陳甜甜 何星樺 蔣天艷 劉鵬濤 劉 忠

（天津科技大學天津市制漿造紙重點實驗室，天津，300457）

近年來，天然聚合物如海藻酸鹽、殼聚糖、膠原蛋白、淀粉、纖維素等在生物醫(yī)學方面中的應用受到了研究人員的廣泛關注，發(fā)現(xiàn)其在生物醫(yī)藥領域可以實現(xiàn)包括藥物輸送、傷口敷料以及組織工程支架等多種功能[1]。其中，纖維素來源廣泛（植物、細菌、體外合成等），是地球上最豐富的天然高分子材料[2]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)納米纖維素具有生物相容性、生物降解性、可再生性、環(huán)境友好性和低毒性等優(yōu)點[3-4]，可以進行多方面的化學改性以達到不同的作用目的。本文主要介紹納米纖維素在藥物緩釋體系中作為納米載體材料的應用與研究。

1 藥物緩釋系統(tǒng)

藥物緩釋系統(tǒng)（drug delivery system，DDS）就是將藥物與合適的納米載體材料通過不同的物理或化學方法相結(jié)合，使其能夠延長藥物在機體內(nèi)的作用時間，控制藥物分子的釋放速度，提高藥物分子在體內(nèi)的化學穩(wěn)定性，并可以將藥物選擇性的運輸?shù)阶饔貌课?，最終達到使藥物發(fā)揮最大功效的目的[5]。藥物載體材料是組成藥物緩釋體系的重要組成部分，其性能可直接影響藥物的治療效果和給藥劑量。

采用非載體形式的藥物給藥后，藥物的有效成分在血液中的濃度大幅度上升，但是在機體清除系統(tǒng)的作用下到達作用部位并發(fā)揮藥效的成分相當少，大部分的有效藥物隨著泌尿系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)被排出體外，使得血液中的有效藥物濃度降低[6-7]。這種給藥方式具有以下明顯的缺點：需要給患者多次用藥，且產(chǎn)生藥物對機體細胞的毒副作用；增加了肝腎系統(tǒng)清除藥物副產(chǎn)物的負擔；藥物利用率低，導致其成本變高；藥物的有效血藥濃度維持時間過短，從而造成身體產(chǎn)生耐藥性以及抗藥性，不利于有效的治療。為了改善以上缺點，尋找合適的載體材料是醫(yī)藥領域進步必不可少的一環(huán)。

藥物緩釋載體材料一般選用高分子納米材料。主要從以下幾個方面進行載體材料的選擇：①是否可以有效控制藥物的釋放；②是否可以降低藥物的毒副作用；③是否可以將藥物輸送到作用部位即實現(xiàn)靶向運輸功能，有效提高藥物對機體的治療效果；④是否可以增加藥物的穩(wěn)定性，延長藥物的有效作用時間；⑤是否可以有效地與藥物進行結(jié)合，且本身無毒或低毒性以及物理化學性質(zhì)穩(wěn)定[5]。

2 納米纖維素在藥物緩釋方面的應用

納米纖維素是納米結(jié)構纖維素基材料的總稱，根據(jù)其結(jié)構、尺寸、來源不同可分為纖維素納米晶體（cellulose nanocrystal,CNC）、纖維素納米纖絲（cellulose nanofibril, CNF）、細菌纖維素（bacterial nanocellulose,BC）等。

