金屬納米顆粒-刺激響應型水凝膠:活性成分遞送體系研究進展

劉夢聰,蔣玲,饒哲楠,王啟明,陳媛媛,雷小娟,明建,2*

1(西南大學 食品科學學院,重慶,400715)2(川渝共建特色食品重慶市重點實驗室,重慶,400715)

水凝膠是一種由聚合物交聯形成的具有三維網絡結構的柔軟親水材料[1]?；诰酆衔锝M成和排列順序的不同,水凝膠被賦予了多種特性:溶脹性、生物降解性、高氧滲透性、高度多孔性,以及對pH、溫度或其他刺激的敏感性[2]。通過對傳統水凝膠網絡結構進行修飾,可以制備得到刺激響應型水凝膠。這種響應型水凝膠具有獨特的溶脹、收縮和降解特性,將其作為活性成分的遞送載體,可以實現對活性成分控制釋放[3-4]。

金屬納米顆粒尺寸通常介于1～100 nm,具有高比表面積和高化學活性[5],可提供豐富的活性成分負載位點,因而具有高效的活性成分載荷能力。此外,金屬納米顆粒還具有靶向選擇性,可以特異性地將活性成分進行靶向釋放,實現食品功能成分的精準遞送[6]。研究表明,金屬納米顆粒與刺激響應型水凝膠結合可提升其活性成分遞送性能,這是由于水凝膠的多孔網絡結構可對金屬納米顆粒進行固定,避免納米顆粒發生團聚[7]。同時,刺激響應型水凝膠具有良好的環境響應性,可以促使金屬納米顆粒中負載的活性成分在不同環境條件下控制釋放[8]。因此,將金屬納米顆粒與刺激響應型水凝膠進行復合對實現活性成分的高效負載和智能遞送體系的構建具有巨大潛力。

論文綜述了金屬納米顆粒-刺激響應型水凝膠復合材料的特點、種類和制備方法,總結了近年來負載活性成分的金屬納米顆粒-刺激響應型水凝膠的應用進展,并對其未來發展前景進行展望。

1 金屬納米顆粒-刺激響應型水凝膠復合材料的特點與種類

刺激響應型水凝膠是指對水凝膠聚合物鏈進行修飾后得到的具有刺激響應性能的水凝膠。刺激響應效應的引入有助于增強水凝膠的功能,擴大水凝膠的應用范圍,如通過改變水凝膠的膨脹或降解行為,可以實現遞送活性成分的控制釋放。將觸發活性成分從響應型水凝膠中釋放的外界刺激進行分類,可以分為物理刺激(溫度、電場、磁場、光等)、化學刺激(pH、氣體、氧化還原劑等)和生物刺激(DNA、酶、葡萄糖、ATP等)。

研究表明,在刺激響應型水凝膠網絡中引入對pH[9]、溫度[9]、光[10]等敏感的基團,使它們能夠隨相應環境發生體積變化(可逆性溶脹或收縮或發生降解),將包裹于其中的活性成分滯留或者釋放。刺激響應型水凝膠的活性成分控制釋放原理如圖1所示。

圖1 刺激響應型水凝膠的活性成分控制釋放原理圖[11]Fig.1 Schematic diagram of controlled drug release of responsive hydrogel[11]

表1簡要概括了刺激響應型水凝膠對常見環境刺激物的活性成分控釋機理。

表1 刺激響應型水凝膠對環境刺激的響應機理Table 1 Response mechanism of stimulus-responsive hydrogels to environmental stimuli

金屬納米顆粒包括Ag、Au、Fe3O4、ZnO(綠色來源)等,它們對光、熱、磁、化學等環境刺激物也具有一定的響應性能[17]。由此,將金屬納米顆粒與刺激響應型水凝膠雜化得到的復合材料在特定環境刺激下用于活性成分的控制釋放具有良好的應用前景。根據施加的外界刺激物數量,可以將復合材料分為:金屬納米顆粒-單一響應型水凝膠、金屬納米顆粒-雙重響應型水凝膠和金屬納米顆粒-多重響應型水凝膠3類,下文將對這3類復合材料進行簡要介紹。

1.1 金屬納米顆粒-單一響應型水凝膠

單一響應型水凝膠是指三維網絡結構中只含有一種能響應外界環境刺激基團的水凝膠。金屬納米顆粒-單一響應型水凝膠復合材料,有效地將金屬納米顆粒的活性成分高效荷載和靶向遞送能力與刺激響應型水凝膠對環境刺激的響應性能結合。如GEORGE等[18]利用組氨酸改性殼聚糖,得到具有pH刺激響應性的水凝膠,然后包埋氧化鋅納米顆粒(zinc oxide nanoparticles, ZNPs),實現植物天然活性成分多酚物質(姜黃素、柚皮素和槲皮素)的靶向遞送。ANAGHA等[19]通過將ZNPs嵌入甘蔗渣衍生的纖維素中,制得具有高親水性的可再生纖維素水凝膠,該水凝膠表現出一定的pH響應性能,提高了姜黃素的負載效率和釋放性能,與純纖維素水凝膠相比,該水凝膠的姜黃素釋放增強高達75%。金屬納米顆粒-磁響應型水凝膠復合材料則是將磁性金屬納米顆粒摻入水凝膠基質中制備而得,它能隨輕微的磁場變化改變自身特性(發生收縮、膨脹或彎曲),從而實現對活性成分的控制釋放[20]。此外,金屬納米顆粒-pH響應型水凝膠可以通過腫瘤微環境[21]、發炎組織/傷口[22]的pH變化,來觸發水凝膠與pH相關的溶脹和去溶脹過程,金屬納米顆粒則實現荷載活性成分的靶向遞送。如KAMRAJ等[23]將鐵酸鈣納米顆粒引入到香蘭素改性的殼聚糖水凝膠網絡中,提高了疏水成分姜黃素的包封效率,同時實現了姜黃素的磁性控制釋放,該種復合材料表現出良好的抗癌性能。

