基于層層自組裝技術(shù)納米載藥囊泡的制備及藥物遞送應(yīng)用進(jìn)展

張富珍，F(xiàn)RANK Boadi，劉金娟，和文平

（江蘇師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州 221116）

層層自組裝技術(shù)（Layer-By-Layer self-assembly，LBL）是一種將帶相反電荷的聚電解質(zhì)交替吸附在模板上來制備超薄多層膜結(jié)構(gòu)的方法，該技術(shù)由ILER于1966年首次提出[1]，他們將帶負(fù)電荷的膠體溶液二氧化硅和帶正電荷的氧化鋁交替沉積到光滑的玻璃表面上從而得到超薄膜。其后該項(xiàng)技術(shù)并沒有得到新材料領(lǐng)域的重視，直到1992年DECHER等[2]重新提出了這種利用靜電力相互作用的層層自組裝概念，自此，層層自組裝技術(shù)的應(yīng)用迅猛發(fā)展，得到越來越廣泛的認(rèn)知、研究和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。LBL自組裝技術(shù)操作方法簡(jiǎn)單，選材豐富，工作條件溫和，環(huán)境友好，被廣泛應(yīng)用于制備不同功能化的超薄膜材料，尤其是具有生物活力的薄膜。

隨著聚電解質(zhì)多層膜材料的多樣性發(fā)展，德國(guó)膠體化學(xué)與界面科學(xué)家M?hwald等于1998年首次提出聚電解質(zhì)多層膜囊泡型結(jié)構(gòu)材料，該課題組采用自組裝技術(shù)將聚電解質(zhì)層層沉積到可溶蝕的膠體顆粒上，得到一定厚度的多層膜后去除膠體模板，最終得到中空的聚電解質(zhì)多層膜囊泡[3]。聚電解質(zhì)多層膜囊泡型結(jié)構(gòu)具有選材種類豐富、膜厚度可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，通過無(wú)機(jī)納米顆粒、生物功能小分子、有機(jī)大分子等物質(zhì)的摻雜或修飾，賦予多層膜功能化[4]。可生物降解或者生物相容的囊壁材料的中空囊泡型結(jié)構(gòu)是治療藥劑的優(yōu)良載體，其在新型治療藥劑的研究中備受關(guān)注。該方法的提出使層層自組裝技術(shù)產(chǎn)生了一次質(zhì)的飛躍，極大地拓寬了自組裝技術(shù)的研究與應(yīng)用范圍。

本文簡(jiǎn)要介紹了層層自組裝技術(shù)、組裝機(jī)理、多層膜組分材料，討論了不同修飾類型的多層膜囊泡、封裝和釋放客體分子的途徑，并對(duì)聚電解質(zhì)多層膜微納米囊泡在藥物輸送、生物催化、生物發(fā)光和癌癥治療中的應(yīng)用進(jìn)行了綜述。

1 LBL自組裝聚電解質(zhì)多層囊泡

1.1 LBL自組裝技術(shù)

LBL技術(shù)是通過靜電相互作用將帶有相反電荷的聚陰離子和聚陽(yáng)離子交替沉積在基板表面，從而形成聚電解質(zhì)多層薄膜結(jié)構(gòu)。具體過程如圖1所示[2]。圖1中過程1表示將基板浸入聚陰離子電解質(zhì)溶液中；2表示洗去多余的聚陰離子電解質(zhì)，此時(shí)基板帶負(fù)電荷；3是將其浸入帶相反電荷的聚陽(yáng)離子電解質(zhì)溶液中；4則為洗去多余的聚陽(yáng)離子電解質(zhì)的過程。重復(fù)上述步驟，從而得到厚度可控的聚電解質(zhì)多層膜。

