新型非浸潤模板法制備抗癌載藥微粒的研究進(jìn)展

羅 琳，王運(yùn)燦，王天強(qiáng)，郝建原，劉 鈺

（1 電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院，四川 成都 610054；2 電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件 國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610054）

在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，基于納米聚合物微粒的納米醫(yī)藥技術(shù)是近年來的研究熱點(diǎn)，它們在藥物輸送、疾病診斷、基因治療等方面都展現(xiàn)了非凡的治療效果。不同的制造技術(shù)對合適的材料進(jìn)行加工，能夠得到不同形態(tài)種類的納米微粒。如自組裝技術(shù)能夠獲得納米膠束[1]、囊泡等[2]，乳液法或反乳液法能夠制得納米微粒[3]，而微流體技術(shù)則可以獲得非球形形態(tài)的奇異微粒[4]。雖然這些技術(shù)都在力圖對制造微粒的尺寸和形態(tài)進(jìn)行控制，但只能實(shí)現(xiàn)對其某一方面的有限調(diào)控，無法同時(shí)對微粒的尺寸和尺寸分布、形態(tài)、組成等各方面進(jìn)行精確控制。2005年，Rolland 等[5]開發(fā)了一種新的“自上而下”微粒制造技術(shù)，即非浸潤模板微粒印制技術(shù)（PRINT，particle or pattern replication in non-wetting templates）能夠獲得單分散的納米微粒，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)對其形態(tài)、尺寸和組成的多方面精確控制。該技術(shù)是一種“自上而下”的微粒制造技術(shù)，通過現(xiàn)代光刻技術(shù)制造硬模板，再采用軟模板二次印制方式來制造納米微粒。與微流體技術(shù)不同，該技術(shù)以含氟材料為模板，其微結(jié)構(gòu)的形貌可控性強(qiáng)，能夠制造出微流體技術(shù)無法獲得的納米微粒。近年來，PRINT 技術(shù)被進(jìn)一步延伸用來制造納米陣列，在太陽能電池領(lǐng)域也顯示了良好的應(yīng)用前景。本綜述將主要介紹PRINT 技術(shù)的原理和微粒制造過程，并就其在生物醫(yī)藥方面應(yīng)用的最新進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 非浸潤模板微粒印制技術(shù)（PRINT）原理

PRINT 技術(shù)的工作原理如圖1 所示[6]，其工藝流程包括3 個(gè)部分：硬模板制備、軟模板制備和納米微粒的印制。首先，通過現(xiàn)代光刻技術(shù)制備硅片硬模板（圖1 中灰色部分），模板上刻有與印制粒子尺寸和形態(tài)相應(yīng)的凹凸圖案；其次，將含氟聚合物的液態(tài)前體涂敷在硬模板上，待其交聯(lián)固化后脫模，得到與硬模板圖案具有對應(yīng)關(guān)系的軟模板（圖1 中 綠色部分）；最后，將目標(biāo)材料的液態(tài)前體（圖1中紅色部分）涂敷在光滑基片上，以軟模板為印章進(jìn)行壓印，利用含氟材料的低比表面能的特點(diǎn)將多余液體通過擠壓排出，待留在空腔內(nèi)的液體固化后脫模，即可得到設(shè)計(jì)所需要的單分散的具有特定尺寸的納米微粒。

圖1 非浸潤模板法印制微粒流程圖[6]

2 通過PRINT 技術(shù)制備得到的納米粒子

PRINT 技術(shù)在控制粒子尺寸和形態(tài)上具有獨(dú)特的優(yōu)勢，是一種應(yīng)用廣泛的納米微粒制造技術(shù)。該技術(shù)目前已被用來制造具有不同粒徑、不同形態(tài)、多種材料的單分散納米微粒，PRINT 技術(shù)制造的粒子上、下兩面一般為平面，其橫截面可以為任意設(shè)計(jì)的形狀，從而能夠得到柱狀、細(xì)絲狀、四方體、立方體、中空六方體、橢球體、回力棒狀等不同形態(tài)的奇異粒子，見圖2。此外，通過控制硬模板制造過程中的光刻工藝，使模板上孔穴的底面為曲面，或側(cè)面為斜面，則可以得到類球體或錐狀的納米粒子。從理論上講，借助于現(xiàn)代光刻技術(shù)，PRINT 技術(shù)能夠制造具有任意形態(tài)的單分散粒子。

