趙彤瑤，常琳琳，王莉娟，劉亞潔，曹金城，宮玉梅

(大連工業(yè)大學(xué)紡織與材料工程學(xué)院，遼寧 大連 116034)

1 前 言

響應(yīng)性聚合物是近年發(fā)展的一類新型功能高分子材料[1]，是一種對環(huán)境可感知且可響應(yīng)的新材料[2]。響應(yīng)性材料的存在形式有很多，包括納米粒子、膜、凝膠、纖維、微膠囊、溶液等，其在藥物控釋材料、組織工程、吸附劑、化學(xué)和生物傳感器、物質(zhì)分離等多個領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用價值[3]。殼聚糖(Chitosan, CS)是甲殼類動物如蝦、蟹外殼中甲殼素脫乙?；难苌颷4, 5]，是自然界中廣泛存在的唯一堿性多糖，生物相容性好、生物粘附性強、可生物降解，在利用價值和自然界儲量方面被認(rèn)為是僅次于纖維素的生物材料[6, 7]，具有止血、抑菌、抗癌、抗氧化等多種生理功能[8, 9]。以殼聚糖為基體的響應(yīng)性微球兼具殼聚糖優(yōu)異的生物特性和特殊的響應(yīng)性功能。本文綜述了pH、溫度、磁以及多重響應(yīng)性殼聚糖微球的制備方法以及在不同領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展。

2 響應(yīng)性殼聚糖微球

2.1 pH響應(yīng)性殼聚糖微球

智能可控釋放材料因具有多種潛在的用途而引起了人們廣泛的關(guān)注和研究，其中具有pH響應(yīng)性的智能材料被認(rèn)為是較易獲得并對外界環(huán)境刺激響應(yīng)較敏感的一類智能響應(yīng)性材料[10]。pH響應(yīng)性殼聚糖微球是指殼聚糖微球的某些性能會隨著周圍介質(zhì)pH值的改變而改變。殼聚糖分子中氨基(—NH2)和羧基(—COOH)的酸度系數(shù)分別約為6.5和2.9，表征發(fā)現(xiàn)在pH=2.5～6.6的介質(zhì)中，殼聚糖分子上的—NH2會發(fā)生質(zhì)子化而出現(xiàn)溶脹現(xiàn)象[11]，具有包覆材料的性能，所以殼聚糖及其衍生物常被應(yīng)用于pH響應(yīng)的納米載體[12-18]。pH響應(yīng)性殼聚糖微球通常是在殼聚糖大分子骨架上連接可電離或者締合的酸性基團(tuán)或堿性基團(tuán)[19]，如—NH2、—COOH和酰胺(—CONH)等較弱的酸堿基團(tuán)，能根據(jù)外界環(huán)境pH的變化做出溶解度、體積和鏈結(jié)構(gòu)等不同程度的響應(yīng)。

丙烯酸類物質(zhì)的分子間作用力隨pH值的變化而變化，從而造成物理結(jié)構(gòu)的改變，由此可以對藥物分子起到間接的物理包封和開關(guān)作用[20, 21]。林英等[22]以殼聚糖為模板引發(fā)丙烯酸進(jìn)行自由基溶液聚合，隨著轉(zhuǎn)化率的提高，殼聚糖和聚丙烯酸可逐漸自組裝形成帶相反電荷的疏水聚電解質(zhì)殼聚糖/聚丙烯酸(CS/PAA)。CS/PAA在水中收縮成核，表面由親水性殼聚糖包裹成殼層，形成生物相容且具有降解性的CS/PAA納米微球，并對CS/PAA納米微球的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)行研究。如圖1所示，當(dāng)環(huán)境的pH值小于7時，CS/PAA納米微球表面呈大量—COO-；而當(dāng)環(huán)境的pH值大于8時，CS/PAA納米微球表面呈大量—NH2，因此該納米微球具有pH響應(yīng)性并在較寬的范圍內(nèi)穩(wěn)定。這些表面活性基團(tuán)使CS/PAA納米微球在污水處理方面具有潛在的應(yīng)用價值。CS/PAA納米微球上攜帶的—NH2和—OH可以通過孤對電子與Ni2+等重金屬離子配位，而—COOH以靜電配位的方式吸附Ni2+等重金屬離子[23]。該方法制得的CS/PAA納米微球用于凈化污水時，是一種由—COOH主導(dǎo)、—NH2和—OH輔助的多位點高效吸附劑，納米微球可以通過物理、化學(xué)作用與重金屬離子結(jié)合，從而將其從水中去除，達(dá)到凈化污水的目的。因此，在水處理方面，pH響應(yīng)性殼聚糖微球的優(yōu)點在于其納米尺寸增加了其去除重金屬離子的能力，其pH響應(yīng)性擴(kuò)大了其污水處理的環(huán)境范圍。

