CN104356254A - 一种改性透明质酸及其制备方法 - Google Patents

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阮长顺
蔡青青
李玉筱
王青山
潘浩波
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Abstract

本发明公开了一种改性透明质酸，所述改性透明质酸的化学结构式如式(Ⅰ)所示：

Description

一种改性透明质酸及其制备方法
技术领域
本发明属于生物医学工程领域，具体涉及改性透明质酸及其制备方法。
背景技术
透明质酸(Hyaluronicacid，HA)又名玻璃酸，是一种天然高分子酸性粘多糖，广泛存在于人体组织间、关节头的滑液中和眼球内的玻璃质中，起到黏合、润滑和保护的作用。透明质酸的基本结构是由双糖单位D-葡萄糖醛酸及N-乙酰葡糖胺组成的高级多糖类，具有良好生物相容性，水溶性，已经广泛地应用于生物医学工程领域的研究。
HA材料主链糖苷环上存在的活性位点主要为反应活性一般的羟基，而反应活性较高的羧基一般以钠盐的形式存在，使材料在生物医学工程领域的改性上存在一些困难。目前，HA主链上改性，都一般采取先活化糖苷环上的羟基，再与一些具有特异性质的活性物质进行接枝。但是，接枝等化学反应过程，导致工艺冗长，降低应用效率；HA主链上具有众多羟基，接枝具有随机性，可控性差；接枝引入一些物质后，会影响HA的水溶性及生物相容性，导致其后续应用存在缺陷；HA主链上的羟基活性较低，接枝效率也比较低，限制了HA材料的进一步应用。
发明内容
针对透明质酸生物材料活性位点单一以及改性困难的缺点，本发明提供了一种改性透明质酸，所述改性透明质酸的化学结构式如式(Ⅰ)所示：
其中，m为1～2000的自然数，n为1～2000的自然数，且m：n为0.1：1～1：1。
优选地，所述m：n为0.5：1～1：1。
另一方面，本发明还提供了该改性透明质酸的制备方法，包括如下步骤：提供化学结构式如式(Ⅱ)所示的透明质酸，将透明质酸溶解在水中形成透明质酸溶液；向所述透明质酸溶液中加入氧化剂，并于40℃～70℃下搅拌发生氧化反应；所述氧化剂包括高碘酸钾、高碘酸钠、高锰酸钾、高锰酸钠、氯酸钾和氯酸钠中的至少一种；所述氧化剂与所述透明质酸的糖苷环单元的摩尔比为0.1：1～1：1；所述氧化反应完成后，将反应液透析多次，冷冻干燥后得到改性透明质酸，其化学结构式如式(Ⅰ)所示：
其中，m为1～2000的自然数，n为1～2000的自然数，且m：n为0.1：1～1：1。
优选的，所述m：n为0.5：1～1：1。
优选的，所述氧化剂与所述透明质酸的糖苷环单元的摩尔比为0.5:1～1:1。
透明质酸主链中的D-葡萄糖醛酸结构中含有相邻的两个羟基，相邻的两个羟基具有一定的还原剂，在氧化剂的作用下，相邻的两个羟基被氧化成醛基，使D-葡萄糖醛酸从相邻的羟基处断链开环，得到含有双醛基的改性的透明质酸，根据氧化剂的量，来定量使糖苷环单元开环形成双醛结构，活性基团当量的控制使后续材料具有不同的性质。如提高氧化剂的使用量，会增加双醛结构，而增加改性透明质酸的反应强度。
优选的，所述透明质酸溶液的质量浓度范围为0.1％～5％。
更优选的，所述透明质酸溶液的质量浓度范围为1％～5％。透明质酸在该浓度范围内，反应得到的产物既保证了交联度，使其分子量为实际所需，同时又保证了醛含量。
优选的，所述透明质酸溶解在水中形成透明质酸溶液时，水浴加热到80℃，并在该温度下维持1小时，从而保证透明质酸充分溶解。
优选的，所述透明质酸溶解在pH值为6～8的水中。该pH条件下，有利于提高氧化剂的氧化效果，而又不至于引起透明质酸中氨基甲酸酯基团水解，导致透明质酸的不可逆降解。
优选的，所述搅拌时间为3-24个小时。搅拌时能明显观察到透明质酸溶液的粘度降低，溶液清澈。
优选的，溶解透明质酸所用的水包括蒸馏水和去离子水中的一种。
优选的，所述透析采取规格为截留分子3000的透析袋，透析3～5次。除去未反应的氧化剂小分子，而不析出透明质酸。
