（高分子化学与物理专业论文）刺激响应性高分子的合成及药物控制释放研究.pdf

摘要 摘要 聚合物基药物输送体系在生物医学和药物控释领域的应用已经引起高分子 化学、医药和生物材料科学领域诸多研究者的关注。这些聚合物基药物输送体系 包括键合聚合物一蛋白质、键合聚合物药物、聚合物胶束纳米粒子、聚合物囊泡、 树枝状高聚物和水凝胶。作者研究了以下两种具有刺激响应性的聚合物药物输送 体系。 1 含有二硫键的氧化还原敏感水凝胶 利用支化聚乙烯基亚胺( p e i ) 上的伯胺基( - n h 2 ) 和仲胺基( - n h ) 与含有二 硫键的交联剂( 双丙烯酰胱胺) 发生迈克尔加成反应制备出还原剂敏感性p e i 水凝胶，其中的二硫键能被还原性试剂选择性裂解。制得的二硫键交联的可降解 p e i 水凝胶能被水溶性还原剂二硫叔糖醇( d t r ) 降解为含有巯基基团的水溶性 聚合物，而且还具有大孔性空间结构、优异的吸水性能和较大的b e t 比表面积。 在d t t 的p b s 缓冲溶液中，该p e i 水凝胶存在加速释放负载药物现象，药物释 放速率随着交联密度的增加而逐渐降低。因此，我们可以通过选择合适的交联密 度和还原剂d t t 的浓度来控制凝胶的药物释放速率。故这种二硫键交联的p e i 水凝胶可以被用作亲水性药物的无毒载体，而且该水凝胶载体能被d t t 降解为 水溶性聚合物而被排除体外。 2 。拟接枝共聚物自组装纳米粒子用于药物输送 我们首先合成出聚乙二醇( p e g ) 大分子单体，然后用普通自由基的方法合 成出聚( 丙烯酸- c o - 丙烯酸十八酯) 【p ( a a 6 0 s a ) 】和p e g 的拟接枝共聚物 p ( a a c d - s a ) - g - p e g 。拟接枝共聚物p ( a a c o s a ) - g - p e g 自组装形成对p h 敏感 的聚合物纳米粒子，其中p a a 链段具有p h 敏感性，p s a 链段是疏水性链段， 而p e g 链段是亲水性链段。我们以芘( p y r e n e ) 为荧光探针测定不同p h 值下拟 接枝共聚物的临界聚集浓度( c a c ) 。透射电子显微镜( t e m ) 照片显示拟接枝 共聚物自组装形成的聚合物纳米粒子为球型结构，尺寸在1 0 0a m 左右。激光光 散射( l l s ) 实验进一步验证自组装纳米粒子的球型结构，并给出聚合物纳米粒 子与p h 值的关系。对聚合物纳米粒子的药物控制释放动力学的研究结果表明， 通过改变缓冲溶液的p h 值能有效地控制聚合物纳米粒子的药物释放速率。 关键词：氧化还原敏感水凝胶，拟接枝共聚物，纳米粒子，药物输送 a b s t r a c t a b s t r a c t p o l y m e r - b a s e dd r u gd e l i v e r ys y s t e m sf o rb i o m e d i c a la p p l i c a t i o n sa n dc o n t r o l l a b l e r e l e a s eh a v ea t t r a c t e ds i g n i f i c a n ta t t e n t i o n si np o l y m e rc h e m i s t r y , p h a r m a c e u t i c s ，a n d b i o m a t e r i a l ss c i e n c e t h e r ea r es e v e r a lt y p e so fp o l y m e r - b a s e dd r u gd e l i v e r ys y s t e m s ， i n c l u d i n gp o l y m e r - p r o t e i nc o n j u g a t e s ，p o l y m e r - d r u gc o n j u g a t e s ，m i c e l l e s n a n o p a r t i c l e s ，a n dv e s i c l e sb a s e do na m p h i p h i l i ca n dd o u b l yh y d r o p h i l i cb l o c kc o p o l y m e r s ， d e n d r i m e r s ，a n dh y d r o g e l s t h i sc o n t r i b u t i o nd e s c r i b e st w ok i n do fr e s p o n s i v ep o l y m e r - b a s e dd r u gd e l i v e r y s y s t e m s 1 r e d o x - r e s p o n s i v ep e ih y d r o g e l sw i t hd i s u l f i d ec r o s s l i n k sf o rd r u gd e l i v e r y r e d o x - r e s p o n s