第六章_纳米药物与制剂

第六章 纳米药物与制剂第一节 新型制剂技术与药物纳米化纳米技术(Nanotechnology)从本质上讲就是人类按照自己的意愿直接操纵原子、分子使其按一定的方式排布从而制造具有特定功能的新物质的技术，被国际上公认是21世纪最具有前途的科研领域，与信息技术和生物技术并列为未来经济的三大支柱。纳米技术在医药领域的应用，包括临床诊断用的纳米材料、纳米药物载体、保健品及日用化学纳米材料，不仅推动了疾病诊断和治疗的进一步发展，并且诞生了一门新兴的交叉学科纳米医学。纳米药物实际上是纳米复合材料，或称纳米组装体系，是按照人类意志组装合成的纳米结构系统。它的基本内涵是以纳米颗粒以及它们组成的纳米丝、管和囊为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系。现代药学研究就是希望利用高科技手段，使药物具有更多优点，如好的稳定性、对胃肠刺激性小、毒副作用小、药物利用度高、可靶向给药、有缓释作用等，而纳米药物恰恰具有这些优点。因此，将纳米技术用于药物的研究开发将是现代药学发展的重要方向。美国FDA于2000年初已批准阿霉素纳米脂质体制剂进入市场，国内也有1-2种类似的制剂获得了临床批准文号。药物纳米化的主要优势在于：减小粒径、控制粒径分布等可提高药物的溶解性，使药物易于吸收；可生物降解；靶向输运；可控释放；根据具体用药的情况而具有如易于透皮吸收、易于穿过血脑屏障等优点。一般地，当颗粒小于某一尺度时，较小颗粒的溶解度大于较大颗粒的溶解度，因此，控制药物颗粒大小就可以控制颗粒的溶解速率。许多非水溶性的药物常做成颗粒状可控释放的口服药粒，其颗粒大小是控制药物药理功效的关键，由于活性成分的水溶性有限，口服后在胃肠中的有限停留时间内，当颗粒较大时，其活性成分的溶解和被人体吸收量很有限，不少部分或大部分活性成分通过人体代谢而排出，没有得到有效利用，一方面药物功效不能充分发挥而延误治疗，另一方面造成了浪费。纳粒具有最大的溶解度，控制纳粒的大小及粒度分布可以达到控制药物释放速率提高功效和药物有效利用率，如具有生物活性的各种肽类药物，如治疗Paget和血钙过多病的降（血）钙素、防止（手术）接枝排斥提高免疫性的Cyclosporin A、治疗胰岛素依赖性糖尿病的胰岛素等。研究表明颗粒纳米化后，其生物活性和吸收率均有显著提高，纳粒药物或纳囊将是这类口服药物今后发展的方向。另一方面，非水溶性的药物也可做成稳定的水悬浊液进行身体皮下注射，随血液循环，其效果更好，但对颗粒的粒径要求极高，要求颗粒微小，不能滞塞或阻塞血液循环系统，颗粒纳米化后就可保证满足该要求。此外，另一大类药物是气溶胶喷雾类药剂，如治疗哮喘病的药物，其颗粒大小是决定功效的关键因素，目前颗粒只达到微米级水平。如据统计，1995年，14.6百万美国人患有哮喘病，英国有300多万人患有哮喘病，新西兰25的人口患有哮喘病，单在治疗哮喘病的药物开支上，美国每年花费60亿美元（1998年）。在共聚合物纳米粒子中装载亲水药物，是通过药物和表面大单体链的相互作用来实现的。例如，用鲑鱼的降血钙素(sCT)作为模型药物来检验这种相互作用。sCT是一种由32个氨基酸残基组成高度水溶性的肽，它的分子量约3430。阴离子型的纳米粒子PMAA呈现出最大的药物装载能力。这可能在PMAA链和sCT的阳离子基团之间存在静电相互作用。与阳离子型的PVAm、非离子型的PNVA以及PNIPAAm纳米粒子中装载cST进行比较，结果说明，sCT与载体间不仅有静电相互作用，而且存在其它相互作用，如cST和亲水的大单体链的氢键作用。sCT作为模型药物用来研究肽类药物的口服给药，其吸收可从低钙血症效应（只有完整形式的sCT肽才具有）来评价。在无麻醉的条件下，对药物有抗药性的兔子口服sCT和纳米粒子（包含未装载和装载sCT）混合物一夜后，测量兔子尾静脉血液中的钙离子浓度。口服肽水溶液后，血液中的钙离子浓度有一点减少。说明有少量完整的sCT通过GI吸收，而大量的sCT被蛋白酶降解，残留的少量完整的sCT的膜穿透能力较低。已有的研究工作发现，纳米粒子增强了sCT通过GI的吸收。这种增强效应受到纳米粒子表面的大单体的化学结构的影响。PNIPAAm纳米粒子可大大增加sCT的生物可利用率。表面有阴离子的PMAA 或阳离子PVAm链的纳米粒子也能增加sCT的吸收。但是，PNVA则不能增加sCT的吸收。口服sCT和PNIPAAm纳米粒子混合物后，低血钙症效应只能保持4小时，且与纳米粒子的尺寸以及大单体的分子量无关。这些结果表明，sCT的吸收量不足以引起大的药物效应。有两种途径可增加sCT的吸收。一种途径是，优化sCT和PNIPAAm纳米粒子的服药时间安排，先将混合物剂量减半口服，分钟后再口服另一半，则PNIPAAm纳米粒子显著地增加sCT引起的低血钙症状，血液中钙离子的浓度减小量是口服同样一付全剂量混合物的3倍。另一种增加sCT吸收的途径，是优化纳米粒子的化学结构。PNIPAAm纳米粒子由于表面引入PVAm链而显著地增加sCT的吸收效应。血液中钙离子的减少量增加了倍。