刺激響應(yīng)型聚合物納米粒子在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

.11/12刺激響應(yīng)型聚合物納米粒子在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用摘要刺激響應(yīng)型聚合物納米粒子用作藥物傳遞載體是是目前納米材料在生物醫(yī)用領(lǐng)域最重要的研究方向之一。刺激響應(yīng)型聚合物一般是雙親性聚合物,可通過自組裝的方式得到形態(tài)各異的聚集體,如膠束、囊泡等,它可以接收外部環(huán)境的刺激信號(hào)〔pH、溫度、磁場、光、超聲等,使自身大分子結(jié)構(gòu)或狀態(tài)發(fā)生改變。本文綜述了幾種重要類型的刺激響應(yīng)型聚合物納米粒子,介紹了它們的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、刺激響應(yīng)性及藥物控釋行為。還簡單的介紹了雙重及多重刺激響應(yīng)型聚合物納米粒子。最后對(duì)該領(lǐng)域的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞macrobuttonnomcro單擊此處輸入或粘貼關(guān)鍵詞條刺激響應(yīng)聚合物納米粒子藥物載體納米生物醫(yī)學(xué)刺激響應(yīng)型聚合物納米粒子在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用1引言納米科技〔Nano-ST自20世紀(jì)80年代末期誕生至今,已經(jīng)形成了一個(gè)完整的體系。這個(gè)體系由7個(gè)部分組成,它們分別是：〔1納米物理學(xué)；〔2納米化學(xué)；〔3納米材料學(xué)；〔4納米生物學(xué)；〔5納米電子學(xué)；〔6納米加工學(xué)；〔7納米力學(xué)ADDINNE.Ref.{B9A629F0-736A-4125-838F-534450DDCBD0}[1]。納米技術(shù)剛興起時(shí),科學(xué)界的研究熱點(diǎn)是納米材料在信息技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用,科學(xué)家希望利用納米技術(shù)使芯片體積更小、速度更快。20XX2月12日到16日舉行的美國科學(xué)年會(huì)上,專家們說,美國納米技術(shù)的研究熱點(diǎn)正由半導(dǎo)體芯片領(lǐng)域轉(zhuǎn)向生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,納米醫(yī)學(xué)技術(shù)已經(jīng)被列入美國的優(yōu)先科研計(jì)劃ADDINNE.Ref.{9A25E001-C325-4B76-B076-17E4B7ED22CB}[2]。20XX,EatonMADDINNE.Ref.{B734F811-1992-4C37-966C-D96844718BFB}[3]在《NatureMaterial》上撰文指出納米醫(yī)學(xué)是未來醫(yī)學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵。生物醫(yī)學(xué)的主要研究范疇是疾病的診斷和治療,而將藥物或成像劑負(fù)載在納米粒子中,用于藥物傳遞和疾病診斷,是目前納米材料在生物醫(yī)用領(lǐng)域最重要的應(yīng)用ADDINNE.Ref.{EBB7F956-5D2C-4519-8DED-D58E8F2C1779}[4]。迄今為止,用于藥物輸送的納米材料主要是聚合物。藥物既可以通過物理包埋、也可以通過化學(xué)鍵合的方式結(jié)合到聚合物納米粒子中。用于藥物傳遞的聚合物納米粒子主要有以下優(yōu)勢(shì)ADDINNE.Ref.{251659BD-B0E9-4986-95C4-977DD4B70AF9}[3,5,6]：〔1聚合物具有豐富的相行為和溶液自組裝能力,兩親性聚合物可以自組裝成納米膠束、納米膠囊、核-殼型納米粒子等,從而可以將藥物載入；〔2聚合物納米粒子尺寸較小,可以方便的進(jìn)入細(xì)胞內(nèi),從而提高藥效；〔3聚合物有較大的分子量,作為藥物載體能使藥物在病灶部位停留較長時(shí)間。