综述 1.1中药与重金属 中药是中华民族的瑰宝。中草药以其悠久的历史,显著的药效,独特的治疗机理, 相对较小的毒副作用等优点越来越受全世界人类的青睐和重视。 我国中草药资源丰富,种类繁多,全国每年的中药产业总产值高达近千亿元,且仍 在迅速增长,是我国具有巨大发展潜力的产业代表。但是中草药在世界医药市场上却仅 占有5%的份额,从未真正进入主流市场,中草药在世界范围内的发展遇到巨大障碍。 此外,虽然我国为中药大国,但是我国95%的医药产品都是仿制国外品种,缺乏自主研 发的新药,中药现代化因而被列入国家“十五”计划中的重点研究项目。但是随着现代 社会的环境污染日益严重,又由于中草药的栽培种植、炮制加工、运输储存等过程的复 杂性和不规范性,中药产品质量难以保障,中草药的污染日渐引起人们的关注。其中, 最为严重的污染之一就是中药材中重金属的污染【l捌。 1.1.1重金属中毒机理 重金属一般包括铅(Pb)、汞(Hg)、镉(Cd)、铬(cr)、砷(As)等。重金 属离子进入生物体后,会对生物体的正常生理功能和代谢功能造成不同程度的干扰和损 害,从而使生物体表现为中毒现象,严重时甚至死亡卜7。。 目前对重金属的毒性机理最有说服力的解释是,进入生物体内的重金属离子与生物 体内的生物大分子(蛋白质,核酸,酶等)的活性点位或一些非活性点位发生作用,进 而影响了生物大分子的正常生理机能。生物体中的许多生理过程都需要金属离子的参 与,它们通常要与机体中生物分子的活性点位结合才能发挥正常的生理功能,如植物叶 绿体中的镁离子,人类及动物血红蛋白中的铁离子等。当外来重金属离子进入生命机体 后,与机体中的生物活性分子结合,占据了原来在机体内起辅机作用的金属离子的结合 位,或者与起辅机作用的金属离子发生置换,而改变了活性位的构象,使生物分子活性 减弱甚至失活,从而导致中毒…51。某些重金属离子进入生物体后,机体中某些含有N, O,S等原子的活性官能团很容易与这些离子发生配位结合。例如Cd2+与机体中的金属 硫蛋白有很强的配合作用。Cd2+进入生物体后能够取代肝脏乙醛脱氢酶(L岫H)中锌 离子的位置,与S原子发生配合作用,形成Cd.UmH【l 61。同时Cd2+还能取代Ca2+在PARV 中的位置,与其中的O原子发生配合作用,形成Cd.P√6妊W。Cd与Zn位于同一副族, 具有相似的化学性质,且Cd与Ca的离子半径相差很小,这些因素都促进了Cd对相应 金属离子的置换。由于cd2+配合基的多样性,在适宜的环境中,许多机体内必需元素的 活性结合点位都能与Cd2+发生作用,当配位基中的s原子增多时,缔合常数也随之增加 【171。 第一章文献综述 重金属离子除了可以通过与起辅机作用的金属离子发生置换,改变生物分子构象, 从而使机体中毒外,还会通过影响其它必需离子的运输,进而影响离子在机体中的生理 平衡,使机体表现出中毒现象。从体外摄入的铁离子必须要通过细胞上的膜蛋白的运输 才能进入细胞质内。DMTl是运输铁离子的膜蛋白中的一种,在低pH条件下对铁离子 表现出最佳的运输性能。但是DMTl对离子的选择性很差,在接收铁离子的同时还会接 收其它离子,包括有害的重金属离子,如Cd2+。这样铁离子的运输通道被Cd2+占据,就 导致了细胞质中铁离子浓度失衡,表现为机体中毒【18’191。 中药中重金属的污染已引起了人们的广泛关注,因此,目前急待开发一种绿色高效 的中药中的重金属脱除技术。 1.1.2中药中重金属脱除技术研究进展 控制中药中重金属的措施,一是通过净化中草药生长的外部环境,从源头杜绝重金 属的污染,控制重金属含量达到国家规定标准。二是在中药材的炮制加工、制剂、存储、 运输过程中,要保证生产操作严谨规范,严格控制重金属外源性污染。但是从源头上完 全杜绝重金属污染难度大、周期长,在较短时间内无法满足国内外市场对合格中药产品 的需求。因此,这就需要开发一些针对性的方法与技术,对中药中的重金属进行高效快 捷的脱除。