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纳米凝胶的研究进展
摘要：纳米凝胶是由亲水性或两亲性高分子链组成的三维网状结构，它能显著的溶胀于水但是不溶解于水，由于水和凝胶网络的亲和性，水可能以键合水、束缚水和自由水等形式存在于高分子网络中而失去流动性，因此纳米凝胶能够保持一定的形状。它们可以作为一种药物载体，而且也可以通过盐键，氢键或者疏水作用自发的结合一些生物活性分子。高分子电解质的纳米凝胶可以稳定地结合带相反电荷的小分子药物和生物大分子，比如寡或多聚核苷酸（siDNA，DNA）和蛋白质。目前的研究表明纳米凝胶在生物医药方面有很广阔的应用前景。
关键词：纳米凝胶 药物载体
前言
纳米凝胶通常指的是由物理或者化学交联的聚合物网络组成的水凝胶颗粒，
它是一种纳米尺度的水分散体。按形成的化学键，凝胶分为两种：一种是化学凝胶（聚合物凝胶），这种凝胶是由交联的共价键而形成的三维网络结构，比如PEG-cl-PEI。另一种是物理凝胶，是由非共价键形成的三维网络结构，比如甘露糖类，右旋糖酐等。按溶剂分，则一般分为有机凝胶和水凝胶。
纳米凝胶可以很好的作为药物运输载体是因为它们有很高的负载能力，高的稳定性，更重要的是相对于普通的药物纳米载体，它们对环境敏感，比如离子强度，pH和温度。至从2002年第一篇关于纳米凝胶的合成与应用的综述发表后，这类新颖的纳米结构材料在药物，大分子和显影剂运输方面受到人们越来越大的关注。这篇综述简单介绍了纳米凝胶的合成与应用，尤其是药剂学方面的应用。
没有负载的纳米凝胶含有大量的水而处于一种溶胀的状态。纳米凝胶可以通过生物活性因子与其多聚链基质之间的静电作用，范德华力或者疏水作用自发的负载这些因子。因此，纳米凝胶塌陷而形成稳定的纳米粒子，生物活性因子负载其中。可以在其结构中加入分散的亲水性聚合物比如聚乙二醇来阻止纳米凝胶的聚集。在负载药物的纳米凝胶络合物塌陷的过程中，这类聚合物可以暴露在其表面并形成一个亲水的保护层从而阻止了相分离。纳米凝胶表面的官能团可以进一步的用各种不同的靶向基团修饰以达到靶向输送特定部位的目的。研究表明纳米凝胶可以将其负载送到细胞里面并穿过生物膜。这种纳米凝胶有很好的稳定性并且可以保护生物活性因子不被细胞内代谢系统降解。纳米凝胶在全身性药物输送及提高口服和脑部位的生物利用度方面表现出很大的潜能。
1 纳米凝胶的制备
目前报道的制备纳米凝胶的方法有以下几种：（1）聚合物之间的物理自组装；（2）均相或微小非均相环境下的单体聚合；（3）形成了的聚合物交联；（4）模板辅助。下面详细介绍这几种方法。
许多研究团队用聚合物之间的物理自组装制备了各种不同的纳米凝胶。这种方法通常包括控制亲水性聚合物之间通过疏水作用或者静电作用或者氢键导致的聚集。这种制备纳米凝胶的方法在温和条件和水介质中进行。亲水性聚合物相互作用将生物大分子包裹其中，并且对于制备负载蛋白质的纳米凝胶非常有用。比如Akiyoshi等人通过胆固醇修饰的淀粉之间的疏水作用制备了负载胰岛素的纳米凝胶（如图1a）【1】。这种纳米凝胶在一个窄的胆固醇∕糖比例（1:40-1:100）
图1 水性介质中物理自组装形成纳米凝胶
下形成，其粒径为20-30nm，每个纳米粒包含5个胰岛素分子。自组装纳米凝胶的粒径通过选择合适浓度的聚合物和环境参数，比如pH值，离子强度和温度来控制。Yu等人制备了温度诱导凝胶化的蛋白质纳米凝胶，其组成是带相反电荷的蛋白质，比如卵清蛋白和溶菌酶或卵转铁蛋白【2】。同样地，可以制备组成为壳多糖和卵清蛋白的pH和温度诱导的纳米凝胶。【3】Gref和他的同伴研究了不同粒径的自组装纳米凝胶，其为十二烷基修饰的右旋糖酐和β-环糊精在水性介质中相互作用形成（如图1b）。【4】他们通过一个大的浓度范围的此两种聚合物相互作用制备了粒径在120-150nm的凝胶。制得的纳米凝胶很稳定，而且发现通过冷冻干燥可以获得长时间的保存。