由于藥物通常被包封于聚合物內(nèi)部,因此聚合物還能起到保護(hù)藥物不會(huì)被提前代謝的作用；〔4聚合物比較容易被化學(xué)修飾,可以把一些具有靶向作用或具有生物活性的組分結(jié)合到聚合物粒子表面,從而實(shí)現(xiàn)多功能；〔5藥物釋放后載體材料可通過聚合物的降解被排出體外。聚合物納米粒子用作藥物控釋載體時(shí),要解決兩個(gè)問題：〔1在哪里給藥？〔2能否按一定速率給藥？藥物一旦被人體吸收,會(huì)隨著血液流向人體各個(gè)部位,我們希望藥物只在病灶部位釋放,從而較大限度的降低藥物副作用,提高藥物的生物利用度。因此,要解決第一個(gè)問題,需要藥物釋放載體具有靶向性,這一點(diǎn)可以通過在聚合物表面引入一些靶向性的官能團(tuán)如葉酸ADDINNE.Ref.{FCEEC16B-B010-460A-A3C0-1570442BA754}[7]等加以解決。最難解決的是第二個(gè)問題,為此需要藥物釋放載體具有刺激響應(yīng)性<stimuli-responsive>。刺激響應(yīng)型聚合物可以將藥物封裝起來,一旦到達(dá)病灶部位,受到刺激,產(chǎn)生結(jié)構(gòu)上的響應(yīng),這時(shí)開始緩慢釋放藥物。目前,利用刺激響應(yīng)型聚合物,人們發(fā)展出了一個(gè)新的概念"程序化<programmable/programmed>"給藥,例如最近Abbaspourrad等人ADDINNE.Ref.{E0A49849-D503-4E28-9D3B-05E60BA525E8}[8]的"PolymerMicrocapsuleswithProgrammableActiveRelease"。程序化給藥的進(jìn)展已經(jīng)有綜述ADDINNE.Ref.{53A152CB-7633-4CA1-9326-0460238FA643}[9,10]可以參看。2不同類型的刺激響應(yīng)型聚合物納米粒子"刺激響應(yīng)"也經(jīng)常被稱為"環(huán)境響應(yīng)","智能"等,其智能行為主要體現(xiàn)在其可以根據(jù)外界刺激信號(hào)從而產(chǎn)生各種特殊的宏觀行為刺激響應(yīng),包括分子鏈結(jié)構(gòu)、溶解性、表面結(jié)構(gòu)、溶脹、解離等行為。利用的刺激信號(hào)可分為物理與化學(xué)信號(hào)兩類,其中物理信號(hào)包括溫度ADDINNE.Ref.{C58C2D9F-CE62-41F0-A7F9-3DB0FABC2450}[11]、電ADDINNE.Ref.{E8192052-74F5-478A-A1C5-C9B329961926}[12]、磁場ADDINNE.Ref.{39CD1E86-96F9-4D33-BB05-98447ADB921D}[13]、光ADDINNE.Ref.{E0A7174D-312B-4DA3-8743-A66F696BD571}[14]、超聲ADDINNE.Ref.{8DE544B6-2F39-43E1-9B7B-702373A2E370}[15]等,而化學(xué)信號(hào)包括pHADDINNE.Ref.{58F99EFA-8D7D-48AD-9890-8B260134D193}[16]、化學(xué)物質(zhì)ADDINNE.Ref.{14254B64-C552-4815-BE25-A03C6B01CE89}[17,18],酶ADDINNE.Ref.{DDE3DB51-5ACA-47D0-A11C-379361BFA0A1}[19]等,其中以pH、溫度、磁場、光、等最為常見。2.1pH敏感的聚合物納米粒子pH敏感納米粒子是最受關(guān)注的納米粒子之一,這主要是因?yàn)槿梭w內(nèi)各組織的環(huán)境pH各有差別〔表2.1。比如人體胃的pH值呈酸性一般腫瘤組織的pH環(huán)境是呈酸性的,大約為6.75,明顯低于正常組織的pH7.23；另外,當(dāng)納米粒子進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部后,粒子會(huì)遇到pH值更低的溶酶體和內(nèi)涵體<pH=5.0~5.5>。利用這種pH環(huán)境的差異可設(shè)計(jì)出眾多針對(duì)腫瘤組織或其他特定器官進(jìn)行藥物傳遞的pH敏感藥物載體。