引用本文： 位曉娟, 顧其勝, 王慶生, 肖吉敏. 醫用海藻酸基衍生材料的研究進展. 中國修復重建外科雜志, 2015, 29(4): 508-512. doi: 10.7507/1002-1892.20150108 復制
目前，海藻酸基生物材料已廣泛應用于齒科印模、敷料等臨床領域，并作為天然高分子材料應用于組織工程支架的研發。近年來，隨著對海藻酸基生物材料結構和功能研究的不斷深入，發現通過化學改性、交聯等衍生化手段對材料結構進行修飾從而調整其功能，可達到克服材料本身的缺陷并引入新功能的目的，大大拓展其臨床應用范圍[1-3]。分子結構是進行衍生化修飾的基礎，精確控制反應條件可對海藻酸分子進行選擇性修飾，從而賦予其特定的結構和功能。如何實現精準控制以及衍生物在臨床上的合理應用是近年研究熱點 [4]。現對基于海藻酸分子結構的衍生物化修飾手段進行綜述分析，并結合衍生物的性質探討其潛在臨床應用領域，以期為該行業的技術創新、新產品開發提供新思路。
1 海藻酸基生物材料的衍生化基礎
海藻酸基生物材料因缺乏哺乳動物細胞識別位點，具有相對生物惰性，同時具有在二價金屬離子介導下溫和凝膠化的特性，多應用于體外細胞富集或擴增體系，可提供仿生型三維細胞生長微環境，并有效維持細胞表型，尤其適用于體外培養易去分化的細胞類型，如軟骨細胞、干細胞等。由于具有優良的吸水性和保水性且易凝膠化去除，海藻酸基生物敷料可提供良好的濕性愈創環境，用于大量出血或滲液的復雜傷情處理。此外，哺乳動物體內缺乏海藻酸降解酶，因此海藻酸基生物材料在體內存留時間較長，用于組織工程或人工器官、藥物緩釋等方面時，可提供較為長效的支架或載體。但另一方面，上述特征也存在局限性，如細胞黏附性不強、親水性過高、凝膠強度不強且易離子交換、降解過慢形成纖維包囊等，難以滿足特定臨床應用需求，這也為該材料的衍生化奠定功能需求基礎。
對海藻酸進行衍生化處理可制備不同結構和性能的衍生物，部分衍生物具有優異的藥用價值，如海藻酸雙酯具有良好的抗凝降壓、擴血管等作用而無滲血風險，已成為治療心梗、腦梗、心絞痛的常用藥物。海藻酸的糖單元上有多個活性位點，如C-2、C-3位上的-OH以及C-6位上的-COOH，均是參與改性反應的主要基團，可引入多種活性基團、側鏈或大分子，賦予其不同的結構和性能。此外，甘露糖醛酸（簡稱M單元）和古洛糖醛酸（簡稱G單元）的活性、功能以及對外界因素的敏感性也不相同，上述因素均是影響海藻酸衍生化修飾的重要因素[5-6]，也構成了衍生化反應的結構基礎（圖 1）。
圖1
海藻酸基生物材料的衍生化基礎
Figure1.
The derivation basis of alginate-based biomedical materials
2 海藻酸基生物材料的衍生化途徑
2.1 交聯衍生化反應
交聯反應是海藻酸基生物材料常用修飾手段，通常采用二價陽離子介導的離子鍵和交聯，其凝膠化條件溫和，但在體內易發生離子交換，造成凝膠結構坍塌，而且由于離子鍵和位點密集限制了分子鏈的伸展空間，影響了離子交聯海藻酸凝膠的吸水率。通過共價交聯修飾海藻酸可形成結構穩定、力學性能增加的網絡結構，在該結構中仍然保留了部分離子交聯的位點，為二次交聯提供了分子結構基礎[4, 7]。常用的共價交聯多發生在海藻酸分子的鄰位羥基上，其羧基未被占用，可以作為交換介質用于離子交換，因此許多研究中先采用離子交聯制備凝膠珠，再在堿性條件下與環氧氯丙烷進行共價交聯并逐漸置換出Ca2+，未占位的羧基則可與溶液中的二價離子發生離子鍵合使得凝膠強度增加，交聯后的海藻酸微粒在pH13、溫度0～100℃范圍內穩定存在，且對離子強度和化學介質的耐受性大大增強，復水后溶脹體積可達干態的100倍[4, 8]。
