环境友好高分子材料——海藻酸钠的性质与应用

摘要

海藻酸钠是一种从海藻中提取出的多糖钠盐，具有良好的生物相容性和生物可降解性。海藻酸钠与钙离子交联形成凝胶的特性，也使得海藻酸钠有着比一般环境友好高分子更多的应用环境。海藻酸钠在生物医药、食品和日用化工方面都有着广泛的应用，是一种良好的环境友好高分子材料。

关键词：海藻酸钠；凝胶；环境友好高分子

1前言

近几年，随着世界的发展，人们对于石油资源的需求越来越大，随之而来的资源短缺和环境污染等问题也凸显出来。自然而然的，人们开始将目光转向了地球上巨大的宝库——海洋。海洋占了地球71%的面积，人类还远远没有开发出其中巨大的价值，但就现有的一些发现，就给人们带来了极大的帮助。海藻酸盐就是其中之一。

海藻酸是从海带或海藻中提取的一种天然多糖类化合物，是β-D-甘露糖醛酸(M)和α-L-古罗糖醛酸(G)通过糖苷键连接形成的一类线性无规链状阴离子聚合物[1]，结构式如图1所示。海藻酸中羧基上的氢易被Na+、a2+等金属阳离子所取代，形成相应的海藻酸钠、海藻酸钙等等。其中海藻酸钠（Sodium alginate，SA）由于其良好的生物相容性和可加工性能，在海藻酸盐中的应用最为广泛。

图1 海藻酸结构式

2海藻酸钠的性质及制备工艺

2.1 海藻酸钠的理化性质

海藻酸钠溶液是一种典型的高分子电解质溶液，在纯水中，低浓度的海藻酸钠Nsp/C值将随海藻酸钠浓度的降低而升高，所以在测定其特性粘数[η]时需要加入无机盐类保持一定的离子强度，国内不同厂家生产的海藻酸钠[η]值从4.386~6.865不等，平均相对分子质量从(2.19~3.43)x105不等，G/M值从0.2~1.0不等，动力黏度从35±0.7到103±12(n=4)不等，海藻酸钠溶液的浓度和黏度没有线性关系，而黏度取对数后与浓度作线性回归，线性关系较好[2]。钙离子浓度对海藻酸钠溶液的特性粘数有影响，高分子电解质溶液的黏度特性与非电解质高分子溶液的黏度也有所不同，浓度较小时，电离度大，大分子链上电荷密度增大，链段间的斥力增加，电离度下降，斥力减小，分子链蜷曲，黏度也就下降。G/M 是海藻酸钠分子中古罗糖醛酸(G)和甘露糖醛酸(M)的比值，海藻酸钠作为缓释制剂的载体，其G/M值影响缓释作用，因此有较重要的意义。有文献报道，用核磁共振可定量测定海藻酸钠的G/M值[3]。

2.2 海藻酸钠的交联

2.2.1 离子交联

二价阳离子如Ca2+、Ba2+、Sr2+极易与海藻酸古洛糖醛酸上的羧基发生静电相互作用，形成乳白色的水凝胶。但海藻酸与二价金属离子的水凝胶反应是可逆的，二价离子很容易与水凝胶周围介质环境中的离子(如Na+、Mg2+等)发生交换，而且这一过程很难控制也无法避免，因而此类水凝胶在生理介质环境中易溶解，失去水凝胶特性，这在一定程度上限制了海藻酸盐水凝胶的应用。尽管Cu2+、Pb2+、Cd2+、Co2+、Ni2+、Zn2+和Mn2+也都能与海藻酸键合形成水凝胶，而且Cu2+、Pb2+的键合能力比Ca2+强，但是由于这些阳离子具有一定毒性而限制了在医学领域的应用。因此，海藻酸盐作为医药及组织工程材料使用时通常选用Ca2+作为交联剂[4]。

当Ca2+和海藻酸形成水凝胶时，Ca2+与G片段上的多个氧原子发生螯合作用（其中一个单元的羧基氧和该单元的O-5、连接两单元的氧原子、另一单元上的O-2和O-3），使得海藻酸链间结合得更加紧密，协同作用更强，链链间的相互作用最终将会导致三维网络结构即水凝胶的形成。在此三维网络结构中，Ca2+像鸡蛋一样位于蛋盒中，与G嵌段形成了“蛋盒"结构（如图2所示）[5]。

