（材料学专业论文）聚乳酸聚乙二醇（PLAPEG）纳米粒子表面功能化及其脑胶质瘤靶向研究.pdf

摘要本文以酰氯化方法合成了单端生物素化的聚乙二醇，利用1 h n m r 对其进行验证。考察了不同生物素与p e g 之比对产物中单端生物素化聚乙二醇含量的影响，结果表明：生物素p e g 摩尔比为3 2 时为最佳比例。利用生物素化的聚乙二醇与丙交酯合成了五种不同相对分子质量的p l a p e g _ b 嵌段共聚物，以1 h n m r 、”c n m r和g p c 对产物进行了表征，验证了p l a - p e g - b 的结构，并利用峰面积积分计算p l a p e g - b 嵌段共聚物的相对分子质量分别为1 2 9 、1 6 0 、2 0 6 、2 4 8 、3 8 o k d 。利用p l a - p e g b 嵌段共聚物，采用纳米沉淀方法制备了p l a p e g b 纳米粒子。以透射电子显微镜，动态光散射和z e t a 电位等手段对粒子的形貌、粒径以及表面荷电性进行了表征。结果表明：纳米粒子成规则的球状，粒度均一且分散性良好，粒径均在l o o n m 以下，纳米粒子的粒径随相对分子质量的增加而逐渐增加；随着嵌段共聚物中p l a 链段的增加，粒子的z e t a 电位值降低( - 1 6 7 m v 一- 2 3 4 m v ) ，但均大于p l a 微球的z e t a 电位值( - 3 5 3 m v ) 。利用荧光标记方法和酶联免疫方法验证了p l a - p e g - b 纳米粒子具有较强的配体结合能力。以转铁蛋白作为靶向因子对p l a - p e g - b 纳米粒子表面进行生物功能化。以d i i 为荧光染料对纳米微粒进行荧光标记。利用荧光倒置显微镜下对所得的纳米粒子进入细胞的过程进行了跟踪研究。研究表明：p l a p e g _ b t f 纳米粒子l h 时附着在细胞上，2 h 时已进入细胞，且随时间增加，细胞内的纳米粒子越来越多，至1 6 h 时纳米粒子清楚地显示出细胞轮廓。p l a _ p e g b t f 的细胞吞噬速率明显快于p l a - p e g - b 纳米粒。以颅内荷胶质瘤的s d 大鼠为动物模型，通过尾静脉注射考察p l a - p e g b t f纳米粒子在大鼠体内的分布及脑胶质瘤靶向性。研究表明：p l a p e g b t f 纳米粒子注入大鼠体内2 4 h 后，大部分被肝、脾摄取，但比p l a - p e g b 纳米粒子被肝、脾的摄取量明显要少。而且在脑瘤部位发现纳米粒子的存在，表明纳米粒子可以通过血液循环系统进入脑瘤部位。p l a - p e g - b 纳米粒子在脑中几乎观察不到，表明对p l a p e g 纳米粒子进行靶向功能化可以明显提高p l a p e g 纳米粒子在脑瘤部位的特异性靶向能力，从而为此纳米粒子作为药物载体进行肿瘤的治疗提供了初步的依据。关键词：聚乳酸一聚乙二醇；生物素；纳米粒子；转铁蛋白；功能化；靶向：胶质瘤a bs t r a c tas e r i e so fb i o t i n y l a t e dp l a p e g ( p l a - p e g - b ) c o p o l y m e r sw i t hd i f f e r e n tm o l e c u l a rw e i g h tw e r es y n t h e s i z e du s i n gd ，l l a c t i d ec o p o l y m e r i z i n gw i t hb i o t i n y l a t e dp e g ( p e g b ) ，w h i c hw a sf n s ts y n t h e s i z e dv ae s t e r i f y i n gt h eh y d r o x y lg r o u p so fp e gw i t hb i o t i n y lc h l o r i d e t h eo p t i m u mc o n d i t i o nf o r t h ep r e p a r a t i o no fh e t e r o f u n c t i o n a lb i o t i n y l a t e dp e gw a si n v e s t i g a t e db yc o n t r o l l i n gt h er a t i oo fr e a c t a n t t h ec o p o l y m e r sw e r ed e m o n s t r a t e db y1 hn m ra n d c j n m r t h em o l e c u l ew e i g h ta n dd i s t r i b u t i o nw e r em e a s u r e dt h r o u g hg e lp e r m e a t i o nc h r o m a t o g r a p h y ( g p c ) p l a p e g bn a n o p a r t i c l e sw e r ep r e p a r e db yn a n o p r e c i p i