纳米材料作为药物载体在运动性损伤修复中的应用

秦黎黎， 秦 瑶， 卢天凤

(同济大学体育教学部运动与健康研究中心，上海 200092)

在纳米尺度范围内，物质开始表现出一些不同寻常的理化性质。纳米级粒子比原子团大，但比通常的微米级小，由于其本身具有一些特殊的物理效应，因而在很多方面的性质要优于其他物质。比如与红光物质相比，纳米微粒的熔点低，但强度、韧性、反应活性、扩散率、比热容、膨胀系数等都较高。

纳米载药体系(nano drug delivery systems, NDDS),其定义是将纳米技术和纳米材料应用到治疗中,主要通过提升病变部位药物的靶向递送等来解决传统药物治疗中存在的问题[1]。为了方便叙述，文中统一将纳米载药体系简称为NDDS。纳米药物载体是一类新型载体,通常由天然或合成高分子材料制成，也有部分纳米药物载体是由无机纳米颗粒、无机-有机纳米杂化材料等构成。由于其粒径比毛细血管通路远远要小,且具有降低药物毒副作用、提高药物稳定性、缓释控释药物和药物靶向释放等优点,故在生物医学领域的应用极为广泛[2]。由于目前对于NDDS在运动性损伤修复领域中的应用和相关研究比较少，因此，本文分别通过NDDS在运动性肌肉损伤，运动性疲劳恢复及运动性骨损伤中的应用现状，对现有NDDS在运动损伤领域的研究进行总结归纳，为NDDS在运动医学领域的发展提供有价值的研究思路。

1 NDDS在运动性骨骼肌损伤中的应用

对于经常参加体育运动的专业性运动员或健身人群，运动性骨骼肌损伤比较常见，常见的原因包括： 直接外力作用引起的肌肉挫伤和间接外力引起的肌肉拉伤，无论是哪种因素导致的骨骼肌损伤，都会对运动员和健身人群的运动能力和运动寿命造成较大威胁。传统使用的普通剂型药物具有靶向性低、疗效作用缓慢等问题，运用纳米材料作为药物载体可以有效解决上述问题，这也就促使了NDDS在运动医学领域中有迫切的需求。

1.1 磁性纳米材料作为药物载体

磁性纳米颗粒是指三维尺寸中至少有一维在1～ 100 nm的磁性材料,主要组成为Fe、Co、Ni等元素的金属单质或其氧化物[3]。由于它具有高矫顽力、磁响应性、超顺磁性等优异特性，因此在生物医学领域中有着广泛的运用[4]。

碱性成纤维细胞生长因子(basic fibroblast growth factor, bFGF)对于肌肉组织再生过程至关重要，通过促进伤口闭合速度加快了细胞增殖和组织血管的生成，从而使肌肉损伤修复的进程大大缩短。研究表明，bFGF可增加肌生成相关蛋白p-Akt和p-mTOR的水平促进受损的肌肉再生进而促进皮肤伤口愈合[5]。但是外源性补充bFGF的生物利用率较低，利用纳米技术结合磁场靶向定位可解决此问题。通过建立小鼠腓肠肌钝挫伤模型，在注射等剂量不同药物的情况下，磁性纳米化bFGF能达到比bFGF更好的效果。损伤后前10 d，纳米组小鼠MHC-ⅡbmRNA 表达显著高于普通组(P<0.05)，持续数日后还可保持高活性表达状态，说明磁性纳米粒子延长了bFGF的作用时间，提高了bFGF的作用效率；并且肌肉收缩力的恢复速度加快。该研究通过磁化处理和纳米技术的联合应用，实现了靶向定位，同时加强bFGF的作用效果[6-7]。因此，磁性纳米颗粒与普通剂型相比，能更好地促进运动性肌肉损伤的修复，进一步提高损伤肌肉愈合的速度，加快运动性骨骼肌损伤的修复，为运动性骨骼肌损伤的治疗提供了新的方法和思路。