i v ep o l y e t h y l e n i m i n eh y d r o g e l s w i t hd i s u l f i d ec r o s s l i n k sw e r e p r e p a r e db ym i c h a e la d d i t i o no fp r i m a r ya n ds e c o n d a r ya m i n eg r o u p so fb r a n c h e d p e it od i s u l f i d ec r o s s 1 i n k e rw h i c hw a ss p e c i f i c a l l yc l e a v e db yd ，丌t h ep r e p a r e d d i s u l f i d ec r o s s l i n k e dh y d r o g e l sd e g r a d e di n t ow a t e r - s o l u b l ep o l y m e r sw i t hp e n d a n t t h i o l ( 一s h ) g r o u p si nt h ep r e s e n c eo ft h er e d u c i n ga g e n td t t m o r e o v e r , t h e r e s u l t a n t d i s u l f i d ec r o s s - l i n k e d h y d r o g e l s h a d m a c r o p o r o u s n e t w o r k s t r u c t u r e ，g o o d w a t e r - c o n t a i n i n gc a p a b i l i t y ，a n dl a r g eb e ts u r f a c ea r e a t h e s er e d o x 。r e s p o n s i v e d i s u l f i d ec r o s s 1 i n k e dh y d r o g e l se x h i b i t e da c c e l e r a t e dr e l e a s eo fe n c a p s u l a t e dd r u gi n d t tc o n t a i n i n gp b sb u f f e rs o l u t i o n f u r t h e r m o r e ，t h ed r u gr e l e a s er a t eg r a d u a l l y d e c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gc r o s s l i n k i n gd e n s i t y t h u s ，i ti se a s yt oc o n t r o lt h er e l e a s e r a t eo fd r u gf r o mt h eh y d r o g e l sb yc h o o s i n ga p p r o p r i a t ec r o s s - l i n k i n gd e n s i t ya n d c o n c e n t r a t i o no fd t t t h ed i s u l f i d ec r o s s l i n k e dh y d r o g e l sc o u l db eu t i l i z e da s n o n c y t o t o x i cc a r r i e r sf o rv a r i o u sh y d r o p h i l i cd r u g s ，a sw e l la sb er e m o v e de a s i l ya f t e r r e l e a s ei nt h ep r e s e n c eo fd t t 2 p h r e s p o n s i v es e l f - a s s e m b l e dn a n o p a r t i c l e so fs i m u l a t e dg r a f tc o p o l y m e r f o r d r u gd e l i v e r y s i m u l a t e dg r a f tc o p o l y m e ro fp o l y ( a c r y l i ca c i d - c o s t e a r y la c y l a t e ) 【p ( a a - c o - s a ) 】 a n dp o l y ( e t h y l e n eg l y c 0 1 ) f p e g ) w a ss y n t h e s i z e d ，w h e r ea c r y l i ca c i d ，s t e a r y la c y l a t e a n dp e gw a se m p l o y e da st h