不同胶态环境下的化学合成为改造纳米凝胶的结构和性质提供了一个手段。有一些研究报道用反向油包水微乳作为介质来聚合单体形成凝胶，加入双官能团的单体作为交联剂以保证得到稳定地胶状纳米网络（图2a）。Speiser等人首先共聚合成反向微胶粒。【5】Levashow和他的同伴发展了Speiser的方法，他们用丙烯酰胺和N,N-亚甲基双丙烯酰胺共聚物制成纳米凝胶来共价固定酶。

图2 在胶态环境下共聚合成纳米凝胶
不稳定键通常在聚合过程中被引入到纳米凝胶中，当破坏它们后药物便释放出来。Frechet等人在反向微乳中通过自由基聚合合成可降解的丙烯酰胺纳米凝胶，其中还包含了对酸敏感的乙缩醛交联剂，此凝胶被用来负载蛋白质，抗体和DNA。【6】乙缩醛基团在pH=7环境下很稳定（t1/2=24 h），但是在酸性胞内体pH值环境下马上就被水解导致纳米凝胶降解从而释放出负载（t1/2=5min）【7】【8】。Matyjaszewski研究团队在反向微乳中用原子转移基团聚合法（ATRP）以水溶性的聚合物合成稳定地交联纳米凝胶。【9】他们用一种含二硫化物的交联剂来合成可生物降解的纳米凝胶。二硫基在胞外基质中很稳定，但是进入细胞后由于谷胱甘肽的存在导致其裂解。这样同样有利于纳米凝胶在细胞内负载的释放。
聚合反应合成纳米凝胶的方法同样可以在水包油微乳或者水性悬液中进行（如图2b）。而且，此类聚合反应可以由水性单体在均质水溶液中开始，最后形成一个慢慢长大的多聚胶状悬浮液。例如，Peppas等人以PEG修饰的聚甲基丙烯酸为原料利用紫外诱导的溶液沉淀聚合方法合成了一中悬浮的纳米凝胶。【10】
除了这些聚合方法外，已经形成的聚合物链之间的共价交联为产生空隙很大的纳米凝胶提供了很好的方法。【11】这种交
图3用交联聚合物链的技术合成纳米凝胶
联方法在制备不同功能载药纳米凝胶方面得到广泛的应用。特
别指出的是此种方法第一次被用来制备运输多核苷酸的交联纳米凝胶。利用此方法，双倍活性的PEG在水包油微乳环境中被结合在分支的PEI上，接着在真空下蒸发掉溶剂，最后纳米凝胶在水性溶液中成熟形成。（如图3a）。同聚合反应的情况一样，这种纳米凝胶聚合物之间的交联连接同样可以打开。例如，一种生物可降解的用二硫化物交联的分段PEI被用来制备载多核苷酸的离子型纳米凝胶，大大减少了毒性。【12,13】在另外研究中，在水溶液中PEI被交联在双活性普流尼克三嵌段共聚物（PEG-b-PPG-b-PEG；如图3b；PPG=聚丙烯乙二醇）组成的微胶粒上。【14】这样就得到一个疏水的PPO核，外面包裹交联着一个PEI和PEO的壳（PEG-cl-PEI）。
Bronich等人【40】发明了一种可以控制纳米凝胶中聚合物链空间分布的技术。其中关键步骤是用一个带相反电荷的缩合剂来交联双亲性的嵌段共聚物以初步得到高聚电解质微粒。然后在核中发生离子键的化学交联，缩合剂被移走从而得到最终的凝胶（如图3c）。最终得到的纳米凝胶由PEG-b-聚甲基丙烯酸（PEG-b-PMA）组成，包括一个亲水的PEG壳和一个交联的亲水PMA离子核，它可以在水中溶胀及结合亲水的药物。【16】用同样的技术可以用PEG修饰的聚丙烯酸（PEG-g-PAA）制得核壳型的纳米凝胶。【15】

图4 光复刻技术合成纳米凝胶
最后，DeSimone和他的团队发展了一种新型的合成纳米凝胶的方法，此方法可以将几十纳米的聚合物颗粒制成几个纳米。此方法用的是一种模板光复刻技术（particle replication in Nonwetting templates PRINT）。具体过程见图4。这种方法可以对颗粒的大小，形状，组成和表面功能进行绝对的控制，同时可以负载微小的物质，包括药物和生物大分子。例如，用此种方法制得了一系列200nm左右的PEG化的纳米凝胶颗粒。【17】
