納米纖維素作為藥物載體的研究進(jìn)展

陳甜甜 何星樺 蔣天艷 劉鵬濤 劉 忠

（天津科技大學(xué)天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300457）

近年來，天然聚合物如海藻酸鹽、殼聚糖、膠原蛋白、淀粉、纖維素等在生物醫(yī)學(xué)方面中的應(yīng)用受到了研究人員的廣泛關(guān)注，發(fā)現(xiàn)其在生物醫(yī)藥領(lǐng)域可以實(shí)現(xiàn)包括藥物輸送、傷口敷料以及組織工程支架等多種功能[1]。其中，纖維素來源廣泛（植物、細(xì)菌、體外合成等），是地球上最豐富的天然高分子材料[2]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)納米纖維素具有生物相容性、生物降解性、可再生性、環(huán)境友好性和低毒性等優(yōu)點(diǎn)[3-4]，可以進(jìn)行多方面的化學(xué)改性以達(dá)到不同的作用目的。本文主要介紹納米纖維素在藥物緩釋體系中作為納米載體材料的應(yīng)用與研究。

1 藥物緩釋系統(tǒng)

藥物緩釋系統(tǒng)（drug delivery system，DDS）就是將藥物與合適的納米載體材料通過不同的物理或化學(xué)方法相結(jié)合，使其能夠延長藥物在機(jī)體內(nèi)的作用時(shí)間，控制藥物分子的釋放速度，提高藥物分子在體內(nèi)的化學(xué)穩(wěn)定性，并可以將藥物選擇性的運(yùn)輸?shù)阶饔貌课?，最終達(dá)到使藥物發(fā)揮最大功效的目的[5]。藥物載體材料是組成藥物緩釋體系的重要組成部分，其性能可直接影響藥物的治療效果和給藥劑量。

采用非載體形式的藥物給藥后，藥物的有效成分在血液中的濃度大幅度上升，但是在機(jī)體清除系統(tǒng)的作用下到達(dá)作用部位并發(fā)揮藥效的成分相當(dāng)少，大部分的有效藥物隨著泌尿系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)被排出體外，使得血液中的有效藥物濃度降低[6-7]。這種給藥方式具有以下明顯的缺點(diǎn)：需要給患者多次用藥，且產(chǎn)生藥物對機(jī)體細(xì)胞的毒副作用；增加了肝腎系統(tǒng)清除藥物副產(chǎn)物的負(fù)擔(dān)；藥物利用率低，導(dǎo)致其成本變高；藥物的有效血藥濃度維持時(shí)間過短，從而造成身體產(chǎn)生耐藥性以及抗藥性，不利于有效的治療。為了改善以上缺點(diǎn)，尋找合適的載體材料是醫(yī)藥領(lǐng)域進(jìn)步必不可少的一環(huán)。

藥物緩釋載體材料一般選用高分子納米材料。主要從以下幾個方面進(jìn)行載體材料的選擇：①是否可以有效控制藥物的釋放；②是否可以降低藥物的毒副作用；③是否可以將藥物輸送到作用部位即實(shí)現(xiàn)靶向運(yùn)輸功能，有效提高藥物對機(jī)體的治療效果；④是否可以增加藥物的穩(wěn)定性，延長藥物的有效作用時(shí)間；⑤是否可以有效地與藥物進(jìn)行結(jié)合，且本身無毒或低毒性以及物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定[5]。

2 納米纖維素在藥物緩釋方面的應(yīng)用

納米纖維素是納米結(jié)構(gòu)纖維素基材料的總稱，根據(jù)其結(jié)構(gòu)、尺寸、來源不同可分為纖維素納米晶體（cellulose nanocrystal,CNC）、纖維素納米纖絲（cellulose nanofibril, CNF）、細(xì)菌纖維素（bacterial nanocellulose,BC）等。