目前,重金属的脱除技术主要包括高速离心技术、絮凝沉淀技术、超滤、微 滤技术、超临界流体萃取技术以及大孔树脂技术、吸附技术等【20川。 1.1.2.1高速离心法 高速离心法主要是通过离心设备的高速旋转,产生巨大的离心加速度,使中药提取 液中的杂质迅速沉降,与药效成分得以分离。此种方法操作简单,节省时间,所得药液 澄清,适合药液的初步提纯。高速离心法与水醇法相比,其制得的口服液产品药效成分 损失较少,产品色泽较好。此方法能够进行高效的固液分离,但并不能脱除离子状态的 重金属。 1.1.2.2超滤、微滤技术 中药药材成分及其复杂,不同成分之间的相对分子质量相差极大,其中具有高相对 分子质量的无效成分,使药效成分的浓度降低,服用者的服用负担加重。容易变质的无 效成分使中药产品的保质期缩短,储存困难,造成药效成分的严重浪费,而且无效成分 中含有的重金属对药剂产品造成严重污染。超滤、微滤技术是一种脱除中药中大分子无 效成分的有效方法。 于涛等【22】通过超滤技术精制提取银杏叶中黄酮类化合物,超滤后产品中黄酮含量增 加近6倍,效果显著。许桂艳等【23】应用超滤膜分离技术生产双黄连注射液,经破坏性实 验、留样观察、加速实验证明,同传统的生产工艺相比,膜分离技术具有操作简单、效 率高、能耗低等优点。高红宁等【24】用无机陶瓷微滤膜对苦参水提液进行微滤。苦参水提 液中的固态杂质去除率为39.50%,氧化苦参碱和苦参总黄酮的保留率分别为79.72%和 77.23%。 第一章文献综述 1.1.2.3絮凝沉淀法 絮凝沉淀法是通过向药液中加入适量的絮凝剂,使之与药液中杂质或有害成分发生 相互用,形成沉淀,从而达到对药效成分提纯精制的目的。絮凝剂的种类繁多,其中壳 聚糖由于其来源广泛,价格低廉,且具有良好地生物相容性和降解性,被认定为最有前 途的絮凝材料。 程红霞等【z5J研究了壳聚糖对中药水提液中铅、镉、铜等重金属残留的吸附特性,发 现壳聚糖对大青叶、茯苓、黄芪、元胡、酸枣仁、柴胡、桔梗等中药水提液中铜和铅有 很好的去除效果,吸附率达90%以上,对镉的吸附能力较差。潘育方等【26】利用壳聚糖吸 附处理川芎、巴戟天的水煎液,结果发现经壳聚糖吸附后的药液中砷、铬、铜的含量均 有一定程度的下降,而且不会影响药材中的药效成分。张彤等【2‘7】用壳聚糖作为絮凝剂来 精制中药水提液,同时研究了其对重金属元素铅的影响,认为澄清工艺去除杂质是由于 壳聚糖的吸附架桥作用,壳聚糖含有游离胺基,对重金属离子有较强螯合作用,尤其是 对铅元素有较好的去除作用。 1.1.2.4超临界流体萃取 超临界流体萃取(嗣删廿cal蹦d味的晚on)是一种较为新型的分离技术。它是通 过向药液中加入适当的配位基,与药液中的重金属离子结合形成配合物,进而实现药效 成分与重金属离子的分离。国外对超临界CO:配合萃取技术研究开展较早,20世纪90年代 初,I.aintz等就首先进行了采用双(三氟乙基)二硫代氨基甲酸盐(FDDC)超临界配合萃取 铜离子的研究,并取得了良好效果。此后,有关使用超临界流体萃取法脱除重金属子的 研究成果不断出现,超临界流体萃取技术获得空前发展。 崔洪友等【28】以二乙基二硫代氨基甲酸二乙铵为络合剂,研究了温度、压力、萃取时 间和携带剂(乙醇)用量等因素的影响,发现主要因素是适宜的萃取温度和萃取时间,压 力和携带剂用量的增加有利于加快对微量重金属的萃取速度。李琼等【29J以二乙基二硫代 氨基甲酸钠作为配合剂,乙醇为夹带剂,设计正交试验,采用ICP.MS测定橘红中Cu、 As、Pb的量。结果表明,在适当条件下,萃取后重金属含量可达到美国FDA标准。 1.1.2.5大孔树脂脱除技术 大孔树脂由于自身的多孔骨架结构,使其具有良好地吸附性能,尤其是对水溶液中 重金属污染物的去除有着明显作用。此外,对于一些中药水提液中的重金属超标,也可 用大孔树脂进行处理。 王先良等【301利用大孔螯合树脂D1401和D402对中药粗提物中超标重金属进行处理, 处理后的Hg和As的含量已低于检出限,并且处理后该中药粗提物的主要有效成分类 黄酮的量变化很小。