CNC 和CNF 的主要原料來源是木材、棉花、大麻、亞麻、玉米葉[8]、麥秸、甜菜、馬鈴薯塊莖和藻類等。CNC 通常由化學誘導如酸水解的方法進行制備，所得CNC 顆粒直徑為3～10 nm，長度為100～500 nm（來自植物纖維素），或長度為100 nm 到幾微米（來自被膜和藻類纖維素）[9]。CNF 的制備主要采用機械法或化學機械法（即原料經(jīng)化學或酶預處理后，再進行高壓均質(zhì)或研磨）。多重機械剪切作用能有效地將纖維素中的單個微纖維分層。與剛性CNC不同，CNF是由交替結(jié)晶和非晶態(tài)纖維素結(jié)構域構成的單個和聚集的納米纖維，具有軟鏈和長鏈的形態(tài)特征[10]。BC 通常由細菌（如木醋桿菌）合成。在BC 的生物合成過程中，葡萄糖鏈在細菌體內(nèi)產(chǎn)生，并通過細胞膜上的小孔向外擠壓。隨著葡萄糖鏈的結(jié)合，微纖維形成并進一步聚集成帶狀形成BC[11-12]。

由于纖維素在化學改性、物理性質(zhì)和其他多種應用方面的靈活性，人們對其進行了越來越多的研究。通過對最近幾年的研究分析，本文總結(jié)和討論了CNC、CNF、BC 3種納米纖維素以及其他幾種纖維素衍生物在生物醫(yī)學領域的研究進展。

2.1 纖維素納米晶體（CNC）

CNC 具有優(yōu)良的生物相容性和低毒性，在醫(yī)藥工業(yè)中常作為藥物輔料，但是在新型載藥系統(tǒng)如作為藥物載體的應用研究還比較少。通過酸水解制備的CNC 帶有很高的負電荷，為了改善其性能，張燕潔等人[13]采用乙二胺四乙酸二酐（EDTAD）酯化法制備多羧基化纖維素納米晶體（ECNC）。該方法不僅可以改善CNC 的分散性，還可以使CNC 表面的羧基含量及羥基取代度可控，此外EDTAD 含有豐富的羧酸官能團，可以延長順鉑在血液中的循環(huán)時間而不影響其療效，大大拓寬了CNC的應用領域。

Poonguzhali 等人[14]采用溶液澆鑄法制備了負載氨芐西林的海藻酸鈉和CNC 的復合膜（ALG-CNC）。將海藻酸鈉溶解于去離子水中，再加入0.5%的CNC 和1%氨芐西林，將混合物充分攪拌后去除氣泡，然后在室溫下將混合溶液澆鑄在涂層板上使其成膜后測定其性能和藥物釋放速率，并與不含CNC 的樣品進行了對比。研究結(jié)果表明，含CNC 的海藻酸鈉膜對氨芐西林的釋放時間高于不含CNC 的膜，可持續(xù)釋放藥物500 min 以上，且在堿性介質(zhì)中具有較好的溶脹性能。Lin等人[15]研制了pH敏感的CNC/海藻酸鈉微球控釋系統(tǒng)，結(jié)果表明含有CNC 的海藻酸鹽微球表現(xiàn)出更好的溶脹性能、更高的包封率和良好的藥物緩釋曲線。Yern等人[16]將姜黃素負載到硫酸水解法合成的CNC 中，紫外可見光譜顯示姜黃素在體外釋放后仍保持其化學活性，而且姜黃素在酸性介質(zhì)中的穩(wěn)定性明顯增強。該結(jié)果使CNC 為姜黃素向胃和上腸道的傳遞提供了有力的研究背景。

通過以上幾組研究可以看出，含有CNC 的復合材料表現(xiàn)出更好的溶脹性能和更高的包封率，且在不影響藥物化學穩(wěn)定性的前提下明顯延長了藥物的釋放時間，這為CNC 在藥物緩釋方面的研究與應用奠定了基礎。

2.2 纖維素納米纖絲（CNF）

CNF 是一種細長的葡萄糖基納米顆粒，寬度在3～10 nm 之間，其長徑比（大于50）取決于原料來源和實驗制備條件[17]。研究表明，CNF 表面含有大量羥基，可以與靶向和治療藥物結(jié)合，有助于延遲單核吞噬細胞系統(tǒng)的清除[18-21]，而且?guī)缀醪淮嬖诜翘禺愋约毎麛z取[22]，是一種非常有前途的藥物載體材料。

