纳米-材料第六章-纳米生物医4

——纳米科技与现代医学和生物学的交叉与渗透，形成一个崭新的研究领域—纳米生物医学，该领域的进步与发展将为现代生物学和医学的研究提供全新的技术和视点。第六章纳米生物医学第一节纳米生物医学概念纳米医学——利用分子器件和人体分子的知识，进行诊断、治疗和预防疾病与创伤，减轻疼痛，促进和保持健康的科学与技术。纳米生物学——纳米生物学是在纳米尺度上应用生物学原理解决和发现新的现象，研究细胞内部各种细胞器的结构和功能、细胞内部、细胞内外之间以及整个生物体的物质、能量和信息交换。第二节纳米药物2.2纳米药物的制备方法一、超临界技术RESS技术制备的药物粒子为5～10nm，但由于聚集、凝结等作用，制得的药物粒子实际为1～5μm，有些甚至是熔融态药物大粒子；RESS技术另外一个明显缺点就是很多药物在临界CO2中的溶解度低。2、固体共溶剂超临界流体快速膨胀技术(RESS－SC)基本原理：固体共溶剂增加了药物在CO2中的溶解度，并且抑制药物在膨胀室的聚集，然后通过冻干或者升华过程除去固体。选择适当的共溶剂是RESS-SC技术的关键，共溶剂的选择要符合以下条件：

在超临界CO2中具有良好的溶解性；

在喷嘴出口条件下（5～30℃），共溶剂以固体形式存在；

易于升华除去；

不与药物或者CO2发生反应；

廉价。薄荷醇是理想的共溶剂：它在CO2中有良好的溶解性在真空条件下易于升华熔点42℃，它来源于天然植物，具有较好的安全性。如用薄荷醇作为共溶剂，可使灰黄霉素在CO2中的溶解度提高了28倍，使2－氨基苯甲酸的溶解度提高100倍。RESS-SC技术制备的灰黄霉素粒子为50～250nm，要比RESS小10倍，由于溶解度提高，CO2的用量大大减少。RESS-SC技术制备的氨基苯甲酸粒子为80nm，要比RESS小得多。3、超临界流体反溶剂技术(SAS)基本原理：将药物溶解于有机溶剂中，然后将该溶液注入超临界CO2中，在高压釜中，超临界CO2可迅速提取溶解药物的有机溶剂，使药物粒子析出。SAS技术是利用CO2的高扩散性来制备药物粒子，如果要想粒子小于300nm，需要提高溶剂和反溶剂之间的混合和传质速率。二、高压均质法制备纳米药物利用高压均质设备，在高压(100～150MPa)下将药物－表面活性剂溶液通过孔隙挤出，经l0～20次循环，可得到粒径在100～1000nm、固体含量为10～20%的纳米混悬液(纳米乳液)。三、喷雾干燥法制备纳米药物

将材料溶解在易挥发的溶剂中→将药物溶解或分散在材料溶液中→加连续相及乳化剂制成乳浊液→蒸发除去材料的溶剂→分散得微囊(球)。四、乳化－溶剂蒸发法乳化剂浓度的影响剪切速率的影响考虑增大表面活性剂的用量，有可能带来毒性，这样，可以通过增加剪切力来制备纳米药物，主要有：超声处理高压均质法溶剂清除速率的影响开始溶剂清除速率快，但随着时间的延长，聚合物沉淀使液滴表面变硬，降低了溶剂的扩散性和清除速率；在溶剂没有完全除去时，由于粒子之间聚集，粒子逐渐长大；溶剂清除时间越长，粒子或液滴的粘性持续时间就越长，聚集的可能性就越大。2.3纳米药物的药代动力学2.3.1纳米药物的吸收1、增大药物溶解度，提高药物的生物利用度。问题1：据报道，大约40%以上的新活性物质难溶性药物由于水溶性差，制剂处方和工艺复杂，口服生物利用度不佳。解决方法：应用纳米技术的制备工艺，使药物颗粒缩小到纳米级水平，随着单位药物的总表面积增加，而使药物与胃肠道液体的有效接触面积明显增加，药物的溶出速率也随之提高。例1、紫杉醇单纯口服其生物利用度几乎为零。目前美国FDA已批准美国生命科学公司开发的白蛋白结合紫杉醇纳米粒注射混悬液上市，用于治疗转移性乳腺癌。例2：默克公司的阿瑞吡坦固体颗粒纳米混悬剂制剂已经上市。在对狗的药物试验中，粒度为169nm纳米的混悬剂与该药10µm

普通混悬剂相比较，Cmax（3.01:0.20µg/ml)高，说明前者克服了溶出速率限制的生物利用度。其绝对生物利用度是静脉注射的（82.3±10.1)%。例3：HIV病人卞氏肺囊虫感染病有效治疗新药布帕伐醌和阿托伐醌，微粉化制剂口服吸收差，生物利用度低(10~15%)，剂量大(750mg,tid)，将两药制备成纳米微粒混悬剂后生物利用度提高到40%，效果提高2.5倍，剂量因此可大大降低。问题2：许多药物如某些抗生素、多肽类、蛋白质类、酶类等因口服后易被胃酸破坏而仅能注射给药，使它们在使用上受到了极大的限制。解决方法：载药纳米微粒可望从根本上解决这一难题典型例子：用界面聚合方法制备的含胰岛素的聚氰基丙烯酸异己酯纳米胶囊，给禁食的糖尿病大鼠单次灌胃两天后起效使血糖水平降低50－60%。按每公斤体重50单位胰岛素，以纳米胶囊形式给药，降血糖作用可维持20天；而在同样的实验条件下，口服游离的胰岛素却不能降低血糖水平。纳米胶囊的包裹能够避免胰岛素受分解蛋白酶的作用。。2、纳米粒口服给药体系(1)口服给药的吸收机制NP用于口服给药源于消化道中存在针对微粒的特殊摄取机制，尤其是PP上的M细胞介导的囊泡转运的跨细胞吸收途径；NP经M细胞摄取，输送到淋巴细胞，进入淋巴管。经GALT淋巴吸收的药物由于绕过门静脉而避免了其在肝脏系统前代谢。(2)纳米粒的性质