戊二醛作為雙醛基交聯劑已廣泛應用于交聯醫用材料的制備。用于海藻酸基生物材料交聯時，可通過調控交聯位點密度和長度調控衍生物的吸水性、穩定性和力學強度。交聯劑濃度是影響交聯度的關鍵因素，直接影響衍生物的理化性能，而交聯速率可調節交聯衍生物的孔隙率及孔徑，從而影響其結構和功能。研究證實[9]，交聯速率與海藻酸中M/G含量無關，但與海藻酸初始濃度、交聯劑濃度有關，分別為零級反應、二級反應，即戊二醛交聯反應對M、G單元無選擇傾向性，但隨著交聯劑濃度、分子量增加，羥基與醛基的接觸幾率增加，可顯著促進反應速率。此外，反應溫度、化學助劑也會影響交聯速率。上述結果為戊二醛用于海藻酸基醫用產品的開發提供了依據。戊二醛交聯還可用于制備pH響應性的海藻酸鹽凝膠，pH7.8時海藻酸主鏈的羧基去質子化，親水性與靜電斥力增加，凝膠網絡結構膨脹表現為溶脹態；而pH1.2時，羧基質子化產生電荷中和、溶解性降低，水分子從網絡結構中排出，進而導致分子鏈重排、凝膠收縮。戊二醛交聯的海藻酸基衍生物多用于藥物、活性因子或細胞的緩釋，也可作為支架材料用于組織工程產品的研究和制備[10]。此外，由于海藻酸分子具有大量的手性中心，因此交聯海藻酸膜還可用于多種氨基酸光學異構體的分離、純化和富集[11]。
羧基交聯可在偶聯劑的介導下發生，但偶聯劑碳化二亞胺的水不溶性導致反應體系不均勻，因此該工藝的關鍵是獲得最佳水/乙醇比例的反應體系。對海藻酸主鏈羧基活化后與二亞胺反應可形成酰胺鍵交聯的衍生物。Leone等[12]制備的酰胺鍵共價交聯海藻酸鹽水凝膠，溶脹率可達250%；流變學研究顯示該凝膠的模量值與椎間盤髓核非常相似，在1 270 Pa下還可表現出可逆的溶膠-凝膠反應，有望作為替代物應用于髓核摘除術。
2.2 硫酸化衍生化反應
天然多糖的分子結構與肝素類似，其硫酸化衍生物具有不同程度的抗凝血活性。Huang等[13]首次以氯磺酸為反應劑制備取代度為1.41的海藻酸硫酸酯，并采用活化部分凝血酶時間（activated partial thrombosis time，APTT）、凝血酶時間（thrombin time，TT）和凝血酶原時間（prothrombin time，PT）檢測其抗凝血活性。APTT檢測結果顯示海藻酸硫酸酯抗凝血活性與肝素相似，但PT檢測結果則顯示前者抗凝血活性極低，TT結果與PT類似。鑒于APTT與內源性凝血途徑相關而PT與外源性凝血途徑相關，提示海藻酸硫酸酯對內源性凝血途徑有顯著影響。
硫酸化衍生化反應是發生在海藻酸羥基上的親核取代，氯磺酸-吡啶、氯磺酸-甲酰胺是常用試劑，但常規硫酸化試劑均會導致海藻酸鹽分子鏈斷裂、分子量降低。Fan等[14]采用亞硫酸鈉和亞硝酸鈉反應制備的一種新型硫酸化試劑可有效避免上述弊端，其最佳反應條件為：pH9.0、40℃、硫酸化試劑∶糖醛酸=2∶1，最大取代度可達1.87。低取代度條件下，海藻酸鹽硫酸酯仍可與Ca2+鍵合形成水凝膠，該水凝膠與肝素結合蛋白親和識別，以啟動抗凝作用，可作為緩釋載體用于生長因子或藥物的長效緩釋，尤其適用于促血管生成緩釋載體的開發[15]。
硫酸酯基團的引入可改變分子的立體構象從而影響其性能，硫酸基團之間的靜電斥力以及形成的空間位阻效應使得分子鏈伸展性增強。若取代度過高，抗凝血活性過度活躍有出血或滲血風險，且化學結構的改變影響其理化性能，如難以與二價金屬離子形成水凝膠，反而限制了其臨床應用。向海藻酸硫酸酯引入季銨鹽側鏈，可在不引起額外分子量損失的前提下有效調節其抗凝血活性，調節效果與季銨鹽側鏈引入量成正相關。取代度、取代位點、分子量以及使用濃度等均可影響海藻酸硫酸酯的活性，作為醫用制品開發時需重點監控上述參數。
2.3 生物因子衍生化反應
