羅雪莉， 郎美東

（上海市先進(jìn)聚合物材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，華東理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200237）

聚合物前藥的研究始于20 世紀(jì)50 年代中期，人們將某些藥物與天然聚合物或合成聚合物以化學(xué)鍵的形式相連接形成聚合物前藥，聚合物前藥可以減少藥物的腎排泄量，增強(qiáng)藥物活性持續(xù)時(shí)間[1]。聚合物前藥模型首先由Ringsdorf 提出并設(shè)計(jì)，該模型包括聚合物主鏈、藥物、間隔基、靶向基團(tuán)和增溶劑[2]。除了前藥外，膠束也是常用的藥物載體[3]，但是與前藥以化學(xué)鍵連接不同，膠束是一種物理包封方法，藥物通常進(jìn)入膠束的疏水內(nèi)核，因此其載藥效率通常與藥物和聚合物疏水段的相互作用力有關(guān)。

Flory-Huggins 相互作用參數(shù)(χ)是高分子物理中重要的參數(shù)之一，它反映了高分子與溶劑或者高分子與高分子混合時(shí)相互作用能的變化[4]。在藥物載體領(lǐng)域，F(xiàn)lory-Huggins 相互作用參數(shù)可用于計(jì)算藥物和載體之間的相容性，從而預(yù)測(cè)藥物載體的載藥性能。Flory-Huggins 相互作用參數(shù)的計(jì)算方法有實(shí)驗(yàn)法[5]、溶度參數(shù)法[6-7]、混合能法[8-9]、結(jié)合能法[10]等。其中溶度參數(shù)法只適用于沒(méi)有氫鍵和極性基團(tuán)的體系，混合能法通常通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬方法得到，該方法適用于含有氫鍵和極性基團(tuán)的體系，但是在計(jì)算中要求體系達(dá)到的平衡度高，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)且計(jì)算過(guò)程復(fù)雜。

計(jì)算機(jī)模擬可以通過(guò)理論計(jì)算預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，已經(jīng)被證實(shí)是一種強(qiáng)有力的科學(xué)研究手段[11]，被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域的研究，在藥物載體方面也發(fā)揮著重要的作用。

文獻(xiàn)[12]運(yùn)用耗散粒子動(dòng)力學(xué)(DPD)模擬研究了pH 敏感的兩親性三嵌段共聚物聚(ε-己內(nèi)酯)-b-聚(甲基丙烯酸二乙氨基乙酯)-b-聚(磺基甜菜堿甲基丙烯酸酯)/聚(乙二醇甲基丙烯酸酯)(PCL-b-PDEA-b-PSBMA/PEGMA)的微觀自組裝結(jié)構(gòu)以及該聚合物加載和釋放藥物阿霉素的性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)隨著聚合物摩爾濃度的不同，聚合物自組裝形態(tài)呈現(xiàn)球形膠束、圓柱形結(jié)構(gòu)、層狀膠束等不同的狀態(tài)，且膠束具有pH 響應(yīng)性的藥物釋放性質(zhì)。Gupt 等[13]基于分子動(dòng)力學(xué)(MD)模擬，計(jì)算內(nèi)聚能密度和溶度參數(shù)，預(yù)測(cè)了吲哚美辛在不同載體(聚環(huán)氧乙烷、葡萄糖、蔗糖)中的相容性，并用熱分析的實(shí)驗(yàn)手段驗(yàn)證了模擬結(jié)果，表明了MD 模擬是一種確定物質(zhì)溶度參數(shù)和預(yù)測(cè)藥物與載體混溶性的有效技術(shù)。

