纳米医药 第7章-分子凝胶载药系统.doc

第7章 分子凝胶载药系统7.1 概述 近年来，人们发现某些小分子有机化合物能在很低的浓度下(甚至低于1 wt%)使大多数有机溶剂凝胶化，使整个体系形成类似粘弹性液体或固体的物质，通常称为有机凝胶（或分子凝胶）。这类小分子有机化合物被称为凝胶因子（gelators）。最近的研究发现，某些凝胶因子不仅能使有机溶剂凝胶化，还能使水凝胶化。由于水不是有机溶剂，故称分子凝胶更恰当。分子凝胶表现出的物理化学性质，不但具有类似溶液中表面活性剂的性质，如能够形成胶束、结晶、分子聚集、自组装、分子识别等，而且类似聚合物溶液的性质，如溶胀和微观质量运动等，故引起人们的极大关注。大多数分子凝胶是二元体系。其制备方法是将凝胶因子在有机溶剂中加热溶解，再冷却至室温。在冷却过程中，凝胶因子在溶剂中通过氢键力、静电力、疏水力以及-相互作用等凝胶化的驱动力，自发地聚集、组装成有序高级结构，形成三维网络体系，并使液体成分静止，形成凝胶。凝胶因子所形成的有序高级结构是一类超分子结构，可作为分子平台，包囊、螯合客体分子。研究这种超分子作用对于研究催化与底物，蛋白、遗传物质的转录、抗体与抗原的作用等具有较大意义。分子凝胶的主要应用领域之一是作为药物载体，药物分子在凝胶体系中的粒径一般在纳米量级，即1nm100nm,这意味着分子凝胶载药系统属纳米粒载药体系。它不仅可包囊脂溶性药物，还可包囊水溶性药物以及以微乳形式存在的药物。 目前，凝胶因子的研究主要限于对小分子有机化合物的研究。但这类亚稳态的分子凝胶的稳定性和机械性能较差。 通过在凝胶中引入可聚合的不饱和基团，使凝胶因子聚集体原位（in situ）聚合，可以改善这类分子凝胶的稳定性，得到比较坚硬的、力学性能好、能长期稳定存在的分子凝胶。 可聚合凝胶因子可根据需要进行化学修饰，如合成结构上带有可反应基团和带电荷基团的分子， 使之更具分子识别功能，这是形成超分子结构的基础。有机聚合凝胶不同于传统的聚合物凝胶, 可用冻干法有控制地除去小分子溶剂，得到大开放网络结构。有机聚合凝胶在催化、化学传感、与生物活性分子的结合以及用于分离对映异构化合物的特效色谱介质方面具有较大的潜在应用价值。 表征有机凝胶的一种有效的研究方法是利用其流变学性质和热力学性质。研究凝胶因子体系，首先必须鉴定凝胶状态。流变学提供了一种测量类凝胶物质流动性的方法，并可方便的对“强”凝胶和“弱”凝胶进行区别。研究凝胶流变学的方法主要包括稳定切变、振动应力松弛和蠕变试验等。有机凝胶的热力学性质是十分重要的，这些热力学性质包括凝胶相图、溶胶凝胶相转变温度（TSG）与焓或凝胶溶胶相转变温度（TGS）与焓等。所用方法包括量热法（DSC），温度扫描流变试验和各种光谱技术（荧光、IR、EPR、NMR等）。 对有机凝胶聚集体的精确结构的研究，可采用常用光谱（NMR, EPR, IR, UV, CD等）和广角X-射线衍射（WAXS）提供局部的结构信息。高分辨率显微镜可给出直观的结构信息，但必须与散射技术等辅助手段相结合，才能得到比较完整的有关结构的信息。高分辨率显微镜主要有TEM，SEM，AFM等，散射技术主要有小角中子散射（SANS）和小角X射线散射（SAXS）等。在特殊条件下，如对链状聚集体的长度、柔软程度以及扩散系数的确定，可以通过使用弹性和准弹性光散射技术3。关于有机凝胶聚集体动力学研究，例如，热可逆网络的分子动力学的研究可以使用光子相关光谱，也可借助带有宽频率（10-1 Hz109 Hz）的介电光谱。7.2 凝胶因子的种类7.2.1 脂肪酸衍生物 在过去的研究中发现，取代脂肪酸及其单价、二价或三价金属盐（例如结构式1和2），如12-羟基十八酸及其相关的盐能够使有机溶剂变得粘稠，如石油锂皂的半固态分散液广泛地应用于润滑油工业，从某种意义上讲，凝胶因子的研究正是从这个领域中分离出来的。对纯物质（大约99%）的第一次系统研究是在1980年，一些辅助技术的使用，例如圆二色谱，X射线衍射，SEM，DSC，FT-IR和偏光显微镜等对不同结构的胶体进行了表征。后来，利用强辐射散射技术（中子和X射线）对凝胶的精确结构进行了研究，其范围可从显微水平到半显微水平。可被这类分子凝胶化的有机溶剂从烷烃、四氯化碳、芳香烃直到极性较大的如硝基苯。 SEM发现凝胶中有纤维状聚集体，例如由双十六烷基磷酸铝（结构式1）组成的聚集体。用粘度计研究苯或庚烷中的油酸羟基钴衍生物（结构式2）稀释液的流变曲线表明体系是非牛顿力学行为。这些溶液，没有屈服值，加入吡啶或乙酰丙酮后其粘度会显示出剧烈的降低。这个现象支持以下假设：钴原子参与了配位成键过程，并导致了超分子聚集体的形成。 