t a t i o nm e t h o d t h em e a nd i a m e t e r ，m o r p h o l o g ya n dz e t ap o t e n t i a l sw e r ec h a r a c t e r i z e db yl a s e rp a r t i c l e - s i z ea n a l y z e r ，t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p ea n dm i c r o e l e c t r o p h o r e s i s ，r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep l a p e g - bn a n o p a r t i c l e sw e r em o s t l ys p h e r i c a lw i t ht h es i z e sr o u n da b o u t8 0 - - 10 0n l n ，n l es i z e so fn a n o p a r t i c l e si n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fl a c t i d e p e gr a t i o ，w h i l et h ez e t ap o t e n t i a lo ft h en a n o p a r t i c l e sd e c r e a s e da st h em o l e c u l ew e i g h ti n c r e a s e d t h ez e t ap o t e n t i a lo fa l lt h en a n o p a r t i c l e so b t a i n e dw a sl o w e rt h a nt h a to fp l an a n o p a r ti n d i c a t i n gt h ee x i s t e n c eo fp e go nt h es u r f a c eo ft h ep a r t i c l e s t h ec o n j u g a t i o no fl i g a n d so n t ot h ep l a - p e g bn a n o p a r t i c l e st h r o u g hb i o t i n a v i d i ni n t e r a c t i o nw e r ec h a r a c t e r i s t i z e db yf l u o r e s c e n c em i c r o s c o p yo b s e r v a t i o na n de l i s aa n a l y s i s t h er e s u l t sd o m e n s t r a t e dt h a tt h ep l a - p e g - bn a n o p a r t i c l e sh a ds t r o n ga b i l i t i e sf o rl i g a n d sc o n j u g a t i o n t h eb i o f u n c t i o n a l i z a t i o no fp l a p e g bn a n o p a r t i c l e sw a sp e r f o r m e du s i n gt r a n s f e r r i na saf u n c t i o n a lp r o t e i nb a s e do nb i o t i n - a v i d i ni n t e r a c t i o n t h ec o n t e n to ft r a n s f e r r i no nt h es u r f a c eo fp l a - p e g b - t fn a n o p a r t i c l e sw a se v a l u a t e db yu v - s p e c t r o p h o t o m e t e rm e t h o d t h eu p t a k eo ft h en a n o p a r t i c l e sb yu 2 5lt u m o rc e l l snv i t r ow a si n v e s t i g a t e du s i n gf l u o r e s c e n c em i c r o s c o p yo b s e r a v t i o nt oe v a l u a t et h et a r g e ta c t i v i t yo fp l a - p e g - b t fn a n o p a r t i c l e s t h er e s u l t ss u g g e s t e dt h a tp l a p e g b t fn a n o p a r t i c l e sc o u l df i n da n da d h e r et