圖1 LBL自組裝技術(shù)組裝多層膜示意圖

1.2 層層自組裝技術(shù)聚電解質(zhì)多層囊泡的方法

使用LBL自組裝技術(shù)、借助膠體粒子模板，制備聚電解質(zhì)多層膜囊泡具有制備過程簡(jiǎn)單、易于操作等優(yōu)點(diǎn)。制備方法為：（1）將模板粒子浸入聚合物A溶液中，保持振蕩狀態(tài)避免粒子交聯(lián)，一定時(shí)間后清洗、去除模板表面多余的A溶液；（2）將吸附A聚合物的膠體粒子浸入B聚合物溶液中，重復(fù)上次操作，完成一個(gè)雙層膜（A/B@模板）的組裝；（3）重復(fù)上述操作理想次數(shù)后得到一定厚度的多層膜[(A/B)n@模板]材料，最后通過化學(xué)溶蝕或物理破碎等方法去除模板粒子，得到中空的聚合物多層囊泡。

1.3 成膜驅(qū)動(dòng)力及材料

基于層層自組裝技術(shù)制備聚合物超分子薄膜材料，靜電力作用是最常見的驅(qū)動(dòng)力之一，是帶不同電荷的聚電解質(zhì)分子之間非特異性的靜電相互作用。在LBL組裝中通過靜電相互作用，將帶相反電荷的聚電解質(zhì)交替沉積在帶負(fù)電荷的平面模板表面，從而獲得多層膜。除此之外，驅(qū)動(dòng)力還包括共價(jià)鍵、氫鍵、抗體-抗原相互作用以及電荷轉(zhuǎn)移相互作用等多種作用力。利用層層自組裝技術(shù)制備功能性多層膜選材種類豐富，包括天然的聚合物、生物相容性多糖類物質(zhì)等，如殼聚糖、海藻酸鈉，生物大分子，以及修飾功能的無(wú)機(jī)、有機(jī)納米顆粒、納米粒子、蛋白質(zhì)、DNA、磷脂、染料以及金屬離子等。通過對(duì)聚電解質(zhì)多層膜結(jié)構(gòu)不同的修飾，可使其具有特定功能，包括從簡(jiǎn)單小分子到大分子再到仿生概念的提出。

1.4 模板

通過層層自組裝技術(shù)制備獨(dú)立的、功能化多層膜需要借助模板粒子，囊泡的形狀結(jié)構(gòu)也取決于模板顆粒。模板在整個(gè)組裝過程中不僅起支撐作用，還可作為藥物載體，提高載藥量以及封裝疏水性藥物。近年來，多以膠體微粒子為多層膜材料的模板，包括有機(jī)高分子化合物，如聚苯乙烯微球（PS）、三聚氰胺甲醛（MF），無(wú)機(jī)納米顆粒四氧化三鐵（Fe3O4）、二氧化硅粒子（SiO2）以及生物可降解的納米碳酸鈣（CaCO3）微球等，甚至以生物分子或細(xì)胞個(gè)體作為模板。例如，以益生菌乳酸桿菌為模板，將生物相容性多糖殼聚糖和海藻酸鹽為囊壁材料制備的多層膜包覆的乳酸菌可增強(qiáng)其在腸道中的黏附性；將裝載抗癌藥物阿霉素的脂質(zhì)體作為囊泡模板，制備透明質(zhì)酸和聚β-氨基酯多層膜靶向遞送抗癌小分子藥物平臺(tái)。

2 聚電解質(zhì)多層膜囊泡裝載藥物及釋放研究

2.1 載藥方式

基于層層自組裝方法制備的聚電解質(zhì)多層膜囊泡裝載藥物的方式主要有預(yù)封裝和后封裝兩種。預(yù)封裝法是將裝載的藥物分子吸附在模板顆粒表面或直接以藥物顆粒為模板；后封裝法是先制備聚電解質(zhì)多層膜囊泡，然后通過調(diào)節(jié)多層膜的滲透性使藥物小分子裝進(jìn)囊泡空腔內(nèi)。具體封裝方法如下。

2.1.1 犧牲模板法

犧牲模板法以制備載藥模板為出發(fā)點(diǎn)，相對(duì)于后封裝藥物的方法，該模板或具有多孔結(jié)構(gòu)如碳酸鈣、介孔二氧化硅膠體粒子等，亦或與藥物分子混合形成穩(wěn)定、均勻的整體，如水凝膠粒子，然后利用LBL技術(shù)將用于成膜的聚合物分子交替吸附到載藥模板上，通過煅燒法或溶蝕法去除模板，得到載藥的聚合物多層膜囊泡材料。研究表明，犧牲模板法制備的載藥模板可以裝載各種類型的治療性分子，包括酶[5]、低分子藥物[6]、蛋白質(zhì)和DNA[7]等。