Arash 等人[23]利用殼聚糖-CNF 復合材料作為藥物載體制備了pH 響應性載藥體系用以治療滴蟲病。以Fe3O4納米粒子為模板，將殼聚糖聚合物包埋在其表面制備殼聚糖納米膠囊。這些納米膠囊被單寧酸作為納米芯片安裝在CNF 上，以將藥物傳遞到目標部位。結(jié)果表明，最終制備的殼聚糖-CNF 載藥體系具有良好的生物相容性和較高的回收率，其載藥量和包封率分別為24.4%和64.56%，可以實現(xiàn)藥物的緩釋，提高藥物的釋放效率、減少毒副作用。Hye-Jin 等人[24]對CNF 進行了羧甲基化，以羧甲基化纖維素納米纖絲（CMCNF）為載體制備了環(huán)丙沙星-蒙脫石（CIPMMT）復合抗生素藥物緩釋體系。蒙脫石是一種硅鋁酸鹽，其主要成分為八面體蒙脫石微粒，中間為鋁氧八面體，上下為硅氧四面體所組成的三層片狀結(jié)構的黏土礦物，將藥物分子插在眾多的二氧化硅-氧化鋁層之間。盡管蒙脫石可以延遲藥物的可持續(xù)釋放，但延遲時間最多僅為6～24 h。研究人員在CIP-MMT體系中分別加入含量為1.5%、2%、3%的CMCNF 制備了CMCNF-CIP-MMT 復合藥物體系。經(jīng)體外釋放實驗表明，CIP-MMT 體系具有6 h 以上的CIP 持續(xù)緩釋作用，在此體系中加入CMCNF后可延緩基體的溶解，且隨著CMCNF的增加藥物的緩釋過程也增加，3%含量的CMCNF-CIP-MMT 可持續(xù)釋藥48 h 以上；抗菌實驗表明，3% CMCNF-CIP-MMT 復合材料在12 天內(nèi)表現(xiàn)出穩(wěn)定的抗菌活性。Kolakovic等人[25]研究了CNF膜在長期持續(xù)藥物遞送中的應用。藥物釋放研究表明，模型藥物的藥物釋放時間可持續(xù)達3個月。

以上結(jié)果證明了CNF 除了具有良好的生物相容性、使抗菌類藥物保持其抗菌穩(wěn)定性外，還可以明顯延長藥物的釋放時間。根據(jù)其特性可以將其考慮應用于（如糖尿病、高血壓患者等）需長期服藥人群所需藥物類或皮下植入長效避孕藥物等的研究。

2.3 細菌纖維素（BC）

BC 是由一定種類的細菌合成的β-D 葡萄糖苷酶的胞外多糖。1886 年，Brown 首次證實細菌能夠產(chǎn)生納米纖維素[26]。已知的纖毛桿菌、八疊球菌、醋酸桿菌、農(nóng)桿菌、大腸桿菌、固氮菌、根瘤菌、腸桿菌、沙門氏菌等都能產(chǎn)生纖維素。然而，最常見的BC 產(chǎn)生菌是革蘭氏陰性菌，也被稱為木醋桿菌[27]。盡管含有99%的水，BC 仍具有優(yōu)異的機械性能[28]。它的保水能力和納米結(jié)構形態(tài)，類似于細胞外基質(zhì)蛋白，使得BC與細胞固定和黏附高度相容。