张磊、平其能等人采用逆相蒸发-超声法，并通过改变油相容积与油/水比例，制备出了平均粒径为83nm、分散系数0.445的胰岛素纳米脂质体，包封率达78.5%。大鼠经灌胃给药后未能显示降血糖作用，但小肠给药后0.25hr血糖下降37.6%13.9%；0.5hr血糖下降了89.3%9.5%，维持50%左右降血糖水平2hr。而同法给予对照的胰岛素溶液、生理盐水和空白纳米脂质体组均无降血糖作用，可见纳米胰岛素脂质体可以保护胰岛素在小肠中的活性并促进胰岛素的吸收。目前，许多研究工作的重点是增加肽、蛋白类药物和疫苗抗原的吸收。P. Couvreur已经用动物模型，对聚氰基丙烯酸烷基酯衍生物纳米粒子能否增加口服胰岛素的吸收进行了研究。研究发现，聚丁基氰基丙烯酸酯纳米微囊包覆的胰岛素，经患糖尿病的兔子口服给药后，糖血症减低50-60%，而未包覆的胰岛素对糖血症没有影响。Y. Kawashima等人报道，美洲鳗的降血钙素，用表面覆盖有脱乙酰几丁质的聚D，L-丙交酯醣脂类纳米粒子作载体，在兔子的胃肠道中吸收能力增强。他们也研究了几丁质包覆的脂质体对胰岛素在兔子的肠道中吸收的影响，研究结果表明，这种脂质体装载的胰岛素，口服后能大大地降低血液中葡萄糖浓度。Sakuma研究小组证明，带有疏水骨架和亲水支链的接枝共聚合物纳米粒子，能增加兔子对鲑鱼的降血钙素的吸收。合理设计载体的化学结构，必须考虑药物的特性和载体所具有的动力学性质。新的化学物质常用来制备有前景的药物载体。例如，M. Saffran等人提出一种经结肠给药的体系，在这个体系中，肽类药物用偶氮芳香环基团交联的聚合物进行输送。用这些聚合物包覆的肽类药物受到保护, 而免受胃肠道中酶的降解。由于偶氮键仅被结肠里的微生物酶切断，因而药物随后在大肠中释放。药物纳米化目前已出现了很好的产业前景。国际上已有许多有关药物颗粒纳米化技术的专利报道，例如：美国专利号US5500224（1996年），采用油/水乳液分散法制备技术，平均粒径为220500nm；美国专利US5916586（1999）采用聚合物共混加工技术来制备蛋白质稳定化的药物活性组份纳米颗粒，其颗粒平均粒径为200nm以下；美国专利US4826689（1989）采用反溶剂沉淀法制备微米级药物颗粒，以及超临界反溶剂法制备纳米颗粒技术等。目前的研究大部分还处于实验室研究开发阶段，只有极少的的药物已做成纳米化胶囊（数百纳米尺度的直径）作为商品出售，如美国Nexstar公司近期商品化的脂质体纳米化胶囊药物1999年的销售额为2000万美元。在药物纳米化研发方面，还有值得一提的是，因为某些纳米材料的一些特殊的性质，在诊断试剂、核酸分子分离纯化，乃至某些具体的疾病治疗方法中具有重要的应用前景。例如，采用超微金颗粒制成金溶胶，接上抗原或抗体就能进行免疫学的间接凝集试验，可用于快速诊断。如目前发展了在同一个样品上可将纳米金标记与采用银或金增强的其它标记方法，如酶标记技术结合起来，并且可容易地区分两类不同类型的信号。再如，采用纳米金标记结合银增强以标记感兴趣的位点，以过氧化物酶/ DAB标记第二位点。此外，A. Matsubara等人还开发出利用不同尺寸的纳米金属微粒进行双标记的技术。如果在免疫金及银增强之后采用四氧化锇，则可能造成对银的腐蚀-使得银颗粒的尺寸减小，或整个地去处它们。为避免这个问题，可以采取以下任何一个措施（1）降低锇的浓度；（2）在银增强之后采用金调节；（3）采用金增强剂以代替银。如果不使用乙酸双氧铀，不太会出现银腐蚀的问题。如果有这样的问题，R.W. Burry和其合作者发现采用0.1 % OsO4代替其1 %的量，可很好地解决这个问题。SiO2与Au纳米微粒在某些生物环境中具有明显的小尺寸效应，如Au纳米微粒能提高视黄醛薄膜的光电流和稳定性，SiO2与Au纳米微粒能提高葡萄糖氧化酶的活性及稳定性。唐芳琼等人利用纳米金属微粒的比表面积大、表面反应活性高、吸附能力强等优点，把纳米微粒引入到葡萄糖氧化酶（GOD）固定化研究中，发现纳米微粒可显著提高GOD酶电极响应灵敏度和使用寿命。亲水、憎水的纳米金微粒均具有很好的导电性，在GOD与电极间传递载流子。同时，憎水纳米微粒所携带的反胶束可以为GOD提供一个水溶性微环境，减少在引入高分子辅助酶基质时带入的极性有机溶剂的接触，提高固定化酶的催化活性。从纳米药物或药物载体的制备、优势与应用，作为医学诊疗的辅助制剂等发面的发展来看，进展是很大并且很快的，预示出诱人的工业化前景，以及必将为人类健康关怀事业作出巨大贡献。纳米科技对中药现代化的推进作用也逐渐为人们所认识，关键是如何在药物纳米化，以及发现纳米化所带来的新效应方面还亟待有所突破。一、纳米药学的产生及纳米药物的作用特点及机制1.纳米药学的产生与发展纳米粒子(Nanoparticle)也叫超微颗粒，一般是指在1100nm间的粒子或微小结构，处于原子簇和宏观物体交界的过渡区域，是一种典型人介观系统，与大颗粒固体相比，它具有一些独特的性质：表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应等。20世纪80年代，国外学者首先发现当微胶囊粒径达纳米级时，会表现出一些独特的性质。