海藻酸分子因缺乏與哺乳動物細胞識別位點，可有效維持細胞表型，但其應用也有局限。利用各種生物因子對其衍生化修飾后，海藻酸分子固有性能基本不受影響，同時具備了良好的細胞黏附性、細胞行為調節等功能，可開發成多種生物制品或組織工程支架材料。
細胞黏附肽修飾是常見的生物因子衍生化方法，制備的含功能性氨基肽的海藻酸基衍生物可特異性介導細胞黏附，并促進細胞增殖[16]。半乳糖化修飾是另外一種重要的生物因子衍生化方法[17]，多發生在主鏈羧基上且對M、G單元有一定選擇性，取代度較低時，衍生化反應多選擇性發生于G單元，隨著取代度的增加，M單元逐漸參與取代反應。此外，MG交替序列中G單元的反應活性高于GG序列中G單元的活性。對海藻酸進行半乳糖化取代后，所得衍生物仍保留了離子凝膠化特征，還可特異性識別并結合肝細胞表面去唾液酸糖蛋白受體，作為細胞培養載體時可顯著提高對肝細胞的包封率和黏附性，肝細胞在該凝膠基質中可聚集形成分散均勻的細胞團，而作為錨定敏感性細胞，肝細胞在體內和體外的功能活性均受細胞錨定性和聚集性的調控，聚集態的三維細胞團更利于肝細胞正常表型和功能的維持，有望用于構建人工肝。Tian等[18]制備了一種新型半乳糖化海藻酸鈉-殼寡糖微膠囊，用于肝細胞包裹研究。肝細胞在此微膠囊內自發形成球形聚集體，可有效提高肝細胞活性，促進肝細胞在微囊中分泌白蛋白以及合成尿素。此外，還有研究在海藻酸分子上接枝膠原蛋白肽，可有效改善水凝膠三維微環境的仿生功能，提高載負細胞的活性和功能，可作為組織工程支架、細胞或活性因子緩釋載體應用于臨床[19-21]。
2.4 疏水衍生化反應
海藻酸的強親水性也是影響其離子交聯水凝膠結構穩定性的主要原因之一，親水基團的存在可促進Na+-Ca2+交換，使得離子交聯凝膠快速崩解。在羧基上接枝疏水烷基長鏈可制備兩親性或疏水性海藻酸基衍生物，借側鏈基團的疏水相互作用可有效拮抗羧基間的靜電斥力，促進海藻酸分子鏈卷曲、纏結形成聚集體，提高長效緩釋效果。疏水烷基鏈越長，疏水性越強、臨界膠束濃度以及自組裝膠束尺寸越低，分子間越易聚集，在水中越容易發生自組裝形成聚集球體，可作為蛋白質藥物或疏水性藥物載體用于藥物傳遞體系。已有研究證實[22]，接枝十二烷基側鏈后的海藻酸基衍生物與Ca2+形成水凝膠微球用于牛血清白蛋白的緩釋，5 d內未檢出牛血清白蛋白釋放，其包封長效性和穩定性遠高于海藻酸鈣微球。烷基化修飾后再接枝β-環糊精，可與疏水基團形成截錐結構，通過調節疏水作用，從而實現調控緩釋作用[23]。烷基化海藻酸基衍生物水凝膠的力學性能和降解性能具備良好的可控性，可開發組織工程支架或藥物緩釋載體等醫用制品[24-25]。
2.5 接枝共聚衍生化反應
在海藻酸主鏈上接枝合成高分子聚合物不僅可增加疏水性，大分子基團的空間阻隔效應還可阻礙海藻酸大分子的快速溶解和降解，從而使包封于其中的活性分子持續釋放。多種有機高分子或天然高分子均可與海藻酸發生接枝共聚衍生化反應，一般在海藻酸單糖環的碳原子上進行，接枝共聚物的性質會影響接枝衍生物的結構和功能。聚丙烯酰胺接枝海藻酸后，其衍生物與海藻酸鈉混合并經Ca2+交聯形成大分子互穿網絡結構，可作為鹽酸地爾硫卓緩釋劑用于心血管疾病治療，緩釋速率隨海藻酸鈉及共聚衍生物含量增加而降低[26]。接枝溫敏性聚N-異丙基丙烯酰胺的海藻酸基衍生物可制備生物溫度/pH雙響應性水凝膠，該凝膠在30～35℃溶脹率顯著降低，且溶脹率隨pH值升高而逐漸增高，有望作為可注射性溫敏/pH響應產品應用于介入醫學。接枝聚N-乙烯吡咯烷酮的海藻酸衍生物也具有良好的pH敏感性，研究證明將布洛芬以戊二醛交聯封閉于該衍生物微球后，在近生理pH時釋放率最高，增加接枝率可顯著增加釋放率，良好的控釋性能使得其在藥物智能控釋體系領域具有應用潛力[27]。