不同的研究已經(jīng)證明，BC 可以作為藥物傳遞的潛在候選載體材料。Sebastian 等人[29]以BC 為藥物載體，研究了辛烯啶活性創(chuàng)面敷料的藥物裝載與釋放、力學特性、生物相容性和抗菌效果（BC 本身并不具有抗菌性能）。結(jié)果表明，辛烯啶的釋放是基于擴散和溶脹的，在最初的8 h 內(nèi)快速釋放，隨后在96 h 內(nèi)緩慢釋放；在BC 中加入辛烯啶后，壓縮強度和拉伸強度保持不變；在生物學實驗中，載藥BC 在人角質(zhì)細胞中表現(xiàn)出高度的生物相容性和對金黃色葡萄球菌的抗菌活性；在長期貯存實驗中，發(fā)現(xiàn)載于BC 中的辛烯啶在6個月的時間內(nèi)依舊能夠保持穩(wěn)定、可釋放和生物活性。可以發(fā)現(xiàn)，含辛烯啶的BC 是一種理想的傷口敷料，可在不喪失抗菌活性的情況下保存6個月以上。Trovatti 等人[30]用BC 膜作為藥物載體制備利多卡因和布洛芬局部藥物釋放系統(tǒng)，使用磷酸緩沖鹽（pH值=7.4）在32℃下研究體外藥物釋放曲線，發(fā)現(xiàn)在最初20 min 內(nèi)藥物釋放總量的90%以上。在另一項研究中，Shao 等人[31]將鹽酸四環(huán)素裝入BC 中形成復合膜，可用于傷口敷料應用中的藥物控制釋放。Huang等人[32]研究了BC膜對鹽酸小檗堿和硫酸小檗堿釋放的影響，并與市售片劑進行了比較，結(jié)果表明，BC 是一種有望顯著延長模型藥物釋放時間的藥物載體。

以上研究結(jié)果表明，BC 保持藥物穩(wěn)定性和活性的時間比CNC 和CNF 更長久，且表現(xiàn)出比其他類型的納米纖維素更高的生物相容性，這可能是因為其特殊的生物合成過程。根據(jù)它的這種優(yōu)異特性可以將其應用在長時間的藥物儲存、傷口輔料和3D 打印生物體缺失部位的修復等方面。

2.4 纖維素衍生物

纖維素是最有效的可再生生物聚合物，其分子中豐富的官能團為纖維素及其衍生物的改性提供了多種可能，進一步擴大了纖維素在藥物載體方面的應用范圍。纖維素衍生物有很多種，常見的主要有醋酸纖維素（CA）、甲基纖維素（MC）、乙基纖維素（EC）、羥乙基纖維素（HEC）、羥丙基纖維素（HPC）、羧甲基纖維素鈉（CMC）等[33]。纖維素衍生物通常含有大量帶電荷的表面基團（陰離子或陽離子），早期的研究表明，使用這些材料可以與帶相反電荷的聚電解質(zhì)或納米粒子形成自組裝納米膠束結(jié)構。

自主裝技術通過帶正、負電荷的高分子在基片上交替吸附制備成膜或納米微粒，可以利用連續(xù)沉積不同組分制備成有序的二維或者三維結(jié)構，具有組裝過程和分子大小可控的優(yōu)點，簡便易行，因此，近年來受到廣泛的關注。纖維素材料的自組裝依賴于懸浮液的膠體穩(wěn)定性，負載電荷量少的纖維素無法促進自組裝過程。除了纖維素材料本身的物理化學特性外，蒸發(fā)、電磁場、溫度、壓力、真空等物理條件的刺激也會對纖維素材料自組裝形成的手性向列相結(jié)構產(chǎn)生影響，導致結(jié)構重排[34]。