通过对透明质酸的化学物理性质的分析可知，透明质酸是由D-葡萄糖醛酸与N-乙酰葡糖胺通过β1,3-糖苷键结合而成的二糖，透明质酸主链中的D-葡萄糖醛酸结构中含有相邻的两个羟基，相邻的两个羟基具有一定的还原剂，在氧化剂的作用下，相邻的两个羟基被氧化成醛基，使D-葡萄糖醛酸从相邻的羟基处断链开环，得到含有双醛基的改性的透明质酸，所述改性的透明质酸中既含有高活性的醛基，提高了材料的反应活性，又含有羟基，保证了材料本身的亲水性和生物相容性。氧化反应方程式如下：
本发明提供的方法，制备工艺简单，反应过程温和，引入具有高活性的醛基，改善透明质酸生物材料主链上活性位点单一的缺点。
透明质酸高分子材料的主链糖苷环上含有还原性羟基的紧靠单元，本发明利用透明质酸本身结构特点，采用氧化剂对该还原性羟基进行氧化，即可使糖苷环从相邻的羟基处断链开环，形成2个高反应活性的醛基。通过控制氧化剂的含量，从获得既保留有羟基，又具有高活性醛基，且羟基和醛基比例可调的多活性基团透明质酸生物材料。本发明通过控制氧化剂与透明质酸糖苷单元的比例，从而控制产物的醛基含量、醛基与羟基的比例、交联度及软硬度以匹配实际需求。
本发明无需接枝引入其他活性基团，根据透明质酸自身的结构特点，在不影响材料本身的亲水性以及生物相容性的同时，引入了高活性反应基团，为下一步透明质酸的应用奠下基础，也进一步扩大了透明质酸材料的应用价值。
具体实施方式
下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
采用Sigma公司透明质酸产品(NO.94137)，分子量10,000-30,000g/mol进行方案的实施(实施方案1-6采用该产品)。
一种改性透明质酸的制备方法，包括如下步骤：
取0.01g透明质酸溶解在10mL蒸馏水中形成透明质酸溶液，透明质酸溶液质量浓度为0.1％，水浴加热到80℃，维持1小时；待透明质酸充分溶解后，降低温度并维持在40℃，加入高碘酸纳(NaIO4)作为氧化剂，HA糖苷环单元/NaIO4摩尔比为1:0.5，持续搅拌3小时，停止反应，观察到浓度明显下降；采取规格为截留分子3000的透析袋透析3到5次，冷冻干燥后收率为90.1％，获得改性透明质酸。
实施例2
一种改性透明质酸的制备方法，包括如下步骤：
取0.1g透明质酸溶解在10mL蒸馏水中形成透明质酸溶液，透明质酸溶液质量浓度为1％，水浴加热到80℃，维持1小时；待透明质酸充分溶解后，降低温度并维持在50℃，加入高碘酸钾(KIO4)作为氧化剂，HA糖苷环单元/KIO4摩尔比为1:0.2，持续搅拌6小时，停止反应，观察到浓度明显下降；采取规格为截留分子3000的透析袋透析3到5次，冷冻干燥后收率为91.7％，获得改性透明质酸。
实施例3
一种改性透明质酸的制备方法，包括如下步骤：
取0.5g透明质酸溶解在10mL蒸馏水中形成透明质酸溶液，透明质酸溶液质量浓度为5％，水浴加热到80℃，维持1小时；待透明质酸充分溶解后，降低温度并维持在60℃，加入高碘酸纳(NaIO4)作为氧化剂，HA糖苷环单元/NaIO4摩尔比为1:0.5，持续搅拌9小时，停止反应，观察到浓度明显下降；采取规格为截留分子3000的透析袋透析3到5次，冷冻干燥后收率为92.3％，获得改性透明质酸。
实施例4
一种改性透明质酸的制备方法，包括如下步骤：
取0.2g透明质酸溶解在10mL蒸馏水中形成透明质酸溶液，透明质酸溶液质量浓度为2％，水浴加热到80℃，维持1小时；待透明质酸充分溶解后，降低温度并维持在70℃，加入高锰酸钾(KMnO4)作为氧化剂，HA糖苷环单元/KMnO4摩尔比为1:0.1，持续搅拌12小时，停止反应，观察到浓度下降；采取规格为截留分子3000的透析袋透析3到5次，冷冻干燥后收率为95.2％，获得改性透明质酸。
实施例5
一种改性透明质酸的制备方法，包括如下步骤：
取0.1g透明质酸溶解在10mL蒸馏水中形成透明质酸溶液，透明质酸溶液质量浓度为1％，水浴加热到80℃，维持1小时；待透明质酸充分溶解后，降低温度并维持在60℃，加入高碘酸纳(NaIO4)作为氧化剂，HA糖苷环单元/NaIO4摩尔比为1:1，持续搅拌15小时，停止反应，观察到浓度下降；采取规格为截留分子3000的透析袋透析3到5次，冷冻干燥后收率为87.9％，获得改性透明质酸。
实施例6
一种改性透明质酸的制备方法，包括如下步骤：
