壳聚糖及其衍生物在智能给药系统中的应用

张玲玲，姚 莉，李 平，2

(1.兰州大学 第二医院 甘肃 兰州 730030;2.甘肃省消化系统肿瘤重点实验室甘肃 兰州 730030;3.兰州大学 药学院 甘肃 兰州 730000)

智能给药系统是由智能高分子载体构成的具有自我反馈功能的给药系统，其智能性主要与智能高分子载体有关。以智能高分子材料作为药物释放的载体，集传感、处理及执行功能于一体，对外界刺激可感知，并根据自反馈作出响应，控制药物脉冲释放，从而达到药物控制智能化的目的。依据智能高分子材料的来源可将其分为合成智能高分子材料和天然智能高分子材料。前者主要为生物降解材料聚酯类，如聚乳酸、聚己内酯、聚琥珀酸丁二酯和聚碳酸酯聚乙醇酸等，后者包括壳聚糖(CS)、海藻酸盐、明胶、胶原质和魔芋葡甘聚糖等。其中CS是一种来源丰富的天然高分子多聚糖，具有良好的物理化学特性、组织相容性和生物可降解性，在药物控释体系及组织工程领域得到了深入的研究和广泛的应用［1-2］。CS分子不溶于一般的有机溶剂和水，在一定程度上限制了它的广泛应用。利用CS重复单元上的羟基和氨基，可对其进行交联、接枝、羧基化、酰化、醚化等化学改性，制备出具有不同理化特性的CS衍生物，一方面可改善它们的溶解性能，更重要的是不同取代基的引入可赋予CS更多的功能，从而延伸了CS的应用领域和范围。近年来，CS及其衍生物在智能给药系统中的应用研究非常活跃，显示出良好的应用前景，同时也提升了药物智能给药系统的研究进展，鉴此，本文就CS及其衍生物在智能给药系统中的应用研究进展进行简要综述。

1 单重敏感智能给药系统

1.1 温度敏感智能给药系统

温度敏感智能给药系统主要利用温敏水凝胶可逆的溶胀-收缩过程控制药物的释放。其在体外呈液态，通过皮下注射或植入方式给药，随生理条件发生相转变形成有一定机械强度的凝胶，作为药物释放骨架，从而发挥缓、控释作用。CS类温敏水凝胶的研究主要有CS及其衍生物与其他材料共混凝胶、CS及其衍生物接枝凝胶及CS衍生物凝胶［3］。

1.1.1 CS及其衍生物与其他材料共混凝胶 CS与甘油磷酸盐体系是该领域研究较多的药物缓释载体，其制备条件简便温和，适合于药物释放和组织工程领域的应用。Ngoenkam等［4］在CS和淀粉混合溶液中加入β-甘油磷酸酯(β-GP)，制备了一种可注射型凝胶复合物。该体系在体温时发生相变，包埋大鼠软骨细胞进行三维体外培养并研究其对软骨细胞增殖的影响，发现其可促进软骨细胞再生，维持软骨细胞分化表型。说明该凝胶可作为活细胞的载体并保持细胞活性，在生物材料的传递系统中具有良好的应用前景。Tang等［5］采用CS与高分子材料聚乙烯醇(PVA)共混制备出温敏型物理凝胶，可在人体温度下发生相变。考察凝胶化温度与CS/PVA配比的关系，发现保持CS的浓度不变，PVA浓度越高，凝胶化温度就越高。