圖1 pH值誘導(dǎo)的殼聚糖納米微球表面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變[22]Fig.1 Surface structure transformation of pH-induced chitosan nanoparticle[22]

另外，γ-谷氨酸(γ-PGA)是一種天然存在的無毒無害的高分子材料，由革蘭氏陽性細(xì)菌產(chǎn)生，由于其細(xì)胞具有親和性良好、無毒無害、易降解的優(yōu)點，已成功應(yīng)用于食品和污水處理行業(yè)，此外在醫(yī)藥領(lǐng)域作為藥物載體方面的研究尤為廣泛[24-27]。任東雪等[28]利用γ-PGA與殼聚糖之間溫和的靜電作用力使其自組裝制備了帶正、負(fù)表面電荷的納米載體殼聚糖/γ-PGA，并將其應(yīng)用于包載藥物分子阿莫西林，對2種表面分別帶正、負(fù)電荷的載藥納米顆粒γ-PGA-CS-A(+)和γ-PGA-CS-A(-)在pH響應(yīng)控釋藥物方面進(jìn)行研究。如圖2所示，微球粒徑隨pH值升高而增大，表現(xiàn)出典型的pH響應(yīng)性。并測定了不同pH環(huán)境下載藥的殼聚糖微球?qū)εＱ宓鞍?BSA)的吸附能力，如圖3所示。當(dāng)pH=2.5時，γ-PGA-CS-A(+)和γ-PGA-CS-A(-)的蛋白吸附率都接近于0，這是因為在酸性條件下，γ-PGA-CS-A(+)、γ-PGA-CS-A(-)和BSA都帶正電荷，它們相互排斥使蛋白吸附率接近于0；當(dāng)pH=7.4時，納米粒子γ-PGA-CS-A(+)的蛋白吸附率平均達(dá)到25%，有利于載藥納米顆粒與腸道細(xì)胞膜結(jié)合。通過將殼聚糖納米粒子的尺寸優(yōu)勢與pH敏感性對增強肽類藥物口服給藥的有益作用相結(jié)合，使載藥后的pH響應(yīng)性殼聚糖微球?qū)δc道細(xì)菌的抑制效果比游離藥物更好。

圖2 γ-PGA-CS-A的粒徑、電位和分散指數(shù)[28]:(a) γ-PGA-CS-A(+), (b) γ-PGA-CS-A(-)Fig.2 Particle size,potential and dispersion index of γ-PGA-CS-A[28]:(a) γ-PGA-CS-A(+), (b) γ-PGA-CS-A(-)

圖3 不同pH環(huán)境下γ-PGA-CS-A的蛋白吸附率[28]:(a) γ-PGA-CS-A(+), (b) γ-PGA-CS-A(-)Fig.3 Protein adsorption rate of γ-PGA-CS-A under different pH conditions[28]:(a) γ-PGA-CS-A(+), (b) γ-PGA-CS-A(-)

Nakhlef等[29]將殼聚糖與羥丙基甲基纖維素鄰苯二甲酸酯(HPMCP)進(jìn)行離子交聯(lián)，制備了一種可以用于胰島素輸送的pH響應(yīng)性殼聚糖納米顆粒CS/HPMCP NPs，體外結(jié)果顯示，該納米顆粒具有優(yōu)異的酸穩(wěn)定性，在有無胃蛋白酶的模擬酸性條件下，對胰島素釋放和降解都具有顯著的控制能力。經(jīng)口服給藥后，載有胰島素的CS/HPMCP NPs與口服胰島素溶液和載有胰島素的CS/三聚磷酸鹽(TPP)NPs相比，降血糖作用分別提高了9.8和2.8倍以上?？傊?，由于pH響應(yīng)性殼聚糖微球具有綠色環(huán)保、良好的生物相容性、能夠作用于藥物并提高藥效、實現(xiàn)對人體用藥的可控釋放的優(yōu)點，是一種有應(yīng)用價值和研究意義的納米藥物微球。