纳米粒药物的负载类型

粒径大小（粒径效应）——纳米粒在组织和细胞内的吸收具有粒径依赖性，即小粒径表现出更好的吸收性质和在体内有更长的循环时间；

纳米粒子的口服给药，大于100nm的粒子不能到达骨髓，大于300nm的粒子不能进入血液；

有报道：大于250nm的纳米粒靶向脾，小于250nm的纳米粒靶向体循环，小于150nm的纳米粒靶向骨髓，小于50nm的微粒可透过肝内皮细胞，通过淋巴循环到达脾、骨髓及肿瘤组织等。粒径是药物能否在靶组织高浓度聚集的重要影响因素。

疏水性和亲电性

亲水性强的微粒调理化程度比疏水性粒子的调理化程度更低，因而被单核巨噬细胞吞噬摄取的量也更少。

表面疏水性可提高纳米粒子通过粘液层的渗透性，但同时降低了其通过细胞的转运性能。因此，为了保证药物的有效吸收，粒子表面应具有最适的亲水-亲脂平衡；

带正电的粒子易于被癌症部位吸附，带负电的粒子易于被炎症部位吸附。(3)表面修饰

利用表面活性剂、亲水性大分子和两亲高分子共聚物，通过物理吸附或化学吸附的手段可改进胶体药物载体表面的物理化学性能，如增加表面亲水性能、改变表面荷电情况或增加表面空间位阻等。

通过化学或生物化学反应将单克隆抗体、糖类和凝集素等配体接到药物载体表面，增加其与靶点的作用。表面修饰的效果影响因素1、纳米粒表面修饰长链的柔韧性

长链的柔韧性使纳米粒的空间结构时刻发生着变化，从而使免疫系统难以对其产生有效的识别，因而减少体内调理蛋白对纳米粒的吸附。2、纳米粒表面修饰长链的长度

链的长度越长，其柔韧性越好，但当链过长时易产生重叠结构而影响空间位阻作用。对于粒径为100nm的纳米粒而言，最适宜的链长为5~10nm。3、纳米粒表面修饰长链之间的距离

长链之间有适宜的距离才能有效阻止调理蛋白通过长链之间的空隙与纳米粒核心发生作用。人体的调理蛋白粒径多在6~8nm左右，而较小的只有2nm，对纳米粒表面修饰的长链之间的距离应在1~1.5nm。(4)化学构成

纳米粒的化学构成尤其是表面的化学基团对纳米粒与调理蛋白的作用有选择性影响。一般而言，纳米粒的表面不应具有以下基团：(1)羟基：羟基易被免疫系统的补体C3选择性识别，因此具有羟基的物质不适于对纳米粒进行表面修饰，如聚糖类。(2)氨基：氨基易被免疫系统的补体C4选择性识别，因此具有氨基的物质也不适于对纳米粒的表面进行修饰。3、纳米粒注射给药系统纳米给药系统在血液循环中的命运

微粒系统给药后在血液中分布与血液中单核-吞噬细胞系统的巨噬细胞体内的单核巨噬细胞的吞噬有关物质血浆蛋白的结合酶的降解

粒径的大小

发生相互作用，根据转运到靶部位表面性质等

①单核巨噬细胞系统的生物学屏障作用单核巨噬细胞（MPS）包括一些组织中滞留的巨噬细胞，如肝、肾、肺、骨髓和脾等组织及循环系统中单核细胞、巨噬细胞和嗜中性多形核白细胞。MPS系统对纳米粒子纳米粒子的捕获作用：——大于500nm粒子主要是吞噬体的吞噬作用——小于500nm粒子主要是胞饮吞噬作用对于只影响单核吞噬细胞系统的疾病，无长循环包衣的纳米粒是最佳选择。环孢菌素A：高效免疫抑制剂，主要用于肝、肾及心脏移植的抗排异反应。此外，环孢菌素A还可以治疗红斑狼疮、牛皮癣等自身免疫系统疾病，抑制HIV21病毒，逆转肿瘤多药耐药等。将环孢菌素A包埋于普通纳米球中，可提高其对巨噬细胞的靶向性，提高其免疫抑制作用，在体内的清除加快。②细胞、组织、器官靶向给药基于药动学和靶向的需要，纳米制剂可以设计成靶向或者逃避被单核巨噬细胞系统吞噬；避免MPS系统吞噬的最常用是抑制起始的调理作用，这可以通过纳米粒包一层具有防止调理蛋白沉积的分子层来实现；

目前研究最多的是通过多种方法使亲水性聚合物粘附于纳米粒子表面，使MPS系统的吞噬最小化；

可以通过靶向成分固定在纳米粒表面，使之具有主动靶向性。③长循环纳米载体延长纳米粒在体内循环时间的意义：

能使所载的有效成分在中央室的浓度增大且循环时间延长，药物能更好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加，实际上增加了对病变部位的靶向性，宏观效果是明显改善疗效。

如将抗肿瘤药ZnPcF16装载到聚乳酸(PLA)纳米粒子和聚乙二醇(PEG)修饰的PLA纳米粒子中，给小鼠静脉注射后，发现前者的血浓度较低，这是因为PEG修饰的纳米粒子能减少RES的摄取，同时增加肿瘤组织的摄取。长循环纳米粒的生理基础纳米粒进入体内后，被机体视为异物，人体产生抗体与之吸附。血浆中的多种成分如血浆蛋白、脂蛋白、免疫球蛋白、补体C蛋白等也吸附到纳米粒上，即调理过程。由于巨噬细胞存在血液成分的特异受体，纳米粒上吸附的蛋白或蛋白片段会加速单核巨噬细胞的识别和吞噬。普通纳米粒表面修饰具有亲水性和柔韧性聚合物后，由于亲水性强，氢键结合大量水分子，看起来才更像水；高分子链的柔韧性使之形成类似电子云的“保护云”，阻止调理素对纳米粒表面的调理作用。延长纳米药物在体内循环时间的方法1）用表面活性剂对纳米粒进行表面处理，增强纳米粒的表面亲水性，并产生空间位阻作用，避免在体内被MPS清除。一般认为包衣厚度在10nm以上时能有效地发挥其空间位阻作用。2）在纳米粒表面接枝PEG或聚丙烯酰胺等亲水性聚合物，改善纳米粒的亲水性，而且PEG链产生较好的位阻效应和表面柔韧性，使血液中调理蛋白对纳米粒的粘附性下降，从而避免RES吞噬细胞对纳米粒的识别。3）对补体系统的抑制：补体系统在吞噬细胞对纳米粒的摄取过程中具有重要作用，因此，纳米粒表面连接肝素或神经苷脂，利用肝素或神经苷脂抑制补体系统的活性，也可延长纳米药物在体内的循环时间；4）利用纳米粒表面电荷的作用：目前认为负电荷的纳米粒具有强的淋巴系统亲和力，相反，表面带阳离子或中性粒子的微粒相对不易被RES识别，增加其在体内循环时间。粘膜给药途径：口腔、鼻腔、眼部、肺部、直肠、子宫、阴道。剂型或装置：贴片、贴膜、喷雾剂、粉末剂、凝胶、栓剂、海绵等。特点：1.避免药物的首过作用，减少毒副作用；

