离子交联聚电解质纳米载体最近的进展和公开问题

1、离子交联聚电解质纳米载体：最近的进展和公开问题Yakov Lapitsky摘要：在过去的二十年中，通过离子交联聚电解质制备的纳米载体已探索出一个广泛的应用范围，包括药物递送、医学成像和食品科学。设计和使用这些材料需要控制他们的粒度分布，稳定性和载荷的吸收与释放属性。为此，我们关注离子交联纳米载体的形成和性能基础上的物理和胶体制成化学理解的最新进展，并提供一些尚未解决的问题的评述。关键词：聚电解质；纳米粒子；微凝胶；凝聚物；控释1.简介通过聚电解质离子交联形成的胶体复合物已经研究了数十年1,2。这些努力在过去20年中得到加强，比如材料作为纳米载体用于递送药物 3,4、基因5,6，食品添加剂7,8

2、和医疗成像剂9,10，以及在其他应用（如抗菌涂料11,12和无机材料的合成13,14）开始引起兴趣。这些材料的广泛使用主要源于其五个关键优点：（1）它们在非常温和的条件下形成（通过简单地混合稀释聚电解质溶液与多价盐）9,15;（2）它们可以用具有生物相容性的聚合物来制备（如藻酸盐和壳聚糖3,4），这使得它们对于药物和医疗应用具有吸引力;（3）它们可以稳定包封蛋白质防止变性16;（4）它们的对盐和pH敏感的离子性基团使它们响应于外部刺激17,18;和（5）它们的性能可以容易地通过聚合物，纳米颗粒和蛋白质9,19,20涂覆其表面，或共价缀合活性分子到其官能团18,21来增强。另外，当制备某些类型的

3、聚合物（如壳聚糖及其衍生物）时，这些纳米载体提供附加的好处，如可生物降解和粘膜粘附22,23，以及增强跨越上皮细胞膜的药物渗透24,25。由于这些吸引人的特性，离子交联胶体已探索出在制药和医疗上的广泛应用（其中许多最近在别的地方评估9,15）。这些用途的范围从小分子药物4,26、蛋白质27,28和基因5,6的递送，磁共振，近IR和荧光成像9,10,29到对用于光热治疗染料的递送20。同样地，离子交联胶体已用于食品科学调查（作为两种维生素8和抗氧化剂7的载体）和作为香味封装材料30。成功利用离子交联纳米载体依赖于严格控制它们的物理化学性质。为此，本文综述了它们形成（第2节），粒度分布（第3节），

4、稳定性（第4节）和载荷的吸收和释放现象（第5节）的最近研究。本文还概述了控制这些关键性质的过程和公式参数上一些尚未解决的问题。离子交联胶体已使用各种技术制备（包括微乳液和脂质体模板31,32和溶剂置换33），本综述特别关注通过简单的加法离子交联剂的水性聚电解质溶液制备纳米载体，这是最简单、最清洁、最常见的制备方法。2.离子交联胶体的形成直径从约几十纳米到一微米的离子交联胶体一般通过加入多价交联离子形成的电解质稀释溶液制备（一般含有约0.01-0.3wt.% 的聚合物）。通常通过滴加离子交联剂溶液到连续搅拌的聚合物溶液或简单的涡流（或手工）混合来实现。胶体复合物形成的开始需要一个临界离子交联剂：

5、聚电解质的摩尔比要低于该混合物保持为单相溶液时1,3,19,34。离子：引起转变产生的聚合物比例取决于所用聚电解质和交联剂种类1,3,19,34，聚电解质分子质量34和（对于较弱结合的聚电解质/交联剂系统）聚电解质浓度1,34,35。用于这些胶体制备的聚电解质可分为两类：（1）基于多糖的聚电解质，如壳聚糖3、海藻酸钠4和果胶酸36（见图1 a i-）;以及（2）合成的聚电解质，例如聚烯丙胺（PAH）14,37、聚L-赖氨酸（PLL）14和聚丙烯酸（PAA）38（图1 a -）。同样地，离子交联剂（像聚电解质，并不限于这里描述的）的范围从Ca2+, Zn2+和SO2-44,36,39到三价PO3