2.2 溫度響應(yīng)性殼聚糖微球

溫敏材料是指對溫度刺激有響應(yīng)的材料，主要分為天然溫敏材料和合成溫敏材料，合成的溫敏材料一般都是由大分子主鏈和親水、疏水基團(tuán)組成[30]。殼聚糖本身并沒有溫敏特性，通過在其分子鏈上接枝溫敏基團(tuán)如N-異丙基丙烯酰胺(NIPAAm)等，即可就被賦予溫度響應(yīng)性能。

Chuang等[31]將殼聚糖和N-異丙基丙烯酰胺進(jìn)行單體聚合，合成了殼聚糖-g-N-異丙基丙烯酰胺(CS-g-PNIPAAm)共聚物，其制備原理如圖4所示。單體聚合后，在40 ℃下將CS-g-PNIPAAm共聚物自組裝，使用交聯(lián)劑增強結(jié)構(gòu)制備出中空多孔結(jié)構(gòu)的納米粒子，并研究了納米粒子的結(jié)構(gòu)、形態(tài)、粒徑、表面電荷、溫度響應(yīng)特性以及體外藥物釋放特性。如圖5所示，隨著溫度的升高，PNIPAAm聚合物鏈中親酸性鏈段間的親質(zhì)子性作用增強、氫鍵作用減弱，使得納米粒子收縮導(dǎo)致粒徑減小，即具有溫度響應(yīng)性。這種具有溫度敏感性的多孔/空心顆粒有望應(yīng)用于親水性藥物輸送系統(tǒng)。

圖4 CS-g-PNIPAAm共聚物的制備原理示意圖[31]Fig.4 Schematic diagram of preparation of CS-g-PNIPAAm copolymer[31]

圖5 在不同溫度下浸入緩沖溶液后CS-PNIPAAm平均直徑的變化[31]Fig.5 Average diameter change of the CS-PNIPAAm after being immersed in buffer solution at different temperatures[31]

郭旭虹等[32]發(fā)明了一種基于殼聚糖的溫度響應(yīng)性納米粒子，利用疏水改性劑鄰苯二甲酸酐對殼聚糖主鏈上的氨基進(jìn)行化學(xué)改性，得到含有疏水基團(tuán)的油溶性殼聚糖。再將溫敏性聚合物單體乙烯基己內(nèi)酰胺接枝到殼聚糖的主鏈上，該材料可以包覆油溶性物質(zhì)再進(jìn)行自組裝，形成穩(wěn)定膠束。因此，溫度響應(yīng)性殼聚糖微球能夠有效負(fù)載疏水性藥物，通過調(diào)控環(huán)境溫度，實現(xiàn)負(fù)載于顆粒內(nèi)部油溶性物質(zhì)的可控釋放，其在藥物載體，尤其是藥物的可控輸送方面具有極大的開發(fā)前景和應(yīng)用價值。

2.3 磁響應(yīng)性殼聚糖微球

磁性高分子微球是由磁性顆粒和聚合物復(fù)合而成的一種新型復(fù)合功能高分子材料，由于其兼具高分子材料的特性和無機(jī)納米顆粒的磁響應(yīng)性，更具有“在外加磁場下定向運動”的特殊性能，在靶向給藥、生物化學(xué)、固定化酶、細(xì)胞分離、電磁屏蔽、磁共振造影、吸波材料、水處理等諸多領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景[33-41]。

磁性殼聚糖具有優(yōu)異的生物相容性、生物降解性和無毒性，不會引起過敏和排斥反應(yīng)，而且不會損害藥物的磁性靶向性，可以作為有效的藥物傳遞體系。Unsoy等[42]利用殼聚糖包覆磁性納米顆粒Fe3O4，在磁場下將藥物阿霉素(DOX)靶向遞送到腫瘤部位，探究載有DOX的納米顆粒的最佳加載效率、穩(wěn)定性和釋放曲線。如圖6所示，負(fù)載DOX的殼聚糖納米顆粒(CS MNP)對DOX抗性MCF-7細(xì)胞的毒性,比游離DOX高13倍。這些結(jié)果證實了CS MNP負(fù)載和釋放的DOX是活性的，并且磁性殼聚糖微球使MCF-7/DOX細(xì)胞克服了對DOX的抗性。

圖6 DOX和載有DOX的CS MNP對MCF-7和MCF-7/DOX的功效比較[42]Fig.6 Comparison of the efficacy of DOX and DOX loaded CS MNP on MCF-7 and MCF-7/DOX[42]