2.1.2 藥物模板法

臨床上使用的某些治療藥物分子量較大、水溶性差，通過滲透法難以對(duì)其進(jìn)行封裝，直接以藥物為模板，將載體多層膜修飾在藥物顆粒物表面，可有效提高藥物在介質(zhì)溶液中的溶解度，提高藥物使用率。例如，以疏水性藥物顆粒紫杉醇、姜黃素和地塞米松為核心形成晶型模板，使用陽(yáng)離子硫酸魚精蛋白（PS）和陰離子牛血清白蛋白（BSA）為多層膜材料，制備了性能穩(wěn)定的姜黃素納米膠體顆粒[8-9]。通過LBL法制備的多層膜材料對(duì)藥物分子的封裝，不但能夠改善其溶解性，調(diào)控藥物緩釋途徑，增強(qiáng)藥物的利用效率，而且能夠降低藥物參與機(jī)體內(nèi)循環(huán)時(shí)微環(huán)境對(duì)藥物性能的影響，通過對(duì)多層膜功能化修飾，主動(dòng)靶向運(yùn)輸亦能極大降低用藥副作用。

此外還有滲透法載藥，由于制備的聚電解質(zhì)多層膜囊泡改變外部條件可調(diào)節(jié)其通透性，從而使藥物分子封裝進(jìn)囊泡。

2.2 藥物釋放途徑

控釋給藥系統(tǒng)在疾病治療中發(fā)揮著重要作用，在達(dá)到治療效果的同時(shí)應(yīng)減少藥物劑量，降低副作用。由于聚電解多層膜囊泡結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的可調(diào)控性，通過控制組裝的循環(huán)次數(shù)及組裝的材料，從而控制囊泡的厚度、滲透性等性質(zhì)，可為藥物控釋提供條件。目前已經(jīng)設(shè)計(jì)出不同刺激響應(yīng)的LBL聚電解質(zhì)囊泡，通過外部刺激來達(dá)到藥物釋放的目的。

2.2.1 pH響應(yīng)

環(huán)境pH值的變化對(duì)由弱聚電解質(zhì)組成的多層膜囊泡的滲透性、穩(wěn)定性等有顯著影響。LUO等[10]設(shè)計(jì)了一種具有pH響應(yīng)型的藥物遞送系統(tǒng)，用脂質(zhì)體裝載客體分子抗生素（Spe）作為L(zhǎng)BL芯材，在其表面交替沉積具有pH敏感聚陽(yáng)離子聚合物β-氨基酯（PBAE）和聚陰離子聚合物海藻酸鈉（NaAlg），從而形成負(fù)載抗生素具有pH響應(yīng)功能的囊泡。這些載藥囊泡經(jīng)靜脈注射沉積在肺部感染部位后，由微環(huán)境中的酸引發(fā)釋放藥物，達(dá)到消除肺部感染的目的。

2.2.2 磁響應(yīng)

通過磁性生物聚合物納米平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程輔助藥物遞送已被用作改善疏水性藥物的遞送、釋放并解決其低載貨能力的重要工具。有研究表明，在應(yīng)用交變磁場(chǎng)后，合成的聚電解質(zhì)囊泡具有遠(yuǎn)程遞送、釋放姜黃素的能力，能夠提高藥物利用效率并降低毒性，表現(xiàn)出由外部交變磁場(chǎng)遠(yuǎn)程觸發(fā)的可控藥物釋放。WU等[11]通過層層自組裝過程設(shè)計(jì)了聚合物修飾的Fe3O4（顯示出良好的藥物載體，能夠裝載DOX分子），成功制備出具有良好藥物釋放能力的磁性藥物遞送系統(tǒng)。

2.2.3 超聲響應(yīng)