6、-4和柠檬酸14,40，和到四价和五价乙二胺四乙酸（EDTA），焦磷酸盐（PPi）和三聚磷酸盐（TPP）3,14,35（见图1b）。迄今为止，大部分工作一直使用聚阳离子特别是壳聚糖及其衍生物进行3,41,42。有相当多的工作还注重各种合成多胺的离子交联（如，多环芳烃，PLL和聚亚胺）9,14,37。然而也一直有一些关于由Ca2+交联的海藻酸钠纳米粒子的工作，这些颗粒被报告当通过简单的聚合物/交联剂混合体系时无法保持胶态稳定（显然是因Ca2+导致其凝固19），除非它们都涂以聚阳离子如壳聚糖或PLL 4,19。来自果胶的二价阳离子交联颗粒和PAA表现出具有更好的胶体稳定性;然而，使用这些系统的纳米

7、载体制剂的研究仍然存在局限36,38。最常见的离子交联纳米载体是通过交联壳聚糖与TPP3,15形成的。这些颗粒及那些使用壳聚糖衍生物41,42（和其他离子交联剂，如SO2-4和PPi 35,39）制得的粒子是固体颗粒并且经常有纹理形态（见图2a）3。相反，通过混合多环芳香烃和PLL与柠檬酸形成的胶体复合物，EDTA和PO3-4是液体凝聚物，其可以凝聚成如图2b37中所示的宏观液相。（PAH与TPP和PPi的强离子结合络合物具有长弛豫时间并且基本上行为像凝胶43）。一旦这些复合物形成，它们可以涂覆聚合物蛋白质或纳米颗粒来增强它们的性质。例如，藻酸钙纳米颗粒涂覆聚阳离子以提高他们的胶体稳定性4,1

8、9。同样，Wong等人已经进行了大量关于凝聚物分散体（通过合成多胺的离子交联方法制备）涂覆无机纳米粒子14,40、聚阴离子14、带负电荷的蛋白质20甚至中性葡聚糖44 的研究。所述纳米颗粒与聚阴离子涂层增强了这些分散体9的胶体稳定性，而具有生物活性的蛋白质赋予这些复合物靶向功能（这导致它们在癌症治疗的使用中可以选择性结合肿瘤细胞20）。实验上对离子交联纳米载体形成可通过光散射强度3,45,46的强劲增长来确定，并且最典型地是通过动态光散射（DLS）3,46,47和电子显微镜3,47,49的特征。最近，通过利用聚电解质/多价反荷离子间结合等温线的相似性（和其相应的焓签名）的等温滴定量热法（ITC

9、）被证实作为当胶体形成和凝聚发生时用于筛选聚合物/多价反荷离子组分的自动化工具45。然而此量热法只限于当母体聚合物和多价反荷离子的溶剂是在相同的pH和离子强度的情况下（否则由于缓冲液失配导致大的热的吸收或生成可以掩盖结合信号45图.1.在胶体复合物的制备中使用的聚电解质（a）和离子交联剂（b）的实例。所示的聚电解质是（i）壳聚糖，（）藻酸盐，（）果胶酸，（）PAH，（v）PLL和（vi）PAA（都以它们Na+或Cl-盐的形式展出），而离子交联剂是（i）SO2-4，（）PO3-4，（）柠檬酸盐，（）PPi，（）EDTA和（vi）TPP（以它们Na+盐的形式）。图.2.离子交联聚电解质的显微照片展

10、示：（1）壳聚糖/TPP纳米颗粒的TEM图像和（b）显示PAH/柠檬酸络合物凝聚成较大（最终宏观）凝聚液滴（比例尺=50m）的光显微照片。这些图像复制于参考文献3,37，分别来自于Wiley-VCH和美国化学学会的许可。虽然制备这些纳米载体的条件在实验上很容易识别（并且其离子交联已知是离子明确和同时涉及化学和静电相互作用2,34），然而表征其形成机制所做甚少。这至少部分地缘于其非常快速的动力学离子组装，这通常产生于交联剂增长的毫秒而使得它们结构演变变得难以研究。为此我们最近表明离子凝胶率可通过在升高的NaCl浓度下制备这些胶体大幅降低，该条件下一价离子竞争性结合交联形成的离子基团而减慢离子交联

