分析Techniques-Sci Forschen

全文

研究文章
線性和化學交聯玻尿酸的表征使用各種分析技術，包括FTIR, ESI-MS, H1 NMR和SEM

穆罕默德Al-Sibani1 *艾哈邁德Al-Harrasi2Reinhard HH Neubert3.

1尼茲瓦大學生物科學和化學係科學和藝術學院，尼茲瓦，阿曼蘇丹國
 2尼茲瓦大學自然和醫學研究中心，尼茲瓦，阿曼蘇丹國，Birkat Al-Mouz
 3.馬丁-路德大學應用皮膚藥物研究所，哈爾-維滕貝格，德國哈爾

*通訊作者:Mohammed Al-Sibani，尼茲瓦大學生物科學與化學係科學與藝術學院，阿曼蘇丹國尼茲瓦616電子郵件:sibanimm@unizwa.edu.om

摘要

作品簡介:透明質酸(HA)是一種高分子量高分子聚合物，在化妝品和人體醫藥領域有著廣泛的應用。房委會近年來的需求不斷增加，有兩種形式:線性和化學交聯。交聯HA在進入人體後比線性HA更持久。區分這兩種形式的醫管局已成為一個非常重要的問題。

摘要目的:這項工作的目的是通過使用各種分析技術來描述線性和交聯HA的結構組成、相似和不同的數據生成。

方法:用1,4-丁二醇二縮水甘油醚(BDDE)修飾線性透明質酸溶液和交聯透明質酸支架，采用已報道的方法進行了少量修飾。用FTIR、ESI-MS、NMR和SEM對兩種配方進行了表征。

結果:從所有技術獲得的數據顯示出不同的特征和化學結構。例如，交聯的BDDE-HA在3343 cm處的峰值強度要小得多－1在FTIR中，ESI-MS中有更高的質荷比(m/z)，在NMR中有一個額外的獨特峰值，在SEM中與線性HA相比有更多的孔隙結構。

結論:線性HA和交聯HA的基質結構具有不同的特點。這些發現通過四種不同的分析技術的應用得到確認。

關鍵字

透明質酸;交聯;化學交聯;酶促降解

縮寫

HA-Hyaluronic酸;較大影響BDDE-1,縮水甘油醚;BTH-Bovine睾丸透明質酸酶


簡介

透明質酸(HA)也被稱為透明質酸(圖1)是一種高分子量，自然存在的生物可降解聚合物。HA是一種線性(非支化)和非硫酸鹽的糖胺聚糖(GAG)。它由n -乙酰- d -葡萄糖胺和d -葡萄糖醛酸的重複雙糖單元組成，由β-(1,4)和β-(1,3)交替糖苷鍵連接[1-3]。

圖1:HA中雙糖重複單元的結構。

HA廣泛分布於人體各處，是細胞外基質ECM的主要成分[4-6]。它存在於幾乎所有的生物液體中，包括滑液和眼睛的玻璃體[7]。較多的血凝素存在於皮膚中，約占體內總血凝素含量的50%以上。1942年，Endre Balazes是第一個將HA用於商業用途的人，在烘焙產品中作為蛋清的替代品[9]。近二十年來，HA已成為現代醫學中非常重要的材料，廣泛應用於組織工程和美容外科[10,11]。然而，大多數這些應用都不是用原生或線性HA解決的，因為線性HA不會在人體中停留很長一段時間在活的有機體內降解快，力學性能差[10,12,13]。