圖2 PRINT 技術(shù)制得的不同形態(tài)、尺寸以及表面化學(xué)性質(zhì)不同的微粒SEM 圖[7]

由于軟模板氟材料的不親水不親油、不被有機(jī)溶劑溶脹、極低表面能等特點(diǎn)，PRINT 技術(shù)在控制粒子尺寸方面具有非凡的表現(xiàn)，能夠獲得具有極小尺寸的納米微粒。Maynor 等[8]采用PRINT 技術(shù)制造了60 nm 的腺病毒微粒、45 nm 的聚合物膠體粒子和高度為2 nm 的單壁碳納米管。硬模板技術(shù)在制造長徑比很高的棒狀納米粒子上具有明顯優(yōu)勢，但無法獲得其它形態(tài)的粒子。微流體技術(shù)與光刻技術(shù)（CFL、SFL）結(jié)合后，大大提升了對粒子形態(tài)的控制能力，但只能制造3～100 mm 尺寸范圍的各種形態(tài)的粒子，無法獲得納米尺寸的粒子[9]。因此，PRINT 技術(shù)是目前唯一的能夠在納米尺寸范圍制造任意形態(tài)粒子的方法。

PRINT 技術(shù)的模板印制特點(diǎn)使得對印制材料的種類和粒子固化的方法具有廣泛的適應(yīng)性。PRINT 技術(shù)能夠制造尺寸和形態(tài)精確可控的PEG凝膠、PLA、PLGA、蛋白（白蛋白[10]、牛血清蛋白[11]、胰島素[12]）等各種材料的微米和納米粒子。最近，PRINT 技術(shù)被用來制造各種環(huán)境響應(yīng)的凝膠粒子，包括含有二硫鍵的酶響應(yīng)凝膠粒子[13]，含有硅酯鍵的酸響應(yīng)粒子[14]，含有Fe3O4粒子的磁響應(yīng)凝膠[15]，見圖3。

圖3 PRINT 技術(shù)制得的不同長徑比細(xì)絲狀PEG 水凝膠 微粒SEM 圖[12]

PRINT 技術(shù)的粒子固化方法包括化學(xué)方法和物理方法?；瘜W(xué)方法也即從液態(tài)單體到固態(tài)聚合物的過程，所使用的聚合方法包括雙鍵光引發(fā)聚合、雙鍵熱引發(fā)聚合、交酯的開環(huán)催化聚合、酸催化聚合等[14]；物理方法一般是從液態(tài)溶液到固態(tài)材料的過程，溶劑去除的方法包括溶劑揮發(fā)法、冷凍干燥法等[11]。如PLA 和PLGA 微粒的制造，它們分別 可采用交酯的開環(huán)催化聚合和溶劑揮發(fā)法來固化。PLA 和PLGA 都具有良好的生物相容性和生物降解性，在可吸收醫(yī)療器械和藥物控制釋放領(lǐng)域有重要用途。單分散的PLA 微粒制造時(shí)，先將丙交酯單體和辛酸亞錫催化劑混合、升溫到110 ℃，待混合物融化后用軟模板壓印；在壓印狀態(tài)下保溫若干時(shí)間，直至孔穴內(nèi)的單體聚合反應(yīng)完成；最后將軟模板與基板分離、脫模，即可得到與設(shè)計(jì)尺寸一致的200 nm 的柱狀粒子[16]。PLGA 微粒的制造與PLA 不同，其原料為PLGA 聚合物，而非相應(yīng)單體，溶劑去除方法采用真空揮發(fā)法。先將PLGA 聚合物溶解在DMF 溶劑中，采用刮涂法涂敷在PET 基板上，待溶劑揮發(fā)后得到PLGA 薄膜；其次，用軟模板壓印PET 基板上的PLGA 薄膜，經(jīng)層壓機(jī)高溫處理后，PLGA 熔體在毛細(xì)管力的作用下充滿軟模板的孔穴；最后，將軟模板與PET 基板分離，使用另一涂有聚乙烯醇的高表面能的基板與軟模板壓印，使粒子轉(zhuǎn)移到高表面能的基板上，再使用蒸餾水將基板上的聚乙烯醇溶解后即可得到PLGA 微粒[17]。

