專利名稱：由酶合成的直鏈淀粉得到的生物可降解制品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生物可降解制品，特別是由用磷酸化酶合成的直鏈淀粉形成的生物可降解制品。用語的定義本說明書中術(shù)語“制品”采用廣義的概念，不僅包括一般概念的有形的物體，也包括沒有形態(tài)的物體，但不包括食品、食品添加劑或者含內(nèi)容物的膠囊。更具體地說，“制品”包括通常由合成聚合物形成的物品，例如(i)包括薄膜、片材、容器和包裝材料的成型品；(ii)涂料或粘合劑；和(iii)醫(yī)藥品、農(nóng)藥品或肥料。
“膠囊”一般是指封裝口服困難的藥物等的容器，但在本說明書中是指不含任何內(nèi)容物的容器本身。本文中所用的“膠囊劑”是指其中含一些內(nèi)容物的常規(guī)“膠囊”。盡管“膠囊”可以非常廣泛地包括僅包覆有樹脂等的物質(zhì)，或者樹脂和其他物質(zhì)的粉碎混合物，本文中所用的“膠囊”不使用這種廣泛的含義。
從石油資源枯竭后的能源對(duì)策和構(gòu)筑二氧化碳零排放體系的觀點(diǎn)來看，已注意到用來自農(nóng)產(chǎn)品，特別是淀粉原料的制品替代來自石油的塑料。
因此，已經(jīng)開發(fā)出得自淀粉或木材的另一種聚合材料替代這種以石油為原料的聚合材料，原因是它們對(duì)人體無害又不破壞自然環(huán)境。這些產(chǎn)品已使用多年并且對(duì)人體是安全的。它們也被埋在土壤中并且被細(xì)菌或微生物降解。
已經(jīng)可以得到由淀粉形成的一些制品，如在水存在下通過擠出加工工藝得到的淀粉基疏松材料(loose bill)、在加熱下將淀粉漿模塑成型得到的盤子或杯子。然而，與得自合成聚合物的產(chǎn)品相比，淀粉產(chǎn)品的耐水性和強(qiáng)度特性較差。也已提議將淀粉與其他可生物降解的合成聚合物混合而制成薄膜、片材或成型品，但最終產(chǎn)品不具有足夠的工業(yè)產(chǎn)品所需性質(zhì)，仍有待開發(fā)具有與得自石油基合成聚合物的產(chǎn)品相當(dāng)?shù)淖銐蛭锢砗突瘜W(xué)性質(zhì)的淀粉產(chǎn)品。
淀粉產(chǎn)品固有的一些問題如下(a)天然淀粉通常包括直鏈淀粉(具有線狀結(jié)合的葡萄糖結(jié)構(gòu)的聚合物)與支鏈淀粉(包括帶有支鏈的直鏈淀粉的串形聚合物)的混合物。線性直鏈淀粉具有與合成塑料相當(dāng)?shù)牧己眉庸ば?、薄膜特性和成型性，但支鏈淀粉的?qiáng)度較差。然而，天然淀粉沒有這么高的直鏈淀粉含量。例如，玉米淀粉的直鏈淀粉含量低至約25％，即使直鏈淀粉含量高的玉米淀粉的直鏈淀粉含量也不超過約70％。
因此，考慮到加工性和成型性較差，難以原樣利用天然淀粉。
(b)雖然能夠從天然淀粉中提取或分離出直鏈淀粉，但其操作復(fù)雜，并且直鏈淀粉的收率極低。所述操作不具有工業(yè)成本效率。
(c)天然淀粉中存在的直鏈淀粉的分子量一般低至約數(shù)萬至數(shù)十萬Da，所以容易老化并且機(jī)械強(qiáng)度低。因此，即使是從天然淀粉中有效提取或分離的直鏈淀粉，所產(chǎn)生的直鏈淀粉也不具備代替塑料的足夠特性。
(d)天然淀粉中存在的直鏈淀粉的分子量分布(Mw/Mn)不低于1.3，因此是(i)容易結(jié)晶的低分子量直鏈淀粉、(ii)易溶于水的高分子量直鏈淀粉和(iii)易于凝膠化的中等分子量直鏈淀粉的混合物。這三類直鏈淀粉相互妨礙，混合物不能表現(xiàn)出足夠的加工性能等。
(e)天然淀粉中存在的直鏈淀粉不完全是線性結(jié)構(gòu)，還有少量的分支結(jié)構(gòu)。所以天然直鏈淀粉的成核速度快，并且天然直鏈淀粉自身容易結(jié)晶。天然直鏈淀粉的這一性質(zhì)使薄膜或片材的結(jié)構(gòu)不均勻，透明性和機(jī)械強(qiáng)度顯著降低。
(f)天然淀粉中存在的直鏈淀粉易溶于不低于130℃的熱水，但是由于上述(c)、(d)和(e)項(xiàng)的原因，在低于130℃的溫度下發(fā)生沉淀(重結(jié)晶)而形成白色粘性溶液。由此得到的成型品結(jié)構(gòu)也不均勻，并且表現(xiàn)出不良的加工性、較差的透明性和較低的強(qiáng)度。
(g)天然淀粉中存在的直鏈淀粉在環(huán)境溫度下不易溶解于水，但溶解于特定的有機(jī)溶劑，如二甲亞砜和二甲基甲酰胺。因此，使用天然直鏈淀粉時(shí)要求回收有機(jī)溶劑，由于成本效率方面的原因使所述過程不利于生產(chǎn)。對(duì)于通過化學(xué)改性改變直鏈淀粉的聚合特性來說，缺乏良好和有用的溶劑也是一個(gè)嚴(yán)重的缺陷。
(h)為了改變天然淀粉的聚合特性，也提議用乙烯基單體，如丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯或苯乙烯等接枝聚合淀粉分子。這種改性增加了生產(chǎn)成本，卻沒有相應(yīng)地提高聚合性質(zhì)。另外，乙烯基接枝部分不具有生物降解性。