皮膚中線狀透明質酸的半衰期約為12小時，它會被酶[14]迅速分解。因此，線性HA應通過交聯方法穩定，以確保進入體內後在軟組織內的停留時間更長。HA交聯是指HA鏈通過HA官能團(-OH， -COOH， -NHCOCH3)中的一個官能團與化學交聯劑化學結合的過程。化學交聯靶向(-OH)在HA填料工業中經常使用，因為它保留了HA的多陰離子性質[15-18]。許多化學交聯劑已經被用於HA的交聯，然而，1,4-丁二醇二甘油醚(BDDE)是最常見的交聯劑，因為其環氧基團優先與HA的羥基反應，形成醚鍵[19]。羥基磷灰石化學交聯的結果是一個三維的網絡，可以在其交聯網絡中保留較長時間的水，但不溶於水。與線性HA相比，交聯HA具有廣泛的化妝品和醫療應用範圍，線性HA的應用僅限於藥物管理和日常護膚產品。例如，交聯HA已廣泛應用於組織工程，因為它提供了三維支架，允許營養物質和細胞廢物通過它擴散。事實上，化學交聯的血凝素vs天然或線性HA更穩定，對酶降解表現出更高的抗性。骨關節炎的治療也是交聯HA的一個主要生物醫學應用，關節滑膜液的粘彈性特性隨著時間[21]而下降。最近，交聯的醫管局參與了[22]的藥物輸送。HA藥物載體克服了其他聚合物載體的局限性，這些聚合物載體不能生物降解或沒有潛在的載藥能力。在化妝品行業，交聯HA也被用作抗衰老產品。交聯HA填充物在糾正麵部褶皺和產生年輕的麵部外觀方麵已經變得非常流行。它們在受影響的皮膚中獲得大量的組織增強，並在組織中保持較長時間的腫脹[23]。

目前，市麵上有各種經美國食品和藥物管理局(FDA)批準的商用交聯HA填料[24-26]。常見的例子包括Q-Med(瑞典烏普薩拉)的Restylane、Perlane;來自Corneal的Juvederm和Surgiderm (Pringy，法國)。人們特別注意證明基於ha的產品中發生化學交聯，特別是用於皮膚治療和增強的產品。事實上，由於樣品的複雜性、結構的相似性和方法的缺乏，區分線性HA和交聯HA形成了化學分析的主要挑戰。一般來說，用於分析交聯糖胺聚糖最常用的方法包括傅立葉變換紅外(FT-IR)和核磁共振波譜(NMR)。另一方麵，一些分析分析，如膨脹率和體外酶降解試驗也可用於確認聚合物改性。交聯聚合物通常表現出較慢的降解速率和較低的溶脹率，這是由於聚合物鏈和化學交聯劑之間形成了橋和分子間鍵。

在之前的一項研究中，我們研究了混合方法對BDDE-HA水凝膠降解和溶脹行為的影響。然而，在本研究中，我們的目標是通過傅裏葉變換紅外(FT-IR)、電噴霧電離質譜(ESI-MS)、質子核磁共振波譜(H1NMR)和掃描電子顯微鏡(SEM)來表征線性和交聯HA。在反應中使用的交聯劑是1,4-丁二醇二縮水甘油醚(BDDE)，因為它是HA醫療和化妝品中最常見的化學交聯劑。交聯過程在強堿性條件下進行，方法由Malson T等人、Piron E等人描述[28,29]。

材料和方法
材料

透明質酸粉末，平均分子量為1,000,000 Da，由Vivatis製藥公司(德國漢堡)提供。化學交聯劑1,4-丁二醇二酰甘油醚(BDDE)和酶牛睾丸透明質酸酶BTH粉(3000 U/mg)購自Sigma-Aldrich Co (St. Louis, Missouri, USA)。所有其他化學物質都是內部準備的。

交聯BDDE-HA的製備

將200µl的BDDE加入9.80 ml 0.25M NaOH中製備交聯試劑溶液。在混合物中加入約1.20 g透明質酸HA粉，室溫下充分混合60分鍾，調整pH為13，使BDDE分子中的環氧環打開，與HA鏈中的-OH基團形成醚鍵。反應完成後，加入等量的0.1M HCl溶液中和混合物，直至pH值約為7.0。然後將混合物與蒸餾水透析3天，以去除遊離的BDDE分子。然後用蒸餾水稀釋得到的混合物，直到HA的最終濃度變為20 mg/ml。最後，將交聯水凝膠用(Labtech凍幹機LFD 5518型，大漢Labtech Co)凍幹機進行凍幹，8℃保存。配製天然或線性HA溶液(20 mg/ml)，凍幹並儲存，直到進行儀器表征。

傅裏葉變換紅外(FT-IR)分析

利用Bruker張量37分析線性HA和交聯HA的等效部分;傅裏葉變換紅外光譜(FTIR) (Ettlingen，德國)。所有光譜記錄在4000 ~ 400 cm之間－1分辨率為4厘米－1使用OPUS軟件對數據進行操作。