表2.1人體內(nèi)各組織的環(huán)境pH組織/環(huán)境pH血液7.2~7.4腫瘤6.75溶酶體/內(nèi)涵體5.0~5.5pH敏感聚合物〔圖2.1的典型特點(diǎn)就是含有可作為質(zhì)子給體或受體的可電離部分。弱酸性聚合物,比如聚丙烯酸<PAAc>,在pH較低時(shí)可以接受質(zhì)子,在pH較高時(shí)可以提供質(zhì)子；而弱堿性聚合物,比如聚4-乙烯基吡啶〔P4VP和聚二甲胺基甲基丙烯酸乙酯<PDMAEMA>的性質(zhì)就剛好相反。通常的pH敏感聚合物納米藥物載體正是通過在載體中引入pH敏感單元而達(dá)到pH響應(yīng)的目的。隨著pH的改變,載體中的pH敏感部分會(huì)誘導(dǎo)納米粒子發(fā)生聚集或者溶解,從而調(diào)控所負(fù)載藥物的釋放。圖2.1幾種典型的pH敏感型聚合物〔單元ADDINNE.Ref.{25411C25-7AC4-494A-B202-3E87791726D6}[20]Yan等ADDINNE.Ref.{F62FB25F-BA47-4B02-9E06-40DBB86FAD26}[21]合成了一類梳形嵌段共聚物〔圖2.2,其主鏈為生物相容性良好的乙基纖維素骨架<EC>,側(cè)鏈為雙接枝型聚合物,一部分側(cè)鏈為疏水的可生物降解的聚己內(nèi)酯<PCL>,另一部分為pH響應(yīng)的PDMA鏈。在酸性溶液<pH<4.2>中,該梳形共聚物可以發(fā)生自組裝形成核殼膠束結(jié)構(gòu)；當(dāng)改變?nèi)芤旱闹抵林行詴r(shí),則會(huì)發(fā)生多膠束團(tuán)聚現(xiàn)象〔圖2.3。圖2.2梳形嵌段共聚物的結(jié)構(gòu)示意圖因此可以利用膠束的pH值控制分散與團(tuán)聚行為,將其應(yīng)用于藥物載體,進(jìn)行藥物的可控放研究〔圖2.4。結(jié)果表明,可以通過調(diào)控pH,將藥物釋放量在10%~40%之間進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖2.3pH控制的膠束的分散和團(tuán)聚圖2.4藥物釋放曲線pH敏感聚合物納米粒子的一個(gè)重要應(yīng)用就是利用腫瘤組織及細(xì)胞內(nèi)涵體、溶酶體的弱酸性將抗癌藥物運(yùn)送到達(dá)腫瘤部位。例如,Bae等ADDINNE.Ref.{692CC114-43A7-4E77-9FB2-91228BE1E0C7}[22-24]將阿霉素<ADR>通過pH敏感的腙鍵連接于聚合物制得了一類的pH敏感納米粒子,并進(jìn)行了詳細(xì)的生物學(xué)實(shí)驗(yàn),包括藥物釋放實(shí)驗(yàn)和臨床抗癌實(shí)驗(yàn)。圖2.5Bae等設(shè)計(jì)的pH敏感的藥物釋放體系左：封裝了ADR的聚合物納米膠束右：該藥物釋放體系的分子結(jié)構(gòu)20XX,Bae等ADDINNE.Ref.{4D1BFE8B-6A4B-42E3-B59F-14A5468EABB7}[22]提出了一種構(gòu)建pH敏感型聚合物納米粒子藥物載體的策略,即在兩親性嵌段共聚物的疏水鏈段上通過腙鍵連接上抗癌藥物,鍵接的阿霉素可以為兩親聚合物自組裝提供了疏水作用,從而使其能夠自組裝成納米膠束,這樣藥物被封裝入膠束內(nèi)部〔圖2.5左。Bae等構(gòu)建的這種藥物釋放體系有三部分組成〔圖2.5右：嵌段聚合物<聚乙二醇－聚天冬氨酸,PEG-b-PAsp>,抗癌藥阿霉素〔ADR,pH敏感的腙鍵。其中ADR與PEG-b-PAsp的連接鍵可以在弱酸性環(huán)境下迅速離解,從而發(fā)揮藥效。20XX,Bae等ADDINNE.Ref.{CB72AAFD-C758-4CDD-8847-BFAC0C1C4F73}[23]報(bào)道了詳細(xì)的藥物控釋結(jié)果〔圖2.6。可見,該載藥聚合物納米粒子在生理?xiàng)l件下〔pH~7.4非常穩(wěn)定,能將藥物牢固的封裝,而當(dāng)pH降低到5~6時(shí),藥物開始迅速釋放。20XXBae等ADDINNE.Ref.{1C0B79D4-E753-4E55-942A-0EE6C30A10B8}[24]對(duì)該藥物釋放體系做了臨床上的抗癌實(shí)驗(yàn),結(jié)果顯示,在TβR-I抑制因子存在的情況下該藥物釋放體系可以有效應(yīng)對(duì)多種難處理癌癥<比如胰腺癌及彌散型胃癌>的治療,從而表明該體系在臨床上具有真正的使用價(jià)值。