王星火, 湯 鈞, 楊英威

(吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院, 納微構(gòu)筑化學(xué)國際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室, 長春 130012)

刺激響應(yīng)藥物遞送體系(DDS)是指在接受特定外部或內(nèi)部刺激后可以靶向病灶部位進(jìn)行給藥[1～3]. 近年來, 隨著DDS在生物醫(yī)藥領(lǐng)域越來越廣泛的應(yīng)用, 脂質(zhì)體、 聚合物納米粒子、 金納米粒子、 磁性納米粒子和介孔二氧化硅納米粒子(MSNs)[4～8]等納米載體被廣泛研究報(bào)道. 在這些納米載體中, MSNs由于具有較高的比表面積、 高裝載量、 穩(wěn)定的孔體積、 可調(diào)節(jié)的尺寸、 表面易修飾及良好的生物相容性等優(yōu)異性能而被廣泛研究并應(yīng)用于可控藥物遞送體系中[9,10]. 相對于脂質(zhì)體和聚合物納米粒子等材料, MSNs無機(jī)納米粒子具有更高的穩(wěn)定性、 更大的載藥量及更易調(diào)節(jié)的粒徑尺寸. 同時(shí), MSNs表面大量的羥基賦予其更好的修飾性和可控性, 因此各種各樣的功能性基團(tuán)被修飾到MSNs表面, 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)藥物控制釋放和靶向給藥功能.

通過與特定的門控體系結(jié)合, 如無機(jī)納米粒子[11～14]、 大環(huán)化合物[15～18]、 生物大分子[19]和聚合物[20～22], 以MSNs作為藥物遞送系統(tǒng)的“容器”可以構(gòu)筑對pH[23]、 溫度[24,25]、 光[16]、 氧化還原[26]、 磁場[27]、 超聲[28]、 競爭分子[29]及生物大分子[30]有刺激響應(yīng)性的功能性藥物可控釋放體系[31]. 其中, 有效而靈敏的刺激響應(yīng)手段決定了藥物控釋體系的特異性給藥能力. 由于聚合物化學(xué)結(jié)構(gòu)的多樣性, 以聚合物為門控材料可以實(shí)現(xiàn)藥物控釋體系對多種化學(xué)與物理環(huán)境的刺激響應(yīng)性[32,33]. 通過共價(jià)鍵、 非共價(jià)鍵及吸附作用, 聚合物的長鏈結(jié)構(gòu)可以緊緊地纏繞在無機(jī)MSNs表面并堵住孔洞. 當(dāng)受到內(nèi)部或外部刺激時(shí), 聚合物長鏈的構(gòu)象可以在蜷縮-舒展之間轉(zhuǎn)換, 實(shí)現(xiàn)閥門的開關(guān)功能, 最終將裝載于MSNs孔道內(nèi)的藥物可控地釋放至靶標(biāo)部位.

此外, 可控/“活性”自由基聚合的出現(xiàn)為制備分子量可控、 分子量分布指數(shù)窄及結(jié)構(gòu)明確的聚合物“納米閥門”提供了有效手段[34,35]. 與傳統(tǒng)的自由基聚合反應(yīng)相比, 通過2種方法可以實(shí)現(xiàn)可逆鈍化自由基聚合(RDRP)的動態(tài)平衡: 一種是增長鏈自由基自身能夠可逆地鈍化失活形成休眠種, 這種休眠種可以通過催化過程在“活化態(tài)”和“休眠態(tài)”之間建立動態(tài)平衡, 如原子轉(zhuǎn)移自由基聚合(ATRP)[36,37]. 另一種方法則是增長自由基與休眠種之間的退化轉(zhuǎn)移(DTRP), 如可逆加成斷裂鏈轉(zhuǎn)移自由基聚合(RAFT)[38～40]. 近年來, 隨著人們對生物醫(yī)用材料安全性能要求的不斷提高, 可控綠色聚合同樣為材料的制備提供了更有效的手段[41～44].

1 基于聚合物門控和介孔二氧化硅容器構(gòu)筑藥物控釋體系

一個有效的藥物控釋體系應(yīng)該滿足以下幾個條件: (1)具有合理的粒徑尺寸, 能夠被胞吞進(jìn)入細(xì)胞, 英國皇家學(xué)會和英國皇家工程學(xué)院定義粒徑小于100 nm的納米粒子更適合醫(yī)用研究, 小尺寸納米粒子擁有更大的比表面積和更高的裝載量, 并且擁有更高的穿透能力[45]; (2)良好的穩(wěn)定性, 可以在體循環(huán)中穩(wěn)定存在而不被降解; 靶向給藥要求藥物控釋體系在血液循環(huán)中可以穩(wěn)定存在, 藥物的前釋放很少, 而在病灶部位時(shí), 通過特殊的刺激響應(yīng)機(jī)制可以將藥物釋放出來; (3)安全無毒, 避免免疫排斥. 刺激響應(yīng)性藥物控釋系統(tǒng)的重要組成部分之一是裝載藥物載體的容器, 如二氧化硅[46]、 金屬有機(jī)骨架(MOFs)[47,48]和上轉(zhuǎn)換納米粒子[49]等, 其中MSNs因穩(wěn)定的剛性結(jié)構(gòu)、 可調(diào)節(jié)的粒徑尺寸、 精確可調(diào)的孔道結(jié)構(gòu)、 較高的比表面積、 易功能化的特點(diǎn)及良好的生物相容性不僅成為性能優(yōu)異的納米容器, 也被美國食品安全局認(rèn)定是安全的食品添加劑[50]. 近年來, 可降解的介孔硅材料引起科學(xué)家們的關(guān)注, 并發(fā)展出多種制備方法, 如二硫鍵交聯(lián)的介孔硅材料可以在谷胱甘肽(GSH)存在的條件下在人體內(nèi)降解, 從而提高介孔硅材料的生物安全性[51～54]. 構(gòu)成刺激響應(yīng)性藥物控釋系統(tǒng)的另一組成部分是能夠堵住無機(jī)納米粒子孔洞的門控基元, 即納米閥門, 可以將藥物包封在容器內(nèi), 在特定的刺激響應(yīng)下使藥物釋放出來. 閥門的種類有很多, 可以分為輪烷結(jié)構(gòu)、 聚合物、 塞子結(jié)構(gòu)、 橋型結(jié)構(gòu)及脂質(zhì)體材料等. 聚合物因其組成、 拓樸結(jié)構(gòu)和功能的多樣性在刺激響應(yīng)性藥物控釋體系的門控材料中扮演著重要的角色. 本文主要討論以聚合物為閥門的藥物釋放體系.