二代卟啉類(lèi)光敏劑5-氨基酮戊酸( 5-ALA)是內(nèi)源性原卟啉IX(PpIX)的代謝前體物質(zhì)，近年來(lái)在臨床上被廣泛應(yīng)用于光動(dòng)力治療[14]。5-ALA 具有不良反應(yīng)小、療效確切等優(yōu)點(diǎn)，但是其親水性非常強(qiáng)，因此在局部應(yīng)用時(shí)透皮效果不理想。對(duì)5-ALA 進(jìn)行酯化可改善藥物透皮性，獲得性質(zhì)穩(wěn)定、靶組織選擇性高、光動(dòng)力效應(yīng)強(qiáng)的衍生藥物。5-氨基酮戊酸甲酯就是一種5-ALA 的酯化衍生藥物，其商品名為Metvix，可用于光化性角化病和表面結(jié)節(jié)型基地細(xì)胞癌的治療[15]。除了可通過(guò)酯化的方式改善5-ALA 的透皮效果外，膠束載藥的方式也能改善其透皮性。

5-ALA 親水性很強(qiáng)，通過(guò)普通載體進(jìn)行物理包埋時(shí)包載效率很低，通過(guò)化學(xué)鍵接的方式時(shí)載藥量有限，需要大量的活性基團(tuán)。本文用5-ALA 修飾聚乙二醇單甲醚-b-聚(ε-己內(nèi)酯-co-哌啶內(nèi)酯)(mPEG-b-P(CL-co-PIL))得到聚合物前藥載體聚乙二醇單甲醚-b-聚(ε-己內(nèi)酯-co-哌啶內(nèi)酯-g-5-氨基酮戊酸)(mPEGb-P(CL-co-APIL))，并以該前藥載體包載5-ALA，該體系同時(shí)采用化學(xué)鍵接和物理包埋的方法協(xié)同載藥，且通過(guò)藥物接枝的方式進(jìn)一步改善載體與藥物之間的相容性，提高載體對(duì)藥物的物理包埋效率。以上述體系為模型，采用MD 模擬的方法計(jì)算不同藥物接枝率的聚合物前藥載體中疏水鏈段與藥物的Flory-Huggins 相互作用參數(shù)(χij)，預(yù)測(cè)載體的載藥性能，同時(shí)采用DPD 模擬研究體系介觀形態(tài)，通過(guò)粒子聚集程度來(lái)預(yù)測(cè)載藥效率，從而為載體前期設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)，減少實(shí)驗(yàn)探索的時(shí)間。本文提出的以聚合物前藥作為載體包載藥物的模型可提高載體對(duì)某些包載較困難的藥物的包載效率，為藥物載體的設(shè)計(jì)提供了一種新的思路。

1 模擬方法

1.1 分子模型及計(jì)算體系的構(gòu)建

采用Materials studio 6.1(MS，Accelrys)構(gòu)建聚合物兩種前藥載體聚(ε-己內(nèi)酯-co-哌啶內(nèi)酯-g-5-氨基酮戊酸)P(CL-co-APIL)和聚(ε-己內(nèi)酯-co-聚羧基化己內(nèi)酯-g-5-氨基酮戊酸甲酯)(P(CL-co-mACCL))。聚羧基化己內(nèi)酯(PCCL)、聚己內(nèi)酯(PCL)、聚哌啶內(nèi)酯(PPIL)、聚哌啶內(nèi)酯-g-5-氨基酮戊酸（PAPIL）、聚羧基化己內(nèi)酯-g-5-氨基酮戊酸甲酯（PmACCL)分子結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖 1 聚合物的分子結(jié)構(gòu)Fig. 1 Molecular structure of polymers

為了研究不同聚合物前藥與藥物分子之間的相容性，采用MD 模擬方法計(jì)算聚合物與藥物之間的χij。利用Materials Studio 中的Discovery 模塊對(duì)建立好的分子模型進(jìn)行能量最小化，設(shè)定最小化的最長(zhǎng)時(shí)間為20 000 fs，再利用Forcite 模塊中的Geometry optimi-zation 對(duì)分子模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)最優(yōu)化。利用Amorphous cell 模塊建立聚合物前藥、聚合物親水段mPEG、藥物分子5-ALA、溶劑水的純體系無(wú)定形模型以及聚合物/藥物、聚合物/H2O、聚合物/聚合物、藥物/水等混合體系的無(wú)定形模型，純體系的無(wú)定形模型格子大小保持在3 nm×3 nm×3 nm 左右，混合體系的無(wú)定形模型格子大小則控制在3 nm×3 nm×3 nm～4 nm×4 nm×4 nm之間，純體系分子的物質(zhì)的量和混合無(wú)定形體系分子的物質(zhì)的量之比見(jiàn)表1，部分無(wú)定形模型示意見(jiàn)圖2。以上所有步驟均在COMPASS 力場(chǎng)[16]下進(jìn)行。