圖2.6PEG-b-PAsp對(duì)ADR的控釋實(shí)驗(yàn)2.2溫度敏感的聚合物納米粒子人體的正常生理溫度為37℃左右,當(dāng)人體某些部位發(fā)生病變時(shí),局部的溫度會(huì)降低或升高。利用這個(gè)病理學(xué)特性,可以構(gòu)造一些溫度響應(yīng)性的聚合物,當(dāng)超過某一溫度時(shí)發(fā)生組裝體的解離,從而使藥物可控地釋放到靶向位點(diǎn)上。溫度敏感藥物載體一般由熱敏性聚合物制備而成。此類聚合物都有一個(gè)臨界溶解溫度<CST>.在CST溫度上下,熱敏感聚合物在溶液中會(huì)經(jīng)歷一個(gè)相轉(zhuǎn)變過程。其轉(zhuǎn)變有兩種類型,當(dāng)?shù)陀谀硞€(gè)溫度時(shí)聚合物是水溶性的,但當(dāng)溫度高于此溫度時(shí)卻變成水不溶性的,這種現(xiàn)象稱之為具有較低臨界溶解溫度<LCST>。反之,則具有較高臨界溶解溫度<UCST>。最常見的溫敏型聚合物是聚<N-異丙基丙烯酰胺><PNIPAAm>,見圖2.7。PNIPAAm的LCST為32℃左右,在溶液中具有非常明顯的可逆相變過程。由于PNIPAAm的溫度敏感性,含有PNIPAAm鏈段的兩親性嵌段共聚物膠束具有溫度敏感性。圖2.7PNIPAAm在構(gòu)建溫敏型聚合物藥物載體時(shí),最常用的方法是制備PNIPAAm與疏水聚合物的嵌段共聚物,其中,外殼是溫敏的PNIPAAm,內(nèi)核是疏水聚合物。當(dāng)改變溫度時(shí),PNIPAAm外殼的親水性可發(fā)生改變。在LCST以下,親水的外殼可阻止內(nèi)核與生物實(shí)體如蛋白質(zhì)、細(xì)胞以及其他膠束的相互作用。而當(dāng)溫度超過LCST時(shí),外殼會(huì)突然變得疏水,導(dǎo)致膠束聚集甚至沉淀,從而起到藥物釋放的"開關(guān)"作用,其釋藥機(jī)理如圖2.8所示ADDINNE.Ref.{2299BD02-22FC-4C2F-97AA-6A3D67A5FE37}[25]。圖2.8載藥溫敏膠束的溫度控制藥物釋放示意圖Zhuo等ADDINNE.Ref.{E8C952F9-1FCE-4D3F-8580-7801A4E17881}[26-29]在溫度敏感性兩親性載藥聚合物納米粒子方面做了大量的工作。包括系統(tǒng)考察了聚合物結(jié)構(gòu)對(duì)載藥率的影響、核殼交聯(lián)對(duì)聚合物納米粒子穩(wěn)定性的影響、引入親水單體調(diào)節(jié)納米粒子的相轉(zhuǎn)變溫度、引入靶向配體和其他功能基團(tuán)等。這類聚合物納米粒子主要由嵌段、接枝、無規(guī)兩親性聚合物制備而來。例如他們制備出了一類基于PNIPAAm三嵌段共聚物其LCST正好為生理溫度<36.8℃>ADDINNE.Ref.{28C4C182-0DB7-4C19-ABBC-796F97FCECEA}[28]。該聚合物的結(jié)構(gòu)〔圖2.9特點(diǎn)是：溫敏性的PNIPAAm兩邊分別連接疏水的聚乳酸〔PLLA和親水的聚N-羥甲基丙烯酰胺〔PHMAAm。圖2.9PLLA-sb-P<NIPAAm-co-HMAAm>三嵌段共聚物的分子結(jié)構(gòu)這三段有精確的摩爾比,PLLA:PNIPAAM:PHMAAm=1:13:1。兩親性的PLLA-sb-P<NIPAAm-co-HMAAm>能在水中自組裝成納米級(jí)的膠束〔圖2.10,內(nèi)核是疏水的,外殼是親水的。TEM圖像〔圖2.10右顯示該膠束是球形的,其平均直徑約130nm。圖2.10三嵌段共聚物自組裝成的膠束左：模型示意圖右：TEM圖及尺寸分布該膠束隨著溫度的變化,直徑也發(fā)生變化〔圖2.11,在較低溫度時(shí),其直徑約130nm,隨著溫度升高,尺寸顯著增加,最后穩(wěn)定在300nm左右。由于在36.8℃附近尺寸變化最為劇烈,遂將該溫度定義為LCST。這種溫度敏感行為來源于膠束的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。溫度升高時(shí),溫敏性的PNIPAAM變的疏水,從而使得共聚物中疏水比例增加,外殼變的疏水,單分散的膠束開始聚集,從而直徑變大；但是由于共聚物中親水鏈段PHMAAm的存在,膠束不可能變的完全疏水,其親水鏈段比例最低是1/14,因此,膠束直徑在LCST以上不會(huì)無限變大。