2.发挥局部治疗作用，减少用药剂量；

3.药物吸收后直接进入体循环，可发挥全身作用，提高药物生物利用度。2.3.2药物分布当药物达到血液系统时，经典的药物剂型(如片剂、软膏、注射剂)不能调整药物在体内的行为(分布和消除)。此时药物根据其化学结构决定其理化特性从而影响其生物特性(组织和血浆蛋白亲和性、膜受体亲和力和对酶生物转化的敏感性等）。当药物与纳米粒载体结合后，可隐藏药物的理化特性，其分布过程转而依赖于载体的理化特性，纳米粒经过静脉注射一般被网状内皮系统的单核巨噬细胞摄取，主要分布于肝(60%～90%)、脾(2%～10%)和肺(3%～10%)。一、靶向给药系统及分类——是指载体将药物通过局部给药或全身血液循环而选择性的浓集且定位于靶组织、靶器官、靶细胞或细胞内的给药系统，以疗效高、毒副作用小为特点的第四代药物制剂。靶靶器官靶细胞细胞内靶结构分类：从到达的部位可分为三类：从药物的靶向传递可分为三个途径：一、主动靶向途径：是应用生物活性剂(如单克隆抗体)选择性地将药物带到体内特定部位；二、前药途经：是将活性药物设计成药理惰性的形式，当其到达病变部位后，在化学或酶反应的作用下药物被活化而起效；三、被动靶向途径：是利用生物惰性的大分子载体系统，直接将药物带到体内特定部位积累、释放并发挥作用。从方法上可分类：抗肿瘤药物：提高药物的靶向性和减低药物的毒副作用，从而提高药物的生物利用度。生物制品：1）保护蛋白质、多肽类药物，避免它们受到外部环境的破坏；2）延缓药物的释放，减少给药次数；3）提高药物靶向性，降低给药剂量；4）可实现口服给药。中药：应用靶向给药系统，是中药制剂向“三效（高效、速效、长效）”、“三少（剂量小、毒性小、副作用小）”、“五方便（方便使用、方便携带、方便储藏、方便生产、方便运输）”的方向发展。二、靶向给药系统的应用1、被动靶向制剂：即自然靶向制剂，指药物利用药物载体制成微粒，通过正常生理过程选择性聚集，运送到肝、脾、肺等器官。被动靶向的微粒在体内的分布取决于微粒的粒径大小和表面性质。

被动靶向制剂主要有：脂质体、乳剂、微胶囊、微球、纳米粒等。三、靶向给药制剂2、主动靶向制剂：是改变微粒在体内的自然分布而到达特定的靶部位，也就是需要避免巨噬细胞的摄取，防止在肝内浓集。主动靶向制剂主要有两大类：经过修饰的药物载体：药物载体经修饰后，可将疏水表面变为亲水表面，从而减少或避免单核巨噬细胞系统的吞噬作用，有利于靶向肝脾以外的缺少单核巨噬细胞系统组织，有称为反向靶向。前体药物：通过对药物进行化学修饰，改变药物的理化性质及立体结构，是药物通过特定的转运或作用方式进入靶部位，从而改善疗效，降低毒副作用，提高药物的生物利用度。

——利用抗体、细胞膜表面受体或特定基因片段的专一性作用，将配体结合在载体上，与靶细胞表面的识别受体发生特异性结合，从而实现药物或基因的靶向转运。肿瘤靶向

张良列等成功制备了叶酸偶联白蛋白纳米粒，并选用人卵巢癌skov３细胞作为模型细胞，探讨了其体外肿瘤细胞靶向性。证实了叶酸偶联白蛋白纳米粒可通过细胞膜上叶酸受体介导途径，主动靶向富集于叶酸受体丰富的肿瘤细胞。脑靶向血脑屏障

血脑屏障是脑毛细血管内皮细胞构成的屏障，与其它组织不同的是脑毛细血管内皮细胞紧密联接，缺乏孔道转运和胞饮转运，一直是药物及基因转运中难以跨越的障碍。纳米粒脑部药物传递机制1.表面活性剂和纳米效应等打开血脑屏障的细胞间连接的一般毒性机制，此时血脑屏障表现出膜渗透性增加和内皮细胞的交联性减低。纳米粒药物由此可以穿越血脑屏障。

以含药的表面活性剂溶液作为参比制剂，考察聚山梨醇酯80包衣的聚氰基丙烯酸丁酯纳米粒在健康动物体内的生物分布，结果表明这些制剂不能增加药物在脑部的浓度，也没有增加药理学作用。由此机制1最不可能使得纳米粒介导的药物转运到脑部。2.纳米粒对于毛细血管细胞壁的粘连使得纳米粒在脑部毛细血管的滞留增加，维持更高的浓度梯度从而增加其向脑部的转运。

事实上，许多研究证明了纳米粒与脑部毛细血管存在相互作用：如PMMA粒子没有被血管内皮细胞所吞噬，而是粘附在这些细胞上；在一项研究中，载有阿霉素的隐形固体脂质纳米粒向脑部的传递几种机制中有这种机制，并且阿霉素在脑部摄取量增加与固体脂质纳米粒中隐蔽剂浓度增加有关。3.纳米粒通过内皮细胞的胞吞作用而在细胞内释药并转运到脑部。

