张 莉,顾汉卿
智能水凝胶是一种亲水性高分子交联网络,它能通过感知外界环境的微小变,产生可逆的体积相转变或者凝胶 溶胶相转变。这种外界环境的变化包括温度、pH值、电场强度、磁场强度、溶液的离子强度、溶液组成、光、压力、声、特殊的分子识别系统等。智能水凝胶可以根据不同的外界环境刺激分为温度敏感水凝胶、pH敏感水凝胶、光敏感水凝胶等。智能水凝胶的这种环境响应性使其在人工肌肉、化学阀、生物分离、活性酶包埋、稀溶液的浓缩等方面有着广阔的应用前景。智能水凝胶在发展药物控释系统方面也是理想的研究材料,倍受瞩目。长期以来人们一直致力于研究一种药物控释体系,可以提供平稳的没有毒性的治疗剂量。如果能够根据疾病所产生的生理信号控制药物在体内的释放,包括释放部位、释放时间、释放剂量,无疑将会给人们带来极大的益处。
在众多的智能水凝胶中聚(N 异丙基丙烯酰胺)(PNIPAAm)在外界温度变化时由于其独特的相转变行为而受到广泛而深入的研究。众所周知,PNIPAAm水凝胶在其最低临界溶解温度(LCST)附近存在可逆的不连续的体积相转变。当环境温度稍稍高于LCST时,其体积会突然剧烈收缩;当环境温度降到LCST以下时,水凝胶会重新溶胀。多数研究者[1]认为PNIPAAm温敏性与其分子结构中的疏水性异丙基和亲水性酰胺基有关,它们分别位于凝胶网络中亲/疏水区域,且存在亲/疏水平衡。这一高分子体系中存在两种氢键:水分子与高分子链之间的氢键和高分子链之间的氢键。当外界温度低于LCST时,两种氢键的相互协调作用使得疏水基团周围形成一个稳定的束缚水分子的水合结构。随着温度升高,水合结构破坏,疏水基团间的作用占主导,使凝胶中的束缚水变成自由水分子并向外扩散,凝胶发生相分离,内部结构塌陷,体积剧烈收缩,即水凝胶的温敏性相转变是由交联网络的亲/疏水性平衡受外界变化而引起的。然而,PNIPAAm水凝胶存在的一些缺陷也极大的影响了其实际应用。存在的缺陷主要有两点:第一,响应速率慢;第二,机械强度差。因此近十几年来,这一领域的研究主要集中在PNIPAAm水凝胶响应速率和机械强度的改善上。下面将分别予以介绍。
1 PNIPAAm水凝胶反应速率的改善
当环境温度在LCST以上时,水凝胶的收缩从水凝胶的表面开始逐渐向内部进行,水凝胶失水收缩后在其表面形成疏水致密层,阻止了水凝胶内部水的排出,因此水凝胶的收缩速率很慢。除了水凝胶的收缩速率慢之外,其溶胀速率也很慢。这就极大的影响了其在开-关释药方面的应用。提高PNIPAAm水凝胶的响应速率目前主要有三种方法。
1.1 缩小凝胶的体积尺寸
水凝胶膨胀或收缩达到平衡所需的时间与水凝胶的线形尺寸的平方成正比,即τ∝R2/D,其中τ为水凝胶膨胀和收缩的特征时间,R为水凝胶的线形尺寸,D为水凝胶的协同扩散系数。因此,减小水凝胶的体积可以提高其响应速率。
1.1.1 制成微胶囊
HidekiIchikawa等[2]利用Wurs ter过程设计了一种正温敏性的直径为100μm药物释放微胶囊。微胶囊以碳酸钙作为核,核外依次为咔唑铬磺酸钠(carbazochromesodiumsulfonate,CCSS,一种水溶性的测试药物)层,乙基纤维素(ethylcellulose)层,其中,乙基纤维素层中分布有温敏性的PNIPAAm纳米微粒。当温度高于LCST时,乙基纤维素层中的PNIPAAm纳米微粒收缩,产生空间,使得CCSS释放。由于PNIPAAm颗粒为纳米级,导致其具有很快的收缩速率,使得CCSS快速释放。
1.1.2 制成纳米微粒网络
合成纳米微粒水凝胶虽然可以快速的响应外界刺激,但是在实际应用中,由于其颗粒直径过小而不易操作。于是,有人将PNIPAAm纳米微粒连接在一起固定成块状形式形成一个网络[3],但是这种连接方式由于其反应条件过于苛刻,或者是在pH值为12的水溶液中或者是在有机溶剂中而有可能阻碍亲水性药物的加载,而使得这种方法的应用受到限制。最近,GangHuang等[4]首先合成了聚(N 异丙基丙烯酰胺 co 3 氨基丙烯)(P(NIPAAm co allylamine))和聚(N 异丙基丙烯酰胺 co 丙烯酸)(P(NIPAAm co acrylicacid))纳米微粒。然后在室温及中性pH条件下,分别利用戊二醛(glutaricdialde hyde)和脂肪酸二酰肼(adipicaciddihydrazide)作为交联剂,通过共价交联邻近的微粒将其转化为三维结构。通过这种方法合成的水凝胶具有二级结构:由纳米微粒内部交联的聚合物链组成的基本的网络以及纳米微粒之间的交联。这种结构提供了在颗粒之间包裹和释放药物的独特性质。