当药物粒子以纳米微囊形式存在时，不仅能保护药物活性、降低药物毒性、提高药物的生物利用度，将其注射到静脉中不会引起毛细血管的堵塞，而且还具有一定肝脾等网状内皮系统靶向性。用于肌肉注射时，由于药粒小对注射部位的刺激也大大减小。当注射到人体特定部位可使药物集中在此部位发挥药效。此后，纳米载药系统的研究逐渐成为了药学研究的热点，近二十年来已取得了很大的进展。2.纳米药物的作用特点和机制 使用纳米技术能使药品生产过程越来越精细，并能直接利用原子和分子的排布制造具有特定功能的药物。化学结构虽是影响药物疗效决定因素，但不是唯一因素。药物制剂工艺也是非常重要的因素，随着剂型和给药途径不同，疗效差别很大。纳米药物使口服或局部用药代替静脉滴注给药成为可能，纳米粒的理化特性可以显著影响药物制剂工艺及质量，如混合均匀、分剂量准确性和可压性等。控释药(CRDDS)是通过物理、化学等方法改变制剂结构，使药物在预定时间内，自动按某一速度从剂型中恒速释放于靶器官或组织，并使药物较长时间维持在有效浓度内的一类制剂。CRDDS的一个重要发展方向是将药物粉末或溶液包埋在直径为纳级的微粒中，以纳米粒作为药物的载体，旨在进一步提高疗效，减少副作用。纳米粒表面的亲水性与亲脂性将影响纳米粒与调理蛋白吸附结合力的大小，从而影响到吞噬细胞对其的吞噬快慢。一般而言，纳米粒的表面亲脂性越大，则其对调理蛋白的结合力也越强。纳米粒用适当的表面活性剂包衣后，可跨越血脑屏障和向骨髓屏障，实现靶向脑和骨髓给药。此外，纳米粒表面修饰后脉管给药可降低肝内蓄积，减少首过效应，有利于非肝病变的治疗。纳米粒中加入磁性物质，通过外加磁场还可实现磁导向给药或治疗。如负载抗肿瘤药物如阿霉素的纳米粒，药效比常规阿霉素粉针剂疗效高10倍。将氟尿嘧啶(5-Fu)与硬酯酰氯偶联，采用物理凝聚法制备的氟尿嘧啶类脂纳米粒(5-FuE-SLN)，不仅具有肝靶向作用，而且毒副作用降低，疗效大大提高。尽管纳米药物有很多优点，但并非所有的药物都适宜纳米化。目前纳米载药系统在药学中的应用主要有以下几方面：（1）改善难溶性药物的口服吸收在表面活性剂和水等存在下直接将药物粉碎成纳米混悬剂，适合于包括口服、注射等途径给药，以提高吸收或靶向性。通过对附加剂的选择可以得到表面性质不同的微粒，特别适合于大剂量的难溶性药物的口服吸收和注射给药。纳米粒可以提高药物溶出度，也可以提高溶解度，还可以增加粘附性，形成亚稳晶型或无定形以及消除粒子大小差异产生的过饱和现象等。还可将难溶药物如阿霉素、阿糖胞苷等制成微囊或包在聚合物基质制成纳米粒，以提高生物利用度、改善疗效。（2）靶向和定位释药纳米粒在体内有长循环、隐形和立体稳定等特点，这些特点均有利于增加药物的靶向性，是抗肿瘤药物、抗寄生虫药物的良好载体。用聚山梨酯80对纳米粒进行表面修饰，能突破血脑屏障，显著提高了药物的脑内浓度，改善了脑内实质性组织疾病和脑神经系统疾病的治疗有效性。口服给予纳米脂质体、聚合物纳米粒，能增加其在肠道上皮细胞的吸附，延长吸收时间，增加药物通过淋巴系统的转运和通过肠道Payers区M细胞吞噬进入体内循环等。 （3）延长药物的体内半衰期通过控制聚合物在体内的降解速度制备的长效、缓释纳米粒，能使半衰期短的药物维持在一恒定水平，不但可以改善疗效、降低毒副作用，而且可以减少患者服药次数、增加依从性，有利于高血压、冠心病和糖尿病等疾病的治疗。纳米载体携带生物大分子药物能增进其吸收、稳定和靶向作用，并可以用于口服、注射、肺吸入等多种途径。对于口服或肺吸入的多肽药物而言，改善纳米粒的黏膜粘附性质有助于改进疗效和延长作用时间。对于基因治疗，纳米粒不仅能稳定基因片段，还能够同时包合某些导靶片断及其他辅助成分，提高靶向性及基因进入细胞内的穿透性或者提高由于刺激受体产生的细胞内吞作用等。二、纳米药物的种类在药剂学中纳米粒的尺寸一般界定在11000纳米之间。药剂学中的纳米粒可以分成两类：纳米载体和纳米药物。纳米载体系指溶解或分散有药物的各种纳米粒，如纳米脂质体、聚合物纳米囊、纳米球、聚合物胶束等。纳米药物则是指直接将原料药物加工成的纳米粒，这种剂型与传统的分子型相比并无优势，仅在中药及复方加工过程中为增加有效成分溶出度和生物利用度而使用。因此，纳米药物一般泛指纳米载体药物和单纯的纳米颗粒型药物。理想的纳米粒应具备以下性质： （1）具有较高的载药量，30%，；（2）具有较高的包封率，如80%；（3）制备和纯化方法简便，容易放大至工业化生产；（4）载体材料可生物降解，毒性较低或没有毒性；（5）具有适当的粒径与粒形；（6）具有较长的体内循环时间。延长纳米粒在体内的循环时间，能使所载的药物在中央室的浓度增大且时间延长，这样药物能更好地发挥全身治疗或诊断作用；增强药物在病灶靶部位的疗效，如肿瘤等病变部位的上皮细胞处于一种渗漏状态，由于纳米粒在体内长循环，其装载的药物进入肿瘤等病变部位的机会增多。因此，长循环纳米微粒（long-circulating nanoparticles）降低了药物对网状内皮系统（RES）的靶向性，实际上增加了对病变部位的靶向性，明显改善疗效。依据药物的性质和制备方法的不同，可把纳米药物可分为以下几类：1.