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水凝胶在药剂学中应用研究

　　随着生物技术的发展，蛋白多肽类药物不断被开发上市，广泛应用于癌症、遗传性疾病等重大疾病的治疗。生物技术药物相比于普通的化学类药物具有靶向性更强、毒副作用小等诸多优势。但蛋白多肽类药物常规给药时在体内易被生物酶代谢或凝集变性，半衰期短，需频繁地注射给药，给患者造成诸多不便。纳米水凝胶可以有效地防止蛋白凝集失活，提高药物的体内稳定性，近年来已成为蛋白多肽类药物载体的研究热点。
　　纳米水凝胶是一种通过共价键、氢键或范德华力等相互作用交联构成的，在水中溶胀而又不溶解，具有三维网状结构和粒径在纳米范围内的聚合物粒子，作为药物载体具有诸多优势:①有效防止蛋白药物的凝集变性。②显着提高药物疗效，减少毒副反应。③使用方便，一般给药途径是注射给药或口服给药。
　　智能纳米水凝胶是一类能够响应环境变化并发生相变的纳米凝胶，通过响应温度、pH、葡萄糖等微小变化，而产生自身可逆性体积变化或溶胶-凝胶变化，最终实现药物定点、定时、定量释放。目前这种具有巨大应用潜力的药物载体的研究尚处于起步阶段，本文将从智能纳米水凝胶的种类、制备方法及其在给药系统的应用等方面对“智能纳米水凝胶”在药剂学领域的最新研究进展进行综述。
　　1分类
　　按照对环境的响应性，智能纳米水凝胶可分为温度敏感型、pH敏感型、温度-pH感型、葡萄糖敏感型以及离子强度敏感型等。
　　1．1温度敏感型
　　温度敏感型纳米水凝胶是一类体积随着温度变化而溶胀或收缩的高分子凝胶，一般含有一定比例的亲水基团和甲基、乙基、丙基类的疏水基团，温度变化可影响这些疏水基团的相互作用及氢键作用，导致凝胶发生体积可逆性相变，从而可实现对药物进行智能控制释放。
　　温敏纳米凝胶按照制备材料通常包括聚聚氧乙烯-聚氧丙烯嵌段共聚物、N-异丙基丙烯酰胺、聚乙二醇/聚乙烯亚胺嵌段共聚物及其衍生物等，其中以泊洛沙姆和PNIPAAm的应用研究最为广泛。
　　1．1．1泊洛沙姆泊洛沙姆属于一种非离子表面活性剂，是目前研究最深入的制备温敏纳米凝胶的高分子材料，其中以泊洛沙姆407最为常用，可在溶液中聚集成以脱水PPO链为内核、以水化膨胀的PEO链为外壳的球状纳米凝胶。P407细胞毒性小，生物兼容性好，可以提高抗癌药的膜转运率，克服多药耐药性，是一个理想的药物控释注射材料。Lee等［1］将泊洛沙姆化学键合到PEI/DNA络合物的表面，形成温敏型纳米水凝胶，作为基因载体，通过温度变化控制转染率，同时可以克服肿瘤细胞多药耐药性。PEI为阳离子聚合物，在装载核酸类药物时，可以与DNA上的磷酸基团键合，使药物与载体结合更加牢固。Huang等［2］制备了叶酸介导的泊洛沙姆与硫酸软骨素键交联合成的纳米水凝胶，通过叶酸受体介导的肿瘤靶向作用，使抗癌药阿霉素主动靶向肿瘤部位。泊洛沙姆中的PEO嵌段可以防止蛋白的聚集，硫酸软骨素本身大量存在于结缔组织和软骨中，对人体无毒无害，所带负电荷可以将带正电荷的阿霉素通过静电相互作用载入纳米水凝胶，提高了载体的包封率，并保证药物持续释放。