h eu 2 51t u m o rc e l l si nlh o u r ,a n de n t e rt h ec y t o p l a s mi n2h o u r s ，a n dt h ec y t o p l a s tw e r et h em a j o rc o m p a r t m e n to ft h e i rd i s t r i b u t i o n t h ep l a - p e g - b - t fn a n o p a r t i c l e s ，w h i c hw e r ed e l i v e r e di n t ot h ec e l l sm o r er a p i d l yt h a np l a p e gn a n o p a r t i c l e s ，s h o w e dg l i o m ac e l l t a r g e t i n ga b i l i t y t h eb i o d i s t r i b u t i o no fp l a p e g b t fn a n o p a r t i c l e si ns dr a t sa f t e ri n t r a v e n o u si n j e c t i o nw a sa l s os t u d i e du s i n gf l u o r e s c e n c em i c r o s c o p ym e t h o d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tp l a p e g - b t fn a n o p a r t i c l e sw e r ec o n c e n t r a t e dm a i n l ya tl i v e ra n ds p l e e n ，t h ep l a - p e g - b t fn a n o p a r t i c l e sc o u l da l s ob ef o u n di nb r a i n w h i l ep l a p e gn a n o p a r t i c l e sw e r en o tf o u n di nb r a i n k e yw o r d s ：p l a - p e g ；b i o t i n ；n a n o p a r t i c l e s ；t r a n s f e r r i n ；s u r f a c eb i o f u n c t i o n a l i z a t i o n ；t a r g e t ；g l i o m a独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤注盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：颜成记签字日期：九幻7午j 月，二日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解苤注盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权墨盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名，：勇负) 父葩签字日期：弛fj 月，2 日翩签名够救辩嗍：叫引刖第一章绪论第一章绪论1 1 药物控制释放系统和药物载体材料1 1 1 靶向药物控制释放系统药物控制释放系统( d r u gc o n t r o l l e dr e l e a s es y s t e m ) ( c r s ) 是药物释放系统( d r u gd e l i v e r ys y s t e m ) 中的一种，它可以使药物以一种预定的速率释放出来，从而达到控制体内药物浓度的目的。纳米药物载体与药物复合可以制成载药纳米粒子，载药纳米体系靶向特性是生物体对纳米粒子的一种特殊的吸收方式。其特点是在于其能克服药物在体内输送过程中所遇到的各种生理屏障，将药物送到一定的靶位：( 1 ) 由于隔绝作用，纳米药物载体可以减缓或消除体液中的酸、碱、盐和其它生化因子对包载于体内的药物的作用，特别是对蛋白质、多肽、基因、寡核苷酸和d n a 等半衰期短的生物活性分子药物的作用，从而克服体内的“物理化学屏障”，防止药物在进入靶点以前被完全代谢。( 2 ) 控制纳米药物载体的尺寸，可以克服体内的“物理屏障”，使药物有针对性地输送到靶器官或组织的毛细血管中，并透过毛细血管上的孑l 隙进入器官或组织中。( 3 ) 利用纳米药物载体表面积大、界面活性高的特点，对其表面进行改性，可避免被体内的免疫系统识别、吞噬，克服体内的“生物屏障”。另外，血液与一些脏器间往往存在致密的“物理屏障”，如“血脑屏障”、“血液胎盘屏障”、“血液骨髓屏障”和“血液睾丸屏障”等。对纳米药物载体表面进行改性，可提高靶细胞的辨别，穿越上述物理屏障【i 】。纳米药物载体的靶向性能可根据其在体内的运转方式分为：( 1 ) 被动靶向( p a s s i v et a r g e t i n g ) ，即自然靶向。