研究者将不同分子量的葡聚糖作为实验药物加载进行了释放研究,并与传统的高交联度的块状水凝胶进行了对照。结果显示,葡聚糖的释放与其分子量的大小以及纳米微粒之间的空隙大小有关系。P(NIPAAm co allylamine)水凝胶在药物释放上具有温度依赖性,在室温下的药物释放比在人体体温下要快得多,可用作开-关释药。而P(NIPAAm acrylicacid)水凝胶在小分子量葡聚糖的释放上不具有温度依赖性,这是由于丙烯酸单体的加入使得水凝胶的LCST升高。同时作为对照组的块状高交联度的PNIPAAm水凝胶未观察到药物释放。因此,作者得出结论这种纳米微粒网络水凝胶在大分子药物的释放上比传统的块状水凝胶具有明显的优势。
1.2 合成具有孔结构的凝胶
引入孔结构后,水凝胶中的水可以通过孔洞透过表面致密层排出,因此使得水凝胶的响应速率明显提高。
1.2.1 利用制孔剂引入孔洞结构
刘晓华等[5]利用不同粒径的碳酸钙粒子作为制孔剂,合成了具有快速响应的温敏性PNIPAAm水凝胶。Zhu[6]、Zhang等[7]利用不同分子量的聚(乙二醇)(PEG)作为制孔剂合成了具有孔结构的PNIPAAm水凝胶。指出当PEG分子量较小时,易于洗去,多孔凝胶中几乎不含PEG;PEG分子量较大时,水凝胶溶胀率有所提高,但不易洗去,多孔凝胶中仍残留部分PEG。陈兆伟等[8]以两种不同粒径的硅胶颗粒为致孔剂,通过自由基聚合制备凝胶/硅胶复合体,所得凝胶基体经充分酸处理后可使制孔剂硅胶完全溶解,该方法处理简单,无需其它复杂的处理手段。
1.2.2 使用相分离技术/混合溶剂合成
当聚合反应在高温下(>LCST)进行时,增长的聚合物链将以塌陷的状态存在,并从溶液中分离出来。因此,反应是在两相系统中进行,这就阻碍了增长链的终止,从而导致超孔网络结构的水凝胶的形成。而且利用相分离技术合成的PNIPAAm水凝胶,当温度在LCST以上时,将减少水凝胶表面致密层的形成,从而提高水凝胶的收缩速率。Kabra和Gehrke[9]利用这种技术在37.9℃(>LCST)合成了快速响应的PNIPAAm水凝胶。Hoffan man等[10]将这种方法进行了改进,直接在50℃(>LCST)进行聚合反应,在聚合反应接近结束时将反应器移走。Zhang等[11]在体积比为1∶1的去离子水和冰醋酸(glacialaceticacid)的混合溶剂中,利用相分离技术在48℃下合成了具有超孔网络结构的聚(N 异丙基丙烯酰胺 co 甲基丙烯酸甲酯)(P(NIPAAM co MMA))水凝胶,并进一步研究了含有不同量的甲基丙烯酸甲酯(MMA)的水凝胶的开-关行为。当MMA含量较少时,由于P(NIPAAM co MMA)水凝胶的超孔网络结构导致水凝胶在短短的几分钟内就丢失了95%的水分,表现出很快的收缩速率。当MMA含量较高时,由于疏水性集团的增加,当温度高于LCST时,水凝胶缩水首先形成的表面层变得更厚,更加致密,极大的减小了水的扩散速率。由此,作者观察到水凝胶快速失水到一个稳定的状态,但是水凝胶中仍然有大量的水存留。由此,作者得出结论上述水凝胶温敏性大大提高,可以通过温度的变化用作开-关释药,而且可以通过调整MMA的含量调整其LCST。Zhang等[12]利用氧化还原聚合,在体积比为1∶1的水/丙酮(ace tone)混合溶剂中合成了具有快速响应性的PNIPAAm水凝胶。
1.2.3 利用冷冻干燥技术 Kato等[13]利用冷冻干燥技术合成了具有快速收缩速率的PNIPAAm水凝胶。他们认为经过冷冻干燥之后,水凝胶通过疏水性集团间的联系形成了蜂巢似的结构,当温度升高到LCST以上时,水凝胶中的水通过这些蜂巢似的结构快速排出。他们又进一步研究了不同水含量下进行冷冻干燥技术所形成的孔的大小以及水的排出速率,以期望通过控制冷冻干燥时水的含量控制所形成孔的大小,从而得到所需要的退溶胀时间。研究结果显示,随着溶胀度的增加,孔逐渐增大,退溶胀时间缩短。因此,可以通过控制冷冻干燥前溶胀度的不同,得到所需的退溶胀时间。用这种方法制成的多孔水凝胶与利用制孔剂所制成的多孔水凝胶相比,在调节退溶胀时间方面具有优势。1.2.4 在有机溶剂中合成