研究数据表明载药的聚氰基丙烯酸丁酯纳米粒向脑部传递的增加是由构成血脑屏障的内皮细胞的内吞所引起。研究还发现，聚山梨醇酯20、40、60及80包衣的聚氰基丙烯酸丁酯纳米粒，当载入达拉根并注射后表现出镇痛作用，而其它表面活性剂包衣如泊洛沙姆则不能达到这一效果。纳米粒的内吞作用机制：纳米粒被聚山梨醇酯包衣后，载脂蛋白B和载脂蛋白E会选择性地吸附在聚山梨醇酯包衣的纳米粒的表面，这些吸附的载脂蛋白与脑毛细血管内皮细胞上低密度脂蛋白受体发生相互作用，通过受体介导的内吞作用促进脑毛细血管内皮细胞对纳米粒的摄取。4.载药的纳米粒通过内吞过程跨内皮细胞层转运。

如将反义寡聚核苷酸载到荷正电的纳米粒会增加其跨血脑屏障的转运，可能机制是吸附－内吞作用，荷正电的纳米粒能和表面荷负电的细胞膜发生静电作用，使得这些粒子通过内皮细胞的吸附作用发生细胞的内吞化。与中性的制剂相比，荷正电的纳米粒能使反义寡聚核苷酸更有效穿越脑微血管内皮细胞的单层细胞膜。5.纳米粒和脑血管内皮细胞膜的相互作用，这可能会导致细胞膜粘着性/流动性的改变，从而抑制细胞外排和促进大脑摄取P－糖蛋白的底物药物。如：聚氰基丙烯酸烷酯纳米粒具有对抗P－糖蛋白介导的多药耐药性的能力。3、物理化学靶向

——物理化学导向是指利用药物载体的PH值、热敏及磁性等特点，在外部环境作用下如外加磁场对病变组织实行靶向治疗。例如：磁性阿霉素白蛋白纳米粒被证明在大鼠移植性肝肿瘤中的聚集明显增加，磁场的存在使肝外脏器的相对药物明显降低。2002年，美国FeRx公司磁导向载体-阿霉素（MTC－DOC）技术己通过美国FDA认证，主要用于肝细胞癌的治疗。用纳米磁性微粒的液体(磁流体)导入C3H大鼠乳腺癌移植瘤内，经交变磁场局部照射，磁微粒吸收能量升温至47℃，结果肿瘤得到有效控制。2.4纳米中药2.4.1纳米中药的定义

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、原药及复方制剂。2.4.2纳米中药的特点——提高生物利用度——增强靶向性——缓释功能——增强原有功效，增加新的功效——提升传统给药途径2.4.3中药纳米化方法——超细粉碎技术——化学气相沉积法——超临界流体技术——超音速微射流技术——微乳化技术——高压乳匀技术——聚合物纳米粒载体技术2.4.4纳米中药发展——重视纳米化对中药性能的影响——重视中药纳米制剂制备技术的合理应用——重视中药纳米制剂药代动力学的研究第三节纳米药物载体3.1纳米药物载体的性质——具有较高的载药量，如大于30%——具有较高的包封率，如大于80%——具有适宜的制备及提纯方法——载体材料可生物降解，毒性较低或没有毒性——具有适当的粒径与粒形——具有较长的体内循环时间3.2纳米载体种类5-Fu抗癌药物PMliver-targetinggroup肝靶向高分子抗癌药物5-Fu-(99mTc–DTPA)-PAEA-PM注射后不同时间在大鼠体内各器官的分布3.3纳米高分子载体按属性分类：类型例子天然高分子材料如白蛋白、纤维素、淀粉、DNA、病毒等合成可生物溶释高分子材料这类高分子材料会逐渐转换成水溶性的大分子或小分子片段如聚乙烯醇、聚原酸酯和聚碳酸酯等。合成可生物降解高分子材料这类材料在生物体内可经水解、酶解等过程逐步降解为低分子化合物或单体如聚乳酸、聚己酸内酯、聚羟基丁酸等。合成非生物降解高分子材料乙烯基聚合物和共聚物（如乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚氰基丙烯酸烷基酯等）。按药物释放机理分类类型机理降解体系将药物分散在可降解聚合物中，药物释放直接受聚合物载体降解性能的影响。侧链体系药物通过可水解或酶解的键连接在聚合物载体的主链上，药物释放则受这类键降解的影响，药物释放完毕后，聚合物可以降解。智能纳米凝胶属高分子微凝胶，粒径不大于100nm

。这种凝胶能够感应外界环境的变化并因此而发生相应的物理化学性质的变化。这些外界因素包括温度、离子强度、pH值、溶剂以及光、电、磁、压强等。磁控释体系将药物与磁粉均匀分散在聚合物中，外加变化磁场从而控制药物释放。按给药系统分类类型机理胃溶性高分子药物将药物分散在易溶解在酸性溶液的高分子，如聚乙烯吡啶、羟胺基醋酸纤维素及其衍生物等，进入胃10min左右即被胃液溶解而药物被释放。缓释肠溶性高分子药物采用如甲基丙烯酸酯和甲基丙烯酸这类在酸性条件下难溶而在碱性条件下易溶的高分子作载体，则能避免药物在胃液中被破坏。生化响应给药系统实质为响应性高分子凝胶，可以通过感知组织的生化反应造成的溶液组分的变化，从而产生凝胶体积相变。其它高分子药物PH敏感给药体系、温敏给药体系、利用高分子制作的粘贴型外用药物和微胶囊等。3.3.2纳米高分子载体药物体系的制备3.3.3智能纳米凝胶特点：能够感应外界环境的变化并因此而发生相应的物理化学性质的变化。药物智能凝胶主要是在响应过程中有显著的溶胀变化。外界因素：温度、离子强度、pH值、溶剂以及光、电、磁、压强等。3.3.3.1

纳米智能凝胶的合成凝胶的微结构类型结构互穿聚合物网络微凝胶由两种共混的聚合物分子链相互贯穿并以化学键的方式各自交联而形成的网络结构微凝胶核壳结构微凝胶这种结构的微凝胶一般最少具有两组分，通常有核壳型、草莓型和夹心型等。复合型微凝胶这类微凝胶一般指无机有机复合结构的微凝胶，其中的无机化合物大多为具有磁场或电场效应纳米微粒。3.3.3.2