结构式1 结构式2 结构式3 结构式4 结构式5 结构式67.2.2 蒽基衍生物 形成3D网络结构的驱动力通常是氢键。但也有一些凝胶因子并不是靠氢键作用来形成凝胶的。带有胆甾烯基的蒽的衍生物可在室温下使有机溶剂发生聚集。2,3-二-n-葵基蒽酚（DDOA，结构式3）能够将各种烷烃、醇、脂肪胺以及腈凝胶化，并形成发光凝胶。DDOA的结构除了能够形成偶极力以外，还可以产生分子间-作用从而构成三维网络。与DDOA类似的蒽醌衍生物（结构式4）也是一种凝胶因子。DDOA能在较大温度范围内发生溶胶凝胶的相转移。DDOA由于具有光致变色性质引起了人们的注意。DDOA/丙酮凝胶的电子显微照片表明有密集3D随机网络的出现。其纤维状聚集体直径为60nm70 nm。值得指出的是，DDOA/乙腈凝胶在承受机械应力时，会发生明显收缩。7.2.3 氨基酸基衍生物1 2-辛基十二烷基4-（1-萘胺）羧基胺苯甲酸酯(结构式5)能以质量分数w=4%在有机溶剂中形成向列型凝胶。DSC测得其TGS较双折射所得结果要大一些。当对样品进行温度骤降时，可以观察到明显的双折射现象。凝胶样品的冷却速度与微结构尺寸的相互关系表明它们可以形成亚稳态结构。2 4,4,4”-三（十八烷酰氯）三苯胺（TSATA, 结构式6）及衍生物。低分子质量的TSATA可以使许多有机溶剂凝胶化。DSC研究表明TSATA具有很好的热可逆性。加热时凝胶转变为溶胶，出现一个吸热峰。冷却时，溶胶转变为凝胶出现一个放热峰。这种热可逆转变对应于DSC曲线的吸热与放热峰。吸热与放热峰被认为与TSATA三维网络结构的形成与消失有关。溶胶与凝胶的转变温度则在很大程度上取决于溶剂。TSATA的红外光谱以及溶液的各向同性证明了聚集体的3D网络结构是通过分子间氢键作用形成的。3 N-苄氧羰基-L-丙氨酸-4-十六烷酰-2硝基苯酯 (结构式7) 能利用N-H和C=O的分子间氢键相互作用使甲醇和环己烷凝胶化。NO2与C=O（位于4个位置）基团的偶极相互作用以及长烃基链都对聚集过程起重要作用。4 长链烷胺基衍生物。如N-苄氧羰基-L-缬氨酸n-十八烷基胺（结构式8）能够在大多数溶剂中形成凝胶。IR光谱证实了分子间氢键的参与。 结构式7 结构式85 低聚的-氨基酸凝胶因子（结构式9）。 H ( NH-CH(R)-C(O )n NHCmH2m+1 (结构式9) R=CHMe2 , n=5.0, m=18 R=CH2CH2CO2Et ,n=5.0, m=12R=CHMeEt, n=5.0 , m=18 R=CH2CH2CO2Et ,n=5.2,m=18R=CH2Ph, n=5.1, m=18 R=CH2CH2CO2Et ,n=10.2, m=18R=CH2CH2CO2Me, n=4.2 , m=12 R=CH2CH2CO2Et , n=20.5, m=18R=CH2CH2CO2Et, n=3.5,m=3 R=CH2CH2CO2Et , n=4.2, m=12R=CH2CH2CO2Et, n=6.0,m=6 R=CH2CH2CO2Et, n=22.6,m=12结构式9中的和具有较好的凝胶化能力，能将DMF、DMSO凝胶化。对于芳香类溶剂具有优良的凝胶化能力。在其浓度范围为9gcm-319gcm-3时，可将许多醇类凝胶化。的C-末端基团的疏水性除了对芳香类分子有作用以外，对于其它溶剂几乎没有影响。的凝胶实验表明当低聚程度小于10时，适于作凝胶因子。，也得到类似的结果。凝胶效果取决于低聚度，C-末端和N-末端的亲水性/疏水性以及-碳原子构象1。 6 环二肽化合物(结构式10)。其结构中R1，R2可以是各种烷基2。 结构式10 结构式11 结构式12每个分子含有4 个氢键结合点。带有支链烷基的类似化合物是更为有效的凝胶因子。IR证明了氢键的存在，TEM证实了纤维状聚集体的存在。将溶剂从凝胶中蒸发出来形成半透明膜，即干凝胶，而非晶体。10的CCl4干凝胶的X-射线衍射数据表明干凝胶是层状结构。将FTIR与X-射线衍射数据结合起来，证实分子间氢键作用是凝胶形成的原因。7 缩肽（结构式11，结构式12）与前述大多数凝胶因子不同，环CH2CO-L-亮氨酰-L-亮氨酸（结构式11，R1=R2=CH2CHMe2）能够将极性溶剂乙睛和非极性溶剂乙醚都凝胶化，而对于己烷，环己烷，或丙醇却没有作用。结构式12(R1=R2=CHMe2)可先溶于二甲亚砜再溶于水即可形成凝胶。7.2.4 叔胺及其季胺盐3简单的叔胺及其季胺盐可与有机溶剂形成热可逆凝胶，这类有机溶剂有DMSO、十二烷烃等。光学显微镜以及SANS的初步研究证实了凝胶内束状网络的形成。所有的凝胶因子至少带有两条长的烷烃链连接在N原子上。例如使1-辛醇凝胶化的季铵是N,N,N-三-十八烷胺和胆甾二十烷胺。