Fig.1 Functional polymers served as gatekeepers including polymer brushes(A), polymernetworks(B) and polymer coatings(C)

2 基于聚合物刷的門控

聚合物的緊實(shí)結(jié)構(gòu)為其充當(dāng)納米閥門提供了先決條件. 聚合物刷的制備可以采用“Graft to”和“Graft from”方法. Graft to方法, 即將制備好的聚合物直接與MSNs表面反應(yīng)[圖2(A)]; Graft from方法, 即通過介孔二氧化硅納米粒子的表面引發(fā)自由基聚合制備(SI-RDRP)[圖2(B)]. Graft to方法可以將種類更豐富的聚合物與MSNs鍵連, 但受反應(yīng)基團(tuán)活性限制, 制備出的聚合物刷密度不高, 大大影響了聚合物刷門控開關(guān)的性質(zhì), 導(dǎo)致裝載藥物的前釋放量較高. Graft from方法通常利用SI-RDRP在無機(jī)納米粒子材料表面生成聚合物, 能夠制備出接枝密度高、 分子量可調(diào)及集成多種功能的聚合物刷結(jié)構(gòu). 聚合物分子刷門控材料在藥物控釋體系中具有廣泛的刺激響應(yīng)性, 如pH響應(yīng)、 氧化還原響應(yīng)、 溫度響應(yīng)、 光響應(yīng)及超聲響應(yīng)等.

Fig.2 Schematic illustration of preparation of polymer brushes by “grafting to” method(A) and “grafting from” method(B)

2.1 pH刺激響應(yīng)的藥物控釋體系

由于腫瘤微環(huán)境偏酸性(pH=6.2～6.9, 甚至更低), 而人體正常的pH環(huán)境是7.3～7.4, 因此設(shè)計(jì)酸性pH條件響應(yīng)的聚合物分子刷具有重要的研究價(jià)值[55]. pH響應(yīng)的化學(xué)鍵種類繁多, pH智能響應(yīng)的藥物控釋體系也被深入研究并報(bào)道. 聚甲基丙烯酸二甲胺基乙酯(PDMAEMA)在中性和堿性條件下表現(xiàn)為疏水性質(zhì), 在酸性環(huán)境下, 由于高分子鏈被質(zhì)子化, 其構(gòu)象由蜷縮變成伸展, 表現(xiàn)為親水性質(zhì)[56～58]. 基于PDMAEMA聚合物鏈構(gòu)象在蜷縮-伸展之間能夠相互轉(zhuǎn)化, 可以將其應(yīng)用于聚合物分子刷門控構(gòu)筑智能響應(yīng)的藥物控釋體系. 2011年, Pan等[59]報(bào)道了通過表面引發(fā)原子轉(zhuǎn)移自由基聚合(SI-ATRP)在MSNs表面制備了PDMAEMA分子刷并構(gòu)筑藥物可控釋放體系. 制得的雜化材料水合粒徑(Dh)受pH值影響, 隨著pH值下降會使Dh上升, 因此通過調(diào)控pH值可以控制藥物控釋體系的開關(guān). 我們[60]曾報(bào)道了模擬酶催化的SI-ATRP過程, 并在MSNs表面引發(fā)制備PDMAEMA用于藥物遞送的相關(guān)研究[圖3(A)]. 2018年, Zhang等[61]采用光誘導(dǎo)的SI-ATRP方法在MSNs表面制備聚(衣康酸-甲基丙烯酸聚乙二醇單甲醚)[poly(IA-co-PEGMA)]聚合物刷. 在微酸性(pH=5.5)環(huán)境下, 25 h后藥物釋放量達(dá)到60%, 而在中性(pH=7.4)條件下, 同樣時(shí)間內(nèi)藥物的釋放量小于10%. 通過綠色聚合方法, 不僅可以制備出智能響應(yīng)的聚合物刷門控藥物釋放體系, 還可以在制備過程中減少金屬催化劑的殘留, 為生物醫(yī)用及臨床應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ).

主鏈或側(cè)鏈含有不飽和氮原子的聚合物通常具有pH響應(yīng)的特點(diǎn), 這是因?yàn)槠湓诮邮芑蛘呓o出質(zhì)子后, 會導(dǎo)致溶脹比和溶解性發(fā)生變化[62,63]. 相對于其它化學(xué)合成的pH響應(yīng)聚合物材料, 聚組氨酸(PLH)的多肽結(jié)構(gòu)賦予其更好的生物相容性, 并且其pKa約為6.10, 能夠很好地響應(yīng)腫瘤的微酸性環(huán)境. Zhang等[64]報(bào)道了利用Graft to方法將組氨酸-乙二醇共聚物(PLH-PEG)接枝到MSNs表面制備pH刺激響應(yīng)的藥物控釋體系. 在正常細(xì)胞的中性環(huán)境下, 疏水的PLH會封堵MSNs的孔洞, 將化療藥物封裝進(jìn)無機(jī)納米粒子載體; 在被腫瘤細(xì)胞胞吞后, 載體進(jìn)入微酸性環(huán)境, 由于PLH發(fā)生質(zhì)子化, 其構(gòu)象由蜷縮變成伸展, 最終導(dǎo)致化療藥物在細(xì)胞內(nèi)釋放并殺死腫瘤細(xì)胞[圖3(B)]. 采用同樣的聚合物門控制備方法, 也可以將聚丙烯酸(PAA)作為pH刺激響應(yīng)的門控構(gòu)筑化療藥物控釋體系[65].