(i)難以通過化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)控制天然直鏈淀粉的溶脹。
基于上述理由，天然直鏈淀粉的工業(yè)應(yīng)用沒有進(jìn)展。
也就是說，本發(fā)明提供生物可降解制品，該制品由使用磷酸化酶酶合成的直鏈淀粉形成，其中酶合成的直鏈淀粉包括僅通過α-1，4-糖苷鍵結(jié)合的葡糖單體，并且重均分子量不低于100KDa。本發(fā)明的制品具有優(yōu)良的生物降解性、透明性、加工性和強(qiáng)度特性。
也已知通過酶的作用使葡萄糖結(jié)合而合成直鏈淀粉(稱為酶合成法)。作為該方法的一個(gè)例子，提議了將蔗糖用作底物，用淀粉蔗糖酶(EC 2.4.1.4)進(jìn)行處理的AMSU法。但在AMSU法中，由于淀粉蔗糖酶不僅催化直鏈淀粉的合成反應(yīng)，也催化一些其他反應(yīng)，包括蔗糖的水解和用蔗糖或果糖作為受體的轉(zhuǎn)移反應(yīng)，除直鏈淀粉以外產(chǎn)生大量副產(chǎn)物，如可溶性寡糖。所以，直鏈淀粉的收率降低(參看FEBS Letters 471，Montalk等，219-223頁(2000))。在AMSU法中，聚合度和分子量分布也難以控制。在AMSU法中得到的直鏈淀粉是水不溶性的，或者是聚合度低的。Montalk等人的文章報(bào)道了即使用高度純化的淀粉蔗糖酶，產(chǎn)生的直鏈淀粉的分子量仍是8,941(即聚合度55)。這樣的直鏈淀粉易形成沉淀、易老化、因而機(jī)械強(qiáng)度差。用AMSU法酶合成的直鏈淀粉不適合制造需要足夠強(qiáng)度的生物可降解制品。
AMSU法以外的酶合成法有使用磷酸化酶的方法。磷酸化酶是催化磷酸解反應(yīng)的酶。例如，通過葡聚糖磷酸化酶(α-葡聚糖磷酸化酶、EC 2.4.1.1；通常叫做磷酸化酶)的作用，把葡糖-1-磷酸(稱為G-1-P)的葡糖基單元轉(zhuǎn)移至麥芽庚糖引物等，可以合成直鏈淀粉(稱為GP法)。還已知在無機(jī)磷酸鹽的存在下，通過蔗糖磷酸化酶(EC 2.4.1.)與葡聚糖磷酸化酶對(duì)蔗糖的聯(lián)合作用可以合成直鏈淀粉(稱為SP-GP法)。上述GP法的缺點(diǎn)是G-1-P昂貴，因此該方法成本高。但由于葡萄糖單體僅由α-1，4-葡糖苷鍵彼此連接，其優(yōu)點(diǎn)是能夠得到完全線性的直鏈淀粉，并且可以自由控制其聚合度。所述SP-GP法的優(yōu)點(diǎn)是可以使用廉價(jià)的原料蔗糖來降低直鏈淀粉的生產(chǎn)成本，而且，與GP法類似，可以在控制聚合度的情況下制備完全線性的直鏈淀粉。
本發(fā)明者通過選擇性使用線性的酶合成直鏈淀粉完成了本發(fā)明。所述直鏈淀粉是用磷酸化酶通過酶合成法得到的，其重均分子量不低于100kDa、優(yōu)選不低于300kDa、更優(yōu)選不低于600kDa，并且分子量分布(Mw/Mn)窄，不超過1.25、優(yōu)選不超過1.15。
本發(fā)明中使用的酶合成直鏈淀粉是通過采用磷酸化酶的酶合成法，優(yōu)選通過GP法和/或SP-GP法得到的。本發(fā)明的酶合成直鏈淀粉具有理想的分子量范圍和窄的分子量分布，而且具有完全線性的分子結(jié)構(gòu)。所述直鏈淀粉提供的生物可降解制品性質(zhì)超過由傳統(tǒng)淀粉產(chǎn)生的生物可降解制品。
上述酶合成法，如GP法和/或SP-GP法中使用的酶是磷酸化酶，只要能合成具有所需分子量范圍和分子量分布的直鏈淀粉，則對(duì)其沒有限制，包括任何來源于動(dòng)物、植物、微生物等的酶。所述酶也可以通過遺傳工程技術(shù)產(chǎn)生。優(yōu)選來自明串珠菌屬(Leuconostoc)細(xì)菌的蔗糖磷酸化酶。優(yōu)選葡聚糖磷酸化酶可以來自于植物，特別是更為有用的馬鈴薯或甘薯。
本發(fā)明的生物可降解制品包括酶合成的直鏈淀粉，它優(yōu)選通過GP法或SP-GP法得到，其Mw不低于100kDa，優(yōu)選不低于300kDa，更優(yōu)選不低于600kDa，并且Mw不超過6,000kDa，Mw/Mn不超過1.25，優(yōu)選1.0-1.2，更優(yōu)選1.0-1.15。上述方法也能產(chǎn)生Mw超過6,000kDa的直鏈淀粉，但考慮到實(shí)際生產(chǎn)的工業(yè)應(yīng)用性，優(yōu)選Mw不超過6,000kDa的直鏈淀粉。
使用Mw不低于600kDa的酶合成直鏈淀粉并將其制成涂層或薄膜，所得制品具有不低于800kgf.cm2(78.4MPa)的高拉伸強(qiáng)度。這樣高的拉伸強(qiáng)度范圍是天然淀粉或天然直鏈淀粉形成的制品達(dá)不到的，而且也超過取向聚苯乙烯的拉伸強(qiáng)度700kgf/cm2(68.6MPa)。這種高拉伸強(qiáng)度范圍適合于醫(yī)用縫合線或薄膜。