图2 海藻酸钙的“蛋盒”结构

2.2.2 化学交联

与离子交联相比较，化学交联海藻酸盐水凝胶为不可逆体系，不存在离子交换海藻酸盐水凝胶那样由于可逆的离子交换反应，而在力学性能和降解速率上表现出不可控性的缺点[6]；同时，化学交联时可以根据使用要求选用不同的交联分子精确控制凝胶的交联密度、溶胀度，从而获得力学性能稳定的水凝胶。需要注意的是添加的交联剂分子通常具有毒性，形成水凝胶后应彻底清除以避免植入体内后对细胞以及组织的毒害作用。

海藻酸盐上有羧基活性基团，可以同二胺，二肼类物质例如己二酰二肼、聚乙二醇-二胺发生交联反应，通过-NH2和COO-的脱水缩合反应形成酰胺键，从而得到稳定的海藻酸钠共价交联水凝胶。这种凝胶过程在数小时内完成；凝胶无色透明、含水率高、柔软，经冷冻干燥后呈层状结构，吸水后变得透明。通过采用活化体系(诸如EDC/NHS体系)来提高交联速率，使凝胶速率加快[7]。

2.3 海藻酸钠的制备工艺

首先将原料海藻以水洗净，除去附着的盐分和夹杂物，切成细丝。然后以低浓度的酸性溶液浸泡，除去盐类及可溶性蛋白质等水溶性成分。加热到40～50℃，加入碳酸氢钠，使海藻膨化成黏稠状，此时反应pH值约为12，海藻酸钙转化成海藻酸钠。反应生成的碳酸钙析出沉淀。分离出的海藻酸钠加水稀释，过滤、漂白后，加少量硫酸使凝胶沉淀，将凝胶置心机分离，除去可溶性成分后，将其混悬于甲醇中，加入氢氧化钠或碳酸钠中和，可得海藻酸钠，用压榨法除去甲醇，干燥、粉碎即可[8]。

3海藻酸钠的应用

3.1 生物医药方面的应用

3.1.1 海洋活性药物的应用

海洋活性药物，是利用从各种海洋生物中提取出的具有生物活性的化合物所开发出来的新型药物。而海藻酸钠作为从海藻中提取出的一种天然多糖，正是可以用于开发海洋活性药物的新对象。用海藻酸钠可开发抗肿瘤、抗病毒、抗放射、抗衰老、抗心脑血管疾病的海洋药物[9]。心脑血管药物藻酸双酯钠（PSS）是从海带等海藻中分离提取的海藻酸钠，经化学修饰组成的一种半合成的多糖硫酸酯。它具有明显的抗凝血、降低血粘度、降低血脂、抑制红细胞和血小板聚集，以及改善微循环的作用。PSS治疗缺血性心脑血管疾病总有效率达91%-98%[10]。

（1）降胆固醇、血糖的作用：海藻酸钠可在胃酸的作用下，转变为海藻酸，促进胆固醇的排泄，起到膳食纤维的作用。Kimura[11]等对Wistar大鼠灌胃胆固醇后，再灌胃海藻酸钠溶液，测定大鼠粪便中胆固醇的含量以及血液中葡萄糖和胰岛素含量，发现海藻酸钠可降低胆固醇的吸收，同时可降低血糖含量。另有研究者将海藻酸钠用于治疗肥胖病，发现其能有效地减少人体对胆固醇和葡萄糖的摄入[12]。

（2）免疫抑制作用：Mirshafiey[13]等以牛血清白蛋白诱导的肾小球。肾炎为模型，考察了海藻酸钠对此病理模型的治疗作用，发现海藻酸钠可以减少蛋白尿，抑制基质金属蛋白酶-2(matrix metalloproteinase-2，MMP-2)的活性和抗体的产生，抑制了肾小球病变的发展，具有免疫抑制作用。

（3）抗炎作用：海藻酸钠可与吞噬细胞表面的CD-44和TLR-2受体结合，抑制肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor α，TNF-α)、白介素-1(interleukin-1，IL-1)和白介素-6(interleukin-6，IL-6)等炎症因子的产生，将其应用于眼部可起到抗炎作用[14]。