纳米药物载体通过正常的生理过程，从毛细血管渗透到靶向器官或者发生癌变、炎症的部位，或者被肝、脾和骨髓等器官中的网状内皮系统吸收。( 2 ) 主动靶向( a c t i v et a r g e t i n g ) 。表面经亲水性修饰的药物载体能避免被单核吞噬系统识别；或连接有特定的配体，可与靶细胞的受体结合。( 3 )物理靶向( p h y s i c a lt a r g e t i n g ) 。应用温度、p h 值或磁场等外力将药物载体导向特定部位。根据纳米药物载体靶向的层级，可将其分为：( 1 ) 一级靶向。以组织或器官( t i s s u e o r g a n ) 为靶向，常见于化学合成药物体系。( 2 ) 二级靶向，以特定的细胞为第一章绪论靶向，使药物在进入靶向组织或器官后，进一步穿过细胞膜进入靶向细胞中。( 3 )三级靶向。常见于基因治疗，即以特定细胞中的特定细胞器或物质为靶向。影响靶向的主要因素：纳米药物载体的粒径；纳米药物载体的表面电荷；纳米药物载体的表面疏水性质；纳米药物载体的结构与组成。其中，药物载体的粒径( d ) 与靶向有密切的关系。原因是不同粒径的载体在生物体内具有不同的穿透能力，可在体内达到不同的部位，大致上有如下的规律：( 1 ) d 5 0 n m 时，纳米药物载体能透过肝脏内皮或者通过淋巴传递到达脾和骨髓，也能到达肿瘤组织：( 2 ) 5 0 n m d l o o n m ，纳米药物载体能进入肝实质细胞；( 3 ) 1 0 0 n m d 1 2 1 , t m 时，药物载体可阻滞于毛细血管床，到达肝或肾瘤器官中【1 1 。纳米控释系统所特有的性质，使其在药物和基因输送方面具有许多优越性：( 1 ) 可缓释药物，从而延长药物作用时间，提高药物的生物利用度；( 2 ) 可达到靶向输送的目的；( 3 ) 可在保证药物作用的前提下，减少给药剂量，从而减轻或避免毒副反应；( 4 ) 可提高药物在体内外的稳定性，有利于储存；( 5 ) 可保护核苷酸，防止其被核酸酶降解；( 6 ) 可帮助核苷酸转染细胞，并起到定位作用；( 7 ) 可用以建立一些新的给药途径，方便患者用药等【2 】。所以，纳米控释系统是非常有前途的控释系统，对其研究越来越深入，其用途也越来越广泛。1 1 2 药物控释体系的优点药物从控释制剂中以某种受控形式释放到特定器官或区域，使体内的药物浓度保持一定的供给和消除关系，并且使其稳定在有效浓度范围内。与传统的周期性给药方式相比，主要具有以下优点【3 】：1 、将释放到环境中的药物控制在有效浓度范围内，有效地解决了体内药物浓度忽高忽低、生物利用率低的问题。而常规释放药物投药后，通常药物浓度迅速上升至最大值，然后由于代谢、排泄及降解作用又迅速下降。要将浓度控制在最小有效浓度与最大安全浓度之间比较困难，而控制释放可以在较长的时间内，使释放出的药品浓度保持在有效浓度范围内。2 、能长时间有效地利用药物，减少用药量。由于控制释放能较长时间控制药物浓度恒定在有效范围内，药物利用率可达8 0 9 0 。3 、对药物本身具有增稳作用，对于半衰期短的多肽和蛋白质类大分子药物，第一章绪论可有效保持其生物活性，同时降低免疫原性及宿主降解作用。4 、有利于实现靶向给药，提高局部的用药浓度，降低机体的总体药物浓度，减少对正常细胞和组织的毒害作用。5 、减少了用药次数，极大地方便了用药者。在药物控制释放体系中，除药物本身外，药物载体也扮演着重要的角色。一般来说，药物载体是由高分子材料来充当的，主要包括天然高分子材料和合成高分子材料。这些材料按不同的功能分别应用于不同的控制释放体系中。近几十年来，合成的可生物降解高分子材料作为药物控释载体的研究一直非常热门，与不可降解的聚合物控释体系相比，它们具有以下优点：l 、材料可被生物降解并被人体吸收；2 、控释速率对药物性质的依赖性较小。控释速率主要由载体的降解速率控制，从而使得对药物包覆量和几何形状参数的选择范围更广；3 、释放速率更稳定。在扩散控释体系中，释放速率一般都会随时间而递减。如果使用可降解材料作载体，随着材料的降解，药物的渗透速率加快，可抵消扩散速率的降低。在理想的情况下，释放速率可维持恒定。1 1 3 用作纳米药物载体的可生物降解高分子材料用作纳米药物载体的材料应具备的条件【1 】：l 、应具有良好的生理相容性，不引起血象的任何变化，不产生过敏反应：2 、靶向微球材料应能增加药物的定向性和在靶区的滞留性，这一点要求较高，靶向性可靠偶联抗体来实现，因此材料应具有可偶联性，理想的微球材料应对组织具有一定亲和性以增加靶区域的滞留性；3 、载体进入靶区后，能按设计要求释放药物，释药后又具有良好的生物降解性，即可经体内代谢，变成无毒物质排出体外；4 、与药物有足够的结合能力以及具有较大的载药能力；5 、无毒、无刺激性，能增加药物的稳定性，降低药物的毒副作用：6 、能与药物配伍，不影响药物的药理作用及含量测定；7 、有一定的强度及可塑性，药物与附加剂能比较完全地进入球的骨架内；8 、具有符合要求的黏度、渗透性、亲水性、溶解性等特性。一般来说，药物载体是由高分子材料来充当的，按生物降解性能分类高分子材料可分为：l 、可生物降解的高分子材料，天然高分子材料多是可生物降解的，如白蛋白、淀粉、明胶。