1.2 纳米中药

纳米中药是在纳米技术的基础上产生的，是指运用纳米技术制备的粒径小于100 nm的中药有效成分、有效部位、原药及其复方制剂。与传统的中药相比，纳米中药具有很多新的特点。纳米中药物不仅可有效提高药物在血液中的溶解度和代谢效率，降低毒性，具有缓释功能，可实现靶向给药；在某些情况下，还可暴露药物内部隐藏的化学基团，以新的化学实体的形式发挥新的临床功效[8]。有研究表明，将传统中药处理成纳米中药颗粒，可使其通过生理屏障的速度加快，提高其生物利用度。如果将纳米中药和纳米载体结合并进行修饰，可以实现药物的缓释和靶向作用，可降低某些中药的副作用，提高治疗效果[9-11]。

运动损伤的治疗和康复中常采用外敷中药膏贴的方法,如何促进药物透过皮肤，进入血液循环，从而提高药物的功效关系以及损伤恢复的速度是我们需要解决的问题。利用纳米技术将传统中药制成纳米级颗粒或制剂，由于纳米级颗粒具有粒径小、吸附能力大等特性，可使药物能够穿透皮肤屏障和血脑屏障进入血液循环系统,提高中药的生物利用度进而提高疗效[12-13]。例如可先将中药成分进行提取和分离，将有效成分进行纳米化处理，并结合纳米材料作为药物载体合成靶向纳米中药，采用局部注射或贴敷膏药的方式进行治疗，这种治疗方法缩短了恢复的周期，为运动性肌肉损伤修复的进一步研究奠定了基础。

2 NDDS在运动性骨损伤中的应用

运动性骨损伤是一种常见的运动损伤类型，发病率较高。骨损伤后的症状一般表现为红肿且痛感明显。运动专项特点的不同导致运动损伤的部位略有不同。一项针对我国中超联赛部分职业男子足球运动员的调查显示，专业足球运动员运动损伤的发生部位以踝关节为主(18.1%)、韧带拉伤(11.07%)和膝关节(10.9%)次之。此外，长跑运动员的膝、踝、足等部位骨损伤的概率也显著大于其它部位。

在运动实践中，一般将导致运动性骨折的主要原因分为外因和内因，外因是指外力直接或间接作用于人体的骨骼而至导致骨折；内因是指长期反复的应力负荷超越了骨的正常承受能力，打破了骨吸收与骨修复之间的动态平衡，造成骨骼长期劳损从而导致骨折[14]。对于日常运动训练量巨大同时比赛激烈的运动员而言，运动性骨折发生概率极高，对运动员的日常生活和训练影响较大, 甚至可能会导致运动员残疾并终止运动生涯，其传统治疗方法具有时间长, 恢复慢，易感染等问题, 难以取得满意的效果。因此，利用新型纳米载药技术治疗运动性骨损伤具有重要的意义和广阔的应用前景。

2.1 纳米载药复合假体

纳米材料在结构上的特殊性使其表现出许多优异的性能。利用纳米技术可制作高强度、高弹性、高组织亲和力的骨损伤修复材料。有研究表明，骨折手术中使用的假体材料表面粗糙多孔，细菌极其容易在上面滋生，若只使用单独的纳米材料制成的假体，会极易发生感染[15]。如果直接将抗菌药物与假体材料混合制备为载药假体又可能会造成： 抗生素释放速度不均、药物释放结束后留下的孔隙过大、假体材料的完整性被破坏等问题[16]。而如果利用颗粒半径较小、稳定性好的纳米材料作为抗菌药物载体，再将其添入假体材料，可以有效解决上述问题。