2 化学修饰
当注射进入人体后，纳米载体可以将药物输送到病患部位。有很多因素阻止药物的传送：（1）纳米载体与血清蛋白的作用，导致粘附；（2）网状内皮细胞或肾小球的清除作用；（3）器官内非特异性聚集。为了降低与血清蛋白的相互作用，延长药物的循环时间，纳米载体的表面经常会修饰上惰性的亲水的多聚链，像PEG。【18】例如，载药的PEG-cl-PEI纳米凝胶是一个核壳型的结构，表面被PEG链包裹着。【19】在乳液聚合法过程中同样可以在聚甲基丙烯酸酯纳米凝胶周围接上PEG。【20】
纳米凝胶的表面修饰上一些生物特异性的靶标基团，可以增加纳米凝胶在生物体内的特异性输送。例如，上面介绍了生物素化的PEG-cl-PEI纳米凝胶，它们可以通过生物素化的配体（转铁蛋白或胰岛素）来结合抗生物素蛋白。【21】纳米凝胶同样可以接上一种肿瘤靶向蛋白，人转铁蛋白（hTf）。【22】纳米凝胶可以结合大量转铁蛋白并将其暴露在表面，这样有利于其在细胞内与转铁蛋白受体作用。另外，通过一个双功能的PEG连接体可以将肽配体连接到纳米凝胶上。【12】例如，一个末端有半胱氨酸的多肽可以连接到一个马来酰亚胺-PEG-N-hydroxysuccinimide连接体上。然后此产物可以与PEI上的氨基反应，从而得到一个既定要求多肽密度修饰的纳米凝胶。
总之，纳米凝胶表面可以被修饰上各种不同的靶向基团。开始的证据表明这些方法可以用来将纳米凝胶输送到特异选择的细胞内受体上。
3 溶胀：纳米凝胶最重要的性质
纳米凝胶是软性纳米材料。纳米凝胶在水溶液中的溶胀由以下因素控制：（1）纳米凝胶自身的结构（聚合物的化学结构，交联的程度，电解质凝胶的电荷密度等）；（2）环境参数，比如pH值，离子强度，温度（如图5）。众所周知，渗透压和聚合物弹性力学之间的平衡决定了凝胶颗粒的物理尺寸。【23】弱的聚电解质凝胶的离子化取决于pH值。总体电荷和抗平衡离子数量的减少会导致凝胶的收缩（渗透压的减少），直到聚合物链已占空间限制其进一步收缩。例如，当PMA上的羧基质子化导致pH值从9降到5时，交联的PEG-b-PMA纳米凝胶会收缩。【16】同样，PEI氨基去质子化后pH从8.5升到10，导致了PEG-cl-PEI纳米凝胶的收缩。

图5 Factors affecting nanogel swelling
离子强度同样也决定了聚电解质纳米凝胶的溶胀。例如，在高的离子强度时，离子型的PAETMAC纳米凝胶的溶胀只受交联剂的浓度影响，但是当离子强度很低时，交联剂和电荷强度同样都会影响其溶胀。一般的规律是当交联数量增加时，交联了的凝胶的交联比率会降低。【16】
在特定情况下，溶剂与聚合物链之间的作用是受温度影响的，它可以导致凝胶的溶胀或坍塌。例如，因为在普流尼克聚合物中PPG链具有低溶液临界温度，因此此纳米凝胶是温度响应性的。N-异丙基丙烯酰胺纳米凝胶（NIPAAm）同样具有温度响应性。【24,25】这个特性可以用来设计环境响应性药物载体。最近有人设计出一个葡萄糖响应性的NIPAAm纳米凝胶，此凝胶的溶胀性能受到葡萄糖浓度的影响。【26】高分散性的纳米凝胶一个突出优点是他们常常对环境条件的变化可以做出很快的响应，这样有利于生物活性因子在药物应用上的结合和释放。【27】在特定情况下，纳米凝胶负载药物后可以导致其体积减少。一个原因是药物通过离子键，疏水作用或者氢键与凝胶链发生作用，从而导致了凝胶的收缩或者坍塌。纳米凝胶的溶胀和坍塌时其负载药物和释放药物的优势。
4 纳米凝胶药物负载和释放
生物制剂可以通过以下作用与纳米凝胶结合：（1）物理包埋，（2）共价结合，（3）受控的自组装。胆固醇修饰的淀粉纳米凝胶负载胰岛素【1】和巯基化合物修饰的透明质酸纳米凝胶都是通过物理包埋作用。【28】而且，疏水分子可以在纳米凝胶的疏水区得到增溶。例如，地诺前列酮可以在胆固醇修饰的淀粉纳米凝胶中得到增溶。【29】值得注意的是，在大多数情况下只由疏水相互作用产生的负载会导致相对低的负载能力。
