儲 雨，李和霖*

（浙江工業(yè)大學(xué)，長三角綠色制藥協(xié)同創(chuàng)新中心，杭州310014）

微凝膠和納米凝膠是微米和納米尺寸的交聯(lián)膠體聚合物網(wǎng)絡(luò)，具有高吸水能力、可調(diào)節(jié)的微結(jié)構(gòu)、生物相容性、生物可降解性和可調(diào)節(jié)的化學(xué)和機(jī)械性能[1-5]。此外，他們的高比表面積可包封多價態(tài)的生物活性偶聯(lián)物及多種藥物[6]。微凝膠可以在外界刺激的作用下膨脹或收縮，例如溫度、pH、離子強(qiáng)度和光線等[7-10]。這些獨(dú)特的性質(zhì)為制備多功能型微凝膠提供了巨大的潛力，這些功能型微凝膠將成為藥物包封和遞送的載體，在體外用于細(xì)胞擴(kuò)增和增殖，在體內(nèi)用于組織再生和重建。

1 基于生物聚合物的微凝膠

天然和合成聚合物都被用于合成微凝膠。合成聚合物包括聚（丙烯酸）、聚（甲基丙烯酸）、聚（4-乙烯基吡啶）、聚（N，N-甲基丙烯酸二甲氨基乙酯）、聚（N-乙烯基己內(nèi)酰胺）及聚（N-異丙基丙烯酰胺）等[11-16]。在多功能交聯(lián)劑的存在下，這些合成聚合物通常用于制備基于合成聚合物的微凝膠[17]。

近年來，基于生物聚合物的微凝膠/納米凝膠（生物微凝膠/生物納米凝膠）受到越來越多的關(guān)注，并克服基于合成聚合物的微凝膠相關(guān)的一些問題，如生物可降解性差及其對環(huán)境的毒性。這些生物微凝膠/生物納米凝膠不僅表現(xiàn)出合成物已有的性質(zhì)，而且具有其獨(dú)特的特性，如生物相容性、生物可降解性、生物可受度，無毒性及價格低廉[18-22]。此外，生物微凝膠/生物納米凝膠具有多種功能基團(tuán)，例如羥基、氨基和羧酸，可被多種交聯(lián)劑交聯(lián)并用于綴合細(xì)胞靶向劑[23]。

天然生物聚合物的典型例子是多糖，例如殼聚糖、葡聚糖、纖維素、果膠、透明質(zhì)酸、普魯蘭多糖、硫酸軟骨素、瓊脂、瓊脂糖和海藻酸鈉等，這些物質(zhì)通常用于制備生物相容性微凝膠[24-33]。一些最常見的天然生物聚合物如圖1所示[34]。

圖1 可用于藥物輸送系統(tǒng)的天然生物聚合物Fig 1 Natural biopolymers for use in drug delivery systems

2 殼聚糖

在現(xiàn)有的天然生物高聚物中，殼聚糖作為一種天然多糖引起了人們的廣泛關(guān)注，并用于納米粒子的制備[35]。殼聚糖是一種線性多糖，從甲殼素的部分脫乙?；磻?yīng)中獲得，由β-(1-4)-d-葡萄糖胺（脫乙?；鶈卧┖蚇-乙酰葡糖胺（乙?；鶈卧┙M成。甲殼素是含量第2 豐富的天然聚合物，由一系列分子量、黏度及pKa等不同程度的聚合物組成[36]。它的平均相對分子質(zhì)量介于50×103～2 000×103[37]。甲殼素和殼聚糖可以從蟹、蝦、磷蝦、昆蟲和真菌等貝類來源獲得。他們得到了相當(dāng)大的關(guān)注，因?yàn)樗麄儾粌H可以從可再生資源中獲得，并且是無毒、具有生物相容性的材料，顯示出廣泛的潛在應(yīng)用，尤其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[38]。

殼聚糖含有3 種類型的反應(yīng)基團(tuán)（1 個氨基和2 種羥基)，其中一級和二級羥基分別位于重復(fù)的糖苷單元中。這些功能基團(tuán)的存在，經(jīng)化學(xué)基團(tuán)修飾的殼聚糖已為食品、化妝品以及生物醫(yī)學(xué)和醫(yī)藥應(yīng)用等領(lǐng)域提供了許多有用的材料[39]。通過在殼聚糖鏈上產(chǎn)生自由基，從而獲得具有化學(xué)修飾的甲殼素和殼聚糖結(jié)構(gòu)，這些自由基與可聚合單體反應(yīng)，并產(chǎn)生接枝鏈[40]。此外，氨基離子化后，增加的電荷密度使得殼聚糖適合于烷基化、?；汪燃谆然瘜W(xué)反應(yīng)[41]。