　　1．1．2PNIPAAmPNIPAAm是一种生物不可降解的聚合物，在水中的低临界溶解温度约为32℃，与人体温度较为接近，是目前研究较多的一类热缩型温敏纳米水凝胶的制备材料［3］。Wang等［4］制备了PNIPAAm纳米凝胶，且以5-氟尿嘧啶和牛血清蛋白为模型药物考察了药物的装载和释放。研究结果显示，药物的装载效率和定点释放效率决定于药物的相对分子质量，纳米凝胶可以有效防止模型药物的变性，提高药物疗效。PNIPAAm的主要不足之处在于其在体内被肝谷胱甘肽S-转移酶代谢后的产物为丙烯酰胺，具有一定致癌和致畸毒性，限制了其在临床上的广泛应用。
　　1．2pH敏感型
　　pH敏感型的纳米水凝胶分子中一般都含有酸性或碱性基团，当环境的pH值发生变化时，凝胶体积会随之膨胀或收缩。人体正常的细胞外pH值为7．1～7．6，肿瘤细胞pH值为6．5～7．0，利用肿瘤细胞pH值与正常细胞的pH值的差异，载药纳米凝胶在健康细胞中可以保护药物不被降解，到达肿瘤细胞时会释放药物，实现靶向给药目的。pH敏感纳米水凝胶药物释放系统也特别适合于口服给药，人体胃液的pH值一般为0．9～1．5，而肠液为6．5～8．0，根据人体消化道各器官pH值的不同，利用凝胶在不同pH值的溶胀度和渗透性能的差异，控制药物在特定部位释放，如做成肠溶缓释片在肠内释放。由于pH敏感型智能纳米水凝胶具有pH响应性和一定的机械强度，故在药物传递方面有着广阔的应用前景，成为人们研究的热点。
　　Motoi等［5］制备了一种核壳型智能纳米水凝胶，该纳米凝胶以聚异丁烯酸)作为核，表面连接羧基化的PEG作为链，对pH有明显响应，可应用于非滤过性毒菌基因和药物的传递。Chiu等［6］以疏水化的壳聚糖制备了pH敏感的纳米凝胶，模型大鼠体内研究结果显示，随着纳米凝胶的降解，其对巨噬细胞的响应也逐渐下降。Nam等［7］采用3-二乙氨基丙基修饰乙二醇壳聚糖制备pH敏感型纳米凝胶GCSg-DEAP，该凝胶可在生理pH条件下自组装形成。包载阿霉素的纳米凝胶在较低pH值下可以加速阿霉素的释放，从而增加非小细胞肺癌A546细胞在微酸环境下对阿霉素的吸收，提供阿霉素的抗癌效果。
　　1．3温度-pH敏感型
　　这类纳米水凝胶通常由pH敏感性聚合物和温度敏感性聚合物通过接枝聚合、嵌段共聚，也可由互穿聚合物网络技术制备。目前关于纳米级温度-pH敏感水凝胶的研究报道还不多，Zhang等［8］采用半接枝的方法以PNIPAAm与丙烯酸制备了温度和pH双重敏感纳米水凝胶，当温度一定时，pH值从3升至11时，该纳米水凝胶粒径增大;而在pH一定时，温度升高，凝胶颗粒粒径减小。可利用凝胶的pH敏感，使凝胶颗粒膨胀包载药物;再利用体内外温度变化，使凝胶在体内时收缩释放出药物。
　　1．4葡萄糖敏感型纳米凝胶
　　设计合成葡萄糖敏感纳米水凝胶用于胰岛素自调式释药系统一直是近年的研究热点。正常人体胰岛素的释放受机体反馈机制调节，维持血糖水平正常范围，而糖尿病患者则需注射胰岛素来控制血糖浓度。注射胰岛素时可能有用药过量，引起低血糖危及生命，葡萄糖敏感型纳米凝胶可以敏锐地响应体内血糖变化，达到定时定量释药的目的。Sven［9］以丙烯酰胺、交联剂、糖反应单体、阳离子单体二甲胺基丙腈合成了纳米水凝胶。葡萄糖和硼酸之间的反应改变了纳米水凝胶溶胀的驱动力，控制所载胰岛素的适时释放，当体内葡萄糖浓度偏高时，凝胶收缩，挤压出包载的胰岛素，达到了纳米水凝胶对葡萄糖智能敏感的目的。
