纳米微球表面特性对载药性能影响的研究进展

孔金龙，张瑜，朱亚萍，刘志远，张镭，程杰，崔景强

（1.河南省医用高分子材料技术与应用重点实验室，河南驼人医疗器械集团有限公司，河南 长垣；453400 2.甘肃省医疗器械检验检测所，甘肃 兰州 730070)

1 绪论

随着纳米技术的发展和高分子材料学的进步，越来越多的具有优良性能的纳米材料被筛选出应用于生物，医药领域。现有纳米药物载体多以纳米脂质体、固体脂质纳米粒、金属纳米粒子、纳米微球为主要研究对象，适用于不同的给药途径，同时多样化的载药方式增加了其体内稳定性和提高了药物利用度[1]。纳米微球具有比表面积大，表面反应活性高，缓释控释药物和靶向释药等优点而备受青睐[2]。这些优势使得纳米载药微球在疾病治疗，尤其在癌症治疗中突显出了极大的应用潜力，深受科学家的青睐，并成为近年来研究的热点之一。

现阶段，对于纳米载药微球的应用研究虽取得了一些进展，但大部分纳米药物载体临床试验结果并不乐观，这限制了纳米载药材料的广泛应用[3]。对此，如何进一步提高纳米载药微球的治疗效果仍然是亟待解决的关键科学问题。纳米载药微球具有多种特性（如尺寸[4]、电荷[5]、磁性[6]、亲疏水性[7]、表面化学[8]等），在与生物体接触后的的相互作用中，这些特性显著影响其体内命运。当前对纳米微球载体的尺寸、形貌、刚度、表面电荷以及拓扑结构等方面进行研究以明确其与生物学行为之间的相关性，从而达到更好的给药效果和有效的跨膜药物输送的目的是建立纳米药物设计指南和提高肿瘤治疗效果的有效手段。

2 微球表面物理特性对载药影响的研究进展

2.1 尺寸对纳米微球载药的影响

药剂学上对于微球（microspheres）的定义是指粒径范围在1～500 μm的微小球状实体，粒径小于500 nm的通常称为纳米球（nanospheres）或纳米粒（nanoparticles），纳米级的微球更容易被细胞膜内化。前人的很多工作证明了纳米材料的尺寸会影响细胞的摄取[9～10]。Chithrani等[11]以金纳米颗粒为模型，研究了细胞对直径14～100 nm的纳米材料的内化效果，他们发现在微粒直径50 nm左右的区间内细胞对其摄取量最优，其他无论粒径增大还是减小都会降低细胞摄取（图1）。而Win[12]等人研究发现，CaCo-2细胞对聚苯乙烯纳米材料的摄取量最多的粒径尺寸为200 nm。因此，对于纳米微球的尺寸来说，不同细胞对不同纳米材料的摄取，很难找出一个最好的尺寸范围，但是不可否认细胞对于尺寸不同的纳米颗粒的摄取具有选择性。

2.2 形貌对纳米微球载药的影响

此外，纳米材料的形貌也是影响细胞摄取的一个重要因素。类比将药物输送到皮下层和肌肉的针头和注射器，在平板硅片上刻蚀出几百纳米长度的微针，并具有非常锋利的尖端，可以穿透皮肤的表皮和上层真皮进行药物输送[13～14]。Mitragotri[15]等人制备了不同形貌的聚苯乙烯纳米材料，研究了尖端为球状和针状的形貌对细胞摄取的影响。他们选用尺寸为1 μm的球状和针状纳米材料装载siRNA，共聚焦显微镜下观察发现针状纳米材料装载siRNA孵育的细胞内，红色荧光信号要高于球状纳米材料装载的siRNA的荧光信号（图2）。Jain[16]等制备的两种类似的纳米棒状材料也得到了相同的结果，通过模拟材料在胶原凝胶和肿瘤内的扩散和运输发现，表面更尖锐的棒状材料更容易在凝胶和肿瘤组织中扩散。几乎所有的实验数据都说明更加尖锐的针状头部的纳米材料更容易被细胞摄取，研究人员认为，这可能是由于针状的纳米材料可能会直接穿过细胞膜进入细胞，并且有利于细胞的内吞作用实现从而获得更好的药物治疗效果。