纳米智能凝胶的类型及其应用一、pH响应性凝胶及pH敏感给药系统二、温度响应性凝胶及其给药系统三、光响应性凝胶及其给药系统结构特点：由热敏性材料中引入对光敏感的基团制成的。作用机理：

是通过特殊感光分子，将光能转化为热量，使局部温度升高，当凝胶内部温度达到热敏材料相转变温度时，则凝胶产生响应。

利用光敏分子遇光分解，产生的离子化作用来实现响应性。四、生化响应性凝胶及其给药系统3.3.5树枝状大分子(dendrimers)树枝状大分子：一种三维、高度支化的，形状像树的新型聚合物，即树枝形聚合物。1、结构

有确切的分子量和结构对称规整，分子体积、形状和功能可在分子水平精确控制。2、特点

由核心出发，不断向外分支，代数较低时，为开放的分子构型。随代数增加，分支增多，分子转变为外紧内松的球形三维结构。分子内部具有广阔的空穴，分子表面官能团密度较大。

有较好的反应活性及包容能力，在分子中心和分子表面可导入大量功能基团。3.3.5.1树枝状大分子的合成1、收敛法：采用由外及里的合成过程，通过保护/去保护的合成策略，重复反应形成树枝状聚合物的一部分，然后通过多官能团中心核将各部分连接得到树枝状聚合物。优点：

反应物无须过量，有利于产物纯化。产物生长不均匀的几率下降，产物结构优于发散法。缺点：对立体构型较敏感，随分子链的增长，反应官能团的活性减小，反应产率下降。2、发散法：采用由里及外的合成过程，随着反应的进行，树枝状大分子到了较高代数后，继续反应会受到空阻效应的影响，产生分子结构的缺陷。随分子增大，这种现象出现的几率更大。特点：

发散法的每一步增长都要进行一次单独的反应，所得产物需分离、提纯与鉴定才能进行下一步反应。为避免副产物的生成和使反应趋于完全，通常反应条件苛刻，反应物需过量，产物纯化困难。发散法以小分子为核心由内向外的逐步重复反应合成树枝状聚合物的，核心小分子至少有两个反应点。DendrimerGT5PAMAM(聚酰胺-胺)树形大分子3.3.5.2树枝状大分子载药体系3.3.5.3树枝状大分子在纳米载药系统中的应用1、增大难溶性药物的溶解度有利于提高其生物利用度、减少给药剂量及改进剂型(如制成注射剂、液体制剂等)。树状聚合物是两亲性分子，内部疏水、表面亲水，作用类似于胶束，每个胶束由单个树状聚合物分子构成，因而称为“单分子胶束”

。树状聚合物与高分子胶束或其它胶束相比，有以下优点：能在较大的浓度范围内和多种溶剂中保持分散状态，不聚集，不受临界胶束浓度(CMC)的影响，与药物共价键合形成稳态体系。紫杉醇水溶解度极小，在80%的聚合甘油树状聚合物溶液中，溶解度可增加10000倍，而体系粘度无明显增加，增溶机理可能是形成了单分子胶束。疏水性药物布洛芬在PAMAM树状聚合物(G4)溶液中的溶解度比在十二烷基硫酸钠(SDS)水溶液中明显提高，且溶解能力与PAMAM的浓度成正比。研究表明，布洛芬的羧基和PAMAM的端氨基键合形成的复合物在去离子水、甲醇中都较稳定，药物体外释放速度比原药慢，但进入A549细胞的速度比原药快，说明能被细胞有效摄取。2、控释性、靶向性

用亲水性PEG修饰树状大分子外壳后作为药物输送装置，承载吲哚美辛，药物包裹量与树状大分子的代数成正比，药物在磷酸盐缓冲溶液中的释放时间大大延长(完全释放时间约25h），而同样药物从纤维素膜中完全释放时间为4h。用树形大分子连接的5-氨基水杨酸(5-ASA)在结肠部位的释放，在37℃下，5-ASA在24h内，在鼠盲肠部位释放了总剂量的57%，而商品药物在6h内就会释放药物总剂量的80.2%，而且在胃液中没有5-ASA被检测到。这个研究表明，PAMAM树形聚合物可以成为结肠部位的靶向释放体系。肝细胞靶向载体

用环核的G5代PAMAM树状聚合物经糖基修饰后，作为氟尿嘧啶(5-Fu)的载体。体外研究表明，树状聚合物可减慢5-Fu的释药速率，且代数越高，释放速率越慢。同时表面糖基含量越高，肝细胞的靶向性越强。3、基因治疗中作为基因载体的应用基因载体受损皮肤创面导入基因治疗修复皮肤损伤创面枝状大分子作为基因载体的优势

(1)树枝状大分子没有免疫原性，不会引起机体的免疫反应；(2)树枝状大分子无遗传毒性和细胞毒性，不会导致细胞的转化和死亡；(3)树枝状大分子具有很高的基因转染率；(4)树枝状大分子可介导外源基因在宿主细胞染色体DNA中的整合，从而获得转基因的长期、稳定表达；(5)树枝状大分子可保护转导基因不受机体血浆或组织细胞中各种补体以及各种酶的破坏，有利于目的基因在转导进入靶细胞后，能更好、更稳定地发挥作用；(6)树枝状大分子本身具有抵抗或杀死某种病毒，包括对HIV病毒的杀灭作用。3.4纳米脂质体脂质体的结构脂质体是双亲性的类脂质分子通过自组装而成的双分子层的闭合囊泡，可以是由一个或多个脂双层中间包覆微水相的结构。一般膜壁厚度约为5～7nm，而囊的直径一般在25～500nm之间。脂质体的这种结构使其能够携带各种亲水的、疏水的和两亲的物质，这些物质被包入脂质体内部水相，或插入类脂双分子层，或吸附连结在脂质体的表面。脂质体与细胞膜脂质体的组成及类型——磷脂的主要成分是磷脂酰胆碱，磷脂酰乙醇胺，磷脂酰丝氨酸，磷脂酰甘油，磷脂酸等。——胆固醇脂质体的稳定性包括物理、化学、生物学等方面，通过对大小、PH、离子强度、抗氧剂和络合剂等制备条件的控制，可使脂质体稳定一年以上，如果加入冷冻保护剂或冻干后，可长期保存。根据脂质体的性能和用途可分为：(1)常规脂质体：对于纳米常规脂质体，由于易被体内单核细胞系统作为外来粒子吞噬，故具有淋巴系统的被动靶向。(2)长效脂质体：用亲水性材料进行表面修饰，可减少肝脏巨噬细胞对药物的吞噬，延长体内循环时间，提高药物的靶向性。(3)免疫脂质体:用抗体、配体或生物素修饰的脂质体。如将癌细胞当作抗抗体结合到脂质体上，使脂质体能够将药物定向输送到癌细胞，从而起到良好的疗效。(4)阳离子脂质体脂质体的作用及机理