Zhang等[14]用二甲基亚砜(DMSO)作为溶剂,在低温下(0.5℃和-20℃,低于DMSO的溶点)合成了多孔的响应速率极快的PNIPAAm水凝胶。这种水凝胶的微观孔结构具有与众不同的特性:1.孔壁非常薄;2.在0.5℃,NIPAAM含量为5%的情况下合成的水凝胶,其孔结构非常规则,而且取向一致;3.0.5℃下,当单体浓度升高到10%时,唯一取向的孔结构消失,而且孔的深度减小;4.当单体浓度为10%时,从0.5℃到-20℃进一步减小聚合温度,将会产生随意取向且不规则的多孔的网络结构。这种多孔显微结构的形成是由于当聚合温度在DMSO溶点以下时,DMSO微晶起到制孔剂的作用。在水凝胶的合成过程中,聚合反应在分散在固相中的液相中进行,而固相是由许多DMSO微晶所形成的。当合成的水凝胶在室温下解冻时,原来被DMSO占据的空间就会形成许多孔。形成的孔的数量和大小将取决于聚合过程中所形成的DMSO微晶,而DMSO微晶又将取决于溶液的相对浓度。Zhang等进一步讨论了所合成水凝胶的溶胀、退溶胀以及收缩-溶胀循环动力学,发现均比在22℃下,DMSO中合成的水凝胶(被称为传统水凝胶)有明显的优势,尤其是在收缩-溶胀循环动力学中,几乎没有水保留率的降低。但是在室温下的溶胀度要比传统水凝胶低。
1.2.5 利用四氢呋喃(THF)作为起泡剂及沉淀剂
Zhang等[15]在室温下,水溶液中利用THF作为起泡剂及沉淀剂合成了PNIPAAm水凝胶,并与未加THF而其他条件相同的情况下合成的PNIPAAm水凝胶做了对比。结果显示,加入THF的水凝胶具有极快的反应速率。Zhang等认为加入THF条件下合成的水凝胶之所以具有极快的反应速率,是基于两点原因。一是由于THF的吹制和反应过程中放热导致水的蒸发两者相结合所产生的超孔网络。除此之外,THF的加入导致PNIPAAm从水相反应系统中塌陷和沉淀,PNIPAAm链的溶解性在水和THF的混合溶液中急剧下降。随着THF的加入,PNIPAAm链不断从单体溶液中沉淀出来。从这一观点来看,THF在聚合过程中同时作为沉淀剂而发挥作用。最终获得的水凝胶具有非均一分布的基质。由于这种非均一性使得PNIPAAm水凝胶不同塌陷区域存在不对称的收缩力,从而导致水凝胶的快速收缩。由于不均一的微结构,许多收缩区域在收缩过程中显现出不同的塌陷相,渐渐的,富集水的区域的自由水向周围水少的区域扩散,这就使得整个水凝胶中富集水的区域之间形成互相连接的水释放通道,因此,自由水就快速的从正在塌陷的水凝胶中释放出来。这是加入THF条件下合成的水凝胶具有极快反应速率的又一个原因。
1.2.6 与单体共聚
Zhang等[16]在碱性溶液(Tris/HCl,pH8.8,I=0.5M)中,合成了具有快速温敏性的聚(N 异丙基丙烯酰胺 co 丙烯酸)(P(NIPAAm AAC))水凝胶。在碱性溶液中,丙烯酸的羧基离解成的羧酸根离子之间的静电斥力,使得合成的水凝胶具有高度膨胀的多孔性结构。由于这种结构使得水凝胶具有很高的溶胀度,较高的退溶胀速率。MitsuhiroEbara等[17]用NIPAAm与2 羧基异丙基丙烯酰胺(2 carboxyisopropylacrylamide,CIPAAm)共聚合成了P(NIPAAm co CIPAAm)水凝胶。这种水凝胶当温度在其LCST附近有微小变化时,体积快速发生变化(在60s内体积减少5/6)。MitsuhiroEbara等将此种水凝胶与在水溶液中合成的P(NIPAAm co AAC)水凝胶作了对比,发现虽然两者的共聚单体中都含有羧基,但是两种水凝胶的性质有很大的不同。P(NIPAAm co AAC)水凝胶当AAC单体含量很少时,就会失去温敏性;而且其退溶胀速率随着AAC含量的增加而减少。而P(NIPAAm co CIPAAm)水凝胶的收缩速率随着CIPAAm含量的增加而增大。于是MitsuhiroEbara等认为P(NIPAAm co CIPAAm)水凝胶敏感的退溶胀行为是由于NIPAAm和CIPAAm相似的化学结构促进了聚合物网络间强疏水链的聚集。
1.3 在凝胶基体中引入接枝链
Okano等[18]发现在PNIPAAm水凝胶网络中引入自由可移动的以及接枝的聚氧化乙烯(poly(ethyleneoxide),PEO)链或者PNIPAAm链可以提高凝胶收缩过程中的收缩速率。由于接枝链的亲水性,为水提供了很多扩散通道,这就加速了凝胶的退溶胀速率。
除了以上三种普遍采用的方法外,在1.2.5中提到的THF作为沉淀剂从而导致水凝胶具有非均一分布的基体,这种非均一性使得PNIPAAm水凝胶于不同塌陷区域存在不对称的收缩力,从而导致水凝胶的快速收缩。也是提高水凝胶响应速率的有效途径。
2 PNIPAAm水凝胶机械强度的改善
传统的PNIPAAm水凝胶在溶胀状态下机械强度差的性质极大的限制了其作为药物释放载体的可用性。因为PNIPAAm水凝胶不降解的特性,药物释放完毕后,利用手术将其移除是必要的。但是如果水凝胶过于柔软,在移除过程中很容易会被破坏,通过传统的手术程序是很难将其全部移除的。因此,很多研究者致力于PNIPAAm水凝胶机械强度的改善的研究。