電噴霧電離質譜ESI-MS

取線性和交聯HA的等量部分，用10.0% (w/v)牛睾丸透明質酸酶BTH酶溶液(比活3000 U/mg)在37℃下500µl消化2 h。用百夫長科學離心機3000 rpm離心3 min，收集每個容器中的上清，在純淨水中1:50稀釋。使用Quattro Premier XE質譜儀Q-MS (Waters Corporation, Manchester, UK)進行電噴霧電離質譜(ESI-MS)測量。采用直接輸液的方法進行分析，實驗條件設置為:毛細管電壓4.0 kV, con電壓(采樣錐電離並將離子導向質量分析儀的電壓)30 V，溶解溫度150℃，源溫度100℃。光譜在m/z 200 ~ 1000負電離模式下獲得，掃描速度為1 s /次。

質子核磁共振波譜(H1NMR)

取線性和交聯HA的等量部分，用10.0% (w/v)牛睾丸透明質酸酶BTH酶溶液(比活3000 U/mg)在37℃下500µl消化2 h。用百夫長科學離心機在3000 rpm下離心3 min，收集每個容器中的上清重新凍幹。然後將這兩個樣品溶解在氧化氘(D2O) 1H NMR分析。使用Bruker(蘇黎世，瑞士)的600 MHz 1H核磁共振波譜(NMR)進行分析。

掃描電子顯微鏡(SEM)

等量的部分從凍幹的線性和交聯的HA中提取，並在真空下使用離子濺射鍍上鉑。利用日本JEOL (Tokyo, Japan)的二次電子成像(SEI)模式對兩種樣品的表麵結構進行了掃描電子顯微鏡(SEM)成像。兩幅圖像都是在相似的條件和放大水平下拍攝的。

可靠性

在許多情況下，單一的分析往往足以達到定性測量的目的。然而，為了提高可靠性，每個分析儀器都要重複兩次結構表征。

結果與討論
紅外光譜

FTIR是用於線性和交聯HA的常用表征技術，因為它可以確定HA修飾過程中形成的鍵的類型[30,31,1]。例如，[32]通過FTIR觀察到交聯HA在2850 cm處有一個額外的峰－1和2930厘米－1證實了化學交聯劑中烷基鏈的存在。另一方麵，羧基的能帶強度隨著化學交聯劑用量的增加而減小。然而，[33]指出，除了在1650 cm處有一個帶外，線性HA和交聯HA的光譜沒有區別－1這可以歸因於鈉鹽的離子交換到酸性形式。

在這項工作中，如圖2a所示的線性HA和圖2b所示的交聯HA的FTIR光譜顯示，兩個樣品顯示了幾乎相似的數據，沒有可以注意到的明顯差異。然而，仔細觀察2800厘米之間的區域－1和3000厘米－1，在約2900 cm處可觀察到一個小峰－1在交聯的BDDE-HA中。在代表化學交聯劑中C-H拉伸的線性HA中沒有明顯觀察到這一峰值。第二個特征峰約為3343厘米－1通常在線性HA和交聯BDDE-HA中觀察到羥基。線性HA的峰麵積大於交聯BDDE-HA的峰麵積，說明交聯後羥基的數量減少。

圖2:(a)凍幹HA線性樣品的FTIR光譜(b)交聯BDDE-HA在25℃下4000 ~ 400 cm範圍內的FTIR光譜－1．

這意味著HA鏈和BDDE分子之間可能發生了化學修飾通過羥基形成一個新的相互連接的網絡。理論上，每單位HA有四個醇反應位點，一個BDDE分子中有兩個環氧基。環氧基與羥基反應的相對偏好取決於反應條件。正如我們所述，在堿性條件下，BDDE分子瞄準線性HA中的活性羥基形成醚鍵。如果相鄰HA鏈上的兩個基團被BDDE環氧化合物共價阻斷，總羥基將減少。這解釋了它們比非修飾的或線性的HA具有更小的下峰。

