两亲性生物材料及其在药剂学中的应用

第九章两亲性生物材料及其在

药剂学中的应用概述两亲性化合物具有特殊的结构，即分子结构中同时含有亲水基团和亲油基团两局部。该特殊结构决定了其特殊的物化性质，如能降低液体和固体的外表张力，具有渗透、润湿、乳化、消泡、增溶、分散、去污等功能。大多数两亲化合物都可以作为外表活性剂〔如泊洛沙姆〕阴离子〔羧酸盐、磺酸盐、硫酸酯、磷酸酯等〕离子型阳离子〔铵盐、季铵盐等〕外表活性剂两性离子〔氨基酸类、甜菜碱类〕非离子型〔聚乙二醇、多元醇、脂肪酰胺、氧化胺等〕〔根据亲水基团在水中是否电离〕

两亲化合物两亲性生物材料两亲性化合物并不都可以用作两亲性生物材料，因为生物材料必须在体内应用，与体液、血液、组织、细胞短期或长期接触，不致对机体及其功能造成破坏及其影响。用于体内的两亲性化合物必须具有良好的生物相容性，即无毒、无热源、不致畸、不过敏、不致癌等。两亲性生物材料的分类：天然两亲性生物材料〔天然动植物：藻酸、纤维素衍生物、卵磷脂、胆固醇、阿拉伯胶、动物胶等〕合成两亲共聚物〔一般为线性聚合物，在水或多种溶剂中能溶解〕两亲性生物材料例子：新型聚乳酸-聚乙烯基吡咯烷酮〔PLA-PVP〕共聚物聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)水溶性高分子，生物相容性好，在生物医药领域已有大量应用，将聚乳酸〔PLA〕大分子单体与N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)共聚，合成了兼有亲水性PVP主链和疏水性PLA支链的两亲性接枝共聚物。这种亲-疏水性微相别离结构与人体内血管结构相似，非常有利于细胞的粘附和生长；而共聚物同时又具备PLA良好的力学性能，故可望在组织工程研究中得到广泛应用。聚己内酯-聚缩水甘油醚(PCL-b-HPG)嵌段共聚物聚己内酯由于其疏水特性和高结晶度，导致其降解和吸收动力学与其它脂肪族聚酯相比过于缓慢．因此PCL的应用受到了一定程度的限制．缩水甘油醚在酸性或碱性条件下可发生开环反响，生成具有树枝状结构的端羟基聚合物。近期研究结果说明，这种类似于聚乙二醇的树枝状聚合物具有很好的生物相容性。通过将其和PCL聚合，能产生带有大量羟基末端基团的聚己内酯／聚缩水甘油醚嵌段共聚物，PCL-b-HPG具有两亲性，可在水溶液中自发形成具有壳核结构的纳米胶束．两亲性生物材料应用的例子：聚氧乙烯聚氧丙烯共聚物〔商品名Poloxamer或Pluronic〕分子式：亲油基团为聚氧丙烯，嵌段聚合度大于15，分子量大于900约为〔1000-20000〕亲水基团为聚氧乙烯，约占共聚物总量20-90%图为以聚苯乙烯为载体，Poloxamer进行外表修饰的纳米粒子Poloxamer用它的疏水中心PO段吸附在疏水的载体外表，亲水段EO处于分散介质中形成亲水外表高分子材料概述高分子材料早己被应用于药物剂型的设计，从小分子药物的载体到长效药物释放的装置。使得药物可以到达欲治疗的靶位；增加药物的生理与化学稳定性，使得药物治疗有较好的效果，并减低药物的副作用。高分子材料可以应用在主动调控药物释放的速率，增加血浆活性物质的利用率视窗窄小或疏水性的药物设计预期在医药治疗应用上将有更佳的效果与益处，例如高分子凝胶材料已被应用于包覆药物或是涂抹披覆于治疗部位上。高分子治疗大致分为四种：a)高分子与药物共价键合b)高分子与生物活性物质聚集形成共聚物c)高分子与蛋白质共价键合d)自组装的高分子胶束目前应用于药物治疗上的高分子材料如表所示，由表可知应用于医药用途的高分子材料必须具备：根本的化学性质水溶液中的溶解度生物相容性或生物可降解性与药物共价键和的官能团可形成生物大分子共聚物的能力低本钱高分子胶束高分子胶束是研究得较多的一种非常重要的药物载体，主要用于对疏水难溶药物的增溶作用。