NcM0．38，DS№0．28
OSONa"＼喷≥／oV3"惑*，芘如NHAe
Nil
如．N。 80，№
7DS2．^c0．14，DS2NcM0．86，DS60,1．0
＼
＼
2
NHS03Na
4D‰s0．61，Ds2Nk0．39
5嗡s0．90，DS2Nk0．05
6DS2№0．86，DS2N^c0．14
图I 区域选择性改性的纤维素和壳聚糖衍生物1—7 ，
Fig．1Regioseleetivelymodifiedcelluloseandchitosanderivatives1—7
2．1 区域选择性改性纤维素
纤维素每个结构单元中含有3个羟基，分别位
于2，3和6位。其中6位是伯羟基，2位和3位是仲
羟基。在纤维素化学改性中，伯羟基的反应活性比
仲羟基的高，但还不足以得到选择性的6位取代产
物，仲羟基一般也参与反应。为了提高6位的反应
活性，可以将氨基引入到纤维素的6位。通过叠氮
化钠和6位完全取代的纤维素对甲苯磺酸酯的亲核
取代反应可以得到6位完全取代的6一叠氮基岳脱
氧纤维素对甲苯磺酸酯，再经还原制得6一氨基一6一脱
氧纤维素。从而利用肝素化学改性和壳聚糖化学
改性中的一些针对氨基的选择性反应可以不使用
保护基团而将某些ES—HS类似官能团区域选择性
地引入到纤维素的6位。本文将磺酰氨基和Ⅳ-羧
甲基引人到纤维素的6位。
2．2区域选择性改性壳聚糖
所用壳聚糖的平均相对分子质量为1．5×105，脱
乙酰度为72％。由于低相对分子质量的壳聚糖衍生
物的毒性比高相对分子质量的要低，通过酸式水解可
以将壳聚糖的平均相对分子质量降低到2．8×104。
酸式水解中还伴有脱乙酰反应，水解后壳聚糖的脱乙
酰度提高到86％。减小壳聚糖的平均相对分子质量
使其具有以下特点：水溶性好；可以获得更好的13C
NMR谱图；相对分子质量和ES．Hs的接近。：
本文制备了5种不同取代度的壳聚糖衍生物。
水解后的壳聚糖经Ⅳ-乙酰化、Ⅳ-羧甲基化、Ⅳ-磺酰
化以及磺酸酯化制得了3—7。
2．3 将改性的多聚糖衍生物固定到纤维素透析膜
表面
含有多阴离子(NCH：COO‘，NSO；和oso；)的
多聚糖衍生物可以和纤维素膜表面上的阳离子形
成高分子电解质配合物，从而固定到纤维素膜的表
面，如图2所示。
2．4血小板吸附实验
将本文制备的7种多聚糖衍生物分别固定到部
分阳离子化的纤维素膜的表面，在37℃和剪切速率
为10508。1下用健康人的全血循环20rain，结果如
图3所示。由图3可见，6位改性的纤维素衍生物1
和2的血小板吸附程度较高。在5种壳聚糖衍生物
中，4表现出最低的血小板吸附，其2位的NSO，／
NAc为6／4。这一结果同Baumann等u2o报道的区
域选择性改性的3-0磺化的纤维素衍生物的血液相
容性相当，但同ES．HS改性的纤维素膜的血小板吸
附为零的血液相容性相比仍有一定的差距¨41。如
果将NS03／NAc的比值提高到18／15和86／146，
万方数据
· 68· 生物加工过程 第6卷第1期
图2将区域选择性改性的纤维素和壳聚糖衍
生物固定到纤维素膜的表面
Fig．2Immobilizationofregioselectivelymodifiedcellulose
andchitosanderivativesoHthesurfaceofcelhlose
membranes
则血小板的吸附程度增加很快。保持较高的NSO，／
NAc比值6，同时对6位完全磺酸酯化，也可有效减
少血小板的吸附7。
2 3 4 5 6 7
衍生物序号
图3不同多聚糖衍生物改性的纤维
素膜的血小板吸附结果
Fig．3Plateletadhesionondifferentpolysaccharide
derivafivesmodifiedcellulosememhTanes
3讨论
通过区域选择性改性天然多聚糖纤维素和壳
聚糖，将ES—HS分子中与其血液相容性相关的官能
团(如COOH，NH2，NAc，OS03，NS03等)引入其
分子结构中来模拟ES—HS的血液相容性，改性的多
聚糖衍生物通过离子键固定到纤维素膜的表面，经
血小板吸附实验发现某些壳聚糖衍生物修饰的纤
维素膜具有较低的血小板吸附，他们可以作为潜在
的生物医用材料的血液相容性表面涂层。
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