生物制剂利用共价键结合在纳米凝胶上的一个实例是在PEG-b-PMA上负载顺铂。【30,31】这种纳米凝胶有一个交联的多聚阴离子（PMA）的核和一个中性的多聚物（PEG）壳。在水溶液中，顺铂和凝胶核中的羧基反应导致坍塌。
带相反电荷的高聚电解质纳米凝胶的受控自组装可以对生物制剂有更高的负载。在水溶液中，很多高聚电解质的纳米凝胶与带相反电荷的表面活性剂，人造电解质，聚核苷酸和蛋白质作用。【34,35,32,33】弱交联高聚电解质纳米凝胶的一个最重要特点是他们与带相反电荷生物大分子的结合能力。在凝胶里的生物大分子的顺应性受到排斥体积和交联密度的阻碍。但是，如果生物大分子和聚合物网络系统带有相反的电荷，它们就可以很有效地相互作用以形成一个聚合电解质络合物。当聚电解质链渗入纳米凝胶时，这个过程就好像带相反电荷的聚离子之间的正面反应，导致其从凝胶表面进入核心。【36】因此，即使是肿大的聚电解质网状系统也能很有效地负载生物大分子（如图6）。【37】

图6 交联的聚合物纳米凝胶负载和释放生物大分子
生物活性因子可以通过以下方式从纳米凝胶里面释放出来：（1）简单扩散，（2）纳米凝胶的降解，（3）pH值的变化，（4）环境中存在抗平衡离子位移，（5）外部能量的诱导（如图7）。

图7 药物从纳米凝胶中释放
综上所述，纳米凝胶可以形成一中亲水分散的药物载体，并且有很好的性能来包裹小的生物活性剂和生物大分子。此类药物载体系统的优势是它们可能很容易的制得，高的负载能力以及稳定性高。溶胀和收缩是纳米凝胶独一无二的性质，可以为药物的负载和释放提供很多好处。纳米凝胶网络系统对环境变化具有响应性，可以承受快速的体积变化，可以通过刺激来控制生物活性化合物的释放。另外，纳米凝胶可以通过化学修饰达到靶向输送和释放药物的目的。因此，纳米凝胶作为药物载体具有广阔的应用前景
参考文献
[1] K. Akiyoshi, S. Kobayashi, S. Shichibe, D. Mix, M. Baudys,S. W. Kim, J. Sunamoto, J. Controlled Release 1998, 54, 313–320.
[2] S. Yu, P. Yao, M. Jiang, G. Zhang, Biopolymers 2006, 83, 148–158.
[3] S. Yu, J. Hu, X. Pan, P. Yao, M. Jiang, Langmuir 2006, 22, 2754–2759.
[4] S. Daoud-Mahammed, P. Couvreur, R. Gref, Int. J. Pharm.2007, 332, 185–191.
[5] P. Speiser in Reverse Micelles (Eds.: P. L. Luisi, B. E. Straub)Plenum, New York, 1984, pp. 339–346.
[6] N. Murthy, M. Xu, S. Schuck, J. Kunisawa, N. Shastri, J. M.Frechet, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2003, 100, 4995–5000.
[7] S. L. Goh, N. Murthy,M. Xu, J. M. Fr_chet, Bioconjugate Chem.2004, 15, 467–474.
[8] Y. J. Kwon, S. M. Standley, S. L. Goh, J. M. Frechet, J.Controlled Release 2005, 105, 199–212.