1.2 MD 模擬方法

在COMPASS 力場(chǎng)下對(duì)無(wú)定形結(jié)構(gòu)進(jìn)行能量最小化，上限時(shí)長(zhǎng)為20 ps；然后，進(jìn)行正則系綜（NVT）動(dòng)力學(xué)模擬，模擬時(shí)長(zhǎng)為150 ps；最后進(jìn)行等溫等壓（NPT）動(dòng)力學(xué)模擬，模擬時(shí)長(zhǎng)為1.5 ns。依據(jù)密度和勢(shì)能是否收斂適當(dāng)延長(zhǎng)計(jì)算時(shí)間，每5 ps 取一個(gè)軌跡，取最后的30 個(gè)格子軌跡進(jìn)行計(jì)算，所有的模擬過(guò)程中步長(zhǎng)為1 fs，計(jì)算得到每個(gè)格子的密度、內(nèi)聚能密度、范德華力內(nèi)聚能密度和靜電力內(nèi)聚能密度，并進(jìn)行χij的計(jì)算。

χij及混合能的計(jì)算如式（1）～式（2）所示[8]：

式中：V 為格子體積；Vr為參考體積；ΔEmix為混合能；Ecoh為內(nèi)聚能；Ecoh/V 為內(nèi)聚能密度(以ρcoh表示)；φi、φj為各成分的體積分?jǐn)?shù)，滿(mǎn)足φi+φj=1。

表 1 純無(wú)定形體系中分子的物質(zhì)的量和混合無(wú)定形體系中各分子的物質(zhì)的量之比Table 1 Molecular molar numbers of the compounds in pure amorphous system and molar ratio of the different compounds in mixed amorphous systems

圖 2 部分無(wú)定形模型的示意圖Fig. 2 Schematic diagrams of partial amorphous models

Vr一般選擇小分子或聚合物結(jié)構(gòu)單元的摩爾體積。為了計(jì)算更加精準(zhǔn)，選擇混合體系的平均摩爾體積作為Vr值，其計(jì)算式如式(3)所示：

式中：ni、nj為混合體系中各成分的物質(zhì)的量；Mi、Mj為混合體系中各成分的摩爾質(zhì)量；ρij為混合體系的密度。

溶度參數(shù)是表征分子間相互作用強(qiáng)度特征的重要參數(shù)，可預(yù)測(cè)聚合物之間或聚合物與其他小分子之間的相容性，其概念是Hildebrand 等[17]在20 世紀(jì)中期提出，定義為物質(zhì)內(nèi)聚能密度的平方根，Hansen[18]在Hildebrand 溶度參數(shù)的理論基礎(chǔ)上將液體的內(nèi)聚能視為色散力、極性力和氫鍵這3 種分子間作用力的貢獻(xiàn)之和，建立了一個(gè)三維溶解度參數(shù)體系：

式中：δd是色散力對(duì)溶度參數(shù)的貢獻(xiàn)；δp是極性力的貢獻(xiàn)；δh是氫鍵的貢獻(xiàn)。

借鑒Hansen 的工作，本文將χij分解為范德華力（vdw）分量相互作用參數(shù)(χij-vdw)和靜電力（e）分量相互作用參數(shù)(χij-e)，其計(jì)算式如式(5)～式(9)所示：