2.1 引入机械强度高的物质作支架
Wu等[19]利用预辐射接枝技术将NIPAAm接枝到具有高机械强度的多孔极薄的聚丙烯膜上,从而获得了具有高机械强度的温敏性水凝胶。S.K.Li等[20]选择了圆盘形状的烧结的玻璃过滤器作为惰性的机械支持平台,在其孔内合成了PNIPAAm。
2.2 形成互相贯穿聚合网络(IPN) Zhang等[21]合成了IPN PNIPAAm水凝胶,这种水凝胶不仅强度提高,而且由于没有引入非温敏性部分,使得IPN PNIPAAm水凝胶的温敏性并没有比非互相贯穿网络的PNIPAAm水凝胶降低。ZhangJian tao等[22]也报道了IPN PNIPAAm水凝胶的合成及其特性。
2.3 与疏水性单体共聚
以上介绍了对PNIPAAm水凝胶改性的一些方法。这些改性增加了PNIPAAm水凝胶作为药物释放载体的可用性。
3 利用PNIPAAm水凝胶进行药物释放的研究进展
3.1 用于开-关释药
Ichikawa等[23]设计了一种微胶囊,利用温度的变化控制药物的释放。微胶囊以碳酸钙作为核,核外依次为咔唑铬磺酸钠(carbazochromesodiumsulfonate,CCSS,一种水溶性的测试药物)层,乙基纤维素(ethyl cellulose)层,其中,乙基纤维素层中分布有温敏性的PNIPAAm纳米微粒。PNIPAAm纳米微粒是由疏水的聚(EA/MMA)核和温敏性的PNIPAAm壳通过半连续的两相乳液聚合技术合成的。当温度高于LCST时,PNIPAAm纳米微粒收缩,导致膜上产生许多空间,使得药物通过这些空间释放到外界。这种微胶囊由于10μm级的膜厚度,以及纳米级厚度的PNIPAAm壳使得对于温度的反应非常的迅速,是一种非常有前途的开-关药物控释体系。而且还可以通过在聚(丙烯酸乙酯/甲基丙烯酸甲酯)(P(EA/MMA))核中加入亲水的丙烯酸羟乙酯(2 hydroxyethylmethacrylate,HEMA)单体,作为新核,将碳酸钙改为水溶性的乳糖作为微胶囊的核,用聚乙烯吡咯烷酮(polyvinylpyrrolidone,PVP)修饰微胶囊的膜,可以延迟药物释放,而且可以通过改变膜的厚度,以及聚(EA/MMA/HEMA)的单体组成比来改变延迟时间。这种延迟释放可以被用作经普通途径将缩氨酸类药物运送到结肠释放。
3.2 利用表面活性剂释放药物
Eeckman等[24]通过直接压缩的方法,制成了外层为包膜的药片,其包膜由PNIPAAm及表面活性剂构成。亲水部分和疏水部分明显分离的表面活性剂的存在可以提高PNIPAAm的LCST。这种表面活性剂的长脂肪烃链和PNIPAAm的疏水部分结合,然后表面活性剂的亲水部分转向外侧,部分覆盖了PNIPAAm链,因此,二者的结合就表现为离子化的亲水聚合物,在高有高度膨胀的多孔性结构。由于这种结构使得水凝胶具有很高的溶胀度,较高的退溶胀速率。 MitsuhiroEbara等[17]用NIPAAm与2 羧基异丙基丙烯酰胺(2 carboxyisopropylacrylamide,CIPAAm)共聚合成了P(NIPAAm co CIPAAm)水凝胶。这种水凝胶当温度在其LCST附近有微小变化时,体积快速发生变化(在60s内体积减少5/6)。MitsuhiroEbara等将此种水凝胶与在水溶液中合成的P(NIPAAm co AAC)水凝胶作了对比,发现虽然两者的共聚单体中都含有羧基,但是两种水凝胶的性质有很大的不同。P(NIPAAm co AAC)水凝胶当AAC单体含量很少时,就会失去温敏性;而且其退溶胀速率随着AAC含量的增加而减少。而P(NIPAAm co CIPAAm)水凝胶的收缩速率随着CIPAAm含量的增加而增大。于是MitsuhiroEbara等认为P(NIPAAm co CIPAAm)水凝胶敏感的退溶胀行为是由于NIPAAm和CIPAAm相似的化学结构促进了聚合物网络间强疏水链的聚集。
1.3 在凝胶基体中引入接枝链
Okano等[18]发现在PNIPAAm水凝胶网络中引入自由可移动的以及接枝的聚氧化乙烯(poly(ethyleneoxide),PEO)链或者PNIPAAm链可以提高凝胶收缩过程中的收缩速率。由于接枝链的亲水性,为水提供了很多扩散通道,这就加速了凝胶的退溶胀速率。 除了以上三种普遍采用的方法外,在1.2.5中提到的THF作为沉淀剂从而导致水凝胶具有非均一分布的基体,这种非均一性使得PNIPAAm水凝胶于不同塌陷区域存在不对称的收缩力,从而导致水凝胶的快速收缩。也是提高水凝胶响应速率的有效途径。
2 PNIPAAm水凝胶机械强度的改善