分子量至少300kDa，優(yōu)選至少600kDa并且分子量分布窄的直鏈淀粉顯示出穩(wěn)定的水溶性。分子量100至300kDa的直鏈淀粉的粘度低于高分子量的直鏈淀粉，因此容易處理?？墒?，低分子量直鏈淀粉比高分子量直鏈淀粉更易凝膠化或結(jié)晶，因此難以成膜或難以將其加工成一定形狀。低分子量直鏈淀粉的缺點(diǎn)(凝膠化或結(jié)晶)可以通過對(duì)直鏈淀粉進(jìn)行化學(xué)改性，例如如下所述向直鏈淀粉中引入疏水基團(tuán)，增強(qiáng)其加工性能而得到改進(jìn)?；瘜W(xué)改性并不總是應(yīng)用于低分子量的直鏈淀粉，如果需要，也應(yīng)用于Mw不低于300kDa的高分子量直鏈淀粉。
(酶合成直鏈淀粉的化學(xué)改性體)本發(fā)明的酶合成直鏈淀粉可以通過酯化、醚化、氧化、接枝聚合和/或交聯(lián)反應(yīng)進(jìn)行化學(xué)改性。改性后的直鏈淀粉老化穩(wěn)定性高，加工性良好。
上述酯化反應(yīng)可通過在溶劑的存在或不存在下，使直鏈淀粉與酸酐、有機(jī)酸、酰基鹵、酮或其他酯化試劑反應(yīng)來進(jìn)行?？梢詫?duì)直鏈淀粉進(jìn)行?；缫阴；虮；?。
醚化反應(yīng)可與淀粉的改性相同，在堿的存在下使直鏈淀粉與烷基鹵或硫酸二烷基酯反應(yīng)來進(jìn)行。
氧化一般可通過于低溫下在含水懸浮液中氧化，或者在氧化劑的存在下加熱粉狀直鏈淀粉來進(jìn)行。所述氧化劑可優(yōu)選為次氯酸鈉、過氧化氫等。
接枝聚合與通常的淀粉接枝相同，可以通過在鐵或鈰離子存在下，向直鏈淀粉中加成乙烯基單體如丙烯酸或甲基丙烯酸；或者通過縮聚將具有羥基的羧酸如乳酸枝狀加成到直鏈淀粉上來進(jìn)行。為維持盡可能高的生物降解性，接枝劑也應(yīng)當(dāng)與乳酸或己內(nèi)酯那樣可生物降解。
交聯(lián)反應(yīng)與通常的淀粉交聯(lián)反應(yīng)相同，可通過使甲醛、表氯醇、戊二醛、二環(huán)氧甘油醚和酯與直鏈淀粉反應(yīng)來進(jìn)行。
當(dāng)通過化學(xué)改性引入直鏈淀粉分子中的基團(tuán)是疏水基團(tuán)時(shí)，取代度(DS)越高，改性直鏈淀粉的疏水性越強(qiáng)。這樣，低分子量的直鏈淀粉可以控制吸收性或在有機(jī)體內(nèi)的生物降解性，并且粘度低，易于加工?；瘜W(xué)改性也改變了生物適合性，因此本發(fā)明得到的制品適合于醫(yī)用材料。
隨著通過上述化學(xué)改性引入的取代基數(shù)量的增加，直鏈淀粉的熱塑性也增大。通過接枝反應(yīng)引入的大取代基可經(jīng)常大幅降低熱流動(dòng)溫度。與未經(jīng)改性的直鏈淀粉相比，熱流動(dòng)性的降低提高了在塑料成型設(shè)備中的成型加工性。
上述化學(xué)改性的直鏈淀粉可在要求耐水性的領(lǐng)域用作薄膜、片材或成型品。上述化學(xué)改性的直鏈淀粉也可容易地制成水溶液、糊狀或膏狀物，它們能夠裝到玻璃瓶或管中長(zhǎng)時(shí)間保存。
酶合成的直鏈淀粉還能通過接枝反應(yīng)制成高吸水性凝膠，或者通過交聯(lián)反應(yīng)使其不溶于水或溶劑。酶合成的直鏈淀粉可通過接枝聚合或交聯(lián)反應(yīng)制成溶脹度范圍很廣的凝膠。
(生物可降解制品)本發(fā)明的生物可降解制品可以通過(a)上述酶合成的直鏈淀粉和/或其改性體產(chǎn)生，或者通過(a)上述直鏈淀粉或其改性體與(b)另一種聚合物材料的組合來產(chǎn)生。
所述其他聚合物材料(b)可以不一定有生物降解性。在其他聚合物材料(b)沒有生物降解性時(shí)，產(chǎn)生的制品中來自本發(fā)明的酶合成直鏈淀粉的部分生物降解，其他部分不降解而殘留下來。所以，直鏈淀粉的含量越高，制品的生物降解性越高。當(dāng)其他聚合物具有生物降解性時(shí)，聚合物(b)包括聚乳酸酯、聚乙醇酸、聚(β-羥基丁酸酯)、聚(β-羥基戊酸酯)、聚(β-羥基鏈烷酸酯)以及脂族生物降解性聚酯等。優(yōu)選的其他聚合物(b)是聚乳酸酯。
本發(fā)明的酶合成直鏈淀粉在自然環(huán)境下的生物降解迅速，而且降解過程的中間產(chǎn)物也對(duì)人無害。優(yōu)選使酶合成的直鏈淀粉含量較高。當(dāng)直鏈淀粉與其他聚合物組合使用時(shí)，優(yōu)選酶合成的直鏈淀粉與其他聚合物量的比為99/1-1/99，優(yōu)選95/5-5/95，更優(yōu)選90/10-10/90。
所述生物可降解制品可以含有增塑劑以改進(jìn)加工性和強(qiáng)度特性。用于本發(fā)明的增塑劑包括脲、天然油(如大豆油、蓖麻油等)、用于化學(xué)領(lǐng)域并且具有生物降解性的酸性酯。具有生物降解性的酸性酯包括鄰苯二甲酸一或二烷基酯、琥珀酸烷基酯、乳酸烷基酯、檸檬酸烷基酯、己二酸烷基酯、硬脂酸烷基酯、油酸烷基酯、蓖麻油酸烷基酯、芥酸烷基酯等。所述烷基包括甲基、乙基、丙基、己基、庚基、辛基等。所述酸性酯也可以是甘油酯，如甘油三乙酸酯、甘油一或二乙酸酯、甘油一、二或三丙酸酯、甘油一、二丁酸酯、甘油一、二或三硬脂酸酯等。對(duì)于降低流動(dòng)溫度或提高伸長(zhǎng)率來說，優(yōu)選的增塑劑是脲或甘油。
