纳米凝胶ppt课件

纳米凝胶 纳米凝胶 nanogel 是一种以纳米颗粒 粒径在1nm 1000nm 形式存在的分子内交联聚合物凝胶 其内部结构为典型的网络结构 能够在水溶液中分散成纳米尺寸的水凝胶颗粒 类似传统的聚合物水凝胶 这种纳米尺度的软材料能根据外界环境如温度 pH值 溶剂 外加应力 光强度 可见光和紫外光 电磁场或各种化学 离子强度等刺激 纳米凝胶内部发生溶剂的挤出或溶胀导致凝胶体积发生膨胀或收缩 并引起如孔隙度 流变性 折光指数 表面电荷密度和胶体稳定性等许多物理化学性质变化 纳米凝胶由于这些智能响应性能在药物控制释放 生物医学工程 诊断分析 酶固定化及酶活性调控等方面有着广泛的应用前景 纳米凝胶的分类 根据环境刺激不同 纳米凝胶可分为 化学信号刺激 如pH 化学或生物物质等 响应性纳米凝胶物理信号刺激 如温度 光 电 磁等 响应性纳米凝胶 1 温度敏感纳米凝胶 温敏性纳米凝胶按其对温度的响应可以分为二种类型 1 正响应型纳米凝胶 即温度低于相转变温度时呈收缩状态 当温度升高超过相转变温度时则处于膨胀状态 大多数的天然高分子聚合物是正响应型的温敏凝胶体系 如胶原 琼脂 明胶 淀粉 角叉菜胶等 2 负响应型纳米凝胶 即温度高于相转变温度时呈收缩状态 当温度降低时则处于膨胀状态 负响应型的温敏纳米凝胶体系包括引入亲水结构的天然高分子材料如羟甲基纤维素 甲基纤维素 壳聚糖和合成聚合物 如PNIPAM类聚合物 三元共聚物普洛沙姆 多肽类等 2 pH敏感纳米凝胶 pH敏感纳米凝胶是能根据环境pH值变化夺取或释放质子引发体积相转变 这类凝胶颗粒网络中具有可解离成离子的基团如羧酸类 磷酸类和氨基等 随着pH的变化 均存在离子化状态的转变 也会伴随有纳米凝胶溶胀行为的改变 利用pH值响应性的这种性质pH响应性纳米凝胶可以方便地调节和控制凝胶颗粒内药物的扩散和释放速率 典型的pH敏感性单体有丙烯酸 AAc 烯丙基胺 AA 甲基丙烯酸 MAAc 顺丁烯二酸酐 MA 甲基丙烯酸甲基氨基乙酯 DMAEMA 等 这些pH响应性的体积转变特性已经被用来控制药物的释放中 如咖啡因 吲哚美辛和阳离子蛋白溶菌酶 lysozome 3 其它环境响应纳米凝胶 光敏感性纳米凝胶是由于光辐射或光刺激引发聚合物链构型变化进而发生体积相转变的环境响应性凝胶 光敏感性纳米凝胶响应机理有以下几种 聚合物中含有光敏单元 其光敏性部分经光辐照后转变成异构体引发发色团物理和化学性质的变化 导致具有发色团的聚合物性能的改变 还可以通过特殊感光分子 将光能转化为热量 使材料局部温度升高 当凝胶内部温度达到热敏材料相转变温度时 使纳米凝胶产生响应 eg Suzuki和Tanaka就是按此机理合成了PNIPAM与叶绿酸 chlorophyllin 的共聚凝胶 当光辐射下叶绿酸吸光产热 聚合物温度升高至PNIPAM相转变温度附近时凝胶产生环境响应 化学物质刺激敏感纳米凝胶因特定物质 如糖类 的刺激而发生体积突变 eg pH值敏感型高分子组成的纳米凝胶内包埋或偶联葡萄糖氧化酶 当体内葡萄糖浓度升高时 葡萄糖受葡萄糖氧化酶作用而变为葡萄糖酸 凝胶内的pH降低 凝胶溶胀 释放出内部所贮存的胰岛素 纳米凝胶的制备 聚合物之间的物理自组装 均相或微小非均相环境下的单体聚合形成了的聚合物交联模板辅助 1 聚合物之间的物理自组装 控制亲水性聚合物之间通过疏水作用或者静电作用或者氢键导致的聚集 在温和条件和水介质中进行 