約1300厘米處有一個小峰－1出現在交聯的BDDE-HA中，而沒有出現在線性HA中，證實了交聯過程成功。這個峰可能是HA鏈和BDDE分子之間另一個鍵的形成。事實上，當HA在高pH值(高於羥基的pKa值)下進行交聯時，HA的羥基幾乎脫質子化。因此，BDDE的環氧基團優先與HA的羥基反應，形成穩定的醚鍵[1]。

最後，這三個特征峰可以區分線性和交聯BDDE-HA結構。

質

由於透明質酸降解產生的較大寡糖具有粘彈性性質，且混合複雜，因此ESI-MS對HA寡糖的應用仍具有挑戰性。[34]使用ESI離子阱質譜儀進行的一項研究指出，在ESI條件下，HA分子是多荷電的，光譜更難解釋。此外，esi串聯質譜采用負離子模式，n -乙酰氨基葡萄糖[M-H-H]分子丟失2O]，偶數寡聚物m/z=202，奇數寡聚物裂解葡萄糖醛酸為[m - h - h2O), m / z = 175。

在本研究中，線性HA和交聯BDDE-HA表現出不同的寡糖破碎模式，相對強度不同，鏈長從透明質酸的基本單位(m/z 378)到大於16mers。交聯BDDE-HA的寡糖與線性HA具有不同的映射光譜和不同的電荷態分布曲線。根據圖3a顯示的數據，大部分線性HA離子在m/z範圍較低或低於m/z 400(隻有少數峰在較高的m/z範圍內觀察到)，其峰強度遠遠大於交聯BDDE-HA對應光譜中觀察到的峰強度。

圖3:(a) HA線性樣品的ESI-MS譜圖(b)交聯HA- bdde在4.0 kV毛細管電壓和30 v con電壓下直接輸注得到的ESI-MS譜圖。

由於交聯BDDE-HA的降解速率較慢，且對酶解的抗性高於線性HA，因此交聯BDDE-HA(圖3b)的離子在m/z 400後變得更加豐富。例如，相對於線性HA，交聯樣品中m/z 396、m/z 192.8和m/z 201.89處的峰值強度非常低。

為進一步比較，圖4a、4b分別為線性HA和交聯BDDE-HA從m/z 200到m/z 300的擴展m/z分布，圖5a、5b為相同樣本從m/z 300到m/z 400的擴展m/z分布。m/z 396處的峰代表透明質酸的基本雙糖單位與水分子([GlcUA-GlcNAc]+H)結合2m/z 192.8和m/z 201.89為葡萄糖醛酸(GlcA+H2O)和n -乙酰- d -葡萄糖胺(GlcNAc-H2O)。

圖4:(a)線性HA的m/z曲線從m/z 200擴展到m/z 300 (b)交聯HA- bdde的m/z曲線從m/z 200擴展到m/z 300。

圖5:(a)線性HA的m/z曲線從m/z 300擴展到m/z 400 (b)交聯HA- bdde的m/z曲線從m/z 300擴展到m/z 400。

盡管該酶將n-乙酰- d-葡萄糖胺(GlcNAc)和葡萄糖醛酸(GlcA)之間的1,4鍵分裂，生成大小不同的低聚物，n-乙酰- d-葡萄糖胺位於還原端，不飽和醛酸(ΔUA)位於非還原端(偶數寡糖)，有時還會在兩邊分裂，醛酸UA位於奇數寡糖(奇數寡糖)，在我們的方法中，高分子量離子由於在ESI-MS分析中通常經曆的碎片化和碰撞激活而難以識別。

此外，我們還觀察到高分子量離子受方法條件和質譜參數的影響很大。例如，錐體電壓或溶解溫度的任何變化都會產生不同的破碎模式。相比之下，低分子量離子易於定義，且與HA降解產物的理論離子種類一致。

核磁共振

盡管H1核磁共振分析具有挑戰性，特別是當粘性聚合物被認為是[1]時，核磁共振被證明是表征線性和化學交聯HA的強大技術。La Gatta A等人[35]之前的一項研究報告稱，交聯HA中觀察到約1.6 ppm的信號，這是由於CH2）2BDDGE分子的一部分。Wende FJ, et al.[36]使用H1核磁共振。交聯的BDDE-HA有兩個主峰:n -乙酰基信號(CH3.)的濃度約為2.1 ppm， (CH2)從約1.7 ppm的BDDE中分離出一半。圖6顯示了一個典型的1比較線性HA和交聯BDDE-HA水凝膠的H NMR譜，由Guarise等人完成。