圖2.11膠束的溫度敏感行為隨后,研究者用該聚合物做了藥物控釋實(shí)驗(yàn)。先將疏水的抗癌藥甲氨喋呤〔MTX〔圖2.12左封裝在膠束內(nèi)部,然后測試了不同溫度下藥物的釋放情況〔圖2.12右?？梢?在低溫時(shí),藥物分子被牢固的束縛在膠束內(nèi),其中少量的釋放是藥物分子不可避免的在核殼結(jié)構(gòu)中的外擴(kuò)散過程引起的。當(dāng)溫度升高時(shí),藥物釋放量顯著增加。在26℃〔<LCST時(shí),70h的釋放量只有約20%,而在40℃<>LCST時(shí),70h的釋放量可達(dá)90%。因此,可以通過調(diào)節(jié)溫度來調(diào)節(jié)藥物的釋放量。溫度控制的機(jī)理是,T<LCST低溫時(shí),三嵌段共聚物中PNIPAAm是親水的,此時(shí)親水鏈段/疏水鏈段=14/1,即膠束中絕大部分是親水的,此時(shí)疏水的藥物分子很難在親水層中擴(kuò)散,即藥物分子被嚴(yán)格的封裝在膠束內(nèi)；T>LCST,三嵌段共聚物中PNIPAAm變成了疏水的,此時(shí)親水鏈段/疏水鏈段=1/14,即膠束中絕大部分是疏水的,此時(shí)疏水的藥物分子很容易在疏水層中擴(kuò)散出去,導(dǎo)致藥物的大量釋放。圖2.12藥物控釋實(shí)驗(yàn)左：模型藥物甲氨喋呤〔MTX的分子結(jié)構(gòu)右：溫度控制的藥物釋放曲線2.3光敏感的聚合物納米粒子光由于其具有獨(dú)有的清潔、可遠(yuǎn)程控制、對(duì)聚合物材料無損傷等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是最理想的控制手段之一ADDINNE.Ref.{534DF04C-B15B-4C1F-BC7D-225396F9D492}[30]。光敏型聚合物分子中含有某種感光基團(tuán),在紫外光或可見光照下會(huì)發(fā)生可逆性結(jié)構(gòu)變化,與其他刺激響應(yīng)型聚合物相比,這類聚合物具有遠(yuǎn)距離響應(yīng)性無入侵性和低毒性等優(yōu)點(diǎn),此外操作簡單,不需要添加其他物質(zhì)來實(shí)現(xiàn)聚合物的刺激響應(yīng),不會(huì)改變聚合物所處的環(huán)境,也是光敏型聚合物優(yōu)于其他刺激響應(yīng)型聚合物的特點(diǎn)ADDINNE.Ref.{AF087360-0326-4FCF-9B78-39669E6A7A7C}[31]。光刺激響應(yīng)納米粒子的制備通常是在聚合物的主鏈中引入光敏基團(tuán)〔圖2.13,如偶氮苯、三苯甲烷、螺吡喃等ADDINNE.Ref.{D7BDC2AB-73B4-48F2-A810-8F076633A3B1}[20],它們?cè)谧贤夤獾淖饔孟掳l(fā)生順反異構(gòu)化反應(yīng)或開閉環(huán)反應(yīng),從而導(dǎo)致聚合物組裝體形貌功能的變化。然而,高強(qiáng)度的紫外光如果長期輻照,對(duì)細(xì)胞內(nèi)基因有損傷,特別容易誘發(fā)基因表達(dá)異常因此,較低能量的光輻射體系,如對(duì)可見光或近紅外光刺激響應(yīng)性聚合物體系的研究與開發(fā)越來越迫切ADDINNE.Ref.{3639597F-51A7-4321-99C2-D67FE661CB11}[32]。圖2.13光敏分子及其光敏行為上：偶氮苯中：三苯甲烷下：螺吡喃清華大學(xué)閆強(qiáng)等在光敏性聚合物藥物載體方面做了出色的工作ADDINNE.Ref.{D7B361B5-5669-4E75-9FA0-70036496A040}[14,33-35]。如Yan等報(bào)道的基于超分子嵌段共聚物的高分子納米管ADDINNE.Ref.{B0BB0172-F045-4C24-84A1-3D79E90F19CB}[14]。他們合成了2種均聚物,其一為聚己內(nèi)酯PCL,末端帶有帶有1個(gè)α環(huán)糊精分子,另一種為聚丙烯酸,末端攜帶1個(gè)偶氮苯基團(tuán)〔圖2.14。圖2.14用于構(gòu)建超分子納米管的兩種均聚物左：連有α環(huán)糊精分子的聚己內(nèi)酯〔PCL-α-CD右：連有偶氮苯的聚丙烯酸〔PAA-tAZO將它們?cè)谌芤褐幸?:1的比例共混后,可以形成超分子共聚物,通過調(diào)控這2種均聚物的分子量,可以組裝為大分子納米管,如圖2.15。