納米微球表面特性對載藥性能影響的研究進展

孔金龍，張瑜，朱亞萍，劉志遠，張鐳，程杰，崔景強

（1.河南省醫用高分子材料技術與應用重點實驗室，河南駝人醫療器械集團有限公司，河南 長垣；453400 2.甘肅省醫療器械檢驗檢測所，甘肅 蘭州 730070)

1 緒論

隨著納米技術的發展和高分子材料學的進步，越來越多的具有優良性能的納米材料被篩選出應用于生物，醫藥領域。現有納米藥物載體多以納米脂質體、固體脂質納米粒、金屬納米粒子、納米微球為主要研究對象，適用于不同的給藥途徑，同時多樣化的載藥方式增加了其體內穩定性和提高了藥物利用度[1]。納米微球具有比表面積大，表面反應活性高，緩釋控釋藥物和靶向釋藥等優點而備受青睞[2]。這些優勢使得納米載藥微球在疾病治療，尤其在癌癥治療中突顯出了極大的應用潛力，深受科學家的青睞，并成為近年來研究的熱點之一。

現階段，對于納米載藥微球的應用研究雖取得了一些進展，但大部分納米藥物載體臨床試驗結果并不樂觀，這限制了納米載藥材料的廣泛應用[3]。對此，如何進一步提高納米載藥微球的治療效果仍然是亟待解決的關鍵科學問題。納米載藥微球具有多種特性（如尺寸[4]、電荷[5]、磁性[6]、親疏水性[7]、表面化學[8]等），在與生物體接觸后的的相互作用中，這些特性顯著影響其體內命運。當前對納米微球載體的尺寸、形貌、剛度、表面電荷以及拓撲結構等方面進行研究以明確其與生物學行為之間的相關性，從而達到更好的給藥效果和有效的跨膜藥物輸送的目的是建立納米藥物設計指南和提高腫瘤治療效果的有效手段。

2 微球表面物理特性對載藥影響的研究進展

2.1 尺寸對納米微球載藥的影響

藥劑學上對于微球（microspheres）的定義是指粒徑范圍在1～500 μm的微小球狀實體，粒徑小于500 nm的通常稱為納米球（nanospheres）或納米粒（nanoparticles），納米級的微球更容易被細胞膜內化。前人的很多工作證明了納米材料的尺寸會影響細胞的攝取[9～10]。Chithrani等[11]以金納米顆粒為模型，研究了細胞對直徑14～100 nm的納米材料的內化效果，他們發現在微粒直徑50 nm左右的區間內細胞對其攝取量最優，其他無論粒徑增大還是減小都會降低細胞攝取（圖1）。而Win[12]等人研究發現，CaCo-2細胞對聚苯乙烯納米材料的攝取量最多的粒徑尺寸為200 nm。因此，對于納米微球的尺寸來說，不同細胞對不同納米材料的攝取，很難找出一個最好的尺寸范圍，但是不可否認細胞對于尺寸不同的納米顆粒的攝取具有選擇性。

2.2 形貌對納米微球載藥的影響

此外，納米材料的形貌也是影響細胞攝取的一個重要因素。類比將藥物輸送到皮下層和肌肉的針頭和注射器，在平板硅片上刻蝕出幾百納米長度的微針，并具有非常鋒利的尖端，可以穿透皮膚的表皮和上層真皮進行藥物輸送[13～14]。Mitragotri[15]等人制備了不同形貌的聚苯乙烯納米材料，研究了尖端為球狀和針狀的形貌對細胞攝取的影響。他們選用尺寸為1 μm的球狀和針狀納米材料裝載siRNA，共聚焦顯微鏡下觀察發現針狀納米材料裝載siRNA孵育的細胞內，紅色熒光信號要高于球狀納米材料裝載的siRNA的熒光信號（圖2）。Jain[16]等制備的兩種類似的納米棒狀材料也得到了相同的結果，通過模擬材料在膠原凝膠和腫瘤內的擴散和運輸發現，表面更尖銳的棒狀材料更容易在凝膠和腫瘤組織中擴散。幾乎所有的實驗數據都說明更加尖銳的針狀頭部的納米材料更容易被細胞攝取，研究人員認為，這可能是由于針狀的納米材料可能會直接穿過細胞膜進入細胞，并且有利于細胞的內吞作用實現從而獲得更好的藥物治療效果。