一部分合成高分子载体材料如聚乳酸、聚丙烯葡聚糖、聚烷基氰基丙烯酸酯等也是可生物降解的材料；2 、生物不可降解的高分子材料，一些合成高分子载体材料如聚丙烯，乙基纤维素、聚苯乙烯等是不可生物降解的。不同性质的载体材料具有不同的药物释放行为。其中，生物可降解高分子材料用第一章绪论于药物释放，具有比非生物降解高分子材料更大的优点，可避免在药物释放完后二次手术取出。因此生物可降解型体系的研究和应用更广泛，受到人们高度重视。生物可降解高分子材料按来源可分为天然高分子材料和合成高分子材料两大类，它们可分别应用在不同的控制释放体系中，如凝胶控制释放、体内埋置控制释放、靶向控制释放等等。由于这些聚合物具有能被人体吸收代谢的功能，与不可降解的聚合物一药物缓释体系相比，它们具有以下三个优点( 】：l 、缓释速率对药物性质的依赖性较小。缓释速率主要由载体的降解速率控制，从而使对药物包裹和几何形状等参数的选择范围更广。2 、释放速率更为稳定。在扩散控释体系中，释放速率一般会随时间而递减。如使用可降解材料作载体，随着材料的降解，药物的渗透率加速，可抵消扩散速率的降低。在理想的情况下，释放速率可维持恒定，达到零级释放动力学模式。但需要注意的是，若载体的降解速率不能控制，药物释放速率也将难以控制。3 、更适应不稳定药物的释放要求。在非降解释放体系中，药物的释放是通过水扩散至载体内部一药物溶解一溶液扩散这一过程来实现的。而在可降解体系中，由于载体的可降解性，药物释放无须通过这一较长的通路来实现，使得药物微粒在溶液中逗留的时间较短。一些不稳定的药物( 如：多肽和蛋白质药物) 不致出现分解或集聚的现象。1 1 1 3 天然高分子类天然高分子材料主要有壳聚糖、淀粉、纤维素、胶原、明胶和脂质体等。1 多糖类壳聚糖( c h i t o s a n ) 学名( 1 ，4 ) 一2 一氨基一2 - 脱氧一p - d - 葡聚糖，是目前研究最多的多糖类天然高分子，它是由甲壳素经脱乙酰化反应后得到的一种生物高分子，是生物界中大量存在的唯一的一种碱性多糖。从结构上说甲壳素、壳聚糖与纤维素极其相似，即吡喃糖环碳二位置上纤维素是羟基，甲壳素是n 乙酰基，而壳聚糖是氨基，其化学结构式分别为图1 1 所示：第一章绪论纤维鬃( c 蝴t a c 6 e )e p 走g t , 1 4 ) 2 - 乙陵氟壳聚綮? 聚( 1 1 4 ) 2 - 氮蕊罄- 2 - 睨轭口- d 一葡曲糖2 - 脱鲺1 日凸葡嫡糖图1 - 1 纤维素、甲壳素和壳聚糖的结构简图f i g 1 1s t r u c t u r eo f s e v e r a lb i o m a t e r i a l s对于生物体来说，壳聚糖特别值得指出的性质是其生物亲和性和生物可吸收性。也就是说，当把它植入生物体内后，引起的生物组织反应小，且可被组织中的酶慢慢吸收，利用这些特性，已被开发作外科手术中的可吸收性缝合线、人工皮肤等多种医用品。日本正在研究以壳聚糖为载体的控释胶囊。壳聚糖因其结晶性而可加工成纤维和薄膜，可用作吸收性缝合线和创伤覆盖材料，如用脱乙酰壳聚糖无纺布开发成功的人工皮肤正在进行临床实验，不久可望登上医疗舞台【7 1 。2 胶原胶原是哺乳动物组织，如皮肤、骨头、软骨、腱及韧带的主要成份。它具有以下特点：1 ) 良好的生物相容性；2 ) 可消化吸收性：3 ) 经处理可消除抗原性；4 )对组织恢复有促进作用；5 ) 无异物反应；6 ) 不致癌。因此广泛用于生物可降解缝线、人造皮肤、伤口敷料、人造腱及血管 8 - 1 0 】。采用交联试剂如甲醛、戊二醛、碳二亚胺，通过交联，可降低其降解速率。交联胶原的主要缺点是加工性能差，缺乏柔韧性，拉伸强度低。此外，它还可用于止血剂、血液透析膜，各种眼科治疗装置，及药物缓释载体等。尽管对胶原材料的研究很多，但临床应用的并不多。其中羊肠线是已投入临床使用的天然可降解高分子缝合线。一般天然高分子的降解是从表面开始逐渐降解的，因为酶分子不能扩散到材料内部，只能在表面发生作用。这点与非酶降解高分子不同，后者降解一般是本体降解( 疏水性非常强的高分子除外) 。3 明胶白蛋白、明胶等是常用的蛋白质类生物降解材料。其降解主要是肽键的水解反应，降解的产物为氨基酸，可被人体再次利用或排除体外。明胶是一种水溶性的生物可降解高分子，广泛用于各种药物的微胶囊化及包农，同时还可制备生物可降解水凝胶。一般热变性方法不适于明胶微球制备，而必须通过化学交联法。第一章绪论戊二醛是蛋白质交联常用试剂，也可用于明胶微球的交联制备。明胶还可被制成含生物活性分子如生长因子和抗体的柔软膜用于人造皮肤，防止伤口体液流出和感染。明胶可生物降解，是由1 8 种氨基酸与肽交联形成的直链聚合物，其相对分子质量范围可在1 5 万1 5 万之间，通常为混合物。明胶的主要氨基酸为甘氨酸( 占1 3 ) 、丙氨酸( 占l 9 ) 、脯氨酸和羟基脯氨酸( 合占2 9 ) ，这4 种氨基酸共占明胶氨基酸总量的6 7 ，其余为谷氨酸、精氨酸、门冬氨酸及丝氨酸，共约占2 0 ，组氨酸、蛋氨酸及酪氨酸有少量存在。明胶元素分析含碳5 0 5 、氮1 7 0、氢6 9 、氧2 5 6 ，有典型的蛋白反应，并被大多数的蛋白水解系统所水解，生成相应的肽或氨基酸。明胶的等电点由组成它的氨基酸的等电点决定。明胶为淡黄色至黄色、半透明、微带光泽的颗粒或薄片；无臭，潮湿后易为细菌分解；在水中久浸即吸水膨胀并软化形成凝胶，重量可增加5 1 0 倍；在热水、醋酸或甘油与水的热混合液中溶解，水溶液的粘度在0 2 o 7 5 c p a 之间，在乙醇、氯仿或乙醚中不溶。