纳米囊和纳米球通称为纳米粒(nanoparticles)，是粒径小于1mm的聚合物胶体给药系统，严格地说纳米粒的粒径应小于100nm，主要以聚乳酸、聚丙交酯乙交酯、壳聚糖、明胶等高分子材料为载体制备而成。按制备过程不同分为纳米囊和纳米球，可用于包裹亲水性药物，也可包裹疏水性药物。根据材料的性能，适合于不同给药途径如静脉注射的靶向作用、肌肉或皮下注射的缓控释作用。口服给药的纳米囊和纳米球也可用非降解性材料制备，如乙基纤维素、丙烯酸树脂等。2. 纳米脂质体粒径控制在100纳米左右、并用亲水性材料如聚乙二醇进行表面修饰的纳米脂质体在静脉注射后，兼具长循环和隐形或立体稳定的特点。对减少肝脏巨噬细胞对药物的吞噬、提高药物靶向性、阻碍血液蛋白质成分与磷脂等的结合、延长体内循环时间等具有重要作用。纳米脂质体也可作为改善生物大分子药物的口服吸收以及其他给药途径吸收的载体，如透皮纳米柔性脂质体和胰岛素纳米脂质体等。 3. 固体脂质纳米粒与以磷脂为主要成分的脂质体双分子层结构不同，固体脂质纳米粒（solid lipid nanopartidles,SLN）是由多种类脂材料如脂肪酸、脂肪醇及磷脂等形成的固体颗粒，故又称类脂纳米粒。SLN性质稳定，制备较简单，具有一定的缓释作用，主要适合于难溶性药物如阿霉素和环孢霉素等的包裹，可用作静脉注射或局部给药，也它可作为靶向定位和控释作用的载体。目前类脂纳米粒作为肿瘤药物的载体研究较多，重点主要集中于以 下几个方面：载体材料的筛选和组合，以获得适宜的释药速度；采用化学方法对纳米粒的表面进行修饰使其改性，以提高靶向能力或改变靶向部位；优化制备工艺，以增加药物负载量、临床适用性和适合于工业化生产；体内过程和药代动力学。目前，美国FDA已批准一种阿霉素类脂纳米粒用于肿瘤的治疗。4.聚合物胶束这是近几年正在发展的一类新型的纳米载体。有目的地合成水溶性嵌段共聚物或接枝共聚物，使之同时具有亲水性基团和疏水性基团，在水中溶解后自发形成高分子胶束，从而完成对药物的增溶和包裹。因为其具有亲水性外壳及疏水性内核，适合于携带不同性质的药物，亲水性的外壳还具备隐形的特点。目前研究较多的是聚乳酸与聚乙二醇的嵌段共聚物，而壳聚糖及其衍生物因其优良的生物降解特性正在受到密切关注。 5.简单纳米药物又可称为裸纳米粒子，在表面活性和水等附加剂存在下，直接将药物粉碎加工成纳米混悬剂，通常适合于包括口服、注射等途径给药，以提高吸收或靶向性。通过对附加剂的选择，可以得到表面性质不同的微粒。特别适合于大剂量的难溶性药物的口服吸收和注射给药。6. 智能化的纳米药物传输系统如超小型的血糖检测系统，通过植入皮下监测血糖水平，可适时准确地释放出胰岛素。一种称之为微型药房的微型芯片，具有上千个小药库，每一个小药库里容纳25纳升的药物，装有智能化的传感器，可以适时和适量地释放药物。一种仅有20纳米左右的智能炸弹，可以识别出癌细胞的化学特征，进入并摧毁单个的癌细胞。7. 纳米中药是指运用纳米技术制造的、粒径小于100mm的中药有效成分、有效部位、原药及复方制剂。三、国内外纳米药物的研发概况或现状1.国外纳米药物的研发概况或现状纳米制药技术是医学生物技术领域的前沿和热点问题，特别是纳米药物载体、纳米生物传感器和成像技术以及微型智能化医疗器械等。美国、日本、德国等国家均已将纳米生物技术作为21世纪的科研优先项目予以重点发展，尤其是生物相容性材料、生物传感器以及治疗性药物和基因载体等。目前已有一种纳米药物载体通过了 FDA批准并应用于临床，密西根大学的 Donald Tomalia等用树形聚合物制造的能够捕获病毒的纳米陷阱，体外实验表明纳米陷阱能够在流感病毒感染细胞之前就捕获它们，使病毒丧失致病的能力，有可能在艾滋病、乙型肝炎等疾病的治疗中发挥作用。德国于2001年启动新一轮纳米生物技术研究计划，将在今后6年内投入1亿马克，重点是研制用于诊疗的摧毁肿瘤细胞的纳米导弹和可存储数据的微型存储器，利用该技术进一步开发出微型生物传感器，用于诊断受感染的人体血液中抗体的形成、治疗癌症和各种心血管病。有人检索了美国近年来的纳米技术专利，发现与医药有关的占80%，表明纳米技术在医药领域有着非常广阔的应用前景。2. 国内纳米药物的研发概况或现状我国纳米生物技术的发展与先进国家相比，起步较晚，但九五期间863计划启动了国家纳米振兴计划，十五期间863计划将纳米生物技术列为专题项目予以优先支持发展。我国纳米生物技术研究领域主要集中在以下几个方向：纳米生物材料、纳米生物器件研究和纳米药物及临床诊疗中的应用。目前，我国纳米技术的研究和应用的总体水平与国外基本处于同一水平，在医药应用方面也取得不少研究和产业化的成果。如深圳安倍纳米生物科技有限公司利用纳米技术已研制生产出“广谱速效纳米抗菌颗粒”，并以此为原料成功地开发出纳米药物。其中创伤贴、溃疡贴、烧烫伤敷料等种纳米医药产品，已进入规模化生产阶段。华中科技大学徐碧辉等研究发现，当把中药牛黄加工至纳米级水平时，其理化性质和疗效会发生惊人的变化，并且有极强的靶向作用，徐碧辉等人据此提出了“纳米中药”的概念，并递交了国内第一个纳米中药技术的专利申请。华工创业投资公司为此进行了风险投资500万元人民币，以建立纳米中药的产业化实体。