靜電紡絲技術(shù)應(yīng)用于局部治療領(lǐng)域的研究進(jìn)展

陳海妮，劉哲鵬，胡逸亭，孟天薈

(上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院藥物制劑(設(shè)備與工藝)研究所，上海 200093)

引言

針對惡性腫瘤轉(zhuǎn)移和復(fù)發(fā)問題，通常會輔助化學(xué)療法或者放射療法[1-2]。與直接注射或口服的全身治療方式相比，用于特定部位的局部治療，能夠直接作用于腫瘤和其周圍組織，減少給藥劑量且降低藥物的全身毒性，可最大程度地降低對正常細(xì)胞的毒副作用[3]。在切除腫瘤后的術(shù)后腔內(nèi)植入電紡輔助治療制劑，消除殘留的腫瘤細(xì)胞并避免腫瘤復(fù)發(fā)，是靜電紡絲技術(shù)與醫(yī)藥領(lǐng)域結(jié)合的研究方向之一。

可用于局部輔助治療的藥物載體形式有凝膠、膜劑、可植入片劑、納米粒、納米棒和納米纖維等[4]。其中，通過靜電紡絲技術(shù)制備的納米纖維具有與細(xì)胞外基質(zhì)相似的結(jié)構(gòu)、可控的表面形態(tài)、非常高的比表面積及包封率，可同時裝載多種藥物并實(shí)現(xiàn)可控遞送(同時或貫續(xù)釋藥)，且價格相對低廉，在近20年獲得了極大的關(guān)注[5-6]。

針對近年來基于靜電紡絲納米纖維的局部遞送藥物研究，本文旨在總結(jié)現(xiàn)階段利用靜電紡絲技術(shù)在局部治療領(lǐng)域的研究進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了電紡納米纖維的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和植入給藥的局部給藥系統(tǒng)應(yīng)用研究。

1 靜電紡絲

靜電紡絲起源于20世紀(jì)，也被稱為靜電噴霧。利用該技術(shù)，可以將溶液、熔體、混懸液一步制備成納米級纖維。靜電紡絲裝置通常包括電壓發(fā)生器、注射泵、收集器、噴頭。本文所涉及到的靜電紡絲部件，見圖1。施加在噴頭的電壓控制流經(jīng)噴頭液體的表面張力，形成帶電流體射流，噴頭處液滴形成穩(wěn)定泰勒錐，一定濃度的流體因靜電場力作用使溶劑揮發(fā)，繼而形成連續(xù)纖維[7-8]。

目前，制備納米纖維的主要方法有相分離、分子自組裝、拉伸、模板合成和靜電紡絲[9]。其中，靜電紡絲可以使用不同生物材料制造直徑在微、納米之間的超細(xì)纖維，這些生物材料具有獨(dú)特的特性，例如帶孔結(jié)構(gòu)、高孔隙率、高表面積與體積比、優(yōu)異的拉伸強(qiáng)度等。此外，通過電紡技術(shù)還可以對納米纖維進(jìn)行表面修飾，以調(diào)整纖維表面的化學(xué)和物理特征，控制纖維結(jié)構(gòu)、形態(tài)尺寸和空間分布，以獲得特定的機(jī)械性能[10]。各種天然或合成聚合物作為藥物載體廣泛用于制備納米纖維，應(yīng)用于組織缺損修復(fù)和局部惡性腫瘤治療中的藥物遞送系統(tǒng)[11]。

圖1 靜電紡絲過程示意圖

2 載藥靜電紡絲

通過靜電紡絲，將藥物包封到納米纖維中，材料的物理化學(xué)特性及其與藥物分子的相互作用會影響藥物分子在電紡纖維中的分布、均勻性、裝載能力和釋放動力學(xué)等[12-13]。