本發(fā)明的生物可降解制品可以包含無機(jī)或有機(jī)添加劑以擴(kuò)大最終產(chǎn)品的特性范圍。無機(jī)或有機(jī)添加劑的例子有滑石、二氧化鈦、碳酸鈣、粘土、砂、白堊、石灰石、硅藻土、硅酸鹽、云母、玻璃、石英和陶瓷等無機(jī)添加劑；淀粉、纖維素、木粉、纖維等有機(jī)添加劑等。
(生物可降解制品的應(yīng)用)本發(fā)明的生物可降解制品可以通過常規(guī)塑料成型設(shè)備加工成薄膜或片材。成型方法沒有特別限定，包括擠出成型、注塑成型、薄膜成型等。通過將含特定直鏈淀粉的成型組合物應(yīng)用于常規(guī)成型設(shè)備和裝置可以制成本發(fā)明的制品。
所述制品可以是薄膜、片材、絲、纖維、無紡布或其他形態(tài)。所述制品可用作漢堡包、熱狗、油炸馬鈴薯、烤章魚、餅、米飯、冰淇淋、拉面、咖喱飯、蔬菜、水果、肉、魚、果汁、咖啡、啤酒、牛奶等的容器；以及冰淇淋的玉米杯等可食性容器。它也可以用作花盆、高爾夫球座、包裝材料、日用品等。
當(dāng)本發(fā)明的生物可降解制品用作包裝材料時(shí)，所述包裝材料具有比常規(guī)塑料薄膜優(yōu)良的塑料特性，例如透明性和光澤度，能夠透過包裝材料看出內(nèi)容物的顏色和圖案。所述生物可降解制品具有抗靜電效果，所以在使用或保存中，特別是印刷時(shí)不會(huì)吸收表面的灰塵。當(dāng)所述制品為薄膜時(shí)，該膜可以熱合或濕粘合。
由本發(fā)明的酶合成直鏈淀粉制得的生物可降解制品具有良好的加工性和良好的強(qiáng)度特性，因而可用于通常使用淀粉或水溶性合成聚合物如聚乙烯醇的涂料或粘合劑領(lǐng)域。所述應(yīng)用包括(i)用于纖維加工的漿料，如紗線漿、織物整理漿或印花漿；用改性樹脂加工織物時(shí)使用的改性劑；用于氈或無紡布的粘合劑，(ii)用于紙加工的顏料粘合劑或表面上漿劑，(iii)用于紙，如各種紙袋、紙箱、瓦楞板紙、紙管的粘合劑；裝訂用粘合劑或辦公用粘合劑，(iv)用于膠帶、郵票、標(biāo)簽等的再濕性粘合劑，(v)膠合板用粘合劑等。
所述生物可降解制品還可用作肥料或者醫(yī)藥或農(nóng)藥的基材，而所述基材通常是水溶性的合成聚合物、天然淀粉或蛋白質(zhì)。
本發(fā)明的生物可降解制品被埋在土壤中，并且被細(xì)菌或微生物分解。所述制品不會(huì)引起廢棄物的環(huán)境污染問題，因此不同于由合成塑料制成的常規(guī)制品。分解所需時(shí)間沒有特別限制，取決于制品的組成或環(huán)境條件，但通常為幾周到幾個(gè)月。根據(jù)最終的成型制品不同，除埋入土壤中以外，所述制品還可以用作飼料或者堆肥。
所述生物可降解制品還可以是由酶合成直鏈淀粉和/或其改性體制成的膠囊。
根據(jù)本發(fā)明，可以通過改變膠囊的內(nèi)容物而將其用于廣泛的領(lǐng)域，并且對(duì)膠囊的形狀和形態(tài)沒有限制。
可以通過已知方法得到上述膠囊，例如，(i)用于軟膠囊的旋轉(zhuǎn)法，其中用兩層片材包覆內(nèi)容物并在模具中成型；(ii)用于軟膠囊的化學(xué)法，如在空氣或液體中固化和包覆；和(iii)用于硬膠囊的方法，其中將陽膠囊單元和陰膠囊單元互相結(jié)合。
上述膠囊可用于工業(yè)產(chǎn)品、醫(yī)藥或農(nóng)藥、醫(yī)療產(chǎn)品、飼料、肥料、日用品或化妝品。
根據(jù)本發(fā)明，所述膠囊殼可以由本發(fā)明的化學(xué)改性直鏈淀粉形成，因此可以通過改變改性度(DS)或者添加添加劑或填料對(duì)膠囊殼進(jìn)行改性，以滿足膠囊內(nèi)容物的特性要求(如疏水性或親油性和親水性等)，或者該膠囊用途的特性要求(如加工性、機(jī)械特性、成膜性和對(duì)人體的親和性)。當(dāng)所述膠囊由化學(xué)改性的低分子量酶合成直鏈淀粉得到時(shí)，所得膠囊具有優(yōu)良的老化穩(wěn)定性。
對(duì)膠囊的內(nèi)容物沒有限制，可以是固體粉末、親水性或疏水性液體或溶液。如果內(nèi)容物疏水，所述膠囊由未取代或低乙?；挠H水性直鏈淀粉形成；如果內(nèi)容物親水，所述膠囊由高乙?；氖杷灾辨湹矸坌纬伞．?dāng)所述膠囊用于經(jīng)口給予時(shí)，將所述膠囊制成在消化器內(nèi)消化或分解的膠囊；當(dāng)所述膠囊用于藥品或醫(yī)療產(chǎn)品時(shí)，將所述膠囊制成在體內(nèi)分解或吸收的膠囊。