定向作用：药物靶向、位点转移性的传递。

保护作用：脂质体对包裹的药物有效保护，以抵御宿主中存在的各种有害因素（如降解酶）。

缓释作用：脂质体作为储存形式，包埋的药物维持释放作用，增加作用时间，减少给药频率。

内化作用：脂质体能与靶细胞通过各种方式相互作用，从而促进那些由于物化特性不适宜、以游离状态不能进入细胞的药物分子的胞内传递。

增强作用：如果药物是抗体，则脂质体可作为疫苗的免疫佐剂形式。脂质体的给药途径(1)静脉注射：脂质体静脉注射后在血液中至少与两种血浆蛋白同时作用：一是调理素；另一种是高密度脂蛋白，它能够除去脂质体双分子层上的磷脂分子，再通过双分子层表面的调理素的媒介作用使失去稳定性的脂质体和仍然包裹的药物被网状内皮系统截取。脂质体在体内的组织及在细胞水平上的作用机制有吸附、交换、融合、内吞、渗漏和扩散等，内吞是脂质体的主要作用机制。(2)口服给药：根据脂质体缓释和保护药物作用，可应用脂质体延长高度水溶性药物的作用，或用以包封胃肠道吸收不稳定的药物。(3)眼部给药：脂质体制剂不但在滴眼后迅速分散，而且具有缓释性能，同时能够增强药物对眼角膜的穿透性，因而脂质体是眼科用药的重要制剂。(4)肌肉注射和皮下注射：脂质体经肌肉或皮下注射后，药物先停留在注射部位，再慢慢从注射部位消失，然后通过淋巴系统缓慢进入附近的淋巴结，再被巨噬细胞摄取，其中一部分直接与淋巴细胞接触。根据淋巴管可以很快清除小于100nm微粒的机制，皮下注射的脂质体不易被淋巴结摄取，且不易从注射部位消除，包封于脂质体中的药物可以恒定速率进入循环。脂质体作为药物载体的优点（1）既可以在其内水相包封水溶性药物,也可以在外层双层膜包封脂溶性药物，甚至在同一个脂质体中可以同时包载亲水和疏水性药物；（2）磷脂本身是细胞膜的成分，因此脂质体生物相容性好，对人体无毒，生物利用度高；（3）保护所载药物，防止体液对药物的稀释和被体内酶的分解破坏；（4）脂质体进入体内后主要被网状内皮系统中的吞噬细胞吞噬，使药物集中分布在肝、脾、肺和骨髓等组织器官中，从而提高治疗指数，减少药物的剂量并降低药物的毒性；（5）脂质体适合口服、静脉注射、眼部给药、肌肉注射和皮下注射等多种给药途径。脂质体形成原理如图所示，加入到磷脂和胆固醇的有机溶剂的水溶液在超声作用下分散为小水滴。磷脂、胆固醇吸附在水滴表面形成一层单分子膜，从而生成油包水(W/O)微乳液。将微乳液转移到缓冲水溶液上后，有机溶剂中多余的磷脂、胆固醇在与缓冲液的油水界面迅速生成一层单分子膜，在离心作用下，油相中的小水滴穿过油水界面的单分子膜并被其包围，在水相中形成脂质体。脂质体的制备（1）反向蒸发法

：

类脂质分子溶于有机溶剂，待混合均匀后，小心地将有机溶剂蒸发出去，容器内壁上就会形成平板双层膜。再与欲包封药物的水溶液混合，就可形成脂质体。（2）溶剂注入法

将成膜类脂物质及脂溶性药物共溶于有机溶剂中（一般用乙醚），然后将此溶液用注射器缓慢加入到50～60℃的缓冲溶液中，不断搅拌至溶剂全部蒸发为止，即可制得脂质体。脂质体药物传输系统的研究新进展1、脂质体的主动载药——运用主动载药的方法有效地解决了亲水性药物的载药问题，即通过形成脂质体内外水相跨膜的离子或化合物梯度，最终建立起脂质体内外pH梯度，使脂质体外水相药物自发地向脂质体内部聚集。——利用该法，阿霉素的包封率由24%升高到98%以上。——制备盐酸小檗碱脂质体时，通过主动载药，小檗碱的包封率能从原来的13.13%上升到81.10%。2、立体稳定脂质体——立体稳定脂质体使载药脂质体在体内循环中驻留更长时间或能靶向到肝、脾以外的组织。这是一种表面含有亲水聚合物修饰脂质的脂质体。脂质体表面所连接的亲水聚合物形成了一种立体屏障，防止生物分子、细胞与脂质体发生作用，使脂质体在体内环境中稳定。——最佳长循环脂质体处方应使用低浓度的短链或中长链聚乙二醇(PEG)修饰的磷脂，磷脂端的碳原子数应小于16，且碳链应是饱和的。3、阳离子脂质体阳离子脂质体一般由两种脂质组成：

为阳离子表面活性剂使脂质体带正电荷。例如：

2,3—二油酰氧丙基—1—溴化三甲铵(DOTMA)

二甲基双十八烷基溴化铵(DDAB)，

辅助脂质使脂质体稳定化：应用最成功的是二油酰磷脂酰乙醇胺(DOPE)。

阳离子脂质体适合负电荷的生物分子如蛋白质、多肽和基因的递送。4、温度敏感脂质体原理：脂质体膜在由凝胶态转到液晶结构时，其磷脂的脂酰链紊乱度及活动度增加，膜的流动性也增大，此时包封的药物的释放速率亦增大，此温度称为脂质体的相变温度。