高分子胶束是高分子自组装领域的一大热点。从化学角度来讲，就是在一个体系中，由于非共价键力驱动而自发形成有序结构，胶束。可形成胶束的聚合物分子结构分为疏水区和亲水区两局部。在水溶液中，聚合物分子在低浓度时独立存在；当浓度超过CMC时由于疏水、静电、氢键等分子间作用力，疏水区相互吸引缔合在一起，形成高分子胶束，而亲水区那么形成亲水的外壳如下图。药物在胶束中的具体空间位置取决于其极性与疏水性。第一节两亲嵌段共聚物和载药纳米胶束两亲性嵌段共聚物--载药纳米胶束关于嵌段共聚物：由化学结构不同的链段交替聚合而成的线型共聚物，二嵌段共聚物，如苯乙烯-丁二烯共聚物；三嵌段共聚物，如苯乙烯-丁二烯-3-氯丙烯共聚物；多嵌段共聚物。关于两亲性嵌段共聚物：由亲水与疏水链结组成的嵌段共聚物，在水中形成球形胶束结构，其中疏水嵌段构成胶束的芯，亲水嵌段围绕该核构成疏水性外壳。水中形成的胶体结构：直径在纳米级范围〔＜200nm〕，疏水嵌段组成的芯可以作为微药库，大多数药物是疏水的，它们可以通过化学键和或者物理包埋方式结合到胶束芯内。这样，两亲性嵌段共聚物就形成了载药纳米胶束，即聚合物/药物胶束，形成新的药物释放系统。载药纳米胶束作为新的药物释放系统，具有独特的性能：1、受胶束保护，药物能延长在血液循环中的停留时间，防止RES的吞噬或肝脾等组织的吸收，有利非肝位病灶的治疗2、小尺寸和大外表积/体积比，能增强药物对肿瘤组织血管壁的渗透，促进细胞内药效发挥，实现靶向释药3、对难溶于水的疏水性药物有明显的增溶效果4、药物包埋于胶束内核，在体内转运过程中防止药物的过多释放，使毒副作用大大降低5、由于低的临界胶束浓度和离解速率，体系表现出相当好的热力学稳定性，长期静置不会发生凝聚，且经脱水长期停放后能恢复原有的胶束结构两亲性嵌段共聚物实际上是一种大分子外表活性剂，与低分子外表活性剂有很大的不同低分子胶束核是液态；如烷基苯磺酸盐、季铵盐等，不宜长期使用，对身体产生毒性共聚物胶束核是固态；对药物特有的芳香分子有更大的增溶性、更低的临界胶束浓度、更好的热力学稳定性、更好的生物相容性两亲性嵌段共聚物两亲性嵌段共聚物的性质主要由亲水嵌段和疏水嵌段的性质，共聚物分子量，两嵌段比例等因素决定。文献报道，亲水嵌段〔形成胶束外壳，保持胶束的稳定性〕的分子量一般在3000-12000之间，对形成稳定的胶束最适宜，分子量太大外壳水溶性太大，太小外壳太薄，形成的胶束都不稳定；疏水嵌段〔作为微药库，使药物分散在芯核内〕分子量一般也在3000-12000之间，得到最适宜的载药量，分子量太小载药量降低，太大胶束的芯核平衡将被破坏，胶束破裂。共聚物/药物胶束的制备物理包埋法〔透析法；W/O乳液法〕化学结合法静电作用法共聚物/药物胶束的制备高分子胶束常采用W/O法或透析法来制备，这主要取决与聚合物在水中的溶解性。水溶性好的聚合物用W/O法在浓度高于CMC时，常温或高温下，可直接溶于水，形成透明澄清的溶液；水溶性差的聚合物那么需用透析法，先溶于水与有机溶剂形成的混合溶液中，在透析除去有机溶剂，制成胶束。透析法透析法称取定量两亲共聚物和药物先后放入有机溶剂中，溶解完全后转移到透析袋内，密封袋口后放入大量蒸馏水中进行透析，透析时间约24-72小时，透析过程要屡次更换蒸馏水，以尽可能除去未结合进胶束的游离药物和透析袋内的溶剂。透析袋的孔径：小于两亲性共聚物的平均分子量，太大会导致过多的药物、共聚物、胶束的流失，太小会影响透析效率。透析溶剂：对胶束直径影响很大，选择原那么是能充分溶解两亲共聚物和药物，又与水能充分互溶，不腐蚀透析袋例LaSB在透析法中使用五种不同溶剂制备聚天冬酸苄酯-聚氧乙烯共聚物胶束所测得的粒径见表9-1

