聚合物胶束的稳定性及影响因素

潘 攀，张 浩，易 喻

聚合物胶束的稳定性及影响因素

潘 攀，张 浩，易 喻*

（浙江工业大学药学院，化学工程学院，浙江 杭州 310014）

由两亲性大分子自行组装形成的聚合物胶束被广泛地应用于抗肿瘤药物的靶向输送，但是聚合物胶束纳米载药系统面临着困境，即胶束进入人体内后其稳定性大大减弱，导致药物的提前释放从而失去了靶向作用。因此阐明影响聚合物胶束稳定性因素是进一步设计和制备物理稳定的聚合物胶束药物输送载体的基础。本文从热力学和动力学角度概述聚合物胶束稳定性的影响因素，并进一步探讨了其作为重要的药物输送载体在人体血液循环系统中受到血液微环境等不利因素的影响。

聚合物胶束；两亲性嵌段共聚物；药物输送载体

0 引言

恶性肿瘤是危害我国人民健康最严重的疾病，每年有约200万人死于恶性肿瘤，并仍然呈现逐年上升的趋势。由于大部分化疗药物的疏水性结构造成其在临床使用上具有很大弊端，因此如何克服抗癌药物在临床使用上的缺点逐渐成为当下研究热点[1]。聚合物纳米胶束由于其亲水外壳-疏水内核的结构可以对疏水性的抗癌药物进行包封装载，一方面可以增大药物在体内的水溶性，另一方面减小药物对人体的毒副作用[2]。

目前聚合物胶束药物载体与其它纳米药物面临同样的困境，即在一定程度上可以减轻毒副作用，但是疗效较原药并没有显著的提高。可能的原因是胶束在血液循环系统的快速解离导致了药物的提前释放从而失去了靶向性，造成胶束化药物体内疗效不高。因此，阐明体内和体外环境下影响聚合物胶束稳定性的因素，将为进一步设计物理性质稳定的聚合物胶束进而获得高效胶束型纳米药物提供重要理论基础。

1 聚合物胶束及其结构

聚合物胶束是指两亲性嵌段共聚物（一端为亲水性聚合物，一端为疏水性聚合物）在溶液中达到一个临界浓度时，由分子间的氢键、范德华力和疏水相互作用等自发形成纳米级亲水性外壳，疏水性内核的核壳结构[3]（如图1）。这种独特的核壳结构是决定聚合物胶束功能的重要因素。

疏水性的核心是决定胶束溶解难溶性化合物能力的一个重要组成部分，胶束核心装载药物的能力很大程度上决定于疏水核心与药物分子之间的相容性。常用的疏水聚合物有聚环氧丙烷，聚乳酸和聚己内酯等[4-6]，这些嵌段共聚物主要通过胶束的疏水内核与药物的疏水区相互作用而发挥药物装载功能。

聚合物胶束的外壳是指两亲性物质的亲水端。常用于亲水端的材料有聚乙二醇、聚（n-乙烯-2-吡咯烷酮）和聚n-（2-羟丙基）甲基丙烯酰胺等[7-8]。聚乙二醇作为最常见的亲水区端应用于聚合物胶束的研究中，主要是因为它对人体相对安全并被FDA批准在药物中使用。而且在胶束的外壳结构中，聚乙二醇结构紧密，降低了胶束与胶束和胶束与蛋白的相互作用，使得胶束不易聚集以利于单核巨噬细胞系统的吸收或清除。

2 聚合物胶束稳定性

胶束的稳定性可分为热力学稳定性和动力学稳定性。热力学稳定性用于表征胶束在形成和到达热力学平衡的过程。动力学稳定性则用于描述胶束体系随着时间的变化链段在胶束之间的转移和胶束聚合/裂解的行为。