传统的PNIPAAm水凝胶在溶胀状态下机械强度差的性质极大的限制了其作为药物释放载体的可用性。因为PNIPAAm水凝胶不降解的特性,药物释放完毕后,利用手术将其移除是必要的。但是如果水凝胶过于柔软,在移除过程中很容易会被破坏,通过传统的手术程序是很难将其全部移除的。因此,很多研究者致力于PNIPAAm水凝胶机械强度的改善的研究。
2.1 引入机械强度高的物质作支架
Wu等[19]利用预辐射接枝技术将NIPAAm接枝到具有高机械强度的多孔极薄的聚丙烯膜上,从而获得了具有高机械强度的温敏性水凝胶。S.K.Li等[20]选择了圆盘形状的烧结的玻璃过滤器作为惰性的机械支持平台,在其孔内合成了PNIPAAm。
2.2 形成互相贯穿聚合网络(IPN)
Zhang等[21]合成了IPN PNIPAAm水凝胶,这种水凝胶不仅强度提高,而且由于没有引入非温敏性部分,使得IPN PNIPAAm水凝胶的温敏性并没有比非互相贯穿网络的PNIPAAm水凝胶降低。ZhangJian tao等[22]也报道了IPN PNIPAAm水凝胶的合成及其特性。
2.3 与疏水性单体共聚 以上介绍了对PNIPAAm水凝胶改性的一些方法。这些改性增加了PNIPAAm水凝胶作为药物释放载体的可用性。
3 利用PNIPAAm水凝胶进行药物释放的研究进展
3.1 用于开-关释药[23]
Ichikawa等设计了一种微胶囊,利用温度的变化控制药物的释放。微胶囊以碳酸钙作为核,核外依次为咔唑铬磺酸钠(carbazochromesodiumsulfonate,CCSS,一种水溶性的测试药物)层,乙基纤维素(ethyl cellulose)层,其中,乙基纤维素层中分布有温敏性的PNIPAAm纳米微粒。PNIPAAm纳米微粒是由疏水的聚(EA/MMA)核和温敏性的PNIPAAm壳通过半连续的两相乳液聚合技术合成的。当温度高于LCST时,PNIPAAm纳米微粒收缩,导致膜上产生许多空间,使得药物通过这些空间释放到外界。这种微胶囊由于10μm级的膜厚度,以及纳米级厚度的PNIPAAm壳使得对于温度的反应非常的迅速,是一种非常有前途的开-关药物控释体系。而且还可以通过在聚(丙烯酸乙酯/甲基丙烯酸甲酯)(P(EA/MMA))核中加入亲水的丙烯酸羟乙酯(2 hydroxyethylmethacrylate,HEMA)单体,作为新核,将碳酸钙改为水溶性的乳糖作为微胶囊的核,用聚乙烯吡咯烷酮(polyvinylpyrrolidone,PVP)修饰微胶囊的膜,可以延迟药物释放,而且可以通过改变膜的厚度,以及聚(EA/MMA/HEMA)的单体组成比来改变延迟时间。这种延迟释放可以被用作经普通途径将缩氨酸类药物运送到结肠释放。
3.2 利用表面活性剂释放药物
Eeckman等[24]通过直接压缩的方法,制成了外层为包膜的药片,其包膜由PNIPAAm及表面活性剂构成。亲水部分和疏水部分明显分离的表面活性剂的存在可以提高PNIPAAm的LCST。这种表面活性剂的长脂肪烃链和PNIPAAm的疏水部分结合,然后表面活性剂的亲水部分转向外侧,部分覆盖了PNIPAAm链,因此,二者的结合就表现为离子化的亲水聚合物,在高温下仍然可溶解。这种压缩-包膜的药片在水中的理论溶解过程如下:在体温下,PNIPAAm不溶,药物不释放。但是,水的缓慢扩散会引起表面活性剂的溶解,这种仍然处于原位的溶解的表面活性剂分子,将会与邻近的聚合物分子结合,使PNIPAAm的亲水性增加,提高其沉淀的温度,一旦沉淀温度等于或高于药物所处环境的温度,水凝胶就会溶胀,引起药物释放。这种释放属于延迟释放。延迟的时间可以通过改变表面活性剂的性质和量来调整。用表面活性剂作为PNIPAAm水凝胶的溶解性控制剂,可以使药物的释放在生理需要的条件下发生,而不用改变温度。
3.3 利用PNIPAAm分子开关的作用进行药物释放
Hoffman等[25]发现可以通过在蛋白质的特殊位点上利用基因工程的方法插入有反应活性集团的氨基酸,例如具有巯基( SH)集团的半胱氨酸,然后通过马来酰亚胺(maleimide)上的双键将PNIPAAm连接到 SH上,就实现了将PNIPAAm固定到蛋白质的特定位点上。如果这个位点接近蛋白质的活性位点,PNIPAAm就可以作为分子开关。研究者将PNIPAAm固定到抗生物素蛋白链菌素(streptavidin,SA)的突变位点E116C上,SA的活性位点上结合有生物素(bio tin)。研究发现,当温度升高引起PNIPAAm塌陷时,导致结合在活性位点上的部分生物素的释放。将温度在PNIPAAm的LCST附近上下浮动几次,与SA结合的所有生物素全部释放。这种结合配体的触发式释放可以用于释放治疗,例如将药物局部释放到皮肤或粘膜表面,也可以通过非入侵性的、集中的刺激,或是由导管输送刺激将药物在体内的预定部位进行释放。