明胶作为一种胶体，其重要特性是在3 5 - - 4 0 c 或微温的水中能形成凝胶或胶体，在较高温度下，可以溶液的形式存在。其凝胶有热可逆性( 胶凝或转变成胶体溶液) ，熔点略高于凝点。在4 0 。c 以上明胶可缓慢解聚并降低成胶力，在6 5 以上解聚加快，8 0 加热l h ，其成胶力降低5 0 。p h 2以下或p i l l 0 以上，均加速解聚。通常解聚的速率和程度与其相对分子质量有关，相对分子质量愈小的解聚愈快。1 1 3 2 合成高分子类鉴于天然高分子的组分、结构和降解行为不易控制，一般降解周期较短，因此人们主要兴趣已转向合成生物降解材料的研究方向。合成高分子可以根据需要进行设计，裁剪而改良其性质，这是天然高分子做不到的。总的来说与天然可降解高分子相比，合成生物可降解高分子的优点是：( 1 ) 合成高分子更不易产生免疫性，而且比许多天然高分子有更好的生物相容性。( 2 ) 在化学合成中，通过仔细控制单体比率、温度等条件可得到不同的产物，从而具有不同的物理性能。( 3 )合成高分子的机械性能容易通过化学和物理方法改性。合成可生物降解高分子材料，主要有：聚酯、聚原酸酯和聚酸酐等。1 聚原酸酯聚原酸酯是一类合成的、属非均相降解机制的高分子。由于其主链含有酸敏感的原酯键，所以可以通过加入酸性或碱性赋形剂控制其降解释药行为。若基第一章绪论质的表面积恒定，还可实现零级释放，早在7 0 年代h e l l e r - 等 】人，就进行了这方面的研究。目前应用于医学领域的聚原酸酯主要有四类。第一类聚原酸酯是利用二乙氧基四氢呋喃和二元醇之间进行酯基转移反应制得【1 2 1 。美国a l z a m e r 公司对这类聚原酸酯进行了大量的研究，已有商品a l z a m e r 。它降解会产生瑚基丁酸。因为这类聚原酸酯是酸敏感材料，酸能加速聚原酸酯的降解，为了防止出现较快的降解，利用混入n a 2 c 0 3 中和降解产物伸基丁酸来控制降解速率。这类聚原酸酯主要用作控释载体【1 3 】，也可作为烧伤部位处理材料。这类聚原酸酯虽然已广泛应用于医学领域，但它的制备条件较为苛刻( 较高的真空及长时间的加热) ，而且其t g 远高于人体正常温度( 3 7 ) 。为了克服这些缺点，美国s k i 公司陆续开发出第二类聚原酸酯。合成时，仅需将单体溶解在极性溶剂( 如四氢呋喃) 中，再添加微量的酸作催化剂，在室温条件下瞬间即形成高相对分子质量的聚合物。这类聚原酸酯的降解是二步水解过程。第一步是聚原酸酯被水解成二乙( 丙) 酸季戊四醇酯和二元醇，第二步是二乙( 丙) 酸季戊四醇酯被水解成季戊四醇和乙( 丙) 酸。与第一步水解相比，第二步水解是慢反应过程。上面这两类聚原酸酯的机械性能可通过选择适当的二元醇或其混合物来控制。同时利用三元醇即可制得交联的聚原酸酯，以满足医学上的特殊要求。具体方法是：将二乙烯酮缩乙醛和二元醇按2 ：l 当量比混合反应，将所得预聚物再和三元醇或二元与三元醇的混合物反应，可得交联型聚原酸酯。以上几类聚原酸酯在降解过程中都有酸产生。h e l l e r 掣1 4 】用3 ，9 二亚乙基一2 ，4 ，8 ，l 旺四氧杂螺【5 ，5 十一烷( d e t o s u ) 和不同的二元醇缩聚制得了一类新的聚原酸酯，这类聚原酸酯在降解过程中不产生酸，这样降解速率就不会因自动催化而增加。它为软膏状聚合物，己用于氢化可的松、磺胺类等药物的控释，这种膏状聚合物对蛋白质，肽类等温度或溶剂敏感药物的释放，具有重要的理论价值和实际意义。2 聚合物酸酐聚合物酸酐是8 0 年代初美国麻省理工学院l a n g e r 等【1 5 】发现的一类新型合成生物可降解高分子材料，由于其具有良好的生物相容性、表面溶蚀降解性、降解速度和较易加工性等优异性能，很快在医学前沿领域得到应用。聚合酸酐的基本结构是【c o r l - c o o 。【c o r e - c o o y ，其中r l 、r e 的单体有链状，也有环状。到目前为止，已合成的聚酸酐种类较多，如脂肪族聚酸酐、芳香聚酸酐、聚酯酸酐和交联聚酸酐等。但能应用于药物控释等领域的仅有：p ( c p p s a ) 、p ( f a s a ) 、p ( f a d s a ) 、p ( r a m s a ) 及p ( c p h s a ) 等少数几类聚酸酐。它们具有以下共同特性：第一章绪论l 、生物体内可降解，降解特征为表面溶蚀特性，这是生物可降解材料使药物接近零级释放的重要条件。2 、降解速度和药物释放速度可调，如聚 1 ，3 一双( 对羧基苯氧基) 丙烷一癸二酸 p ( c p p - - s a ) 共聚物，其降解速度可通过调节疏水性c p p 在聚酸酐p ( c p p- - s a ) 中的比例控制，降解时间可从几天到几年。3 、对模型药物的释放研究表明，在合适的载药范围内，药物释放速度接近零级，并且无突释效应，避免了药物瞬间大量进入体液的可能性，保证了释药体系的安全性。4 、毒理学研究表明，体内均具有良好的生物相容性，细胞毒性极小，无致炎、致热、致突变和致畸等严重病变。5 、大多数药物与其组成的控释体系具有很好的稳定性。暑b 叩峨。o 啦叫畸所有这些特性表明，聚酸酐是一类具有优异性能的药物控释材料。