11、48。这种效果在图3a中显示为壳聚糖/TPP微米和纳米凝胶的形成，对在不添加NaCl（见插图）所获得的和在75-150 mM NaCl的存在下所获得的归一化停流光散射数据进行了比较。在无盐条件下颗粒在几毫秒内基本形成而在更高离子强度下它们的组装发生在数千秒（图.3a），从而使它们的形成过程对实验分析而言更易于处理。此离子型组装过程在使用低TPP浓度条件下甚至进一步延长，并在多天内追踪显示颗粒粒度和形态的演变。如图.3b所示示例，显示出在通过非负最小二乘（NNLS）分析的DLS数据中得到的粒度分布演变48。这里，离子凝胶很慢以至于1h后的表观颗粒粒度分布（即红色菱形显示的10nm的峰值）实际上等

12、同于从分子壳聚糖上获得的。1天后颗粒开始成形（蓝色正方形）并伴随有一个明显双峰粒度分布。颗粒由许多小的20-50nm的纳米粒子以及一些较大的直径数百个纳米的胶体构成。7天后达到平衡，较小的粒子峰消失（绿色圆圈）仅留下较大的颗粒作为最终产品48。这些通过电子显微镜证实的粒度大小的发展变化也表明7天后所形成的大的胶体是由更小的20-50nm亚单位（其中符合大小的纳米颗粒在更短的时间内形成）组成的。基于这些观察，所述离子型组装过程总结发生在两个阶段：第一，初级纳米颗粒的形成;第二，这些初级粒子聚合成更大的、更高阶的胶体48。这个高阶聚合机制是与胶体颗粒从无机盐50和聚电解质复合物（带相反电荷的聚合物

13、间）51中形成的机制是一致的。同样地，它与如纳米级的PAH/柠檬酸复合物凝聚成较大胶体并最终宏观凝聚液滴（如图.2b中37所示）的凝聚物的早期工作一致1。图.3.壳聚糖/TPP微粒形成的动力学分析：（a）停流光散射数据（归一化到最终散射强度，I）显示在（）75mM，（）125mM和（）150mM NaCl（插图显示了相同条件下不加NaCl的情况）下光散射强度的演变；而（b）DLS数据显示加入TPP到壳聚糖溶液后（-）1小时，（-）1天和（-）7天后的体积加权粒径分布（图片取自于文献.48，来自美国化学学会的许可）。尽管取得了这些进展，纳米载体形成过程仍然没有得到彻底的表征。例如，确定聚集聚合物

14、链的组分是怎样的（和因此产生颗粒的形成数）与交联剂浓度范围将是重要的。而这个问题在离子交联纳米载体的研究中往往被忽视，PAH/PPi和PAH/TPP复合物的分析（其中PPi和TPP在光散射上近线性增加而对它们的粒径几乎没有影响45）表明纳米载体的产量可对所使用离子交联剂的浓度非常敏感。除了进一步探索这种关系，剖析初级纳米颗粒的形成机制、结构和组成将是有用的。同样地，为进一步测试两级颗粒形成机制的一般性，这些机制的研究可能会扩大到聚阴离子，如PAA，藻酸盐和果胶酸（它们在药物递送和食品制剂上具有许多潜在的应用）的离子交联。此外，因为二次和更高阶聚集体在决定最终粒度上发挥重要作用，更透彻地理解支配

15、二次/高阶聚集过程的因素可以帮助预测和控制纳米载体粒度分布。3.控制纳米载体的粒度分布制备离子交联纳米载体以满足它们的各种应用控制好其粒度很重要，这取决于两个因素：（1）膨胀，这随pH值18,46、离子强度52，53、离子交联剂浓度49,52和纳米载体/有效载荷相互作用4,54而改变;以及（2）包含在每个纳米载体内的聚合物分子的数量（即它们的聚集数）。大量的实验研究已经完成各种工艺和配方参数如何影响纳米载体粒度分布的探测。发现离子交联复合物的大小伴随着聚电解质分子量14,47和亲性高分子电解质溶液4,47的浓度的增加而趋于增加。然而离子交联剂浓度的效果被认为依赖于两个相互竞争的影响：首先，在膨

16、胀中的还原（由于较高的交联密度和较低电荷的离子网络）;第二，较高的聚集数（在交联剂进一步增长发生时另外的聚合物聚集所引起的52,53）。每个效应的影响取决于聚合物类型和所用离子交联剂，以及（由于聚电解质网络膨胀是刺激-响应的46,52,53）纳米载体所暴露的外部环境刺激。当离子交联剂浓度增加时高度溶胀的颗粒（例如，在低离子强度环境中的壳聚糖/TPP微粒）显著收缩 47,52。反之低溶胀颗粒中的溶剂含量（例如，壳聚糖/TPP在150mM下制备的颗粒52）对交联剂的进一步加成较不敏感，虽然它们的聚集数可能增加。同理对于合成聚电解质制备的离子型网络，如多环芳烃/TPP络合物，只含有少量的25-30的