Fig.3 Schematic representation of the preparation process of Rh6G-loaded PDMAEMA-grafted MSN(Rh6G@MSN-PDMAEMA) via SI-ATRP and its pH-responsive behavior[60](A) and illustration of the pH-responsive drug delivery system of MSNs-PLH-PEG[64](B)(A) Copyright 2016, MDPI; (B) copyright 2017, Elsevier Ltd.

2.2 氧化還原刺激響應(yīng)的藥物控釋體系

研究表明, GSH是一種在生物體內(nèi)廣泛存在的還原劑, 其濃度會隨體內(nèi)環(huán)境的不同而發(fā)生變化. GSH在細(xì)胞外濃度為2 μmol/L, 在細(xì)胞內(nèi)為10 mmol/L, 在腫瘤細(xì)胞內(nèi)GSH的濃度約比在正常細(xì)胞內(nèi)高4倍[66]. 二硫鍵在GSH存在的條件下被還原為硫醇結(jié)構(gòu), 因此將二硫鍵結(jié)構(gòu)單元引入到MSNs與聚合物刷之間可以制備還原刺激響應(yīng)的藥物控釋體系[67,68].

Wang等[69]采用Graft to方法, 將聚乙二醇(PEG)接枝到表面經(jīng)二硫鍵修飾的MSNs, 制備出以PEG聚合物刷為門控的藥物控釋體系并研究了接枝密度與藥物釋放的關(guān)系[圖4(A)]. 他們[70]采用同樣的方法, 將PAA接枝到MSNs納米粒子表面制備以PAA為聚合物刷門控的藥物控釋體系, 實(shí)現(xiàn)了GSH和pH雙重刺激響應(yīng)藥物控釋. Huang等[71]采用Graft to方法, 將己內(nèi)酯-乙二醇共聚物(PCL-b-PEG)接枝到MSNs表面制備聚合物刷納米閥門. 在生理環(huán)境中, 聚己內(nèi)酯(PCL)的疏水性使聚合物刷門控緊密堆積在孔洞表面, 減少藥物的前釋放量, 同時(shí)PEG的生物相容性可以延長載藥體系的體循環(huán)時(shí)間. 在高濃度GSH的環(huán)境下, 與MSNs連接的聚合物刷會斷裂, 釋放裝載的藥物[圖4(B)]. 2016年, Zhang等[72]報(bào)道了將含有靶向治療的多肽(RGDWWW)2KC接枝到表面經(jīng)二硫鍵修飾的MSNs上, 構(gòu)筑了同時(shí)遞送化療藥物和治療試劑的藥物控釋體系. 在正常環(huán)境下, 含有色氨酸的支化多肽由于π-π相互作用和疏水作用會將MSNs表面的孔洞堵塞, 而在高濃度GSH環(huán)境中, 二硫鍵的斷裂可以開啟門控, 實(shí)現(xiàn)藥物及治療性多肽的同時(shí)釋放, 最終誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[圖4(C)].

Fig.4 Redox-responsive cargo release systems based onmPEG brushes decorated MSNs[69](A), PEG-PCL brushes-functionalized MSNs(MSN-SS-PCL-PEG)[71](B) and therapeutic peptides-gated MSNs(DOX@TTSTMSN)[72](C)(A) Copyright 2015, Elsevier Ltd. (B) copyright 2013, Royal Society of Chemistry; (C) copyright 2016, Royal Society of Chemistry.

2.3 溫度刺激響應(yīng)的藥物控釋體系

腫瘤組織環(huán)境溫度通常為42.5～43.5 ℃, 比人體正常組織溫度高, 因此利用腫瘤組織的過高溫度設(shè)計(jì)溫度響應(yīng)聚合物門控用于腫瘤治療是一種很有效的手段. 在理想狀態(tài)下, 溫度響應(yīng)的藥物控釋體系在人體正常體溫(37 ℃)時(shí)可以將藥物包封在納米載體中, 當(dāng)納米載體循環(huán)到溫度較高的腫瘤組織附近時(shí), 可以迅速地將藥物釋放出來. Pan等[73,74]利用SI-RAFT聚合將N-異丙基丙烯酰胺(NIPAAm)接枝到MSNs表面, 制備了以聚N-異丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)為門控的溫度響應(yīng)藥物控釋體系. 由圖5(A)可見, 在低于最低臨界共溶溫度(LCST)(約32 ℃)時(shí), PNIPAAm聚合物鏈為親水狀態(tài), 門控狀態(tài)為開, 可以將裝載的藥物釋放出來; 而在溫度高于LCST時(shí), PNIPAAm聚合物鏈為疏水狀態(tài), 門控狀態(tài)為關(guān), 能夠?qū)⑺幬锓庋b到無機(jī)納米容器中. Li等[75]采用另外一種可控/“活性”自由基聚合的方法, 通過SI-ATRP技術(shù)同樣制備了PNIPAAm接枝MSNs的溫度刺激響應(yīng)載藥體系. 此外, 利用Graft to方法, 也可以將PNIPAAm接枝到表面經(jīng)二硫鍵修飾的MSNs表面, 制備出溫度/還原雙刺激響應(yīng)的聚合物刷門控[76]. 盡管PNIPAAm可以實(shí)現(xiàn)溫度刺激響應(yīng)控制藥物釋放, 但其LCST在32 ℃附近, 不僅低于人體正常體溫, 更低于腫瘤組織的溫度, 難以實(shí)現(xiàn)在腫瘤微環(huán)境的藥物釋放. 研究發(fā)現(xiàn), 通過將NIPAAm與第二種單體共聚可以改變其LCST. 具體表現(xiàn)為, 與親水性單體共聚可以提高LCST, 而與疏水性單體共聚能降低LCST. 2018年, Zhu等[77]將NIPAAm與另外一種單體4-(丙烯酸芐酯)苯硼酸頻哪醇酯(BAPAR)共聚, 并采用Graft to方法將其修飾到MSNs表面, 制備了聚合物刷門控, 不僅將LCST提升至37 ℃, 也增加了門控材料對于雙氧水的刺激響應(yīng)性[圖5(B)]. 采用同樣的策略, Shu等[78]將NIPAAm與甲基丙烯酸(MA)共聚并接枝到MSNs表面制備出聚合物刷門控. 與直接利用溫度控制聚合物門控開關(guān)不同的是, 他們將DOX與吲哚菁綠(ICG)一起封裝進(jìn)MSNs內(nèi)部, ICG在接受近紅外光照射后, 其光熱性能會使溫度升高, 進(jìn)而控制聚合物刷門控構(gòu)象的變化, 最終使化療藥物可控地釋放.