2.1 纖維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1共混靜電紡絲 根據(jù)溶解性將親水性藥物和親脂性藥物分別與親水性和親脂性聚合物共溶混勻，進(jìn)行紡絲[14]。通常，用親水性聚合物與藥物共混紡絲可以達(dá)到快速釋放的目的；而親脂性聚合物則可以有效緩釋針對水溶性材料導(dǎo)致的明顯突釋；為了藥物能夠持續(xù)釋放而使用不同比例的親水和疏水聚合物混合物，顯著提高了藥物的包封率，減少藥物突釋[15]。如Zong等[16]設(shè)計(jì)了一款PEO/PLA復(fù)合電紡納米纖維植入裝置，載有化療藥順鉑，可直接植入小鼠陰道，作為局部化療系統(tǒng)治療小鼠宮頸癌的初步研究。通過體外黏附試驗(yàn)和體內(nèi)陰道滯留評價，證明了該納米纖維具有良好的黏附性能。Jassal等[17]采用靜電紡絲法制備載有化療藥物鹽酸阿霉素(DOX)的PCL納米纖維，通過水解在纖維表面引入官能團(tuán)進(jìn)行表面修飾。結(jié)果表明，該藥物成功地結(jié)合到功能化的電紡纖維上，并具有很高的載藥量，藥物釋放受pH調(diào)控。

2.1.2同軸結(jié)構(gòu)纖維 與簡單的單層共混靜電紡絲相比，經(jīng)同軸噴嘴制備的纖維能夠延緩藥物釋放和減少突釋。同軸靜電紡絲工藝是將兩種或多種成分通過不同的單獨(dú)噴嘴同時電紡，以制備核殼及多層結(jié)構(gòu)纖維[15,18]。當(dāng)藥物被裝載至核層，殼層的存在會減少處于核層藥物的突釋，有效延緩核層藥物的釋放。此外，不同藥物可以同時封裝到核殼結(jié)構(gòu)納米纖維中的核層和殼層，以達(dá)到保護(hù)核層藥物及兩層藥物先后釋放的目的。核殼納米纖維結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于，根據(jù)所采用的聚合物材料，擁有不同的緩釋或速釋效果，便于滿足不同藥物的遞送需求。Shen等[19]利用同軸電紡絲的方法設(shè)計(jì)了載藥核殼纖維系統(tǒng)，用于宮頸癌治療。核層由聚己內(nèi)酯(PCL)和靈芝三萜類化合物(GTL)組成，外殼含有聚氧化乙烯(PEO)和抗癌藥物甲氨蝶呤，以達(dá)到貫序給藥的目的。

在同軸雙層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，引入中間層，有效防止內(nèi)外層材料的相互影響。如Han等[20]所研究的同軸三層電紡納米纖維。中間層作為核層和殼層之間的緩沖區(qū)域，使得內(nèi)層藥物緩釋延長約24倍。在此期間，外層藥物在前1 h內(nèi)釋放80%，實(shí)現(xiàn)兩種藥物雙重有序控釋。

2.1.3復(fù)雜結(jié)構(gòu)纖維 除上述最常用的核殼結(jié)構(gòu)納米纖維設(shè)計(jì)，還可以運(yùn)用靜電紡絲設(shè)計(jì)復(fù)雜的多腔結(jié)構(gòu)。Chang等[21]基于電紡整體復(fù)合材料的應(yīng)用，利用特殊的三流體電紡制備了一種新的三腔復(fù)合納米結(jié)構(gòu)。該復(fù)合結(jié)構(gòu)有一個共同的殼體和兩個分離的核心，因此，被稱為鞘核分離結(jié)構(gòu)。核心可以分別搭載不同流體，類似于janus粒子中兩種物質(zhì)被鞘液隔開并且兩者對稱。三個通道均可載藥，極其靈活。加以不同的聚合物作為載體，可滿足更多的藥物控釋需求，如研究中運(yùn)用pH響應(yīng)的尤特奇Eudragit?，以適用于胃腸道控釋。通過改變靜電紡絲的噴嘴結(jié)構(gòu)，可以制備不同的紡絲結(jié)構(gòu)，其靈活性是靜電紡絲工藝的一大優(yōu)點(diǎn)。

