纳米技术在中药研究中的应用.pdf

中 国 药 科 大 学 学 报 Journal of China Pharmaceutical University 2001 32 3 161 165 药学前沿 纳米技术在中药研究中的应用 徐辉碧 3 杨祥良 谢长生1 杨亚江 华中科技大学生命科学与技术学院 武汉430074 1 华中科技大学材料学院 武汉430074 摘 要 简要地综述了纳米科技及纳米药物的发展 阐明了纳米中药的提出 纳米中药的基本概念 特性 及其制备技术 介绍了用特种高分子化合物解决纳米中药的制备及阻止其聚集的设想 关键词 纳米科技 纳米中药 进展 中图分类号 TB383 R28 文献标识码 A 文章编号 100025048 2001 0320161205 1 纳米科技发展概况 纳米科学技术 Nano2 ST 是20世纪80年代末 期刚刚诞生并正在崛起的新科技 它的基本涵义是 在纳米尺寸 10 910 7 m 范围内认识和改造自然 通过直接操作和安排原子 分子 创制新物质 1 纳米科技的出现标志着人类改造自然的能力已延 伸到原子 分子水平 表明人类科学技术已进入一 个新时代 纳米科技时代 据专家们预测 纳米 科技必将成为21世纪的主导新技术之一 纳米科技的诞生是以扫描隧道电子显微镜和 原子力显微镜的发明为先导的 1981年美国IBM 公司在瑞士的苏黎世实验室工作的G Binning和 H Rohrer博士发明了扫描隧道电子显微镜 Scan2 ning Tunneling Microscopy 并因此获诺贝尔物理 奖 纳米科技是一门多学科交叉的基础研究和应 用研究密切相联系的高新科技 如纳米材料学 纳 米电子学 纳米机械学 纳米化学和纳米生物学等 纳米不仅是一个空间尺度上的概念 而且是一种新 的思维方式 即生产过程越来越细 以致在纳米尺 度上直接由原子 分子排布制造具有特定功能的产 品 2 当物质加工到纳米尺寸时 1100 nm 由于它 的尺寸已接近光的波长 同时其所具有的表面积 大 因此表现出许多特殊的性质 如在光学 磁学 电学 化学乃至生物学方面 其特性往往既不同于 微观原子 分子 也不同于该物质在整体状态时所 表现的宏观性质 目前研究较多的是纳米材料 当颗粒进入纳米级时 有几个方面的效应 在此重 点介绍表面效应 表面效应是指粒子的尺寸越小 表面积越大 纳米材料中位于表面的原子占相当 大的比例 随着粒径的减小 引起表面原子数迅速 增加 如粒径为10 nm时 比表面积为90 m2 g 粒 径为5 nm时 比表面积为180 m2 g 粒径小到2 nm 时 比表面积增至450 m2 g 这样大的比表面 使 处于表面的原子数越来越多 导致其表面能迅速增 加 故纳米粒子具有很高的化学活性 我们检索了19982000年美国专利中涉及纳米 科技的专利 发现该类专利数正按指数方式增加 对纳米技术应用领域进行了粗略分析后 发现与生 物医学相关的专利占总数的80 以上 从一个侧 面说明纳米科技在生物医学领域有着十分广阔的 前景 其主要内容如下 1 纳米药物的控释 靶向给药系统 2 用于诊断和监测的纳米探针 纳米传感器 和纳米机器人 3 人工关节 口腔修复等人造器官用的生物 161 收稿日期 2001204216 3通讯作者Tel 027287543532 E2mail hbxu mail 基金项目 湖北省自然科学基金重点资助项目 第四届中国北京高新技术产业国际周特邀报告 作者简介 徐辉碧教授 博士生导师 华中科技大学生命科学与技术学院院长 1994 2007 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 相容性纳米材料 4 基因治疗中的纳米技术 现代中药的研究就是要在继承中药传统的基 础上 充分利用现代科技手段 使中药具有先进的 生产工艺和现代剂型 做到 有效 安全 可控 使 中药产业成为我国国民经济中的一个新的增长点 将纳米技术应用于中药研究可能是现代中药发展 的重要方向之一 2 微囊及毫微囊 纳米药物 微囊 microcapsule 于60年代开始用于药物包 裹 它是利用高分子材料将固体或液体包嵌而成的 粒径为5250 m的粒子 目前国内外已有30余种 药物制成了微囊 如解热镇痛药 镇静药 避孕药 抗生素及维生素等 70年代以来在微囊基础上 发展了毫微囊 nanocapsule 结构与微囊相似 但粒 径小得多 一般粒径范围为10100 nm 毫微囊的优 点在于 326 所用包裹材料便于进一步表面修饰 以 达到主动靶向的目的 一般成品稳定性较好 便于 加工 灭菌 可制成缓释剂 以延长疗效 对所包药 物有保护作用 可防止氧 介质和体内酶对药物的 破坏 