1.1.2 CS及其衍生物接枝凝胶 该体系常选用N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)、丙烯酸、泊洛沙姆等作为CS温敏型凝胶的接枝材料。其中，PNIPAAm的低临界溶解温度LCST(25～32℃)接近人体温度，因而在该领域研究广泛。Alvarez-Lorenzo等［6］报道研究了双氯芬酸在PNIPAAm/CS温度敏感型互穿网络水凝胶中的释放行为，结果显示药物在pH 8.0的磷酸盐缓冲液或0.9%NaCl溶液中均可持续释放约8 h。该载体系统适用于运载和释放阴离子药物，在智能药物控释系统中具有潜在的应用价值。Chen等［7］以羧甲基壳聚糖(CMCS)和PNIPAAm为原料制备了温度敏感的互穿网络水凝胶并研究了CMCS/PNIPAAm配比对水凝胶溶胀率的影响，结果显示该水凝胶的溶胀率与PNIPAAm含量呈负相关。CMCS/PNIPAAm的温敏性质使其在药物控制释放、酶包埋等方面有着良好的应用前景。

1.1.3 CS衍生物凝胶 对CS分子上的6-OH和-NH2进行化学修饰得到一种CS衍生物羟丁基壳聚糖同样具有温敏特性。Dang等［8］利用该特性，制备了不同分子量羟丁基壳聚糖聚合物(HBC)凝胶用于椎间盘突出的治疗，可解决组织工程支架导入过程中对椎间盘产生的附加损伤问题。用HBC包埋人的间质干细胞进行细胞毒性实验，发现其具有较低的细胞毒性，故认为此CS衍生物材料有望成为生物材料尤其是蛋白质和活细胞的良好载体。

1.2 pH敏感智能给药系统

pH敏感智能给药系统特别适合于口服给药，即根据体内胃肠道pH值的连续变化而控制药物的释放。根据药物在胃肠道的释药部位不同可将该体系分为胃定位释药系统及口服肠道释药系统两部分。

1.2.1 胃定位释药系统 胃定位释药系统适合于在胃中易吸收及治疗胃、十二指肠溃疡等疾病的药物。幽门螺杆菌(Hp)感染是慢性活动性胃炎、消化性溃疡、胃黏膜相关淋巴瘤和胃癌的主要致病因素，主要靠抗Hp药物进行治疗。近年来研究发现CS在酸性条件下能较好地发挥抗Hp作用，并且具有中和胃酸，保护胃黏膜的功效［9-10］。Lin等［11］利用该特性，将CS溶液与肝素溶液混合后，在室温下磁搅拌得到pH敏感的纳米球，将其用于抑制Hp，可以渗入胃黏液，直接作用于胃黏膜感染部位，且感知环境pH的变化释放药物，发挥药物的最大疗效。

1.2.2 口服肠道释药系统 一般的口服药物经消化通路时，在到达小肠前已在胃的酸性刺激下失活，药物同时也会与消化酶和消化道的内容物接触而丧失治疗效果。口服肠道释药系统可根据胃与肠道间较显著的pH差异，选用适宜pH范围溶解的聚合物作为药物缓释、控释的载体，避免药物在胃内释放，进入肠道后，根据设计要求释放药物。

Dai等［12-13］通过离子胶凝化法合成了一种新型的pH敏感凝胶小球包裹硝苯地平，它是由水溶性的CS衍生物N-琥珀酰壳聚糖和海藻酸盐按适当比例构成的，海藻酸盐在该凝胶小球中的比例影响其形态学特征。考察该小球释放药物的性质，发现在pH 1.5模拟胃液中硝苯地平释放较低(42%)，而在pH 6.8的模拟肠液中释放约达99%，因此利用改凝胶小球可成功输送药物到达肠道，使其在肠道部位定时、定位、定量释放药物。

1.3 磁场敏感智能给药系统

磁场敏感药物释放体系属于物理化学靶向系统，其在外加磁场作用下，将载体定向于靶区，使其所含药物定位释放，提高靶部位药物浓度，降低对人体正常组织的副作用。Wu等［14］采用分散聚合法制备了CS-聚丙烯酸聚合物磁性微球用作甘草酸铵的载体，该微球兼具CS的众多特性和超顺磁性，且对磁体的包裹率比较高，在外加磁场的作用下进行快速靶向释药。