CNC 和CNF 的主要原料來源是木材、棉花、大麻、亞麻、玉米葉[8]、麥秸、甜菜、馬鈴薯塊莖和藻類等。CNC 通常由化學(xué)誘導(dǎo)如酸水解的方法進(jìn)行制備，所得CNC 顆粒直徑為3～10 nm，長度為100～500 nm（來自植物纖維素），或長度為100 nm 到幾微米（來自被膜和藻類纖維素）[9]。CNF 的制備主要采用機(jī)械法或化學(xué)機(jī)械法（即原料經(jīng)化學(xué)或酶預(yù)處理后，再進(jìn)行高壓均質(zhì)或研磨）。多重機(jī)械剪切作用能有效地將纖維素中的單個微纖維分層。與剛性CNC不同，CNF是由交替結(jié)晶和非晶態(tài)纖維素結(jié)構(gòu)域構(gòu)成的單個和聚集的納米纖維，具有軟鏈和長鏈的形態(tài)特征[10]。BC 通常由細(xì)菌（如木醋桿菌）合成。在BC 的生物合成過程中，葡萄糖鏈在細(xì)菌體內(nèi)產(chǎn)生，并通過細(xì)胞膜上的小孔向外擠壓。隨著葡萄糖鏈的結(jié)合，微纖維形成并進(jìn)一步聚集成帶狀形成BC[11-12]。

由于纖維素在化學(xué)改性、物理性質(zhì)和其他多種應(yīng)用方面的靈活性，人們對其進(jìn)行了越來越多的研究。通過對最近幾年的研究分析，本文總結(jié)和討論了CNC、CNF、BC 3種納米纖維素以及其他幾種纖維素衍生物在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展。

2.1 纖維素納米晶體（CNC）

CNC 具有優(yōu)良的生物相容性和低毒性，在醫(yī)藥工業(yè)中常作為藥物輔料，但是在新型載藥系統(tǒng)如作為藥物載體的應(yīng)用研究還比較少。通過酸水解制備的CNC 帶有很高的負(fù)電荷，為了改善其性能，張燕潔等人[13]采用乙二胺四乙酸二酐（EDTAD）酯化法制備多羧基化纖維素納米晶體（ECNC）。該方法不僅可以改善CNC 的分散性，還可以使CNC 表面的羧基含量及羥基取代度可控，此外EDTAD 含有豐富的羧酸官能團(tuán)，可以延長順鉑在血液中的循環(huán)時(shí)間而不影響其療效，大大拓寬了CNC的應(yīng)用領(lǐng)域。

Poonguzhali 等人[14]采用溶液澆鑄法制備了負(fù)載氨芐西林的海藻酸鈉和CNC 的復(fù)合膜（ALG-CNC）。將海藻酸鈉溶解于去離子水中，再加入0.5%的CNC 和1%氨芐西林，將混合物充分?jǐn)嚢韬笕コ龤馀荩缓笤谑覝叵聦⒒旌先芤簼茶T在涂層板上使其成膜后測定其性能和藥物釋放速率，并與不含CNC 的樣品進(jìn)行了對比。研究結(jié)果表明，含CNC 的海藻酸鈉膜對氨芐西林的釋放時(shí)間高于不含CNC 的膜，可持續(xù)釋放藥物500 min 以上，且在堿性介質(zhì)中具有較好的溶脹性能。Lin等人[15]研制了pH敏感的CNC/海藻酸鈉微球控釋系統(tǒng)，結(jié)果表明含有CNC 的海藻酸鹽微球表現(xiàn)出更好的溶脹性能、更高的包封率和良好的藥物緩釋曲線。Yern等人[16]將姜黃素負(fù)載到硫酸水解法合成的CNC 中，紫外可見光譜顯示姜黃素在體外釋放后仍保持其化學(xué)活性，而且姜黃素在酸性介質(zhì)中的穩(wěn)定性明顯增強(qiáng)。該結(jié)果使CNC 為姜黃素向胃和上腸道的傳遞提供了有力的研究背景。

通過以上幾組研究可以看出，含有CNC 的復(fù)合材料表現(xiàn)出更好的溶脹性能和更高的包封率，且在不影響藥物化學(xué)穩(wěn)定性的前提下明顯延長了藥物的釋放時(shí)間，這為CNC 在藥物緩釋方面的研究與應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

2.2 纖維素納米纖絲（CNF）

CNF 是一種細(xì)長的葡萄糖基納米顆粒，寬度在3～10 nm 之間，其長徑比（大于50）取決于原料來源和實(shí)驗(yàn)制備條件[17]。研究表明，CNF 表面含有大量羥基，可以與靶向和治療藥物結(jié)合，有助于延遲單核吞噬細(xì)胞系統(tǒng)的清除[18-21]，而且?guī)缀醪淮嬖诜翘禺愋约?xì)胞攝取[22]，是一種非常有前途的藥物載體材料。