2.2 纖維功能設(shè)計(jì)及其應(yīng)用

2.2.1載納米制劑的納米纖維 將納米制劑裝載到電紡納米纖維膜中可以提高納米制劑的穩(wěn)定性，并且進(jìn)一步延長其釋放。有時，藥物-聚合物共混電紡纖維存在藥物突釋現(xiàn)象，在載入纖維載體前，先制備成納米制劑，即納米劑型為第二載體，可以改善藥物持續(xù)釋放，避免突釋。鑒于納米制劑的溶解性，通常裝載至水溶性聚合物上，為滿足給藥需求，外層增加控釋材料。Yang等[22]將主動靶向膠束系統(tǒng)與聚合物納米纖維膜相結(jié)合，開發(fā)用于癌癥治療的可植入局部藥物遞送裝置。該系統(tǒng)采用同軸靜電紡絲工藝，其中葉酸(FA)-PEG-PCL共聚物所制備的載藥膠束與PVA混合作為核層，經(jīng)過交聯(lián)的明膠作為殼層。由于電紡納米纖維基質(zhì)的降解，膠束可持續(xù)地從系統(tǒng)中排出，通過細(xì)胞間質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)和EPR效應(yīng)在腫瘤細(xì)胞周圍快速積累，并通過葉酸介導(dǎo)的內(nèi)吞作用被腫瘤細(xì)胞內(nèi)化。此外，Li等[23]制備載有化療藥物紫杉醇的木質(zhì)素納米粒中，然后將其包裹到PVA/PVP聚合物中，利用靜電紡絲技術(shù)將其制備成納米纖維膜作為藥物載體。所制備的載藥纖維膜經(jīng)細(xì)胞實(shí)驗(yàn)證明，其有良好的細(xì)胞抑制能力，具有良好的惡性腫瘤局部治療前景。

2.2.2刺激響應(yīng)型納米纖維 應(yīng)用于靜電紡絲的載藥材料除了上述用于延緩藥物釋放的聚合物類型，還有一種響應(yīng)性材料，在受到體內(nèi)微環(huán)境刺激后，使得聚合物材料本身發(fā)生變化，來達(dá)到藥物控釋目的[24]。刺激分為內(nèi)源性刺激和外源性刺激。惡性腫瘤微環(huán)境中的酸性環(huán)境、氧化還原環(huán)境和酶等均是內(nèi)源性刺激。外源性刺激可能是溫度、光線、電場和超聲波的變化[25]。Yan等[26]針對腫瘤環(huán)境的弱酸性特性，利用同軸電紡制備了pH敏感型的PVA/PCL核殼納米纖維。研究顯示，pH=4的時候，DOX的釋放率明顯高于pH=7.4時的釋放率，對宮頸癌HeLa細(xì)胞效果良好。此外，Ozcan等[27]近期的一項(xiàng)研究也使用DOX作為模型藥物，基于pH敏感的基礎(chǔ)上，分別添加谷胱甘肽(GSH)和FA偶聯(lián)人血清白蛋白(HSA)-杯芳烴(AMP)，制備納米纖維。結(jié)果表明，該纖維膜不僅具有pH響應(yīng)能力，并且對纖維進(jìn)行的表面修飾使其能夠應(yīng)用于靶向治療。

2.2.3藥物聯(lián)合應(yīng)用型納米纖維 在惡性腫瘤治療領(lǐng)域，由于較高劑量的藥物毒性、癌細(xì)胞的異質(zhì)性、以及長期化療后化療耐藥性的發(fā)展，通常使用多種藥物共同遞送。鑒于靜電紡絲制備的可組裝性能滿足給藥需求，可實(shí)現(xiàn)共同遞藥、貫序遞藥等多種功能，基于納米纖維的多藥給藥方法研究日益增多[28-29]。Yang等[30]完成了一項(xiàng)基于聚合物膠束電紡納米纖維的納米多藥給藥系統(tǒng)的研究。針對產(chǎn)生腫瘤多藥耐藥的重要原因之一，即P-糖蛋白的過度表達(dá)，選取具有抑制P-糖蛋白功能的姜黃素(Cur)作為一種潛在的多藥耐藥的逆轉(zhuǎn)劑。鑒于Cur的疏水性，該多藥給藥系統(tǒng)首先由可生物降解的mPEG-PCL共聚物組裝成Cur膠束，然后將膠束粉末與親水性阿霉素(DOX)在PVA溶液中共混，進(jìn)行靜電紡絲。DOX受pH刺激響應(yīng)，在pH=5時，DOX和Cur的總釋放量分別為(98.27±9.20)%和(43.33±4.23)%。針對預(yù)后較差，容易復(fù)發(fā)的原發(fā)性腦腫瘤——膠質(zhì)母細(xì)胞瘤[31]， Tseng等[32]將載有藥物卡莫司汀、伊立替康和順鉑的PLGA電紡納米纖維植入至腦中，以改善藥物的持續(xù)釋放。針對藥物耐藥性，Tseng等[33]通過靜電紡絲技術(shù)制備雙層紡絲膜，實(shí)現(xiàn)了化療藥物和抗血管生成藥物的順序和持續(xù)釋放。體外釋放表明，制備的納米纖維表現(xiàn)出連續(xù)的藥物釋放行為，從第3 d開始釋放高濃度的化療藥物卡莫司汀、伊立替康和順鉑，然后從第21 d開始釋放高濃度的血管生成抑制劑考布他汀(Combretastatin)。