環(huán)糊精和偶氮苯的主-客體連接受控于光輻射,當(dāng)施加紫外光刺激后,偶氮苯分子由反式構(gòu)型轉(zhuǎn)化為順式構(gòu)型,順式偶氮苯基團(tuán)體積較大無法進(jìn)入環(huán)糊精空腔,導(dǎo)致大分子納米管的解離；而當(dāng)向體系中施加可見光刺激時(shí),順式偶氮苯又可以異構(gòu)化為反式構(gòu)型重新進(jìn)入環(huán)糊精腔體中,使大分子納米管重新形成。因?yàn)槌肿舆B接基團(tuán)的活性較高,組裝體的光控可逆性良好,如圖2.16所示,紫外光照射之后,納米管解離,再用可見光照射,納米管重新形成。圖2.15超分子納米管的光響應(yīng)行為圖2.16超分子納米管的光響應(yīng)行為的電子顯微圖像a:未受UV刺激b:365nmUV光照射60sc:365nmUV光照射300sd:450nm可見光照射300s20XXYan等ADDINNE.Ref.{C00355C7-4006-4F96-A90F-4337AD409DA8}[33]利用一種生物化學(xué)中常用的光標(biāo)簽<Photo-label>基團(tuán),1,10-二烷氧基蒽<DN>作為聚合物構(gòu)筑的中心基元,在其兩側(cè)分別引發(fā)親水性聚乙二醇<PEO>與疏水性聚己內(nèi)圖2.17PEO-DN-PCL嵌段共聚物的光響應(yīng)行為及其藥物控釋效果左：PEO-DN-PCL嵌段共聚物的光響應(yīng)行為右：藥物控釋效果酯<PCL>的聚合。PEO-DN-PCL嵌段共聚物可以在水溶液中發(fā)生自組裝形成球形膠束體。當(dāng)加入10-9mol曙紅光敏劑后,施以的綠色可見光照射,中部的1,10-二烷氧基蒽發(fā)生氧化加成斷裂反應(yīng),導(dǎo)致聚合物被切斷,從而使膠束體瓦解<圖2.17左>。藥物釋放研究<圖2.17右>結(jié)果表明,這類化學(xué)鍵的可見光照射斷裂特異性很強(qiáng),藥物釋放可控性好,有可能發(fā)展成為一種低能量光輻射響應(yīng)性聚合物體系。2.4磁敏感的聚合物納米粒子磁敏感就是將磁性材料,如最常用的氧化鐵包封到聚合物載體中,當(dāng)施加一個(gè)磁場時(shí),聚合物將裝載的藥物緩慢釋放出來ADDINNE.Ref.{BC95A7FA-E9AA-4F41-91E9-FC05989881DE}[36]。當(dāng)磁納米粒子被吞噬到腫瘤組織或特定的腫瘤細(xì)胞中后,還可以通過外加磁場來提高這些磁納米粒子的溫度,進(jìn)而加熱腫瘤組織,達(dá)到殺死癌細(xì)胞的目的ADDINNE.Ref.{3D19165F-A286-4A59-8C6D-4DF3F0831D6D}[37]。最近,Campbell等ADDINNE.Ref.{46C1B2D0-649D-48D6-B4E7-4EF12658CAF3}[38]將超順磁的納米Fe3O4顆粒包覆在PNIPAAm中,同時(shí)加入交聯(lián)劑,使其形成水凝膠〔圖2.18。磁滯回線結(jié)果表明,該水凝膠也是超順磁性的,細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)表明所有組分幾乎沒有細(xì)胞毒性。在37℃的PBS緩沖溶液中,該水凝膠有去溶脹行為。交聯(lián)劑交聯(lián)劑圖2.18超順磁水凝膠的形成示意圖在制備水凝膠過程中,如果混入藥物分子,可將藥物分子也封裝在水凝膠中。當(dāng)施加一個(gè)振蕩磁場〔OMF時(shí),藥物開始顯著釋放,撤去OMF時(shí),藥物釋放速率很慢〔圖2.19,因此可以通過外加磁場來促進(jìn)藥物的釋放。這可能是OMF使得磁性納米粒子的溫度升高,從而使得溫敏性的PNIPAAm變得疏水,水凝膠開始去溶脹,即"排"出內(nèi)部的小分子。圖2.19磁場誘導(dǎo)的藥物釋放2.5超聲波敏感的聚合物納米粒子超聲波在醫(yī)學(xué)中是用于診斷和成像的常用工具,隨著醫(yī)學(xué)的發(fā)展,超聲波響應(yīng)的藥物載體和靶向系統(tǒng)也開始被研究。類似于上述提到的磁敏感的載藥體系,超聲主要是和溫度敏感的藥物載體聯(lián)用,通過溫度的改變對(duì)所載藥物進(jìn)行控釋,此外超聲波還能加速藥物的擴(kuò)散ADDINNE.Ref.{58BEB8BD-F71B-4301-92B9-7F4762134F0A}[15,39,40]。