17、水43。取代TPP进一步加成时的消溶胀，这些混合物要么产生更多的胶体复合物（如果非交联的PAH存在于溶液中），要么在某些组合物中凝聚成更大的结构43,45。因此低溶胀离子交联胶体在离子交联剂加入时粒度倾向于增加或保持不变。pH值和离子强度对纳米载体粒度的影响再次取决于膨胀和高阶聚集影响之间的平衡。值得注意的是，pH值对离子交联聚电解质溶胀的影响可能会比对它们共价交联的配合物的影响更复杂。在处于它们离子基团被中和的pH水平时共价交联网络倾向于收缩，在离子交联网络（无论在聚合物或是交联离子）中离子基团的中和有时还导致由于交联密度减少导致的交联网络溶胀。此外若这样的电荷降低了它们的胶体稳定性，高阶聚

18、集则可发生从而产生较大的颗粒粒度46,47。因此，pH值对粒径的影响可能相当复杂。离子交联纳米载体的溶胀是由pH值和它们制备和使用（可能不是总在变化）时的离子强度来确定，它们的聚集状态可以容易地通过修改它们的制备进程进行调整。具体地来说可以通过调整其高阶聚集的动力学控制程度来实现。虽然这些高阶凝聚的动力学细节仍在研究调查中，离子交联胶体聚集程度可以预见随母体高分子电解质溶液浓度4,35,37,47增加。因此从实际角度看，改变母体聚电解质溶液浓度是一种用于调整纳米载体粒度高度有效的方法。除了改变平均粒径，学界在控制纳米载体粒度分布的均匀性上也产生了显著的兴趣，尤其是在壳聚糖/TPP微粒（往往是高

19、度分散的）49,52,55,56的项目中。一种已出现的实现这一目标的方法是改变壳聚糖脱乙酰（DD;决定其可离子化单体单元分数）的程度和分子量。这表明具有均匀的DD和分子量分布的低分子量的壳聚糖7和壳聚糖产品（参见图4a和b）49可得到最单一分散颗粒。可替换地，纳米载体分散度已经可以通过改变聚合物浓度，pH值，离子强度和用于制备所使用溶液的温度来减少52,55-57。从机理的角度，粒度均一的离子交联纳米载体可通过确保它们形成过程中均一高阶聚合制得。最好通过放慢这一过程以允许离子交联剂可以在显著聚合发生前均匀地混合到聚电解质溶液中来实现。因为更高阶聚集过程在更低的聚电解质浓度37、更低的温度20，

20、55和（对壳聚糖/TPP微粒而言）更高离子强度48,52下变慢而这些条件通常提供更均一的粒度分布。同样为了最小化多分散性，应该优化搅拌速度以快速分散离子交联剂和同时限制剪切引起凝聚55。然而在调节粒度分布的大量文献中，有很多研究报告得出冲突的结果并且使用离子交联纳米载体的每个研究小组通过试验和错误修改它们的粒度。这对以生物聚合物为基的胶体（如，以壳聚糖为基的）而言是特别真实的，其生物聚合物可在离子性基团含量和根据其来源的分子量而变化。这个问题由经常性不当使用DLS表征纳米载体大小而进一步加剧，其中累积分析经常使用（没有支持的技术）来表征高多分散性样品。因为累积分析仅是针对相当窄粒度分布的颗粒，

21、当多分散指数（PDI）超过0.2-0.3时应该使用CONTIN或NNLS分析的DLS数据（或其他实验技术）。在DLS具有局限性并且很少尝试使用其他技术进行这些胶体的粒度分布和组成测定20,35,53，58的情况下，有必要对离子交联纳米载体进行更加透彻的结构表征（提供一个它们粒度、聚集数和内部结构更为准确的观测）。同样对初级和次级聚集过程一个更好的定量和机理上的理解可为制备具有更加可预测和粒度可重复的纳米载体提供更好的准则。图.4.壳聚糖/TPP微粒TEM图像的比较：（a）使用商品壳聚糖制备多分散粒子和（b）使用均一的脱乙酰化和分级的壳聚糖制备的单分散颗粒（自参考文献49）;以及使用商品壳聚糖在