四、纳米药学的发展前景纳米技术在药学领域有着广泛的应用前景，有机药物经纳米化可提高其生物利用度及制剂的均匀性、分散性和吸收性。纳米药学的发展，为现代给药系统（DDS）的研究提供了新途径，对现代药剂学的发展提出了更高、更新的要求。发展纳米药物存储器（药泵）：用于存储、运输指定的药物，并按指定的部位存放，即定点给药，其体积可达数个微米；制造纳米生物导弹：直接用于治疗各种细胞水平的疾病，对病变组织有亲和力，对病变细胞有杀伤力，可特异性地杀灭肿瘤细胞；将单克隆抗体（McAb）共价交联或吸附到纳米粒表面形成具有免疫活性的纳米粒的研究也取得了令人鼓舞的试验结果。制剂的纳米级制造技术和药物原料的纳米技术化工处理，成为制药企业创新手段已初露头角。如环孢菌素的纳米胶体和脂质体已制成注射剂，正在临床试验中。多柔比星纳米微粒、喜树碱纳米粒、干扰素纳米胶囊、包埋性胰岛素的纳米粒的研究、矿物性中药材纳米粒子生物活性与毒理作用的影响以及纳米过滤膜基础和应用开发研究正在进行中。虽然纳米科技的发展前景广阔的，但目前国内外大多集中在基础研究的积累上，应用开发方面的突破尚待时日。第二节 纳米胶囊材料和载体材料纳米胶囊材料和载体材料是用于制作纳米胶囊或纳米微粒所需的材料，也包括加入其中的附加剂如稳定剂、稀释剂以及控制释放速率的阻滞剂和促进剂等。纳米胶囊材料和载体材料必须满足一定的条件，概括起来可归结为：性质稳定，无毒、无刺激性、无副作用；能与药物配伍，而不影响药理作用及含量测定；有合适的释药速率；具有一定的强度和可塑性，以满足纳米胶囊制备过程中能完全包裹囊心物，使药物及附加剂能均匀而完全地进入微球的骨架内；其表面有一定的化学活性键位，能进行化学修饰；其理化性质如粘度、亲水性、溶解性、渗透性符合一定的要求；价格低廉。这类材料最突出的特点是生物降解性和生物相容性。通过成分控制和结构设计，生物降解的速率可以控制，部分聚丙交脂、聚已交脂、聚己内脂、明胶及它们共聚物可降解成细胞正常代谢物质-水和二氧化碳。利用生物性大分子物质，如蛋白质、磷脂、糖蛋白、脂质、胶原蛋白等与药物结合形成的纳米颗粒，再用抗体、配体或特异识别序列修饰其表面，可将药物靶向输送至肿瘤细胞，达到杀死肿瘤细胞或使肿瘤细胞发生基因转染的目的。常用的纳米胶囊材料和载体材料多为有机的高分子化合物，可分为三大类：天然、半合成和人工合成的高分子材料，此外一些金属和非金属材料也用于医药纳米微粒或微球制备。现分别简述如下：一、 天然高分子化合物天然高分子化合物是最常用的囊材和载体材料，其性质较为稳定、无毒、无刺激性，可生物降解、生物相容性好，且成膜和成球性较好。可用于制备口服及注射用药物微球或微囊。1.明胶明胶是一种从动物的结缔组织或表皮组织中的胶原部分水解出来的蛋白质混合物，其平均分量为15000-25000，具有许多独特的的理化性质，如形成可逆性凝胶、黏结性、表面活性等，在食品工业中广泛地用作胶冻、乳化剂、稳定剂、黏合剂和澄清剂等。因制备方法不同，明胶分为明胶(A型)和明胶(B型)。A型明胶的等电点为7-9，10g/L溶液在25时的pH为3.86.0；B型明胶的等电点为4.7-5.0, 10g/L溶液在25时的pH为57.4，性质稳定。两者的成囊性和成球性无显著差别，溶液的粘度均在0.2-0.75cPa.s之间。明胶可生物降解，几乎无抗原性，通常可根据药物对酸碱性要球选用A型或B型，用作微囊的用量一般为20-100g/L，用作微球的量可达200g/L以上。2.海藻酸盐(Alginic acid)海藻酸盐系多糖类化合物，是甘露糖醛酸和古罗糖酸两种单糖形成的共聚物，常用稀碱从褐藻中提取。海藻酸钠可溶于不同温度的水中，不溶于乙醇、乙醚及其它有机溶剂；不同分子量产品的粘度不同，可与壳聚糖或聚赖氨酸合用用作复合材料。灭菌方法对海灌酸盐的粘度有影响，如高温(120, 20min)可使10g/L溶液粘度降低64%，而低温(80, 30min)不仅灭菌效果差，而且能促使海藻酸盐逐步断键；用环氧乙烷灭菌也可也起粘度降低和断键。使用时一般采用过滤除菌，其粘度和分子量都不会改变。图6-1 海藻酸钙凝胶粒的制备示意图海藻酸钠的水溶液中在加入二价金属离子(通常是Ca2+)能够形成金属配合物，即不溶于水的海藻酸钙。这种由二价金属离子“交联”形成的物质以较稳定的凝胶形式存在，具有很好的生物相容性和粘膜靶向性，且制备方法温和，现已被广泛地应用于药物和生物活性物质的载体，以制成微囊和纳米胶囊。海藻酸盐基质在溶液中会发生溶胀，控制药物释放速度的机理与壳聚糖相似，所不同的是海藻酸钙等二价盐在体内不同pH值环境浸泡的过程中会逐渐发生离子交换成为海藻酸(酸性)或一价盐(中性或碱性)。在小肠的微碱性环境中形成的一价盐可以慢慢溶解，药物可以获得比胃中高许多的释放速率，因此海藻酸类制剂常用于小肠内的pH靶向给药。合适的壳聚糖/海藻酸钠比例更可使药物的控速释放不受pH环境的影响。 海藻酸盐更多的是被制成微囊。海藻酸钙凝胶粒的制备方法一般是将海藻酸钠溶液通过针头吹入CaCl2溶液。药物的装载途径有两个：(1)成球后在药液中溶胀(2)与海藻酸钠溶液混合，在合成时直接包入。3.