本發(fā)明的酶合成直鏈淀粉由低分子量的糖類如葡糖-1-磷酸制成，由于沒有病毒、細(xì)菌或阮病毒的侵入，所以對(duì)人體無害。本發(fā)明的生物可降解制品可用于生物適合的醫(yī)用材料或者使用所述生物適合的醫(yī)用材料的醫(yī)療器具。術(shù)語“醫(yī)用材料”是指以治療為目的直接用于人體的材料。醫(yī)療器具與醫(yī)用材料一樣，也是以治療為目的用于患部，如皮膚、肌肉組織或內(nèi)臟組織的器具，它是由上述醫(yī)用材料和其他基材、溶劑、部件或裝置組合而成的。所述醫(yī)療器具例如包括置于患部組織之間防止組織粘連的防粘連劑；用于患部如縫合部使組織粘合的組織粘合劑；覆蓋患部如創(chuàng)傷部加以保護(hù)的創(chuàng)傷敷料；用于患部如創(chuàng)傷部或切開部以止血的止血?jiǎng)┗蛎奕取?br> 在本發(fā)明中，可以如上所述，通過改變化學(xué)改性時(shí)取代基即親水性基團(tuán)和疏水性官能團(tuán)之比或通過改變DS控制醫(yī)用材料與人體的親合性。在患部治愈后所述制品也可在體內(nèi)分解和/或吸收。
可以根據(jù)患部的面積、形成凝膠的時(shí)間和期間等改變醫(yī)用材料或醫(yī)療器具的量。在本文中，術(shù)語“形成凝膠”是指醫(yī)用材料由于吸收或保持從患部滲出的體液或血液而凝膠化。醫(yī)用材料的凝膠化使患部保持濕潤(rùn)狀態(tài)，并促進(jìn)表皮形成，防止細(xì)菌等侵入。
根據(jù)本發(fā)明，所述醫(yī)用材料或醫(yī)療器具可通過將上述各組分(酶合成的直鏈淀粉和/或其化學(xué)改性體(a)，其他聚合物材料(b)以及任選的添加劑如增塑劑)混合，制成所需形狀而得到?？梢栽诨旌虾蠡蛘叱尚秃蠡蛘邇烧咧筮M(jìn)行滅菌。所述醫(yī)用材料或醫(yī)療器具可與拋射劑一起裝入到噴出容器(噴射器類容器)中，通過噴出用于患部。也可以將上述各組分制成包括涂層和可剝離的保護(hù)層的敷劑(compressingmaterial)或密封劑，然后用于患部。
上述醫(yī)用材料或醫(yī)療器具本質(zhì)上對(duì)人體無害，并且具有生物相容性或機(jī)械特性。它可以被制成絲或織物、無紡布、薄膜、片材、管材、膠囊或其他成型品、糊狀物、膏狀物或它們的組合形態(tài)。
上述醫(yī)用材料或醫(yī)療器具除了人以外，還可適用于各種哺乳動(dòng)物，如家畜和寵物。它對(duì)于維持健康、內(nèi)科處理和外科處理(或外科手術(shù))是有用的。
實(shí)施例比較例1(從馬鈴薯淀粉中提取直鏈淀粉)在攪拌下將20g得自馬鈴薯的淀粉加入1升熱水中，制成2％的膠化淀粉溶液。將該溶液置于120℃的高壓釜中30分鐘，用玻璃漏斗濾除不溶解部分。向?yàn)V液中加入丁醇，形成15％丁醇飽和的溶液，加熱至95℃30分鐘，之后在保溫瓶中緩慢冷卻。一日后，將沉淀物離心分離，得到直鏈淀粉和丁醇的混合物。再次沉淀丁醇飽和的溶液，分離直鏈淀粉和丁醇的復(fù)合物。將分離的復(fù)合物洗滌兩次，真空干燥。得到3.5g直鏈淀粉，其重均分子量Mw為450kDa、分子量分布(Mw/Mn)為1.9。所得直鏈淀粉不溶于冷水，即使將其置于130℃的高壓釜中，該溶液仍為白色乳狀液。用流延法將所述溶液制成薄膜，但由于其脆性而得不到薄膜。也不能測(cè)定所述薄膜的強(qiáng)度。
比較例2(從玉米淀粉中提取直鏈淀粉)除使用玉米淀粉代替馬鈴薯淀粉外，與比較例1同樣處理，得到分子量為250kDa、分子量分布為1.4的直鏈淀粉。所得直鏈淀粉的外觀以及不良的強(qiáng)度特性與比較例1的結(jié)果類似。所得薄膜脆，不能測(cè)定強(qiáng)度。
實(shí)施例1(酶合成直鏈淀粉的合成(DS0.0))將60g葡糖-1-磷酸(G-1-P)與5mg麥芽戊糖溶解于1.3升0.2M的馬來酸緩沖液(pH6.0)中，向其中加入1500單位衍生自馬鈴薯的磷酸化酶。然后在50℃下攪拌使其反應(yīng)。反應(yīng)86小時(shí)后，加熱所述溶液使酶失活，用玻璃漏斗濾除失活的酶。向?yàn)V液中加入2倍量(體積)的乙醇使直鏈淀粉沉淀并離心分離。用300毫升水與乙醇的1∶1混合物洗滌沉淀2次，除去共存的G-1-P。再用乙醇洗滌2次，在70℃下真空干燥。得到18.7g直鏈淀粉。1單位磷酸化酶是1μmol磷酸在1分鐘內(nèi)產(chǎn)生的。得到的酶合成直鏈淀粉的Mw為820kDa，Mw/Mn為1.05。
測(cè)定由所得直鏈淀粉產(chǎn)生的薄膜對(duì)于波長(zhǎng)300-800nm的光的吸光度。所述直鏈淀粉薄膜的吸光度值最高為0.05，而由天然直鏈淀粉產(chǎn)生的薄膜的吸光度僅為0.18-0.38。酶合成直鏈淀粉在100毫升15℃水中溶解至少2g，在100毫升70℃水中溶解至少5g。它在室溫下不結(jié)晶，因此也不形成白色乳狀混濁。