3.4 药物的物理化学性质对药物控释的影响
Coughlan等[26]研究了药物的物化性质对于PNIPAAm水凝胶溶胀/退溶胀动力学及药物开-关释放的影响。安息香酸(BA)以及安息香酸甲酯(MHB)、安息香酸丙酯(PHB)以及地尔硫卓碱(dilti azembase,DB)作为疏水性药物,安息香酸钠(NaB)、盐酸地尔硫卓(diltiazemHCl,DHCl)、维生素B12(VB12)、和不同分子量的右旋糖苷(MW4300,10200,42000,68800)作为实验用亲水性药物。实验结果表明,水凝胶的溶胀率由于疏水性药物的存在而降低,而且降低程度依赖于药物的溶解度;加载有亲水性药物的水凝胶的溶胀率比未加载药物的水凝胶增加;在所有情况下,水凝胶收缩的程度和速率优先正比于溶胀度而不是温度转换。在25℃,无论是疏水性还是亲水性药物的释放都近似与时间的平方根成正比。温度转换时水凝胶收缩导致的疏水性的药物脉冲式释放依赖于其溶解度。对于疏水性药物温度控释的有效性随着药物溶解度的增加而增加,虽然只有DB的释放为开-关释药模式。水凝胶收缩时亲水性药物的脉冲释放随着其分子量的增加而增加。DH,VB12以及不同分子量的右旋糖苷都具有开-关释药的特征。对于较高分子量的右旋糖苷,使用负温敏性的水凝胶获得了正温敏性的系统。这种现象的产生是由于温度在LCST以下时,较高分子量的右旋糖苷在膨胀的网络中的扩散可以忽略,而当温度在LCST以上时,由于水凝胶的收缩右旋糖苷有一个剧烈的脉冲释放。因此,药物的溶解度、大小以及化学性质对水凝胶的溶胀以及温敏性水凝胶的控制释放方面有重要的作用。
3.5 电荷对药物释放的影响
Lee等[27]研究了用离子型温敏水凝胶作为载体,带不同电荷的药物的释放行为。实验中所用到的离子型水凝胶是由NIPAAm和阳离子单体(三甲基丙烯酰胺基丙基)碘化铵(trimethyl(acrylamidopropyl)am moniumiodide,TMAAI),或阴离子单体丙烯酸(AA),或两性离子单体NV,NV dimethyl(acrylamidopropyl)ammoniumpropanesulfonate(DMAAPS,二甲基(丙烯酰胺基丙基)丙烷磺酸铵),或非离子单体甲基丙烯酸聚乙二醇酯(poly(ethyleneglycol)methyletheracry late,PEGMEA),以及制孔剂,聚乙二醇(poly(ethyl eneglycol),PEG)共聚得到的。用咖啡因作为非离子型水凝胶是由NIPAAm和阳离子单体(三甲基丙烯酰胺基丙基)碘化铵(trimethyl(acrylamidopropyl)am moniumiodide,TMAAI),或阴离子单体丙烯酸(AA),或两性离子单体NV,NV dimethyl(acrylamidopropyl)ammoniumpropanesulfonate(DMAAPS,二甲基(丙烯酰胺基丙基)丙烷磺酸铵),或非离子单体甲基丙烯酸聚乙二醇酯(poly(ethyleneglycol)methyletheracry late,PEGMEA),以及制孔剂,聚乙二醇(poly(ethyl eneglycol),PEG)共聚得到的。用咖啡因作为非离子型药物,结晶紫(crystalviolet,CV)作为阳离子型药物,酚红(phenolred)作为阴离子药物来进行药物释放研究。研究显示,咖啡因的释放率不受水凝胶是否离子化的影响;CV与阴离子水凝胶有强烈的作用,因此,释放率非常慢。由于电荷之间的排斥作用,CV只是吸附在阳离子水凝胶的表层,当水凝胶收缩时,释放非常迅速;酚红的释放结果正好与CV相反。
3.6 盐溶液对聚电解质及温敏性水凝胶溶胀行为的影响
LeeWen fu等[28]研究了不同盐溶液对NIPAAm/NaAMPS共聚凝胶的影响。由于外界盐溶液中的阳离子与聚合物侧链所带的负电荷中和影响了NIPAAm/NaAMPS共聚物的溶胀率。LeeWen fu等讨论了一价阳离子、二价阳离子(这里阴离子都为氯离子),以及不同的卤离子(阳离子为钾离子)对NIPAAm/NaAMPS共聚物及PNIPAAm的溶胀率的影响。研究发现,当一价阳离子的浓度在1.10-5到0.1M的范围内时,不对纯PNIPAAm水凝胶的溶胀行为产生影响,当其浓度大于1 10-5M时,由于盐析效应使得PNIPAAm水凝胶剧烈收缩。