ep h s e n s i t i v e ，h y d r o p h o b i ca n dh y d r o p h i l i cs e g m e n t , i i a b s t r a c t r e s p e c t i v e l y p o l y m e r i cn a n o p a r t i c l e sp r e p a r e db yt h ed i a l y s i so fs i m u l a t e dg r a f t c o p o l y m e r s o l u t i o n i n d i m e t h y l f o r m a m i d ea g a i n s tc i t r a t e b u f f e r s o l u t i o nw i t h d i f f e r e n tp hv a l u e sw e r ec h a r a c t e r i z e db yt 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 y ( t e m ) ， f l u o r e s c e n c et e c h n i q u ea n dl a s e rl i g h ts c a t t e r i n g ( l l s ) t e mi m a g er e v e a l e dt h e s p h e r i c a ls h a p eo ft h es e l f - a g g r e g a t e s ，w h i c hw a sf u l l e rc o n f i r m e db yl l s m e a s u r e m e n t s t h ec r i t i c a la g g r e g a t i o nc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e dm a r k e d l y ( 1ot o15 0 m e l ) w i t hi n c r e a s i n gp h ( 4 6t o7 o ) ，i nc o n s i s t e n c ew i t ht h ed e - p r o t o n a t i o no f c a r b o x y l i cg r o u p sa th i g h e rp h t h eh y d r o d y n a m i cr a d i u so fp o l y m e r i cn a n o p a r t i c l e s d e c r e a s e df r o m118n l l la tp h3 4t o9 0n ma tp h7 0 t h ec o n t r o l l e dr e l e a s eo f i n d o m e t h a c i nf r o mt h o s en a n o p a r t i c l e sw a si n v e s t i g a t e d ，a n dt h es e l f - a s s e m b l e d n a n o p a r t i c l e se x h i b i t e di m p r o v e dp e r f o r m a n c ei nc o n t r o l l e dd r u gr e l e a s e k e y w o r d s ：r e d o x - r e s p o n s i v eh y d r o g e l s ，s i m u l a t e dg r a f tc o p o l y m e r , n a n o p a r t i c l e s ， d r u gd e l i v e r y i l l 论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：轻萤匡 伽7 ，年多月弓夕日 第一章绪论 第一章绪论 许多重要的治疗性化合物由于极小的水溶性限制了其在临床上的广泛应用， 因此开发有效的传递系统是一项十分有意义的工作。作为理想的药物传递系统， 它必须能够将药物转运至体内特定部位，并在该部位释放其中的药物。同时，载 体本身必须能够降解为无毒的产物并从体内排出。除了有机复合溶媒处方，近年 来开发的药物传递系统，比如聚合物药物键合物、脂质体、聚合物水凝胶和聚合 物胶束，可以用来增溶、稳定并传递这些高度疏水性的药物。其中，智能聚合物 水凝胶材料被广泛用于药物控制释放及组织工程领域。而基于两亲共聚物的聚合 物胶束由于其突出的理化性能使得它们可以作为理想载体包封并传递疏水药物， 尤其值得注意的是其尺寸及其它物化性能方面的特异性在肿瘤的靶向给药中受 到越来越多的研究人员的高度关注。而近几年国外几个实验室的开创性工作极大 地拓宽了聚合物胶束在药剂中的应用，比如通过设计具有不同功能的胶束核形成 链段，可以传递核苷酸、多肽蛋白以及其它水溶性小分子物质。