CN104004112B - 氧化壳寡糖及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了氧化壳寡糖及其制备方法。本发明氧化壳寡糖是指壳寡糖糖单元中的2、3位碳碳键部分或全部被氧化成醛基所形成的物质。本发明采用高碘酸钠在避光条件下，选择性氧化壳寡糖，经过沉淀、分离、洗涤、干燥，制备出氧化壳寡糖。本发明氧化壳寡糖含有高度化学反应活性的醛基，可以用作生物交联剂、化学偶联剂、微球交联剂、固定化酶的交联剂等，广泛应用于医药、食品、生物以及化工等领域。

Description

氧化壳寡糖及其制备方法

技术领域

本发明涉及氧化壳寡糖及其制备方法，应用于生物医学材料方面。

背景技术

生物材料（特别是天然组织来源的生物材料）的制备过程中，常常需要使用交联剂。交联可以解决生物来源材料的病菌传播问题、消除或降低免疫原性、改善物理机械性能、提高耐降解能力，大大拓宽生物材料的应用范围。交联剂的毒性问题，是决定生物材料是否安全、有效的关键因素。

目前常用的生物材料交联剂按其来源可以分为两类：一类是人工合成的化学交联剂，以戊二醛为代表；一类是天然产物及其衍生物交联剂，以京尼平为代表。合成交联剂由于合成过程中反应不完全等原因，往往表现出一定的细胞毒性。如戊二醛的细胞毒性较大，且交联材料易发生钙化现象，使其应用受到限制；而天然产物交联剂相对毒性较低，生物相容性较好，应用较为广泛。如京尼平细胞毒性很低，交联效果理想，但过于昂贵，难以规模化应用，常限于实验研究。

采用化学的方法，将价廉易得的天然产物进行处理，使其具有交联性能，这样既保证了生物相容性，又能降低价格，是生物交联剂研究的新方向。

海藻酸盐具有可降解性和高度的生物相容性、无免疫原性，相对价格低廉，被广泛地应用于组织工程和医药等领域。近年来，将海藻酸盐氧化制备得到的海藻酸钠被用作生物医用材料交联剂，取得了较好的效果（李莉，徐源廷，陈健，等.氧化海藻酸钠交联改性脱细胞基质材料及其细胞相容性的研究.生物医学工程学杂志.2011，28（6）：1154-1158；YangHu,LanLiu,ZhipengGu,etal.Modificationofcollagenwithanaturalderivedcross-linker,alginatedialdehyde.CarbohydratePolymers，2014，102：324–332）。壳聚糖也被用于制备氧化壳聚糖而应用于生物材料领域（傅春梅，罗青树，王亚娟，等.壳聚糖的氧化与羰基分析.皮革科学与工程.2012，22（1）：13-17；张婷，杨建红，梁凯，等.壳聚糖氧化自组装膜的制备及其性能.分析科学学报.2007，23（2）：125-128）。

壳寡糖是由2—10个氨基葡萄糖通过β-1，4-糖苷键连接而成的寡聚糖，也是天然糖类中唯一大量存在的碱性氨基寡糖。它是壳聚糖降解的产物。具有水溶性好、安全无毒、易吸收等优点，在保健品、营养剂、食品添加剂、植物生长调节剂及饮料添加剂等方面具有良好的应用价值（杜昱光，王克夷，白雪芳.壳寡糖的功能研究及应用.北京：化学工业出版社，2009，1-34）。尽管壳寡糖属于壳聚糖的降解衍生产物，但由于两者性质的较大差异，被认为是两种不同的物质。

将糖氧化为醛基，主要有双氧水法、次氯酸法和高碘酸钠法。其中高碘酸钠可氧化偕二醇、邻多元醇、α-羟基酸、α-氨基酮、1-氨基-2-羟基化合物，使碳-碳键断裂，生成相应的羰基化合物醛酮。该反应可定量进行，每断裂一个碳-碳键，消耗1分子过碘酸（张洪渊.生物化学教程.成都：四川大学出版社，2005，12.）。

采用高碘酸钠作为氧化剂，处理壳寡糖，就得到了氧化壳寡糖。由于每个碳碳键断裂，可以形成两个醛基，因此，可以用作交联剂。由于氧化壳寡糖继承了壳寡糖的优良性能，水溶解性更好，安全无毒，易吸收，因而是一种比较理想的生物交联剂。