纳米羟基磷灰石在化学组成和结构上接近天然骨矿物质，具有易降解、生物学活性高、生物相容性好等优点，现已成为运动性骨损伤修复的基础性材料。Mondal等[17]制备了装载万古霉素的纳米羟基磷灰石(nano hydroxyapatite, nHAP)/胶原/聚(乳酸)骨移植替代物用于修复大尺寸骨损伤，该复合材料具有典型多孔结构，孔隙率约80%，体外研究结果显示其在4周内释放了约98%的药物，抑菌率超过了99%，还表现出了良好的体内和体外生物相容性。以载有药物的纳米羟基磷灰石为原料，制作骨折术中使用的假体，可以有效地加快骨折的愈合，且降低术后感染率。

二氧化硅纳米粒子因其亲水性表面、稳定性好、易于官能化等特点，已成为常用的优良纳米载体。而介孔二氧化硅纳米粒子(mesoporous silica nano-particles, MSN)的表面积更大，更有利于运用于载药而得到研究者关注。周小军[18]在制备明胶骨支架的过程中，加入运用介孔二氧化硅纳米粒子(MSNs)负载万古霉素(Van)制备得到的Van@MSNs,制备出复合Van@MSNs的明胶复合支架，体外细胞实验证明Van@MSNs明胶复合支架更有利于骨髓基质细胞(bone marrow stromal cells, BMSCs)的黏附、增殖、分化，并且根据抑菌实验结果显示： Van@MSNs明胶复合支架的抗菌能力更强。用负载药物的二氧化硅纳米粒子制备出的假体，同样可以减少术后感染发生率，减轻运动员的痛苦，更有利于运动性骨折的恢复。另外，有部分试验者通过在假体制作材料中添加纳米金属或脂质体的方式制作出骨折术中使用的纳米复合假体(表1)。

表1 制作纳米复合假体的方法Tab.1 Method of making nanocomposite prosthesis

与直接在假体材料中添加抗生素等传统方法相比，制作纳米载药复合假体不仅达到了抗菌、防止骨折术后感染的目的，抗生素的释放能得到有效的控制，同时，所需抗生素的量也减少，有利于降低医疗成本。在未来的研究中，应该加强纳米载药体系的动物实验研究，制作出抗菌性能、力学性能俱佳的骨科假体材料。

2.2 纳米载药涂层

为了降低运动性骨折术后感染率，除了前文所述的使用纳米载药复合假体之外，还可以在术中使用的假体表面覆盖上纳米载药涂层，这样不仅同样能达到让抗菌药物准确、均匀地释放在手术部位的目的[21]，还可以克服在纳米载药复合假体中由于药物释放导致的假体完整性被破坏的问题。

纳米金属及氧化物具有良好的广谱抗菌效果，且不会增加细菌耐药性。余孟流[22]在实验中将纳米银颗粒/聚乳酸-羟基乙酸共聚物分别以电镀的方式均匀涂抹于假体材料——不锈钢种植材料(SNPSA)或纯钛种植材料(SNPT)表面，体外细胞实验不仅证明了SNPSA材料有更强的促进细胞成骨分化和促进动物体内骨形成的能力，而且证明了纳米银具有良好的抗菌性能[23-25]。郭金霄等[26]运用医用金属钛为基底制备二氧化钒纳米涂层，运用碱性磷酸酶(alkaline phosphatase, ALP)定量检测证明二氧化钒纳米涂层具有较好的成骨性能，同时，实验还证明了二氧化钒纳米涂层具有良好地康抗菌性能和低细胞毒性。纳米金属载药涂层在运动性骨损伤修复中骨与软骨组织的构建和再生领域应用广泛。

实验证明利用脂质体载药，并以涂层形式附着于假体表面，也可以实现抗菌药物长期、受控地均匀释放[27]。其将脂质体装载上地塞米松和米诺环素，进而运用多巴胺将装载后的脂质体固定在聚苯乙烯表面，实验结果显示经过修饰的表面抗菌和抗炎能力都得到了有效的提高,促炎因子的表达受到了抑制，细菌的增殖减少，可以有效防止术后感染。