2.1 热力学稳定性

临界胶束浓度（CMC）是表征胶束热力学稳定性的重要参数之一。CMC用公式表示为CMC=exp（-nεh/kBT），其大小与热能 εh 和聚合物与溶液之间的相互作用能kBT有关。CMC值越小表示胶束在热力学上越稳定。CMC值与胶束化自由能△G°相关，用公式表示△G°=RTln（XCMC）。 由于聚合物链段分子之间的交联度比小分子之间高，因此聚合物胶束的CMC值比表面活性剂胶束的CMC值低。不同CMC值下，聚合物溶液呈现出不同的理化特征。一般情况下，聚合物胶束的CMC值在微摩尔级，其疏水端的大小与疏水性直接决定着胶束的稳定性。聚合物的疏水性越强，胶束的CMC值越小[9]。另一方面，聚合物胶束的稳定性与装载的药物有关，疏水性越强的药物更容易与其内核结合，有利于胶束的稳定性。Allen与他的同事将抗癌药物多西他赛共价结合到PEGPCL的疏水段，增强了包载药物与疏水段的疏水作用力，从而制备出具外形更加均匀和水溶性更好的载药胶束[10]。

2.2 动力学稳定性

胶束动力学稳定性描述的是胶束体系随着时间的变化在溶液中的行为，特别是发生在胶束之间以及与胶束与外界环境之间的动力学行为。根据Mattice的理论，聚合物胶束的动力学平衡机理可以分为三个方面：链插入/分离，胶束合并/分裂、胶束跨越生成[11]。对于链分离和插入，指的是一个聚合物链从一个胶束中分离，返回到主体溶液中，然后插入至第二个胶束。当两个胶束暂时融合且胶束核合并接触时，链会发生交换。在这里，链转移从第一个胶束转移至第二个胶束。共聚物交换发生的最后机制是胶束跨越生成。两个胶束的外部通过伸展链桥接，链没有完全回到主体溶液中。链迁移从一个胶束至另一个胶束的这种方式，不会被完全从胶束分离，同时也没有两个胶束核间的联系。胶束动力学稳定性的影响因素有疏水性，嵌段比率和温度等[12]。Jette等人改变PEG-b-PCL聚合物中PCL内核的长度以使胶束解聚，然后使用液相色谱测定从完整胶束中解离的分离链，实验表明增加胶束中疏水链的长度能够增加聚合物胶束的稳定性[13]。林琳等人利用核磁共振技术（NMR）研究胶束链段位移的变化，他们以PEG-PLA为研究对象，通过检测PLA质子在溶剂D2O中质子峰的宽度来研究聚合物胶束核心嵌段的物理状态。研究表明PLA中次甲基质子峰宽随着温度的升高而逐渐变宽。因而随着温度的升高，PLA链位移更加剧烈，流动性显著增大[14]。

3 聚合物胶束在人体血液环境的稳定性

聚合物胶束作为药物输送载体通过静脉注射进入到人体内后经历了一系列环境变化，包括血液稀释效应，血液pH与盐浓度的变化等，其稳定性会受到影响[15-17]。胶束一旦在血液循环系统中解离就会释放出药物，导致药物失去靶向肿瘤的能力和在非靶器官中的蓄积。Yokoyama和他的同事们发现交联阿霉素的共聚物胶束在水环境下稳定，但在磷酸盐缓冲液中却失去其完整性。原因是聚合物胶束的疏水段疏水性较弱，当环境的pH值和渗透性发生改变时，胶束的疏水性内核受到破坏导致其解体[18]。

除了溶液环境含盐量和pH值会发生改变，载药胶束在体内输送药物时将暴露在大量的蛋白质中。蛋白质会吸附于胶束表面，同时破坏胶束凝聚力和稳定性[19-20]。血清蛋白对胶束的三个不稳定机制分别为：蛋白质吸附、装载药物的影响和蛋白渗透进入核心。Lu[21]等人运用荧光共振能量转移成像技术（FRET）考察了血液中的主要组分对PEG-PDLLA聚合物胶束稳定性的影响。他们首先将具有FRET效应的胶束通过静脉注射到小鼠体内，发现胶束在体内快速地解体。为了探究影响胶束解离的主要因素，将胶束与血液中的主要组分如α-球蛋白，β-球蛋白，γ-球蛋白，血浆蛋白和血红细胞分别搅拌孵化。实验表明α-球蛋白和β-球蛋白是血液中影响胶束解离的主要成分。主要原因是血液蛋白容易吸附到带电或输水性的物质表面，当血液蛋白吸附于胶束的外壳或与疏水的内核链段相互作用时，就可能打破胶束的平衡而促使其解离。