1.3 DPD 模擬方法

DPD 模擬是一種介觀尺度的模擬方法，該方法基于粗?；Ｐ停鳰D 模擬基于原子量級(jí)，計(jì)算過(guò)程需要關(guān)注原子細(xì)節(jié)，過(guò)程更加復(fù)雜，耗時(shí)更長(zhǎng)，難以達(dá)到平衡。對(duì)于高分子等分子量較大的體系，粗?；Ｐ陀欣跍p少計(jì)算時(shí)間，被大量用于高分子自組裝等復(fù)雜相領(lǐng)域[19]。DPD 的粗?；Ｐ蛯讉€(gè)原子劃分為一個(gè)珠子，同一個(gè)分子中的珠子與珠子之間通過(guò)彈簧相連，珠子間的作用力分別用保守力、耗散力與隨機(jī)力表示。保守力（）的計(jì)算如式(10)所示[20]：

式中：aij為珠子i 與珠子j 之間的排斥參數(shù)，rij為兩個(gè)珠子i、j 之間的距離，為其向量。當(dāng)體系密度等于3 時(shí)，aij滿(mǎn)足式(11)：

mPEG-b-P(CL-co-APIL)、5-ALA 和H2O 的粗粒化模型如圖3 所示。粗粒化的原則是保證每個(gè)粒子的質(zhì)量接近，因此本文粗?；^(guò)程如下：mPEG 的3 個(gè)結(jié)構(gòu)單元作為一個(gè)珠子，用E 表示(橙色)，聚己內(nèi)酯的一個(gè)結(jié)構(gòu)單元為一個(gè)珠子，命名為C(綠色)；聚哌啶內(nèi)酯接枝5-ALA 的一個(gè)結(jié)構(gòu)單元分成兩個(gè)珠子，命名為P(藍(lán)色)；一個(gè)5-ALA 為一個(gè)珠子，命名為A(紅色)；8 個(gè)水分子為一個(gè)珠子，命名為W(棕色)。

計(jì)算并設(shè)置好排斥參數(shù)后，對(duì)不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的聚合物前藥進(jìn)行DPD 模擬的參數(shù)設(shè)置。為了得到一個(gè)完整的膠束形態(tài)，設(shè)置模擬格子大小為20rc×20rc×20rc以及30rc×30rc×30rc，其中rc為模擬體系的截?cái)喟霃?，聚合物、藥物與水的物質(zhì)的量之比為8∶2∶90，采用周期性邊界條件，體系密度選為3，設(shè)置彈簧常數(shù)為4.0，耗散力參數(shù)設(shè)為4.5，模擬步長(zhǎng)為20 000 步。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚合物與藥物及水分子之間的相互作用參數(shù)

PAPIL20分子動(dòng)力學(xué)模擬過(guò)程平衡圖見(jiàn)圖4。從圖4(a)可以看出，在16 000 fs 之后體系趨于平衡，勢(shì)能不再變化，說(shuō)明在本文所用的計(jì)算方法及格子體積中，選擇20 ps 的時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行能量最小化足以使系統(tǒng)達(dá)到平衡。PAPIL 純體系在NPT 模擬過(guò)程中的密度變化見(jiàn)圖4(b)，從圖中可以看出，在模擬時(shí)長(zhǎng)達(dá)到1 000 ps 以后，密度變化基本上收斂，說(shuō)明本文所用的計(jì)算方法及格子體積中，選擇NPT 模擬時(shí)長(zhǎng)為1.5 ns 并根據(jù)密度收斂情況適當(dāng)延長(zhǎng)模擬時(shí)間的方法是合理的。

圖 3 mPEG-b-P(CL-co-APIL)(a)，5-ALA(b)和H2O(c)的粗?；Ｐ虵ig. 3 Coarse-grained models of mPEG-b-P(CL-co-APIL)(a), 5-ALA(b) and H2O(c)

圖 4 PAPIL20 分子動(dòng)力學(xué)模擬過(guò)程平衡圖Fig. 4 Molecular dynamics simulation balance diagrams of PAPIL20

