纳米凝胶的研究进展

杨雪华，李大伟, ，毛楷凡，陈倩倩, ，刘正平, *，毋立华

（1. 山东省药学科学院，山东 济南 250101；2. 山东福瑞达医药集团有限公司 山东省黏膜与皮肤给药技术重点实验室，山东 济南 250101；3. 山东省食品药品审评查验中心，山东 济南 250014）

纳米凝胶，即纳米级的水凝胶颗粒，是由高分子聚合物通过物理或化学交联形成的三维网状系统[1]。纳米凝胶兼具水凝胶和纳米粒的优点：在水中能溶胀并具有一定的黏附性；可将药物包封于其内部三维网络结构中，使药物免受外界环境的破坏；载药量高且具有缓释性；粒径较小从而具有较高的渗透性；有巨大的比表面积可供修饰；具有高的生物相容性和生物可降解性[2]。这些特点使得纳米凝胶作为药物递送载体有广阔的应用前景。本文综述了纳米凝胶的分类、制备方法及应用，以期为纳米凝胶药物的研究提供参考与借鉴。

1 纳米凝胶的分类

根据纳米凝胶的相变触发机制，纳米凝胶可分为普通纳米凝胶和环境响应型纳米凝胶。普通纳米凝胶吸水会发生溶胀，给药及后续的释放行为单一；环境响应型纳米凝胶则是暴露于不同的环境中才会发生溶胀或者消溶，其给药及后续的释放行为会更加智能。常见的环境因素包括温度、pH及光等。

1.1 温度响应型纳米凝胶

温度响应型纳米凝胶均含疏水和亲水基团，其胶凝行为与不同基团和水之间的作用有关，如负温度敏感型纳米凝胶在环境温度低于临界溶液温度时，水和亲水性基团之间形成氢键，纳米凝胶处于溶胀状态，当温度高于临界溶液温度时，疏水性基团之间的疏水相互作用占主导地位，纳米凝胶三维结构被破坏而发生消溶。已经有研究者制备了基于聚（N-异丙基丙烯酰胺-共丙烯酸）、聚（乙烯基己内酰胺）及普朗尼克等的温度响应型纳米凝胶[3-5]，这些纳米凝胶均可在特定温度下释放药物，达到精准治疗的目的。

1.2 pH响应型纳米凝胶

pH响应型纳米凝胶的三维网格中包含可质子化或去质子化的阴离子或阳离子基团，阴离子基团包括羧酸或磺酸基团，阳离子基团一般有末端氨基[6]。如环境的pH改变，这些基团的不同离子态的比例会改变，继而导致亲水性的变化，最终引起凝胶三维网络结构的改变。健康组织（pH 7.4），胃（pH 1.0～3.0）和肿瘤组织（pH 6.5～7.0）等的pH都不同，因此纳米凝胶对不同pH的响应可使所载药物在特定部位释放。Zheng等[7]通过将甲基丙烯酸化的支链淀粉与对酸敏感的原酸酯改性的普朗尼克进行交联，制备了对酸敏感的纳米凝胶，并将阿霉素作为模型药物封装至纳米凝胶中。结果显示，载阿霉素的纳米凝胶表现出pH依赖性的药物释放，即可在酸性肿瘤组织中释放大量药物，而在正常组织中少释放药物，增强了对肿瘤组织的杀伤并显著降低对正常组织的损伤。

1.3 光响应型纳米凝胶

光响应型纳米凝胶的三维结构中一般含光敏基团，常见的光敏基团有偶氮苯、螺吡喃、邻硝基苄、苯基甲基酯及香豆基酯等[8]。光响应型纳米凝胶受到光的刺激时，内部的光敏基团会发生异构化或光降解，凝胶结构与形态会发生改变，从而释放所载药物并获得所需的治疗效果。还有的光响应型纳米凝胶是含金属粒子的体系[9]。一些金属纳米粒子（如金纳米粒子）具有光热转化能力，因此把一些温度敏感型聚合物和金纳米粒子耦合后制得的纳米凝胶也具有光响应性，即金属纳米粒子先把光转化为热，然后引发温度敏感型凝胶的相变。这种含金属的光响应型纳米凝胶对可见光或红外光敏感，含光敏基团的光响应型纳米凝胶则大部分对紫外线敏感，前者安全性更高。

2 纳米凝胶的制备方法

用于制备纳米凝胶的载体材料主要有丙烯酸类、丙烯酰胺类、多糖类及普朗尼克类。另外，阳离子聚乙烯亚胺、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮及聚乳酸等也用于制备纳米凝胶[10]。纳米凝胶是载体材料通过物理或化学交联形成的。物理交联通过非共价键发生，而化学交联则通过共价键发生。交联方式不相同，纳米凝胶的制备方法也不同。