NIPAAm/NaAMPS共聚水凝胶的溶胀率随着盐溶液浓度的增加而降低,这是由于盐溶液中的阳离子与聚合物链上的阴离子相中和的结果。当离子浓度在10-4到10-5M之间时,由于-NHCO-集团的亲水性以及NaAMPS上磺酸根之间的排斥力,导致水凝胶溶胀。但是当盐溶液的离子强度在由10-4升到10-1M时,NaAMPS上的负电荷几乎全被被盐溶液中的阳离子中和,导致水凝胶的溶胀率迅速降低。当盐溶液的离子强度超过0.1M时,共聚水凝胶成为非离子型,因此离子强度在0.1M～0.5M的范围内NIPAAm/NaAMPS共聚水凝胶的溶胀曲线接近水平线。在二价阳离子溶液中,水凝胶的溶胀行为与在一价中类似,只不过由于所带电荷量不同离子浓度的范围也不同。在不同卤离子的盐溶液中,由于钾离子的作用,水凝胶的溶胀行为与在一价中类似,但是由于各种卤化钾溶解度的不同,这种行为在溶解度较高的碘化钾和溴化钾中更为明显。当凝胶在1.0M的氯化钠水溶液中溶胀时,其LCST降低,这是由于在高浓度的盐溶液中,由于离子压力的作用,共聚水凝胶的溶胀率降低,凝胶疏水性更强。
4 结语
理论上PNIPAAm水凝胶在作为载体进行药物的可控释放方面具有极大的应用前景。但是其本身存在的缺陷,例如,响应速度慢,机械强度不够等严重影响了其实际应用。目前,虽然通过各种方法对PNIPAAm水凝胶进行了改性,以满足实际应用中响应速度及机械强度的要求,但是许多研究者往往只是关注于其中一个方面,将两者进行结合的研究很少。在药物释放的研究中,温度在LCST附近转换时,往往存在药物释放的爆破效应,也需要解决。总之,研究开发具有优异性能的,能根据人体环境进行药物可控释放的PNIPAAm水凝胶是一项富有挑战及极大应用前景的工作。
参考文献
[1] 宋江莉,王秀芬.LCST类水凝胶开关效应的研究进展[J].化学进展,2004,16(1):57 60.
[2] IchikawaH,FukumoriY.Anovelpositivelythermosensitivecontrolled releasemicrocapsulewithmembraneofnano sizedpoly(N isopropylacrylamide)geldispersedinethylcellulosematrix[J].JournalofControlledRelease,2000,63:107 119.
[3] HuZhibing,LuXihua,GaoJun,etal.Polymergelnanopar ticlenetworks[J].AdvMater,2000,12(16):1173 1176;HuZhibing,LuXihua,GaoJun,etal.Hydrogelopals[J].AdvMater,2001,13(22):1708 1712.
[4] HuangGang,GaoJun,HuZhibing,etal.Controlleddrugre leasefromhydrogelnanoparticlenetworks[J].JournalofControlledRelease,2004,94(3):303 311.
[5] 刘晓华,王晓工,刘德山.快速响应的温敏性聚(N 异丙基丙烯酰胺)水凝胶I.以CaCO3为制孔剂制备方法、表征及动力学研究[J].高分子学报,2002,3:354 357.
[6] ZhuoRuixi,LiWei.Preparationandcharacterizationofma croporouspoly(N isopropylacrylamide)hydrogelsforthecontrolledreleaseofproteins[J].JPolymChem,2003,41:152 159.
[7] ZhangXianzheng,YangYiyan,ChungTaishung,etal.Prepa rationandcharacterizationoffastresponsemacroporouspoly(N isopropylacrylamide)hydrogels[J].Langmiur,2001,17:6094 6099.
[8] 陈兆伟,陈明清,刘晓亚,等.温敏性聚(N 异丙基丙烯酰胺)水凝胶的合成与表征[J].功能高分子学报,2004,17(1):46 50.
[9] KabraBG,GehrkeSH.Synthesisoffastresponse,tempera ture sensitivepoly(N isopropylacrylamide)gel[J].PolymCommun,1991,32(11):322 323.