純無(wú)定形體系的密度和內(nèi)聚能密度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。對(duì)比聚合物PCL20、PPIL20、PAPIL20、PCCL20、PmACCL20可以看出，PCL20的靜電力內(nèi)聚能密度最小，因?yàn)樗奶兼溕蠜](méi)有活性基團(tuán)；PAPIL20的靜電力內(nèi)聚能密度最大，原因是在5-ALA 接枝到哌啶內(nèi)酯上以后，分子間存在大量的極性基團(tuán)，且有裸露的氨基，容易形成分子間氫鍵。PCCL20的范德華力內(nèi)聚能密度最大，PmACCL20的最小，原因可能是后者分子量最大，分子體積最大。對(duì)比5-ALA 和m-ALA 可以看出，兩者的范德華力內(nèi)聚能密度相差不大，而靜電力內(nèi)聚能密度相差較大，導(dǎo)致總的內(nèi)聚能密度相差較大。從兩者的結(jié)構(gòu)考慮很容易理解這個(gè)結(jié)果，因?yàn)閙-ALA 上只有一個(gè)裸露的氨基，其羧基被羧基甲酯取代，因此5-ALA 相比m-ALA 有更多的極性基團(tuán)且更容易產(chǎn)生分子間氫鍵[21]。

不同分子之間的Flory-Huggins 相互作用參數(shù)見(jiàn)表3，參數(shù)越小代表兩種分子間的相容性越好。對(duì)比并分析表3 中5-ALA/mPEG、5-ALA/H2O 和m-ALA/mPEG、m-ALA/H2O 的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)相比5-ALA 分別與mPEG 和H2O 的相容性，m-ALA 與兩者的相容性都變差，且變差的主要原因是靜電力相互作用參數(shù)變大，該結(jié)果同樣與極性基團(tuán)的減少有關(guān)。

對(duì)比PCL20、PPIL20、PAPIL20、PCCL20、PmACCL205 種聚合物與5-ALA 的相互作用參數(shù)發(fā)現(xiàn)：PPIL20與PAPIL20相比（接枝5-ALA 前后），聚合物與5-ALA 的相互作用參數(shù)從?0.84 下降為?2.65，其中范德華力相互作用參數(shù)從?0.70 下降為?2.59，靜電力相互作用參數(shù)從?0.14 略有上升至?0.06，說(shuō)明其相容性的改變主要依賴(lài)于范德華力的變化，而范德華力的變化主要是聚合物側(cè)鏈與藥物分子都有裸露的氨基，相似程度高，因此靜電力相互作用的變化并不大。PCCL20與PmACCL20相比（接枝m-ALA 前后），接枝藥物分子后，聚合物與5-ALA 的相互作用參數(shù)從?0.54 上升至1.35，其中范德華力相互作用參數(shù)從?0.49上升至0.14，靜電力相互作用參數(shù)從?0.05 升至1.21，說(shuō)明在PCCL20上接枝m-ALA 并不能提高5-ALA的包載效率，雖然m-ALA 接枝后與5-ALA 的結(jié)構(gòu)也相似，但是接枝后原本裸露的羧基轉(zhuǎn)變?yōu)轷０锋I，使得聚合物與藥物形成氫鍵的能力大大減弱，且在氫鍵較少的情況下，接枝后聚合物的體積變大，同樣不利于藥物與聚合物之間的相互作用。相比PCL20與5-ALA 之間的相互作用參數(shù)，PAPIL20與5-ALA 的相互作用參數(shù)更小，而PmACCL20與5-ALA 的相互作用參數(shù)變化較小。

表 2 純無(wú)定形體系的密度和內(nèi)聚能密度Table 2 Density and cohesive energy density of pure amorphous system

表 3 分子之間的Flory-Huggins 相互作用參數(shù)Table 3 Flory-Huggins interactional parameters of molecules

對(duì)比PCL20、PPIL20、PAPIL20、PCCL20、PmACCL205 種聚合物與m-ALA 的相互作用參數(shù)變化發(fā)現(xiàn)：在PPIL20上接枝5-ALA 也能提高兩者的相容性，相容性變化的主要原因是范德華力的變化，而靜電力變化相對(duì)較??；在PCCL20上接枝m-ALA 后，聚合物與m-ALA 之間的相容性幾乎不變，這是范德華力相互作用參數(shù)與靜電力相互作用參數(shù)的變化相互抵消的結(jié)果。與PCL20相比，PPIL20與PCCL20兩種前藥聚合物接枝藥物后，和m-ALA 的相容性均變好。