氨基的季銨化使殼聚糖成為pKa 約為6.5 的陽離子聚電解質(zhì)。在低pH時，氨基基團(tuán)質(zhì)子化并帶正電荷。其聚陽離子表面使殼聚糖適用于負(fù)電荷基體的粘附、聚集聚陰離子化合物以及與不同金屬離子如Ca2+、Ba2+和Al3+的螯合[42]。

基于殼聚糖的生物相容性、生物可降解性、生物黏附性、生物活性和低毒性等特性，殼聚糖已被廣泛用作包含細(xì)胞增殖、組織工程和靶向藥物遞送系統(tǒng)在內(nèi)的生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的制藥輔料[43-45]。

3 殼聚糖微凝膠的制備

優(yōu)異的生物相容性和生物可降解性，多糖（例如殼聚糖和葡聚糖）往往被認(rèn)為是醫(yī)學(xué)和生物技術(shù)領(lǐng)域設(shè)計和制造微納米顆粒的理想候選者[46]。此外，殼聚糖含有豐富的氨基基團(tuán)，是制備具有pH響應(yīng)微凝膠的理想材料[47]。

制備聚合物基微凝膠或納米凝膠可通過不同的交聯(lián)方式進(jìn)行，如化學(xué)交聯(lián)或物理交聯(lián)?；瘜W(xué)交聯(lián)是通過在殼聚糖的功能基團(tuán)（例如氨基和羥基）之間進(jìn)行共價交聯(lián)反應(yīng)來制備基于殼聚糖的微凝膠網(wǎng)絡(luò)，常用的交聯(lián)劑有戊二醛、乙二醛、京尼平或琥珀酰亞胺末端功能化的聚乙二醇[48-52]。殼聚糖與戊二醛可以通過殼聚糖的氨基與戊二醛的醛基反應(yīng)，形成共價亞胺鍵。另一種形式的交聯(lián)劑是京尼平，它是一種優(yōu)良的天然交聯(lián)劑，并呈現(xiàn)極好的與殼聚糖、蛋白質(zhì)、膠原蛋白和明膠的交聯(lián)性能，也比許多其他合成交聯(lián)劑的毒性小。因此，他已被廣泛用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用[53]。

WANG 等介紹了1 種新型的生物相容性微凝膠，通過天然衍生的交聯(lián)聚合物（如殼聚糖和明膠）與琥珀酰亞胺端聚乙二醇（NHS-PEG-NHS）交聯(lián)得到[54]。制備的微凝膠含有天然成分明膠和殼聚糖以及交聯(lián)劑NHS-PEG-NHS，具有極好的生物相容性。此外，他們還能滿足藥物包封和尺寸控制的要求。該微凝膠經(jīng)測試具有包裹疏水性藥物并實(shí)現(xiàn)持續(xù)給藥的能力。

制備基于殼聚糖的微凝膠的另一種交聯(lián)方法是物理相互作用，如氫鍵、范德華力、靜電相互作用或疏水締合[55-58]。這些物理交聯(lián)策略是通過不同的合成路線實(shí)現(xiàn)的，許多研究人員也用此法研究制備了殼聚糖基微凝膠。例如，Li等介紹了1種通過氫鍵交聯(lián)的電活性超分子微凝膠[59]。制備的微凝膠具有雙反應(yīng)性、pH 和氧化還原活性。在反相微乳液體系中，殼聚糖與聚對苯二酚通過氫鍵交聯(lián)得到微凝膠。通過包裹鹽酸阿霉素（DOX），在溶菌酶存在下，DOX 可以從微凝膠中釋放出來。因此，所制備的電活性微凝膠可用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

GU等介紹了1種通過靜電相互作用交聯(lián)的pH響應(yīng)性微凝膠[60]。以殼聚糖基質(zhì)、葡萄糖特異性酶和重組人胰島素為原料，制備了物理交聯(lián)的pH響應(yīng)性注射用微凝膠，實(shí)現(xiàn)了葡萄糖響應(yīng)性胰島素的閉環(huán)遞送。在這些體系中，殼聚糖基質(zhì)通過靜電相互作用被三聚磷酸交聯(lián)，并將載酶納米膠囊、含葡萄糖氧化酶（GOx）/過氧化氫酶（CAT）的酶納米膠囊和胰島素包裹在基質(zhì)中。GOx 是一種葡萄糖特異性酶，可以催化葡萄糖生成葡萄糖酸。微凝膠內(nèi)固定的葡萄糖被酶轉(zhuǎn)化為葡萄糖酸，這種pH 敏感的基質(zhì)（含有酶的納米膠囊的微凝膠）由于微環(huán)境pH降低而膨脹。體內(nèi)研究表明，這些系統(tǒng)可以在1型糖尿病小鼠模型中釋放胰島素和控制血糖水平。