选用适当囊材又可达到生物相容 能在体内 生物降解 从而减少毒副作用 毫微囊药物属纳米药物 这方面的积累为发展 纳米中药提供了很好的基础 但按纳米的定义 在 毫微囊中 严格地讲只有粒径小于100 nm且产生 了新的特性的药物才是纳米药物 通常在文献上见到的有关纳米药物的报道 往 往只给出了一个平均粒径 但未给出粒径效应 纳 米粒子在不同粒径时 其生物活性的变化规律是值 得研究的 3 纳米中药 311 从矿物中药研究中得到的启示 受As2O3对急性早幼粒白血病 APL 临床及细 胞系良好作用的启示 我们以人脐静脉内皮细胞系 EV2304作为研究对象 开展了另一类无机砷化合 物 雄黄 主含As2S2 对其增殖作用影响的尺寸效 应 7 研究了不同粒径 100 nm 150 nm 200 nm 500 nm 的雄黄颗粒对ECV2304 细胞存活率 凋亡 的影响 结果表明 对应粒径100500 nm的雄黄 凋亡率分别为 68 15 49 62 7 51 5121 石决明是收载于 中国药典 的矿物中药 具 有平肝潜阳 清肝明目的功效 我们研究了 纳米 石决明血清微量元素药效学 这是基于石决明的 成分为无机化合物 故以血清微量元素的变化观察 不同粒径的石决明 纳米 微米 常态 的时效变化 以阐明血清微量元素药效学 实验结果见下图 Fig 1 The concentration change of serumzinc with time at different sta2 tus ofConcha Haliotidis Fig 2 The concentration change of serum silica with time at different status ofConcha Haliotidis 从图1及图2看出 处于纳米状态 100 nm 的石决明其性质与微米粒径比较有极显著的差异 312 对纳米中药的概念的理解 我们认为 纳米中药 是指运用纳米技术制造 的 粒径小于100 nm的中药有效成分 有效部位 原药及其复方制剂 8 通常认为中药防病治病的物质基础来自生物 活性成分或活性化学组分 因此 人们的注意力主 要集中在寻找具有各种生物活性的化合物 但不 容忽略的是 生物机体对药物的吸收 代谢是一个 复杂的过程 中药制剂产生的药理效应不能仅仅归 之于药物特有的化学组成 还与该制剂的物理状态 密切相关 因此 改变药物制剂的物理状态是新药 261 中国药科大学学报 32卷 1994 2007 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 研制的一种有效方法 在改变物理状态方面 改变药物的单元尺寸是 十分有效的 当颗粒尺寸进入纳米量级时 由于量 子尺寸效应和表面效应 纳米粒子呈现出新奇的物 理 化学和生物学特性 这就是应用纳米技术于中 药研究可能使药物活性和生物利用度提高乃至产 生新的特性依据所在 根据中国制药工业知识产权保护 9 新物态化 合物 如新的微粒化的药物 可以增加其溶解度 而增强吸收 可以申请专利 上述纳米雄黄 纳米 石决明等均已申请了专利 313 纳米中药的功能 纳米中药一般不是简单地将中药材进行粉碎 至纳米量级 而是针对组成中药方剂的某味药的有 效部位甚至是有效成分进行纳米技术加工处理 赋 予传统中药以新的功能 这些功能可能有下面几方 面 提高生物利用度 增强靶向性 降低毒副作用 呈现新的药效 拓宽原药的适应症 丰富中药的剂 型选择 减少用药量 节省中药资源等 目前纳米技术的发展尚处于初始阶段 因此 要将纳米技术应用于中药这一复杂体系的研究 特 别是产业化 仍有许多问题需要解决 其中最主要 的问题是纳米中药的制备及稳定性 314 纳米中药的制备 纳米中药的制备是研究纳米中药的最基础的 也是最重要的问题 将纳米技术引入中药的研究时 必须考虑中药 组方的多样性 中药成分的复杂性 例如 中药单味 药可分为矿物药 植物药 动物药和菌物药等 中药 的有效部位和有效成分又包括无机化合物和有机 化合物 水溶性成分和脂溶性成分等 因此 针对 不同的药物 在进行纳米化时必需采用不同的技术 路线 此外 还必需考虑中药的剂型 纳米中药与 中药新制剂关系十分密切 如何在中医理论的指导 下进行纳米中药新制剂的研究 将中药制成高效 速效 长效 剂量小 低毒 服用方便的现代制剂 也 是进行中药纳米化时必需考虑的问题 在中药制备中 纳米粒子的稳定性是个重要问 题 纳米粒子在溶剂中的 电位是反映粒子表面 带电性质和大小的一个指标 也是表征胶体稳定的 一个参数 通常憎液溶胶 电位绝对值大于30mV 时 才可抵消粒子间的范德华力而不致聚集 为解 决这个问题 一般是用超声波将团聚体打碎 