近年来，水凝胶涂层在骨折假体中的应用吸引了越来越广泛的关注。水凝胶是一种亲水性网状高分子溶胀体，它含有大量水分，可以随意塑形[28]；同时，它具有较高的生物相容性，适用于作为涂层作用于假体表面，有效防止假体周围出现感染[29]。Drago等[30]分别利用载药和不载药的水凝胶假体涂层来研究水凝胶对细菌生物膜的作用。实验结果表明，单纯的水凝胶涂层具有抗细菌黏附作用，可以减少细菌在假体表面的定植；而负载抗生素的水凝胶涂层具有稳定的药物缓释能力，可实现缓释期长达96 h的抗生素释放，消灭多种游离细菌，从而达到理想的抗菌效果。假体周围感染常见的致病菌为表皮葡萄球菌和金黄色葡萄球菌。溶葡球菌酶是一种内肽酶, 可以通过溶菌作用杀灭葡萄球菌[31]。Satishkumar等[32]的体外实验证明，抗体标记的溶葡球菌酶纳米聚乳酸可以特异性结合并有效杀灭金黄色葡萄球菌。

除此之外，在假体表面覆盖装载壳聚糖、纳米羟基磷灰石等的复合纳米涂层，可以有效地防止术后细菌增加，从而避免出现术后感染的情况(表2)。通过对运动性骨折手术中使用到的假体材料进行以上纳米载药体系复合处理，可以有效降低术后感染的机率，更有利于运动性骨折快速、高质量地康复。

表2 假体表面构建纳米载药涂层的方法Tab.2 Methods of constructing nanometer drug-loaded coating on the surface of prosthesis

3 NDDS在运动性疲劳中的应用

除了上述肌肉损伤、骨损伤等显性损伤之外，运动还会造成短期内肉眼不可见的隐性损伤，如运动性疲劳等。

运动性疲劳是机体在生理过程中不能维持其机能在某一特定水平或/和不能维持预定运动强度的状态。在运动过程中，能源物质的耗竭和代谢产物的累积是导致身体运动性疲劳的重要原因。因此为维持机体的稳态，根据运动类型的不同适当地补充相应的营养素则显得至关重要。营养素的补充形式多种多样，其中，以运动营养补剂应用较为广泛。它不仅可以为机体提供能量，还对消除疲劳，促进损伤修复有重要作用。常见的营养补剂中主要包括无机微量元素和生物有机分子，然而这些天然的营养补剂普遍存在的缺陷是稳定性差、体内半衰期短、口服给药易被胃肠道的蛋白水解酶降解、生物利用度低。因此，有关营养补剂新剂型的研究和开发已成为运动医学保健领域的重要课题和迫切需求。利用纳米技术将机体所需营养成分制成纳米制剂, 不仅可以提高其生物利用度，而且可以更好发挥营养补剂的生物效用。这对于机体运动能力的提高、运动疲劳的消除、以及机体的健康至关重要。

3.1 纳米硒

硒对人体来说是一种非常重要的无机微量营养元素，具有清除自由基、保护心血管等诸多功效，硒可以维持蛋白质正常生理功能，以及相应酶类抗氧化能力。当硒的颗粒直径达到纳米级时，即纳米硒。研究表明，纳米硒不仅具有与普通硒等效的抗氧化性，还可表现出低毒性的特点[36-38]。