2.3 刚度对纳米微球载药的影响

近年来，研究人员发现纳米载体表面刚度能够改善传统化疗药物的药代动力学以及药物内化分布，增强纳米药物肿瘤靶向性并降低化疗药物对正常组织的毒副作用[17～18]。杨祥良[19]团队的研究结果指出肿瘤细胞来源微颗粒的力学性能如表面刚度、变形能力同样显著影响纳米药物的药效学与药动学行为。纳米微球在进入体内循环的过程中首先一个阶段是纳米药物载体刚与细胞发生接触，在这个过程中软的纳米药物载体更容易规避巨噬细胞的摄取，避免被体内免疫系统清除，有更高的机会到达肿瘤部位。并且软的纳米药物载体具有更优异的变形能力，可以穿过肿瘤细胞间的间隙实现深部渗透。而Hui[20]等人制备了硬度不同的两种二氧化硅纳米载药微球，如图3所示，纳米微粒的硬度可能影响其通过不同组织生物屏障的能力，当暴露在肿瘤环境中时，坚硬的纳米微粒往往聚集在边缘区域，而软的纳米囊可能会穿过细胞间隙，并且在肝脏和脾脏中渗透得更深更多。以上两组实验的结果对于未来基于表面刚度的纳米微球药物传递系统的设计中，应该仔细考虑它们的力学性能，以产生既具有更高的肿瘤靶向性，又对受体具有更高选择性的纳米药物载体。

2.4 表面电荷对纳米微球载药的影响

由于某些药物表面带有电荷，可以在纳米材料表面带有相斥电荷来更容易使其与材料接触，从而提高细胞摄取量。Khafagi[21]等制备了含有四氧化三铁的超顺磁性二氧化硅纳米微球，并在表面结合羧基，再将抗癌药阿霉素和顺铂通过氢键和配位键的作用负载在粒子上，两种药物载药效率均超过60%，能有效地将阿霉素和顺铂导入MCF-7细胞，在正常血液条件下有缓释特征，并在体外表现出较强的抗肿瘤活性。

Li[22]等利用氧化石墨烯(rGO)-聚合物自组装膜作为载体的新型可控载药系统（图4），将聚赖氨酸(PLL)和聚天冬氨酸(PASP)交替组装在rGO薄片周围，通过静电相互作用负载带负电的阿霉素。通过负载膜的数量即电荷量多少可以有效控制药物的包封率和浓度。细胞摄取和细胞毒性实验表明，该药物纳米复合材料具有有效的抗癌活性，并且在负载3层聚赖氨酸和聚天冬氨酸薄膜之后对HeLa细胞的杀伤效果达到最佳。

2.5 拓扑结构对纳米微球载药的影响

近年来在设计优化纳米药物载体时发现表面拓扑结构的改变可以促进细胞摄取，纳米材料表面拓扑结构对细胞摄取影响也得到了关注[23～24]。Yu[25]等在SiO2微球表面模拟病毒表面的不同拓扑结构，制备了粗糙度不同的纳米颗粒，对比光滑表面的同材料纳米颗粒在细胞内的摄取数量，表面粗糙纳米材料在细胞内的数量比光滑表面颗粒数量提高了大约1倍。之后他们把荧光染料和用于疾病治疗的siRNA导入到微球中，可以看到粗糙表面的装载量也比表面光滑的纳米材料要多，可以对后续的影像成像效果和疾病治疗效果得到相应提高。

于彩桐[26]等人研究了不同形貌的NPAPF二氧化硅微球对KB细胞内吞影响机制。他们发现改变表面粗糙度会使原本依赖网格和小窝蛋白协同介导的内吞机制改变为不依赖网格和小窝蛋白介导的内吞机制，而且由于内吞机制的变化，使得纳米微球进入细胞后可以逃逸溶酶体的捕获、不易被细胞“清除”出细胞外。以上实验中选择的材料的表面拓扑结构都是不规则的，为以后探究纳米材料的拓扑结构对细胞摄取机制的影响，具有十分重要的作用。

3 展望

纳米技术给各领域带来了新一轮的技术革命，在医学方面更是有着非凡的应用前景。随着材料科学和纳米技术相融合并且不断发展，极大地促进了纳米材料的生物相容性以及与各种医药的结合，给癌症诊断和治疗带来了新的希望，各种高分子共聚物微球作为药物缓控释放载体材料已成为研究的热门方向。国内外研究者研制出各种类型的纳米微球共聚物，依托其本身具有的生物相容性和高比表面积，得到性能更加优异的生物医用材料，达到释药速度稳定、高药效、减少用药次数并具有一定靶向性的目的[27～28]。采用纳米药物载体与药物进行结合，一方面可以达到控制药剂量的目的，另一方面可以对病变部位进行针对性的杀伤治疗，减低药物对正常细胞组织的损害。纳米技术虽然尚处于初级阶段，诸如纳米材料在体内的降解性、稳定性、靶向性以及药物与载体结合的稳定性等问题都有待解决。但是相信随着技术的不断创新，对于纳米材料的特性的研究更细致，会制备出更加理想的具有智能效果的纳米药物载体，从而促进临床医学的发展。