Arash 等人[23]利用殼聚糖-CNF 復(fù)合材料作為藥物載體制備了pH 響應(yīng)性載藥體系用以治療滴蟲病。以Fe3O4納米粒子為模板，將殼聚糖聚合物包埋在其表面制備殼聚糖納米膠囊。這些納米膠囊被單寧酸作為納米芯片安裝在CNF 上，以將藥物傳遞到目標(biāo)部位。結(jié)果表明，最終制備的殼聚糖-CNF 載藥體系具有良好的生物相容性和較高的回收率，其載藥量和包封率分別為24.4%和64.56%，可以實(shí)現(xiàn)藥物的緩釋，提高藥物的釋放效率、減少毒副作用。Hye-Jin 等人[24]對CNF 進(jìn)行了羧甲基化，以羧甲基化纖維素納米纖絲（CMCNF）為載體制備了環(huán)丙沙星-蒙脫石（CIPMMT）復(fù)合抗生素藥物緩釋體系。蒙脫石是一種硅鋁酸鹽，其主要成分為八面體蒙脫石微粒，中間為鋁氧八面體，上下為硅氧四面體所組成的三層片狀結(jié)構(gòu)的黏土礦物，將藥物分子插在眾多的二氧化硅-氧化鋁層之間。盡管蒙脫石可以延遲藥物的可持續(xù)釋放，但延遲時(shí)間最多僅為6～24 h。研究人員在CIP-MMT體系中分別加入含量為1.5%、2%、3%的CMCNF 制備了CMCNF-CIP-MMT 復(fù)合藥物體系。經(jīng)體外釋放實(shí)驗(yàn)表明，CIP-MMT 體系具有6 h 以上的CIP 持續(xù)緩釋作用，在此體系中加入CMCNF后可延緩基體的溶解，且隨著CMCNF的增加藥物的緩釋過程也增加，3%含量的CMCNF-CIP-MMT 可持續(xù)釋藥48 h 以上；抗菌實(shí)驗(yàn)表明，3% CMCNF-CIP-MMT 復(fù)合材料在12 天內(nèi)表現(xiàn)出穩(wěn)定的抗菌活性。Kolakovic等人[25]研究了CNF膜在長期持續(xù)藥物遞送中的應(yīng)用。藥物釋放研究表明，模型藥物的藥物釋放時(shí)間可持續(xù)達(dá)3個月。

以上結(jié)果證明了CNF 除了具有良好的生物相容性、使抗菌類藥物保持其抗菌穩(wěn)定性外，還可以明顯延長藥物的釋放時(shí)間。根據(jù)其特性可以將其考慮應(yīng)用于（如糖尿病、高血壓患者等）需長期服藥人群所需藥物類或皮下植入長效避孕藥物等的研究。

2.3 細(xì)菌纖維素（BC）

BC 是由一定種類的細(xì)菌合成的β-D 葡萄糖苷酶的胞外多糖。1886 年，Brown 首次證實(shí)細(xì)菌能夠產(chǎn)生納米纖維素[26]。已知的纖毛桿菌、八疊球菌、醋酸桿菌、農(nóng)桿菌、大腸桿菌、固氮菌、根瘤菌、腸桿菌、沙門氏菌等都能產(chǎn)生纖維素。然而，最常見的BC 產(chǎn)生菌是革蘭氏陰性菌，也被稱為木醋桿菌[27]。盡管含有99%的水，BC 仍具有優(yōu)異的機(jī)械性能[28]。它的保水能力和納米結(jié)構(gòu)形態(tài)，類似于細(xì)胞外基質(zhì)蛋白，使得BC與細(xì)胞固定和黏附高度相容。