甲基双十八烷胺不能使1-辛醇形成凝胶，却能将四甲基四苯基硅氧烷凝胶化。碘化N-甲基-N,N,N-三-十八烷基的凝胶性质见表7-1。表7-1 碘化N-甲基-N,N,N-三-十八烷基的凝胶化实验溶 剂形成凝胶浓度（%）凝胶化行为室温稳定时间环己烷3.7沉淀十二烷3.0不透明凝胶3 个月十六烷2.1不透明凝胶3 个月甲苯4.0半透明凝胶2 小时苯4.0半透明凝胶2 小时道康宁704硅油2.5半透明凝胶2 个月1-丙醇4.3沉淀1-戊醇5.0沉淀乙睛3.3沉淀二甲亚砜2.5透明凝胶20 分钟7.2.5 二脲型凝胶因子1脲类衍生物（结构式13，结构式14）4 单脲a在环己烷中冷却时才形成凝胶。二脲化合物dg不易溶，加热至100150才逐渐溶解于一些溶剂中，所以应选择一些高沸点溶剂。dg对于几种有机溶剂例如1-辛醇，2-辛醇和四氢化萘是有效的凝胶因子，所形成的凝胶也是可逆的。f和g形成的凝胶显示了更高的热稳定性，其四氢化萘凝胶甚至在150仍保持稳定。光学显微镜证明凝胶是双折射的。通过电子显微照片可知二脲化合物形成了平面薄层结构。这些薄层有时出现折叠和堆积，并有可能形成延伸的三维网络结构。 结构式13 结构式14a. R= -(CH2)7CH3 d. n=3 g. n=12b. R= e. n=6 c. R= f. n=9 2叔丁基酯二脲衍生物(结构式15)5 在5时，a可将四氢呋喃和丙酮凝胶化，但在室温时凝胶熔融，b的溶解性虽然增强了，在任何溶剂中都无凝胶特性。c在乙酸乙酯中可形成非常稳定的凝胶。在氯仿和甲醇中生长形成晶体。X-a.R= CH3b. R= CH2Pnc. R= CH(CH3)2射线确定其结构并证实了晶体是由氢键形成的三维网络结构。结构式153异氰酸酯与二胺反应的产物(结构式18) 6 以脂肪族、芳香族作为溶剂，2和3的溶液冷却时形成稳定凝胶（表7-2）。2形成凝胶的质量浓度非常低（3 mgml-1）实验表明这些凝胶是热可逆的。FTIR光谱证明了脲基基团之间氢键的存在。这些二脲化合物在对二甲苯与四氢萘中可形成透明的凝胶。可以观察到2和3的凝胶中有许多纤维状结构。2在四氢化萘中的TEM照片表明纤维具有多层结构。扫描隧道显微技术（STM）可获取体系在分子水平的详细信息。表7-2 二脲化合物的凝胶化能力十六烷p-二甲苯1-辛醇n-醋酸丁酯环己酮四氢萘1沉淀沉淀沉淀沉淀沉淀凝胶2凝胶凝胶沉淀凝胶凝胶凝胶3凝胶凝胶沉淀沉淀凝胶凝胶4不溶凝胶沉淀沉淀沉淀凝胶5不溶凝胶凝胶沉淀凝胶凝胶6沉淀沉淀沉淀沉淀沉淀凝胶 7.2.6 甾族衍生物(结构式16, 结构式17)一些甾族衍生物7由于具有分子手性，能够将有机溶剂凝胶化。例如二氢羊毛甾醇的质量分数w=1%10%时，可以将各种矿物油、合成油、动物油以及硅油凝胶化。 结构式16 结构式17这类化合物在芳香烃和极性溶剂中不能形成凝胶。饱和烃如环己烷凝胶在密闭容器内可以稳定数十年。7.2.7 带有甾基的蒽及蒽醌型凝胶因子。 如胆甾烯基4-（2-蒽酚基）丁酸（CAB，结构式19）和胆甾烯基蒽醌-2-羧酸（CAQ，结构式20）。CAB可以与许多溶剂例如烷烃、乙醇、酸类、酯类等形成凝胶， CAB、CAQ还可以凝胶化一些复杂液体，如硅油。许多CAB凝胶是发光的。 结构式19 结构式207.2.8 金属有机化合物（结构式21, 结构式22） 单核铜-二酮化物的盘状分子的形状有利于通过堆积过程而形成棒状聚集体。结构式21可以形成纯的热致介晶相，也可以是含有99%环已烷的有机凝胶，铜离子的顺磁性使得它可以用EPR的X-及Q-波段进行研究。EPR定性研究了有机金属样品中弱电子交换并为研究聚集动力学提供了方便的方法，TEM和SANS实验证明了纤维状网络的存在。类似的金属有机化合物还有金属卟啉化合物(结构式22)。 结构式21 结构式227.2.9 环糊精衍生物（结构式23）-环糊精（-CD）是 -1,4位连接有糖苷单元的环庚烷糖类形成了一个锥形的冠状结构。由于“笼状”或“沟状”结构的存在，在干燥的吡啶中可形成各向同性凝胶，或在有少量水的条件下在不同溶剂中（甲苯、氯仿）形成三元凝胶。类似的衍生物如化合物24。结构式23 结构式247.2.10 可聚合凝胶因子体系有机凝胶是通过小分子化合物的自组装形成的，由于易结晶或机械性能差，通常不稳定。近来，研究发现了一类新型的可聚合有机凝胶因子，通过使凝胶因子聚集体原位（in situ）聚合，可以改善这类有机凝胶的稳定性。这种体系与普通的大分子凝胶的区别在于，其单体首先通过氢键形成凝胶然后再聚合。结构式25 结构式261如Feringa等8合成的以（1R,2R）-trans-1,2-二脲基环己烷作为基本结构单元的可聚合凝胶因子，在有机溶剂中可形成高度稳定的凝胶。