基于层层自组装技术纳米载药囊泡的制备及药物递送应用进展

张富珍，FRANK Boadi，刘金娟，和文平

（江苏师范大学 生命科学学院，江苏徐州 221116）

层层自组装技术（Layer-By-Layer self-assembly，LBL）是一种将带相反电荷的聚电解质交替吸附在模板上来制备超薄多层膜结构的方法，该技术由ILER于1966年首次提出[1]，他们将带负电荷的胶体溶液二氧化硅和带正电荷的氧化铝交替沉积到光滑的玻璃表面上从而得到超薄膜。其后该项技术并没有得到新材料领域的重视，直到1992年DECHER等[2]重新提出了这种利用静电力相互作用的层层自组装概念，自此，层层自组装技术的应用迅猛发展，得到越来越广泛的认知、研究和生物医学应用。LBL自组装技术操作方法简单，选材丰富，工作条件温和，环境友好，被广泛应用于制备不同功能化的超薄膜材料，尤其是具有生物活力的薄膜。

随着聚电解质多层膜材料的多样性发展，德国胶体化学与界面科学家Möhwald等于1998年首次提出聚电解质多层膜囊泡型结构材料，该课题组采用自组装技术将聚电解质层层沉积到可溶蚀的胶体颗粒上，得到一定厚度的多层膜后去除胶体模板，最终得到中空的聚电解质多层膜囊泡[3]。聚电解质多层膜囊泡型结构具有选材种类丰富、膜厚度可调等优点，通过无机纳米颗粒、生物功能小分子、有机大分子等物质的掺杂或修饰，赋予多层膜功能化[4]。可生物降解或者生物相容的囊壁材料的中空囊泡型结构是治疗药剂的优良载体，其在新型治疗药剂的研究中备受关注。该方法的提出使层层自组装技术产生了一次质的飞跃，极大地拓宽了自组装技术的研究与应用范围。

本文简要介绍了层层自组装技术、组装机理、多层膜组分材料，讨论了不同修饰类型的多层膜囊泡、封装和释放客体分子的途径，并对聚电解质多层膜微纳米囊泡在药物输送、生物催化、生物发光和癌症治疗中的应用进行了综述。

1 LBL自组装聚电解质多层囊泡

1.1 LBL自组装技术

LBL技术是通过静电相互作用将带有相反电荷的聚阴离子和聚阳离子交替沉积在基板表面，从而形成聚电解质多层薄膜结构。具体过程如图1所示[2]。图1中过程1表示将基板浸入聚阴离子电解质溶液中；2表示洗去多余的聚阴离子电解质，此时基板带负电荷；3是将其浸入带相反电荷的聚阳离子电解质溶液中；4则为洗去多余的聚阳离子电解质的过程。重复上述步骤，从而得到厚度可控的聚电解质多层膜。

图1 LBL自组装技术组装多层膜示意图

1.2 层层自组装技术聚电解质多层囊泡的方法

使用LBL自组装技术、借助胶体粒子模板，制备聚电解质多层膜囊泡具有制备过程简单、易于操作等优点。制备方法为：（1）将模板粒子浸入聚合物A溶液中，保持振荡状态避免粒子交联，一定时间后清洗、去除模板表面多余的A溶液；（2）将吸附A聚合物的胶体粒子浸入B聚合物溶液中，重复上次操作，完成一个双层膜（A/B@模板）的组装；（3）重复上述操作理想次数后得到一定厚度的多层膜[(A/B)n@模板]材料，最后通过化学溶蚀或物理破碎等方法去除模板粒子，得到中空的聚合物多层囊泡。

1.3 成膜驱动力及材料

基于层层自组装技术制备聚合物超分子薄膜材料，静电力作用是最常见的驱动力之一，是带不同电荷的聚电解质分子之间非特异性的静电相互作用。在LBL组装中通过静电相互作用，将带相反电荷的聚电解质交替沉积在带负电荷的平面模板表面，从而获得多层膜。除此之外，驱动力还包括共价键、氢键、抗体-抗原相互作用以及电荷转移相互作用等多种作用力。利用层层自组装技术制备功能性多层膜选材种类丰富，包括天然的聚合物、生物相容性多糖类物质等，如壳聚糖、海藻酸钠，生物大分子，以及修饰功能的无机、有机纳米颗粒、纳米粒子、蛋白质、DNA、磷脂、染料以及金属离子等。通过对聚电解质多层膜结构不同的修饰，可使其具有特定功能，包括从简单小分子到大分子再到仿生概念的提出。