22、（c）0mM NaCl下和在（d）150 mM NaCl下制备的制备的颗粒（自参考文献52）。每个图像的使用有来自美国化学学会的许可。4.纳米载体凝聚和溶解理解离子交联纳米载体凝聚动力学对控制它们的粒度分布和保持它们在存储和使用过程中稳定地分散都是至关重要的。这在动力学上由两个因素控制：（1）胶体碰撞的频率;和（2）它们的粘着概率。为了碰撞，胶体复合物必须克服它们间的相互静电排斥。因此碰撞频率要么当筛选电解质浓度提高时增加，要么当纳米载体电荷减少时增加37,46,52,58。相反，这些复合物碰撞时凝聚的可能性（即它们的粘着概率）尚未彻底调查。许多关于离子交联纳米载体的文献假定这些复合物表现为疏

23、液胶体和和接触不可逆凝固（如DLVO理论所预测的）。而我们最近显示出加入NaCl抑制壳聚糖/TPP微粒（当TPP是过量）的凝聚和沉淀52，这突出了在调节离子交联聚离子凝固上非DLVO相互作用的重要性。事实上，同样的报告表明即使在1.5M的NaCl溶液中壳聚糖/TPP微粒保持胶体稳定至少3h（它们的粒度分布没有变化），其中碰撞的静电屏障被有效地消除。因此，离子交联壳聚糖/TPP微粒在酸性条件下是亲液的，并且（由于它们的弱van der Waals相互作用）不需要静电凝聚保持胶体稳定52。上面的解释和Wu等人关于中性聚N-异丙基丙烯酰胺（pNIPAAM）微凝胶的第二渗透virial系数的工作相一致

24、，表明（在它们的水溶胀状态）pNIPAAM微凝胶表现为坚硬的球体（由于微粒凝胶和溶剂的Hamaker常数匹配接近）59。同样地，当离子交联壳聚糖颗粒（也是富含水的35,53,60）的静电斥力被除去时，它们也可能表现为硬球。因此它们的凝聚只发生在它们桥接上的交联形成的多价离子52。由于TPP离子的结合被NaCl（参见图.3a）所抑制，而加入一价盐阻碍这些桥接相互作用并提高壳聚糖/TPP纳米颗粒的胶体稳定性52。有趣的是，不是所有交联形成的离子能够出现这样的离子桥接。当自由TPP存在时五价TPP使壳聚糖颗粒迅速凝聚（并且一价盐浓度低）3,52，即使当PPi是多方面过剩的使用四价的PPi形成的颗粒依

25、然保持胶体稳定35。虽然上述亲液性参数对壳聚糖/PPi和壳聚糖/TPP微粒保持成立，但其一般性尚待证明。因此探索其它离子复合物，特别是那些非基于多糖的聚电解质形成的离子复合物的凝聚机制（例如，PAH，PAA和PLL）将是有益的。 PAH/PPi和PAH/TPP复合物含水量的最近分析表明这些材料比其基于壳聚糖的复合物（只有25-30 wt.%的水43）更加富聚合物化，这表明强van der Waals相互作用的可能性。这个较强的吸引力可能会导致即使不存在离子桥接下的不可逆凝结，再次来自Wu等人pNIPAAM工作的启示，其中，在折叠状态下微凝胶表现出在第二渗透virial系数上的大幅减少（这表明v

26、an der Waals相互作用强烈扩增）59。除了它们的胶体稳定性，控制离子交联颗粒溶解的稳定性很重要。这种溶解可能通过两种机制发生：（1）母体聚合物和/或交联剂分子的化学降解;或（2）离子交联的简单分离。化学降解通常要么通过水解61，要么通过母体聚电解质分子的酶9裂解发生，导致它们的离子交联网络瓦解。同样，某些类型的交联剂离子的水解（例如，PPi或TPP62）可以分解将颗粒聚集的交联。相反，纳米载体的溶解也可能通过多价离子35,46,63 的简单浸出发生。这种浸出发生在环境的pH改变为下述情形之一的值时，聚合物或离子交联剂被中和 9,64,或胶态复合物被简单地稀释35。此外，这些观测结果表