Fig.5 Drug loading and release triggered by temperature(A) Schematic illustration of PNIPAAm grafting onto the surface of MSNs for drug delivery[73]; (B) schematic illustration of dual-responsive MSNs gated byPNIPAAm-PBAPAR [77]; (C) UCST TRP-modified MSN system: (i) schematic illustration of the preparation and intracellular uptake; (ii) turbidity curve of TRP1, TRP2, and TRP3(1%) in PBS; (iii) characterization of TRP1, TRP2 and TRP3 of different UCSTs[79].(A) Copyright 2008, American Chemical Society; (B) copyright 2018, Elsevier Ltd.; (C) copyright 2017, Royal Society of Chemistry.

盡管PNIPAAm在LCST附近可以通過親疏水的轉(zhuǎn)化控制藥物釋放, 但在實(shí)際治療過程中, 研究者更希望溫度刺激響應(yīng)的門控能在低溫下(人體正常體溫)為關(guān)閉狀態(tài), 將化療藥物封裝進(jìn)無機(jī)納米粒子中; 而在較高溫度下(腫瘤組織溫度)為打開狀態(tài), 將化療藥物從無機(jī)納米粒子中釋放, 因此需要門控材料擁有最高臨界共溶溫度(UCST). 丙烯酰胺-丙烯腈共聚物[poly(AAm-co-AN)]是一類研究較廣泛的溫度響應(yīng)聚合物, 在較高溫度下, 聚合物鏈呈現(xiàn)蜷縮構(gòu)象, 能堵住無機(jī)納米粒子孔道, 而在較低溫度下, 聚合物鏈呈現(xiàn)舒展構(gòu)象, 能打開無機(jī)納米粒子孔道. 2017年, Zhu等[79]采用Graft to方法將poly(AAm-co-AN)接枝到表面被二硫鍵修飾的MSNs上, 制備了溫度/還原雙重刺激響應(yīng)的聚合物刷門控. 通過調(diào)節(jié)丙烯酰胺(AAm)與丙烯腈(AN)的比例, 獲得了UCST分別為32, 42和50 ℃的3種聚合物閥門門控材料, 不僅實(shí)現(xiàn)藥物的階梯性釋放, 而且二硫鍵的引入讓門控材料具有更高的靈敏性[圖5(C)].

2.4 光刺激響應(yīng)的藥物控釋體系

光刺激響應(yīng)的藥物控釋體系有很多優(yōu)點(diǎn), 如精確地控制門控開關(guān)、 遠(yuǎn)距離控制及對機(jī)體損傷小等. 含有香豆素[80]、 對硝基芐基酯[81]、 螺吡喃[82]和偶氮苯[83]等結(jié)構(gòu)的聚合物都可以修飾到MSNs表面用來控制藥物釋放. 2015年, Zhao等[84]將N-異丙基丙烯酰胺-2-硝基芐基丙烯酸酯共聚物[poly(NIPAm-co-NBAE)]通過Graft to方法修飾到MSNs表面. 由于PNIPAm是LCST為32 ℃的溫敏性聚合物, 因此poly(NIPAm-co-NBAE)在人體正常溫度下呈現(xiàn)收縮構(gòu)象, 能夠?qū)⑺幬锓庋b在MSNs孔道內(nèi)部. 經(jīng)紫外光(UV)照射后, 疏水的NBAE會轉(zhuǎn)化成親水單元, 導(dǎo)致共聚物的LCST上升至48 ℃, 使聚合物鏈構(gòu)象由收縮變?yōu)樯煺? 最終將藥物釋放(圖6).

曾國藩曾遭誣陷入獄。第一次吃牢飯，盡管饑腸轆轆，曾國藩還是把飯推向一邊。獄卒來取籃子的時(shí)候，曾國藩隱約聽那獄卒念叨：“第一次沒人吃，第二次沒人剩?！惫唬诙伟扬埢@子送進(jìn)去以后，曾國藩不僅吃得很快，連那渾渾的湯水也全部灌進(jìn)肚子里。第三次，曾國藩就吃得很香甜了。曾國藩在獄中悟出一個道理：“大凡人沒有吃不了的苦，沒有享得夠的福?？嘁埠酶Ｒ埠?，跟生存比起來，全在其次。”

Fig.6 Drug loading and release triggered by light[84](A) Schematic representation for the structure of HMSNs-PDEAEMA and the different mechanisms of triggered release; (B) synthetic route of tripleresponsive HMSNs-PDEAEMA via SI-ATRP. in vitro DOX release profiles of HMSNs@DOX; (C) triggered by UV light at pH=7.4; (D) at 37 ℃ under different pH values without and with DTT. Copyright 2015, American Chemical Society.

