納米凝膠的研究進展

楊雪華，李大偉, ，毛楷凡，陳倩倩, ，劉正平, *，毋立華

（1. 山東省藥學科學院，山東 濟南 250101；2. 山東福瑞達醫藥集團有限公司 山東省黏膜與皮膚給藥技術重點實驗室，山東 濟南 250101；3. 山東省食品藥品審評查驗中心，山東 濟南 250014）

納米凝膠，即納米級的水凝膠顆粒，是由高分子聚合物通過物理或化學交聯形成的三維網狀系統[1]。納米凝膠兼具水凝膠和納米粒的優點：在水中能溶脹并具有一定的黏附性；可將藥物包封于其內部三維網絡結構中，使藥物免受外界環境的破壞；載藥量高且具有緩釋性；粒徑較小從而具有較高的滲透性；有巨大的比表面積可供修飾；具有高的生物相容性和生物可降解性[2]。這些特點使得納米凝膠作為藥物遞送載體有廣闊的應用前景。本文綜述了納米凝膠的分類、制備方法及應用，以期為納米凝膠藥物的研究提供參考與借鑒。

1 納米凝膠的分類

根據納米凝膠的相變觸發機制，納米凝膠可分為普通納米凝膠和環境響應型納米凝膠。普通納米凝膠吸水會發生溶脹，給藥及后續的釋放行為單一；環境響應型納米凝膠則是暴露于不同的環境中才會發生溶脹或者消溶，其給藥及后續的釋放行為會更加智能。常見的環境因素包括溫度、pH及光等。

1.1 溫度響應型納米凝膠

溫度響應型納米凝膠均含疏水和親水基團，其膠凝行為與不同基團和水之間的作用有關，如負溫度敏感型納米凝膠在環境溫度低于臨界溶液溫度時，水和親水性基團之間形成氫鍵，納米凝膠處于溶脹狀態，當溫度高于臨界溶液溫度時，疏水性基團之間的疏水相互作用占主導地位，納米凝膠三維結構被破壞而發生消溶。已經有研究者制備了基于聚（N-異丙基丙烯酰胺-共丙烯酸）、聚（乙烯基己內酰胺）及普朗尼克等的溫度響應型納米凝膠[3-5]，這些納米凝膠均可在特定溫度下釋放藥物，達到精準治療的目的。

1.2 pH響應型納米凝膠

pH響應型納米凝膠的三維網格中包含可質子化或去質子化的陰離子或陽離子基團，陰離子基團包括羧酸或磺酸基團，陽離子基團一般有末端氨基[6]。如環境的pH改變，這些基團的不同離子態的比例會改變，繼而導致親水性的變化，最終引起凝膠三維網絡結構的改變。健康組織（pH 7.4），胃（pH 1.0～3.0）和腫瘤組織（pH 6.5～7.0）等的pH都不同，因此納米凝膠對不同pH的響應可使所載藥物在特定部位釋放。Zheng等[7]通過將甲基丙烯酸化的支鏈淀粉與對酸敏感的原酸酯改性的普朗尼克進行交聯，制備了對酸敏感的納米凝膠，并將阿霉素作為模型藥物封裝至納米凝膠中。結果顯示，載阿霉素的納米凝膠表現出pH依賴性的藥物釋放，即可在酸性腫瘤組織中釋放大量藥物，而在正常組織中少釋放藥物，增強了對腫瘤組織的殺傷并顯著降低對正常組織的損傷。

1.3 光響應型納米凝膠

光響應型納米凝膠的三維結構中一般含光敏基團，常見的光敏基團有偶氮苯、螺吡喃、鄰硝基芐、苯基甲基酯及香豆基酯等[8]。光響應型納米凝膠受到光的刺激時，內部的光敏基團會發生異構化或光降解，凝膠結構與形態會發生改變，從而釋放所載藥物并獲得所需的治療效果。還有的光響應型納米凝膠是含金屬粒子的體系[9]。一些金屬納米粒子（如金納米粒子）具有光熱轉化能力，因此把一些溫度敏感型聚合物和金納米粒子耦合后制得的納米凝膠也具有光響應性，即金屬納米粒子先把光轉化為熱，然后引發溫度敏感型凝膠的相變。這種含金屬的光響應型納米凝膠對可見光或紅外光敏感，含光敏基團的光響應型納米凝膠則大部分對紫外線敏感，前者安全性更高。

2 納米凝膠的制備方法

用于制備納米凝膠的載體材料主要有丙烯酸類、丙烯酰胺類、多糖類及普朗尼克類。另外，陽離子聚乙烯亞胺、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮及聚乳酸等也用于制備納米凝膠[10]。納米凝膠是載體材料通過物理或化學交聯形成的。物理交聯通過非共價鍵發生，而化學交聯則通過共價鍵發生。交聯方式不相同，納米凝膠的制備方法也不同。