將上述酶合成直鏈淀粉的水溶液在聚苯乙烯板上流延，并在37℃下干燥1小時(shí)，再于40℃下干燥24小時(shí)而形成膜。該膜透明性良好、拉伸強(qiáng)度不低于500Kgf/cm2(490MPa)，與聚乙烯或聚丙烯相當(dāng)。已調(diào)節(jié)至平衡水分的該直鏈淀粉具有熱塑性，容易通過熱壓制成膜或片材。將所述直鏈淀粉與增塑劑(如甘油或脲)混合，并通過熔融擠出(solution-extruded)容易地制成片材。
在常規(guī)技術(shù)中，天然淀粉或膠已被用作粘合紙袋、紙箱、瓦楞板紙、紙管或裝訂用的紙用粘結(jié)劑，但這些天然粘合劑存在如質(zhì)量不穩(wěn)定或保存中變質(zhì)的問題。在將本發(fā)明的直鏈淀粉用于粘合紙時(shí)，將固體含量10％的水溶液按10g/cm2涂在紙上，其粘合強(qiáng)度為10Kg/cm2，比膠化玉米淀粉溶液的強(qiáng)度(4Kg/cm2)高數(shù)倍。
實(shí)施例2(酶合成直鏈淀粉的合成)除了把G-1-P的量增加到100g、麥芽戊糖的量減少到2.5mg以外，與實(shí)施例1同樣處理，反應(yīng)75小時(shí)得到Mw為1,400kDa的直鏈淀粉。所得直鏈淀粉的Mw/Mn為1.07，產(chǎn)量為17g。
該實(shí)驗(yàn)證明G-1-P與麥芽戊糖的重量比的變化可以控制直鏈淀粉的分子量。延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間可以得到高分子量的直鏈淀粉。
實(shí)施例3(酶合成直鏈淀粉的合成)在本實(shí)施例中比較了本發(fā)明的酶合成直鏈淀粉與用已知的AMSU法得到的直鏈淀粉的特性。
向各為1升的反應(yīng)容器中加入6mM磷酸緩沖液(pH7.0)、106mM蔗糖和各種濃度的麥芽寡糖(2,200mg/L、880mg/L、176mg/L、132mg/L、44mg/L或8.8mg/L)，向其中加入1單位/毫升衍生自馬鈴薯的純化葡聚糖磷酸化酶和1單位/毫升衍生自腸膜明串珠菌(Leuconostoc mesentroides)的蔗糖磷酸化酶，保持在37℃下16小時(shí)，反應(yīng)結(jié)束后得到直鏈淀粉。測(cè)定所得直鏈淀粉的收率(％)、重均分子量(Mw)和分子量分布(Mw/Mn)，結(jié)果如下表1所示。
表1

為了進(jìn)行比較，表1中也列出了用AMSU法得到的直鏈淀粉的值(如FEBS Letters 471，Montalk等人，219-223頁(2000年)所述)。
由表1可以看出，通過改變葡萄糖與引物(即麥芽寡糖混合物)的濃度比可以使直鏈淀粉的分子量在Mw 11.9-741.9kDa間變化。因此所得直鏈淀粉的分子量分布都很窄，不超過1.05。樣品1和2形成低分子量直鏈淀粉的沉淀，但隨著聚合度的增大不再發(fā)生沉淀。樣品4和5保持透明，因此得到水溶性直鏈淀粉。
雖然用于比較的AMSU法是在預(yù)期產(chǎn)生高分子量直鏈淀粉的條件下進(jìn)行反應(yīng)的，但所得酶合成直鏈淀粉是水不溶性的，分子量為8.9kDa。
由上述實(shí)驗(yàn)可知，在本發(fā)明中所用的SP-GP法可以產(chǎn)生已知的AMSU法得不到的、具有高分子量并且分子量分布窄的水溶性直鏈淀粉。
實(shí)施例4(酶合成直鏈淀粉的交聯(lián)反應(yīng))用氫氧化鈉溶液將在實(shí)施例1中得到的直鏈淀粉的32g 2.5％水溶液調(diào)節(jié)至pH12.8以后，與0-3.840g九甘醇二縮水甘油醚(DenacolEX-830，分子量526.6，得自Nagase Sangyou K.K.)反應(yīng)。得到的溶液在聚乙烯板上、37℃下流延1小時(shí)，再于40℃下流延24小時(shí)，得到酶合成直鏈淀粉凝膠的薄膜。用純水洗滌所述薄膜，除去殘余的Denacol EX-830、氫氧化鈉和非交聯(lián)直鏈淀粉。
Denacol EX-830的用量為0-0.0245g的薄膜在室溫下溶脹，加熱至130℃后熔融。而Denacol EX-830的用量為0.483-3.840g的薄膜雖然也溶脹，但加熱也不熔融。
以上所得薄膜都透明，具有優(yōu)良的強(qiáng)度特性。
比較例3(從玉米淀粉中提取的直鏈淀粉的交聯(lián)反應(yīng))除了使用比較例2的直鏈淀粉以外，與實(shí)施例4同樣進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)。所得流延薄膜全都不透明，而且脆。
比較例4除了用實(shí)施例3中所得樣品2的直鏈淀粉(Mw 29.8kDa、Mw/Mn1.03)外，與實(shí)施例4同樣制成薄膜。所得薄膜太脆而不能測(cè)定強(qiáng)度特性。
實(shí)施例5
除用實(shí)施例3中所得樣品4的直鏈淀粉(Mw 110kDa、Mw/Mn 1.01)外，與實(shí)施例4同樣制成薄膜。所得薄膜的拉伸強(qiáng)度為430Kgf/cm2(42.14MPa)。