壳聚糖壳聚糖(Chitosan)又称可溶性甲壳质、甲壳胺、几丁聚糖等，化学名为2-氨基-1，4-葡聚糖，分子式为:(C6H11O4N)n,结构式为:它是甲壳素脱乙酰化而得到的一种天然阳离子多糖，和粘多糖结构类似，具有可降解性、生物粘附性、促渗透作用有、良好的成膜性、良好的生物相容性及一定的抗菌和抗肿瘤活性，已广泛应用于医药、食品、化工、环保等行业。壳聚糖的伯仲羟基和氨基使其可以和酸反应而溶解，使得药物的透过性在酸性环境比在碱性环境要大，因此壳聚糖控释具有一定的胃靶向性。同时，它也是酶、抗原、抗体等的良好载体。Davis等在绵羊和人体实验中证明了壳聚糖能提高破伤风毒素、血管加压素、胰岛素、降钙素等多肽肺部给药和生物利用度；用壳聚糖为基材制备的DNA纳米球能有效介导基因转染，可用于人体的基因治疗。通过对壳聚糖进行化学结构改造，制得衍生物如琥珀酸壳聚糖和邻苯二甲酸壳聚糖还可用结肠定位给药系统的载体材料。4.壳低聚糖壳低聚糖 (Chitooligosaccharide)是水溶性壳聚糖，化学名称为：2-氨基-1,4-葡聚糖，分子式为:(C6H11O4N)n，结构式为:壳低聚糖是甲壳素或壳聚糖经化学降解或酶解生成的一类低聚糖，性质与壳聚糖类似，甲壳六糖还具有很强的抗肿瘤活性，能抑制血管内皮的生成，可作为早期癌症的治疗药物。甲壳二、三聚糖具有调降血压、降胆固醇、增强免疫力等功能。同壳聚糖一样，一般用于靶向胃肠道给药的载体以及多肽和抗原的载体。5. 硬脂酸硬脂酸（又称十八酸，stearic acid , 分子式为CH3(CH2)16COOH）是由食用脂肪和油中加入浓氢氧化钠溶液，煮沸，再加入硫酸或盐酸，分离甘油和产生的肥皂分解物，分离冷压的油酸。本品为白色或微黄色，坚硬并略带光泽结晶的块状物、颗粒或粉末。相对密度为0.9480，沸点为383，堆积密度为0.8478cm3，皂化值200-220，含水量几乎为零。微溶于水，可溶于乙醇(1:21)、苯(1:5)、氯仿(1:2)、丙酮(1:26)、四氯化碳(1:6)和二硫化碳(1:34)。可用作微球的骨架材料或纳米脂质体的组分。6. 蛋白类常用作载体材料的有白蛋白(人血清白蛋白和牛血清白蛋白)、酪蛋白、玉米蛋白等，可生物降解，无明显的抗原性，常采用加热固化或化学交联剂(甲醛、戊二醛或丁二烯)固化成微囊或胶粒，用量一般在300g/L以上。7.淀粉类有玉米淀粉、小麦淀粉和马铃薯淀粉等，其来源不同，分子中直链和支链的结构也不相同，不溶于冷及乙醇。淀粉在传统的制药工艺中常用作赋形剂，用作囊材或载体材料的常为淀粉的衍生物，如羟乙基淀粉、羧甲基淀粉及马来酸酯化淀粉丙烯酸共聚物等。用淀粉制作的微球具有一定的靶向性和良好的生物相容性，控释作用主要通过淀粉微球的降解而发挥，淀粉微球主要用W/O反相乳化交联法制备。二、 人工半合成的高分子化合物半合成高分子化合物多为纤维素的衍生物，如羧甲基纤维素、邻苯二甲酸醋酸纤维素、甲基纤维素、乙基纤维素、羟丙甲纤维素、丁酸醋酸纤维素、琥珀酸醋酸纤维素等。其特点是毒性小、粘度大、成盐后溶解度增大，由于易水解，故不易高温处理，需临用现配。纤维素的各种衍生物一直以来被广泛地应用于药片赋形剂和包衣，近来用作微囊、微球和纳米粒的载体材料。1.羧甲基纤维素盐(Sodium Carboxymethyl cellulose，SCMC) 是纤维素的羟基羧甲基醚化的产物，溶于水成粘稠的溶液，加热会成为果冻状，属阴离子型高分子电解质，常与明胶配合作复合囊材，一般配制成1-5g/L SCMS和 30g/L明胶，再按体积比2:1混合。可用交联法溶剂蒸发法制成微球或纳米粒用于口服肠道靶向药剂。2.邻苯二甲酸醋酸纤维素(cellulose acetate phthalate，CAP)是将纤维素的羟基的一部分用乙酸酯化，再用邻苯二甲酸酯化而得，在普通制剂中常用作肠溶性包衣基质。在强酸中不溶解，可溶于pH6的水溶液，分子中含游离羧基，其相对含量决定其水溶液的pH值及能溶解CAP的溶液最低pH值。用作囊材可单独使用，用量一般在30g/L左右，也可与明胶配合使用。3.乙基纤维素（EC）乙基纤维素的化学稳定性高，适用于多种药物的微囊化，不溶于水、甘油和丙二醇，可溶于乙醇，遇强酸易水解，故对强酸性药物不适合。4.甲基纤维素（MC）用于囊材的用量通常为1030g/L,也可与明胶、SCMC、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）等配合作复合囊材。5.羟丙甲纤维素（HPMC）能溶于冷水成为粘性胶体溶液，稳定性高，能长期贮存，有表面活性，表面张为为（4256）105N/cm。三、人工合成的高分子化合物合成高分子材料可分为两类，可生物降解的和不可生物降解的。近年来，可生物降解吸收的材料受到普遍的重视和广泛的应用。如聚碳酯、聚乳酸（PLA）、聚丙烯酸树脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸羟乙酯、聚氰基丙烯酸烷酯、乙交酯丙交酯共聚物、聚乳酸聚乙二醇嵌段共聚物（PLAPEG）、己内酯与丙交酯嵌段共聚物、聚合酸酐及羧甲基葡聚糖、聚氨基酸等。