3雙重及多重刺激響應(yīng)型聚合物納米粒子關(guān)于單信號(hào)刺激響應(yīng)納米粒子領(lǐng)域已有大量研究工作。最近不少研究者將雙重、甚至多重刺激響應(yīng)行為引入到同一種納米粒子,從而設(shè)計(jì)制備出多功能的納米藥物載體ADDINNE.Ref.{2E7A7D1E-0965-41FD-B35E-BACAB06CD4BA}[9]。pH和溫度是最常見的刺激信號(hào),相應(yīng)的刺激響應(yīng)型納米粒子也研究最多ADDINNE.Ref.{FAE31111-B904-4F8C-BA0B-2BA6A5D66D98}[41],同時(shí)在納米粒子中引入pH/溫度雙重敏感單元可以賦予納米粒子雙重刺激響應(yīng)性能ADDINNE.Ref.{E35D545D-8221-42C6-A170-331C7B7E1CA7}[42-49]。其中,最常見的是采用聚丙烯酸及PNIPAAm分別作為pH敏感及溫度敏感單元的雙重敏感納米粒子ADDINNE.Ref.{EA213DA9-34B9-4575-999C-D6A48604054F}[50-52]。最近,Ma等ADDINNE.Ref.{EB7D4EEA-2090-4F58-A137-FB707E6C49AD}[53]制備了外圍含有溫敏鏈段的聚多巴胺球囊,該球囊同時(shí)具有溫敏性和pH敏感性。如圖3.1所示,在T<LCST時(shí),外圍鏈段親水,從而為藥物分子的進(jìn)出提供通道；T>LCST時(shí),外圍鏈段變得疏水,向內(nèi)緊縮,從而封鎖了藥物分子進(jìn)出的通道；在較低pH時(shí),聚多巴胺層被質(zhì)子化表面帶正電荷,從而促使陽離子性的客體分子釋放；在較高pH時(shí),聚多巴胺層脫質(zhì)子化,表面帶負(fù)電,從而吸收陽離子性的客體分子。圖3.1溫度/pH雙重刺激敏感示意圖在聚合物納米粒子中引入磁性物質(zhì)可使得該雜化納米粒子同時(shí)具有磁響應(yīng)性及聚合物納米粒子本身所具有的特有性能ADDINNE.Ref.{06BE0E0E-F376-45B5-847A-D9A2CF70B80B}[54]。其中最常用到的磁性物質(zhì)之一是超順磁性物質(zhì)。超順磁性納米粒子在交變磁場作用下,因受到渦電流效應(yīng)、磁滯效應(yīng)、磁后效應(yīng)、疇壁共振以及自然共振等眾效應(yīng)的協(xié)同作用而吸收磁場能量,發(fā)生磁損耗而產(chǎn)生熱量ADDINNE.Ref.{8D6C04AA-C756-48BB-99EA-849F26ADB638}[55]。因此,磁性納米粒子經(jīng)常被包封在溫度敏感的聚合物納米粒子中,從而可以利用其熱效應(yīng)控制溫敏聚合物納米粒子的行為ADDINNE.Ref.{80CAF42C-F7A2-44C8-A686-75619FBA3177}[56,57]。與傳統(tǒng)通過加熱的方式相比,該方法僅通過外源磁場就可以控制溫度敏感聚合物納米粒子的宏觀行為。如將磁性納米粒子和藥物一起包埋到溫敏性聚合物納米粒子后,通過磁熱效應(yīng)誘導(dǎo)釋藥系統(tǒng)溫度升高,從而使得藥物從系統(tǒng)中緩慢釋放。另外,熱效應(yīng)非常顯著時(shí)還可以使得聚合物納米粒子發(fā)生解體,可以起到快速釋放藥物的目的,其釋藥機(jī)理如圖3.2所示ADDINNE.Ref.{DF87C924-6179-4039-A08D-CD5F2B7598CD}[54]。在這種技術(shù)中,交變磁場是藥物釋放的開關(guān),可以便利地控制溫?zé)嵝?yīng),因此比單純依靠動(dòng)物自身局部溫度不均勻<如腫瘤部位溫度略高于身體其他部位>來控制藥物釋放要優(yōu)越的多。另外,除了通過熱效應(yīng)來控釋藥物,還可以通過在腫瘤部位外加磁場的方法,使超順磁性磁性納米粒子聚集到腫瘤部位,達(dá)到靶向治療的作用。磁性納米粒子除了與溫度敏感聚合物相結(jié)合,從而同時(shí)賦予納米粒子磁場及溫度響應(yīng)性質(zhì)之外,也經(jīng)常與pH敏感聚合物相結(jié)合,從而同時(shí)賦予納米粒子磁場及pH響應(yīng)性能ADDINNE.Ref.{E9E32065-2EA8-41DB-87A4-2E809F428F7C}[13,58-62]。