1.4 电场敏感智能给药系统

电场敏感药物释放体系是通过电化学法来控制药物释放的体系，在该体系中，药物包埋于高分子聚合物载体中，在电信号刺激下，高分子聚合物载体结构发生变化，从而进行药物的控制释放。Kaewpirom等［15］在紫外光照射条件下合成了电敏感的互穿聚合物网络水凝胶，由聚乙二醇高分子单体和CS构成。将该水凝胶放在0.6%NaCl溶液中并施以外加电场，由于电压引发离子运动，水凝胶明显弯向一边;移除电场后水凝胶弯向另一边，且弯曲速度和弯曲变形程度与应用电压的大小成正比。这一性质可用于电场驱动的药物释放体系，根据电场的开关，自动控制药物释放的通断。

1.5 光敏感智能给药系统

光敏感型聚合物分子内通常含有对光敏感的基团，当受到光刺激时，凝胶网络中的光敏感基团可发生光异构化或光解离，引起基团构象和偶极矩变化，使凝胶溶胀而控制药物释放。张海璇［16］通过 N-琥珀酰壳聚糖和4-羧基偶氮苯(AZO)接枝形成光敏感性的高分子材料，将曲酸二棕榈酸酯包埋在此复合物材料中制备凝胶小球，该体系在紫外线的作用下发生反式结构向顺式结构的转变，加快药物释放而达到治疗效果。

1.6 盐敏感智能给药系统

盐敏感性水凝胶指在外加盐的作用下，凝胶的溶胀率或吸水性发生突跃性变化，这类水凝胶的正负带电基团位于分子链的同一侧基上，二者可发生分子内和分子间的缔合作用。一般由甜菜碱两性单体共聚交联而成，其在盐溶液中的溶胀行为呈现反聚电解质行为，即溶胀比随外加盐浓度的增加而增加。Ta等［17］以CS和无机正磷酸盐为原料制备了中性盐敏水凝胶(Chi/DHO)并研究了凝胶行为参数对Chi/DHO的影响，发现一元和三元磷酸盐对CS溶液胶凝化无诱导作用，而二碱式磷酸盐可中和酸性CS，通过调节CS和磷酸盐的浓度控制凝胶化温度和时间。考察该凝胶作为各种治疗药物载体的性质，发现Chi/DHO可延缓异硫氰酸荧光素-葡聚糖、β-乳球蛋白、牛血清白蛋白的释放，故认为Chi/DHO可作为生物材料尤其是蛋白质和活细胞的良好载体。

1.7 葡萄糖敏感智能给药系统

葡萄糖氧化酶是此体系中最常用的酶，它将葡萄糖氧化为葡萄糖酸，引起环境pH的改变，从而使pH敏感性聚合物材料敏感环境pH的改变调节胰岛素的释放。Ghanem等［18］以1-乙基-3-(3-二乙基氨基丙基)碳二亚胺为偶联剂，将葡萄糖氧化酶的羧基与CS的氨基偶联，制备了葡萄糖敏感型聚合物材料，负载胰岛素制成凝胶小球。当血糖扩散进入该小球时被葡萄糖氧化酶氧化为葡糖酸，体系pH降低，CS响应这种pH的变化而发生凝胶结构变化，聚合物溶蚀，从而释放胰岛素，有效降低血糖水平。

2 多重敏感智能给药系统

多重敏感的智能高分子载体能对疾病发出的各种生物异常信号作出不同的响应，因而在疾病的综合治疗方面更具有优越性［19］。

2.1 pH/温度敏感智能给药系统

将CS或其衍生物与温敏性单体材料相结合可制备pH/温度双重敏感的复合物载体材料，有望用于智能药物控释体系。Cai等［20］以CS、N-异丙基丙烯酰胺及硫酸亚铁铵为原料合成了pH/温度双重敏感的水凝胶，它的溶胀度在pH值范围1～7.8呈下降趋势，当pH值大于8时，溶胀度随着pH值的增大而增加，该系统具有典型的温度敏感特性。