以摩尔分数x=5%的2,2-二甲氧-2-苯基乙酰苯作为光引发剂，对化合物25用200W的高压汞灯进行辐照2h。干凝胶的FTIR表明在3120cm-1和3050cm-1的CH振动消失了。1H NMR分析，用CDCl3抽提干凝胶没有发现单体，证明2 h的辐照使结构式26的凝胶完全聚合。聚合使得凝胶的热稳定性显著增加至有机溶剂的沸点。即使浓度低于2mg/mL，其凝胶至少保持稳定至135，高出未聚合凝胶熔点100，在这样高的温度下，化合物25既不熔融也不收缩，浑浊度也不增加。光引发聚合的25稳定时间也大大延长，可以保存数月而体积和浑浊度不发生变化。未聚合的化合物25在1,2-二氯乙烷中1 h后就开始结晶。聚合导致了高度交联结构的形成。2Shinkai等9设计了可聚合凝胶因子（结构式27）。化合物27含有两个可进行交联反应的联乙炔基团，及能进行凝胶化的质点即环己烷二酰胺片断。它不但能凝胶非极性溶剂，而且能凝胶化几种极性溶剂。25 下，混浊凝胶的光聚合会引起颜色变化，如当在500 W的高压汞灯下用UV光辐照1 min后，发现凝胶由光照前的白色混浊变成了光照后的绿色。这表明，在凝胶中由化合物27聚集形成的纤维，因含有联乙炔基团，可发生分子间的聚合反应。聚合前，环己烷凝胶（27 = 10.2 mmol/dm3）的溶胶凝胶相转变温度（Tgel）为46 。而光照后的凝胶可稳定到58 ，然后在更高的温度下逐渐发生体积收缩，释放出溶剂。而对于环己烷凝胶（27 = 10.2 mmol/dm3），聚合前（Tgel = 41 ）和聚合后（Tgel = 42 ）的仅变化了1 。该结果表明，聚合反应是在凝胶中形成的不同种类的极微小的粒子上开始的。而环己烷凝胶的微粒的没有生长得很宽，以至不能使凝胶结构稳定化。将UV辐照聚合后的环己烷凝胶用氯仿进行漂洗，然后用MALDI-TOF对可溶于氯仿的产物进行分析，发现聚合凝胶纤维中主要的成分为齐聚物。结构式273Shimizu等10合成了可聚合的含糖基的联乙炔衍生物（结构式28和结构式29）。将7g化合物28溶于300mL乙酸乙酯和700mL n-己烷的混合溶液中，缓慢冷却到室温，可固化成凝胶。化合物28形成的凝胶可承受少量的机械压力，但化合物28不能在甲醇、氯仿和DMF等普通溶剂中形成凝胶。未负染的样品的EF-TEM照片表明28的乙酸乙酯/n-己烷凝胶由宽度为6nm20nm的纳米纤维组成，但这些纤维没有明显的缠绕或螺旋。由于EF-TEM的电子束导致了丁二炔的聚合，使得EF-TEM观察到的化合物28的纳米纤维较硬。FT-IR光谱证明了在凝胶纤维中酰胺氢键的存在。这些发现与化合物28形成的纤维层状结构有关，认为氢键网络结构对纤维有稳定作用。然而，在同一溶剂中，化合物28的差向立体异构体(epimer) 化合物29形成的是无定型的固体，而不是纤维。这是由于堆积构象中，邻近的吡喃糖(pyranose)环之间存在空间位阻。在Ar气保护下，将3.3 mg 28 在1mL乙酸乙酯和9mL n-己烷混合溶液中形成的纤维凝胶在254-nm UV光或-射线下辐照，该凝胶从无色变为红色(max = 506和546 nm)。与在固态发生聚合的聚联乙炔衍生物相比，最大紫外吸收峰发生了蓝移。因此，产生了共轭聚合物链的线团构象或中等伸长。相比，UV辐照下，在氯仿溶液中得到的化合物28和化合物29的无定型固体未发生颜色变化。已证明，引入到单体中的联乙炔是在晶区被聚合的，此外，晶格中联乙炔单体的聚合能力强烈的依赖于它们的堆积参数。考虑到其严格的位置要求，分子28排列成一直线，晶面间距为0.5 nm，相对于纳米纤维的平移轴的取向度为45。C=C双键的FT-IR特征峰(1625cm-11640cm-1)的出现也支持了化合物28的纳米纤维的聚合作用。辐照后的聚合纤维不溶于甲苯中，但辐照后的聚合纤维的溶解性及UV-vis光谱与可溶性的聚联乙炔类聚合物如poly-4BCMU等相似。结构式28 结构式29 用氯仿作溶剂，凝胶渗透色谱(GPC)证明发生了聚合作用。经UV辐照40 min后的聚合纤维的GPC图表明重均分子质量(MW)为3.31031.6103 (聚乙烯作参比)。经更长时间的辐照(4 h)，凝胶会发生从红色到橙色的变化，结果，单体峰消失，分子质量分布移向高分子质量区。用-射线辐照的聚合纤维也显示了相似的分子质量分布(MW = 2.81032.0103)。这种齐聚物表明纳米尺寸纤维缺乏长程分子有序，而这种长程分子有序是形成高分子聚联乙炔类聚合物所必需的。 -射线辐照的聚合纤维的EF-TEM照片表明，其聚合物纳米纤维与辐照前的纳米纤维是相似的。纤维的最小宽度为3 nm。