27、明离子交联是可逆的，一些研究已经证明离子交联聚电解质在相行为上的滞后（即，即使当离子交联剂浓度降低到低于其离子交联链开始形成的浓度聚合物依然保持离子交联）。例如Moe等人报告了当加入并随后稀释的二价阳离子后共价交联的藻酸盐凝胶在膨胀上的大的滞后 65。同样地Horkay等人已报告称对共价交联PAA水凝胶加入La3+和Ce3+导致其几乎不可逆的破坏66。最近Cai和Lapitsky已经证实这种不可逆性可以推广到离子交联胶体（特别是那些通过壳聚糖与PPi交联形成的）35。这里壳聚糖/ PPi颗粒形成的开始首先确定是通过添加不同量的PPi到壳聚糖溶液并监测其稳态光散射强度（其中颗粒形成的开始表现在散

28、射上的突然增加;图5中的蓝色钻石符号）。为了溶解颗粒，胶态分散体（包含图5中最大的PPi浓度）被稀释到各种较低的PPi浓度下（使用无PPi母体壳聚糖溶液作为稀释剂）。这将壳聚糖与PPi组合物的稀释样品和那些使用在“向前滴定”的测量方法相匹配（参照图.5的滞回线），而使得颗粒形成/溶解循环的可逆性得以分析。尽管粒子直到PPi浓度接近1mM（图中蓝色菱形符号）才形成，一部分颗粒在较低的PPi浓度（白色方块符号）下保持稳定不变。这表明壳聚糖/ PPi颗粒的形成/溶解循环并不严格可逆和推测反映出离子凝胶过程的高度协同效应35。令人担忧的是当涉及到在盐溶液中的交联稳定性，在文献中也有一些出入。对备受研究

29、的壳聚糖/TPP系统尤是如此。例如一个高频引用的Lopez-Leon等人的研究，报告称壳聚糖/TPP纳米粒子当放置在150mM KCl溶液时被迅速溶解46。然而一些之后的报告表明一旦形成，壳聚糖/TPP纳米粒将与在NaCl溶液类似甚至更高浓度的溶液中保持完整48,52,53,58，其中盐型（NaCl与KCl）对粒子稳定性不具有明显效果 52。类似的差异出现在这些粒子在生理pH下胶体稳定性的报告中。而一些作者报告称延长的时间尺度下亚微米壳聚糖/TPP微粒在pH7.4的磷酸盐缓冲盐水（PBS）中保持稳定（其中壳聚糖胺基去质子化）67，其他人报告为快速凝固68。这些差异中的一些可能源于壳聚糖的分子量

30、分布和DD-值的变化，这依赖于壳聚糖源并不巧并非总是在文献中被报道。解决这些差异和发展得出在其应用环境下对纳米载体稳定性更透彻和定量的理解将是实现其最佳性能的关键。图.5.经由（）向前滴定和（）向后稀释制备的壳聚糖/PPi纳米颗粒分散体得到的光散射强度上的迟滞（2周平衡后）。5.分子吸收和释放性能离子交联纳米载体可以通过使用掺入或培养的方法组装上其有效载荷54。在掺入法中有效负载被加到聚电解质或离子交联剂溶液，而在离子交联过程并入复合物。事实上正如最近MRI造影剂所显示的，Gd-DOTP5-10，有效载荷本身可以作为离子交联剂。相反在培养法中，有效负载在纳米载体形成之后被吸收到纳米载体上。不足

31、为奇的是，早期壳聚糖/TPP微粒中大蛋白质的吸收实验已经表明当蛋白质是通过掺入装载时定义为添加的有效载荷中装载到纳米载体的分数的装载效率更高（其中近定量的有效载荷吸收偶尔可能会出现）69。通过培育法实现的更低的吸收的解释是由于吸收限于壳聚糖颗粒表面（因为蛋白过大无法穿透壳聚糖/ TPP网络）。然而目前还不清楚当包封的小分子时是否也是如此。例如，Yu等人已经表明吲哚菁绿（ICG）染料容易被预先形成的PAH/PO3-4复合物吸收达到最大装载量（定义为包括有效载荷的载体质量的分数）的2370。也许控制有效载荷吸收的最重要因素是被装载分子和纳米载体之间的亲和性（可以由他们的静电，疏水或氢键作用引起）。