　　2智能纳米水凝胶的制备
　　纳米水凝胶的高分子材料分为天然的、半合成的和全合成的。天然及半合成的高分子凝胶在生物兼容性、细胞控制降解、无毒和应用安全上有潜在优势，但稳定性较差;合成的纳米水凝胶无免疫原性，制备方法简单，价格相对于天然材料制备的纳米水凝胶便宜。现将常见的纳米水凝胶制备方法归纳如下。
　　2．1电磁辐射聚合法
　　电磁辐射聚合是指通过电子束或γ光子照射，使链状高分子聚合物交联形成水凝胶的过程。用电磁辐射的方法来合成纳米水凝胶不受加载材料和有毒反应残留物的污染，从一定程度上建立了一种比传统方法更简单的制备技术。Rosiak等［10］对一系列已除氧的聚合物水溶液中的线性聚合物分子施以短暂而强烈的电磁辐射，发现每个大分子上同时产生许多自由基，分子内交联形成纳米水凝胶。这种方法已成功地应用到一些水溶性聚合物纳米水凝胶的制备。
　　2．2W/O乳化法W/O
　　乳化法包括两个步骤，首先在连续的油相中使用油溶性表面活性剂将包含有水溶性聚合物的水滴进行乳化，然后是聚合物和水溶性交联剂的交联。主要方法包括反相微乳化和反胶束法。
　　2．2．1反相微乳化［11］通常采用液体石蜡和己烷作为疏水有机溶剂，山梨坦单油酸酯和丁二酸二辛酯磺酸钠作为油溶性表面活性剂，以此保证反相乳液W/O聚合胶体的稳定性。不同的化学药物、DNA等生物大分子药物可直接包载入该乳液体系。所得产物与适当的交联剂交联，得到的纳米水凝胶分散于有机溶剂，采用沉淀和离心进行纯化，使用如异丙醇等有机溶剂进行清洗和冷冻干燥。通过这种方法制得的纳米水凝胶的粒径大小可通过调节表面活性剂和交联剂的量及搅拌速度来控制。
　　2．2．2反胶束法类似于反相乳液聚合，反胶束法也涉及W/O分散体系，但需使用大量油溶性表面活性剂。Lee等［12］在含有山梨醇酐三硬脂酸酯、山梨坦单油酸酯和聚氧乙烯脱水山梨醇单油酸酯的己烷溶液中，将透明质酸与胱胺耦合反应生成HA-SH纳米凝胶。在pH8．0时，巯基和二硫化物在苏糖醇存在下进行相互转化。由此产生的巯基HA在含有siRNA的反相胶束交联通过巯基降解为二硫化物，形成具有靶向性的siRNA细胞内载体。
　　2．3水均相凝胶法
　　水均相凝胶法是指在水相中制备聚合物纳米凝胶。如Morimoto等［13］用PNIPAAm修饰支链淀粉，在水相中通过疏水性的PNIPAAm自联作用物理交联形成40～50nm的纳米水凝胶，该纳米凝胶对温度和氧化还原反应双重敏感。可逆性的物理交联也可用于制备纳米水凝胶，该方法最大优点在于它避免了使用在化学交联法中所需的有毒交联剂和反应试剂。Zhang等［14］采用缩水甘油基氯修饰壳聚糖生成N-［丙基］壳聚糖氯化物，再与卟啉交联。由此产生的壳聚糖纳米凝胶粒径随pH值变化而改变，pH值为5．0时为450nm，在pH为7．4时则为180nm。这一特征在靶向给药治疗癌症中有着很重要的作用，纳米凝胶在生理pH7．4下不释放药物，而在肿瘤细胞的酸性条件下释放药物。
　　2．4自组装法