根据这一原理制备的脂质体成为温度敏感脂质体。制备热敏脂质体的材料：(1)合成磷脂：以二棕榈酰磷脂酰胆碱(DPPC)为主，通过加入不同碳链长度的脂来调节脂质体膜的释放特性。(2)高分子聚合物：具有良好的热敏性，但受生物相容性和降解性的限制。(3)天然磷脂：天然磷脂的脂酰基的烃链长短不一，因此天然磷脂没有固定的相变温度，仅有一个较宽的“相变矩”。5、pH敏感脂质体：其原理是pH低时可导致脂肪酸羧基的质子化而引起六方晶体(非相层结构)的形成，而它的形成则是膜融合的主要机制。

6、聚合脂质体:聚合脂质体是构成脂质体的每个类脂分子通过共价键的形式连接起来的一种新型脂质体。聚合脂质体显著提高其稳定性，降低粒子的融合与聚集，使脂质体中药物渗漏显著降低，延长了有效期。7、光敏脂质体:光敏脂质体是将含光敏物质的药物包裹在脂质体内，当在一定波长的光照射时，脂质体膜与囊泡物质间或脂质体之间发生融合作用而释放药物。3.5固体脂质纳米粒(SLN)组成：以固态的天然或合成的脂类为载体，如脂肪酸、脂肪醇、卵磷脂、三酰甘油等，将药物包裹于类脂核中制成粒径约为50～1000nm的固体胶粒给药体系。优点：SLN采用生理相容性好的脂类材料为载体，同时，固体基质又使它具有聚合物纳米粒的优点，如可以控制药物的释放、避免药物的降解或泄漏以及良好的靶向性等。纳米固体脂质载药体系的制备

薄膜－超声分散法：将脂类和药物溶于有机溶剂中，减压旋转蒸发除去有机溶剂，形成一层脂质薄膜，加入含有乳化剂的水溶液，用带有探头的超声仪进行超声分散，即可得小而均匀的SLN的稳定分散系统。

乳化－分散法：先将脂类载体加热熔化，加入药物、乳化剂、助乳化剂和水，制成温热的O/W型微乳，然后在搅拌条件下，将微乳分散于冷水中，即可形成SLN。

溶剂乳化法：将药物或药物与脂类溶于适当的有机溶剂中，加入到含有乳化剂的水相中，进行乳化，然后蒸去有机溶剂，即可得到SLN。3.6磁性材料(1)单质，如纯铁、钴、镍、钐等(2)合金，如铁镍合金、铁铝合金(3)氧化物，如CoO、Fe2O3

、Fe3O4

、Mn2O3

、BaFe12O19以及CoMnP等(4)混合磁性材料，如由铁(79%)、铬(10%)、碳(1%)、镁(9%)、硅(1%)或由钐(Sm)和钴(Co)组成磁性载体材料的化学组成磁性载体材料的类型

1、磁性高分子纳米微球

核壳型：由磁性材料组成核，聚合物组成壳层；

壳核型：聚合物作为核,磁性材料作为壳；

多层微球：内外层是聚合物，中间是磁性材料的。2、磁性脂质体纳米微粒3、无机/无机复合磁性纳米微粒

核壳型：由磁性材料组成核，无机物组成壳层；如：SiO2/Fe2O3、CdS/FePt、Au/Fe2O3

壳核型：无机物作为核,磁性材料作为壳；如：Fe2O3/Pt、Co/Pt磁性载体材料的应用1、磁性纳米载体材料在靶向药物转运中的应用磁控纳米载药制剂经静脉注射后在外磁场的导航下使药物通过血液循环到达并富集在病灶部位。要实现磁性纳米粒子在病灶部位的有效富集，磁作用力必须有效克服血液的流体阻力。因此，磁导向药物的治疗效果取决于磁场强度和梯度、粒子的磁学性质、磁流体浓度、血液流速、给药途径、循环时间等诸多因素。这种给药方式的缺点：①磁性纳米粒子在血管中容易形成栓塞；②一旦药物释放后不受磁场控制；③磁性纳米粒子的生物毒性还有待进一步考证。磁导向药物研究主要集中在恶性肿瘤的治疗方面，1996年Lübbe研究小组开展了Ⅰ期临床实验，他们采用磁载表阿霉素对14位患者进行了肿瘤治疗，结果表明一半病人体内的磁载表阿霉素可以通过外磁场成功地富集在肿瘤部位。通过选择亲肿瘤的小肽或抗体对磁性材料进行表面修饰，利用磁性定位和生物导向双重定位，使治疗媒介理想定位且稳定均匀地分布于肿瘤病变部位。还可以将放射性元素（如钇－90或铼－188）固定在磁性纳米粒子载体上，经磁导向后对肿瘤病灶进行放射性治疗，也可以达到良好的治疗效果。2、磁性纳米粒子在生物分离中的应用（1）细胞分离直接法是将偶联有抗体的磁性纳米粒子加入待分离的细胞混合体系中，经过孵育使靶向细胞与磁性纳米粒子表面的抗体识别形成稳定的复合体，然后在外磁场作用下实现被识别细胞与其它细胞的分离。间接法是将适量的生物素化的抗体加入到细胞混合体系中，过滤除去大部分未被偶联的抗体，再通过磁性纳米粒子表面的二抗或链霉亲和素与结合在细胞表面的抗体之间相互作用后形成稳定的复合物，最后经外磁场作用实现细胞的分离。细胞磁分离的重要应用