[9] J. K. Oh, C. Tang, H. Gao, N. V. Tsarevsky, K. Matyjaszewski, J.Am. Chem. Soc. 2006, 128, 5578–5584.
[10] C. Donini, D. N. Robinson, P. Colombo, F. Giordano, N. A.Peppas, Int. J. Pharm. 2002, 245, 83–91.
[11] W. E. Hennink, C. F. van Nostrum, Adv. Drug Delivery Rev.2002, 54, 13–36.
[12] S. V. Vinogradov, E. Kohli, A. Zeman, A. V. Kabanov, Polym.Prepr. Am. Chem. Soc. Div. Polym. Chem. 2006, 47, 27–28.
[13] E. Kohli, H. Y. Han, A. D. Zeman, S. V. Vinogradov, J.Controlled Release 2007, 121, 19–27.
[14] S. V. Vinogradov, E. Kohli, A. D. Zeman, Pharm. Res. 2006, 23,920 –930.
[15] T. K. Bronich, P. A. Keifer, L. S. Shlyakhtenko, A. V. Kabanov,J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 8236–8237.
[16] S. Bontha, A. V. Kabanov, T. K. Bronich, J. Controlled Release2006, 114, 163–174.
[17] S. E. Gratton, P. D. Pohlhaus, J. Lee, J. Guo, M. J. Cho, J. M.DeSimone, J. Controlled Release 2007, 121, 10 – 18.
[18] G. E. Francis, C. Delgado, D. Fisher, F. Malik, A. K. Agrawal, J.
Drug Targeting 1996, 3, 321–340.
[19] S. V. Vinogradov, A. D. Zeman, E. V. Batrakova, A. V. Kabanov,J. Controlled Release 2005, 107, 143–157.
[20] H. Hayashi, M. Iijima, K. Kataoka, Y. Nagasaki, Macromolecules2004, 37, 5389–5396.
[21] S. V. Vinogradov, E. V. Batrakova, A. V. Kabanov, BioconjugateChem. 2004, 15, 50–60.
[22] S. V. Vinogradov, A. V. Kabanov, Polym. Prepr. Am. Chem.Soc. Div.Polym. Chem. 2004, 228, 296.
[23] J. Ricka, T. Tanaka, Macromolecules 1984, 17, 2916–2921.
[24] Y. Shin, J. Liu, J. H. Chang, G. J. Exarhos, Chem. Commun.2002, 1718 –1719.
[25] I. Varga, I. Szalai, R. Meszaros, T. Gilanyi, J. Phys. Chem. B2006, 110, 20297–20301.
[26] Y. Zhang, Y. Guan, S. Zhou, Biomacromolecules 2007, 8, 3842–3847.
[27] G. M. Eichenbaum, P. F. Kiser, S. A. Simon, D. Needham,Macromolecules 1998, 31, 5084–5093.
[28] H. Lee, H. Mok, S. Lee, Y. K. Oh, T. G. Park, J. Controlled Release 2007, 119, 245–252.
[29] N. Kato, U. Hasegawa, N. Morimoto, Y. Saita, K. Nakashima, Y.Ezura, H. Kurosawa, K. Akiyoshi, M. Noda, J. Cell Biochem.2007, 101, 1063–1070.
[30] T. K. Bronich, S. Bontha, L. S. Shlyakhtenko, L. Bromberg,T. A. Hatton, A. V. Kabanov, J. Drug Targeting 2006, 14, 357–366.
[31] W. Jin, P. Xu, Y. Zhan, Y. Shen, E. A. Van Kirk, B. Alexander,W. J. Murdoch, L. Liu, D. D. Isaak, Drug Delivery 2007, 14,279–286.
[32] K. Ogawa, S. Sato, E. Kokufuta, Langmuir 2005, 21, 4830–4836.
[33] K. Ogawa, S. Sato, E. Kokufuta, Langmuir 2007, 23, 2095–2102.
[34] S. V. Vinogradov, Curr. Pharm. Des. 2006, 12, 4703–4712.
[35] T. Bronich, S. Vinogradov, A. V. Kabanov, Nano Lett. 2001, 1,535–540.
[36] V. A. Kabanov, V. B. Skobeleva, V. B. Rogacheva, A. B. Zezin,J. Phys. Chem. B 2004, 108, 1485–1490.
[37] K. T. Oh, T. K. Bronich, V. A. Kabanov, A. V. Kabanov,Biomacromolecules 2007, 8, 490–497.
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