光刺激響應(yīng)藥物控釋體系不僅能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離操控, 而且擁有良好的生物相容性及易于功能化的特點(diǎn). 除了聚合物自身結(jié)構(gòu)單元對光照的刺激響應(yīng)性, 也可以引入具有光熱性質(zhì)的物質(zhì), 把光能轉(zhuǎn)化為熱能的同時(shí)與溫度刺激響應(yīng)聚合物聯(lián)用制備納米藥物控釋系統(tǒng). Zhao等[85]制備了MSNs包裹的金納米籠(Au@MSN)核殼結(jié)構(gòu)納米粒子, 再通過SI-ATRP技術(shù)將PNIPAAm修飾到納米粒子表面. 在808 nm波長的近紅外光照射下, 金納米籠的光熱性質(zhì)會使納米粒子附近溫度升高至超過聚合物刷的LCST, 最終聚合物刷坍塌, 體積減小, 使裝載的藥物釋放出來. 相對于UV刺激響應(yīng)的藥物控釋體系, 近紅外光具有更好的組織穿透性及對細(xì)胞更小的損害.

2.5 超聲刺激響應(yīng)的藥物控釋體系

Fig.7 Drug loading and release triggered by ultrasound[88](A) Schematic illustration of the temperature/ultrasound dual-responsiveness; (B) synthetic route to PMEO2MA-PTHPMA-MSN; (C) ultrasound-triggered bond cleavage of PMEO2MA-PTHPMA into PMEO2MA-PMAA and tetrahydropyranol(THP-ol); (D) release profile of fluorescein from hybrid-MSNs in PBS uponultrasound treatment(10 min and 1.3 MHz, 100 W)(a) and without ultrasound(b). Copyright 2015, American Chemical Society.

在眾多外部刺激響應(yīng)中, 利用超聲可以無副作用地控制藥物在靶點(diǎn)的釋放. 由于超聲波具有穿透性好、 成本低廉、 頻率和刺激時(shí)間易于操控等優(yōu)點(diǎn), 超聲刺激響應(yīng)材料在藥物控釋中展現(xiàn)出很大的優(yōu)勢[28]. 一些化學(xué)鍵或基團(tuán)在超聲波的刺激下會發(fā)生斷裂, 因此將這種機(jī)械力響應(yīng)的基團(tuán)引入到無機(jī)納米粒子表面能夠制備多種多樣的納米門控體系[86,87]. 2015年, Vallet-Regi等[88]采用Graft to方法將poly(MEO2MA-co-THPMA)修飾到MSNs表面, 制備出溫度/超聲雙刺激響應(yīng)的聚合物刷門控材料. 由圖7可見, 在4 ℃時(shí), 聚合物鏈呈現(xiàn)伸展構(gòu)象, 此時(shí)可以將藥物裝載到MSNs孔道, 隨著溫度升高到人體正常溫度37 ℃時(shí), 收縮的聚合物鏈將藥物封裝進(jìn)MSNs孔道中, 當(dāng)藥物載體受到外部超聲刺激時(shí), 疏水的四氫吡喃環(huán)斷裂后導(dǎo)致疏水聚合物變成親水聚合物, 從而聚合物門控由收縮構(gòu)象重新變?yōu)樯煺箻?gòu)象, 將門控打開釋放藥物. 熒光照片顯示, 在沒有超聲刺激時(shí), 只能在細(xì)胞外看到阿霉素(DOX)的紅色熒光, 而在超聲刺激后, 可以在細(xì)胞內(nèi)看到大量的紅色熒光, 說明裝載的藥物只有在超聲刺激下才會被釋放出來. 相對于其它體內(nèi)環(huán)境的刺激響應(yīng), 這種機(jī)械力響應(yīng)的材料能夠?qū)㈤y門控制得更靈活, 進(jìn)而更便捷地將藥物輸送至靶標(biāo)部位. 此外, 這種材料的溫敏性特點(diǎn)可以使其在4 ℃時(shí)裝載藥物, 而在37 ℃時(shí)將藥物封裝在MSNs孔道中, 減少了藥物的泄漏, 提高了藥物在MSNs中的裝載量.

3 基于聚合物交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的門控

以聚合物刷作為MSNs藥物遞送體系的門控可以實(shí)現(xiàn)多種多樣的刺激響應(yīng)性, 通過對聚合物的修飾, 能夠賦予藥物控釋體系更多的功能, 如增加生物相容性、 同時(shí)遞送治療基因與化療藥物及細(xì)胞成像等. 但單純依靠聚合物刷的蜷縮-舒張構(gòu)象變化控制門控的開關(guān)仍存在一些缺點(diǎn): (1)當(dāng)收縮的聚合物鏈堵住MSNs孔道包封藥物時(shí)仍會導(dǎo)致藥物的前釋放, 這是因?yàn)榫酆衔镦湹拈L度及堆積的緊密程度難以精確控制; (2)刺激響應(yīng)手段的單一性, 單純依靠聚合物自身的刺激響應(yīng)難以構(gòu)筑種類豐富甚至多種刺激響應(yīng)協(xié)同的納米載藥體系. 因此, 構(gòu)筑新結(jié)構(gòu)的聚合物門控體系顯得尤為重要. 通過將MSNs表面修飾的聚合物刷交聯(lián)成為聚合物網(wǎng)絡(luò)可以增加門控堆積的緊密程度, 通過改變交聯(lián)手段和交聯(lián)結(jié)構(gòu)能賦予藥物控釋體系更多的刺激響應(yīng)方式.