PRINT 技術(shù)中粒子固化方法的多樣性和固化條件的溫和性為原位裝載各種活性組分提供了便利。在各種固化方法中，雙鍵的紫外光固化方法和物理固化方法條件較為溫和，可用來裝載各種活性組分，包括阿霉素、親和素、紫杉醇、人轉(zhuǎn)鐵蛋白、多西他賽、SiRNA 等。Dunn 等[16]采用PRINT 技術(shù)，將CY-3 熒光染料標(biāo)記的阿霉素裝載在PEG 的凝膠微粒中，然后與熒光標(biāo)記的生物素溶液反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)親和素和生物素結(jié)合狀況良好。這說明PEG 凝膠微粒固化時(shí)所采用的紫外光固化條件較為溫和，對活性組分的活性影響不大。

3 PRINT 技術(shù)在抗癌藥物領(lǐng)域的應(yīng)用

PRINT 技術(shù)對微粒尺寸形態(tài)的精確控制性是之前很多技術(shù)無法比擬的，并且PRINT 技術(shù)具有良好的生物相容性，更能靈活應(yīng)用，可以制備多種不同的載藥微粒。

3.1 常規(guī)抗癌載藥微粒

聚合物微球[18]、納米微粒[19]、脂質(zhì)體[20-21]、固體類脂納米粒[22]等微粒載藥體系能夠提高藥物利用率，同時(shí)降低毒副作用。因此，將阿霉素、紫杉醇等抗癌藥物封裝在聚合物微粒中，以顆粒給藥方式作用于病體，達(dá)到延長循環(huán)時(shí)間，增加藥物吸收的目的。PRINT 技術(shù)能夠?qū)⒚顾氐瓤拱┧幬镅b載在微粒中，同時(shí)，PRINT 技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)微粒尺寸、形態(tài)、組成的精確控制，能夠根據(jù)不同腫瘤組織和細(xì)胞對攝入微粒尺寸的限制，從而設(shè)計(jì)制作不同尺寸形態(tài)的載藥微粒。Enlow 等[17]利用PRINT 技術(shù)，制得聚乳酸（PLA）以及聚乳酸羥基乙酸（PLGA）抗癌載藥微粒。圖4 為裝載有不同比例抗癌藥物PLGA 微粒SEM 圖。PRINT 技術(shù)由于其良好的生物相容性，除以上詳細(xì)列舉的抗癌類藥物裝載外，該技術(shù)還能夠應(yīng)用到更多可控形態(tài)的藥物制備中。并且由于人體器官對不同形態(tài)，特別是不同高寬比微粒的吸收效益不同，PRINT 技術(shù)剛好可以“量身定制”不同形態(tài)、尺寸的微粒直接作用于病變部位，這也是其它微粒制備技術(shù)難以比擬的。

圖4 裝載有不同含量紫杉醇的PLGA（200 nm×200 nm）柱狀微粒SEM 圖[17]

