纳米科学技术的新技术纳米技术在中药研究中的应用

纳米科学技术的新技术纳米技术在中药研究中的应用

1纳米科技的应用纳米科学技术是20世纪80年代末首次提出并发展起来的一种新技术。基本含义是在纳米规模（10-9.10-7m）内识别和改造自然，并通过直接操作和配置原子和分子创造新物质。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(ScanningTunnelingMicroscopy),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。当物质加工到纳米尺寸时(1～100nm),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10nm时,比表面积为90m2/g;粒径为5nm时,比表面积为180m2/g;粒径小到2nm时,比表面积增至450m2/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1998～2000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小体器纳米药物微囊(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5～250μm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10～100nm。毫微囊的优点在于: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100nm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3.1雄黄颗粒、石决明的浓度对ecv-400细胞存活率、凋亡率的影响受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EV-304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。研究了不同粒径(≤100nm、150nm、200nm、500nm)的雄黄颗粒对ECV-304细胞存活率、凋亡的影响。结果表明,对应粒径100～500nm的雄黄,凋亡率分别为:68.15%,49.62%,7.51%,5.21%。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。从图1及图2看出:处于纳米状态(≤100nm)的石决明其性质与微米粒径比较有极显著的差异。3.2改变药物的物理状态我们认为“纳米中药”是指运用纳米技术制造的、粒径小于100nm的中药有效成分、有效部位、原药及其复方制剂。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“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。3.3工关系处理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。3.4药物纳米化的技术路线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ξ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ξ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,球磨法。4聚合物纳米粒载体的稳定性和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。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,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。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。4.1纳米聚合物颗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。4.1.1聚合物法这一方法是利用已有的聚合物,如聚乳酸、聚己内酯等,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。4.1.2壳聚糖纳米粒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(PEO-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。Calvo等报道了这类壳聚糖纳米粒的制备。Mao等采用复合凝聚技术制备了口服DNA-壳聚糖体系。复合凝聚技术也可用于制备DNA-海藻酸钠凝胶纳米粒。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。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。4.1.3接枝型亲核聚合物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OH-,CH3O-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(pH1～3)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。图3是该聚合路线的示意图。4.2聚合物纳米粒表面改性的必要性综上所述,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ξ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100nm。4.3亲水改性的药物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,