對(duì)比PCL20、PPIL20、PAPIL20、PCCL20、PmACCL205 種聚合物與H2O 的相互作用參數(shù)發(fā)現(xiàn)：與H2O 的相容性最好的聚合物是PCCL20(χij=1.44)，參考mPEG與H2O 的相互作用參數(shù)(0.36)和PCL20與H2O 的相互作用參數(shù)(8.85)，PCCL20是一種水溶性較好的聚合物，因此雖然它與m-ALA 和5-ALA 的相互作用參數(shù)都比較好，但是不適用于載藥膠束的疏水端。在PPIL20上接枝5-ALA 和在PCCL20上接枝m-ALA 后，聚合物的親水性都變差，主要是由于靜電力相互作用參數(shù)變化的原因。

綜上分析，認(rèn)為在PCCL20上接枝m-ALA 不利于載體對(duì)m-ALA 和5-ALA 的包載，在PPIL20上接枝5-ALA 能有效提高載體對(duì)5-ALA 的包載能力，因此選取PAPIL20對(duì)聚合物前藥進(jìn)行分析。為了保證聚合物疏水端的疏水性，采用PAPIL20與PCL20的無(wú)規(guī)共聚物作為疏水端。

2.2 藥物接枝率不同的聚合物前藥載體與藥物之間的相互作用參數(shù)

以P(CL-co-APIL)為主要對(duì)象，研究藥物接枝率對(duì)前藥載體載藥效率的影響。前藥載體設(shè)計(jì)為：不同物質(zhì)的量之比的PCL 與PPIL 的無(wú)規(guī)共聚物，PPIL 上的氨基均與5-ALA 中的羧基相連形成帶有藥物接枝的重復(fù)單元PAPIL 以及藥物接枝率不同的聚合物前藥載體，藥物接枝率為非0 和非100%時(shí)采用無(wú)規(guī)的方式建立模型，部分模型見(jiàn)圖5。

聚合物前藥載體的藥物接枝率（Y）定義為Y=y/(x+y)×100%，其中x 為PCL 的重復(fù)單元數(shù)，y 為PAPIL 的重復(fù)單元數(shù)。藥物m-ALA 接枝率不同時(shí)P（CL-co-APIL）體系的密度和內(nèi)聚能密度見(jiàn)圖6，可以看出，隨著藥物m-ALA 接枝率的增大，聚合物的密度總體呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)。內(nèi)聚能密度靜電力分量逐漸上升，一方面是由于接入藥物分子引入更多極性基團(tuán)，另一方面是因?yàn)殡S著藥物接枝率的上升，密度增加引起內(nèi)聚能密度增加。內(nèi)聚能密度的范德華力分量的變化較小，說(shuō)明此時(shí)聚合物的內(nèi)聚能變小，與接枝后聚合物主鏈之間的接觸能力變小有關(guān)。但總的內(nèi)聚能密度隨著藥物接枝率的上升而上升，說(shuō)明其決定因素主要是靜電力。

不同接枝率的聚合物前藥與藥物5-ALA之間的相互作用參數(shù)見(jiàn)圖7。觀察圖7 可以看出無(wú)論是χij-vdw還是χij-e均隨著5-ALA 接枝率的升高呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。χij-vdw下降的主要原因可能是接枝藥物分子后，聚合物側(cè)鏈與藥物的結(jié)構(gòu)相似，使得其相容性變好。接枝藥物后極性基團(tuán)的數(shù)量大大增加，因此，χij-e隨著藥物接枝率的上升而下降，并且下降趨勢(shì)幾乎是線性的。兩者共同作用使得χij也隨著藥物接枝率的上升而下降。

2.3 DPD 模擬結(jié)果

圖 5 分子結(jié)構(gòu)式轉(zhuǎn)化為分子模型的示意圖Fig. 5 Schematic diagrams of the transformation of molecular structure into molecular models