其特点是无毒性、成膜性好、化学稳定性高、可用于静脉注射。聚乳酸(PLA)和聚羟基乙酸(PGA)及它们的共聚物(PLG)为研究得最多的生物分解性脂肪族聚酯。它们已被美国FDA批准可用作外科缝合线及药物释放载体。在组织工程中被广泛用于支架(scaffold)和细胞构建结构物。1.聚酯聚酯是目前研究最多、应用最广泛的可生物降解的人工合成高分子，它们基本上都是羟基酸或其内酯的聚合物，常用的羟基酸是乳酸（lactic acid）和羟基乙酸(glycolic acid)，它们缩合后的聚酯分别为聚乳酸(PLA)和聚羟基乙酸(PGA)。由一种乳酸和羟基乙酸直接缩合的聚酯则用PLAGA表示。乳酸包括D型、L型和DL型，它们缩合后的聚酯又分别用P(D)LA、P(L)LA和P(DL)LA表示。由D型、L型和DL型丙交酯通过开环聚合而得的聚酯，分别用P(D)L、P(L)L和P(DL)L表示；由L-丙交酯与DL丙交酯缩合而成的嵌段共聚物P(L)L(DL)L表示；由D型、L型和DL型丙交酯通过乙交酯开环聚合而成的，聚酯，分别用P(D)LG、P(L)LG和P(DL)LG表示。聚酯的特性常用玻璃化温度Tg和晶体的熔点Tm（当聚合物有一定程度的结晶性时）表示。Tg和Tm常用热分析法测定，包括差示热分析(DTA)及差示扫描量热法(DSC)，热分析也可了解载药微囊或微球的结构及其变化。表中列出了一些可生物降解的聚酯的Mav、Tg和Tm值，其中仅P(DL)L测不出结晶度。表中未写出Mav的，所给出的Tg和Tm 值为Mav约为40000的产品的常数（Mav再高，这些常数基本不变）。表6-1一些生物降解的聚酯的特性常数聚酯MavTg（）Tm（）P(DL)L - 57 -20500 54.5 -13300 53.5 -5200 50.5 -P(D)L - 67 180- 67 173P(L)LA 8800 44 1422400 58 138P(98L/2D)LAa 4690 40 134P(92D/8L)LA 4650 34 115PGA - 36 230PCLb - 65 63PHB - - 175-177 a括号内数字表示摩尔比b 聚己内酰胺这些聚合物都表现出一定的融蚀降解的特性，结晶度低的降解较快。聚乳酸P(DL)LA的Mav范围在1万40万，降解周期为212个月，Mav90000的熔点为60，在体内6个月降解。用聚3羟基丁酸酯(PHB)为囊材制成的胰岛素微囊注射剂，在体内3个降解。消旋丙交酯乙交酯共聚物P(DL)LG在体内的降解速度与共聚时的比例有关，若以丙交酯:乙交酯为75:25的共聚物为囊材，在体内1个月可降解，如以85:15为囊材，在体内3个月可降解。PEG已被美国FDA批准为无毒、可供体内服用的药物辅料，促进其的药物制剂中的进一步应用。PEG可与药物分子或毫微球结合而减小被网状内皮系统吞噬的可能，明显提高了药物在循环系统中存在的时间，尤其是应用于提高多肽和蛋白质药物在体内的循环半衰期。PLA-PEG嵌段共聚物(P(DL)LA-PEG)中D和L-PLA为疏水性，PEG为亲水性，调节二者比例及共聚物的Mr可控制其降解速度，体外降解周期可控制在19个月范围内，从而控制微粒中药物的释放速率。聚乳酸及其衍生物无毒、无刺激性、在体内最终分解为形成二氧化碳和水，具有良好的生物相容性，强度高，可塑性好，易加工成型，被认为是最有发展前途的可生物降解的高分子材料。美国FDA已批准聚乳酸用于骨材料、手术缝合线、眼科材料及药物控制释放剂微囊和微球的材料。如胰岛素的聚乳酸双层缓释片、庆大霉素的聚乳酸圆柱体、促生长激素释放激素的块状植入剂、激素左炔诺酮的空心聚乳酸纤维剂等，聚乳酸还可以做成一些薄膜、类乳剂等多种剂型以达到控释药物的作用。目前研究热点是制备较为复杂的能有效控释和靶向治疗的药物制剂，如层状微粒、微球、微囊和纳米微粒等。2.聚合物酸酐聚合酸酐的基本结构是CO-R1-COOxCO-R2-COO, 其中R1和R2的单体有链状和环状结构。聚合酸酐的Mav多为2000200000之间，可由凝胶透过色谱法(GPC)测定，用聚苯乙烯Mav标准校正，其特征峰可用红外线测定。应用高分子附加剂并调整其它参数，可控制微粒的粘连和聚集，从而控制微粒的粒径和质量。3.聚/假聚氨基酸目前，控释给药体系的载体材料应用较多的为聚乳酸(PLA)与聚乙醇酸(PGA)以及聚原酸酯(POE)、聚乙内酯(PCL)和聚羟基丁酸酯(PHB)等。尽管其降解产物基本无毒，具有良好的生物相容性，但从生物学角度来看，其降解产物仍是“异物”，人体对这种“异物”的吸收是一种“毒性”的吸收。另一方面，临床需所载药物多为多肽与蛋白类，由于化学结构的差异，载体与药物之间存在不同程度的副反应。而用聚氨基酸作为载体材料则具有以下两个优点：(1)由多种氨基酸可制得一系列均聚物和共聚物，主链两侧基团提供药物交联剂，用于调节其性能的悬浮基团结合位点；(2)在其主链裂解过程中释放出天然氨基酸组分，降解产物无毒性。聚氨基酸特别是聚赖氨酸已用作缝合材料，人工皮肤和药物控释体系。然而，绝大多数聚氨基酸为非溶性，不易加工型。