目前，聚酸酐局部控释给药系统已成功应用于恶性脑胶质瘤局部给药化疗，治疗其它实体瘤癌症已引起医疗界的高度关注。一些聚酸酐组成的瘤内控释给药系统已开始用于继发性脑癌、肝癌、乳腺癌、肺癌、胰腺癌、结肠癌、头颈癌及前列腺癌等术后瘤内化疗，有的已进入动物实验或临床研究阶段。这些研究表明聚酸酐在临床医学领域具有广阔的应用前景。3 脂肪族聚酯类高分子材料合成生物可降解高分子中研究最多的、应用最广的是脂肪族聚酯，尤其是聚羟基乙酸( p g a ) 、聚乳酸( p l a ) 、聚己内酯( p c l ) 及其它们的共聚物。大量的研究表明，脂肪族聚酯具有较好的生物可降解性和生物相容性。p g a 的结晶度、熔点较高，在有机溶剂中的溶解度较低，早在1 9 7 0 年，p g a 医用缝合线已经商业化，商品名n q d e x o n l l 6 - 1 7 1 。由于p g a 的亲水性，d e x o n的机械强度在体内耗损较快，一般只适用于2 4 星期伤口就能愈合的外科手术引。p c l 也是一种脂肪族聚酯，起初人们只认识至i j p c l 只能被微生物降解，故大量作为包装材料使用，后来研究人员发现p c l 在生理条件下也能水解，因而引发第一章绪论出其在医学领域的应用。陈继海等研究了p c l 的晶体结构及其与生物降解速率的关系。与p g a 比较，p c l 因结晶性太强其降解速率要慢的多，因此p c l 最适合作为长效植入药物的控释载体，女l ：l c a p r o n e r 体系是一种有效期为一年的体内植避孕药剂，使用的载体就是p c l 。在众多脂肪族聚酯材料中，聚乳酸的应用研究最热门。聚乳酸是由乳酸脱水聚合成的丙交酯，再由丙交酯开环聚合而成，其化学结构式可简单表示为： 0 c h ( c h 3 ) c o 一】n 。乳酸是手性分子，因此p l a 有四种形态，l l p p l l a 、p d l a 、d ，l - p l a 以及m e s o p l a 。p l l a 和p d l a 是半晶状高分子，机械强度好，常用作医用缝合线和外科矫正材料。d ，l p l a 是无定形高分子，常用作药物控释的载体。d ，l p l a 目前在油溶性药物控释中已得到成功的应用【l9 1 。聚乳酸是一种具有优良的生物相容性和生物可降解性的聚合物，经f d a 批准可用作医用手术缝合线和注射用微胶囊、微球及埋植剂等制剂的材料。聚乳酸在体内的代谢是通过聚酯水解，首先被降解为乳酸和羟基乙酸，然后通过体内三羧酸循环代谢为二氧化碳和水，再通过呼吸道、大小便、汗液等排出体外，其代谢产物均为人体内正常糖代谢的产物，所以不会在重要器官聚集。p g a 和p l a 的共聚物也被广泛研究，一般认为两种单体的比例及其对应共聚物的物理化学性质并无线性关系。p g a 是高结晶的，而在p g a l a 的共聚物中结晶度迅速减少。这种形态的改变导致其水解速度加快，因此这些共聚物比纯p g a和p l a 降解更快。p g a 、p l a 和p l g a 结构图如图1 3 ：i 0 t y ( 1 a c t i ca c i d ，p l a七h 3二宅h 毛一。一一c h c o op o l y ( g l y c o li ca ci d ) ，p g aojj 酚一c h 2 一c o p o l y l a c l i c g l y c o l i ca c i d p l g a，0 。野心jj i7 ivjc h 2 - - c o c h g o o图1 - 3 p l a 、p g a 、p l g a 的结构式f i g 1 - 3s t r u c t u r eo f p l a ，p g aa n dp l g a1 9 7 0 年y o l l e s 掣2 0 1 率先将p l a 用作药物长效缓释制剂载体，1 9 7 9 年b e c k 等推出孕酮p l g a 缓释胶囊。近3 0 年来，聚乳酸及其共聚物被用作一些半衰期短、稳定性差、易降解及毒副作用大的药物控释制剂的可溶蚀基材，有效地拓宽了给药途径，减少了给药次数和给药量，提高药物的生物利用度，最大程度减少药物对全身特别是肝、肾的毒副作用。第一章绪论1 1 4 药物载体材料的表面修饰目前，人们已尝试了大量具有不同降解速率的可生物降解材料，如：聚酯、聚氨基酸、聚酐等。但单一组成的可生物降解材料很难满足不同药物控释体系，特别是高级药物控释体系的要求。所以近些来，人们通过纳米微粒进行表面修饰改变其表面性质和作用，来提高其性能。特别是由两亲性共聚物材料组成的药物载体。由两亲性共聚物材料组成的药物纳米给药体系有其突出的优点以及在抗肿瘤药物、基因药物、抗传染药物和生物诊断试剂等方面存在极大应用前景。将亲水性聚合物与疏水性聚合物通过嵌段或接枝聚合，得到包含亲水部分和疏水部分的两性产物，再将这类聚合物在溶液中通过自组装过程形成胶束粒子。对于嵌段聚合物，其疏水部分聚集在胶束的内核，通过化学或物理的作用将药物包裹其中，而亲水部分则聚集在胶束外表面形成栅栏状结构以保持胶束的稳定；而对于接枝聚合物，其在水相中通过分子内或分子间的结合形成单分散性的自聚集体( s e l f - a g g r e g a t e s ) ，疏水基团相互作用产生非共价键交联点，从而形成多核的纳米粒子。