壳寡糖是天然糖中唯一大量存在的碱性氨基寡糖，具有海藻酸钠无可比拟的抗氧化作用、抗菌活性、抗炎/促进伤口愈合作用、抗癌/抗肿瘤作用、抗病毒作用等。氧化壳寡糖继承和部分保留了这些基本结构单元，故氧化壳寡糖比氧化海藻酸钠的性能更加完美。

尽管甲壳素、壳聚糖、壳寡糖属于同系物，但性质上有较大差异。甲壳素分子量上百万，不溶于水、稀酸、碱、乙醇及其它有机溶剂，很难被人体吸收；壳聚糖是甲壳素N-脱乙酰基的产物，分子量为数万至几十万，不溶于水，溶于酸，能够部分被人体吸收。壳寡糖聚合度为2—10，分子量小，可溶于水中，易被人体吸收。壳寡糖不具有壳聚糖的一些高分子化合物的性质，如成膜性、形成高黏度溶液等。正是由于壳聚糖和壳寡糖性质的较大差异，因此，壳聚糖和壳寡糖被认为是不同的物质。同理氧化壳寡糖与氧化壳聚糖也可以认为是不同物质。

与氧化壳聚糖相比，氧化壳寡糖具有以下特性：

（1）更好的溶解性。由于壳寡糖本身易溶于水，整个反应可以在水溶液中完成，生成醛基后，氧化壳寡糖仍溶于水；而壳聚糖不溶于水，需要在酸性条件下进行氧化反应，由于其分子量大，氧化壳聚糖的水溶性也比氧化壳寡糖差；

（2）更小的黏度。由于壳聚糖分子量大，形成氧化壳聚糖后，分子量仍然较大，形成有一定黏度的溶液，当用作交联剂时，影响分散与渗透。而氧化壳寡糖分子小，溶解水中粘度仍然很低，便于分散与渗透；

（3）无成膜性。氧化壳寡糖不具有高分子化合物的成膜性，而氧化壳聚糖可以成膜；

（4）更利于交联。由于氧化壳寡糖分子量小，黏度小，分子运动灵活，更容易渗透到生物医用材料内部的细小孔隙之中，从而达到深度交联。而氧化壳聚糖分子量大，黏度大，分子运动相对困难，影响向生物材料孔隙中的渗透，影响交联效果；

（5）更好的吸收性能。氧化壳寡糖分子量小，易被人体吸收。而氧化壳聚糖分子量大，吸收相对较难。

综上所述，本发明以壳寡糖为原料，采用高碘酸为氧化剂，制备出了氧化壳寡糖。该物质可以用作生物交联剂、化学偶联剂、微球交联剂以及固定化酶的交联剂等，广泛地应用于医药、食品、生物以及化工等领域。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供氧化壳寡糖及其制备方法，它是由以下技术措施来实现的。

1.氧化壳寡糖是指壳寡糖糖单元中的2、3位碳碳键部分或全部被氧化成醛基所形成的物质，其结构中含有如下式所示的氧化糖结构单元：

其中n为1—10。

2.一种制备权利要求1所述氧化壳寡糖的方法，包括以下步骤：

（1）高碘酸钠溶液：称取0.2—7重量份的高碘酸钠，溶解于50—200重量份的蒸馏水或pH为3—7的酸性水溶液或缓冲溶液中；

（2）加入壳寡糖：称取2—4重量份的壳寡糖，加入到高碘酸钠溶液中，搅拌使壳寡糖溶解；

（3）氧化：在1—40℃下，避光搅拌，反应1—48小时；

（4）沉淀：加入50—400重量份的有机溶剂，使产物沉淀，过滤或离心分离，得到固体；

（5）纯化：用50—100重量份的蒸馏水溶解固体，加入50—300重量份的有机溶剂，使产物沉淀，过滤或离心分离，得到固体；本步骤可反复2—3次；

（6）洗涤：用50—100重量份的有机溶剂洗涤1—3次；

（7）溶解：加入10—50重量份的蒸馏水，使固体溶解；

（8）干燥：采用真空干燥或冷冻干燥得到白色固体。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述的酸性水溶液是指在蒸馏水中加入醋酸、盐酸，将pH值调整到3—6.5后形成的溶液。