3 海藻酸基衍生材料的結構與功能
上述衍生化反應中，雖然海藻酸分子主鏈序列保持不變，但三維空間構型發生改變，使得各基團或側鏈以及分子間的空間距離相互作用，影響分子鏈內部及分子鏈之間的伸展、卷曲或纏繞，并達到新的平衡。在上述構性變化以及接枝基團的共同作用下，衍生物分子的結構和功能均發生改變，部分功能消減或增強，生物活性、相容性、環境響應性和降解的可控性提高。采用1H、13C核磁共振法可為衍生物分子結構解析提供數據，但目前尚無確切表征衍生位點、序列、構型及空間結構的方法。M、G單元性質不同，衍生化反應是否有選擇性發生在特定單位、位點或序列，將直接影響產物結構和性能。序列的多樣性勢必引起衍生產物構型的多樣性，過度衍生化不僅難以達到改善海藻酸基生物材料性能的目的，反而會影響其安全性和有效性。如過度交聯可降低力學性能和溶脹性，影響細胞、藥物或因子的包封和緩釋；過度硫酸化將損失分子量和黏度，且局部滲血或出血風險增高；活性因子側鏈的過多引入會影響其離子凝膠化性能，難以為細胞生長提供穩定的三維微環境；疏水性過強則對藥物的控釋增強，但不利于細胞增殖；接枝共聚反應中使用的引發劑和聚合物均具有一定生物毒性，需嚴格控制其殘留量以降低其應用風險，簡言之，衍生化程度的控制是影響其結構和功能的關鍵因素。
由于引入了多種功能基團，海藻酸基衍生材料的功能呈現多樣性，其應用范圍得以拓展，但藥物/因子/基因等的控釋、組織工程支架材料以及人工器官等領域的應用仍是主要研究方向。多數衍生化修飾后的海藻酸理化性能和生物學性能均有改善，且可控性增加，直接表現為對包封物的控釋性顯著增加，且可因環境響應性基團的加入而產生智能應答，具有精準的靶向定位釋放功能。在海藻酸分子上引入其他功能基團，如硫酸化基團或生物活性因子等，則可使材料引入相應的活性功能，并改善界面性質，增加與細胞或因子的相互作用。海藻酸基衍生材料除用作組織工程支架、人工器官外，還可作為培養載體用于體外細胞擴增或篩選，為再生醫學提供足量種子細胞。
4 問題
近年來，隨著海藻酸基生物衍生材料在醫學領域研究的再度興起，其衍生化處理的應用基礎研究再次成為關注焦點，雖然已有許多文獻或專利報道，但仍需大量基礎研究數據為其臨床應用提供安全性支持。① 海藻酸分子序列結構及M、G含量對衍生化的影響：海藻酸分子中M、G兩種糖單元的構象和性能不同，導致MM、GG、MG等不同序列的結構和功能各異，使得海藻酸分子的空間構象和功能多樣。各種衍生化反應對M、G單元或聚單元序列有無選擇性，這種選擇性是否可調控，如何檢測或表征，目前尚無定論。② 衍生化反應的定位性和選擇性調控機制：M、G單元分別有2個羥基、1個羧基是衍生化活躍位點，如何調控特定衍生化反應僅發生在M或G單元、以及僅發生在C2-OH或C3-OH，如何對其進行表征或檢測仍是難題。對于衍生化反應位點進行準確定位并調控是分析其結構、功能以及機制的有效手段，但迄今尚缺乏系統研究。③ 衍生物的結構與功能關系研究：對海藻酸分子進行各種衍生化修飾后，結構和功能均發生變化，二者之間必然聯系是什么（如不同取代度、取代位點的功能差異），如何分析與表征，均有待研究明確。④ 衍生化前后海藻酸基生物材料的降解行為比較研究：衍生化反應可改變海藻酸分子結構和空間構象，勢必影響其固有的“生物惰性”。作為可降解醫用生物材料，其降解行為及降解產物的分析極為必要。
5 結語
除文中所述衍生化手段外，海藻酸分子還可通過其他衍生化處理制備不同結構和功能的衍生物，如氧化、乙酰化、磷酸化以及共混處理等。但無論采用何種衍生化手段，其主要目的在于保持原有優勢性能的基礎上改善結構和功能，使其更利于醫學領域應用。因此，安全性、有效性和可行性是判定衍生物適用與否的基本標準，尚需進行大量應用基礎研究分析其結構、功能和調控，為其在醫療領域應用提供風險管理依據。