本章内容主要分 为三个部分，在第一节中，我们将对智能水凝胶做简要介绍，其中包括智能水凝 胶的定义、种类、一般制备方法及其在生物医药领域的应用。第二部分重点介绍 两亲性聚合物的合成方法、共聚物胶束的制备及其在药物传递系统和生物医学中 的应用。第三部分讲述本课题的选题依据及设计思路。 1 1 1 智能水凝胶的定义 1 1 智能水凝胶材料 水凝胶( h y d r o g e l ) 是一种在水中溶胀，但不溶于水，并在其结构内部保持一 定水份( 2 0 以上) 的一类亲水性高分子三维网络。它除了有良好的生物相容性 外，还具有较高的水渗透性，有一定的强度，表面类似于生物体的软组织，这些 特征使水凝胶可作为生物材料。水凝胶具有优良的理化性质和生物学性质，可控 制药物释放，并具有生物粘附、生物相容和可生物降解等特性，目前己用于缓释、 脉冲释放、触发式释放等新型给药系统的研制。h y d e r 等人【l 】用普通自由基聚合 的方法制备出含有二硫键的聚丙烯酰胺水凝胶材料，该水凝胶材料对还原性试剂 第一章绪论 ( 如二硫叔糖醇，d 订) 敏感，因此通过改变环境的化学性质可以很好地控制药 物的释放。根据水凝胶对外界刺激的响应情况，水凝胶可以分为普通水凝胶和智 能水凝胶 2 - 7 1 。 普通水凝胶对环境的变化不敏感，即水凝胶的溶胀率不随外界条件的变化而 变化。智能水凝胶能感知外界环境的细微物理化学变化，如p h 、温度、压力、 电场、磁场、离子强度、紫外光、可见光以及特异化学物质等的变化，并通过体 积的溶胀和收缩来响应这些来自外界的刺激。因此也称为环境敏感性水凝胶。利 用这些特性，可设计各种仿生材料( 人工肌肉等) 、化学机械体系、药物释放体系 和化学阀门等f 8 - 1 2 1 。 1 1 2 智能水凝胶材料的制备方法 智能水凝胶材料一般是有机高分子水凝胶材料，包括天然或合成高聚物。高 分子成为智能水凝胶材料必须具备的两个前提：高分子主链或侧链上带有大量的 亲水基团和有适当的交联网络结构。制备智能水凝胶材料的起始原料可以是单体 ( 水溶或油溶单体) 、聚合物( 天然或合成聚合物) 或者是单体和聚合物的混合物。 智能水凝胶材料的制备方法主要有单体的交联聚合、接枝共聚及其它水溶性高分 子的交联或转化等【1 3 1 。 1 1 2 1 单体的交联聚合 在交联剂存在的情况下，由化学引发或辐射引发单体经自由基均聚或共聚而 制得高分子水凝胶材料。在聚合反应过程中可以通过加入或改变引发剂、鳌合剂、 链转移剂等来控制聚合动力学，以及所得高分子水凝胶材料的性质。制备高分子 水凝胶材料的单体主要有丙烯酸系列、丙烯酸酯系列、丙烯酰胺系列和乙烯衍生 物系列等。常用的交联剂有：( 1 ) 二醇( 包括脂肪族的聚醚或聚醇) 的双丙烯酸酯和 双甲基丙烯酸酯；( 2 ) 双丙烯酰胺；( 3 ) 甲基丙烯酸缩水甘油酯和烯丙基甲基丙烯 酸酯；( 4 ) 双烯丙基的碳酸酯和丁二酸酯。最主要的交联剂是双乙烯基交联剂如： m 胪亚甲基双丙烯酰胺、双丙烯酸乙二醇酯等。高分子水凝胶材料所具有的低 交联网络结构，对其凝胶膨胀能力和凝胶弹性模量两个最关键的性能起决定作 用。但是高分子水凝胶的综合性能则依据聚合方法( 水溶液聚合法或反向悬浮聚 合法) 、单体种类和组成( 丙烯酸、丙烯酰胺及其比例) 、交联结构和类型( 水溶型 2 第一章绪论 或油溶型) 等的改变而变化。化学交联的引发剂有热不稳定的化合物，例如过氧 化二苯甲酰和偶氮二异丁腈；还有氧化还原体系，氧化剂如过硫酸铵、过硫酸钾 或过氧化氢，还原剂有亚铁盐、焦亚硫酸钠和四甲基乙二胺等。 1 1 2 2 接枝共聚法【1 9 2 0 】 这是由烯烃类单体在天然高分子( 如淀粉、纤维素、壳聚糖等) 及其衍生物共 价地连接而制取高分子水凝胶材料的方法。在载体表面上产生自由基是最为有效 的制备接枝水凝胶的技术。自由基引发接枝共聚是最主要的接枝共聚方法，常见 的引发剂有硝酸铈( i v ) 铵和复合引发剂等，也可用辐射或过氧化物、氧化还原引 发剂来引发反应。接枝共聚类高分子水凝胶材料的平衡溶胀能力主要由原料配 比、引发方法及引发剂种类、单体自身结构及交联剂含量等条件决定。研究较多 的接枝共聚类单体有丙烯胺、丙烯酸和丙烯酰胺等【5 之4 1 。 1 1 2 3 水溶性高分子的交联 水溶性高分子聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚甲基吡咯烷酮、聚 胺等通过适度交联，就可制得高分子水凝胶材料。化学交联法和辐照交联是此类 高分子水凝胶材料制备的主要方式，化学试剂交联法的关键是控制交联剂的用 量，而辐射聚合法的关键则是辐射剂量的有效控制。通过高能射线的照射而使水 溶性高分子链间发生交联，由于该方法不需交联剂和引发剂、可在常温下进行， 且反应均匀，故此法被认为是制备高分子水凝胶材料的最有效的方法之- - 2 5 。9 】。 1 1 3 智能水凝胶的类型 近些年来，智能水凝胶材料方面的研究进展很快，已从最初单一的环境敏感 性发展到多重环境敏感性( 如温度、p h 值、光、电等) ，直至仿生功能。 ( 1 ) p h 敏感性水凝胶【1 4 , 2 9 - 3 1 】这类凝胶中含有大量易水解或质子化的酸、碱 基团，如羧基和氨基。