圖6:H1線性HA(較低)和BDD-HA(較高)[37]的NMR譜。

根據目前的工作，線性HA和交聯HA的核磁共振譜如圖7a和圖7b所示，有兩個主要的特征峰:峰值1約為1.9 ppm，出現在兩個樣品中，峰值2約為1.5 ppm，隻出現在交聯BDDE-HA中。峰1主要是HA骨架結構中乙酰氨基葡萄糖N-CH3基團的存在。峰2代表-(CH2)，該基團存在於BDDE分子中。這些結果明確證實了交聯BDDE-HA與線性HA具有不同的核磁共振譜，證明了交聯BDDE-HA中的HA鏈與交聯劑發生了化學反應。

圖7:(一)1線性HA樣品的HNMR譜(b)交聯BDDE-HA樣品的1HNMR譜。

在交聯HA多糖的核磁共振分析中，積分-(CH2)組中乙酰氨基氨基葡萄糖N-CH3的含量為1.9 ppm，通常用於估計線性HA中發生的化學修飾的總程度[8,29]。-(CH2)基團的優點是不與線性HA的峰值重疊，從而容易評估HA鏈的總化學修飾程度。

掃描電鏡

以往的掃描電鏡研究表明，線狀透明質酸具有纖維狀和不規則結構，而交聯透明質酸具有高度多孔的片狀表麵結構[1]。交聯程度對交聯BDDE-HA的形態結構和連通性也有很大影響，孔徑從幾微米到100 μm左右。

掃描電鏡數據顯示了線性HA和交聯BDDE-HA的不同微澆注結構。交聯BDDE-HA的微孔結構(圖7b)比線性HA的微孔結構(圖7a)更均勻，表現出更好的均勻性。與線形HA基質大而開放的孔隙相比，交聯BDDE-HA的孔隙非常小，孔徑分布狹窄，小於1 μ m ~ 10 μ m。事實上，交聯BDDE-HA的均勻性和狹窄的孔徑分布在生物醫學研究中具有很大的前景和興趣，特別是在組織工程和藥物輸送方麵。

雖然掃描電鏡圖像沒有證明交聯的BDDE-HA存在化學連鎖通過FTIR、ESI-MS和NMR結果顯示BDDE-HA表麵微觀結構中觀察到的剛性和內聚性基質與在線性HA中觀察到的非常弱的支架相比證實了這一結論。這表明HA鏈和BDDE之間的化學反應的影響是相當顯著的，並產生了一個明顯的、連接良好的支架，比線性HA具有更高的抗酶降解能力(圖8a,8b)。

圖8:(a)線性HA樣品的SEM圖像(b)在相同放大條件(x1000, SEI, 10kv)下交聯BDDE-HA樣品的SEM圖像。

結論

這項工作的目的是用FTIR, ESI-MS, H1核磁共振和SEM。FTIR光譜顯示在約2900 cm處有一個額外的小峰－1在交聯BDDE-HA。同時，羥基的峰值強度在3343 cm左右－1交聯BDDEHA的含量遠低於原生HA的含量。通過檢測線性和交聯BDDE-HA的不同質譜曲線，ESI-MS分析更具特征。與交聯BDDE-HA相比，線性HA的分子離子在400 m/z以下更豐富，具有更高的分子量。核磁共振是表征線性HA和交聯BDDE-HA的有力技術。BDDE-HA在1.5 ppm時顯示了一個獨特的峰值，而在線性HA中沒有顯示。SEM數據表明，交聯BDDE-HA表麵微觀結構孔徑較小，且比線性HA分布更均勻。


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文章類型:研究文章

引用:Al-Sibani M, Al-Harrasi A, Neubert RHH(2018)使用各種分析技術(包括FTIR, ESI-MS, H1 NMR和SEM)對線性和化學交聯玻尿酸的表征。生物化學分析3(1):dx.doi.org/10.16966/2576-5833.115

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出版的曆史:

  • 收到日期:2018年8月20日,

  • 接受日期:2018年10月30日,

  • 發表日期:2018年11月06