目前，海藻酸基生物材料已廣泛應用于齒科印模、敷料等臨床領域，并作為天然高分子材料應用于組織工程支架的研發。近年來，隨著對海藻酸基生物材料結構和功能研究的不斷深入，發現通過化學改性、交聯等衍生化手段對材料結構進行修飾從而調整其功能，可達到克服材料本身的缺陷并引入新功能的目的，大大拓展其臨床應用范圍[1-3]。分子結構是進行衍生化修飾的基礎，精確控制反應條件可對海藻酸分子進行選擇性修飾，從而賦予其特定的結構和功能。如何實現精準控制以及衍生物在臨床上的合理應用是近年研究熱點 [4]。現對基于海藻酸分子結構的衍生物化修飾手段進行綜述分析，并結合衍生物的性質探討其潛在臨床應用領域，以期為該行業的技術創新、新產品開發提供新思路。
1 海藻酸基生物材料的衍生化基礎
海藻酸基生物材料因缺乏哺乳動物細胞識別位點，具有相對生物惰性，同時具有在二價金屬離子介導下溫和凝膠化的特性，多應用于體外細胞富集或擴增體系，可提供仿生型三維細胞生長微環境，并有效維持細胞表型，尤其適用于體外培養易去分化的細胞類型，如軟骨細胞、干細胞等。由于具有優良的吸水性和保水性且易凝膠化去除，海藻酸基生物敷料可提供良好的濕性愈創環境，用于大量出血或滲液的復雜傷情處理。此外，哺乳動物體內缺乏海藻酸降解酶，因此海藻酸基生物材料在體內存留時間較長，用于組織工程或人工器官、藥物緩釋等方面時，可提供較為長效的支架或載體。但另一方面，上述特征也存在局限性，如細胞黏附性不強、親水性過高、凝膠強度不強且易離子交換、降解過慢形成纖維包囊等，難以滿足特定臨床應用需求，這也為該材料的衍生化奠定功能需求基礎。
對海藻酸進行衍生化處理可制備不同結構和性能的衍生物，部分衍生物具有優異的藥用價值，如海藻酸雙酯具有良好的抗凝降壓、擴血管等作用而無滲血風險，已成為治療心梗、腦梗、心絞痛的常用藥物。海藻酸的糖單元上有多個活性位點，如C-2、C-3位上的-OH以及C-6位上的-COOH，均是參與改性反應的主要基團，可引入多種活性基團、側鏈或大分子，賦予其不同的結構和性能。此外，甘露糖醛酸（簡稱M單元）和古洛糖醛酸（簡稱G單元）的活性、功能以及對外界因素的敏感性也不相同，上述因素均是影響海藻酸衍生化修飾的重要因素[5-6]，也構成了衍生化反應的結構基礎（圖 1）。
圖1
海藻酸基生物材料的衍生化基礎
Figure1.
The derivation basis of alginate-based biomedical materials
2 海藻酸基生物材料的衍生化途徑
2.1 交聯衍生化反應
交聯反應是海藻酸基生物材料常用修飾手段，通常采用二價陽離子介導的離子鍵和交聯，其凝膠化條件溫和，但在體內易發生離子交換，造成凝膠結構坍塌，而且由于離子鍵和位點密集限制了分子鏈的伸展空間，影響了離子交聯海藻酸凝膠的吸水率。通過共價交聯修飾海藻酸可形成結構穩定、力學性能增加的網絡結構，在該結構中仍然保留了部分離子交聯的位點，為二次交聯提供了分子結構基礎[4, 7]。常用的共價交聯多發生在海藻酸分子的鄰位羥基上，其羧基未被占用，可以作為交換介質用于離子交換，因此許多研究中先采用離子交聯制備凝膠珠，再在堿性條件下與環氧氯丙烷進行共價交聯并逐漸置換出Ca2+，未占位的羧基則可與溶液中的二價離子發生離子鍵合使得凝膠強度增加，交聯后的海藻酸微粒在pH13、溫度0～100℃范圍內穩定存在，且對離子強度和化學介質的耐受性大大增強，復水后溶脹體積可達干態的100倍[4, 8]。