32、特别真实的是，当装载通过培育法发生时，如果与聚电解质（或交联剂）的相互作用是弱的少数溶质分子分区进入纳米载体，对于小分子而言相同（如果它们对纳米载体亲和力太低，其可以在装载过程中有足够的运动来洗脱）。因此为了实现最大装载，在装载过程中使用的混合物组成应调节到产生最高的有效载荷-纳米载体结合强度69和化学计量。除了主控溶质的吸收，纳米载体/载荷相作用强度对有效载荷释放速率也有很大的影响。例如虽然弱结合荧光素钠数十分钟内充分从离子交联PAH的胶囊内释放 71，强结合ICG即使过了存储的天数也未浸出（至少不是在室温下）20。释放行为上类似的变异现象（发生在几分钟、几小时或几天）已报道在多糖制备的离子

33、交联纳米载体上27,54,69,72。除了在纳米载体/有效载荷结合强度上的差异18,73，这些变型已被归因于有效载荷扩散18,27,74和纳米载体降解速率54的差异。因为通过纳米载体和接收介质之间的溶质分区的来自离子交联纳米载体的释放既可以迅速而又是受限的，其释放分布正确表征需要着重关注。迄今为止大多数这类实验都依赖于两种测量方法：（1）“样品和分离”方法，其中纳米载体培育在周期性用新鲜的缓冲液更换（部分3,54或完全49,69）的介质中;和（2）针对过量接收溶液的有效载荷承载胶体渗析75-77。首先 “样品和分离”方法，累积有效载荷释放是由从混合物移取的上清液样品中量化其浓度确定的。在第二个

34、透析法中，随时间测量透析管内剩余的（或释放的）的有效载荷的量。在这些方法中每次测量之间的时间间隔的范围从几十分钟72,78至数天18,42,69。尽管大多的这些释放研究假设了漏槽条件（在释放介质中的有效载荷浓度相对于它的平衡浓度可忽略不计），但漏槽条件在许多的这些实验里是否真正保持是不定的。在“样品和分离”方法的情况下，纳米载体和释放介质之间的平衡物质分区可以（特别是快速释放系统而言）在释放介质被替换之前被长期实现，所以视在释放分布是溶剂更换频率的简单工作（也可能严重低于预估的真实释放速率）。同样透析法只有当载荷从颗粒释放的时间范围比其从透析管释放的更长才有效;否则该实验测量的是透析管的释放性

35、能，而不是纳米载体。重要的是即使当透析测量表明纳米载体比那些实现无纳米载体控制的（管中含溶解载荷的溶液）更慢的释放速率，该持续释放可能仍然是一个实验假象。通过对透析管的释放建模可容易的显示，纳米载体和周围缓冲液间的平衡有效载荷分区瞬时出现（即从颗粒的中释放比从透析管中的物质转移快得多）。基于这一假设，从透析管有效载荷的释放可通过质量平衡建模：其中V是透析管体积，CIAB和CIAF是纳米载体结合并溶解透析管内有效载荷的浓度，CIIAF是透析管外溶解有效载荷浓度，km是传质系数，并且a是膜面积。为简单起见假设透析管外面的漏槽条件为纳米载体和周围缓冲液间的平衡有效载荷分区是线性的（即CIAB = K

36、CIAF），透析管中由公式（1）预测释放分布变为：其中M(t)/M是释放的有效载荷分数和K是纳米载体和周围缓冲液间的分布系数（取决于有效载荷/纳米载体的亲和力和纳米载体浓度）。此表达式表示：（1）测得的释放分布将是表面积比体积 (a/V)和透析管所使用的km值的强函数;和（2）只要有效载荷具有纳米载体亲和力（即，K0），其从透析管释放会比从无颗粒溶液中速度慢（即使其从微粒进入周围缓冲液的释放是瞬间）。在图.6 a和b中（km值为10-4 cm/s）比较无粒子溶液（仅存在缓冲和K = 0）和K是1或3的纳米载体分散体的释放分布模型（其中图.6a示出对于一个较大透析管，其a/V = 3 cm-1，

37、而图.6b示出相同条件下一个较小的透析管，其a/V = 60 cm-1）。尽管每一种情况中从纳米载体到缓冲液的质量传递是瞬时的，纳米载体存在下有效载荷自透析管的释放由于平衡分区效应更慢（漏槽条件下基本消除）。显然除非透析条件紧密模拟那些被期望的纳米载体预期应用，否则这些释放分布得出的释放时间会被武断和潜在地误导。为了避免这些缺陷，设计释放实验前表征好平衡有效载荷分区是必要的。一旦平衡分区是已知的，在纳米载体稀释中释放介质的体积应设置得足够高以真正达到漏槽条件（因此在平衡状态下几乎没有有效负载被结合至纳米载体上）。一种实现这一条件的有效方法是简单地将纳米载体分散在过量的溶剂中，然后监测溶解载荷浓