4.如权利要求2所述的方法，其中所述的缓冲溶液是指磷酸盐缓冲溶液、醋酸-醋酸钠缓冲溶液。

5.如权利要求2所述的方法，其中所述的有机溶剂是指甲醇、乙醇或丙酮。

本发明中所用壳寡糖为医药级，其它材料均为分析纯或生物试剂。

与现有的交联剂相比，氧化壳寡糖及其制备方法具有以下特点：

（1）化学反应活性高。氧化壳寡糖中含有醛基，因而具有很高的反应活性；

（2）交联性能优良。氧化壳寡糖中含有多个醛基，因而能够与材料形成交联结构。氧化壳寡糖链长短，刚性强，交联稳定性好；

（3）水溶解性好。氧化壳寡糖仍含有多个亲水基团，仍溶于水，使交联能在水溶液体系中进行，克服了部分交联剂需要在溶剂中反应的缺陷；

（4）良好的可吸收性。由于壳寡糖易于被人体吸收，经氧化壳寡糖交联的生物材料，在体内降解后，其壳寡糖残留部分也同样能被人体吸收；

（5）具有抗菌活性。与氧化海藻酸相比，氧化壳寡糖继承了壳寡糖的抗菌活性，经其交联的生物材料，可以赋予其抗菌性能；

（6）具有抗炎/促进伤口愈合作用。氧化壳寡糖继承了壳寡糖的抗炎/促进伤口愈合作用，经其交联的生物材料用于创伤修复时，有助于伤口抗炎，并能促进伤口愈合；

（7）其它作用。当氧化壳寡糖用作药物、胶囊、微球等载体的交联剂时，能够协助抗病毒、有益血管健康、有益于抑制糖尿病、有益于抗癌抗肿瘤和抗突变作用；

（8）由于壳寡糖溶于水，其氧化反应可直接在中性水中进行；

（9）可以通过选择壳寡糖与高碘酸钠的摩尔比、反应温度、反应时间来控制氧化程度，得到不同氧化度、氨基含量和溶解度的产品；

（10）由于壳寡糖分子量小，难以用透析方法纯化，故采用有机溶剂分步沉淀的方法纯化。

本发明以具有优良性能的天然唯一大量存在的碱性氨基酸寡糖为原料，通过选择性氧化，形成含有醛基的氧化壳寡糖，从而赋予其高度的化学反应活性，成为优良的生物交联剂。该物质继承了壳寡糖的优良特性，克服了其难于与生物材料形成交联的局限性，大大地拓展了其使用领域和价值。制备反应专一性好、产物纯度高、反应可控性好，与目前已有的交联剂相比，具有明显的优势。

具体实施方式

下面通过实例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是，本实例只用于对本发明的进一步说明，而不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容作出一些非本质的改进和调整。