不同的研究已經(jīng)證明，BC 可以作為藥物傳遞的潛在候選載體材料。Sebastian 等人[29]以BC 為藥物載體，研究了辛烯啶活性創(chuàng)面敷料的藥物裝載與釋放、力學(xué)特性、生物相容性和抗菌效果（BC 本身并不具有抗菌性能）。結(jié)果表明，辛烯啶的釋放是基于擴(kuò)散和溶脹的，在最初的8 h 內(nèi)快速釋放，隨后在96 h 內(nèi)緩慢釋放；在BC 中加入辛烯啶后，壓縮強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度保持不變；在生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中，載藥BC 在人角質(zhì)細(xì)胞中表現(xiàn)出高度的生物相容性和對金黃色葡萄球菌的抗菌活性；在長期貯存實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)載于BC 中的辛烯啶在6個月的時(shí)間內(nèi)依舊能夠保持穩(wěn)定、可釋放和生物活性?？梢园l(fā)現(xiàn)，含辛烯啶的BC 是一種理想的傷口敷料，可在不喪失抗菌活性的情況下保存6個月以上。Trovatti 等人[30]用BC 膜作為藥物載體制備利多卡因和布洛芬局部藥物釋放系統(tǒng)，使用磷酸緩沖鹽（pH值=7.4）在32℃下研究體外藥物釋放曲線，發(fā)現(xiàn)在最初20 min 內(nèi)藥物釋放總量的90%以上。在另一項(xiàng)研究中，Shao 等人[31]將鹽酸四環(huán)素裝入BC 中形成復(fù)合膜，可用于傷口敷料應(yīng)用中的藥物控制釋放。Huang等人[32]研究了BC膜對鹽酸小檗堿和硫酸小檗堿釋放的影響，并與市售片劑進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，BC 是一種有望顯著延長模型藥物釋放時(shí)間的藥物載體。

以上研究結(jié)果表明，BC 保持藥物穩(wěn)定性和活性的時(shí)間比CNC 和CNF 更長久，且表現(xiàn)出比其他類型的納米纖維素更高的生物相容性，這可能是因?yàn)槠涮厥獾纳锖铣蛇^程。根據(jù)它的這種優(yōu)異特性可以將其應(yīng)用在長時(shí)間的藥物儲存、傷口輔料和3D 打印生物體缺失部位的修復(fù)等方面。

2.4 纖維素衍生物

纖維素是最有效的可再生生物聚合物，其分子中豐富的官能團(tuán)為纖維素及其衍生物的改性提供了多種可能，進(jìn)一步擴(kuò)大了纖維素在藥物載體方面的應(yīng)用范圍。纖維素衍生物有很多種，常見的主要有醋酸纖維素（CA）、甲基纖維素（MC）、乙基纖維素（EC）、羥乙基纖維素（HEC）、羥丙基纖維素（HPC）、羧甲基纖維素鈉（CMC）等[33]。纖維素衍生物通常含有大量帶電荷的表面基團(tuán)（陰離子或陽離子），早期的研究表明，使用這些材料可以與帶相反電荷的聚電解質(zhì)或納米粒子形成自組裝納米膠束結(jié)構(gòu)。

自主裝技術(shù)通過帶正、負(fù)電荷的高分子在基片上交替吸附制備成膜或納米微粒，可以利用連續(xù)沉積不同組分制備成有序的二維或者三維結(jié)構(gòu)，具有組裝過程和分子大小可控的優(yōu)點(diǎn)，簡便易行，因此，近年來受到廣泛的關(guān)注。纖維素材料的自組裝依賴于懸浮液的膠體穩(wěn)定性，負(fù)載電荷量少的纖維素?zé)o法促進(jìn)自組裝過程。除了纖維素材料本身的物理化學(xué)特性外，蒸發(fā)、電磁場、溫度、壓力、真空等物理?xiàng)l件的刺激也會對纖維素材料自組裝形成的手性向列相結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)重排[34]。