3.2 酸敏感載藥微粒

原藥在給藥前是不活潑分子，但是在特定生理?xiàng)l件刺激下原藥能夠通過代謝或者自發(fā)分解成為活性藥物[23]。癌細(xì)胞[24]、發(fā)炎組織以及腫瘤組織[25]周圍為酸性環(huán)境，對原藥起到催化降解的作用，藥物催化降解后沉積在組織或細(xì)胞附近，因此極大地增強(qiáng)療效并降低非病變組織對藥物的吸收?，F(xiàn)已有大量科研工作致力于酸敏感原藥開發(fā)，包括腙類有機(jī)化合物[26]、三苯甲游基[27]、乙烯基醚[28]、聚縮 酮[29]等，但這類材料具有缺乏可調(diào)性，殘留有毒副產(chǎn)物并且需要繁瑣的合成步驟等缺陷。硅基醚類化學(xué)試劑能夠在酸性環(huán)境下降解，從而直接作用于病原體組織。由于硅基醚硅原子上不同取代基的位阻效應(yīng)不同，可根據(jù)需求得到不同降解速率的硅基醚。非對稱不同雙官能團(tuán)聚硅醚原藥與納米微粒連接，在酸性環(huán)境下藥物被釋放出來并作用于病原體。這類新型藥物能夠被應(yīng)用于大量生物材料領(lǐng)域，包括：藥物轉(zhuǎn)載、組織修復(fù)和外科手術(shù)縫合線等。Parrott等[14]通過PRINT 技術(shù)能夠得到尺寸、形態(tài)組成精確可控的硅基醚類微粒（圖5）。不同形態(tài)的微粒作用于病原細(xì)胞或發(fā)炎組織等酸性組織，具有不同的降解速率，從而實(shí)現(xiàn)藥物的可控釋放。聚硅基醚酸性靶向抗癌藥物在Hela 細(xì)胞內(nèi)降解實(shí)驗(yàn)可采用激光共聚焦顯微鏡監(jiān)測。帶有綠色熒光染料可降解聚硅基醚與Hela 細(xì)胞孵育24 h 后，發(fā)生溶脹、破碎和完全降解，其分別可由圖5[14]所示。帶有紅色熒光染料的不可降解聚硅基醚與Hela 細(xì)胞孵育24 h 后保持原來的尺寸和形態(tài)，完全沒有被細(xì)胞環(huán)境所改變。由此可以得出，在同樣的酸性環(huán)境中，不同的硅基醚酸敏感材料表現(xiàn)出不同的降解性能，結(jié)合PRINT 對載藥微粒形態(tài)尺寸可控的優(yōu)勢，相信該技術(shù)在載藥微粒在生物體內(nèi)的靶向運(yùn)載研究領(lǐng)域?qū)⒕哂芯薮蟮那熬啊?/p>

圖5 由PRINT 技術(shù)制備的酸響應(yīng)微粒SEM 圖

圖6 可降解聚硅基醚六角螺帽狀（綠色）微粒與不可降解聚硅基醚六角螺帽狀（紅色）微粒在Hela 細(xì)胞內(nèi)化過程中的不同狀態(tài)激光共聚焦顯微圖[14]

4 結(jié) 語

隨著科技的發(fā)展，對微粒尺寸、形態(tài)和組成多樣化的要求越來越高。單分散、形態(tài)可控的微粒在生物載藥、電子領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用，極大地推動(dòng)了科技的發(fā)展。然而，沒有一種標(biāo)準(zhǔn)的微粒制備方法能夠滿足所有微粒的制備要求。硬模板法可以制備高寬比微粒，卻不能制備各種不同形態(tài)微粒。微流體微粒制備方法可能是最能廣泛制備各種形態(tài)、組成微粒的方法。并且，光刻技術(shù)提供了高分辨率、微米或納米級(jí)尺寸圖案，但是昂貴的儀器成本阻礙了其成為大量制備微粒的有效方法。因此多種方法聯(lián)用、相輔相成、克服相互不足之處將是微粒制備方法的發(fā)展趨勢。PRINT 技術(shù)有效地將微電子領(lǐng)域硅基片光刻技術(shù)與聚合物光固化相結(jié)合，可對同一硅片重復(fù)利用，有效節(jié)約工藝成本。含氟聚合物復(fù)制硅基片圖案光固化成膜具有良好生物相容性從而應(yīng)用于抗癌藥物制備領(lǐng)域，但現(xiàn)有的研究還停留在少數(shù)幾種抗癌藥物上，未來，該項(xiàng)技術(shù)將致力于更多、更廣泛的抗癌藥物制備上。同時(shí)，多種形態(tài)、尺寸的載藥微粒的成功制備，也將為細(xì)胞及組織對藥物的降解、吸收的理論研究提供依據(jù)。PRINT 技術(shù)的優(yōu)勢在于對微粒材料零損傷，制備方法簡便，應(yīng)用廣泛，但是，更小線寬、更高分辨率以及更寬廣的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑹荘RINT 技術(shù)今后不斷開拓的目標(biāo)。

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