戊二醛作為雙醛基交聯劑已廣泛應用于交聯醫用材料的制備。用于海藻酸基生物材料交聯時，可通過調控交聯位點密度和長度調控衍生物的吸水性、穩定性和力學強度。交聯劑濃度是影響交聯度的關鍵因素，直接影響衍生物的理化性能，而交聯速率可調節交聯衍生物的孔隙率及孔徑，從而影響其結構和功能。研究證實[9]，交聯速率與海藻酸中M/G含量無關，但與海藻酸初始濃度、交聯劑濃度有關，分別為零級反應、二級反應，即戊二醛交聯反應對M、G單元無選擇傾向性，但隨著交聯劑濃度、分子量增加，羥基與醛基的接觸幾率增加，可顯著促進反應速率。此外，反應溫度、化學助劑也會影響交聯速率。上述結果為戊二醛用于海藻酸基醫用產品的開發提供了依據。戊二醛交聯還可用于制備pH響應性的海藻酸鹽凝膠，pH7.8時海藻酸主鏈的羧基去質子化，親水性與靜電斥力增加，凝膠網絡結構膨脹表現為溶脹態；而pH1.2時，羧基質子化產生電荷中和、溶解性降低，水分子從網絡結構中排出，進而導致分子鏈重排、凝膠收縮。戊二醛交聯的海藻酸基衍生物多用于藥物、活性因子或細胞的緩釋，也可作為支架材料用于組織工程產品的研究和制備[10]。此外，由于海藻酸分子具有大量的手性中心，因此交聯海藻酸膜還可用于多種氨基酸光學異構體的分離、純化和富集[11]。
羧基交聯可在偶聯劑的介導下發生，但偶聯劑碳化二亞胺的水不溶性導致反應體系不均勻，因此該工藝的關鍵是獲得最佳水/乙醇比例的反應體系。對海藻酸主鏈羧基活化后與二亞胺反應可形成酰胺鍵交聯的衍生物。Leone等[12]制備的酰胺鍵共價交聯海藻酸鹽水凝膠，溶脹率可達250%；流變學研究顯示該凝膠的模量值與椎間盤髓核非常相似，在1 270 Pa下還可表現出可逆的溶膠-凝膠反應，有望作為替代物應用于髓核摘除術。
2.2 硫酸化衍生化反應
天然多糖的分子結構與肝素類似，其硫酸化衍生物具有不同程度的抗凝血活性。Huang等[13]首次以氯磺酸為反應劑制備取代度為1.41的海藻酸硫酸酯，并采用活化部分凝血酶時間（activated partial thrombosis time，APTT）、凝血酶時間（thrombin time，TT）和凝血酶原時間（prothrombin time，PT）檢測其抗凝血活性。APTT檢測結果顯示海藻酸硫酸酯抗凝血活性與肝素相似，但PT檢測結果則顯示前者抗凝血活性極低，TT結果與PT類似。鑒于APTT與內源性凝血途徑相關而PT與外源性凝血途徑相關，提示海藻酸硫酸酯對內源性凝血途徑有顯著影響。
硫酸化衍生化反應是發生在海藻酸羥基上的親核取代，氯磺酸-吡啶、氯磺酸-甲酰胺是常用試劑，但常規硫酸化試劑均會導致海藻酸鹽分子鏈斷裂、分子量降低。Fan等[14]采用亞硫酸鈉和亞硝酸鈉反應制備的一種新型硫酸化試劑可有效避免上述弊端，其最佳反應條件為：pH9.0、40℃、硫酸化試劑∶糖醛酸=2∶1，最大取代度可達1.87。低取代度條件下，海藻酸鹽硫酸酯仍可與Ca2+鍵合形成水凝膠，該水凝膠與肝素結合蛋白親和識別，以啟動抗凝作用，可作為緩釋載體用于生長因子或藥物的長效緩釋，尤其適用于促血管生成緩釋載體的開發[15]。
硫酸酯基團的引入可改變分子的立體構象從而影響其性能，硫酸基團之間的靜電斥力以及形成的空間位阻效應使得分子鏈伸展性增強。若取代度過高，抗凝血活性過度活躍有出血或滲血風險，且化學結構的改變影響其理化性能，如難以與二價金屬離子形成水凝膠，反而限制了其臨床應用。向海藻酸硫酸酯引入季銨鹽側鏈，可在不引起額外分子量損失的前提下有效調節其抗凝血活性，調節效果與季銨鹽側鏈引入量成正相關。取代度、取代位點、分子量以及使用濃度等均可影響海藻酸硫酸酯的活性，作為醫用制品開發時需重點監控上述參數。
2.3 生物因子衍生化反應