这些基团的电离受外界p h 的影响；当外界p h 变化时， 这些基团的电离程度相应改变，造成内外离子浓度改变；另外，这些基团的电离 还会破坏凝胶内相应的氢键，使凝胶网络的交联点减少，造成凝胶网络结构发生 变化，引起凝胶溶胀。p h 敏感性水凝胶通常含有可离子化基团，可分之为阴离 子型、阳离子型和两性型。其中阴离子型p h 敏感水凝胶的研究以丙烯酸类单体 的聚合物居多，其制得的水凝胶一般在p h 值较低的介质中处于收缩状态，在p h 第一章绪论 值处于弱酸至弱碱之间时，溶胀率急剧增大，当介质的碱性再大时，凝胶又处于 收缩态；阳离子型水凝胶的p h 敏感主要来自链上碱性基团的质子化，其溶胀机 理同阴离子型p h 敏感水凝胶相似；而两性型p h 敏感水凝胶骨架含有一定比例 的酸、碱性基团，研究表明其在整个p h 范围内都有一定的溶胀率，特别是在p h 较高和较低处，溶胀率均很大，而在中间p h 范围则较小。这主要是因为酸碱性 基团之间的相互作用，在弱酸弱碱条件下，这种作用能加快溶胀速率；但在酸性 或碱性较强时，两性水凝胶就与相应的阴、阳离子型水凝胶比较接近n 明。 ( 2 ) 温度敏感性水凝胶1 3 0 , 3 2 3 5 】这是指能随环境温度变化发生体积突变现象 的凝胶。这种凝胶具有一定比例的疏水和亲水基团，温度的变化可影响这些基团 的疏水作用以及大分子链间的氢键作用，从而使凝胶结构改变，发生体积变化。 例女1 ：1 - 在聚异丙基丙烯酰胺体系中，酰胺键为亲水基团，而异丙基为疏水基 团p 卅。在外界温度低于临界溶解温度( l c s t ) 时，凝胶网络中高分子链上的亲水 基团通过氢键与水分子结合，凝胶吸水溶胀。温度上升时，这种氢键作用减弱， 而高分子链中疏水基团间的相互作用加强，凝胶逐渐收缩。温度上升至临界相变 温度以上，疏水作用成为主要用力，高分子链通过疏水作用互相聚集，凝胶发生 相变，溶胀率急剧下降【2 5 之8 】。 ( 3 ) 盐敏性水凝胶【4 叫1 ，5 5 】盐敏感性水凝胶指在外加盐的作用下，水凝胶的 溶胀率或吸水性发生突跃性变化。盐对凝胶膨胀的影响与其结构有关。这类水凝 胶的正负带电基团位于分子链的同一侧基上，并以共价键结合在一起，二者可发 生分子内和分子间的缔合作用。小分子盐的加入可屏蔽、破坏大分子链中正负基 团的缔合作用，导致分子链舒展，因而，凝胶的膨胀行为得到改善。这类水凝胶 的突出优点是凝胶在盐溶液中的溶胀行为呈现所谓的反聚电解质行为，即在一定 条件下凝胶在盐中的溶胀比不随外加盐浓度增加而减小，而是随外加盐浓度增加 而增g l t 4 引。 ( 4 ) 化学物质敏感性水凝胶【3 8 4 2 硝1 化学物质敏感性水凝胶指其溶胀行为会 因特定物质( 如糖类) 的刺激而发生变化，例如：将含有碳碳双键的单体与葡萄糖 氧化酶化合物在冷冻状态下辐照，可形成葡萄糖氧化酶固定化的水凝胶。此凝胶 浸入葡萄糖溶液后，可将葡萄糖氧化为葡萄糖酸使p h 值下降，从而导致叔氨基 质子化而使凝胶溶胀，且溶胀体积随葡萄糖溶液浓度增大而增大。药物释放体系 4 第一章绪论 可依据病灶引起的化学物质( 或物理信号) 的变化进行自反馈，通过凝胶的溶胀与 收缩调控药物释放的通、断。另外，这类水凝胶可在其相转变附近将生理活性酶、 受体或细胞包埋入凝胶中，使之在目标分子等周围诱发体积相变而起作用。 ( 5 ) 光敏感性凝胶【3 2 1 光敏感性水凝胶是由热敏性材料中引入对光敏感的 基团制成的。光敏材料的响应性机理有三种，一种是热敏性材料中的特殊感光分 子，将光能转化为热能，使材料局部温度升高，当凝胶内部温度达到热敏性材料 的相转变温度时，则凝胶产生响应。例如：- 异丙基丙烯酰胺和光敏性分子合成 凝胶，它可借紫外线而电离，引起凝胶溶胀，在3 2o c 时凝胶发生体积相转变， 紫外线遮蔽时凝胶可逆地不连续收缩回复。另一种光响应性的机理是利用光敏分 子遇光分解产生的离子化作用来实现响应性。这种凝胶见光后，凝胶内部产生大 量离子，使凝胶内外离子浓度差改变，造成凝胶渗透压突变，促使凝胶发生溶胀 作出光响应。在第三种响应机理中，水凝胶材料中引入了发色基团，由于光照， 这些发色团的理化性质发生变化，因而导致具有发色团的聚合物链的构型的变 化，从而导致水凝胶的溶胀性能也发生改变。 1 1 4 智能水凝胶的应用【4 5 - 堋 智能水凝胶对外界条件的刺激具有感知、传感处理和驱动，并能及时作出溶 胀和收缩的应答。用水凝胶体积的循环变化所提供的物理化学能直接转变成机械 能，此类水凝胶组成的驱动元件可望在分子水平上模仿生物体，制备出人工肌肉。 利用温敏性高分子水凝胶将成熟的细胞自动和底物分离。在环境工程的水处理中 利用水凝胶吸附有毒有害的金属离子，通过温敏性在某个低临界溶胀温度下进行 解吸附。在工业控制过程中，水凝胶的磁响应敏感性【3 7 】可用于传感器、化学开 关阀门、显示装置和遥控离合器等f 5 4 】。在组织工程中，智能水凝胶可作为软骨 细胞的释放支架。特别在医药领域，智能水凝胶作为载体控制药物缓释方面有着 广泛的应用。例如，利用p h 敏感性的水凝胶作为药物的包埋基质，利用水凝胶 在不同p h 值下溶胀度、渗透性能的不同，达到靶向给药、控制药物释放浓度的 作用。