用凝胶作模板，化合物28的纳米纤维的聚合在纤维中产生了齐聚乙炔链。可估计出用纳米纤维作模板的齐聚联乙炔类衍生物的分子质量分布。光学显微镜和EF-TEM均未给出微晶图像，证明未发生微晶的固体聚合。X-Ray衍射分析未辐照的纤维，发现没有产生晶体的Bragg反射。7.2.11 几种新的凝胶因子11-14基于分子凝胶因子主要是通过分子间氢键作用，自我组装成三维有序结构的机理，杨亚江等对此进行分子设计，将长链烷酰基引入二苯甲烷二胺、苯二甲胺、己二胺、二苯醚二胺等化合物，成功地得到了一系列的分子凝胶因子，在很低的浓度下能够将数十种溶剂凝胶化，如苯、甲苯、氯仿、二苯醚、苯乙烯等。值得注意的是，其中的二苯醚二胺衍生物凝胶因子能使水凝胶化。由于水不是有机溶剂，故称这类凝胶为“分子凝胶”，比称有机凝胶更恰当。这四种二元胺衍生物凝胶因子分别记为A、B、C、D，表7-3为四种凝胶因子的凝胶化性能。表7-3 四种凝胶因子的凝胶化性能溶 剂ABCD水IIIG苯GGGFGN1,2-二氯甲烷GGNGNGF四氯化碳GGNGGN二苯醚GGGGp-二甲苯GGGNGN氯仿GNGNGNGN二甲亚砜GGGGFN,N-二甲基甲酰胺GGFGG甲苯GNGFGNGN氯苯GGNGNGN环己胺GIII苄醇GNGGGN苯乙烯GGGG乙二醇GNGNGFG丙醇GNGNGFG环己醇GNGNGFG大豆油GGGGG：形成稳定凝胶；GF：在低温下形成稳定凝胶；GN：形成凝胶，但不稳定；I：不溶。由表7-3可以看出，上述二元胺系列凝胶因子的凝胶能力不尽相同。凝胶因子B-D对于非极性溶剂的凝胶能力较差。凝胶化能力及其形成凝胶的热力学过程（在固相与液相发生相分离之前）是由凝胶因子的分子结构，空间构像以及分子间作用力的强弱决定的。通过研究“单体”和聚集体的光谱差异发现，在溶液冷却至室温后，分子聚集与紧随其后的的凝胶化过程并非立即发生。诱导时间和胶束聚集体的聚集过程遵循非定向聚集体的成核和生长规律。其动力学曲线可以用两步均相模型进行模拟，第一步是自催化，第二步是一级反应。将长链烷基与不同类型的二元胺通过形成酰胺基团连接起来，合成方法较为简单。酰胺基团很容易与聚集体中邻近的分子形成氢键。分子模型研究表明，酰胺基团彼此平行且垂直于苯环。另外，可能的-相互作用也使得延伸的空间网络结构得以形成（图7-1）。图7-1 凝胶因子分子间氢键及-相互作用示意图（式中R C17H35；X O 或 CH2）图7-2是这类凝胶因子在水中和二苯醚中形成分子凝胶的TEM照片。照片中的“缠结”区域是由两条或者更多条细小的纤维结构缠结在一起而形成的，这些纤维结构的长径比都很大。TEM照片解释了当纤维结构生长到足够长度并且发生缠结，水或有机溶剂就会被“锁定”在三维网络结构中，其后发生凝胶化现象。 图7-2 二元胺衍生物凝胶因子形成的二苯醚凝胶（左，2900X）和水分子凝胶（右）的TEM照片（7200X）考虑到这类分子凝胶的稳定性和机械性能较差，且容易从亚稳态的凝胶向稳定的结晶态转变。为此合成了4,4-二(-甲基丙烯酰氧基-1,3-亚乙氧基羰基丙酰氨基)二苯甲烷（BMDM）可聚合凝胶因子（结构式如图7-3）。通过使凝胶因子聚集体原位（in situ）聚合，可以改善这类分子凝胶的稳定性，得到力学性能较好的分子凝胶。图7-4为可聚合凝胶因子在二苯醚中的TEM照片。图7-3可聚合凝胶因子BMDM结构示意图图7-4 可聚合凝胶因子BMDM在二苯醚中形成的凝胶的TEM照片（左：10000X；右：3600X）从凝胶的X射线衍射强度曲线图可知，X射线衍射强度峰具有周期性，这表明凝胶中凝胶因子的聚集体具有层状结构。根据Bragg方程从2角算得层状平面间的间距：式中，n是整数0，1，2，3，称为级；是X射线的波长；d(hkl)是晶体中相邻平面之间的距离；是衍射射线偏离入射X射线角度的一半。计算结果的数据表明自组装纤维中相邻的BMDM分子层间的距离为2.11nm，间邻分子层间的距离为3.50nm。由此可模拟出自组装纤维中BMDM分子的空间排列及其结构，如图7-5所示模型。该模型是采用Advanced Chemistry Development Inc.公司的ACD/3D（Version 4.52）软件模拟的。根据图7-5的模型，可得自组装纤维模型中纤维的宽度为3.1nm，厚度为0.1nm0.35nm，而且纤维是一种带状的薄带。根据分子模型，计算得单个BMDM分子的两个对称的链尾之间的内侧距离为0.87nm，外侧距离为0.93nm，即中轴间的距离为0.90nm，这与X-射线衍射测得的晶面间距d500（0.89 nm）非常接近。从X-射线衍射数据可知，该凝胶因子的分子间的自组装和堆积是复杂的，除了该自组装模型外，还可能有其它的模型存在。