圖 6 藥物m-ALA 接枝率不同時(shí)P(CL-co-APIL)的密度(a)及內(nèi)聚能密度(b)Fig. 6 Density (a) and cohesion energy density (b) of P(CL-co-APIL) with different grafting ratios of m-ALA

為了更加直觀地觀察聚合物前藥膠束的形態(tài)和載藥狀態(tài)，采用DPD 模型進(jìn)行介觀模擬，排斥參數(shù)的計(jì)算與前文的Flory-Huggins 相互作用參數(shù)有關(guān)，珠子之間的Flory-Huggins 相互作用參數(shù)及排斥參數(shù)分別見(jiàn)表4、表5。

不同模擬步數(shù)下聚合物的DPD 模擬的自組裝過(guò)程分別如圖8～10 所示，模擬過(guò)程圖顯示不同接枝率的聚合物前藥均能形成球形載藥膠束，膠束形態(tài)差別并不大，說(shuō)明在該體系范圍內(nèi)，親水性的增大不影響膠束的形成。由0～20 000 步的變化過(guò)程可以看出，膠束首先是形成一些較小的聚集體，聚集體相互接觸融合形成一個(gè)大的膠束，15 000 步以后，體系基本平衡，膠束形態(tài)穩(wěn)定。對(duì)比不同接枝率的聚合物前藥載體可以看出，在藥物接枝率為0 的mPEG-b-PCL20/5-ALA 組(圖8)，平衡后藥物的分布仍然比較均勻，膠束外有大量的藥物分子(紅色)，平衡前后藥物分布狀態(tài)差別不大。藥物接枝率為40%的mPEGb-P(CL12-co-APIL8)/5-ALA 組(圖9)，在0 步時(shí)藥物分子的分布比較分散，與接枝率為0 時(shí)相似；平衡后藥物分子在膠束外的分布明顯減少；當(dāng)藥物接枝率為100%時(shí)(圖10)，平衡后藥物分子在膠束外幾乎沒(méi)有分布，且在5 000 步時(shí)，藥物分子幾乎已經(jīng)全部包載進(jìn)膠束。以上結(jié)果說(shuō)明藥物接枝率的提高能有效改善載體的載藥效率。

5-ALA 接枝率不同時(shí)聚合物前藥載體DPD 模擬自組裝形成的膠束形態(tài)及剖面形態(tài)見(jiàn)圖11。由總體形態(tài)圖和截面圖可以看出，在5-ALA 接枝率為0 時(shí)，形成了球形載藥膠束，5-ALA 在膠束外占較大體積，在膠束內(nèi)部分布較少，且主要分布在膠束親水段mPEG 上，這是因?yàn)閙PEG 與5-ALA 有較好的相容性(χij=0.302 1)；在5-ALA 接枝率為40%時(shí)，依然形成球形膠束，在膠束外5-ALA 盡管有分布，但相對(duì)接枝率為0 時(shí)分布仍較少，在膠束內(nèi)核5-ALA 則分布均勻。當(dāng)5-ALA 接枝率達(dá)到100%時(shí)，形成的膠束與其他組差別不大，但5-ALA 在膠束外幾乎沒(méi)有分布，同樣均勻地分布在膠束內(nèi)核，且相比其他組分布更加集中。因此隨著5-ALA 接枝率的上升，膠束的載藥效率升高。

圖 7 藥物接枝率不同時(shí)P(CL-co-APIL)聚合物前藥與5-ALA 的Flory-Huggins 相互作用參數(shù)Fig. 7 Flory-Huddins interaction parameters of P(CL-co-APIL) and 5-ALA calculated by MD with different drug grafting ratios

表 4 各珠子之間的Flory-Huggins 相互作用參數(shù)Table 4 Flory-Huggins interaction parameters between beads

表 5 各珠子之間的排斥參數(shù)Table 5 Repulsive parameters between beads

圖 8 不同模擬步數(shù)下mPEG-b-PCL20/5-ALA 的DPD 模擬自組裝過(guò)程(紅色為5-ALA，綠色為PCL，橙色為mPEG；Y（5-ALA）=0）Fig. 8 DPD simulation self-assembly of mPEG-b-PCL20/5-ALA at different simulation steps(Red: 5-ALA, Green: PCL, Orange: mPEG;Y(5-ALA)=0）

