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聚乙二醇(polyethylene glycol, PEG)是一種羥基聚醚,在生物醫(yī)學和工業(yè)化學中廣泛應用。PEG具有可調(diào)節(jié)的分子量和多種化學修飾方式,這使得PEG在醫(yī)藥領域的應用非常廣泛。PEG材料性能的優(yōu)良性能主要與其化學結(jié)構(gòu)特征有關(guān),本文將詳細介紹PEG的化學結(jié)構(gòu)對其材料性能的影響。
PEG的化學結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)
PEG的結(jié)構(gòu)如圖1所示,其中的“n”表示PEG的分子量,也就是氧化乙烯環(huán)聚合物的數(shù)量,根據(jù)聚合物數(shù)量的不同,PEG的分子量可以從數(shù)百到數(shù)百萬Dalton不等。PEG是一種無色、透明、易溶于水的液體,具有高度的生物相容性、低毒性和生物降解性。
PEG的化學結(jié)構(gòu)
PEG的化學結(jié)構(gòu)與溶劑特性的影響
PEG的分子量和化學修飾使其具有可調(diào)節(jié)的水溶性和溶脹行為。PEG的高度水溶性使其在藥物輸送系統(tǒng)和生物醫(yī)學設備中得到廣泛應用。PEG的分子量越大,溶解度越低,而且分子量越大,PEG在水中的凝聚力就越小。PEG的水溶性也與其積聚程度有關(guān),PEG的分子導數(shù)(Molar Volume)與聚合物大小成反比。
PEG的溶解力也為PGE特有的性質(zhì)之一。PEG在水中的溶解度受到PEG與水的分子間作用力和Solvation層的影響。PEG分子與水分子之間的相互作用是通過氫鍵作用實現(xiàn)的。PEG在水中的溶解度不僅與其分子量有關(guān),還與PEG的氧化處的位置及化學修飾有關(guān)。例如,PEG之所以具有出色的抗凝能力和生物相容性,是由于PEG表面的羥基基團極具親水性。
PEG和生物的相互作用
PEG是一種非離子性聚合物,因此與具有相似物理化學特性的生物分子分子間相互作用特別強,這也使它成為藥物輸送系統(tǒng)、生物醫(yī)學材料、生物傳感器和抗生素控釋材料的常用材料。PEG鈣離性與酶和免疫系統(tǒng)分子間的相互作用相對較弱,因此PEG在體內(nèi)能延長藥物的半衰期和保護藥物免受免疫系統(tǒng)攻擊。
PEG和生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)分子間的相互作用也主要是通過水、氫鍵作用和范德華力進行的。PEG可以調(diào)節(jié)生物內(nèi)蛋白質(zhì)和多肽藥物的結(jié)構(gòu)和功能。如,PEG共軛生物分子可以增加藥物在血液中的穩(wěn)定性。另外,PEG與細胞膜之間的相互作用還有助于降低膽固醇和脂質(zhì)的積聚,因此PEG常被用于制備合成脂質(zhì)體、核殼結(jié)構(gòu)、多肽抗體以及生物膜。
PEG的生物降解性
PEG的生物降解性主要取決于PEG的分子量,晶體結(jié)構(gòu)和PEG親水基團化學修飾情況。PEG的高分子量和封閉性促使PEG更難被生物體分解,而PEG表面的親水性和氫鍵決定了PEG的生物相容性。當PEG在體內(nèi)受到水解時,PEG被水解為二聚醚,均分子重量約為700Dalton。然后水解生成的酚類在體內(nèi)繼續(xù)代謝并被排出體外。
PEG還可以與代謝產(chǎn)物如MAO和PMP組成前體物,繼續(xù)防止藥物的代謝和降解。PEG的生物降解行為還可以根據(jù)PEG表面的親水基團和生物羧酸在酶中的結(jié)合情況進行調(diào)節(jié)。PEG的生物降解性質(zhì)提高了PEG在生物醫(yī)學領域的地位,尤其是在基因治療、干細胞研究和人工心臟等領域??偨Y(jié)一下,在生物分子和器官中,PEG的化學結(jié)構(gòu)特性對其性能產(chǎn)生了很大的影響。PEG具有可調(diào)節(jié)的水溶性、溶解力和藥物輸送功能,同時能夠減輕機體和細胞的免疫反應,促進生物降解和藥物代謝的穩(wěn)定性。