梁贺升等【3l】探讨D001、Dll3和D7513种大孔树脂对葛根、毛冬青、 乌药和苦参4种中药水煎液中模拟超标的铅、铜和镉离子的脱除效果,结果发现4种中 药水煎液经3种大孔树脂处理后,铅、铜和镉含量都普遍降低。可认为D001、D1 13与 D75l都能够显著脱除4种中药水提取液中的铅、铜和镉,尤其对镉的脱除效果最好。 第一章文献综述 1.2仿生技术 仿生学是近年兴起的一门新型交叉学科。仿生的英文名字是BioIlics。众所周知, 动植物自身的某些功能,在现实中超越了人类在此方面的设计。在漫长的自然进化过程 中,动植物对自然环境的适应程度堪称完美。仿生学试图在技术方面模仿动物和植物在 自然中的功能。 仿生学一词最早是在1960年由美国人斯蒂尔(JaCk Ellwood St耐e)提出的,他认为: 仿生学是研究模仿生物系统方式,或是以具有生物系统特征的方式,或是以类似于生物 系统方式的系统科学。现在将仿生学定义为研究生物系统的结构、性状、原理、行为以 及相互作用从而为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成的技术科学【3到。 仿生学属于生物科学与技术科学之间的边缘学科,它涉及多种学科领域。仿 生技术通过研究具有特定功能的生物系统,创建模型,进而实现技术上的模拟。 由于仿生技术是一门很难划清边界的交叉学科,可以涉及所有的技术领域和大多数应用 领域,所以很难将其准确分类。根据目前的研究现状,可以将其归纳为以下几个方面 【33爿】。 结构仿生是通过研究生物系统的外部或内部组织结构和运作方式,设计类似的装 置,来实现相似的功能。例如,通过系统研究鸟类及昆虫的飞行机理,为飞行器设计提 供了重要理论依据【35】:通过研究水生动物皮肤形态,揭示其快速游动、灵活转弯的机理, 为舰艇设计提供新思路【361。 1.2.2功能仿生(F城cti伽试BioIlics) 功能仿生就是使人工系统具备生物体的某些特定的功能,如感知、运动等。例如, S妇iv舔姐等对蚱蜢的凝视机理进行了研究,制定出了物体范围确定方法;通过研究猫 眼在夜晚能够看清猎物的性质,发现猫眼视网膜上有一层圆柱细胞,能够感受夜间的光 觉,进而发明了微光夜视仪【37’3引。 1.2.3材料仿生(M砷edal BioIlicS) 材料仿生是指通过研究生物体的材料结构和形成机制,以生物系统为模板,进行材 料的设计与制作【39,柏】。例如,通过研究骨、牙齿等生物组织的材料结构及矿化机理,仿 生合成钙磷酸盐系统材料,应用于应组织的缺损修复和再生【41粥】;通过研究蚕、蜘蛛 的吐丝机制开发了不同人造纤维的纺丝技术,进而又根据生物纤维的吸湿性、透气 性等实用性能开发出多种新型纤维【44,451。 第一章文献综述 1.2.4力学仿生(Mech觚ic BiolliCs) 力学仿生主要是研究模拟生物体组织结构本身或与环境之间的静力学和动力学性 质,进而将其应用于其他领域。瑞士生物学家施威德勒(Schw朗d如盯)早在19世纪就 已对谷类植物的茎杆做出了分析,发现草茎和树干与高耸的建筑物经受的荷载种类相 似,但却有着不同的弹性和稳定条件;人们根据树干底部的木质细胞在树干受挠曲时承 受压应力,同时缓解应力集中的特点,制定了轻型建筑建造原则M引。 1.2.5控制仿生(BioIlic CoIltr01) 控制仿生是指通过阐述生物体的自动控制及运行机理,开发具有相近功能的智能系 统。例如,海豚利用自身独特的超声波定位功能,能准确发现并定位3000米之外的物 体;蝙蝠利用自身的超声波定位系统可以准确的分辨并躲避直径O.1毫米的障碍物,而 且多只蝙蝠之间不会相互干扰;通过对昆虫低级神经系统的模仿,使机器人通过简单动 作的有序组合,完成自身的复杂活动。生物体这些特有的功能及运行模式,对于侦测系 统开发技术的发展具有重大意义I钞”J。 1.3仿生材料 自然界中的生物经过45亿年的物竞天择,适者生存的进化,大都具有微观复合、 宏观完美的结构,其结构和功能达到了近乎完美的程度f521。