3.1 共價(jià)交聯(lián)的聚合物網(wǎng)絡(luò)

在MSNs上制備有反應(yīng)位點(diǎn)的聚合物刷后, 可以繼續(xù)通過化學(xué)反應(yīng)制備由共價(jià)鍵交聯(lián)的聚合物網(wǎng)絡(luò)門控體系. 與單純的聚合物刷門控相比, 聚合物網(wǎng)絡(luò)門控?fù)碛卸逊e程度更高的聚合物鏈, 并且交聯(lián)劑的引入為雜化材料提供更多刺激響應(yīng)性. 動態(tài)共價(jià)鍵是一類結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定, 能夠?qū)我粭l件特異性響應(yīng)的共價(jià)鍵. 動態(tài)共價(jià)鍵在智能響應(yīng)高分子材料中有廣泛的應(yīng)用, 如溫度響應(yīng)、 光響應(yīng)、 還原性響應(yīng)及機(jī)械力響應(yīng)等[89]. 由于腫瘤細(xì)胞環(huán)境含有大量的還原性物質(zhì)GSH, 因此將對GSH響應(yīng)的動態(tài)共價(jià)鍵, 如二硫鍵或者二硒鍵引入到高分子材料具有廣闊的應(yīng)用前景.

Fig.8 Covalent bond cross-linked polymer networks served as gatekeepers(A) Schematic illustration ofthe synthetic route of MSN-PGMA and cystamine cross-linked PGMA networks on MSNs and Rh6G release in response to pH and GSH; (B) release profiles of cross-linked PSSGMA in PBS buffers of different pH values; (C) release profiles of polymer brushes PSGMA in PBS buffers of different pH values[91]. Copyright 2016, Royal Society of Chemistry.

2013年, Hong等[90]利用SI-RAFT技術(shù)在MSNs表面制備了雙甲基丙烯酰胺和丙烯酸聚乙二醇單甲醚甲酯共聚物作為聚合物網(wǎng)絡(luò)門控的藥物控釋體系. 在還原劑二硫蘇糖醇(DTT)的作用下會使二硫鍵交聯(lián)的門控打開, 而加入氧化劑后又可以使二硫鍵重新構(gòu)筑, 為共價(jià)交聯(lián)的聚合物網(wǎng)絡(luò)門控制備開辟了新途徑. 2016年, 我們[91]利用SI-ATRP方法在MSNs表面制備聚甲基丙烯酸縮水甘油酯(PGMA)聚合物刷, 在將模型藥物羅丹明6G封裝到MSNs孔道后, 利用胱胺將聚合物刷交聯(lián), 制備了以交聯(lián)的聚合物鏈為門控的藥物控釋體系[圖8(A)]. 在這個體系中, 二硫鍵的引入使聚合物網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)ι憝h(huán)境中的GSH做出響應(yīng), 即在GSH作用下能將二硫鍵還原成硫醇使其斷裂, 致使堆積緊密的聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變成堆積松散的聚合物刷結(jié)構(gòu), 最終將裝載的藥物在靶標(biāo)部位釋放. 同時(shí), 將胱胺這類含氮的結(jié)構(gòu)引入聚合物鏈也會使材料對酸性環(huán)境做出響應(yīng), 即二級胺在酸性環(huán)境被質(zhì)子化后, 帶正電荷的聚合物鏈較中性聚合物鏈親水性更好, 因此, 更松散的聚合物門控更容易將裝載的藥物釋放. 由于腫瘤組織的微酸性環(huán)境以及高于人體正常組織的GSH濃度, 這種pH/GSH雙刺激響應(yīng)交聯(lián)聚合物網(wǎng)絡(luò)門控響應(yīng)更快、 更靈敏. 由圖8(B)和(C)可以看出, 體外藥物釋放實(shí)驗(yàn)表明, 未經(jīng)二硫鍵交聯(lián)的聚合物門控在pH值為7.4, 5.0和2.0環(huán)境下, 30 h的釋放量分別為50%, 70%和90%; 對于二硫鍵交聯(lián)的聚合物門控體系, 相應(yīng)的釋放量分別為30%, 40%和70%, 說明堆積緊密的交聯(lián)聚合物網(wǎng)絡(luò)門控可以更好地將藥物封裝在納米容器中. 此外, 在加入GSH后, 藥物釋放量進(jìn)一步提升. 由于PGMA易于功能化的特點(diǎn), 使得PGMA制備的功能性材料結(jié)構(gòu)紛繁多樣, 在生物醫(yī)藥的很多領(lǐng)域展現(xiàn)重要的應(yīng)用, 如基因治療[92～95]、 細(xì)胞成像[96]及藥物的運(yùn)載[97]等. 2018年, Wang等[98]將二糊精(DAD)與表面胺基修飾的MSNs通過共價(jià)作用連接, 再利用胱胺將修飾到MSNs表面的二糊精交聯(lián), 制備pH/GSH雙刺激響應(yīng)的聚合物網(wǎng)絡(luò)門控. 席夫堿與二硫鍵分別賦予門控材料pH和GSH響應(yīng), 因此, 在中性環(huán)境下交聯(lián)的聚合物網(wǎng)絡(luò)門控能夠?qū)⒀b載的藥物封裝在MSNs孔道中, 而在腫瘤微環(huán)境中可以將藥物釋放.

3.2 超分子交聯(lián)的聚合物網(wǎng)絡(luò)

超分子聚合物的構(gòu)筑同時(shí)結(jié)合了超分子化學(xué)和高分子化學(xué), 其動態(tài)可逆的作用力使超分子聚合物在飛速發(fā)展的新材料中扮演重要的角色[99]. 可用于構(gòu)筑超分子聚合物的作用力有氫鍵、 疏水相互作用、π-π堆積、 金屬配體作用及主客體作用等. 超分子作用力的性質(zhì)和構(gòu)筑基元的結(jié)構(gòu)決定了超分子聚合物材料對于周圍環(huán)境的刺激響應(yīng)性. 將超分子作用單元引入雜化藥物控釋體系的聚合物門控中, 不僅能夠增加刺激響應(yīng)的多樣性, 也會對聚合物網(wǎng)絡(luò)門控結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供新思路.