殼聚糖上活潑的—OH和—NH2基團(tuán)可以與許多金屬離子或有機(jī)物結(jié)合，因此磁性殼聚糖微球也常被應(yīng)用于污水處理。如Chang等[43]以Fe3O4納米顆粒為核、羧甲基化殼聚糖為離子交換基團(tuán)制備了一種磁性納米吸附劑，該納米吸附劑可快速吸附Cu2+、Co2+和酸性染料。如圖7所示，微球的磁滯很弱，表示磁性納米吸附劑的磁性很好，幾乎為超順磁性。圖7內(nèi)插圖是磁化強度(M)和磁場強度(H)及其在原點附近的放大圖，可以看到該磁性殼聚糖納米顆粒的飽和磁化強度(Ms)、剩余磁化強度(Mr)、矯頑力(Hc)和矩形度(Sr=Mr/Ms)分別為62 emu/g、1.8 emu/g、6.0 Oe和0.029。

圖7 磁性殼聚糖納米顆粒的磁化強度與磁場的關(guān)系[43]Fig.7 Relationship between magnetization of magnetic chitosan nanoparticles and magnetic field[43]

固定化酶是一種利用物理或化學(xué)手段將游離的酶固定并鎖住使之在一定范圍或空間內(nèi)起作用的技術(shù)，固定化酶的載體選擇尤為重要。將磁性高分子微球作為固定化酶的載體具有以下優(yōu)點：① 反應(yīng)體系中的固定化酶易于分離和回收；② 操作簡便；③ 在雙酶反應(yīng)體系中，可以通過磁性材料固載失活更快的酶，使其不易失活；④ 磁性材料方便回收，能夠?qū)崿F(xiàn)再利用，降低成本；⑤ 能夠在磁場穩(wěn)定的流動床反應(yīng)器中工作，適合大規(guī)模連續(xù)化作業(yè)；⑥ 改變外部磁場可以控制磁性材料固定化酶的運動方式和方向，與傳統(tǒng)機(jī)械攪拌相比提高了固定化酶的催化效率[44, 45]。Peniche等[46]利用懸浮交聯(lián)方法將具有磁性的鐵包封在殼聚糖上，制備出超順磁性殼聚糖微球。微球的平均尺寸取決于制備參數(shù)，如表面活性劑濃度、攪拌速率、殼聚糖溶液濃度和交聯(lián)劑的用量等。超順磁性殼聚糖微球適用于固定化酶，固定在這些微球上的酪氨酸酶比游離酶具有更高的穩(wěn)定性，并在重復(fù)使用10個循環(huán)后仍能保持較高的酶氧化活性。

2.4 多重響應(yīng)性殼聚糖微球

隨著人們對智能功能性材料的功能需求日益增多，傳統(tǒng)的單一響應(yīng)性材料已經(jīng)無法滿足人們的需求，因此制備具有多重響應(yīng)性的聚合物微球已成為目前智能材料的重要研究方向之一。

2.4.1 溫度和pH雙重響應(yīng)性殼聚糖微球

溫度和pH雙重響應(yīng)性殼聚糖微球具有溫度和pH雙重響應(yīng)特性，改變溫度和pH值兩者中的任意一個變量都會引起殼聚糖微球的變化。趙婧等[47]將溫敏型單體N-異丙基丙晞酰胺(NIPAm)和含有陰離子基團(tuán)的單體2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)進(jìn)行自由基共聚，制備了溫度敏感型聚合物poly(NIPAm-co-AMPS)。再利用其與殼聚糖之間的靜電相互作用形成納米顆粒poly(NIPAm-co-AMPS)/CS，并對其pH和溫度響應(yīng)行為進(jìn)行了研究。當(dāng)聚合物溶液的pH值為6，聚陽離子和聚陰離子質(zhì)量比為3∶2時，可以形成粒徑為200 nm左右的納米顆粒。如圖8所示，當(dāng)溫度在34～38 ℃之間時，納米顆粒的粒徑發(fā)生突變，從300增大至700 nm。該方法制備的溫度和pH雙重響應(yīng)性殼聚糖微球毒性等級為0-1級，符合生物醫(yī)用材料的基本要求。