基于物理交聯的納米凝膠可通過聚合物在水溶液中的自組裝制備。聚合物在水溶液中混合后會通過氫鍵、范德華力、疏水作用力及靜電作用等發生交聯，形成納米凝膠。多種天然聚合物可通過物理交聯形成納米凝膠。如膽固醇修飾的支鏈淀粉通過疏水作用力發生物理交聯，就能形成單分散納米凝膠[11]。乳酸鏈球菌肽和硫酸軟骨素兩種帶相反電荷的生物大分子，也能通過靜電作用交聯形成納米凝膠[12]。這種制備方法操作簡便，且因為非共價作用相對較弱，當外界條件改變時，納米凝膠會被破壞，藥物很容易從納米凝膠中釋放出來。

化學交聯最常用的方法是自由基聚合技術，包括常規的分散聚合、沉淀聚合和乳液聚合。常規自由基聚合的主要過程為將自由基引發劑、單體及穩定劑等溶解在均相或者非均相系統中，由自由基引發劑引發單體的聚合反應，形成納米凝膠的三維網絡結構。例如，在N-異丙基丙烯酰胺（N-isopropyl acrylamide，NIPAM）單體，乙烯基吡咯烷酮（vinylpyrrolidone，VP），順丁稀二酸酐改性的聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）和作為表面活性劑的十二烷基硫酸鈉的存在下，通過分散聚合制備了基于NIPAM的納米凝膠，且通過改變 NIPAM、VP和PEG-順丁烯二酸酐的比例，可使其粒徑在9～230 nm之間變化[13]。受控/活性自由基聚合（CRP）技術，如原子轉移自由基聚合（atom transfer radical polymerization，ATRP），可逆加成斷裂鏈轉移（reversible addition fragmentation chain transfer，RAFT）聚合和穩定自由基聚合（stable free radical polymerization，SFRP），用于合成尺寸精確，組成特定及功能化的納米凝膠。CRP過程中，正在擴散的自由基迅速陷入失活狀態，從而在活性自由基和休眠種間建立了平衡?；钚枣溎┒撕托菝哝溎┒碎g的這種快速切換機制提供了活性聚合特性。隨后在外界刺激下，休眠種再次被激活從而改變了聚合物的生長中心[14]。納米凝膠的其他化學交聯方法還包括：銅催化的疊氮化物和炔的點擊化學反應，硫醇和α, β-不飽和羰基（如丙烯酸酯和馬來酰亞胺）的邁克爾加成、醛與胺或酰肼的Schiff堿反應、硫醇-二硫化物交換反應、胺和羧酸或活化酯的酰胺基交聯及硫醇的酶催化交聯等。如已通過尿激酶的氨基和PEG化的苯甲醛間的一步式Schiff反應，交聯生成了蛋白質納米凝膠，這種納米凝膠對pH敏感，有望用于蛋白質的細胞內遞送[15]。此外，可使用X射線、紫外射線、γ射線，加速離子或電子束輻照聚合物來實現聚合物的交聯[16]。總之，通過化學交聯法制備的納米凝膠強度更大，穩定性更好，但制備過程中可能引入單體及表面活性劑，從而產生安全性問題，因此，還需探索更加安全的綠色合成技術來制備納米凝膠。