Fig.9 Non-covalent bond cross-linked polymer networks served as gatekeepers(A) Schematic diagram of (i) pH and GSH dual-responsive dynamic cross-linked supramolecular networks on MSNs; (ii) synthetic route of MSN-SS-(EDA-PGOHMA) and its assembly with CB[7][100]. (B) Schematic illustration of (i) the preparation of polymer brush decorated MOFs; (ii) drug release behavior of the MOF-based nanoparticles[101].(A) Copyright 2015, American Chemical Society; (B) Copyright 2018, Wiley-VCH.

我們[100]在2015年報(bào)道了pH/GSH雙刺激響應(yīng)的超分子網(wǎng)絡(luò)門控并用于遞送DOX到腫瘤細(xì)胞. 由圖9(A)可見, 首先在表面由二硫鍵修飾的MSNs利用SI-ATRP制備PGMA聚合物刷, 隨后采用乙二胺與PGMA上的環(huán)氧基團(tuán)反應(yīng)制備出側(cè)鏈含有氨基修飾的親水聚合物刷, 最后采用葫蘆[7]脲(CB[7])將親水的聚合物刷通過主客體作用交聯(lián)得到超分子聚合物網(wǎng)絡(luò)門控. 腫瘤細(xì)胞附近高濃度的GSH可以切斷聚合物門控與MSNs表面連接的二硫鍵, 使藥物釋放出來; 腫瘤細(xì)胞微酸性環(huán)境使得體系水合氫離子增加, 與CB[7]競爭鍵合, 奪取與聚合物氨基作用的CB[7]進(jìn)而破壞聚合物網(wǎng)絡(luò), 從而釋放封裝的藥物. 掃描電子顯微鏡(SEM)照片顯示, 雜化材料被聚合物網(wǎng)絡(luò)門控修飾后, 其粒徑由(68±8.7) nm變成(84.5±12.9) nm, 說明聚合物門控成功地被安裝到MSNs表面. 在藥物控釋方面, 這種雜化材料可以成功地抑制腫瘤細(xì)胞的生長, 展示出在腫瘤治療和藥物遞送領(lǐng)域的應(yīng)用前景. 采用同樣的策略, 2018年, Chen等[101]在有機(jī)金屬骨架(MOFs)表面制備了由CB[7]交聯(lián)的聚合物刷, 并通過靜電作用將負(fù)電性的四苯基乙烯(TPE)吸附到正電性的UiO-66表面[圖9(B)]. 由于TPE與DOX會發(fā)生熒光共振能量轉(zhuǎn)移, 所以當(dāng)把DOX封裝進(jìn)無機(jī)納米容器時(shí), TPE不顯示熒光, 而在細(xì)胞內(nèi)DOX被釋放后, 可以在激光共聚焦顯微鏡下觀察到TPE和DOX的熒光.

4 基于聚合物包裹層的門控

在MSNs表面制備聚合物除了利用Graft from和Graft to方法將聚合物一端與無機(jī)納米粒鍵連以外, 直接將聚合物包裹在無機(jī)納米粒子表面也是一種有效制備雜化材料的方法. 將聚合物包裹在無機(jī)納米粒子表面的方法有很多, 根據(jù)作用力的形式可以分為共價(jià)作用和非共價(jià)作用. 若聚合物側(cè)鏈有很多與MSNs表面基團(tuán)直接反應(yīng)的位點(diǎn), 可以將聚合物通過共價(jià)鍵的作用包裹在MSNs表面, 此外, 也可以通過非共價(jià)作用將聚合物包裹在MSNs表面, 如主客體作用、 靜電作用和氫鍵作用等. 相比于聚合物刷門控和聚合物網(wǎng)絡(luò)門控, 基于聚合物包裹層的門控體系與無機(jī)納米粒子表面的作用位點(diǎn)十分豐富, 并且制備方法更簡便.

Fig.10 Schematic illustration of the preparation of MSN-SS-HA and its dual-stimuli responsive drug delivery[102](A) Synthesis of drug-loaded MSN-SS-HA; (B) magnified image of pore structure upon grafting of HA; (C) cell uptake through CD44 receptor-mediated interaction. Copyright 2015, Elsevier Ltd.

4.1 共價(jià)聚合物包裹層

共價(jià)鍵是比較穩(wěn)定的化學(xué)鍵, 通過將動態(tài)共價(jià)鍵引入到聚合物和無機(jī)納米粒子表面之間能夠構(gòu)筑刺激響應(yīng)的聚合物包裹層門控體系. 與人工合成的聚合物材料相比, 自然界中的生物大分子擁有更好的生物相容性, 而通過聚合物包裹是將生物大分子連接到無機(jī)納米粒子材料上是一種有效方法. 2015年, Wang等[102]將透明質(zhì)酸(HA)通過共價(jià)作用與表面被二硫鍵修飾的MSNs連接, 制備了GSH/酶雙刺激響應(yīng)的雜化藥物控釋體系(圖10), 釋放實(shí)驗(yàn)表明, DOX會在GSH和透明質(zhì)酸酶的刺激下快速釋放. 2017年, Sun等[103]將殼聚糖修飾到表面被羧基修飾的MSNs表面, 由于殼聚糖側(cè)鏈富含大量的胺基, 因此二者可以通過共價(jià)作用鍵連在一起. 將化療藥物裝載進(jìn)MSNs內(nèi)部的孔道后, 由于殼聚糖的正電性, 其可以與DNA通過靜電作用形成復(fù)合物, 從而構(gòu)筑基因藥物共遞送系統(tǒng). 在高濃度GSH的腫瘤微環(huán)境中, 二硫鍵的斷裂會使MSNs表面包裹的殼聚糖脫離, 不僅使裝載的藥物釋放, 也可以將基因從載體中釋放進(jìn)行轉(zhuǎn)染治療.