1.4 模板

通过层层自组装技术制备独立的、功能化多层膜需要借助模板粒子，囊泡的形状结构也取决于模板颗粒。模板在整个组装过程中不仅起支撑作用，还可作为药物载体，提高载药量以及封装疏水性药物。近年来，多以胶体微粒子为多层膜材料的模板，包括有机高分子化合物，如聚苯乙烯微球（PS）、三聚氰胺甲醛（MF），无机纳米颗粒四氧化三铁（Fe3O4）、二氧化硅粒子（SiO2）以及生物可降解的纳米碳酸钙（CaCO3）微球等，甚至以生物分子或细胞个体作为模板。例如，以益生菌乳酸杆菌为模板，将生物相容性多糖壳聚糖和海藻酸盐为囊壁材料制备的多层膜包覆的乳酸菌可增强其在肠道中的黏附性；将装载抗癌药物阿霉素的脂质体作为囊泡模板，制备透明质酸和聚β-氨基酯多层膜靶向递送抗癌小分子药物平台。

2 聚电解质多层膜囊泡装载药物及释放研究

2.1 载药方式

基于层层自组装方法制备的聚电解质多层膜囊泡装载药物的方式主要有预封装和后封装两种。预封装法是将装载的药物分子吸附在模板颗粒表面或直接以药物颗粒为模板；后封装法是先制备聚电解质多层膜囊泡，然后通过调节多层膜的渗透性使药物小分子装进囊泡空腔内。具体封装方法如下。

2.1.1 牺牲模板法

牺牲模板法以制备载药模板为出发点，相对于后封装药物的方法，该模板或具有多孔结构如碳酸钙、介孔二氧化硅胶体粒子等，亦或与药物分子混合形成稳定、均匀的整体，如水凝胶粒子，然后利用LBL技术将用于成膜的聚合物分子交替吸附到载药模板上，通过煅烧法或溶蚀法去除模板，得到载药的聚合物多层膜囊泡材料。研究表明，牺牲模板法制备的载药模板可以装载各种类型的治疗性分子，包括酶[5]、低分子药物[6]、蛋白质和DNA[7]等。

2.1.2 药物模板法

临床上使用的某些治疗药物分子量较大、水溶性差，通过渗透法难以对其进行封装，直接以药物为模板，将载体多层膜修饰在药物颗粒物表面，可有效提高药物在介质溶液中的溶解度，提高药物使用率。例如，以疏水性药物颗粒紫杉醇、姜黄素和地塞米松为核心形成晶型模板，使用阳离子硫酸鱼精蛋白（PS）和阴离子牛血清白蛋白（BSA）为多层膜材料，制备了性能稳定的姜黄素纳米胶体颗粒[8-9]。通过LBL法制备的多层膜材料对药物分子的封装，不但能够改善其溶解性，调控药物缓释途径，增强药物的利用效率，而且能够降低药物参与机体内循环时微环境对药物性能的影响，通过对多层膜功能化修饰，主动靶向运输亦能极大降低用药副作用。

此外还有渗透法载药，由于制备的聚电解质多层膜囊泡改变外部条件可调节其通透性，从而使药物分子封装进囊泡。

2.2 药物释放途径

控释给药系统在疾病治疗中发挥着重要作用，在达到治疗效果的同时应减少药物剂量，降低副作用。由于聚电解多层膜囊泡结构和性质的可调控性，通过控制组装的循环次数及组装的材料，从而控制囊泡的厚度、渗透性等性质，可为药物控释提供条件。目前已经设计出不同刺激响应的LBL聚电解质囊泡，通过外部刺激来达到药物释放的目的。