3 納米凝膠的應用

具有水凝膠和納米粒雙重優點的納米凝膠作為藥物遞送系統受到了極大關注，其在眼部給藥、經皮給藥及鼻黏膜給藥等方面得到了廣泛應用。

3.1 眼部給藥

局部給藥是用于眼部疾病治療的最常用的方式，但眼部的生理特點使眼用藥物的生物利用度比較低。眼部的生理屏障，鼻淚管的快速引流及淚液流動的稀釋作用等都限制了常規眼用制劑的效率。且常規制劑給藥次數的增多，也使患者的依從性降低[17]。納米凝膠具有較強的黏附性，可減少藥物滲漏和延長藥物的角膜保留時間，同時，較小的粒徑也使納米凝膠具有相對較高的滲透性。為了克服常規眼用制劑的缺點，已有越來越多的研究者將納米凝膠作為眼部給藥的載體。如Moya-Ortega等[18]制備了基于環糊精納米凝膠的地塞米松滴眼劑，與市售產品Maxidex(R)混懸液（每毫升含1 mg地塞米松）相比，納米凝膠滴眼液（每毫升含25 mg地塞米松）具有較高的藥物載量。動物實驗顯示，給予納米凝膠滴眼液后，6 h后淚液中地塞米松的濃度仍保持在大約295 μg/ml，房水中濃度為136 mg/ml，而給予Maxidex(R)后，1 h淚液中地塞米松濃度就下降至9.72 μg/ml，房水中濃度僅為44.4 mg/ml，證明納米凝膠能提高地塞米松的生物利用度。為解決低溶解性和低穩定性的阿魏酸的眼部遞送問題，Grimaudo等[19]制備了阿魏酸眼用納米凝膠。首先制備了阿魏酸普朗尼克F68膠束，然后將阿魏酸普朗尼克F68膠束添加至透明質酸中，并與ε-聚賴氨酸交聯，最后制得阿魏酸納米凝膠。結果顯示，納米凝膠粒徑為300 nm，具有正Zeta電位值，與迅速釋放阿魏酸的普朗尼克F68膠束相比，阿魏酸膠束-納米凝膠可緩慢釋放阿魏酸并使阿魏酸有效地蓄積至角膜中，有利于受傷角膜的修復。

3.2 經皮給藥

經皮給藥既可用于局部疾病的治療，也可用于其他全身疾病的治療，具有給藥方便，避免藥物的首過效應及減少血藥濃度波動的優點。但由于皮膚的結構和特點，藥物的經皮滲透率一般都比較低，限制了經皮給藥的進一步應用，因此亟待開發高滲透率的經皮給藥制劑。近年，越來越多的研究者把目光放到了納米凝膠上。Nor等[20]將溫度和pH響應的聚（N-異丙基丙烯酰胺）與5 %（w/v）丙烯酸（acrylic acid，AAc）進行交聯，得到聚（NIPAM-co-AAc）納米凝膠，并使用咖啡因作為模型滲透劑，研究了納米凝膠在32 ℃下對豬表皮的滲透性。結果表明，與咖啡因飽和溶液相比，載咖啡因的納米凝膠能更好地透過表皮，增加咖啡因的釋放。阿維汀和蘆薈大黃素是兩種抗銀屑病的藥物，Divya等[21]使用天然聚合物幾丁質，通過簡單的再生化學法分別制備了載阿維汀和蘆薈大黃素的幾丁質納米凝膠系統。一系列實驗證實，該體系對pH敏感，在酸性pH下表現出更高的溶脹度和緩釋性，豬皮膚的離體皮膚滲透研究和熒光成像實驗也證實該系統中藥物具有更高的皮膚滲透性，且在表皮和真皮層的沉積更高。

3.3 鼻黏膜給藥

鼻黏膜給藥利用鼻腔與顱腔在解剖生理上的獨特聯系，使得藥物繞過血腦屏障進入大腦，成為一種有潛力的腦部疾病治療新方法。此外，鼻黏膜給藥在疫苗的遞送中也起到重要作用。納米凝膠能保護不穩定的藥物及疫苗免受降解，提高難溶藥物的溶解度，延長藥物及疫苗的鼻黏膜滯留時間，且能使藥物緩慢釋放，已成為鼻黏膜給藥中常用的藥物載體。如Picone等[22]將胰島素共價連接到聚（N-乙烯基吡咯烷酮）納米凝膠上，并通過鼻黏膜給藥治療阿爾茲海默癥。結果表明，與游離胰島素相比，納米凝膠裝載的胰島素在腦內的活性更高，能更好地激活蛋白激酶B（Akt）從而對阿爾茲海默癥起到治療作用。Fukuyama等[23]也制備了帶有陽離子膽固醇基的支鏈淀粉納米凝膠（cationic cholesterol-based pullulan nanogel，cCHPNG），并用于肺炎球菌表面蛋白A（Pneumococcal surface protein A，PspA）的鼻內遞送。動物實驗中，與單獨給予PspA相比，cCHP-NG-PspA在鼻腔中的滯留時間更長，能更有效地誘導食蟹獼猴產生具有保護活性的PspA特異性血清IgG和黏膜分泌性IgA，且在嗅球或大腦中未觀察到PspA的沉積，證明了納米凝膠裝載的疫苗有效且安全。

4 總結與展望

納米凝膠的高吸水率，結構可修飾性，高載藥量及良好的生物相容性使其成為包括生物大分子藥物在內的多種藥物的優良的遞送載體，且環境響應型納米凝膠的引入也令納米凝膠的釋藥行為更加可控，使其給藥更加精準。但由于納米凝膠在制備時需要除去溶劑，制備成本很高，且放大生產較困難，因此仍需探索更經濟的納米凝膠制備方法。相信隨著藥劑學及相關學科的發展，納米凝膠的相關技術會更加成熟，相關研究也會進一步深入，從而開發出更多的納米凝膠藥物。