4.2 非共價(jià)聚合物包裹層

非共價(jià)作用力的多樣性及刺激響應(yīng)廣泛的特點(diǎn)賦予聚合物包裹層門控越來越大的吸引力[104～107]. 超分子作用力的一個顯著特征就是雖然2個基元單獨(dú)的相互作用很弱, 但隨著作用位點(diǎn)數(shù)目的增加, 協(xié)同作用力指數(shù)級增強(qiáng), 構(gòu)筑的材料會更加穩(wěn)定. 因此, 在生物醫(yī)用領(lǐng)域, 尤其是人體內(nèi)環(huán)境中, 超分子材料有著廣泛的應(yīng)用空間. 我們[104]制備了側(cè)鏈含有環(huán)糊精(CD)的水溶性聚合物, 并將其與表面被偶氮苯(Azo)修飾的MSNs通過主客體作用鍵合, 使聚合物包裹層作為門控將裝載的藥物封裝進(jìn)MSNs孔道. 由圖11可見, Azo會在紫外光(UV)照射下發(fā)生順式和反式構(gòu)象的轉(zhuǎn)換, 而CD只會與反式Azo發(fā)生主客體包結(jié), 因此通過外部刺激(UV照射)會控制聚合物門控開關(guān), 可控地將藥物釋放出來. 雖然主客體作用響應(yīng)的種類范圍很廣, 但也會對特異性客體分子進(jìn)行識別. 在這個主客體聚合物門控體系中, 加入金剛烷分子后, 聚合物上的CD更傾向于與金剛烷鍵合, 也可以將門控打開釋放藥物. 這種雜化藥物控釋體系不僅實(shí)現(xiàn)響應(yīng)種類的多樣性(紫外光/競爭分子/溫度), 而且更靈敏的超分子作用力使門控更容易被打開釋放藥物. Chen等[105]利用RAFT聚合制備出的側(cè)鏈含有偶氮苯基團(tuán)的聚合物作為超分子閥門, 并將其與CD修飾的MSNs通過主客體作用鍵合, 成功得到UV和GSH雙刺激響應(yīng)的載藥體系.

Fig.11 Schematic representation of the preparation process of RhB-loaded MSN@PGMA-CD and its cargo release in response to UV light or competitive binding[104] Copyright 2014, Royal Society of Chemistry.

通過靜電相互作用, 利用層層組裝[layer-by-layer(LBL) assembly]方法構(gòu)筑聚合物包裹層的門控同樣很有吸引力. 靜電作用在自然界及人工合成的聚合物材料中廣泛存在, 多位點(diǎn)的作用方式和材料的廣泛來源使其在材料構(gòu)筑中扮演重要的角色. 2017年, 我們[106]報(bào)道了在MSNs表面通過靜電作用層層組裝制備聚合物包裹層門控, 并將阿莫西林(AMO)裝載進(jìn)MSNs孔道內(nèi)(圖12). 首先將AMO裝載到表面負(fù)電性的羧基功能化的MSNs, 隨后將正電性的聚合物包裹在納米粒子表面, 再將CB[7]通過主客體作用包裹在聚合物外層增加聚合物堆積的緊密程度, 最后將羧基修飾的TPE分子包裹在納米材料最外層, 成功制備出粒徑為(161±7) nm,Zeta表面電勢為+23.8 mV的抗菌材料. 在加入競爭客體分子金剛烷胺后, 由于CB[7]與胺基的主客體作用減弱, 導(dǎo)致原來堆積緊密的聚合物變得松散, 最終使裝載的AMO釋放. 此外, 該納米材料在與負(fù)電性的細(xì)菌接觸后, 最外層的TPE分子會被競爭下來一部分, 變成游離態(tài)之后, 熒光會被猝滅.

Fig.12 Schematic representation of nanoassembly constructed via LBL assembly(A), colony forming units(CFU) for S. aureus and E. coli treated with nanoassembly before and after addition of adamantaneamine(AD) on LB agar plate(B) and illustration of drug release triggered by addition of AD(C)[106] Copyright 2017, American Chemical Society.

5 總結(jié)與展望

本文綜述了以無機(jī)介孔二氧化硅納米粒子為容器, 以聚合物為門控的刺激響應(yīng)納米藥物控釋體系. 根據(jù)聚合物門控結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分類, 主要包括聚合物刷門控、 聚合物交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)門控和聚合物包裹層門控, 并對比了3種聚合物門控在藥物控釋上的特點(diǎn). 根據(jù)不同的刺激響應(yīng)手段對聚合物刷門控進(jìn)行了討論. 根據(jù)聚合物門控構(gòu)筑的作用力不同, 對聚合物網(wǎng)絡(luò)門控及聚合物包裹層門控分別進(jìn)行了討論. 聚合物門控不同于小分子門控, 聚合物龐大的體積在發(fā)生構(gòu)象變化時(shí)能夠控制藥物控釋體系的開關(guān). 聚合物結(jié)構(gòu)的易修飾性也為聚合物門控的構(gòu)筑提供新思路, 使其響應(yīng)更靈敏, 控制方式更加巧妙. 聚合物門控材料構(gòu)筑同樣也面臨著挑戰(zhàn): (1)對于體內(nèi)環(huán)境的響應(yīng)不夠靈敏并且不易于操控, 應(yīng)發(fā)展更多對遠(yuǎn)程控制手段或外部機(jī)械力靈敏響應(yīng)的聚合物門控材料; (2)聚合物門控的接枝密度及聚合物分子量對藥物控釋有很大影響, 但對于這方面的研究報(bào)道不是很多, 應(yīng)該借助更多的表征手段對這類雜化材料進(jìn)行更深入的基礎(chǔ)研究; (3)結(jié)構(gòu)明確聚合物門控的制備往往依賴可控/“活性”自由基聚合, 然而ATRP過程中不可避免的使用過渡金屬催化劑會限制材料在生物醫(yī)用領(lǐng)域進(jìn)一步的應(yīng)用, 因此發(fā)展綠色可控自由基聚合方法并將其用于醫(yī)用材料的制備尤為重要.