海藻酸分子因缺乏與哺乳動物細胞識別位點，可有效維持細胞表型，但其應用也有局限。利用各種生物因子對其衍生化修飾后，海藻酸分子固有性能基本不受影響，同時具備了良好的細胞黏附性、細胞行為調節等功能，可開發成多種生物制品或組織工程支架材料。
細胞黏附肽修飾是常見的生物因子衍生化方法，制備的含功能性氨基肽的海藻酸基衍生物可特異性介導細胞黏附，并促進細胞增殖[16]。半乳糖化修飾是另外一種重要的生物因子衍生化方法[17]，多發生在主鏈羧基上且對M、G單元有一定選擇性，取代度較低時，衍生化反應多選擇性發生于G單元，隨著取代度的增加，M單元逐漸參與取代反應。此外，MG交替序列中G單元的反應活性高于GG序列中G單元的活性。對海藻酸進行半乳糖化取代后，所得衍生物仍保留了離子凝膠化特征，還可特異性識別并結合肝細胞表面去唾液酸糖蛋白受體，作為細胞培養載體時可顯著提高對肝細胞的包封率和黏附性，肝細胞在該凝膠基質中可聚集形成分散均勻的細胞團，而作為錨定敏感性細胞，肝細胞在體內和體外的功能活性均受細胞錨定性和聚集性的調控，聚集態的三維細胞團更利于肝細胞正常表型和功能的維持，有望用于構建人工肝。Tian等[18]制備了一種新型半乳糖化海藻酸鈉-殼寡糖微膠囊，用于肝細胞包裹研究。肝細胞在此微膠囊內自發形成球形聚集體，可有效提高肝細胞活性，促進肝細胞在微囊中分泌白蛋白以及合成尿素。此外，還有研究在海藻酸分子上接枝膠原蛋白肽，可有效改善水凝膠三維微環境的仿生功能，提高載負細胞的活性和功能，可作為組織工程支架、細胞或活性因子緩釋載體應用于臨床[19-21]。
2.4 疏水衍生化反應
海藻酸的強親水性也是影響其離子交聯水凝膠結構穩定性的主要原因之一，親水基團的存在可促進Na+-Ca2+交換，使得離子交聯凝膠快速崩解。在羧基上接枝疏水烷基長鏈可制備兩親性或疏水性海藻酸基衍生物，借側鏈基團的疏水相互作用可有效拮抗羧基間的靜電斥力，促進海藻酸分子鏈卷曲、纏結形成聚集體，提高長效緩釋效果。疏水烷基鏈越長，疏水性越強、臨界膠束濃度以及自組裝膠束尺寸越低，分子間越易聚集，在水中越容易發生自組裝形成聚集球體，可作為蛋白質藥物或疏水性藥物載體用于藥物傳遞體系。已有研究證實[22]，接枝十二烷基側鏈后的海藻酸基衍生物與Ca2+形成水凝膠微球用于牛血清白蛋白的緩釋，5 d內未檢出牛血清白蛋白釋放，其包封長效性和穩定性遠高于海藻酸鈣微球。烷基化修飾后再接枝β-環糊精，可與疏水基團形成截錐結構，通過調節疏水作用，從而實現調控緩釋作用[23]。烷基化海藻酸基衍生物水凝膠的力學性能和降解性能具備良好的可控性，可開發組織工程支架或藥物緩釋載體等醫用制品[24-25]。
2.5 接枝共聚衍生化反應
在海藻酸主鏈上接枝合成高分子聚合物不僅可增加疏水性，大分子基團的空間阻隔效應還可阻礙海藻酸大分子的快速溶解和降解，從而使包封于其中的活性分子持續釋放。多種有機高分子或天然高分子均可與海藻酸發生接枝共聚衍生化反應，一般在海藻酸單糖環的碳原子上進行，接枝共聚物的性質會影響接枝衍生物的結構和功能。聚丙烯酰胺接枝海藻酸后，其衍生物與海藻酸鈉混合并經Ca2+交聯形成大分子互穿網絡結構，可作為鹽酸地爾硫卓緩釋劑用于心血管疾病治療，緩釋速率隨海藻酸鈉及共聚衍生物含量增加而降低[26]。接枝溫敏性聚N-異丙基丙烯酰胺的海藻酸基衍生物可制備生物溫度/pH雙響應性水凝膠，該凝膠在30～35℃溶脹率顯著降低，且溶脹率隨pH值升高而逐漸增高，有望作為可注射性溫敏/pH響應產品應用于介入醫學。接枝聚N-乙烯吡咯烷酮的海藻酸衍生物也具有良好的pH敏感性，研究證明將布洛芬以戊二醛交聯封閉于該衍生物微球后，在近生理pH時釋放率最高，增加接枝率可顯著增加釋放率，良好的控釋性能使得其在藥物智能控釋體系領域具有應用潛力[27]。
3 海藻酸基衍生材料的結構與功能