特别适用于口服药物的控制释放，即利用人体消化道各个环节p h 值的不 同可以控制药物在特定部位的释放。在酸性条件下不稳定的药物可以用含弱酸性 基团的高分子水凝胶作载体，水凝胶在胃液酸性环境中处于疏水收缩状态，可避 第一章绪论 免酸溶液与包埋的药物接触，而不释放药物：在肠液碱性介质中则吸水溶胀，体 积明显增大，药物从水凝胶中渗出。利用温度敏感性的水凝胶作为药物的包埋基 材，药物的释放依赖于溶出介质的温度。当溶液温度高于某个低临界溶解温度 ( l c s t ) 时，水凝胶收缩，形成致密表面层阻止药物的释放；当溶液温度低于l c s t 时，凝胶膨胀。使药物分子较快地扩散到溶液中。利用水凝胶对葡萄糖的敏感性， 设计出控制胰岛素药物释放系统。利用水凝胶对磁的敏感性，先将纳米磁微球包 埋于水凝胶中，可设计出对外界震荡磁场敏感的药物释放体系。该体系可用于避 孕药物的控制释放，在女性排卵期，# 1 - j j 口磁场提高药物的释放量，达到较好的避 孕效果。也可以在外加磁场的作用下将药物导向到特定的癌症部位，进行药物的 缓释放，起到抗癌药物磁导航作用。 1 2 聚合物纳米粒子用于药物控制释放系统 1 2 i 纳米药物控释体系的优势 由于纳米材料具有的诸多特殊性能，使得纳米药物控释体系较普通给药系统 具有以下几种优势t ( 1 ) 可缓释药物，延长药物作用时间从而增加药物的吸收， 提高生物利用度【5 5 弓引。药物通过化学或物理的作用，分散于纳米微粒的内部或吸 附于纳米粒的表面。吸附于表面的药物释放较快，而分散于基质中的药通过基质 材料的小孔或随着基质的降解而达到缓慢释放药物的目的。载药体系孔径的大小 或载药材料在体液中的降解速率就成为药物释放的限速步骤。( 2 ) 可达到靶向输 送的目的并控制药物的释放，有利于药物对一些特殊部位的治疗 5 9 - 6 1 l 。纳米粒具 有被动靶向性，载药纳米粒进入循环系统后，通常迅速被单核巨噬系统( m p s ) 摄 取，到达网状内皮系统( r e s ) 分布集中的肝、脾、肺、骨髓、淋巴等靶部位，由 r e s 系统进行非选择性清除，故常可利用它的这一特性治疗肝癌等r e s 系统的 恶性肿瘤；也利用抗体、细胞膜表面受体或特定基因片段的专一性作用，将配位 子结合在纳米载体上，与目标细胞表面的抗原性识别发生特异性结合，从而达到 主动靶向。( 3 ) 可在保证药物作用的前提下，改变药物的体内分布特征，减少给 药剂量，从而减轻或避免毒副反应【6 2 】。( 4 ) 可提高药物的稳定性，有利于储存 6 3 1 。 ( 5 ) 改变药物的细胞膜透过性，可用以建立一些新的给药途径。纳米控释放系统 6 第一章绪论 的这些优点是其它输送体系所无法比拟的，因此纳米给药系统已成为药剂学领域 的研究热点之一。 1 2 2 纳米给药系统分类i 删 纳米给药系统可分为以下几种类型： ( 1 ) 纳米脂质体【6 5 】纳米脂质体在静脉注射后兼具长循环( 1 0 n g c i r c u l a t i o n ) 、 隐形( s t e a l t h y ) 和立体稳定( s t e r e o s t a b l e ) 的特点，对减少肝脏巨噬细胞对药物的 吞噬、提高药物的靶向性、阻挡血液蛋白成分与磷脂等的结合、延长体内循环时 间等具有重要作用。 ( 2 ) 固体脂质纳米粒【6 q 固体脂质纳米粒( s o l i dl i p i dn a n o p a r t i c l e ，s 是近年 来正在发展的一种新型纳米粒给药系统，其以固态类脂化合物( 天然或合成) 为载 体，将药物包裹于类脂核中制成固态胶粒，粒径在5 0 1 0 0 0n m 之间。越来越多 的研究结果表明，s l n 是传统胶体药物载体系统的替换系统，它既有传统载体 系统的优点，同时又改善了不足之处，具有广阔的应用前景。 ( 3 ) 药质体f 6 7 】药质体( p h 黜a c o s o m e s ，p s ) 是一种利用具有两亲性的药物或 经衍生化作用使药物与脂质体共价结合形成两亲性前体药物分子，然后在存在或 不存在乳化剂的条件下，经自身乳化形成的纳米级胶体分散体系。 ( 4 ) 纳米乳和纳米药物纳米乳为分散液滴大小为1 0 1 0 0h a l 的透明或近似 透明的乳剂。纳米药物即为在表面活性剂和水等附加剂存在下，直接将药物粉碎 加工成纳米悬浮剂，通常适合于口服、注射等途径给药，以提高吸收或靶向性。 ( 5 ) 纳米粒纳米粒( n a n o p a r t i c l e ，n p ) y 称毫微粒，是大小在1 0 1 0 0 0 姗之间 的固体胶体颗粒，一般由天然高分子物质或合成高分子物质构成，可作为传导或 输送药物的载体【6 羽。由于材料和工艺的差异，可形成纳米球( n a n o s p h e r e ) 与纳米 囊( n a n o c a p s u l e ) 。 ( 6 ) 药物纳晶药物纳晶( d r u gn a n o c r y s t a l ，d n ) 是指通过物理或化学方法将药 物直接制成超微小的纳米晶体，可直接用于给药或用作其他制剂的原料。 ( 7 ) 聚合物胶束这是近几年来最受关注的一类新型的纳米载体。