共聚物分子量越大，疏水嵌段的链长越长，胶束直径就越大。载药量越大，胶束直径也越大。实验数据见表9-3和9-4O/W乳液法该法实际上分两步：第一步按透析法先制取无药的共聚物胶束溶液，第二步将药物溶于有机溶剂中，再将药物的有机溶液慢慢倒入共聚物胶束中生成O/W乳液，再搅拌下蒸发有机溶剂，最后制的共聚物/药物胶束。选取有机溶剂的原那么：充分溶解药物但不能溶解两亲共聚物，与水不能互溶，容易挥发聚合物胶束形成以后，需要对胶束进行表征，以进一步了解胶束的性质。对胶束的表征包括：临界胶束浓度、胶束的粒径分布、胶束的形态。粒径和形态的测定胶束粒径主要取决于共聚物的分子量、分子组成和制备方法等。共聚物分子量较大时，胶束粒径也较大；分子量一定时，疏水链/亲水链比值越大，粒径也越大；制备过程中所用有机溶剂的种类、超声频率和时间、温度等都会影响粒径。胶束的粒径及其分散度可用动态光散射法测量。胶束的形态可以由原子力显微镜，投射电镜，扫描电镜等观察。激光动态光散射法〔DLS〕透射电镜法〔TEM〕扫描电镜法〔SEM〕原子力显微镜〔AFM〕X射线衍射法(xRD)X射线衍射法(XRD)X射线粉末衍射图谱可以提供3种晶体结构信息：衍射线位置(角度)、强度和形状(宽度)，根据这些信息可以进行晶体结构分析、物相定性和定量等。根据谢乐的微晶尺度计算公式，计算纳米粒子的平均粒径。式中：λ-X射线的波长(λCu=O．154059nm)；βHKL-衍射线半顶峰强度处因晶粒度细化引起的宽化度，βHKL=B-B0;(B-实测半顶峰宽；B0-仪器宽化度;)θ-入射角选取4条小角度(2θ≤500)X射线衍射线计算纳米粒子的平均粒径。实例：用X射线衍射法测定纳米碳酸钙粒子粒径图为测定碳酸钙粒子粒径的4条小角度的衍射谱线，即2θ为22.76°的CaCO3(102)、2θ为29.01°的CaCO3(104)、2θ为39.08°的CaCO3(113)、2θ为42.96°的CaCO3(202)。由各衍射线的λ、β、θ等数据通过公式可计算出各衍射线的粒径D(102)、D(104)、D(113)、D(202)，由此求出纳米碳酸钙粒子粒径。激光动态光散射法〔DLS〕光传播时其交变的电磁场引起介质中分子的电子产生强迫振动，这种振动成为二次波源向各个方向辐射电磁波，这是光散射的起因。当微粒子或分子的极化率与周围介质的极化率不同时，便可观察到散射光。如果散射中没有能量转移，散射光的频率应与入射光的频率相同，即发生所谓的静态光散射。但实际上，介质中的质点或分子在不停地作布朗运动，入射光与热运动的分子或粒子发生准弹性碰撞，使它们发生微小的能量化，结果是散射光场以入射光频率为中心而宽，此时即发生所谓的动态光散射。共聚物胶束的粒径在纳米级范围，因而可以用DLS测定其粒径的大小和分布曲线，用粒径和多分散系数来表征胶束形态DLC通过测定散射光中微小频率漂移确定粒子的一些运动性质。因为这个频移的方向及大小与质点运动的方向和速度有关，因此散射光的频率包含了丰富的分子动态行为信息，如：平动及转动系数，流动性质，相转变等。透射电镜法〔TEM〕该法可用于直接观察胶束大小和分布形态，一般采用负染色法，有报道使用磷钨酸、钼酸铵或不使用染色剂。图9-7为TEM法结果。通过撷取穿透物质的直射电子或弹性电子成像或做成衍射图样来做微细组织和晶体结构研究，分析时，通常是利用电子成像的衍射比照，做成明视野或暗视野影像，并配合衍射图案来进行观察。操作：首先将纳米碳酸钙粒子制成悬浮液并滴在带碳膜的铜网上，待悬浮液中的载液乙醇挥发后，放入样品台，拍摄有代表性的数码电镜像假设干张。选取了A，B，C三组纳米碳酸钙粒子群进行拍摄，然后在每张照片中随机选取并测量50颗纳米粒子粒径，由下式计算得出平均粒径。