通过去除肿瘤患者骨髓中的肿瘤细胞来辅助肿瘤的放射疗法，对肿瘤患者实现更为有效的疗法；

实现干细胞的选择性分离，为干细胞移植和造血系统的基因治疗提供新的机遇。细胞磁分离的优点：(1)磁性载体与细胞的识别过程基本不破坏识别细胞的形态，同时也不影响非识别细胞；(2)分离纯度高达95~99.9%；(3)不影响细胞的功能和活性，经磁分离的细胞存活率达到90%以上；(4)分离操作方便、快捷。（2）蛋白质、DNA的磁分离DNA分离：例如磁流体的纳米磁粒子在外磁场作用下可自发形成间距亚微米到100µm的规则排列的磁柱结构，结合脉冲电场琼脂糖电泳的方法可以用来分离不同分子量的DNA。优点：①磁性纳米粒子所形成的磁柱之间的距离可根据微通道器件的尺寸和磁性颗粒浓度在非常大的范围内进行调节；②不需要复杂的微印刷技术来制备分离通道；③该方法可用来实现其它中等尺寸生物体(如细胞、蛋白、细胞器等)的分离。蛋白质分离：例如采用与金属亲和色谱方法类似的原理，利用表面修饰次氮基三乙酸的磁性纳米粒子作为载体，实现了对带有组氨酸残基的蛋白质的快速分离。采用磁性纳米粒子对蛋白质分离的优点：①不需要预处理过程，加快蛋白的分离；②分离效率高，最低分离浓度达到0.5pmol/L；③在外磁场的作用下，利用该方法分离的蛋白质可以转移并固定到任何基片上，从而实现了对目标蛋白的操纵。（3）生物酶的磁偶联与磁分离酶在偶联到磁性纳米粒子表面后，稳定性大大提高，即便14天后，被偶联的酶的活性仍然保持原始酶的85%左右。提高生物酶在磁性纳米材料表面的固定化来实现酶的分离具有以下优点：①可以便利地实现酶与底物和产物的快速分离；②可以提高酶的稳定性，并保持酶在不同介质中的催化活性，拓宽了酶的应用范围；③磁性纳米材料巨大的比表面积为同时偶联固定多种生物酶提供了场所，有利于多酶链式反应的应用。3、磁流体过热治疗肿瘤(MFH)热疗法是根据肿瘤细胞和正常细胞对热的敏感性不同，通过加热病灶部位来杀死肿瘤细胞的方法。热疗法有两种：通常把治疗温度控制在47℃以上的疗法称为热消融疗法；而把治疗温度控制在42～46℃之间的疗法称为过热疗法。早期磁热疗法有两个致命的缺点：①肿瘤内部温度分布不均匀，造成局部温度过高；②治疗前后都需要手术植入和取出磁体。因此，早期的出热疗法与其它肿瘤治疗方法相比没有明显的优势。原理：将磁流体注射到肿瘤组织，在外加交变磁场的作用下，磁性微粒因磁损耗而发热释放给肿瘤组织，由于肿瘤中血液供给不如正常组织致使肿瘤中热量扩散慢，结果造成局部温度升高（42～46ºC），从而达到杀死肿瘤细胞的目的。磁流体过热治疗肿瘤的原理及优点MFH方法的优点：1)磁流体通过注射方式进入病灶部位，从而避免了手术给病人带来的痛苦；2)具有超顺磁性的磁流体较大尺寸的磁棒有更高的磁致热效率；3)纳米尺寸的磁性颗粒可以很容易进入细胞或组织内部，均匀地分布在病灶患处，有利于克服磁针或磁棒所面临的涡流效应导致的受热部位温度不均匀。用葡聚糖－Ｆe3O4（6nm）纳米磁性微粒注入患乳腺癌老鼠的血流，48h后进行磁热疗，33％的大鼠肿瘤完全衰退，生存期延长150％。用含10nmFe3O4和阿霉素脂质体进行热疗与化疗结合治疗仓鼠移植瘤骨肉瘤，超过80%的大鼠肿瘤完全消退。第四节纳米生物材料4.1概述——生物材料是用于和生物系统结合、治疗或替换生物机体中的组织、器官或增进其功能的材料。生物材料包括金属材料、无机材料和有机材料3大类。——应用纳米技术制成的纳米生物材料具有许多令人惊奇的特性。——纳米生物材料在本世纪将成为生物材料的核心材料

纳米生物材料分类——纳米金属生物材料——纳米无机生物材料——纳米高分子生物材料——纳米复合生物材料4.2

纳米生物材料及其在人工器官的应用4.2.1纳米无机生物材料——纳米陶瓷生物材料——纳米碳生物材料——纳米生物玻璃陶瓷——纳米复合无机生物材料一、分类纳米陶瓷生物材料特性及应用1、性质：

纳米陶瓷具有良好生物相容性和低的细胞粘附性；

纳米多孔陶瓷的孔隙允许新生骨组织的长入，具有诱导成骨作用；

良好的机械力学性能。2、应用：主要用于硬组织的修复和替换材料。如制造人工骨(骨缺损时作为细胞外支架材料和骨折的固定材料)和牙齿、人工关节等。——目前用于加工成纳米陶瓷的材料主要包括：羟基磷灰石(HAp)、磷酸三钙(TCP）

、氧化锆、氮化硅、氧化铝陶瓷等纳米陶瓷生物材料研究成果——纳米增强增韧羟基磷灰石制取多孔仿珊瑚人工骨——化学方法诱导氧化锆/氧化铝纳米化合物形成HAP的能力——磷酸三钙(β－TCP)合成纳米松质骨纳米碳生物材料——纳米碳材料主要包括纳米碳纤维和碳纳米管、类金刚石碳；——碳元素是组成有机物的主要元素，更是组成人体组织和骨骼、器官等各部分的重要元素，纳米碳材料具有良好的生物相容性和血液相容性；——主要用于人工血管、人工心脏瓣膜和人工的齿根、骨骼、关节、韧带、肌腔以及血液净化等。纳米碳生物材料的应用例子1、人工肌肉纤维原理：纳米碳管浸泡在电解质中时，随外加电压其长度会发生规律性伸展收缩。将两片纳米碳管薄膜叠加呈双层结构薄膜，施加不同极性的电压，整个结构发生扭曲，就像人的胳膊由于不同侧面肌肉的收缩和舒展弯曲导致的结果一样。应用：利用纳米碳管的这种特性，可制成人工肌肉纤维不仅可用于人类肌纤维的移植和修复，还可以作为未来机器人的运动构件。2、细胞养料、药品公系统的新材料与人造毛细管原理：纳米碳管实际上是一个中空管，其尺寸在纳米尺度，可作为养料、药物载体体系与细胞之间形成圆筒形的渠道，对细胞进行养料与药品的供给，同时，纳米碳管用于毛细管的医治或代替破损的毛细管。应用：养料、药物的载体、毛细管修复4.2.2纳米高分子生物材料

按其来源分为天然