2.2 pH/离子敏感智能给药系统

pH/离子刺激响应复合水凝胶作为高分子凝胶中的一类，也是近年来智能给药载体材料中的又一新兴分支。Mahdavinia等［21］在交联剂亚甲基双丙烯酰胺存在下，将丙烯酸和丙烯酰胺的混合物接枝到CS上，合成了pH、离子敏感的智能水凝胶。其在强酸条件(pH＜3)和pH 6～8下溶胀度逐渐上升，在pH 3附近，溶胀度达到最大值。考察该水凝胶在CaCl2及NaCl溶液中的溶胀度，结果发现盐溶液的不同化合价决定其溶胀度的改变。用该智能水凝胶负载药物可实现对生理机体pH及离子的双重响应性，其应用前景诱人。

2.3 pH/磁场敏感智能给药系统

pH/磁场双重敏感材料通常是由pH敏感聚合物与适当的磁核(Fe3O4)共同制备而成的。药物可在外加磁场作用下浓集于靶点发挥疗效，且具有pH响应特性。在最近的报道中，Wang等［22-23］通过离子间的相互作用，将Fe3O4纳米颗粒及阿苯达唑包埋于海藻酸钙网络结构中，表面包衣CS膜制备pH敏感阿苯达唑磁性凝胶小球。所得小球平均粒径大约为1 mm，具有超顺磁性及磁场响应性。考察该磁性小球的pH敏感性，发现在前2 h内，阿苯达唑在pH 1.5的介质中仅释放36.36%，而在pH 6.8的介质环境中释放明显增加(60.61%)。该磁性凝胶小球能成功输送药物到达肠道，并在外磁场作用下，将载体定向于靶区，使所含药物定位释放，延长其作用时间。Liu等［24］制备了负载抗癫痫药卡马西平的N-琥珀酰壳聚糖/海藻酸钠凝胶小球，结果证明该载药系统具有明显的pH和磁双重敏感性。

2.4 其他

除了双重刺激响应材料以外，近年来，通过几种响应材料的复合，一些多重响应材料在智能给药系统也展示了潜在的应用前景。俞玫［25］通过接枝共聚反应，将CS和聚丙烯酰胺聚合物结合起来，合成一种新型复合物水凝胶兼具两者的优点，同时具有pH、温度及离子强度敏感性，这将有助于研究药物的可控释放，从而构筑出一种新型的pH/温度/离子强度响应药物控制释放体系。

3 生物传感器智能给药系统

目前该领域研究较多的为葡萄糖传感器，其采用在电极表面上修饰葡萄糖氧化酶的方法来制备，根据电化学的原理测定电极上葡萄糖氧化所产生的微电流来测得葡萄糖的浓度。Zeng等［26］利用纳米金修饰电极后，采用电化学沉积法将P-苯醌、壳聚糖、葡萄糖氧化酶等共同固定于纳米金电极，制备了灵敏度高，抗干扰性好的生物传感器。CS的加入可保持酶活性，延长传感器的使用寿命。

4 结语

CS及其衍生物作为天然高分子载体材料在智能药物控制释放领域占有重要的地位，已被广泛应用于温度、pH、离子、光、电/磁场等敏感性智能释药系统的研究，获得了缓释、控释、靶向、生物传感器释放药物的效果，其在组织工程领域也体现出很大的应用空间，推动了新型药物研究的快速发展与进步，虽然在CS及其衍生物智能载体材料的研究中取得了一些成果，但依然存在许多不足，如对葡萄糖、抗原、酶、核酸等生物活性物质响应以及对多重刺激信号响应的CS类载体材料研究较少，其体内释药规律及相关的动物实验研究也比较少。因此，利用CS及其衍生物作为智能给药系统的载体，研究开发响应速率高，生物相容性良好和生物可降解的生物信号多重响应型智能释药系统，并且加强体内释药规律及相关的动物实验研究将是今后医药研究者关注的重点。

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