或是 加入反絮凝剂形成双电层 也可加表面活性剂 使 其吸附在粒子表面 形成微泡等 关于纳米材料的制备已进行了大量研究 这些 方法为制备纳米中药提供了基础 如化学合成 法 10212 球磨法 13 14 4 生物可降解聚合物纳米粒在中药研究中的应用 聚合物纳米粒作为一种高效 低毒副作用的靶 向药物载体 近十年来受到了广泛的关注 15 在 此之前 脂质体由于其独特的性能 如保护药物免 于降解 靶向传输 低毒副作用等 作为药物载体曾 受到深入研究 16 但由于低的包封率 某些水溶性 药物过快渗出 乳液稳定性差等使其应用受到限 制 相比之下 聚合物纳米粒药物载体的稳定性 尤其是控制释放性极大优于脂质体药物载体 药物与聚合物纳米粒的结合可以是包封 也可 以是附载 前者形成毫微囊 后者形成分散体 这两 种形式的聚合物纳米粒作为口服蛋白 多肽 基因 等药物的载体 已有文献报道 17 可用的聚合物 基材 主要有聚乳酸 聚氰基丙烯酸酯 聚己内酯 壳聚糖以及海藻酸钠凝胶等 411 聚合物纳米粒的制备方法 将聚合物纳米化要根据其疏水性或亲水性而 定 也可在聚合过程中纳米化 41111 疏水性聚合物 这一方法是利用已有的聚 合物 如聚乳酸 聚己内酯等 18 溶入某些低沸点 溶剂 形成聚合物溶液 相关的药物溶入或分散在 聚合物溶液中 借助表面活性剂的作用 使聚合物 溶液在水相中形成O W或W O乳液 乳化装置 可采用高速搅拌 高压匀质或超声乳化 在有机溶 剂蒸发后 含有药物的聚合物以纳米级尺寸的颗粒 分散在水相中 这一水分散体可制备注射剂 但这种方法的不足之处在于使用有机溶剂 不 仅有害环境 而且美国FDA已指出这种注射剂中 的微量溶剂残留不利于人体生理系统 19 41112 亲水性聚合物 属于这一类的聚合物有壳 聚糖 海藻酸钠凝胶等 其纳米化方法之一涉及到 两种水相 以壳聚糖为例 一种是含有壳聚糖和两 嵌段环氧乙烷 环氧丙烷 PEO2 PPO 共聚物的水 溶液 另一种是含有三聚磷酸钠 TPP 的水溶液 将两种水相混合 制得壳聚糖纳米粒 据报道 这 3613期 徐辉碧等 纳米技术在中药研究中的应用 1994 2007 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 种纳米粒具有与蛋白质 如牛血清白蛋白 破伤风 类毒素 胰岛素以及核苷酸等良好的结合性 20 Calvo等报道了这类壳聚糖纳米粒的制备 21 Mao等采用复合凝聚技术制备了口服DNA2壳 聚糖体系 22 复合凝聚技术也可用于制备DNA2 海藻酸钠凝胶纳米粒 23 但据报道 对于负载某 些免疫蛋白和抗肿瘤蛋白来说 壳聚糖体系优于海 藻酸钠凝胶体系 24 壳聚糖纳米粒的制备也可采 用乳化凝聚技术 其制备方法是将壳聚糖和药物溶 入水中 在乳化剂作用下形成W O液体石蜡乳 液 25 41113 聚合过程中纳米化 这一方法是将单体与 药物分散在含有表面活性剂的水溶液中 然后聚合 形成聚合物颗粒 为避免引发剂带来的不利影响 这类聚合多采用离子型集合机理 在亲核试剂 如 OH2 CH3O2等 作用下进行聚合反应 由于这种快 速的反应难以得到高分子量的聚合物 为解决这一 问题 聚合应在酸性介质 pH 1 3 下进行 所制 备的聚合物纳米粒的尺寸和分子量取决于聚合介 质的pH值 26 图3是该聚合路线的示意图 surfactant drug monomer Fig 3 Schematic representation of nanoparticles formed in the polymer2 ization 412 聚合物纳米粒用于纳米中药的设想 综上所述 聚合物纳米粒在化学合成药物及蛋 白类药物领域里的成功应用 已有大量文献报道 但在中药领域里的应用却较少报道 我们认为聚 合物纳米粒作为中药的新剂型应是可行的 根据 聚合物纳米粒的特性 它至少具有以下优点 1 高载药量 包封率 及控制释放特性 2 纳米粒表面容易改性 使之不易团聚 在水 中形成稳定的分散体 3 为生物相容和可降解材料 4 聚合物本身经化学改性后 具有两亲性 在 制备纳米微粒时 可不再用表面活性剂 而大多数 表面活性剂均为非生物相容 其中 聚合物纳米粒的表面改性是十分重要 的 因为聚合物纳米粒的表面特性不仅涉及到与 药物的结合 还涉及到在体内的噬菌作用 更重要 的是将有可能解决纳米颗粒的团聚问题 表面改 性的方法主要有两种 一是表面带有亲水涂层 二 是聚合物含有亲水的链段 表面特性的表征方法 之一是测定含有聚合物纳米粒的水分散体系的 电势 为此 我们设想合成一种核 壳型两亲性嵌段 聚合物纳米粒作为纳米中药的载体 其粒径应小于 100 nm 413 聚合物纳米粒的特点 