　　自组装法是指由分子或亚基自发形成超分子结构的过程，不需额外能量。生物大分子良好的识别性能为自组装制备纳米水凝胶提供了一个可靠的控制机制，制得的纳米水凝胶更能模拟精细的生物和天然大分子体系，是真正意义的仿生材料。Sebastien等［15］以亲水的支链淀粉作为骨架，支链部分被疏水的甾体化合物取代，在水溶液中自发形成粒径20～30nm的胆固醇支链淀粉纳米凝胶，可以包载蛋白质防止蛋白质的聚集。当遇到浓度更高的蛋白质溶液时会释放原来的蛋白质，甲基-β-环糊精可使CHP纳米凝胶解聚。
　　2．5分散聚合法
　　分散聚合法即将反应前单体、分散剂和引发剂都溶解在介质中形成均相体系，随反应进行，聚合物链达到临界链长时，在介质中不溶解的聚合物沉析出来并借助于分散剂稳定悬浮在介质中形成稳定的分散体系。该法制备纳米水凝胶时方法简单，产物性能安全，有相对较高的药物负载能力。Sanson等［16］采用分散聚合法制备了栽金的纳米凝胶作为某些具有较强毒副作用药物的传递载体，并在一定物理条件下通过光触反应器应用于光敏疗法。
　　2．6乳液聚合法
　　乳液聚合法即在乳化剂、交联剂作用下，单体经聚合生成粒径在20～300nm之间的纳米凝胶。Gao等［17］以聚丙烯酰胺用乳液聚合法制备了载有间4-羟苯基氯用于光敏治疗的超细纳米水凝胶，在650nm的可见光下可以有效杀死小鼠的神经胶质瘤细胞。丙烯酰胺和N，N亚甲基在无水条件下直接与己烷/丁二酸二辛酯磺酸钠混合乳化，得到2～3nm的极细聚丙烯酰胺纳米粒。在有水的条件下乳化制得的聚丙烯酰胺纳米粒则粒径在20nm左右，且粒径分布范围宽。
　　2．7互穿聚合物网络法
　　互穿聚合物网络是指将两种共混的聚合物分子链相互贯穿并以化学键的方式各自交联而形成的网络结构纳米凝胶。通过IPN法可以引入具有良好生物兼容性、生物降解性和力学性能的组分，开发可生物降解且力学性能较好的“智能纳米水凝胶”。Yin等［18］用戊二醛交联O-羧甲基壳聚糖制备纳米水凝胶后，再与丙烯酸/丙烯酰胺合成互穿网络聚合物，显著提高了纳米水凝胶的黏膜黏附力和对胰岛素的载药量，因此可应用于口服多肽和蛋白质类药物给药系统。
　　3智能纳米凝胶给药系统的应用
　　智能纳米水凝胶作为药物载体，可以减少用药次数，根据外界条件如pH值、温度以及葡萄糖浓度可以达到定时定量释放药物的目的，具有提高药物疗效、降低患者用药成本、减少药物的不良反应等优点。目前智能纳米水凝胶主要用于不良反应较大，易被生物酶降解而半衰期短的药物给药系统，如蛋白质药物、核酸及其他抗癌药等。
　　3．1蛋白类药物
　　将蛋白类药物载入亲水性聚合物网络结构如纳米水凝胶给药系统可以有效地将蛋白类药物传递靶细胞且防止其失活，使药物持续释放。CHP纳米水凝胶可与多种疏水性蛋白作用。Urara等［19］对CHP进行化学修饰并与PEG交联制得粒径为40～120nm的纳米水凝胶，对白细胞介素IL-12的载药率可达96%，且其能耐受高浓度的牛血清蛋白，保证了IL-12的持续释放，同时大大提高了药物在肿瘤部位的浓度，降低了药物使用量，减少了不良反应。Tai等［20］以2-氨乙基异丁烯酸酯修饰的HA经迈克尔加成交联形成水凝胶，再与CHP纳米凝胶物理交联，将CHP纳米凝胶包裹在HA水凝胶的三维网状结构中，可以作为蛋白药物的载体，有效保护蛋白质药物不变性，能持续缓慢释放载药的CHP纳米凝胶，释放行为可通过改变HA凝胶的交联密度来控制。