38、度随时间的增加。反之当这种方法不可行，则常用的“样品和分离”实验可在多种溶剂置换频率下进行以确认漏槽条件不是严重违背的（即释放分布取决于时间而和几乎是与溶剂更换频率无关）。或者离子交联纳米载体的释放实验可被设计紧密模仿其预期用途环境（可能不提供漏槽条件）。虽然后一种策略会减少释放机理的基本观察，但它在提供关于有效载体释放可能发生的时间尺度上的实际规律方面具有价值。在解释释放分布特别是对于壳聚糖/ TPP系统的受关注的另一个领域，是被大多数对这些材料的研究所忽视的在释放缓冲液区纳米载体稳定性的不确定性。例如突释（常从这些体系里报告的）通常归因于自颗粒表面 54,69 的药物解吸，它也可能反映纳米

39、载体的快速部分溶解可能发生于释放介质（如在近生理离子强度Lopez-Leon等人报告的 46）。因此，自离子交联纳米载体的载荷释放机理理解需要在其目标环境中对它们的稳定性更透彻的分析。此外，使用壳聚糖/ TPP纳米载体做的载荷的吸收和释放的很多工作已经做了，然而这些研究中许多报告相反的结果（这可能反映出所用壳聚糖结构和/或实验方法器具上的差异）。由于上述困难以及由合成聚电解质制备离子交联胶体的释放数据的缺乏，产生了对这些材料载荷释放更严密和具有普遍性的理解的强烈需求。图.6.自(a)更大(a/V=3 cm-1)和(b)更小(a/V =60cm-1)的透析管中的模拟释放曲线包含：（实线）一个K=

40、0的无纳米载体的载荷溶液，（虚线）K= 1的更弱结合的纳米载体分散，和（虚线）K=3的更强结合的纳米载体分散。6. 结论与展望通过聚电解质离子交联制备的纳米载体已在众多的应用实现承诺，从药物与基因传递，到医疗成像，再到维生素和抗氧化剂在食品上的传递。然而依然存在着许多工作要做，以更好地了解它们的形成，结构，稳定性和载荷的吸收与释放性能。虽然许多研究了基于聚阳离子的离子交联颗粒，但有效用于递送阳离子载荷的交联聚阴离子制备的纳米级颗粒的工作相对而言几乎没有。同样对离子交联纳米载体的结构详细的分析仍然相当有限，给微观结构分析留下了很多的机会（这可能加深目前对它们形成机理和最终性能的了解）。而离子交联

41、胶体形成机理的最近研究表明，它们的粒度分布可以通过控制初级纳米颗粒更高阶聚合过程来调节，这仍然需要观察这些初级纳米颗粒是如何形成的。以及对控制它们聚合的非DLVO相互作用更透彻的理解，这些研究可能会产生调节纳米载体粒度分布的更可靠更具普遍性的准则。此外，表征离子交联胶体在其使用环境下的稳定性存在着重要的研究机会。这些机会包括解决目前文献中的差异（例如，在盐水溶液中壳聚糖为基颗粒的稳定性），阐明这些纳米载体溶解时的结构演变并量化其溶解速率。纳米载体稳定性的上述分析将是对发展可靠机理准则控制其释放性能和仍然匮乏的物理学理解而言是必要的。事实上不像在共价交联微米及纳米凝胶上的相似研究79,80，关于

42、这一主题的大多现有文献没有考虑到平衡分区对所测量的释放速率的影响。因此，仍然需要一个对离子交联纳米载体载荷释放更仔细的分析。设计真正保持漏槽条件的释放实验（基于平衡载荷分区的定量理解）将给释放动力学更精确的认知和结合纳米载体稳定更好的了解将提供更好更安全的纳米载体的设计的机理认识。感谢笔者衷心感谢美国国家科学基金会（CBET-）这项工作的支持，和Yan Huang（Toledo大学）为图片准备提供的帮助。参考文献1 Bungenberg de Jong HG. In: Kruyt HR, editor. Colloid Science. Amsterdam: Elsevier; 1949. p

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