2.4.2 pH和磁雙重響應(yīng)性殼聚糖微球

pH和磁雙重響應(yīng)性殼聚糖微球作為藥物載體可以通過改變環(huán)境的pH值進(jìn)行藥物可控釋放、通過磁響應(yīng)進(jìn)行靶向運輸，從而實現(xiàn)了藥物的載入、靶向運輸以及可控釋放，使藥物更加高效精準(zhǔn)地作用于靶處。郝和群等[48]利用膽酸(CA)對O-羧甲基殼聚糖(O-CMC)進(jìn)行化學(xué)修飾，因為O-CMC上的—NH2、—COOH、—OH等基團(tuán)可以和CA發(fā)生反應(yīng)，故制備出O-羧甲基殼聚糖-膽酸(O-CMC-CA)共價復(fù)合物。這種共價復(fù)合物可以將脂溶性分子包埋在其疏水的核中，納米顆粒表面親水的殼在水中組成膠束。利用反溶劑法把Fe3O4和DOX包埋在O-CMC-CA疏水的核中，制備出疏水修飾的磁性殼聚糖載藥納米顆粒(DOX/Fe3O4/O-CMC-CA)，并對其形貌、磁性和藥物緩釋特性等進(jìn)行表征測試。由圖9a可知，DOX/Fe3O4/O-CMC-CA在室溫下表現(xiàn)出零矯頑力和零剩余磁化強度，說明其具有超順磁性。由圖9b可知，不同pH環(huán)境下DOX/Fe3O4/O-CMC-CA釋放DOX的速率不同，pH=5.0時納米顆粒的釋放速率比pH=7.4環(huán)境慢，釋放行為具有緩釋效果，說明DOX/Fe3O4/O-CMC-CA納米顆粒具有一定的pH響應(yīng)性。綜上，制備的DOX/Fe3O4/O-CMC-CA納米顆粒具有雙重響應(yīng)性，可以有效地輸送DOX到靶位(即腫瘤組織)。

圖8 Poly(NIPAm-co-AMPS)/CS在不同溫度下的粒徑及其分布[47]Fig.8 Nanoparticles size and distribution of the Poly(NIPAm-co-AMPS)/CS at different temperatures[47]

圖9 DOX/Fe3O4/O-CMC-CA的磁滯曲線(a)和體外累積釋放情況(b)[48]Fig.9 Hysteresis curves (a) and cumulative release in vitro(b) of the DOX/Fe3O4/O-CMC-CA [48]

3 結(jié) 語

殼聚糖由于具有優(yōu)異的生物相容性、可降解性以及來源廣泛、對環(huán)境友好、價格低廉等優(yōu)點，近年來得到了科研工作者的廣泛關(guān)注，在生物、醫(yī)學(xué)、水處理、食品包裝等領(lǐng)域均有應(yīng)用。特別是在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，作為載藥微球，響應(yīng)性殼聚糖微球由于具有優(yōu)異的生物相容性和抗菌性等，故可改變藥物在人體的分布情況，提高藥物的生物利用度，實現(xiàn)藥物的載入和可控釋放。隨著對藥物載體功能要求的日益提高，刺激響應(yīng)性微球作為載體材料逐漸成為藥物微球領(lǐng)域的研究熱點。響應(yīng)性的差異也給殼聚糖微球帶來了功能各異性，如具有磁響應(yīng)性的殼聚糖微球被廣泛應(yīng)用于電磁屏蔽、磁共振造影、吸波材料、水處理等領(lǐng)域；具有pH響應(yīng)性的殼聚糖微球被廣泛應(yīng)用于水處理和金屬回收等領(lǐng)域。與單一的殼聚糖微球相比，響應(yīng)性殼聚糖微球綜合了殼聚糖的優(yōu)點以及響應(yīng)性材料的特殊功能。作為藥物載體，利用響應(yīng)性殼聚糖微球pH響應(yīng)、溫度響應(yīng)、磁響應(yīng)的特點在外部環(huán)境的作用下實現(xiàn)物理化學(xué)導(dǎo)向，通過環(huán)境條件的變化實現(xiàn)可控釋放，在特定的范圍達(dá)到速效性。根據(jù)患者的身體差異，可以實現(xiàn)藥物的可控釋放，對靶位靶向給藥，達(dá)到精準(zhǔn)治療的效果。但對于藥物載體材料來說，這些性能是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要具有低毒性、理化穩(wěn)定性、生物穩(wěn)定性和較高的載藥性。因此，制備響應(yīng)性殼聚糖微球作為藥物載體還需要進(jìn)一步的研究和測試表征，需要在實際應(yīng)用中對材料進(jìn)行改進(jìn)。隨著人們對智能功能性材料的需求日益增大，響應(yīng)性殼聚糖微球吸引了越來越多領(lǐng)域的研究人員的興趣，有望取得豐碩的研究成果并應(yīng)用于實踐。