圖 9 不同模擬步數(shù)下mPEG-b-P(CL12-co-APIL8)/5-ALA 的DPD 模擬自組裝過(guò)程(紅色為5-ALA，綠色為PCL，藍(lán)色為PAPIL，橙色為mPEG； Y(5-ALA）=40%）Fig. 9 DPD simulation self-assembly of mPEG-b-P(CL12-co-APIL8)/5-ALA at different simulation steps(Red: 5-ALA, Green: PCL, Blue:PAPIL, Orange: mPEG; Y(5-ALA)=40%）

5-ALA 的密度分布(圖12)和歸一化密度分布曲線(圖13)更能具體體現(xiàn)接枝率不同時(shí)5-ALA 的集中分布情況。圖13 中的x 表示膠束軸向的坐標(biāo)。從圖12 中可以看出，在5-ALA 的接枝率為0 和20%時(shí)，5-ALA 在整個(gè)格子中的分布相對(duì)較均勻；隨著5-ALA 接枝率的增加，5-ALA 在膠束內(nèi)的密度越來(lái)越大，而在膠束外的密度變得越來(lái)越小。這個(gè)結(jié)果說(shuō)明了5-ALA 接枝率的增加可以增大聚合物前藥載體的載藥效率。

圖 10 不同模擬步數(shù)下mPEG-b-PAPIL20/5-ALA 的DPD 模擬自組裝過(guò)程(紅色為5-ALA，藍(lán)色為PAPIL，橙色為mPEG；Y （5-ALA）=100%）Fig. 10 DPD simulation self-assembly of mPEG-b-PAPIL20/5-ALA at different simulation steps(Red: 5-ALA, Green: PCL, Orange:mPEG;Y(5-ALA）=100%）

圖 11 5-ALA 接枝率不同時(shí)聚合物前藥的DPD 模擬的形態(tài)圖及剖面圖(紅色為5-ALA，綠色為PCL，橙色為mPEG)Fig. 11 DPD simulation morphology and section view of drug-loaded micelle with different 5-ALA grafting ratios (Red: 5-ALA, Green: PCL,Orange: mPEG)

圖 12 5-ALA 接枝率不同時(shí)聚合物前藥中5-ALA 的密度分布Fig. 12 Density distribution of 5-ALA in polymeric prodrug with different 5-ALA grafting ratios

圖 13 5-ALA 接枝率不同時(shí)的歸一化密度分布曲線Fig. 13 Normalized density distribution of 5-ALA with different grafting ratios

3 結(jié) 論

采用分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算了不同聚合物前藥與藥物分子5-ALA 之間的Flory-Huggins 相互作用參數(shù)，將Flory-Huggins 相互作用參數(shù)分解為范德華力分量以及靜電力分量，以此具體分析接枝藥物對(duì)聚合物前藥的影響。選用mPEG-b-P(CL-co-APIL)作為聚合物前藥研究藥物接枝率對(duì)藥物載體載藥效率的影響，并采用DPD 模擬研究聚合物前藥載體的自組裝過(guò)程。

（1）分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果顯示：在5-ALA 與P(CL-co-APIL) 的體系中，隨著藥物接枝率的增加，載體與藥物之間的相容性變好。藥物接枝一方面引入極性基團(tuán)，對(duì)載體與藥物之間的靜電力產(chǎn)生影響；另一方面，藥物接枝使得藥物與聚合物前藥之間的結(jié)構(gòu)相似程度變高，對(duì)載體與藥物之間的范德華力產(chǎn)生影響。

（2）DPD 模擬結(jié)果說(shuō)明了藥物接枝率不同的聚合物前藥都能形成載藥膠束，且隨著藥物接枝率的增加，藥物分子的分布越來(lái)越集中于膠束的內(nèi)核；親水性的增加并不影響膠束的形成，因此藥物接枝率的增加總體有利于載藥量的提高。