2013年，Bielska等人[35]合成了羥丙基纖維素的陽離子和陰離子衍生物，研究發(fā)現(xiàn)，這些衍生物可以通過自組裝技術形成納米顆粒系統(tǒng)。這些納米微球具有良好的包封率和載藥量，可作為姜黃素的載體且姜黃素的釋放在生理相關的溫度范圍內(nèi)與溫度有關。Gao等人[36]以CNF 為模板負載吲哚美辛（IMC）并通過自組裝技術制備了層次有序的CNF/IMC 復合結(jié)構。該復合結(jié)構對藥物的包封率高達97%，且體外實驗表明，逐層自組裝分層復合結(jié)構可以延長IMC的釋放周期，藥物緩釋時間可達30 天以上。He 等人[37]通過低密度脂蛋白（LDL）和羧甲基纖維素鈉（CMC）自組裝獲得的納米凝膠可將阿霉素（DOX）輸送至癌細胞。同時，體外研究表明，LDL/CMC 納米凝膠釋放DOX 具有pH 依賴性。且載DOX 的LDL/CMC 納米凝膠降低了HepG2 細胞的內(nèi)吞作用。因此，這種優(yōu)良的LDL/CMC 納米凝膠為構建腫瘤藥物傳遞系統(tǒng)（DDS）提供了一個良好的平臺。Pourmoazzen 等人[38]通過化學改性成功將膽固醇（Cholesterol）接枝到CNC 表面，改性后的產(chǎn)物CNC-Chol 表現(xiàn)出較高的疏水性，將其通過自組裝技術形成負載疏水性藥物葉酸（FA）的球狀納米顆粒并研究其載藥量和釋放行為。研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)A 在CNC-Chol 中的物理包封主要歸因于疏水材料的相互作用，其負載效率約為58%，而未修飾的CNC 僅有5%的負載量。其釋放行為具有pH 響應性，F(xiàn)A的釋放在堿性條件下比中性條件下更快。

通過以上研究可以發(fā)現(xiàn)纖維素基自組裝材料具有良好的生物相容性、生物可降解性以及低毒性，且反應靈敏的自組裝纖維素材料可以將藥物的釋放控制在一定范圍內(nèi)。基于纖維素的納米膠束及其在藥物傳遞方面的應用研究目前涉及還比較少，以上研究通過自組裝技術制備的納米膠束為纖維素及其衍生物在醫(yī)藥領域的研究開辟了新途徑，滿足了發(fā)展綠色纖維素基功能材料、實現(xiàn)生物質(zhì)資源高值化應用的重要需求。

3 纖維素納米材料的毒性研究

研究人員普遍關注的是纖維素納米材料的毒性。經(jīng)過近幾年的研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)皮膚和口服的納米纖維素均未顯示毒性。然而，納米纖維素肺部給藥的研究結(jié)果顯示，納米纖維素可對人肺細胞產(chǎn)生輕微的劑量依賴性細胞毒性和炎癥效應，但未觀察到氣霧化CNC 對動物的不良影響。而且由于纖維素不易被活體完全降解，不可避免地會對人體造成一些不相容性[39]。影響納米纖維素毒性的因素可能有尺寸、形態(tài)、結(jié)晶度、表面化學和膠體穩(wěn)定性[40]，納米纖維素的毒性強弱依賴于其物理化學性質(zhì)，特別是表面化學，包括粒子電荷和聚集程度，這決定了納米顆粒的形狀和尺寸。這些性質(zhì)反過來又取決于纖維素來源、制備過程、后處理或樣品制備方法。還有一個可能影響毒性研究結(jié)果的因素是樣品污染物，如內(nèi)毒素或有毒化學雜質(zhì)[40]。為了得到更完整的結(jié)論，仍需要進一步研究納米纖維素的體外和體內(nèi)細胞相互作用、生物分布和生態(tài)毒性。

4 總結(jié)與展望

近年來，從木質(zhì)纖維素生物質(zhì)及各類菌種中分離出的纖維素納米材料在制備、改性和應用方面取得了重大進展。納米纖維素由于其獨特的納米結(jié)構、優(yōu)異的力學性能、高活性表面以及生物降解性和生物相容性，已被證明是一種很有前途的藥物載體材料，可用于生物醫(yī)學領域。盡管一些實驗結(jié)果表明，沒有證據(jù)表明納米纖維素在細胞和遺傳水平上會造成嚴重損害，但對于納米纖維素的體內(nèi)毒性和生物相容性的毒理學評估和長期評估是實際臨床應用的關鍵問題。納米纖維素材料的種種特性顯示了其在醫(yī)學領域應用的光明前景，但其在的生物體中的細胞毒性還需要進一步的研究，其作為藥物載體的應用研究也不可忽視。