图7-5 BMDM的通过氢键聚集的自组装模型：左：为分子的空间外形图，右：为分子的Licorice表达未聚合的BMDM在二苯醚的凝胶态中，自组装成一种细纤维，其直径为50nm700nm。这些纤维是一种有序的各相异性分子的堆积和排列。图7-6为聚合后凝胶的SEM图片，发现聚合凝胶内存在大量菊花瓣状的直径为20mm100mm的球形结构，而这些球形结构则是由相互缠结的纤维网络组成的。各个球形结构之间仅由少量的细纤维连接在一起。纤维的直径为50nm500nm。SEM图片还表明该三维纤维网络是一种互穿网络结构。利用偏光显微镜在正交偏振条件下观察光聚合前后的二苯醚凝胶，视野中存在的典型Maltese黑十字消光图像（如图7-8）进一步证实，聚合前后的凝胶中存在的球形结构是一种球晶。聚合前凝胶的球晶直径为20mm55mm，聚合后为50mm105mm。图7-6可聚合凝胶因子BMDM在二苯醚中形成的有机凝胶经光辐照150 min后的扫描电子显微镜照片（w = 4.9%, Pt coated）：左：bar = 30 mm，右bar = 10 mm。图7-7 BMDM的二苯醚聚合凝胶中，显示Maltese十字球晶的正交偏光显微镜照片（放大倍数为200）：左：光辐照前；右：二硬脂酸酰胺基二苯甲烷的二苯醚凝胶；7.3 应用 由于在微观和介观尺寸结构上的多样性、热可逆性、对溶剂的化学敏感性，使凝胶在未来的应用领域中具有广阔前景，本节颉集中介绍分子凝胶的载药体系。 凝胶的一个重要应用前景是用于药物载体、大分子分离，蛋白质结晶等。 目前正在利用分子的锥形结构开发分子孔隙的二维定向网络。利用凝胶取代液体体系，其优点在于许多化学物质被定位，流体动力学对流减少。这些特点对于各种化合物的缓慢结晶是重要的。 另一个重要的应用前景，是可用凝胶因子作模板制备纳米结构材料。Weiss15通过凝胶模板滤取工艺，制备了含有纳米尺寸孔洞的膜。在凝胶模板滤取工艺中，在含有交联剂的甲基丙烯酸酯或苯乙烯等可聚合溶剂中加入凝胶因子，制得凝胶。基质聚合后，用适合的溶剂将凝胶因子除去，分子凝胶纤维网络被刻在交联聚合物基质中，得到含有纳米尺寸通道的多孔性膜。Shinkai16等最近用目前流行的溶胶凝胶法，通过用手性分子凝胶因子自组装纤维作模板，并通过煅烧除去有机模板后，制备得到了具有手性的螺旋中空二氧化硅纤维。 7.3.1 微乳/分子凝胶v/w/o(vesicle in water in oil)17,18 1986年，Haering首次报道了天然的明胶和微乳的混合物，所形成的体系称之为微乳凝胶。明胶是一种天然高分子物质，溶于热水而不溶于冷水。将明胶加入到乳液体系中，相当于一种共乳化剂，当冷却至室温时，即形成微乳凝胶。当时所用微乳体系是水、异辛烷和1,4双（2-乙基己基）磺化琥珀酸钠盐（AOT）。但由于AOT的毒性，认为这种微乳凝胶不可能作为药物载体。故并未引起重视。显然，由于这种微乳凝胶是一种微乳天然凝胶，并不是本文所介绍的微乳/分子凝胶，不容置疑的是，当今的微乳/分子凝胶的概念是起源于当初的微乳天然凝胶。某些有机溶剂，如十六烷、十四酸异丙酯、玉米油等可以在凝胶因子的作用下发生凝胶化，如油溶性非离子表面活性剂山梨糖单硬脂酸酯即为这样一种凝胶因子。制备过程是在60左右，将凝胶因子溶（或分散）于有机溶剂中，先制得溶胶相，然后冷却得到凝胶相。溶胶相在冷却过程中，将降低凝胶因子与有机溶剂的亲合力。这种亲合力实际上是凝胶因子分子在有机溶剂中自组装成为纤维状聚集体的驱动力。纤维状聚集体进一步与另外的纤维状聚集体缔合，从而形成一个三维网络结构，将有机溶剂“固定”起来。所制得的分子凝胶是一种外观上不透明的半固体状态。而且是热可逆的，即加热此分子凝胶，纤维状聚集体随之解缔，使之熔融成为溶胶相。而当冷却时，溶胶相重新回到凝胶状态。分子凝胶的微观形态可以认为是表面活性剂分子所形成的一种反相双层结构。所形成的凝胶，在光学显微镜下可观察到相互缠结的纤维状聚集体分布在凝胶的连续介质中。如图7-8所示(引自文献18)。 图7-8 微乳/分子凝胶的光学显微照片亲水性的表面活性剂，如聚氧乙烯山梨醇单月桂酸酯（吐温20）也可加入这个体系，它可增加长链（C14）有机溶剂分子所形成的分子凝胶的稳定性。同时，它还可增加油溶性表面活性剂在上述有机溶剂中的溶解性。其作用机理可能是通过形成一种混合反相胶束。显然，随着凝胶因子在有机介质中的溶解性的增加，是有利于提高所形成的分子凝胶的稳定性。当溶胶相（即山梨糖单硬脂酸酯/聚氧乙烯山梨醇单月桂酸酯/有机溶剂）在冷却过程中，亲水的聚氧乙烯山梨醇单月桂酸酯更倾向于结合在纤维状聚集体网络的双层膜上，这种有机的分子凝胶也可以与某些含有亲水性药物的水相结合，形成一种油包水（W/O）的分子凝胶。