当聚合物纳米胶束进入人体血液内，其稳定性不仅会受到血液中主要组分如蛋白质或血细胞的影响，而且体内的流动环境也会影响着聚合物纳米胶束的稳定性[22]。Budamagunta等人发现PEG-TEMPO1聚合物胶束在体外血液环境下稳定，但是通过静脉注射到小鼠体内，在不到2 h内胶束解离60%，说明体内微环境对胶束影响显著[23]。目前仅有少数研究聚焦于体内血液流动过程所产生的剪切力对胶束动力学稳定性的影响。临床资料表明，动脉粥样硬化斑块多发于动脉开口、分叉和弯曲的部位，而这些部位均为血流动力学变异较大的场所。Holme等人[24-25]以聚（甲基丙烯酸甲酯）形成的收缩腔模拟了人动脉粥样硬化的心血管，以正常的管道模拟健康的心血管。两个动脉模型具有2.5 mm入口直径的管道，其中一个具有沿着2.5 cm节段高达75%横截面积的收缩。对两个动脉模型中的剪切应力评估得到收缩模型中的剪切力大小为40 Pa，而在健康血管模型中为2 Pa。使用体外循环泵来模拟心脏，发现载药微囊在收缩腔的释药速率比健康血管模型中药快许多，作者基于此推断这可能是收缩腔内产生的强大剪切力诱导药物的快速释放。Korin等人发现聚合物纳米胶束在肺栓塞的小鼠模型体内短时间发生了解离（如图2）。之后他们在体外建立一个血管模型，发现胶束在高剪切力处迅速解离，由此说明血液剪切力对胶束稳定性的影响显著，这为我们探究聚合物胶束在体内稳定性的影响提供了新的思路[26]。

图2 基于微流控芯片研究剪切力对聚合物胶束稳定性影响的示意图Fig 2 Schematic of using microfluidic Chip to study the effect of shear stress on the stability of polymer micelles

4 展望

目前，虽然人们已从现有的研究中对胶束稳定性获得了一定的认知，但由于体内环境的复杂性，还无法较为全面地理解胶束稳定性与药物输送之间的关系，比如聚合物胶束如何与药物的相互作用从而影响其稳定性，药物的释放与聚合物胶束的稳定有何关系等等。现阶段存在许多手段来增加胶束的稳定性，包括交联疏水性内核，链段末端添加共轭的靶向分子等，但是随着胶束设计的越来越复杂，对其性能的评价也相应地变得困难，且耗时耗力，不利于聚合物胶束在临床上的应用。此外，由于体内环境复杂，实验条件不易控制，所得结果不易量化，所以完全在体内环境研究聚合物胶束的稳定性影响可行性不高，能否在体外构建一种新的评估模型来探究聚合物胶束的稳定性影响因素也是一种新的思路。

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Stability and Influencing Factors of Polymer Micelles

PAN Pan，ZHANG Hao，YIYu*
（College of Pharmaceutical Science，College of Chemistry and Chemical Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou，Zhejiang 310014，China）

In present，the polymer micelle nano drug carrier system （PMNDCS）that made from amphiphilic macromolecularis facing dilemma，which is widely used in targeted delivery of anticancer drugs.It showed that the stability of micelles is greatly weakened in vivo ultimately as a result of the drug was released and lost its targeting effect.Therefore，it’s basic for depicting the factors that affect the stability of polymer micelles to further design PMNDCS.In this present study，we summarized the stability and dynamic of polymer micelle，which provided a new idea for the study of the stability of polymer micelles in vivo.

polymer micelle； amphiphilic block copolymer； drug carrier

1006-4184（2017）12-0008-04

2017-03-22

国家自然科学基金（C10114240）资助。

潘攀（1988-），男，硕士研究生，研究方向：药物输送载体在体内微环境下的稳定性研究。*通讯作者：易喻，E-mail:490377299@qq.com。