正是由于这种稳定的结构，胶束的释放过程缓慢，可以保持药物的长效缓释和靶向部位的集中释放。胶束中亲水性核的部分的聚集是整个胶束形成的驱动力，这种驱动力包括：疏水作用力、静电作用力、金属络合力以及嵌段部分的氢键。在栅栏结构包围中的核结构可作为不同药物包裹的“容器”。目前，利用双亲性聚合物制备纳米胶束作为脂溶性药物和基因的投递和释放载体系统受到了极大的重视【2 。两亲性聚合物作为药物纳米粒子给药系统的载体有着以下显著优点：1 、能够自聚集成为独特核壳结构的胶束，胶束表面的p e g 亲水性外壳可降低巨噬细胞对粒子的识别和吞噬能力，延长其在血液中的循环时间，这对在血液中半衰期短的药物意义重大，可保护这类药物免遭生理环境的破坏，在体内缓慢释放。2 、纳米粒子的粒径足够小，通常是2 0 0 纳米以下的超微粒子，能通过毛细血管直接进入器官和细胞内部，被更有效的吸收。3 、纳米粒子给药系统的广泛给药方式是其它任何剂型都无法比拟的，它可通过口服、注射( 静脉注射、肌肉注射、皮下注射) 、透皮等方式加入人体血液循环系统。4 、更适合不稳定药物的释放要求。在非降解释放体系中，药物的释放是通过水扩散至载体内部药物溶解溶剂扩散这一过程来实现的。而在可降解体系中，由于载体的可降解性，药物释放无须通过这一较长的通路来实现，一些不稳定药物( 如：多肽和蛋白质药物) 不致出现分解或集聚现象【2 l 】。第一章绪论如前所述，对纳米微粒进行表面修饰可以改变其表面性质和作用，表面修饰用材料有以下3 类：( 1 ) 以p e g ，p e o ，p o l o x a m e r 为表面修饰材料，( 2 ) 以壳聚糖、环糊精等多糖为表面修饰材料，( 3 ) 以聚山梨酯等表面活性剂为表面修饰材料。其中p e g 由于具有生物相容性好、优良亲水性、无毒，可以防止材料表面生物污染、减少蛋白质吸附和细菌贴附，并且不易被免疫体系识别等优点而引起了越来越多人的兴趣。众所周知，聚乙二醇是一种优异的生物相容性材料，它在体内能溶于组织液中，且能被机体迅速排出体外而不产生任何毒副作用，已得到美国食品与药物管理局( f d a ) 认可，用于生物医学的研究与应用。聚乙二醇的基本性质如下：无臭或微臭，吸湿性很强，随着相对分子质量的增加吸湿性减小。聚乙二醇也是一种生物相容性好且具有优良亲水性的无毒物质，可以防止材料表面生物污染、减少蛋白质吸附和细菌贴附，并且不易被免疫体系识别。用p e g 将蛋白质改性，可以减少这些蛋白质的免疫原性和抗原性。p e g 还具有降低阿霉素毒性并增强其体内抗肿瘤活性的能力。由于聚乙二醇易溶于水和多种有机溶剂，所以易于从身体清除，同时由于其具有两个可反应的端羟基，所以选用p e g 作为改进共聚物亲水性和生物相容性的大分子单体。p e g在吸收代谢方面，高相对分子质量的不易在肠道吸收，低相对分子质量液体p e g可被吸收，但排泄较慢。聚乙二醇具有的一些独特的性质可以总结如下：( 1 ) 聚乙二醇在大多数有机溶剂和水溶液中都具有良好的溶解性。在蛋白质溶液中，无论是处于游离还是结合形式，即使浓度很高p e g 对蛋白质分子都没有副作用。( 2 ) 相对分子质量在1 0 0 0 d a 以上的聚乙二醇的毒性则非常小。( 3 ) p e g 是一种不带电荷的线性、柔性的长链大分子，其本身的免疫原性极低。( 4 ) p e g 的聚醚骨架很难被哺乳动物酶降解，从而延长其体内作用时间，在血液的停留时间延长，从而使p e g 修饰蛋白质在体内半衰期延长。大多数蛋白质的生物活性虽然在经p e g 修饰后降低，但活性损失可以通过血浆半衰期的延长得到弥补。( 5 ) p e g 还具有良好的生物分布和药动学性质，实验证明将p e g 注入动物体内，它在血液中保持较高的浓度，而较少积累于网状内皮系统以及肾脏肝脏等组细【7 】：y 、ap e g 用于双亲性聚合物的亲水段时，可以提供生物相容性和保护层。这种保护层可以减少外源性物质在生物体内的排异性；大大降低蛋白质、细胞、细菌的吸附性；由于分子体积大，它还能降低肾脏对p e g 修饰药物的清除速度。目前关于p e g 修饰蛋白质等各方面的研究，除了应用于双亲性聚合物的亲水段之外，其他应用可以大致概括如下：( 1 ) 用作助溶剂和稳定剂第一章绪论p e g 与蛋白质的化学修饰作用还可在微生物细胞原生质体融合反应中用作助溶刘2 2 1 ，如用于链霉菌原生质体融合和菌种的选育1 2 3 1 。例如将p e g 和金属离子用于脂质体包埋天花粉蛋白与骨髓瘤细胞s p 2 0 的融合，有利于提高天花粉蛋白对s p 2 0 瘤细胞的杀伤力【2 4 】。此外，p e g 也可用作多肽、蛋白质给药系统的稳定剂【2 5 1 ，防止分子间的自身聚合。( 2 ) 用p e g 修饰各种表面p e g 除了进行分子修饰，还可以进行表面涂覆，形成保护性的生物相容性的涂层。这些应用包括动脉替换、诊断设备和血液接触设备的p e g 涂层。在区带毛细管电泳中【2 6 1 ，用p e g 对毛细管涂层，可控制蛋白质的吸附并提供一种控制电渗的关键技术。( 3 ) p e g 脂质体脂质体可以用于药物缓释剂和选择性释放剂，但是容易被巨噬细胞所吞噬，体内的停留时间短。连接上p e g 后，可以降低脂质体被巨噬细胞吞噬的速度【2 7 圆】。( 4 ) p e