2013年，Bielska等人[35]合成了羥丙基纖維素的陽離子和陰離子衍生物，研究發(fā)現(xiàn)，這些衍生物可以通過自組裝技術(shù)形成納米顆粒系統(tǒng)。這些納米微球具有良好的包封率和載藥量，可作為姜黃素的載體且姜黃素的釋放在生理相關(guān)的溫度范圍內(nèi)與溫度有關(guān)。Gao等人[36]以CNF 為模板負(fù)載吲哚美辛（IMC）并通過自組裝技術(shù)制備了層次有序的CNF/IMC 復(fù)合結(jié)構(gòu)。該復(fù)合結(jié)構(gòu)對藥物的包封率高達(dá)97%，且體外實(shí)驗(yàn)表明，逐層自組裝分層復(fù)合結(jié)構(gòu)可以延長IMC的釋放周期，藥物緩釋時(shí)間可達(dá)30 天以上。He 等人[37]通過低密度脂蛋白（LDL）和羧甲基纖維素鈉（CMC）自組裝獲得的納米凝膠可將阿霉素（DOX）輸送至癌細(xì)胞。同時(shí)，體外研究表明，LDL/CMC 納米凝膠釋放DOX 具有pH 依賴性。且載DOX 的LDL/CMC 納米凝膠降低了HepG2 細(xì)胞的內(nèi)吞作用。因此，這種優(yōu)良的LDL/CMC 納米凝膠為構(gòu)建腫瘤藥物傳遞系統(tǒng)（DDS）提供了一個良好的平臺。Pourmoazzen 等人[38]通過化學(xué)改性成功將膽固醇（Cholesterol）接枝到CNC 表面，改性后的產(chǎn)物CNC-Chol 表現(xiàn)出較高的疏水性，將其通過自組裝技術(shù)形成負(fù)載疏水性藥物葉酸（FA）的球狀納米顆粒并研究其載藥量和釋放行為。研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)A 在CNC-Chol 中的物理包封主要?dú)w因于疏水材料的相互作用，其負(fù)載效率約為58%，而未修飾的CNC 僅有5%的負(fù)載量。其釋放行為具有pH 響應(yīng)性，F(xiàn)A的釋放在堿性條件下比中性條件下更快。

通過以上研究可以發(fā)現(xiàn)纖維素基自組裝材料具有良好的生物相容性、生物可降解性以及低毒性，且反應(yīng)靈敏的自組裝纖維素材料可以將藥物的釋放控制在一定范圍內(nèi)?；诶w維素的納米膠束及其在藥物傳遞方面的應(yīng)用研究目前涉及還比較少，以上研究通過自組裝技術(shù)制備的納米膠束為纖維素及其衍生物在醫(yī)藥領(lǐng)域的研究開辟了新途徑，滿足了發(fā)展綠色纖維素基功能材料、實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)資源高值化應(yīng)用的重要需求。

3 纖維素納米材料的毒性研究

研究人員普遍關(guān)注的是纖維素納米材料的毒性。經(jīng)過近幾年的研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)皮膚和口服的納米纖維素均未顯示毒性。然而，納米纖維素肺部給藥的研究結(jié)果顯示，納米纖維素可對人肺細(xì)胞產(chǎn)生輕微的劑量依賴性細(xì)胞毒性和炎癥效應(yīng)，但未觀察到氣霧化CNC 對動物的不良影響。而且由于纖維素不易被活體完全降解，不可避免地會對人體造成一些不相容性[39]。影響納米纖維素毒性的因素可能有尺寸、形態(tài)、結(jié)晶度、表面化學(xué)和膠體穩(wěn)定性[40]，納米纖維素的毒性強(qiáng)弱依賴于其物理化學(xué)性質(zhì)，特別是表面化學(xué)，包括粒子電荷和聚集程度，這決定了納米顆粒的形狀和尺寸。這些性質(zhì)反過來又取決于纖維素來源、制備過程、后處理或樣品制備方法。還有一個可能影響毒性研究結(jié)果的因素是樣品污染物，如內(nèi)毒素或有毒化學(xué)雜質(zhì)[40]。為了得到更完整的結(jié)論，仍需要進(jìn)一步研究納米纖維素的體外和體內(nèi)細(xì)胞相互作用、生物分布和生態(tài)毒性。

4 總結(jié)與展望

近年來，從木質(zhì)纖維素生物質(zhì)及各類菌種中分離出的纖維素納米材料在制備、改性和應(yīng)用方面取得了重大進(jìn)展。納米纖維素由于其獨(dú)特的納米結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的力學(xué)性能、高活性表面以及生物降解性和生物相容性，已被證明是一種很有前途的藥物載體材料，可用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。盡管一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，沒有證據(jù)表明納米纖維素在細(xì)胞和遺傳水平上會造成嚴(yán)重?fù)p害，但對于納米纖維素的體內(nèi)毒性和生物相容性的毒理學(xué)評估和長期評估是實(shí)際臨床應(yīng)用的關(guān)鍵問題。納米纖維素材料的種種特性顯示了其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的光明前景，但其在的生物體中的細(xì)胞毒性還需要進(jìn)一步的研究，其作為藥物載體的應(yīng)用研究也不可忽視。