VAHEDIFAR等報道了鈣和殼聚糖介導(dǎo)乳清蛋白顆粒的聚集[58]。根據(jù)生物高分子的性質(zhì)，與殼聚糖復(fù)合的蛋白質(zhì)可以形成生物高分子團(tuán)簇顆粒。在這些顆粒中，殼聚糖通過去質(zhì)子化的乳清蛋白羧基與殼聚糖質(zhì)子化的氨基之間的靜電相互作用與乳清蛋白發(fā)生反應(yīng)。這些反應(yīng)基于乳清蛋白疏水斑塊與殼聚糖的乙?；g的疏水相互作用，以及乳清蛋白與殼聚糖之間羥基的氫鍵作用。

4 生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用

癌癥已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)的主要健康問題[61]。在癌癥化療期間，由于其非特異性作用部位，因此常規(guī)抗腫瘤藥物的溶解性差、毒性高、治療窗口狹窄以及對正常組織的嚴(yán)重副作用，這可能導(dǎo)致癌癥治療失敗。因此，靶向藥物載體系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于封裝大量藥物，增強(qiáng)抗癌藥物的治療效果，減少不良作用，并特異性地將其遞送到腫瘤細(xì)胞用于癌癥治療[62]。

對于腫瘤治療來說，與正常組織不同的腫瘤微環(huán)境被認(rèn)為是設(shè)計新療法的重要因素之一。因此，基于殼聚糖的微凝膠可以被設(shè)計為對來自腫瘤微環(huán)境的刺激作出反應(yīng)以實(shí)現(xiàn)藥物遞送的刺激響應(yīng)系統(tǒng)[63]。由于其腫脹-消腫轉(zhuǎn)變的刺激響應(yīng)行為，藥物可以被包裹在納米載體中，然后當(dāng)其體積發(fā)生變化時從載體內(nèi)部釋放出來。因此，刺激反應(yīng)性微凝膠被研究用作藥物傳遞系統(tǒng)?？梢院铣奢d有藥物的微凝膠并使其功能化，并且可以對其體積轉(zhuǎn)換進(jìn)行調(diào)整，以在包括外部刺激如pH或溫度變化、離子強(qiáng)度、超聲、磁場、電效應(yīng)和輻照或生物刺激如與酶和蛋白質(zhì)的相互作用的存在下觸發(fā)藥物從顆粒中釋放[64-70]。

Hu等合成了新型前藥綴合物羧甲基殼聚糖-羧基苯甲醛-阿霉素納米顆粒（CMC-CBA-DOX NPs），其可以通過被動靶向在腫瘤細(xì)胞的酸性環(huán)境中釋放DOX[71]。以羧甲基殼聚糖聚合物為載體，對羧基苯甲醛（p-CBA）為微分子接頭，通過酰胺鍵連接DOX，形成兩親性高分子藥物偶聯(lián)物，構(gòu)建了酸敏性被動靶向釋藥系統(tǒng)。觀察細(xì)胞攝取和釋放DOX 的情況，CMC-CBA-DOX 納米粒子通過靜脈注射進(jìn)入人體，然后通過血液循環(huán)擴(kuò)散到組織中。載藥納米粒通過內(nèi)吞作用進(jìn)入腫瘤細(xì)胞。在酸性局部環(huán)境中，藥物（DOX）和載體（CMC）之間的亞胺鍵被切割，從而觸發(fā)藥物的釋放。

5 總結(jié)與展望

生物高分子的性能為功能性微凝膠提供了pH敏感性、導(dǎo)電性和生物降解性等多種性能。殼聚糖作為一種獨(dú)特的多糖，可以作為微凝膠的支架材料，在藥物傳遞領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。基于生物聚合物的微凝膠在藥物釋放系統(tǒng)中的應(yīng)用，介紹了基于殼聚糖的功能性微凝膠。這些微凝膠具有良好的生物相容性、生物降解性、無毒性、pH 敏感性、氧化還原活性和可調(diào)節(jié)的化學(xué)和機(jī)械性能。這些殼聚糖的微凝膠具有極好的藥物包封能力，可作為癌癥治療的良好候選者，并在藥物遞送系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用。

基于殼聚糖生物聚合物的特性，在將來可實(shí)現(xiàn)制備用于多種藥物遞送的天然藥物載體，或用于功能化紡織品，從而實(shí)現(xiàn)濕度管理和體溫調(diào)節(jié)活性。此外，殼聚糖納米凝膠可用于實(shí)現(xiàn)污水廢液的雜質(zhì)吸附。由此可見，通過將生物聚合物系統(tǒng)用于制備功能性微凝膠，在未來可實(shí)現(xiàn)多種功能及應(yīng)用。