可作为亲水性药物/疫苗的给药载体。也可以与某些复合的水相悬浮液，即由表面活性剂形成的胶体微囊悬浮液结合，形成一种多组份体系。这种多组份体系与简单的油包水（W/O）分子凝胶相比，具有如下优点：保护某些蛋白类药物在服用后不被酶解，所包裹的药物可实现缓释。这种胶体微囊悬浮液体系被称为Niosome (non-ionic surfactant vesicle)，可以包裹亲水性和疏水性药物，如图7-9所示（引自文献19）。图7-9 微乳/分子凝胶（v/w/o）网络结构的示意图这种分子凝胶与通常的聚合物水凝胶（有时又称为“智能凝胶”）相比，后者易被微生物污染，而微生物代谢的结果导致水凝胶结构的瓦解。同时，通常的聚合物水凝胶，通常是pH敏感的，环境pH 的改变又会影响药物在水凝胶上的负载。而分子凝胶则没有这些问题，因为构成分子凝胶基体的有机溶剂几乎不可能被微生物污染。另外分子凝胶的流动性也远大于聚合物水凝胶。1微乳/分子凝胶（v/w/o）的制备（1）分子凝胶油相的制备：将山梨糖单硬脂酸酯（体积分数=10%）和聚山梨醇酯20（体积分数=2%）加入进一个管形瓶内，然后加入有机溶剂，如十六烷、异丙基十四酸酯。将混合物在水浴中加热至60使表面活性剂全部溶解，得到一个清亮的无色溶液。冷却至室温，得到白色不透明的半固体分子凝胶。（2）含有羧基荧光素的Niosome悬浮液的制备：聚山梨醇酯20、胆固醇、胆固醇-聚氧乙烯醚按物质的量比为45：45：10（总计300mol）的比例溶于15mL氯仿（100ml圆底烧瓶中），随后有机溶剂在60下，在旋转蒸发器上被蒸出。剩余物在瓶壁上形成一层薄膜。继续以氮气流干燥此薄膜层，随后用6mL 含有羧基荧光素（0.005mol）的trizma缓冲溶液进行水合化。该缓冲溶液的制备是在60水浴中机械震摇1小时，薄膜层的水合化温度为50（山梨糖单硬脂酸酯的凝胶/液化转变温度），将所形成的多室Niosome悬浮液在暗处冷却至室温，经Sephadex G50凝胶柱除去未包裹的羧基荧光素。（3）含有抗原（牛血清白蛋白）的Niosome悬浮液的制备：与上述方法类似，只是水合化时用放射标记的牛血清白蛋白溶液进行。将Niosome悬浮液冷却至室温后，用超速离心机除去未包裹的抗原。然后用PBS稀释至7mL，再以5000rpm 在4下离心1小时。除去上清液，再加7mL PBS后重复这一过程，除去上清液后，加入7mL PBS即得。（4）v/w/o分子凝胶的制备：将Niosome悬浮液在60下加入上述的有机相（O相）中，得到微乳/分子凝胶乳液。当冷却至室温， v/w/o乳液转变成白色不透明的，热可逆的半固体分子凝胶。在60得到的v/w/o乳液类似于常规的o/w/o乳液。在v/w/o乳液中，Niosome双层与表面活性剂膜之间存在着表面活性剂的交换。如此制得的分子凝胶在室温下可稳定数月。2微乳/分子凝胶（v/w/o）的载药性能如果采用肌肉注射，所载的牛血清白蛋白是以缓释的形式从v/w/o载体中释放出来。实验证明，其它形式的载体所载的大多数抗原在肌肉注射8小时后已经清除。相比之下，v/w/o凝胶所载的抗原释放需约1天，甚至在48小时后仍有40%抗原存在。7.3.2 脂质体分子凝胶19皮肤对于大多数化学药物是一种天然屏障，只有很少的药物以必需的治疗剂量渗透进入皮肤。但是，透皮给药作为一种安全、方便的给药途径仍然具有极大的应用前景。因而，凝胶作为透皮给药的基体材料受到人们的关注。卵磷脂（常用大豆卵磷脂）在特定条件下，在非极性有机溶剂中可以形成一种长而柔顺的聚集体，并互相缠绕形成网络结构，被称之为“微乳凝胶”。这个体系通常具有较高的粘度，并且是透明或半透明的半固体状态。在这些非极性有机溶剂中，脂肪酸的酯类特别引起药剂学家的兴趣，例如棕榈酸异丙酯。卵磷脂微乳凝胶在药物制剂中的应用，主要是由于： 卵磷脂具有增溶不同物理化学性质的客体分子的能力。 对皮肤的刺激作用轻微。 卵磷脂，以及棕榈酸异丙酯本身就是一种皮肤渗透的促进剂。卵磷脂微乳凝胶的制备方法很简单，例如，在室温下，将1.9g 的卵磷脂溶入10mL的棕榈酸异丙酯，然后在搅拌下加入0.135mL的水。在水加入后很短时间内即形成凝胶。研究中所用的模型药物是吲哚美辛（indomethacin）或二氯酚酸（diclofenac），这是一类常用的非类固醇抗炎药物。 除了卵磷脂之外，其他合成脂质体近来也发现可使有机溶剂凝胶化，而且凝胶化能力极大依赖于脂质体的化学结构。近来，糖基分子的自组装在超分子化学领域日益受到关注20。 这是因为这类化合物本质上具有生物相容性，并且是环境友好的。然而，糖类化合物分子的复杂结构往往限制了它们的应用。