取0.4g透明质酸溶解在10mL蒸馏水中形成透明质酸溶液，透明质酸溶液质量浓度为4％，水浴加热到80℃，维持1小时；待透明质酸充分溶解后，降低温度并维持在60℃，加入氯酸钾(KClO3)作为氧化剂，HA糖苷环单元/KClO3摩尔比为1:0.5，持续搅拌18小时，停止反应，观察到浓度下降；采取规格为截留分子3000的透析袋透析3到5次，冷冻干燥后收率为94.1％，获得改性透明质酸。
实施例7
采用Sigma公司透明质酸产品(NO.40583)，分子量8,000-15,000g/mol进行方案的实施(实施方案7-8采用该产品)，
一种改性透明质酸的制备方法，包括如下步骤：
取0.01g透明质酸溶解在10mL蒸馏水中形成透明质酸溶液，透明质酸溶液质量浓度为0.1％，水浴加热到80℃，维持1小时；待透明质酸充分溶解后，降低温度并维持在60℃，加入高碘酸纳(NaIO4)作为氧化剂，HA糖苷环单元/NaIO4摩尔比为1:0.3，持续搅拌21小时，停止反应，观察到浓度下降；采取规格为截留分子3000的透析袋透析3到5次，冷冻干燥后收率为91.9％，获得改性透明质酸。
实施例8
一种改性透明质酸的制备方法，包括如下步骤：
取0.3g透明质酸溶解在10mL蒸馏水中形成透明质酸溶液，透明质酸溶液质量浓度为3％，水浴加热到80℃，维持1小时；待透明质酸充分溶解后，降低温度并维持在60℃，加入氯酸钾(KClO3)作为氧化剂，HA糖苷环单元/KClO3摩尔比为1:0.8，持续搅拌24小时，停止反应，观察到浓度明显下降；采取规格为截留分子3000的透析袋透析3到5次，冷冻干燥后收率为90.5％，获得改性透明质酸。
本发明实施例制备得到的改性透明质酸，不但保留了具有亲水性的羟基，同时又引入了高反应活性的醛基，在不影响材料本身的亲水性以及生物相容性的同时，提高了材料的反应活性，为下一步透明质酸的应用奠下基础，也进一步扩大了透明质酸材料的应用价值。
以上对本发明做了详尽的描述，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种改性透明质酸，其特征在于：所述改性透明质酸的化学结构式如式(Ⅰ)所示：
其中，m为1～2000的自然数，n为1～2000的自然数，且m：n为0.1：1～1：1。
2.如权利要求1所述的改性透明质酸，其特征在于：所述m：n为0.5：1～1：1。
3.一种改性透明质酸的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：提供化学结构式如式(Ⅱ)所示的透明质酸，将透明质酸溶解在水中形成透明质酸溶液；向所述透明质酸溶液中加入氧化剂，并于40℃～70℃下搅拌发生氧化反应；所述氧化剂包括高碘酸钾、高碘酸钠、高锰酸钾、高锰酸钠、氯酸钾和氯酸钠中的至少一种；所述氧化剂与所述透明质酸的糖苷环单元的摩尔比为0.1：1～1：1；所述氧化反应完成后，将反应液透析多次，冷冻干燥后得到改性透明质酸，其化学结构式如式(Ⅰ)所示：
其中，m为1～2000的自然数，n为1～2000的自然数，且m：n为0.1：1～1：1。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述m：n为0.5：1～1：1。
5.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述氧化剂与所述透明质酸的糖苷环单元的摩尔比为0.5：1～1：1。
6.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述透明质酸溶液的质量浓度范围为0.1％～5％。
7.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述透明质酸溶液的质量浓度范围为1％～5％。
8.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述透明质酸溶解在水中形成透明质酸溶液时，水浴加热到80℃，并在该温度下维持1小时。
9.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述透明质酸溶解在pH值为6～8的水中。
10.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述搅拌时间为3～24小时。
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