通过分子 设计合成两亲性嵌段共聚物或接枝共聚物，使之同时具有亲水性基团和疏水性基 团，在水中溶解后自发形成高分子胶束( p o l y m e r i cm i e e l l e s ) ，完成对药物的包覆 7 第一章绪论 和增溶，因为具有亲水性外壳及疏水性内核，适合与携带不同性质的药物，亲水 性的外壳还具备“隐形 的特点。 1 2 3 聚合物纳米粒子载药体系 近年来，聚合物纳米粒子载药体系受到愈来愈多的关注 6 9 , 7 0 l 。聚合物材料的 多样性，使得以聚合物为载体的药物制剂亦多样化，能满足各种使用需求。因此， 聚合物纳米粒子载药体系作为一种重要的药物传输体系，随着对其研究的不断深 入，它的应用范围将会进一步扩大。聚合物纳米粒子尺寸通常为1 0 1 0 0n m ，药 物被分散、包封、吸附于聚合物粒子上，根据制备方法的不同，可制成纳米粒、 纳米球和纳米囊。所用的聚合物材料可以是天然的或人工合成的高分子材料，其 中一些可降解的合成聚合物材料因具有良好的生物相容性而被广泛使用。常用合 成高分子主要有聚酯、聚酸酐，聚氨基酸、聚氨酯及聚磷腈等。其中特别受到关 注的是脂肪族聚酯类聚合物，如聚乳酸( p l a ) 、聚乙交酯( p g a ) 、聚乙交酯丙交 酯共聚物( p l g a ) 、聚己内酯( p c l ) 和聚p 一羟丁酯( p h b ) 等，它们具有良好的可 生物降解性，现已被广泛用于给药载体。可作为药物载体的天然高分子主要有明 胶、胶原、环糊精、纤维素、壳聚糖、海藻酸盐等。纳米粒制备的方法有物理法 ( 物理粉碎法和真空干燥法) ，化学法( 微乳液法，沉淀法和溶胶凝胶法等) ，也有 按纳米粒形成机制的不同分成聚合反应法和聚合反应后分散法。 制备聚合物纳米粒子的化学方法主要有以下几种：单体或低聚物的水相聚合 反应；亲水性o w 乳剂中的聚合反应；超细亲油性w o 乳剂中的聚合反应；界 面聚合反应和界面缩聚反应；物理方法：溶剂沉积法和溶剂蒸发法；在微粒生产 中或生产后把药物吸附于微粒表面；两亲性聚合物在水介质中自组装形成纳米粒 子。聚酯型材料制备的纳米粒以聚合反应后分散法为主。目前文献报道的具体方 法很多，归纳起来主要有以下几种： ( 1 ) 溶剂蒸发法( s o l v e n te v a p o r a t i o nm e t h o d ) 1 7 1 - 7 s 聚合物和药物一起溶于二氯甲 烷、氯仿或醋酸乙酯等有机溶剂中，再加到含有乳化剂的水中进行乳化，形成 0 w 型乳液，然后通过加温、减压或连续搅拌等方式把有机溶剂挥发除去，最后 形成聚合物纳米粒子的水分散体系。p e r u g i n i 等人【7 4 】用该方法制备了p l g a 微球， 其形态结构与溶剂蒸发速度有关，并最终影响到药物的释放行为。 8 第一章绪论 ( 2 ) 自发乳化p 溶剂扩散法( s p o n t a n e o u se m u l s i o np s o l v e n td i f f u s i o nm e m o d ) p 毛7 6 1 用亲水性有机溶剂( 如丙酮、甲醇等) 和疏水性有机溶剂( 如二氯甲烷、氯仿等) 形成的混合溶剂溶解聚合物和药物作为油相，分散在水中，由于亲水性有机溶剂 会自动从油相扩散到水相，两相之间的界面会产生湍流，从而形成纳米粒子。随 着亲水溶剂用量的增加，粒子减小。f i s h b e i n 等【7 7 1 最近用这种力一法制备了载有 酪氨酸磷酸化抑制剂的p l a 纳米粒子，药物与聚合物质量之比对纳米粒子大小 和释药速度都有影响。具有生物活性的蛋白类药物也可用这种方法包埋在聚合物 纳米粒子中，g a r c i a - f u e n t e s 等【7 8 用p l g a 作为胰岛素的载体材料。用自发乳化 p 溶剂扩散法制成纳米粒子，通过体外释放实验证明：与直接用胰岛素水溶液给 药相比，聚合物纳米粒子给药具有明显的控释作用和长的持续时间。 ( 3 ) 超临界流体法( s u p e r e r i t i c a lf l u i dm e t h o d ) 7 9 , 8 0 1 前面两种方法均用到对人体有害 的有机溶剂，为了减少或避免使用有机溶剂，近来发展用超l 临界流体溶解聚合物 和药物的技术方法。然而大多数聚合物在超临界流体中的溶解度很小或根本就不 溶解，使这一方法受到很大限制。后来又出现了超临界反溶剂法( s u p e r c r i t i c a l a n t i s o l v e n t ) 8 1 】。聚合物溶解在有机溶剂中，用泵加压经过喷嘴雾化，在沉淀釜中与 超临界c 0 2 混合，有机溶剂很快扩散到超临界流体中，聚合物从混合溶剂中沉 淀出来形成纳米粒子。目前通过聚合物制备纳米药物载体的各种方法中，又以通 过自组装制备纳米胶束成为研究的热尉8 2 , 8 3 1 。 1 2 4 聚合物胶束简介 胶束( m i c e l l e ) 指在溶液中由若干分子或离子缔合形成的以疏水基团为内核， 亲水基团为外壳的分子有序集体。疏水性聚集是表面活性剂形成胶束的主要驱动 力。胶束通过两个过程迅速解离并重新形成：一是胶束放出一个表面活性剂分子， 又结合一个新的表面活性剂分子的微秒级过程；二是胶束解体和重组的毫秒级过 程。