　　3．2核酸类药物
　　siRNA作为一种新型的基因药物已经显示了巨大的应用前景，然而，由于其稳定性差、生物利用度低而限制了临床应用。设计和合成安全有效的siR-NA传递载体已成为目前siRNA药物研发的重要方向。李来胜等［21］用PEI-聚乙二醇二丙烯酸酯制得的纳米水凝胶富含具有活性的反应性基团铵离子，可以进一步键连一些生物靶向分子如转铁蛋白、血管表面生长因子等，以达到将siRNA主动靶向传递的目的。Lee等［12］采用反相W/O型乳化法通过二硫键形成了载有siRNA的HA纳米凝胶。由于肿瘤细胞中存在大量的HA受体如CD44等，HA纳米凝胶可以通过受体介导的细胞内摄作用选择性地被细胞HCT-116摄取。载有siRNA的HA纳米凝胶能有效抑制基因沉默效应，从而有效地抑制多种肿瘤血管的生成。
　　3．3化学药物
　　普通化学药物由于缺乏靶向性，在杀死癌细胞的同时也会杀死正常的健康细胞，从而导致一些比较严重的毒副作用。采用纳米凝胶作为药物载体，可提高普通化学药物靶向性，提高药物疗效，减少不良反应。Huang等［2］以叶酸、PEG、泊洛沙姆等材料制备了FA-CS-PF127纳米凝胶，作为抗癌药阿霉素的载体，可以通过肿瘤细胞中叶酸受体的介导作用提高纳米凝胶主动靶向性。
　　3．4其他
　　软骨疾病如关节炎等会导致严重的软骨损伤，可诱发疼痛、骨质侵蚀甚至导致瘫痪。由于人造软骨自愈能力较差，所以目前关节疾病治愈率很低。软骨再生时骨组织工程治疗关节疾病的一个关键是组织支架的选择，因为作为细胞载体的组织支架对软骨缺损的愈合起着至关重要的作用。Kyung等［22］以壳聚糖和泊洛沙姆制备了一种温敏型纳米凝胶，作为注射型的软骨细胞载体。该给药系统在25℃左右可在溶胶和凝胶两种状态间转化，注射时以液体状态注射到指定部位，在体内则为凝胶状，该纳米凝胶在软骨重建治疗中是一种很有前景的细胞载体。
　　4结语
　　智能纳米凝胶作为药物运输载体具有多方面的优点，纳米凝胶特有的纳米尺寸、大比表面积、高表面活性、强吸附能力等特点，容许其穿透极细的毛细血管并被细胞摄取，最终使药物在体内靶部位富集，减少全身不良反应。与传统水凝胶相比，智能纳米水凝胶对病灶部位的环境变化更加敏感，具有更快的响应速率，因而越来越受到研究者的高度重视。同时，纳米凝胶的中空网状结构也可以包载一些亲水性抗癌药物，以达到化学药物与基因药物联合治疗的目的，在癌症治疗的siRNA和药物运输中具有良好应用前景。
　　智能型水凝胶给药系统在许多应用方面具有很大的潜能，虽然从理论上来说实现这些应用是可行的，但实际应用还要求对凝胶材料的性能进行很大的改进。用于药物载体和组织工程的智能型水凝胶要求具有良好生物相容性、可生物降解性和释药的可控性。但是，大多数智能水凝胶存在响应速率慢、生物降解和生物相容性差、机械强度差等缺点，而且对体内释药及相关动物实验的研究较少。因此，今后的发展方向是研究开发具有可生物降解、生物相容性好药物控释用智能水凝胶;重视临床应用及药物控释理论的研究，优化制备工艺，推广快速响应材料的应用;加强体内释药及相关动物实验的研究。相信经过不懈的努力，一定能够研制出自我感知、自我调节的理想药物控释体系。水凝胶在药剂学中应用研究