實(shí)施例6將10g在實(shí)施例1中得到的直鏈淀粉溶解于80g二甲亞砜中，并與2g碳酸鈉混合，向其中加入16g乙酸乙烯酯，在80℃下反應(yīng)120分鐘。反應(yīng)后，向其中加入水以沉淀產(chǎn)物，將其過濾并用水洗滌數(shù)次，得到收率90％、取代度(DS)2.1、熱流動(dòng)溫度275℃的乙?；辨湹矸?。
實(shí)施例7(乙?；辨湹矸鄣慕又酆衔锛捌鋺?yīng)用)向10g實(shí)施例6中得到的乙?；辨湹矸壑屑尤?0gε-己內(nèi)酯，在辛酸錫(II)存在下，于120℃接枝聚合。接枝聚合隨著時(shí)間增加而持續(xù)進(jìn)行，約10分鐘后反應(yīng)完成。由摩爾取代度(每單元葡萄糖的結(jié)合ε-己內(nèi)酯的摩爾數(shù))以及產(chǎn)物的重量增加率來判斷反應(yīng)是否完成。產(chǎn)物的熱流動(dòng)溫度從275℃降至55℃。從重量增加率來看接枝度大約70-200％。得到的薄膜透明性優(yōu)良并且無結(jié)晶性，原因是用差示掃描量熱計(jì)(DSC)測(cè)定時(shí)沒有吸熱峰。
將接枝度61.5％的上述乙?；辨湹矸壑瞥珊?5μm的熱壓片材，然后再切成寬1cm、長(zhǎng)5cm的試驗(yàn)片，用拉力計(jì)按50mm/分鐘的拉伸速度測(cè)定拉伸強(qiáng)度。該試驗(yàn)片的拉伸強(qiáng)度是180Kgf/cm2(17.64MPa)、伸長(zhǎng)率為5％。如上所述對(duì)接枝度276％的上述乙酰化直鏈淀粉進(jìn)行處理和試驗(yàn)。測(cè)試樣品的拉伸強(qiáng)度是130Kgf/cm2(12.74MPa)、伸長(zhǎng)率為18％。兩種試驗(yàn)片都顯示與常規(guī)聚烯烴相當(dāng)?shù)牧己脧?qiáng)度特性。
上述制品如薄膜或片材可容易地用可買到的塑料成型設(shè)備制得。
實(shí)施例8(由乙?；负铣芍辨湹矸壑苽浔∧?將實(shí)施例6的乙?；负铣芍辨湹矸叟c等摩爾量的聚-ε-己內(nèi)酯在丙酮/二氯甲烷溶液中混合后，在玻璃板上流延。放置1日后在室溫下真空干燥1小時(shí)。得到的薄膜透明而且柔軟，這表明兩種聚合物的相容性良好。所得薄膜的拉伸強(qiáng)度是150Kgf/cm2(14.7MPa)，伸長(zhǎng)率為20％。
實(shí)施例9(直鏈淀粉薄膜的生物降解性)把實(shí)施例1中得到的薄膜埋在土壤中，1周內(nèi)完全分解。
實(shí)施例10(酶合成直鏈淀粉的紡絲)將實(shí)施例1的直鏈淀粉的5％水溶液放入具有直徑0.1mm的單噴絲孔的擠出機(jī)中，常溫下擠出到甲醇中，形成約20μm的單絲。該單絲用筒管卷取后室溫下干燥。干燥后單絲的強(qiáng)度是1,450Kgf/cm2(142.1MPa)，伸長(zhǎng)率是20％。
實(shí)施例11(使用乙?；辨湹矸?DS 0.27)的聚乳酸膜層壓品)除使用0.26g碳酸鈉和2g乙酸乙烯酯外，與實(shí)施例6同樣制備取代度(DS)為0.27的乙?；辨湹矸?。把該乙?；辨湹矸鄣?％水溶液用涂布機(jī)涂布在厚25μm的聚乳酸酯薄膜上，然后干燥得到厚3μm的直鏈淀粉膜。把濕的機(jī)制紙覆蓋在層壓膜的直鏈淀粉膜表面，在加壓下干燥，形成紙、直鏈淀粉膜和聚乳酸酯膜的三層層壓膜，其中直鏈淀粉膜作為粘合劑。
對(duì)所得三層層壓品進(jìn)行90度剝離試驗(yàn)，結(jié)果表明其粘結(jié)強(qiáng)度極為優(yōu)良，雖然紙層有一些破壞，但直鏈淀粉層內(nèi)沒有破壞，酶合成直鏈淀粉層與紙或者聚乳酸酯膜之間也沒有界面剝離。
本發(fā)明使得用生物降解材料層壓聚乳酸酯膜成為可能。
實(shí)施例12(乙?；负铣芍辨湹矸鄣纳锵嗳菪?將5周齡的Wistar/ST雄性大鼠飼養(yǎng)1周，并確認(rèn)健康無異。刮掉肩部和臀部手術(shù)部分的毛，在皮膚上切開小口，將單絲放在小口內(nèi)。手術(shù)2周后，解剖大鼠并對(duì)放入單絲的部位進(jìn)行病理觀察，確認(rèn)是否發(fā)生炎癥反應(yīng)。沒有觀察到炎癥，因此表明生物相容性良好。
實(shí)施例13(防粘連劑的效果和體內(nèi)分解性)本實(shí)施例評(píng)價(jià)了實(shí)施例4的流延膜(由使用3.840g Denacol EX-830的交聯(lián)直鏈淀粉制得)作為防粘連劑的效果和體內(nèi)分解性。
將雌性大鼠的一側(cè)輸卵管切口并縫合，將切口部分用經(jīng)紫外線滅菌的流延直鏈淀粉膜包覆。將同一只大鼠的另一側(cè)輸卵管切口并縫合，保持原樣。一周后，未使用直鏈淀粉薄膜的對(duì)照切口部分痊愈但與腹膜粘連。而直鏈淀粉薄膜包覆的部分沒有任何粘連，并且在切口痊愈后薄膜完全分解。
實(shí)施例14(由酶合成直鏈淀粉制成的膠囊)用實(shí)施例1得到的酶合成直鏈淀粉(Mw 829kDa，Mw/Mn 1.05)，按下面的成分和制法制備膠囊。
膠囊成分量(重量％)殼成分酶合成直鏈淀粉 5脲 2離子交換水 93內(nèi)容物成分檸檬油 8.5薄荷 1.5