上述衍生化反應中，雖然海藻酸分子主鏈序列保持不變，但三維空間構型發生改變，使得各基團或側鏈以及分子間的空間距離相互作用，影響分子鏈內部及分子鏈之間的伸展、卷曲或纏繞，并達到新的平衡。在上述構性變化以及接枝基團的共同作用下，衍生物分子的結構和功能均發生改變，部分功能消減或增強，生物活性、相容性、環境響應性和降解的可控性提高。采用1H、13C核磁共振法可為衍生物分子結構解析提供數據，但目前尚無確切表征衍生位點、序列、構型及空間結構的方法。M、G單元性質不同，衍生化反應是否有選擇性發生在特定單位、位點或序列，將直接影響產物結構和性能。序列的多樣性勢必引起衍生產物構型的多樣性，過度衍生化不僅難以達到改善海藻酸基生物材料性能的目的，反而會影響其安全性和有效性。如過度交聯可降低力學性能和溶脹性，影響細胞、藥物或因子的包封和緩釋；過度硫酸化將損失分子量和黏度，且局部滲血或出血風險增高；活性因子側鏈的過多引入會影響其離子凝膠化性能，難以為細胞生長提供穩定的三維微環境；疏水性過強則對藥物的控釋增強，但不利于細胞增殖；接枝共聚反應中使用的引發劑和聚合物均具有一定生物毒性，需嚴格控制其殘留量以降低其應用風險，簡言之，衍生化程度的控制是影響其結構和功能的關鍵因素。
由于引入了多種功能基團，海藻酸基衍生材料的功能呈現多樣性，其應用范圍得以拓展，但藥物/因子/基因等的控釋、組織工程支架材料以及人工器官等領域的應用仍是主要研究方向。多數衍生化修飾后的海藻酸理化性能和生物學性能均有改善，且可控性增加，直接表現為對包封物的控釋性顯著增加，且可因環境響應性基團的加入而產生智能應答，具有精準的靶向定位釋放功能。在海藻酸分子上引入其他功能基團，如硫酸化基團或生物活性因子等，則可使材料引入相應的活性功能，并改善界面性質，增加與細胞或因子的相互作用。海藻酸基衍生材料除用作組織工程支架、人工器官外，還可作為培養載體用于體外細胞擴增或篩選，為再生醫學提供足量種子細胞。
4 問題
近年來，隨著海藻酸基生物衍生材料在醫學領域研究的再度興起，其衍生化處理的應用基礎研究再次成為關注焦點，雖然已有許多文獻或專利報道，但仍需大量基礎研究數據為其臨床應用提供安全性支持。① 海藻酸分子序列結構及M、G含量對衍生化的影響：海藻酸分子中M、G兩種糖單元的構象和性能不同，導致MM、GG、MG等不同序列的結構和功能各異，使得海藻酸分子的空間構象和功能多樣。各種衍生化反應對M、G單元或聚單元序列有無選擇性，這種選擇性是否可調控，如何檢測或表征，目前尚無定論。② 衍生化反應的定位性和選擇性調控機制：M、G單元分別有2個羥基、1個羧基是衍生化活躍位點，如何調控特定衍生化反應僅發生在M或G單元、以及僅發生在C2-OH或C3-OH，如何對其進行表征或檢測仍是難題。對于衍生化反應位點進行準確定位并調控是分析其結構、功能以及機制的有效手段，但迄今尚缺乏系統研究。③ 衍生物的結構與功能關系研究：對海藻酸分子進行各種衍生化修飾后，結構和功能均發生變化，二者之間必然聯系是什么（如不同取代度、取代位點的功能差異），如何分析與表征，均有待研究明確。④ 衍生化前后海藻酸基生物材料的降解行為比較研究：衍生化反應可改變海藻酸分子結構和空間構象，勢必影響其固有的“生物惰性”。作為可降解醫用生物材料，其降解行為及降解產物的分析極為必要。
5 結語
除文中所述衍生化手段外，海藻酸分子還可通過其他衍生化處理制備不同結構和功能的衍生物，如氧化、乙酰化、磷酸化以及共混處理等。但無論采用何種衍生化手段，其主要目的在于保持原有優勢性能的基礎上改善結構和功能，使其更利于醫學領域應用。因此，安全性、有效性和可行性是判定衍生物適用與否的基本標準，尚需進行大量應用基礎研究分析其結構、功能和調控，為其在醫療領域應用提供風險管理依據。