超聲作為一種刺激響應(yīng)藥物釋放觸發(fā)的因素之一，其通過調(diào)整頻率、占空比和暴露時(shí)間調(diào)節(jié)組織穿透深度實(shí)現(xiàn)藥物遞送。超聲是一種非入侵性、無(wú)電離輻射觸發(fā)因素，可以通過空化現(xiàn)象或輻射力引起的熱或機(jī)械效應(yīng)從載體中釋放藥物。NOVOSELOVA等[12]開發(fā)混合納米囊泡，其中封裝磁鐵礦和花青素標(biāo)記的牛血清蛋白（Cy7-BSA），利用高強(qiáng)度聚焦超聲（HIFU）誘導(dǎo)囊泡釋放標(biāo)記蛋白Cy7-BSA，實(shí)驗(yàn)證明該復(fù)合囊泡在體內(nèi)具有遠(yuǎn)程可控定向釋放封裝物。

3 生物應(yīng)用

聚電解質(zhì)多層膜的可修飾性強(qiáng)，囊泡結(jié)構(gòu)具有負(fù)載能力，在藥物遞送、生物傳感、微反應(yīng)器等相關(guān)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。

3.1 藥物遞送

藥物遞送是指在空間、時(shí)間、劑量上全面調(diào)控藥物在生物體內(nèi)的分布，旨在恰當(dāng)時(shí)機(jī)將適量藥物遞送至目標(biāo)位置，從而增強(qiáng)藥物利用率、提高療效、減少毒副作用。近年來，臨床醫(yī)學(xué)對(duì)提高藥物有效性、降低不良副作用和耐藥性的需求日益增加，藥物遞送載體的設(shè)計(jì)備受關(guān)注。姜黃素（CUR）是一種天然的疏水性多酚，因具有抗炎、抗氧化和抗癌等特性而被廣泛研究，但其難溶于水，且不穩(wěn)定，在臨床應(yīng)用中受到了一定的局限。有研究人員發(fā)現(xiàn)將CUR封裝在聚合物納米囊泡中，能有效提高其溶解性、穩(wěn)定性和生物利用率[13]。

3.2 生物傳感器

生物傳感器是一類特殊的傳感器，其以生物活性單元（如酶、抗體、核酸和細(xì)胞等）為生物敏感單元，具有簡(jiǎn)單、快速、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)生物標(biāo)志物的特點(diǎn)，在疾病的早期診斷和治療中至關(guān)重要。CORREIA等[14]基于LBL自組裝技術(shù)，使用改性銦錫氧化物（ITO）電極交替沉積的聚烯丙胺鹽酸鹽（PAH）和葉酸（FA）制備生物傳感器，通過細(xì)胞表面的葉酸受體α（FRα)與固定在電極上的FA分子之間的特異性相互作用，將腫瘤細(xì)胞與正常細(xì)胞區(qū)分開，該生物傳感器的電化學(xué)響應(yīng)與腫瘤細(xì)胞濃度呈現(xiàn)線性關(guān)系，且具有較高的靈敏度。

4 結(jié)語(yǔ)

基于LBL技術(shù)、依托模板法制備的聚電解質(zhì)多層膜材料具有成膜選材豐富、膜厚度精確可控、膜性能和結(jié)構(gòu)可調(diào)及制作工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于制備各種生物活性薄膜材料?；谇蛐文z體顆粒模板制備的中空結(jié)構(gòu)的囊泡型材料具有裝載功能性無(wú)機(jī)、有機(jī)納米顆粒的腔室，多層膜結(jié)構(gòu)亦可負(fù)載或摻雜目標(biāo)小分子，在藥物靶向遞送、調(diào)控釋放、生物傳感、微反應(yīng)器以及熒光成像等方面得到廣泛應(yīng)用。近年來，多層膜材料在生物醫(yī)藥方面應(yīng)用廣泛，且已取得了豐富的研究成果，但仍存在許多不足。目前基于功能化多層膜的研究多在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室模擬自然水域環(huán)境、體外細(xì)胞環(huán)境或者小動(dòng)物模型等，復(fù)合膜材料的量化生產(chǎn)、在自然界及臨床的應(yīng)用推廣仍存在局限；制備多層膜的過程中，聚合物溶液濃度嚴(yán)格把控，裝載藥物濃度設(shè)定、修飾性分子的用量等存在成本投入高的問題；模板的降解條件、膜材料在生物體內(nèi)的降解排出等安全應(yīng)用問題有待深入研究。