实施例1

（1）0.2mol/L醋酸水溶液59.2ml与0.2mol/L醋酸钠溶液140.8ml混合，制得醋酸-醋酸钠钠缓冲溶液；

（2）称取2.00克的医药级壳寡糖置于棕色瓶中，加入100克醋酸-醋酸钠缓冲溶液，搅拌，使壳寡糖完全溶解，得到壳寡糖溶液；

（3）称取1.28克高碘酸钠置于棕色瓶中，加入100克醋酸-醋酸钠缓冲溶液中，搅拌，使高碘酸钠完全溶解，得到高碘酸钠溶液；

（4）将上述高碘酸钠溶液加入到在壳寡糖溶液中，放入冷藏柜中，温度保持在4℃，搅拌，反应48小时；

（5）反应结束后，加入200ml无水乙醇，搅拌15分钟，静置30分钟，有白色固体析出；

（6）将固体和液体混合物取出，在低温离心机中进行离心，离心速度为10000转/分钟，离心时间为10分钟，离心结束后，弃去上层清液，收集白色固体；

（7）在白色固体中加入50ml蒸馏水，搅拌，使固体完全溶解；

（8）再加入50ml无水乙醇，搅拌15分钟，静置30分钟；

（9）将固液混合物在低温离心机上离心，离心速度为10000转/分钟，离心时间为10分钟，离心结束后，弃去上层清液，收集白色固体；

（10）在白色固体中加入30ml蒸馏水，搅拌，使固体完全溶解；

（11）再加入30ml无水乙醇，搅拌15分钟，静置30分钟；

（12）将固液混合物在低温离心机上离心，离心速度为10000转/分钟，离心时间为10分钟，离心结束后，弃去上层清液，收集白色固体；

（13）在白色固体中加入30ml蒸馏水，搅拌，使固体完全溶解；

（14）将溶液放入冷冻干燥机中，冷冻干燥，得到白色固体。

实施例2

（1）称取5.14克高碘酸钠置于避光容器中，加入200克蒸馏水，搅拌，使高碘酸钠完全溶解，得到高碘酸钠溶液；

（2）称取4.00克的壳寡糖加入到高碘酸钠溶液中，继续搅拌，整个反应在避光环境中进行；

（3）在常温下反应24小时后，可以用碘化钾淀粉试剂或试纸检测高碘酸钠含量，若无法检出，则继续后续步骤；若仍含有高碘酸钠，则延长反应时间至高碘酸钠无法检出时，然后继续后续步骤；

（4）加入200ml95%乙醇，搅拌10分钟，静置30分钟；

（5）将固液混合物在常温下离心分离，转速为8000转/分钟，离心时间为10分钟；

（6）在白色固体中加入100ml95%无水乙醇，搅拌30分钟，静置30分钟，弃去上层清液；

（7）再加入100ml95%无水乙醇，搅拌30分钟，静置30分钟；

（8）将固液混合物在常温下离心分离，转速为8000转/分钟，离心时间为10分钟；

（9）在白色固体中加入50ml蒸馏水，搅拌，使固体完全溶解；

（10）将溶液放入冷冻干燥机中，冷冻干燥，得到白色固体。

实施例3

（1）称取100公斤蒸馏水置于含夹层的避光反应釜中，用冰水机将反应釜的温度控制在3—10℃，加入5公斤高碘酸，使高碘酸完全溶解；

（2）称取4公斤壳寡糖，加入反应釜中，搅拌，使壳寡糖完全溶解；

（3）保持在3—10℃条件下，避光继续反应48小时；

（4）加入150公斤甲醇，搅拌30分钟，静置60分钟，再将反应物抽滤，得到白色固体滤饼；

（5）将滤饼转入反应釜中，加入40公斤蒸馏水，搅拌使其溶解；

（6）加入60公斤甲醇，搅拌30分钟，静置60分钟，再将反应物抽滤；

（7）将滤饼转入反应釜中，加入30公斤蒸馏水，搅拌使其溶解；

（8）加入70公斤甲醇，搅拌30分钟，静置60分钟，再将反应物抽滤；

（9）将滤饼转入反应釜中，加入50公斤甲醇，洗涤30分钟，抽滤；

（10）将滤饼转入真空干燥设备中，真空干燥，得到干燥的白色固体。

Claims (3)

1.氧化壳寡糖是指壳寡糖糖单元中的2、3位碳碳键部分或全部被氧化成醛基所形成的物质，其结构中含有如下式所示的氧化糖结构单元：

其中n为1—10。

2.一种制备权利要求1所述氧化壳寡糖的方法，包括以下步骤：

(1)高碘酸钠溶液：称取0.2—7重量份的高碘酸钠，溶解于50—200重量份的蒸馏水或酸性水溶液或缓冲溶液中；

所述的酸性水溶液是指在蒸馏水中加入醋酸、盐酸，将pH值调整到3—6.5后形成的溶液；

所述的缓冲溶液是指磷酸盐缓冲溶液、醋酸-醋酸钠缓冲溶液；

(2)加入壳寡糖：称取2—4重量份的壳寡糖，加入到高碘酸钠溶液中，搅拌使壳寡糖溶解；

(3)氧化：在1—40℃下，避光搅拌，反应1—48小时；

(4)沉淀：加入50—400重量份的有机溶剂，使产物沉淀，过滤或离心分离，得到固体；

(5)纯化：用50—100重量份的蒸馏水溶解固体，加入50—300重量份的有机溶剂，使产物沉淀，过滤或离心分离，得到固体；本步骤可反复2—3次；

(6)洗涤：用50—100重量份的有机溶剂洗涤1—3次；

(7)溶解：加入10—50重量份的蒸馏水，使固体溶解；

(8)干燥：采用真空干燥或冷冻干燥得到白色固体。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述的有机溶剂是指甲醇、乙醇或丙酮。