受生命体特殊结构、功能和 生化工程的启示,以自然原理为指导,来进行设计合成一些特殊的有机、无机或有机一 无机杂化材料,已成为当今化学、物理学、材料学、 焦点之一【53巧9】。 仿生材料是指通过模拟生物体的组织结构模式和运作方式开发出的人工材料。目 前,伴随现代相关关键技术的突破,仿生材料的研究取得了重大发展,目前正逐步形成 新的科研领域。 力学、生命学等学科重点关注的 仿生材料具有自我修复,自我适应,功能多样化等特殊性能,因此成为材料学领域 的研究热点。目前,仿生材料的研究主要集中在以下五种。 1.3.1羟基磷灰石/胶原类骨仿生复合材料 羟基磷灰石(Hydroxyap撕te,Ⅲ心)的化学成分和组织结构与骨矿物质十分相似,又 由于其具有化学稳定系、生物相容性、非炎性、无致免疫性和引导成骨的作用,主要被 用作天然骨组织的替代品应用于生物医药工程领域【60'6l】。但是使用单纯的无机组分合成 的仿骨材料,尤其是高孔隙度的材料,具有强度低、易碎等缺点,其在临床医学上的应 用受到很大程度的限制。 从组成方面讲,天然的骨组织细胞外基质(ECM)实际上是由I形胶原纤维和拉长 的板状羟基磷灰石通过自组装形成的复合材料。因此,为了克服单纯的无机仿骨材料强 第一章文献综述 度低,易碎等缺点,高密度,多孔型的羟基磷灰石/胶原类(弛垤/C01)仿骨复合材料的 研究受到广泛关注。冷冻干燥法是HAP/Col仿骨复合材料的典型制备方法,用此方法制 备的复合材料可以达到80‰99%的孔隙率,能够满足细胞浸润、营养输送、血管形成以 及组织再生等生命活动的需求;而且,通过调节冷冻温度和胶原浓度可以控制材料的孔 隙率,.孔径尺寸和孔的形状。 HAP/Col仿骨复合材料的力学性能主要是通过研究其无侧限抗压强度来确定,但是 不同材料之间由于羟基磷灰石的孔隙率,孔径,形态和构造方式的不同,存在较大差异。 通常HAP/Col仿骨复合材料材料的固有表观压缩模量在1.150 kPa之间,至今报道过的 m廿/Col仿骨复合材料的最大压缩模量为280 kPa。目前对HA的重量分率、形态和 HAP/Col复合材料力学性能之间的关系仍缺乏一个系统的评价机制【621。 zhai等【63;将适量O.1M的CaC眨和O.1M的NaH2P04溶液加入到重组人胶原溶液, 用NaOH调节pH值为7.O,24h后,通过离心法获得沉淀并用去离子水洗去盐成份,冷 冻干燥后进行检测。研究发现,矿化的胶原纤维平行对齐排列,纳米HA晶体的c轴沿 胶原纤维纵轴生长,这种自组装复合材料对于骨修复的临床应用有更大的潜力。晒m【删 用在40℃下制备的明胶硝酸钙及明胶磷酸氢铵溶液混合,保持pH值在10—10.6之间, Ca/】降1.67,40℃搅拌24h,然后在.20℃下冷冻干燥72ll’再在体积比为9:1的丙酮.水溶 液中用碳化二亚胺进行交联处理,最后将样本洗涤干燥,得到纳米复合材料。此法制得 的纳米复合物与传统方法相比显示了较好的生物相容性。 1.3.2碳酸钙/壳聚糖(CS)三维仿生复合材料 在自然界中,某些生物系统能够自主有效的设计和制造出陶瓷类高分子聚合材料, 如珍珠层、牙齿等,其所具有的特殊性能远超过现代技术所合成的某些类似材料。珍珠 层是一类有机.无机复合材料,其中95%为无机组分碳酸钙,其余5%的有机组分为蛋白 质和几丁质,无机相和有机相之间形成层状结构,定向排布。此种生命系统受到研究者 的广泛关注【65闹。 Wein盯和Addadi【67】在蟹壳中提取出一类可溶性的酸性蛋白质,此种蛋白质存在于 碳酸钙和高分子有机质几丁质之间,其对碳酸钙在几丁质上的成核和结晶具有重要作 用。壳聚糖作为为几丁质的主要衍生物,被广泛应用于仿生复合材料的合成中。Kat0【6M 研究发现在壳聚糖膜表面通过不同的酸性可溶性高分子诱导,可形成不同晶型的碳酸 钙,同时可控制碳酸钙层的厚度和数目,制备出层状复合薄膜;同时还发现在碳酸钙悬 浮液中加入M矿会使薄膜表面更加平滑。