这种制备方法在包载蛋白质等大分子上得到很好的应用 而且方法简单易行 制得的纳米凝胶较为稳定 水性介质中物理自组装形成纳米凝胶 Akiyoshi等人通过胆固醇修饰的淀粉之间的疏水作用制备了负载胰岛素的纳米凝胶 上图 Gref和他的同伴研究了不同粒径的自组装纳米凝胶 其为十二烷基修饰的右旋糖酐和 环糊精在水性介质中相互作用形成 下图 2 均相或微小非均相环境下的单体聚合 在胶态环境下共聚合成纳米凝胶 通过在体系中加入交联剂引发小分子单体聚合得到 用反向油包水微乳作为介质来聚合单体形成凝胶 加入双官能团的单体作为交联剂以保证得到稳定地胶状纳米网络 a 由水性单体在均质水溶液中开始 最后形成一个慢慢长大的多聚胶状悬浮液 b 3 形成了的聚合物交联 用交联聚合物链的技术合成纳米凝胶 双倍活性的PEG在水包油微乳环境中被结合在分支的PEI上 接着在真空下蒸发掉溶剂 最后纳米凝胶在水性溶液中成熟形成 这种交联方法能制备不同功能载药纳米凝胶 4 模板辅助 模板光复刻技术 例如使用氟聚醚材料为模板在非浸润的弹性体表面利用光引发双丙烯酸酯修饰的寡聚物化学交联 制备得到单分散 具有不同尺寸 形状及化学组成的纳米凝胶 这种方法可以对颗粒的大小 形状 组成和表面功能进行绝对的控制 纳米凝胶作为药物载体的特点 纳米凝胶作为一种纳米尺度的聚合物材料集合了水凝胶和纳米粒的特性和优点亲水性优异的药物负载能力可变形性较高的化学结构稳定性高吸水性环境智能响应等特性生物相容性等这些特性使得纳米凝胶在药物载体领域的研究越来越受到关注 各种经过化学修饰而具有特殊功能的纳米凝胶作为药物载体具有的长循环和靶向特性 纳米凝胶对药物的装载 纳米凝胶对药物的装载形式 1 物理嵌合 包埋 作用2 化学偶联 采用非共价键或共价键链接 3 受控的自组装其中物理包埋法载药在三种载药方式中应用较多 药物从纳米凝胶载体中释放行为 包载于纳米凝胶颗粒中的活性物质一般通过以下几种方式释放到介质中 1 药物的被动扩散 2 纳米凝胶的降解引起的药物释放 3 通过外界环境中pH 离子强度及能量的变化引起的药物释放 图载药纳米凝胶释放示意图a 药物从纳米凝胶中被动扩散b 纳米凝胶的降解引起的药物释放c d e 通过外界环境中pH 离子强度及能量的变化引起的药物释放 溶胀 纳米凝胶最重要的性质 纳米凝胶在水溶液中的溶胀由以下因素控制 1 纳米凝胶自身的结构 聚合物的化学结构 交联的程度 电解质凝胶的电荷密度等 2 环境参数 比如pH值 离子强度 温度 纳米凝胶用于肿瘤药物的传递 1 降低对正常细胞的毒性2 提高载体对肿瘤组织的靶向性3 增加药物疗效 延长药物在体内的循环时间 这样一方面可减少肿瘤药物对非靶部位的毒副作用 另一方面可降低治疗剂量 减少给药次数 提高药效 纳米凝胶除了具有高效载药效能 有效控制药物释放 稳定性好等优点 与传统剂型相比还具有纳米尺寸效应 能通过肿瘤组织的EPR效应增强纳米载体在肿瘤部位的蓄积 纳米凝胶与特定位点识别的酶 蛋白质或者其他活性大分子偶联后 使纳米凝胶对特定病灶部位或病变细胞具有靶向性 可用于肿瘤药物的运输 叶酸修饰纳米凝胶靶向KB细胞示意图 Shiokawa等建议在纳米载体与叶酸分子之间加入PEG连接链能解决叶酸与肿瘤细胞上叶酸受体趋近性相关问题 他们的研究结果显示带有足够长PEG链的叶酸修饰纳米凝胶能更有效靶向肿瘤细胞 同样 末端氨基化的PEG 腈基丙烯酸纳米凝胶修饰叶酸后证明能增加在叶酸受体过度表达肿瘤细胞的蓄积 另外 