基于物理交联的纳米凝胶可通过聚合物在水溶液中的自组装制备。聚合物在水溶液中混合后会通过氢键、范德华力、疏水作用力及静电作用等发生交联，形成纳米凝胶。多种天然聚合物可通过物理交联形成纳米凝胶。如胆固醇修饰的支链淀粉通过疏水作用力发生物理交联，就能形成单分散纳米凝胶[11]。乳酸链球菌肽和硫酸软骨素两种带相反电荷的生物大分子，也能通过静电作用交联形成纳米凝胶[12]。这种制备方法操作简便，且因为非共价作用相对较弱，当外界条件改变时，纳米凝胶会被破坏，药物很容易从纳米凝胶中释放出来。

化学交联最常用的方法是自由基聚合技术，包括常规的分散聚合、沉淀聚合和乳液聚合。常规自由基聚合的主要过程为将自由基引发剂、单体及稳定剂等溶解在均相或者非均相系统中，由自由基引发剂引发单体的聚合反应，形成纳米凝胶的三维网络结构。例如，在N-异丙基丙烯酰胺（N-isopropyl acrylamide，NIPAM）单体，乙烯基吡咯烷酮（vinylpyrrolidone，VP），顺丁稀二酸酐改性的聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）和作为表面活性剂的十二烷基硫酸钠的存在下，通过分散聚合制备了基于NIPAM的纳米凝胶，且通过改变 NIPAM、VP和PEG-顺丁烯二酸酐的比例，可使其粒径在9～230 nm之间变化[13]。受控/活性自由基聚合（CRP）技术，如原子转移自由基聚合（atom transfer radical polymerization，ATRP），可逆加成断裂链转移（reversible addition fragmentation chain transfer，RAFT）聚合和稳定自由基聚合（stable free radical polymerization，SFRP），用于合成尺寸精确，组成特定及功能化的纳米凝胶。CRP过程中，正在扩散的自由基迅速陷入失活状态，从而在活性自由基和休眠种间建立了平衡。活性链末端和休眠链末端间的这种快速切换机制提供了活性聚合特性。随后在外界刺激下，休眠种再次被激活从而改变了聚合物的生长中心[14]。纳米凝胶的其他化学交联方法还包括：铜催化的叠氮化物和炔的点击化学反应，硫醇和α, β-不饱和羰基（如丙烯酸酯和马来酰亚胺）的迈克尔加成、醛与胺或酰肼的Schiff碱反应、硫醇-二硫化物交换反应、胺和羧酸或活化酯的酰胺基交联及硫醇的酶催化交联等。如已通过尿激酶的氨基和PEG化的苯甲醛间的一步式Schiff反应，交联生成了蛋白质纳米凝胶，这种纳米凝胶对pH敏感，有望用于蛋白质的细胞内递送[15]。此外，可使用X射线、紫外射线、γ射线，加速离子或电子束辐照聚合物来实现聚合物的交联[16]。总之，通过化学交联法制备的纳米凝胶强度更大，稳定性更好，但制备过程中可能引入单体及表面活性剂，从而产生安全性问题，因此，还需探索更加安全的绿色合成技术来制备纳米凝胶。