2.2.1 pH响应

环境pH值的变化对由弱聚电解质组成的多层膜囊泡的渗透性、稳定性等有显著影响。LUO等[10]设计了一种具有pH响应型的药物递送系统，用脂质体装载客体分子抗生素（Spe）作为LBL芯材，在其表面交替沉积具有pH敏感聚阳离子聚合物β-氨基酯（PBAE）和聚阴离子聚合物海藻酸钠（NaAlg），从而形成负载抗生素具有pH响应功能的囊泡。这些载药囊泡经静脉注射沉积在肺部感染部位后，由微环境中的酸引发释放药物，达到消除肺部感染的目的。

2.2.2 磁响应

通过磁性生物聚合物纳米平台进行远程辅助药物递送已被用作改善疏水性药物的递送、释放并解决其低载货能力的重要工具。有研究表明，在应用交变磁场后，合成的聚电解质囊泡具有远程递送、释放姜黄素的能力，能够提高药物利用效率并降低毒性，表现出由外部交变磁场远程触发的可控药物释放。WU等[11]通过层层自组装过程设计了聚合物修饰的Fe3O4（显示出良好的药物载体，能够装载DOX分子），成功制备出具有良好药物释放能力的磁性药物递送系统。

2.2.3 超声响应

超声作为一种刺激响应药物释放触发的因素之一，其通过调整频率、占空比和暴露时间调节组织穿透深度实现药物递送。超声是一种非入侵性、无电离辐射触发因素，可以通过空化现象或辐射力引起的热或机械效应从载体中释放药物。NOVOSELOVA等[12]开发混合纳米囊泡，其中封装磁铁矿和花青素标记的牛血清蛋白（Cy7-BSA），利用高强度聚焦超声（HIFU）诱导囊泡释放标记蛋白Cy7-BSA，实验证明该复合囊泡在体内具有远程可控定向释放封装物。

3 生物应用

聚电解质多层膜的可修饰性强，囊泡结构具有负载能力，在药物递送、生物传感、微反应器等相关领域具有广泛的应用潜力。

3.1 药物递送

药物递送是指在空间、时间、剂量上全面调控药物在生物体内的分布，旨在恰当时机将适量药物递送至目标位置，从而增强药物利用率、提高疗效、减少毒副作用。近年来，临床医学对提高药物有效性、降低不良副作用和耐药性的需求日益增加，药物递送载体的设计备受关注。姜黄素（CUR）是一种天然的疏水性多酚，因具有抗炎、抗氧化和抗癌等特性而被广泛研究，但其难溶于水，且不稳定，在临床应用中受到了一定的局限。有研究人员发现将CUR封装在聚合物纳米囊泡中，能有效提高其溶解性、稳定性和生物利用率[13]。

3.2 生物传感器

生物传感器是一类特殊的传感器，其以生物活性单元（如酶、抗体、核酸和细胞等）为生物敏感单元，具有简单、快速、准确地监测生物标志物的特点，在疾病的早期诊断和治疗中至关重要。CORREIA等[14]基于LBL自组装技术，使用改性铟锡氧化物（ITO）电极交替沉积的聚烯丙胺盐酸盐（PAH）和叶酸（FA）制备生物传感器，通过细胞表面的叶酸受体α（FRα)与固定在电极上的FA分子之间的特异性相互作用，将肿瘤细胞与正常细胞区分开，该生物传感器的电化学响应与肿瘤细胞浓度呈现线性关系，且具有较高的灵敏度。

4 结语

基于LBL技术、依托模板法制备的聚电解质多层膜材料具有成膜选材丰富、膜厚度精确可控、膜性能和结构可调及制作工艺简单等优点，已广泛应用于制备各种生物活性薄膜材料。基于球形胶体颗粒模板制备的中空结构的囊泡型材料具有装载功能性无机、有机纳米颗粒的腔室，多层膜结构亦可负载或掺杂目标小分子，在药物靶向递送、调控释放、生物传感、微反应器以及荧光成像等方面得到广泛应用。近年来，多层膜材料在生物医药方面应用广泛，且已取得了丰富的研究成果，但仍存在许多不足。目前基于功能化多层膜的研究多在基础实验室模拟自然水域环境、体外细胞环境或者小动物模型等，复合膜材料的量化生产、在自然界及临床的应用推广仍存在局限；制备多层膜的过程中，聚合物溶液浓度严格把控，装载药物浓度设定、修饰性分子的用量等存在成本投入高的问题；模板的降解条件、膜材料在生物体内的降解排出等安全应用问题有待深入研究。