2.3 剛度對納米微球載藥的影響

近年來，研究人員發現納米載體表面剛度能夠改善傳統化療藥物的藥代動力學以及藥物內化分布，增強納米藥物腫瘤靶向性并降低化療藥物對正常組織的毒副作用[17～18]。楊祥良[19]團隊的研究結果指出腫瘤細胞來源微顆粒的力學性能如表面剛度、變形能力同樣顯著影響納米藥物的藥效學與藥動學行為。納米微球在進入體內循環的過程中首先一個階段是納米藥物載體剛與細胞發生接觸，在這個過程中軟的納米藥物載體更容易規避巨噬細胞的攝取，避免被體內免疫系統清除，有更高的機會到達腫瘤部位。并且軟的納米藥物載體具有更優異的變形能力，可以穿過腫瘤細胞間的間隙實現深部滲透。而Hui[20]等人制備了硬度不同的兩種二氧化硅納米載藥微球，如圖3所示，納米微粒的硬度可能影響其通過不同組織生物屏障的能力，當暴露在腫瘤環境中時，堅硬的納米微粒往往聚集在邊緣區域，而軟的納米囊可能會穿過細胞間隙，并且在肝臟和脾臟中滲透得更深更多。以上兩組實驗的結果對于未來基于表面剛度的納米微球藥物傳遞系統的設計中，應該仔細考慮它們的力學性能，以產生既具有更高的腫瘤靶向性，又對受體具有更高選擇性的納米藥物載體。

2.4 表面電荷對納米微球載藥的影響

由于某些藥物表面帶有電荷，可以在納米材料表面帶有相斥電荷來更容易使其與材料接觸，從而提高細胞攝取量。Khafagi[21]等制備了含有四氧化三鐵的超順磁性二氧化硅納米微球，并在表面結合羧基，再將抗癌藥阿霉素和順鉑通過氫鍵和配位鍵的作用負載在粒子上，兩種藥物載藥效率均超過60%，能有效地將阿霉素和順鉑導入MCF-7細胞，在正常血液條件下有緩釋特征，并在體外表現出較強的抗腫瘤活性。

Li[22]等利用氧化石墨烯(rGO)-聚合物自組裝膜作為載體的新型可控載藥系統（圖4），將聚賴氨酸(PLL)和聚天冬氨酸(PASP)交替組裝在rGO薄片周圍，通過靜電相互作用負載帶負電的阿霉素。通過負載膜的數量即電荷量多少可以有效控制藥物的包封率和濃度。細胞攝取和細胞毒性實驗表明，該藥物納米復合材料具有有效的抗癌活性，并且在負載3層聚賴氨酸和聚天冬氨酸薄膜之后對HeLa細胞的殺傷效果達到最佳。

2.5 拓撲結構對納米微球載藥的影響

近年來在設計優化納米藥物載體時發現表面拓撲結構的改變可以促進細胞攝取，納米材料表面拓撲結構對細胞攝取影響也得到了關注[23～24]。Yu[25]等在SiO2微球表面模擬病毒表面的不同拓撲結構，制備了粗糙度不同的納米顆粒，對比光滑表面的同材料納米顆粒在細胞內的攝取數量，表面粗糙納米材料在細胞內的數量比光滑表面顆粒數量提高了大約1倍。之后他們把熒光染料和用于疾病治療的siRNA導入到微球中，可以看到粗糙表面的裝載量也比表面光滑的納米材料要多，可以對后續的影像成像效果和疾病治療效果得到相應提高。

于彩桐[26]等人研究了不同形貌的NPAPF二氧化硅微球對KB細胞內吞影響機制。他們發現改變表面粗糙度會使原本依賴網格和小窩蛋白協同介導的內吞機制改變為不依賴網格和小窩蛋白介導的內吞機制，而且由于內吞機制的變化，使得納米微球進入細胞后可以逃逸溶酶體的捕獲、不易被細胞“清除”出細胞外。以上實驗中選擇的材料的表面拓撲結構都是不規則的，為以后探究納米材料的拓撲結構對細胞攝取機制的影響，具有十分重要的作用。

3 展望

納米技術給各領域帶來了新一輪的技術革命，在醫學方面更是有著非凡的應用前景。隨著材料科學和納米技術相融合并且不斷發展，極大地促進了納米材料的生物相容性以及與各種醫藥的結合，給癌癥診斷和治療帶來了新的希望，各種高分子共聚物微球作為藥物緩控釋放載體材料已成為研究的熱門方向。國內外研究者研制出各種類型的納米微球共聚物，依托其本身具有的生物相容性和高比表面積，得到性能更加優異的生物醫用材料，達到釋藥速度穩定、高藥效、減少用藥次數并具有一定靶向性的目的[27～28]。采用納米藥物載體與藥物進行結合，一方面可以達到控制藥劑量的目的，另一方面可以對病變部位進行針對性的殺傷治療，減低藥物對正常細胞組織的損害。納米技術雖然尚處于初級階段，諸如納米材料在體內的降解性、穩定性、靶向性以及藥物與載體結合的穩定性等問題都有待解決。但是相信隨著技術的不斷創新，對于納米材料的特性的研究更細致，會制備出更加理想的具有智能效果的納米藥物載體，從而促進臨床醫學的發展。