[10] WuXueshen,HoffmanAS,YagerP.Synthesisandcharac terizationofthermallyreversiblemacroporouspoly(N iso propylacrylamide)hydrogels[J].JPolymSci:PartA:PolymChem,1992,30:2121 2129.
[11] ZhangXianzheng,ZhuoRenxi.Synthesisandpropertiesofthermosensitivepoly(N isopropylacrylamide co methylme thacrylate)hydrogelwithrapidresponse[J].MaterialsLet ters,2002,52:5 9.
[12] ZhangXianzheng,ZhuoRenxi.Novelsynthesisoftempera ture sensitivepoly(N isopropylacrylamide)hydrogelwithfastdeswellingrate[J].EuropeanPolymerJournal,2000,36:643 645.
[13] NorihiroK,YasuzoS,ShihokoS.Wide rangecontrolofde swellingtimeforthermosensitivepoly(N isopropylacrylam ide)geltreatedbyfreeze drying[J].Macromolecules,2003,36(4):961 963.
[14] ZhangXianzheng,ChuChihchang.SynthesisoftemperaturesensitivePNIPAAmcryogel
sinorganicsolventwithim provedproperties[J].JMaterChem,2003,13:2457 2464.
[15] ZhangXianzheng,ChuChihchang.Preparationofthermo sensitivePNIPAAmhydrogelswithsuperfastresponse[J].ChemCommun,2004,3:350 351.
[16] ZhangXianzheng,YangYiyan,WangFanjing,etal.Synthe sisofthermosensitivepoly(N isopropylacrylamideco acrylicacid)hydrogelswithexpandednetworkstructuresandim provedoscillatingswelling deswellingproperties[J].Lang muir,2002,18:2013 2018.
[17] EbaraM,AoyagiK,SakaiK,etal.Theincorporationofcar boxylategroupsintotemperature responsivepoly(N isopro pylacrylamide) basedhydrogelspromotesrapidgelshrink ing[J].JournalofPolymerScience:PartA:PolymerChemistry,2001,39:335 342.
[18] (a)YoshidaR,UchidaK,KanekoY,etal.Comb typegraftedhydrogelswithrapiddeswellingresponsetotemper aturechanges[J].Nature,1995,374(6519):240 242;(b)KanekoY,SakaiK,KikuchiA,etal.Influenceoffreelymobilegraftedchainlengthondy
namicpropertiesofcomb typegraftedpoly(N isopropylacrylamide)hydrogels[J].Macromolecules,1995,28:7717 7723;(c)KanekoY,NakamuraS,SakaiK,etal.Rapiddeswellingresponseofpoly(N isopropylacrylamide)hydrogelsbytheformationofwaterreleasechannelsusingpoly(ethyleneoxide)graftchains[J].Macromolecules,1998,31:6099 6105.
[19] WuMinghong,BaoBorong,ChenJie,etal.Preparationofthermosensitivehydrogel(PP g NIPAAm)withon offswitchingforcontrolledreleaseofdrugs[J].RadiationPhysicsandChemistry,1999,56:341 346.
[20] EmanueleAD.On offtransportthroughathermoresponsivehydrogelcompositemembrane[J].JournalofControlledRelease,2001,75:55 67.
[21] ZhangXianzheng,WuDaqing,ChuChihchang.Synthesis,characterizationand
controlleddrugreleaseofthermosensi tiveIPN PNIPAAmhydrogels[J].Biomaterials,2004,25:3793 3805.
[22] ZhangJiantao,HuangShiwen,ChengSixue,etal.Prepara tionandpropertiesofpoly(N isopropylacrylamide)/poly(N isopropylacrylamide)interpenetratingpolymernetworksfordrugdelivery[J].JournalofPolymerScience:PartA:PolymerChemistry,2004,42:1249 1254.
[23] IchikawaH,ArimotoM,FukumoriY.Designofmicrocap suleswithhydrogelasamembranecomponentandtheirpreparationbyaspoutedbed[J].PowderTechnology,2003,130:189 192.
[24] EeckmanF,Moe¨sAJ,AmighiK.Surfactantinduceddrugdeliverybasedontheuseofthermosensitivepolymers[J].JournalofControlledRelease,2003,88:105 116.
[25] HoffmanAS,StaytonPS.Bioconjugatesofsmartpolymersandproteins:synthesisand
applications[J].MacromolSymp,2004,207:139 151.
[26] CoughlanDC,QuiltyFP,CorriganOI.Effectofdrugphys icochemicalpropertiesonswelling/deswellingkineticsandpulsatiledrugreleasefromther
moresponsivepoly(N isopro pylacrylamide)hydrogels[J].JournalofControlledRe lease,2004,98:97 114.
[27] LeeWenfu,ChiuRujen.Investigationofchargeeffectsondrugreleasebehaviorforionicther
mosensitivehydrogels[J].MaterialsScienceandEngineeringC,2002,20:161 166.
[28] LeeWenfu,YuanWenyang.ThermoreversiblehydrogelsXI:effectofsaltontheswelling
propertiesofthe(N Iso propylacrylamide co Sodium2 Acrylamido 2 methylpropylSulfonate)copolymerichydrogels[J].JournalofAppliedPolymerScience,2001,79:1675 1684. |