式中：∑ni—选取被测纳米碳酸钙粒子群中的粒子数，∑ni=50；∑niDi—被测纳米碳酸钙粒子的全部纳米粒子粒径的总和。图是用透射电子显微镜法测定纳米碳酸钙的显微照片，图中分别为测定时摄取的A，B，C不同区域的不同纳米碳酸钙粒子群的数码电子显微镜照片，在其中随机地选择50颗粒子作为一个测定粒子样本组，测量并由公式计算平均粒径、、最后再得出总的平均粒径，得：DCaCO3=40.2nm扫描电镜法〔SEM〕胶束液滴置于石墨膜上，经冷冻枯燥、镀金〔铂〕后，在扫描电镜下观察粒径大小和分布。SEM结果见图原子力显微镜〔AFM〕AFM可获得原子水平的结构信息。原理：使用探针在试样外表扫描，将探针与外表作用力及与它们距离的关系来形成外表形态图像，分辨率可达原子水平近年来，AFM也开始用于共聚物胶束的微观形态一个对力非常敏感的微悬臂，其尖端有一个微小的探针，当探针接近样品外表时，由于原子间的相互作用力，使得装配探针的悬臂发生微弯曲，检测到微弯曲的情况，就知道外表与原子力之间的原子力大小。将微悬臂弯曲信号的形变转换成光电信号并放大，就可以得到原子之间力的微弱变化信号。利用微悬臂间接地感受和放大原子之间的作用力，从而到达检测的目的。在探针沿外表扫描时，保持尖端与外表原子力恒定所需施加于压电材料两端的电压波形，就反映了外表形貌。原子力显微镜能观察到纳米尺寸的物体，甚至可看到原子。图4为纳米碳酸钙粒子AFM的二维形貌和粒径测量。通过屡次测量纳米碳酸钙粒子的粒径，得：DCaCO3=40.4nm

临界胶束浓度〔CMC〕的测定CMC：当外表活性剂在水中的浓度继续加大到一定值后，溶液的许多性质如外表张力、电导、折光指数等便会出现突变，外表活性剂分子发生自缔合，形成胶束，此时外表活性剂浓度称之为临界胶束浓度，形成胶束以后，体系具有了更高的热力学稳定性两亲性嵌段共聚物CMC的大小由包裹药物的性质、两种嵌段的性质和分子量决定。对同一种嵌段共聚物，亲水嵌段分子量固定时，疏水嵌段越长，CMC值就越小。两亲性嵌段共聚物CMC的主要测定方法是荧光光谱法：两亲性嵌段共聚物的CMC值较低，加上大多数都是非离子型的，因而不能用外表张力、电导、折光系数等来准确测量。芘〔pyrene〕常作为测定共聚物的CMC的荧光物质。芘是一种芳香环碳氢化合物，具有强的疏水性，并且对环境极其敏感。当共聚物浓度低于CMC，芘微溶于水，当浓度增大到产生胶束时，芘在胶束的疏水性内核富集。从荧光光谱可以观察到其荧光强度的变化：〔0,0〕带的激发光谱发生红移，最大激发光波长从334.8nm偏移到337.2nm，从荧光光谱上可以观察到明显的胶束化行为。实例：文献报道测定PEO-PBLE/Pyrene胶束溶液的荧光发射光谱，共聚物胶束浓度1mg/ml-30mg/ml范围变化；芘在383nm的荧光强度对LogC作图。C为共聚物胶束浓度，在5mg/ml以下时，荧光强度随共聚物胶束浓度增加很少，但在5mg/ml以上，荧光强度随共聚物胶束浓度急剧增加，因此得出该体系的cmc为5mg/ml。共聚物胶束的载药量共聚物胶束的载药量常用载药系数表示：载药系数=包埋在胶束内的药物质量/胶束总质量载药系数随药物的投料比增加而增大，同时随着共聚物分子量增大或疏水嵌段分子量的增加而增大实例：文献报道制备了PCL-PEO/IMC(吲哚美辛)胶束，测定载药系数，方法是将胶束溶液冷冻枯燥，定量称取干剂，重新溶解到定容的有机溶剂，此时胶束将被离解，药物重新溶解在有机溶剂中，用紫外分光光度计测定319nm吸光值，求出包埋药量，计算载药系数。载药胶束的体外释药实验共聚物胶束对肿瘤组织具有被动靶向共聚物胶束具有很小的尺寸，很大的外表积/体积比，芯壳结构，外层P