椰子油 90采用傳統(tǒng)的雙噴嘴液滴法得到膠囊。膠囊10包括殼11和內(nèi)容物的雙層結(jié)構(gòu)。

圖1是用于雙噴嘴液滴法的裝置100的剖面圖。在該方法中，從雙噴嘴噴出的膠囊劑滴落到水-乙醇混合液130中以便干燥。在所述裝置中，用于內(nèi)容物的內(nèi)噴嘴110的直徑(φ1)是1.0mm，用于殼的外噴嘴120的直徑(φ2)是1.2mm。得到的膠囊10的平均直徑(d)是1.2mm，包覆率是10％重量。包覆率是指殼相對(duì)于膠囊總重量的百分比。膠囊10顯示出優(yōu)良的強(qiáng)度特性和良好的內(nèi)容物保持性。
實(shí)施例15(乙?；负铣芍辨湹矸?DS2.6)的膠囊)除了用2.5g碳酸鈉和20g乙酸乙烯酯以外，與實(shí)施例6同樣得到乙?；负铣芍辨湹矸?DS 2.6)。按下面的成分和制法制備膠囊。
膠囊劑配方量(重量％)殼成分乙?；负铣芍辨湹矸?DS2.6) 5鄰苯二甲酸二乙酯5乙腈90內(nèi)容物成分對(duì)乙酰氨基酚0.02離子交換水 99.98使用上述成分與實(shí)施例14同樣制得雙層膠囊。所得膠囊10的平均直徑是1.2mm、包覆率是10％重量。膠囊10顯示出優(yōu)良的強(qiáng)度和良好的內(nèi)容物保持性。
權(quán)利要求
1.生物可降解制品，它由使用磷酸化酶酶合成的直鏈淀粉制得，其中所述酶合成直鏈淀粉包括僅通過α-葡糖苷鍵結(jié)合的葡萄糖單體，并且重均分子量不低于100kDa。
2.權(quán)利要求1的生物可降解制品，其中所述酶合成直鏈淀粉的重均分子量不低于600kDa。
3.權(quán)利要求1或2的生物可降解制品，其中所述酶合成直鏈淀粉的分子量分布(Mw/Mn)不超過1.25。
4.權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)的生物可降解制品，其中所述酶合成直鏈淀粉可以通過酯化、醚化、氧化、接枝聚合和/或交聯(lián)反應(yīng)進(jìn)行化學(xué)改性。
5.權(quán)利要求1的生物可降解制品，其中所述酶合成直鏈淀粉是以葡糖-1-磷酸為底物、麥芽寡糖為引物、通過葡聚糖磷酸化酶的作用而酶合成的。
6.權(quán)利要求1的生物可降解制品，其中所述酶合成直鏈淀粉是以蔗糖為底物、麥芽寡糖為引物、在無機(jī)磷酸存在下通過蔗糖磷酸化酶和葡聚糖磷酸化酶兩種酶的作用而酶合成的。
7.權(quán)利要求6的生物可降解制品，其中所述蔗糖磷酸化酶衍生自明串珠菌屬(Leuconostoc)的細(xì)菌。
8.權(quán)利要求6的生物可降解制品，其中所述葡聚糖磷酸化酶衍生自植物。
9.權(quán)利要求1的生物可降解制品，其中所述葡聚糖磷酸化酶衍生自馬鈴薯或甘薯。
10.生物可降解制品，它得自包括下述組成的原料(a)使用磷酸化酶酶合成的直鏈淀粉，其中所述酶合成直鏈淀粉包括僅通過α-1，4-葡糖苷鍵結(jié)合的葡萄糖單體，并且重均分子量不低于100kDa，和/或通過酯化、醚化、氧化、接枝聚合和/或交聯(lián)反應(yīng)得到的其化學(xué)改性體；和(b)另一種聚合物材料。
11.權(quán)利要求10的生物可降解制品，其中所述其它聚合物材料是聚乳酸酯。
12.權(quán)利要求1或10的生物可降解制品，其中所述制品是薄膜、片材、絲、纖維、無紡布或其它成型品。
13.權(quán)利要求1或10的生物可降解制品，其中所述制品是涂料或粘合劑。
14.權(quán)利要求1或10的生物可降解制品，其中所述制品是醫(yī)藥、農(nóng)藥或肥料。
15.權(quán)利要求1或10的生物可降解制品，其中所述制品是生物相容的醫(yī)用材料。
16.權(quán)利要求1或10的生物可降解制品，其中所述制品是膠囊。
全文摘要
本發(fā)明提供由磷酸化酶酶合成的直鏈淀粉制得的生物可降解制品，其特征在于所述酶合成直鏈淀粉包括僅通過α－1，4－葡糖苷鍵結(jié)合的葡萄糖單體，并且重均分子量不低于100kDa、優(yōu)選不低于600kDa。本發(fā)明中優(yōu)選使用的酶合成直鏈淀粉的分子量分布不超過1.25，可以根據(jù)需要進(jìn)行化學(xué)改性。本發(fā)明的生物可降解制品可以單獨(dú)用上述酶合成直鏈淀粉或其化學(xué)改性體制備，或者用(a)上述酶合成直鏈淀粉和/或其化學(xué)改性體與(b)另一種聚合物材料組合制備。
文檔編號(hào)A61L15/64GK1455818SQ01815500
公開日2003年11月12日 申請(qǐng)日期2001年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月17日
發(fā)明者北村進(jìn)一, 白石信夫, 吉岡真理子, 工藤謙一, 岡田茂孝, 鷹羽武史, 藤井和俊, 寺田喜信 申請(qǐng)人:江崎格力高株式會(huì)社, 三和興產(chǎn)株式會(huì)社