圖3.2磁性熱敏聚合物納米載藥系統(tǒng)在交變磁場控制下的釋藥機(jī)制光刺激響應(yīng)是另一類引起較多關(guān)注的納米粒子,將光敏感基團(tuán)引入pH敏感體系或溫度敏感體系,可得到光/pH敏感聚合物納米粒子ADDINNE.Ref.{F574CD36-0956-4717-A75D-4B12DD82BC40}[63,64]或光/溫度敏感聚合物納米粒子ADDINNE.Ref.{975F08B9-C179-4CD0-8977-31FF4FC9F014}[58,65-67]。以上介紹的都是雙重刺激響應(yīng)型聚合物納米粒子,近來,三重刺激響應(yīng)納米粒子也開始逐漸出現(xiàn)。三重刺激響應(yīng)納米粒子可實(shí)現(xiàn)的功能更多,可調(diào)控的手段也更多,但從技術(shù)角度講,三重刺激響應(yīng)納米粒子的設(shè)計(jì)制備也更有難度。在pH/溫度刺激響應(yīng)聚合物納米粒子中引入磁性納米粒子是一種比較容易實(shí)現(xiàn)制備三重刺激響應(yīng)納米粒子的途徑ADDINNE.Ref.{6B9ACDF1-0486-4B06-9158-EFB5A4145AF7}[68]。此外,也有研究將光敏基團(tuán)引入溫度/pH雙敏納米粒子得到三重刺激響應(yīng)納米粒子ADDINNE.Ref.{5149E900-715B-4D96-9248-30C54214E099}[69,70]。4展望縱觀刺激響應(yīng)聚合物納米粒子在生物醫(yī)用領(lǐng)域的應(yīng)用,主要有三點(diǎn)啟示：刺激響應(yīng)聚合物納米粒子發(fā)展主要依賴于敏感聚合物的合成。這些敏感聚合物的合成是制備刺激響應(yīng)型納米粒子的重要基礎(chǔ)。近些年,隨著合成方面工作所取得的重要進(jìn)展,刺激響應(yīng)型納米粒子的范疇不斷拓展。其種類除了本文涉及到的類型之外,還包括氧化還原、酶、微波、化學(xué)物質(zhì)敏感等。研究新型的刺激響應(yīng)系統(tǒng)始終是這一領(lǐng)域的重要任務(wù)。目前刺激響應(yīng)納米粒子的應(yīng)用還處于發(fā)展階段,特別是對(duì)于雙重及多重刺激響應(yīng)聚合物納米粒子而言更是如此,多種敏感性之間相對(duì)獨(dú)立,不能協(xié)同作用。縱觀目前的研究文獻(xiàn),涉及到雙重或多重刺激響應(yīng)聚合物納米粒子的臨床應(yīng)用十分有限,因此基于雙重及多重響應(yīng)聚合物納米粒子的應(yīng)用具有廣闊的發(fā)展空間和重要的研究意義。Cheng等在20XX的一篇評(píng)述ADDINNE.Ref.{08BEDEF5-A212-4387-B1DE-3D377A075EED}[71]中指出,盡管刺激響應(yīng)型聚合物納米粒子用作藥物傳遞降低了藥物毒性,但是其臨床效果仍然不能令人滿意,因此迫切需要開發(fā)多功能的藥物傳遞載體,即集傳遞、靶向、成像功能于一身。但是按照目前的科學(xué)技術(shù)水平,制備這樣多功能的聚合物納米粒子需要昂貴的費(fèi)用,必定阻礙其臨床應(yīng)用。因此,一方面要賦予刺激響應(yīng)型聚合物納米粒子多功能性,另一方面又要努力降低成本,這是刺激響應(yīng)型聚合物納米粒子走向應(yīng)用唯一出路。ADDINNE.Bib參考文獻(xiàn)[1]張立德,牟季美.納米材料和納米結(jié)構(gòu)[M].北京市:科學(xué)出版社,2001:525.[2][3]EatonM.Nanomedicine:Industry-wiseresearch[J].NatMater.2007,6<4>:251-253.[4]李永勇,董海青,王康,等.刺激響應(yīng)型生物醫(yī)用聚合物納米粒子研究進(jìn)展[J].中國科學(xué):化學(xué).2010,40<03>:197-209.[5]StuartMAC,HuckWTS,GenzerJ,etal.Emergingapplicationsofstimuli-responsivepolymermaterials[J].NatMater.2010,9<2>:101-113.[6]MitragotriS,LahannJ.Physicalapproachestobiomaterialdesign[J].NatMater.2009,8<1>: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