并且，聚氨基酸的降解通过酰胺键(即肽键)的酶解来实现，由于不同个体之间酶活性的差异较大，因而很难重现和控制它在体内的降解速度。假聚氨基酸(pesudo-poly amino acids)为天然氨基酸通过非酰胺键结合在一起的聚合物。这种经主键调整的聚氨基酸与天然氨基酸相比，性能得到改善，例如，从N-酰基保护的羟脯氨酸制备的聚(N-酰基羟脯氨酸)和N-酷氨酸二肽取代双酚A的产物为亚氨基碳酸酯酰胺共聚物。如聚精氨酸（Polyarginine）制备假聚肽以及聚肽/假聚肽共聚物或共混物，即保持良好的生物相容性又改善加工性能，制成生物降解产物不仅是可吸收而且是介入治疗的新型医用薄膜、多孔体和微球用作药物载体。4.树状大分子（Dendrimer）树状大分子是近年来人工合成的一种新型纳米级高分子材料，它高度枝化、单分散性、球形表面及分子内部大量的空腔使其具有独特的性质和特点。一般的树状大分子是有三个明显结构特征的单分子聚合物， 即有（1）一个引发核心，这个引发核心具有Nc个反应官能团例，如对于NH3，Nc=3 ；对于季戊四醇C(CH2OH)4 ，Nc=4，等等；（2）内层（代，G）它是由重复单元组成并且径向连接到引发核心。一般由反应试剂不断加成到核心上形成，这个反应试剂具有Nb（Nb1）个新反应基团；（3）外表面层，它具有终端官能团并且连接到最外面一代。 一个树状大分子所带基团的数目与单体支化官能团数Nb和引发核的反应官能团数Nc 以及代的数目G 都有关，G 代树状物所具有的端基数Z= NcNbG。树状大分子的核心和表面层经过修饰可以连接抗体或基因等物质，其内层空腔可以包裹药物分子，通过改变表面和内层官能团的数目还可控制每个树状大分子携带物质的数量。由于能够控制树状大分子的质量、大小、表面价和表面方向性，并且能够根据不同的目的进行修饰，树状大分子很适合在定向药物运输中做载体，这些药物可以是抗体、抗癌药、止痛药、高血压药、强心剂和类似药物以及抗原、半抗原、有机或无机化合物。Roberts 等用聚酰胺-胺PAMAM 树状大分子通过共价键将卟啉与抗体分子连接起来 ，这种结合物可提高放射性标记抗体的特异性，在肿瘤治疗和诊断中具有潜在的应用价值。Delong 等发现这类树状大分子可作为寡核苷酸的运载工具，使细胞对寡核苷酸的吸收增加了50 倍。近年来随着纳米材料的发展，一些金属纳米颗粒和无机非金属纳米颗粒等也在医药工业上得到了应用。如用TiO2纳米微粒作为光敏剂替代传统的有机光敏药剂卟啉类化合物进行肿瘤光动力学疗法（PDT）。TiO2纳米微粒在无光照激发时对生物体无毒无害，而且TiO2纳米粒子具有较好的光催化活性，由此产生的自由基对恶性肿瘤有杀伤效应。胶体金常用于组织细胞电镜染色观察，由于对细胞外基质胶原蛋白有特异结合的特性，启发人们考虑用胶体金作为药物和基因的载体，用于恶性肿瘤的诊断和治疗。由于毒副作用少，胶体金和铁已作为基因载体、药物载体的重要材料，用胶体金开发快速诊断试剂已应用于临床。在非金属无机材料中，磁性纳米材料最为引人注目，已成为目前新兴生物材料领域的研究热点。特别是磁性纳米颗粒表现出良好的表面效应，比表面激增，官能团密度和选择吸附能力变大，携带药物或基因的百分数量增加。在物理和生物学意义上，顺磁性或超顺磁性的纳米铁氧体纳米颗粒在外加磁场的作用下，温度上升至4045，可达到杀死肿瘤的目的。第三节 纳米粒的制备方法纳米药物实际上是一种纳米级的结构，它一般包括药物、载体材料、附加剂和修饰剂如抗体、配体等，其制备过程较为复杂。依制备方法和药物的性质不同，可将其制成纳米胶囊、纳米球或胶束等，这些剂型可统称为纳米粒。目前，文献已报道了十余种方法用于制造纳米药物，如乳化聚合法、天然高分子法、液中干燥法、凝聚扩散法、惰性气体真空冷凝法、溶胶-凝胶法、塑性变形法、均匀沉淀法、气溶胶法、反胶束法、无定型晶化法等，有的已用于药品生产中。 不同的制备技术和工艺适合于不同种类纳米粒的制备。例如，熔融分散法主要用于固态脂质纳米粒（SLN）的制备；溶剂蒸发法、乳化溶剂扩散法等可用于纳米混悬液或假胶乳的制备；而利用聚乳酸（PLA）、聚丙交酯乙交酯、聚氨基酸、壳聚糖等作为疏水链段和聚乙二醇（PEG）、聚氧乙烯（PEO）聚氧丙烯等作为亲水链段，合成具有表面活性的嵌段共聚物或接枝共聚物，在水中溶解可形成纳米胶束；将含有壳聚糖PEG嵌段共聚物的水溶液与聚阴离子化合物如三聚磷酸钠的水溶液混合，由于相反电荷的结合则可凝聚成纳米粒等。关于固态脂质纳米粒的制备前面两章已有较为详细论述，下面主要介绍纳米胶囊和纳米球的制备方法和过程。一、乳化聚合法（emulsion polymerization method）1.基本原理在表面活性剂和乳化剂存在的条件下，利用机械搅拌或剧烈振荡的方法把不溶于溶剂的单体分散到溶剂中形成乳状液，然后利用引发剂引发聚合反应。由于单体分散到溶剂中形成细小液滴，因此在聚合时产生的热量能很快被溶剂吸收，不会使体系温度骤然升高。不象其它聚合反应必须考虑解决散热问题，是一种常用的聚合方法。根据单体和溶剂溶解性质的不同，又可分为水相介质乳化聚合和有机溶济乳化聚合。应用乳化聚合法制备纳米囊和纳米脂质体时，需考虑如何利用表面活性剂、乳化剂及机械搅拌作用将囊心物和高聚物单体