为了构建糖基化合物凝胶因子，有报道合成了一种带糖基的固相脂质体，其制备过程是利用氯甲基化的聚苯乙烯树脂为模板，反应式和结构如图7-10：图7-10糖基的固相脂质体反应式和结构式研究发现，这种带糖基的脂质体对己烷、苯、甲苯、乙酸乙酯、丙酮、乙睛等是良好的凝胶因子。图7-11是这种凝胶因子在苯中形成的分子凝胶的SEM照片（引自文献21）。这与大多数分子凝胶的SEM照片是一致的。图7-11 糖脂凝胶因子在苯中形成的分子凝胶的SEM照片与大多数可形成氢键的凝胶因子一样，某些（不是全部）糖类化合物也是一类可以形成凝胶的凝胶因子。有报道认为，能形成结晶结构的糖一般来说具有凝胶化能力。为了证实结晶与凝胶化能力之间的关系，合成了四种糖分子，但只有一种能使苯、甲苯、二甲苯、二苯醚、四乙基硅烷、四氯化碳等凝胶化。7.3.3 泊洛沙玛（Poloxamer）凝胶21 Poloxamer 407是一种具有表面活性的聚氧丙烯/氧乙烯嵌段共聚物。在其组成中，聚氧乙烯的含量在70%，而聚氧丙烯的含量在30%，其平均分子质量约为11500。这种聚合物水溶液的一个显著特性是所谓LCST（低临界溶液温度）性质。例如，当聚合物水溶液的浓度为20%30%时，在低温下（45）是可以流动的液体，而在室温，或在人体生理温度（37）时，则形成高度粘稠的凝胶态。这种所谓LCST特性（也是一种温敏特性）使得聚合物在低温下“流入”体内或创口，随即在体内温度下失去流动性。而且溶胶/凝胶（sol/gel）转变是可逆的。Poloxamer的这种特性使其在给药系统受到极大关注，尤其在局部或透皮给药方面。当然，作为一种局部给药的凝胶，其流变学性能需要准确的控制。如同大多数半固体的凝胶态物质一样，这种凝胶也具有不可逆的剪切破坏、触变性等，可以通过加入某些添加剂来改善其流变学特性。具体制备过程如下：在低温条件下，在质量分数w=25%的Poloxamer 407的水溶液中，加入卵磷脂（质量分数w为1%8%）和液体石蜡（质量分数w=5%）。卵磷脂在此是用作渗透促进剂，液体石蜡是增溶卵磷脂的试剂。药物去炎松（氟羟强的松龙丙酮化物，TA）预先以质量分数w=0.1%的浓度分散在丙二醇（质量分数w=5%）中，然后将此药物溶液加入到上述混合物溶液中。最后在室温下平衡24小时即得凝胶。图7-12表明，Poloxamer 407水溶液的表观粘度在1317时有一个明显的增加，这个转变实际上是sol/gel转变。尤其是在卵磷脂质量分数为5%8%时，溶胶迅速地转变为凝胶。/ Past / 图7-12 卵磷脂存在下，Poloxamer 407水溶液的表观粘度与温度的关系。：无卵磷脂；：卵磷脂浓度为1%；：卵磷脂浓度为5%；：卵磷脂浓度为8%。（数据引自文献22绘制）渗透量（gcm-2）时间（h）50403020100图7-13的体外透皮实验表明，渗透量与时间之间有较好的线性关系，符合一级动力学模式。随着卵磷脂浓度的增加，渗透量是逐渐降低的，即较高的粘度延缓了药物分子的迁移。图7-13 在不同卵磷脂浓度下，药物TA经大鼠皮肤（体外）从poloxamer 407凝胶中渗透的情况 。 ：0%; ：1%; ：2%;：4%; ：8%。凝胶的显微照片（图7-14）表明，不含卵磷脂的样品中，可见液体石蜡在各向同性的凝胶中分布不均 匀。而在含2%卵磷脂的样品，明显可见小而均匀的胶束存在。图7-14 poloxamer 407凝胶的光学显微照片（100倍）。左：不含卵磷脂；右：含2%卵磷脂。参考文献1 Hanabusa K, Naka Y, Koyama T. Gelling agents to harden organic fluids: Oligomers of -amino acids. J .Chem. Soc., Chem. Commun., 1994, (23): 268326842 Hanabusa K, Matsumoto Y, Miki T. Cyclo(dipeptide)s as low-molecular-mass gelling agents to harden organic fluids. J. Chem. Soc., Chem. Commun., 1994, (11): 140114023 Lu L, Weiss R G. New lyotropic phases (thermally-reversible organogels) of simple tertiary amines and related tertiary and quaternary ammonium halide salts. J. Chem. Soc., Chem. Commun., 1996, (17): 2029203