3 纳米凝胶的应用

具有水凝胶和纳米粒双重优点的纳米凝胶作为药物递送系统受到了极大关注，其在眼部给药、经皮给药及鼻黏膜给药等方面得到了广泛应用。

3.1 眼部给药

局部给药是用于眼部疾病治疗的最常用的方式，但眼部的生理特点使眼用药物的生物利用度比较低。眼部的生理屏障，鼻泪管的快速引流及泪液流动的稀释作用等都限制了常规眼用制剂的效率。且常规制剂给药次数的增多，也使患者的依从性降低[17]。纳米凝胶具有较强的黏附性，可减少药物渗漏和延长药物的角膜保留时间，同时，较小的粒径也使纳米凝胶具有相对较高的渗透性。为了克服常规眼用制剂的缺点，已有越来越多的研究者将纳米凝胶作为眼部给药的载体。如Moya-Ortega等[18]制备了基于环糊精纳米凝胶的地塞米松滴眼剂，与市售产品Maxidex(R)混悬液（每毫升含1 mg地塞米松）相比，纳米凝胶滴眼液（每毫升含25 mg地塞米松）具有较高的药物载量。动物实验显示，给予纳米凝胶滴眼液后，6 h后泪液中地塞米松的浓度仍保持在大约295 μg/ml，房水中浓度为136 mg/ml，而给予Maxidex(R)后，1 h泪液中地塞米松浓度就下降至9.72 μg/ml，房水中浓度仅为44.4 mg/ml，证明纳米凝胶能提高地塞米松的生物利用度。为解决低溶解性和低稳定性的阿魏酸的眼部递送问题，Grimaudo等[19]制备了阿魏酸眼用纳米凝胶。首先制备了阿魏酸普朗尼克F68胶束，然后将阿魏酸普朗尼克F68胶束添加至透明质酸中，并与ε-聚赖氨酸交联，最后制得阿魏酸纳米凝胶。结果显示，纳米凝胶粒径为300 nm，具有正Zeta电位值，与迅速释放阿魏酸的普朗尼克F68胶束相比，阿魏酸胶束-纳米凝胶可缓慢释放阿魏酸并使阿魏酸有效地蓄积至角膜中，有利于受伤角膜的修复。

3.2 经皮给药

经皮给药既可用于局部疾病的治疗，也可用于其他全身疾病的治疗，具有给药方便，避免药物的首过效应及减少血药浓度波动的优点。但由于皮肤的结构和特点，药物的经皮渗透率一般都比较低，限制了经皮给药的进一步应用，因此亟待开发高渗透率的经皮给药制剂。近年，越来越多的研究者把目光放到了纳米凝胶上。Nor等[20]将温度和pH响应的聚（N-异丙基丙烯酰胺）与5 %（w/v）丙烯酸（acrylic acid，AAc）进行交联，得到聚（NIPAM-co-AAc）纳米凝胶，并使用咖啡因作为模型渗透剂，研究了纳米凝胶在32 ℃下对猪表皮的渗透性。结果表明，与咖啡因饱和溶液相比，载咖啡因的纳米凝胶能更好地透过表皮，增加咖啡因的释放。阿维汀和芦荟大黄素是两种抗银屑病的药物，Divya等[21]使用天然聚合物几丁质，通过简单的再生化学法分别制备了载阿维汀和芦荟大黄素的几丁质纳米凝胶系统。一系列实验证实，该体系对pH敏感，在酸性pH下表现出更高的溶胀度和缓释性，猪皮肤的离体皮肤渗透研究和荧光成像实验也证实该系统中药物具有更高的皮肤渗透性，且在表皮和真皮层的沉积更高。

3.3 鼻黏膜给药

鼻黏膜给药利用鼻腔与颅腔在解剖生理上的独特联系，使得药物绕过血脑屏障进入大脑，成为一种有潜力的脑部疾病治疗新方法。此外，鼻黏膜给药在疫苗的递送中也起到重要作用。纳米凝胶能保护不稳定的药物及疫苗免受降解，提高难溶药物的溶解度，延长药物及疫苗的鼻黏膜滞留时间，且能使药物缓慢释放，已成为鼻黏膜给药中常用的药物载体。如Picone等[22]将胰岛素共价连接到聚（N-乙烯基吡咯烷酮）纳米凝胶上，并通过鼻黏膜给药治疗阿尔兹海默症。结果表明，与游离胰岛素相比，纳米凝胶装载的胰岛素在脑内的活性更高，能更好地激活蛋白激酶B（Akt）从而对阿尔兹海默症起到治疗作用。Fukuyama等[23]也制备了带有阳离子胆固醇基的支链淀粉纳米凝胶（cationic cholesterol-based pullulan nanogel，cCHPNG），并用于肺炎球菌表面蛋白A（Pneumococcal surface protein A，PspA）的鼻内递送。动物实验中，与单独给予PspA相比，cCHP-NG-PspA在鼻腔中的滞留时间更长，能更有效地诱导食蟹猕猴产生具有保护活性的PspA特异性血清IgG和黏膜分泌性IgA，且在嗅球或大脑中未观察到PspA的沉积，证明了纳米凝胶装载的疫苗有效且安全。

4 总结与展望

纳米凝胶的高吸水率，结构可修饰性，高载药量及良好的生物相容性使其成为包括生物大分子药物在内的多种药物的优良的递送载体，且环境响应型纳米凝胶的引入也令纳米凝胶的释药行为更加可控，使其给药更加精准。但由于纳米凝胶在制备时需要除去溶剂，制备成本很高，且放大生产较困难，因此仍需探索更经济的纳米凝胶制备方法。相信随着药剂学及相关学科的发展，纳米凝胶的相关技术会更加成熟，相关研究也会进一步深入，从而开发出更多的纳米凝胶药物。