胶束的形成是吸引力和排斥力共同作用的结果，吸引力导致分子间相互结合， 排斥力则阻止胶束无限制增长。胶束包括由低分子表面活性剂形成的胶束和由聚 合物形成的聚合物胶束( p o l y m e r i cm i c e l l e s ) 。 聚合物胶束是近几年发展起来的一种新型药物释放系统。在适当的条件下， 两亲性嵌段共聚物或某些具有特殊相互作用的水溶性嵌段共聚物，可自组装形成 9 第一章绪论 聚合物胶束。与小分子表面活性剂胶束比较，聚合物胶束通常具有更低的临界胶 束浓度( c m c ) 和解离速率，表现为在生理环境中具有良好的稳定性，能使装 载的药物保留更长的时间，在靶位有更高的药物积累。此外，聚合物胶束的粒径 在亚观( m e s o s c o p i c ) 范围，且分布较窄。两亲性嵌段共聚物胶束与小分子表面 活性剂的自组装原理相似，两亲性嵌段共聚物的亲水、疏水链段的溶解性存在极 大差别，在水性环境中能自组装形成亚微观的聚合物胶束。它们具有相对较窄的 粒径分布及独特的核一壳结构，在水性环境中其疏水基团凝聚形成内核并被亲水 性链段构成的外壳所保护。这类胶束的内核载药量高，体内分布独特，可透过血 脑屏障，适用与口服给药系统及疾病诊断等领域f 8 4 - 8 8 。在药物控制缓释体系中， 聚合物胶束作为广泛的药用高分子载体，可增加药物的溶解度、代 身 稳定性和循 环时间 8 9 1 ，还能提高转基因表达的水平和时间【矧。总之，聚合物胶束、嵌段聚 合物超分子自组装从一开始登上药物以及基因运送载体的舞台就呈现出灿烂的 前景。近几年，为了提高药物和基因的运送效率以及减少毒副作用，具备了靶向 性和环境刺激敏感性的智能型胶束也不断被开发出来【9 1 1 。 根据自组装形成胶束的原理不同，聚合物胶束大致可分为以下几种： ( 1 ) 嵌段聚合物胶束当两亲性嵌段共聚物置于一个对亲水性或者疏水性嵌 段具有选择性的溶剂中时，嵌段共聚物会白发形成聚合物胶束。与小分子表面活 性剂形成胶束的过程非常相似，两亲性嵌段共聚物在水相中自组装可以形成具有 特殊的核壳结构，胶束的形成示意图见f i g u r e1 1 9 2 1 。对含有亲水性聚乙二醇 ( p e g ) 嵌段的聚合物来说，亲水性p e g 嵌段形成胶束的外壳，可以避免由于 药物在网状内皮系统( r e s ) 被非特异性吸收而导致达不到r e s 以外靶位的缺 陷，实现了药物的被动靶向作用【9 2 1 。为了进一步提高药物对特定组织和器官的 靶向效率，降低药物在非靶向组织的累积，从而减少服药后的毒副作用，通常采 用引入导向性分子如抗体或者糖基的方法，而使药物的靶向性得到进一步的增 强。由于p e g 末端有活性基团一羟基，方便通过化学反应连接靶向性基团，从 而使聚合物胶束具有主动靶向作用。 1 0 第一章绪论 f i g u r e l 1 t h ec o r e - s h e l ls t r u c t u r e o f m i c e l l e s ( 2 ) 接枝共聚物胶束如果接枝共聚物是由疏水的骨架和亲水的支链构成， 该接枝聚合物分散在水中就会自组装形成具有核壳结构的纳米粒子p ”，如图 12 所示，粒子内核由疏水性支链组成，而外壳则是亲水性骨架链。合成这种结 构的接枝共聚物通常采用大单体路线p ”可对接枝共聚物的构造、支链的长短与 数量及接枝点进行有效控制。改变其中亲水性链的结构，就能得到表面不同的具 有不同功能亲水基团的聚合物纳米粒子【9 s , 9 6 1 。例如，带c o o h t 9 ”、- n h 2 9 8 1 等亲 水性基团链形成的粒子表面具有p h 敏感性，而以n 异丙基丙烯酰胺为单体聚合 形成的高分子链具有温敏性【螂。 岁一酸三。 f i g u r e l 2s k e t c ho f g r a f t p o l y m e r m i e e l l e s ( 3 ) 聚电解质胶柬某些水溶性嵌段共聚物在水溶液中通过静电作用、氢键 作用等也会聚集形成胶束。柔性亲水性聚台物嵌段( 通常用p e g ) 自组装形成 束缚链( t e t h e r e dc h a i n ) 状的致密栅栏，包裹在内核外，维持胶束的空间稳定性。 内核出共聚物的聚电解质嵌段凝聚形成，凝聚成核的过程是分子间力( 包括疏水 作用、静电作用、金属络合作用及嵌段共聚物问氢键作用) 作用的结果。聚电解 质胶束中最具吸引力的要数离子型聚合物胶束( p o l y i o nc o m p l e xm i c e l l e s ，p i c m i e e l l e s ) 给药体系，与两亲性聚合物胶束给药体系不同，离子型聚合物腔束给 药体系所采用的载体材料是完全水溶的，它的一端可以是电中性的p e g ，另外 第一章绪论 一端则为带阴离子或阳离子的离子型链段( 如聚氨基酸、聚丙烯酸等) 。当这种 离子型聚合物的水溶液与溶于水的蛋白质、多肽药物混合时，会通过静电吸附、 氢键等若作用力与药物结合形成疏水的内核，从而在水溶液中形成纳米尺寸的胶 束f 1 0 0 。其作用过程如图1 3 所示。通过这种方法形成的给药体系没有使用有机 溶剂、强力搅拌和表面活性剂，因此能最大限度的保持蛋白质多肽的活性，另外 胶