长期运动训练产生的大量自由基加强了细胞膜脂质过氧化作用，进而导致一系列细胞氧化损伤，引起机体疲劳的出现和运动能力的下降。如何及时、有效的排出运动应激造成体内多余的自由基是体育竞技领域的一个重要课题。在某些研究中，尝试用硒来充当此“清除剂”，主要是利用了硒作为强抗氧化剂的特点。实验发现，就清除羟基自由基的效率而言，小剂量的纳米硒就可媲美亚硒酸钠；而就其总体清除能力而言，纳米硒要好于抗坏血酸的作用，这说明纳米硒有显著和高效的清除自由基的能力。同时，纳米硒对于其他类型的自由基，包括以碳为中心的自由基，二甲基三硝基苯肼(DPPH)自由基，超氧化物自由基，单态氧等也可显示出较高的清除能力，还可以抑制DNA的氧化。同时，纳米硒的颗粒直径大小是影响其清除能力强弱的重要因素。在生物体内，纳米硒的安全剂量与其颗粒直径大小是密切相关的。一般来说，在不考虑硒毒性的前提下，纳米硒的颗粒直径越小，显示出越强的清除能力。此外，有研究表明，在体外实验中壳聚糖包裹的纳米硒对直接清除ABTS自由基(2，2-联氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)二铵盐)和DPPH自由基效果显著[39-40]。

纳米技术改变了硒的固有形态，使新形成的纳米硒具有较高的生物利用度和生物活性，不仅发挥了无机微量元素硒特有的功能，如抗氧化、免疫调节等，而且其低毒性的特点也避免了传统硒带来的诸多副作用。因此，由于纳米硒在清除多种类型自由基方面的高效性，未来在竞技运动领域可以作为运动员的运动营养补剂。

3.2 纳米层状双氢氧化物/叶酸载药体系

叶酸是B族维生素的一种，主要由L-谷氨酸、蝶啶和对氨基苯甲酸组成，具有抗氧化作用和清除自由基作用，但是在一般情况下，叶酸具有热稳定性差、体内半衰期短、生物利用度低以及易被蛋白水解酶或胃肠酶降解等缺点。纳米载药体系的构建及其缓释、控释和靶向释药的优良特性，有效地克服了这些缺点，极大地促进了药物的吸收，提高了药物的疗效。研究以层状双氢氧化物(lami-nated double hydroxide, LDH)纳米材料作为载体，叶酸作为药物模型，制备出叶酸-层状双氢氧化物纳米新剂型，并对其组成，结构，颗粒形状和尺寸进行了表征[41]。体外抗氧化作用实验表明，叶酸-LDH抗氧化剂体系对DPPH羟基自由基具有明显的清除作用同时可以氧化促进Cu2+螯合作用。进一步构建运动性疲劳小鼠模型，体内抗疲劳实验研究表明，与单纯药物叶酸组和对照组相比，叶酸-LDH可以延长小鼠游泳的时间，叶酸-LDH纳米药物更有效地降低血尿素氮(blood urea nitrogen, BUN)和血乳酸(blood lactic acid, BLA)，并增加肌肉和肝脏糖原水平。这些结果提示叶酸-LDH纳米载药体系或许可作为抗氧化营养补剂用于增加运动耐力，促进运动性疲劳的恢复[41]。纳米技术针对传统运动营养补剂存在的一些问题，结合纳米载药体系控释、缓释以及提高作用靶向性的优势，合成性能优良的纳米药物新剂型，为纳米药物在运动医学领域的应用提供了新的思路，为开发出抗运动性疲劳的纳米营养补剂提供有价值的研究基础。

4 展 望

目前纳米载药在生物医学领域中的应用已经取得了一定的进展，但是国内外关于纳米载药在运动损伤领域中应用的研究还不是很多，距将这些纳米载药体系大范围、系统地运用到运动实践中仍有一定距离。此外，虽然纳米载药在体内及体外研究中均表现出良好的治疗效果、抗菌功能等[42]，但临床研究样本相对较少，在今后的研究中，一方面充分利用纳米材料比表面积大、稳定性好等优良特性，针对不同运动损伤的具体特点，对纳米载药体系的药物释放特性进行评估，另一方面还应该加强对纳米载药体系毒副作用的研究，确保其安全性和有效性[43]。未来，纳米载药体系在运动损伤领域的研究中将发挥越来越重要的作用，为运动性损伤的治疗方法提供实践基础，同时纳米载药体系的进一步发展也会为运动医学其他领域如运动医务监督、医疗体育等方向的发展提供新的机遇。