这种聚合物的特点如下 1 聚合物纳米粒中的亲水嵌段在水溶液中迁 移至微粒 水界面 形成亲水外壳 有效地改善微粒 表面的亲水性 这种亲水外壳带来两方面好处 其 一是微粒不易团聚 其二是调整吞噬细胞对其吞噬 的快慢 延长载体中药物在体内的循环时间 亲脂 嵌段形成包囊药物微粒内核 2 与其他乳液胶体纳米微粒不同 此纳米微 粒在室温下为固体 在剂型的选择上更具优势 可作为亲水段的聚合物有聚吡咯烷酮 聚氨基 酸 聚氧乙烯 聚氧丙烯 衍生物等 可作为亲脂段 的聚合物有聚羟基乙酸 聚乙 丙 交酯 聚己内酯 聚乳酸等及其共聚物 5 展 望 纳米科学技术被认为是对21世纪一系列高新 技术的产生与发展有极为重要影响的一门热点学 科 将成为新世纪主要科技之一 尽管纳米技术应 用于中药的研究和开发 现在还仅仅出现了一点苗 头 但其有可能发展出新的学科 新的产业 我们 要加速这一领域的知识创新和技术创新 为实现中 药现代化作出贡献 461 中国药科大学学报 32卷 1994 2007 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 参 考 文 献 1 张立德 Zhang LD 牟季美 Mou JM 著 1 纳米材料和纳米结 构 M 1 北京 科学出版社 2001 2231 2 张志火 昆 Zhang ZK 崔作林 Cui Z L 著 1 纳米技术与纳米材料 M 1 北京 国防工业出版社 2000 4261 3 平其能 Ping QN 等编著 1 现代药剂学 M 1 北京 中国医药 科技出版社 1998 62426251 4 王建新 Wang JX 张志荣 Zhang ZR 1 固体脂质纳米粒的研 究进展 J 1 中国药学杂志 Chin Pharm J 2001 36 2 732751 5 张 强 Zhang Q 叶国庆 Ye G Q 李 晔 Li Y 等 1 环孢素 A硬脂酸纳米球的实验研究 J 1 药学学报 Acta Pharmac Sin 1999 34 4 30823121 6 黎洪珊 Li HS 赵京玲 Zhao JL 魏树礼 Wei SL 1 环孢菌素 A聚乳酸纳米粒胶体的制备和大鼠的口服吸收 J 1 中国药 学杂志 Chin Pharm J 1999 34 8 53225361 7 徐辉碧 Xu HB 杨祥良 Yang X L 黄开勋 Huang KX 1 雄黄 抑制小鼠肉瘤S180的尺寸效应的初步研究 J 1 武汉大学学 报 自然科学报 J Wuhan Univ2Nat Sci Ed Special Issue Mar 2000 28822891 8 杨祥良 Yang X L 徐辉碧 Xu HB 谢长生 Xie CS 等 1 基于 纳米技术的中药基础问题研究 J 1 华中理工大学学报 J Huazhong Univ Sci Tech 2000 28 12 10421051 9 胡圣榆 Hu SY 1 中国制药工业的知识产权保护 J 1 中国医 药情报 Chin Med Infor 1995 1 5 27022771 10 Xie Y i Qian YT et al A benzene2thermal Synthetic route to nanocrystalline Ga N J Science 1996 272 192621927 11 Xie Y i Qian YT et al Coexistance of Wurtizite Gan with Zinc blende and rock salt studied by X2ray power diffraction and high2res2 olution transmission electron microscopy J Appl Phys Lett 1996 69 3 33423361 12 Schmid G Harms M et al Ligand2stabilized giant palladium dusters promising candidates in heterogeneous catalysis J J Am Chem Soc 1993 115 204622048 13 Changsheng Xie Junhui Hu Run Wu et al Structure transition comparison between the amorphous nanosize particles and coarse2 grained polycrystalline of cobalt J 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