2.2.4速釋納米纖維 以上處方設(shè)計(jì)大多考慮到了藥物的延長緩釋，另有靜電紡絲應(yīng)用于藥物速釋[34]。Nam等[35]以PVA和維生素E聚乙二醇琥珀酸酯(TPGS)為載體，研制了用于口腔癌局部給藥的速溶納米纖維。采用靜電紡絲法制備了平均粒徑為321 nm，包封率大于90%的PVA/TPGS/根皮素納米纖維。該納米纖維在水介質(zhì)中分散后，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米粒子。根皮素的水溶性較差，可通過將其摻入納米纖維結(jié)構(gòu)和快速潤濕，并即刻給藥加以克服。TPGS的加入提高了藥物溶出度，在口腔鱗狀細(xì)胞癌中，PVA/TPGS/根皮素納米纖維組較PVA/根皮素納米纖維組有更強(qiáng)的抗增殖和凋亡作用。在納米纖維中摻入TPGS有助于制備更致密的納米顆粒，并增強(qiáng)其在癌細(xì)胞中的蓄積。這些結(jié)果表明PVA/TPGS/根皮素納米纖維有望成為治療口腔惡性腫瘤的一種很有前途的納米藥物。

2.2.5其他類型納米纖維 靜電紡絲還可以與多種療法聯(lián)合應(yīng)用治療癌癥，如靜電紡絲結(jié)合化療與熱療(光熱納米材料等)。例如，Wang等[36]將局部聯(lián)合化療和光熱治療結(jié)合應(yīng)用于宮頸癌的治療，研究制備了阿霉素和吲哚菁綠共負(fù)載介孔二氧化硅納米粒。然后通過靜電紡絲將納(DIMSN)米顆粒引入殼聚糖/ PVA中，形成多功能復(fù)合納米纖維。經(jīng)陰道植入納米纖維可最大限度地提高小鼠陰道內(nèi)的藥物蓄積量。結(jié)合光熱化療效應(yīng)，原位宮頸癌的抑瘤率高達(dá)72.5%，在宮頸癌治療方面顯示出巨大的潛力。

單層乃至三層的纖維設(shè)計(jì)，大多源于不同的給藥目的，以及所用藥物的水溶性，利用不同的噴頭結(jié)構(gòu)，靈活組裝各個噴頭內(nèi)通路，充分體現(xiàn)了靜電紡絲工藝的靈活多變性(見表1)。

表1 靜電紡絲制備的載藥纖維

3 總結(jié)與展望

運(yùn)用生物可降解材料所制備的電紡納米纖維，可以在生物體內(nèi)局部遞藥，提高遞藥效率，降低全身的毒副作用，是目前醫(yī)藥領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。在惡性腫瘤治療領(lǐng)域，單一藥物因高劑量易導(dǎo)致藥物毒性，故而多采用多種藥物共同治療。結(jié)合靜電紡絲負(fù)載藥物，能夠?qū)崿F(xiàn)多藥順序釋放。電紡納米纖維作為藥物載體可通過改變噴頭結(jié)構(gòu)、纖維結(jié)構(gòu)裝載藥物，更為便利且高效，極具研究前景。然而，到目前為止，用于惡性腫瘤治療的基于電紡納米纖維的藥物遞送策略仍處于臨床前和臨床試驗(yàn)階段。究其原因主要是聚合物所用溶劑的相對毒性、納米纖維的強(qiáng)度和韌性問題，聚合物與藥物的相容性問題，以及體內(nèi)藥物動力學(xué)研究有待進(jìn)一步加強(qiáng)。基于此，開發(fā)可生物降解的聚合物或?qū)ζ涓男?，以及對局部植入制劑進(jìn)入體內(nèi)的有效性和安全性研究，是未來惡性腫瘤局部治療領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。因此，靜電紡絲在惡性腫瘤治療領(lǐng)域有非常廣闊的研究和應(yīng)用空間。