多肽配体也可以通过双功能的PEG链与纳米凝胶偶联 一个半胱胺酸端基多肽与马来酰亚胺官能团的两嵌段共聚物连接 可以得到预计的多肽修饰的纳米凝 原位凝胶 概念 指一类以溶液状态给药 随即在用药部位发生相转变 有液态转化形成非化学交联半固体凝胶的一类制剂 原位凝胶的类型 温度敏感性原位凝胶离子敏感性原位凝胶pH敏感性原位凝胶 原位凝胶的优点 1 随接触环境的改变发生物理或化学的变化 因此可调整制剂的理化性质 如相转变过程等 以及药物在体内的状态 如释放 滞留等 以适应病情并及时有效的治疗 2 能较长时间地和用药部位紧密接触有较好的生物黏附生从而提高生物利用度 3 三维网状结构高度亲水 可将所载的药物束缚于其中或者问隙中 控制药物释放 4 组织相容性好 使用方便 减少了给药频率 提高了患者的顺应性 5 具有特殊的理化性能 在体外条件下 具有一定的流动性 易灌装 便于工业化生产 eg 专利 眼用原位凝胶 用材料泊洛沙姆包载神经生长因子 温度敏感型凝胶治疗角膜手术后的后遗症 干眼神经生长因子 作用主要在于提高受损神经细胞的存活率 促进受损神经纤维沿正确的方向生长 趋使生长的神经纤维定位于靶细胞 形成功能性连接 传统滴眼剂 滞留时间短 生物利用度低 人正常泪液容量约为7 1 若不眨眼 可容纳30 1左右的液体 一般的滴眼液 估计约有70 的药液从眼溢出而造成损失 若眨眼将有90 的药液损失 以液体状态给药后 立即在用药部位发生相转变 形成半固体凝胶状态的眼用制剂 eg PNA纳米凝胶的温度 a 和pH b 敏感性 肿瘤组织细胞外的pH比正常生理pH稍低 这个特点常常被当做肿瘤药物载体的一个天然靶向 目前 温度和pH的双重相应主要通过如下两种策略用于载药 1 载体首先在加热部位富集 进入细胞后由于内涵体的pH较低 刺激负载的药物释放 2 载体在加热和肿瘤微环境的共同作用下 发生形变 释放药物 将药物通过踪键偶联至凝胶上则是一个更好的方法 该连接键在生理pH下是稳定的 在弱酸环境如内涵体和溶酶体中才会断裂 可以使肿瘤药物的传输更加精确和安全 PNA纳米凝胶载体的温度 pH双重靶向示意图 具有恰当尺寸和响应性能的PNA纳米凝胶则能够通过增强渗透滞留效应 EPR 聚集在肿瘤组织的周围 并在癌细胞外的高温 偏酸的环境下发生相变 使颗粒的疏水性增强 更容易进入细胞 如图所示 这种策略可以在药物传输过程中同时发挥PNA纳米凝胶载体的双重敏感性 使载体更准确的识别肿瘤细胞 降低化疗的副作用 PNA DOX纳米凝胶的细胞摄取行为 培养条件对细胞增殖的影响 37 43 分别代表人体正常的生理温度和肿瘤热疗时的治疗温度 pH为7 4和6 8 则分别表示人体正常的pH和肿瘤细胞外的pH如图表明 通过细胞培养 培养条件对细胞存活率影响不大 达95 以上 而加入了PNA的也影响不大 说明PNA纳米凝胶的毒性很低 PNA DOX纳米凝胶的温度 pH依赖的细胞摄取 同时降低pH和升高温度 有利于细胞摄取在pH6 8的溶液中 PNA DOX在43 会由于NIPAM的脱水作用发生收缩 表而的疏水性增强 与细胞膜的相互作用力升高而有助于细胞摄取 同时颗粒的粒径减小 进一步增大了PNA DOX被细胞吞噬的量 PNA DOX偶联物的这种pH响应释药行为对肿瘤治疗极为有用 当纳米凝胶在体内循环时 在正常组织和肿瘤细胞的周围 DOX几乎不释放 只有当PNA DOX纳米凝胶通过内吞作进入细胞后 环境pH进一步降低 DOX才会完全释放