1.2 金屬納米顆粒-雙重響應型水凝膠

雙重響應型水凝膠能夠同時對2種外界刺激產生響應,比如pH/光、光/熱、磁/熱、光/氧化還原等[24]。在活性成分遞送方面,雙重響應型水凝膠可以表現出比單一響應型水凝膠更加精準的遞送效果,因此具有更好的應用性能。

研究表明,殼聚糖和硫酸軟骨素2種多糖帶有相反的電荷,由它們制備的復合水凝膠帶有一定的負電荷或正電荷基團,表現出不同的腫脹行為,具有pH響應性[25]。DE FREITAS等[26]將銀納米顆粒(silver nanoparticles, AgNPs)引入到此類復合水凝膠中,賦予其光響應性,使其能在可見光照射下提高負載活性成分姜黃素的可用度,對人結腸癌細胞Caco-2產生抑制作用。TANG等[27]研究團隊采用原位沉積法制備含Fe3O4納米顆粒的磁性雙重網絡(magnetic double network, M-DN)水凝膠,其在交變磁場(alternating magnetic field, AMF)下具備良好的磁熱響應性能,能有效釋放維生素B12(圖2)。

圖2 維生素B12通過M-DN水凝膠在AMF下加速擴散示意圖[27]Fig.2 Schematic diagram of accelerated diffusion of vitamin B12 through M-DN hydrogel under AMF[27]

有研究團隊以猴頭菌渣為原料,在羧甲基甲殼素水凝膠基質中原位合成Fe3O4,得到一種pH/磁雙重響應的智能水凝膠。通過改變Fe3O4的含量可以調節水凝膠的pH/磁敏度和溶脹度,控制5-氟尿嘧啶的體外釋放[28]。WANG等[29]開發了一種可注射的MnO2納米顆粒雜化水凝膠,其具有氧化還原和光雙重響應性。該復合材料可以通過將內源性H2O2分解成O2來改善缺氧的腫瘤微環境,同時釋放阿霉素(doxorubicin, DOX),實現黑色素瘤的光熱化療。

1.3 金屬納米顆粒-多重響應型水凝膠

多重響應型水凝膠能夠對更多樣的外界環境變化(如光/磁/酶、pH/溫度/離子強度、磁/光/溫度等)產生響應,表現出比單一響應型和雙重響應型遞送體系更好的活性成分遞送效果[30]。YUAN等[31]將溫敏性的聚(N-丙烯?；拾滨０?[poly(N-acryloyl glycinamide), PNAGA]作為復合體系的交聯劑,利用聚酯(polyester, PE)包覆的介孔二氧化硅納米載體(mesoporous silica nanocarriers, MSNs)負載DOX,再將Fe3O4納米顆粒(磁響應)接枝到具有光響應的氧化石墨烯(graphene oxide, GO)上,制備得到的多重響應型水凝膠(圖3)實現了DOX的可控靶向釋放,其對小鼠模型中腫瘤生長的有效抑制率可達90%以上,在腫瘤精確治療中具有良好的應用前景。還有研究團隊制備了集磁性、發光和溫度響應于一體的多功能聚(N-異丙基丙烯酰胺)[poly(N-isopropylacrylamide), PNIPAM]/Fe3O4-ZnS復合空心球,用于DOX的靶向遞送[32]。將金屬納米顆粒-多重響應型水凝膠復合材料作為新型活性成分遞送體系,能夠根據實際需要,滿足人體內部復雜的環境變化,實現在多種刺激下對活性成分的控制釋放,具有巨大的應用前景。

圖3 PNAGA-DMP(DOX-MSNs-PE納米載體)-Fe3O4@GO納米復合水凝膠用于腫瘤治療的示意圖[31]Fig.3 Schematic illustration of PNAGA-DMP (DOX-MSNs-PE nanocarrier) -Fe3O4@GO nanocomposite hydrogel for tumor therapy[31]

2 金屬納米顆粒-刺激響應型水凝膠復合材料的制備方法

刺激響應型水凝膠的制備方法主要包括化學交聯、物理交聯和酶交聯[9]?；瘜W交聯法包括自由基聚合、接枝聚合和輻射聚合[33-35]。物理交聯法主要通過氫鍵、疏水作用和靜電吸引將聚合物網絡結合在一起[36]。酶交聯法則利用特定的酶在聚合物網絡之間產生很強的共價鍵來促使交聯的發生[37-38]。金屬納米顆粒-刺激響應型水凝膠的制備方法主要有:共混凝聚法、溶脹收縮法、交聯法、原位還原法、同步交聯還原法[39]及其他物理方法[40],它們的簡化制備機理如圖4所示。

圖4 金屬納米顆粒-水凝膠復合材料的簡化制備機理[6]Fig.4 Simplified preparation mechanism of metal nanoparticle-hydrogel composites[6]

2.1 共混凝聚法

共混凝聚法是先制備金屬納米顆粒,然后將金屬納米顆粒與刺激響應型水凝膠單體混合,利用聚合反應將金屬納米顆粒嵌入到水凝膠的聚合物網絡結構中,而制備得到金屬納米顆粒復合水凝膠[41]。ZHANG等[42]將被介孔二氧化錳殼包覆的金納米棒(gold nanorod, GNR)與溫度響應型水凝膠聚(N-異丙基丙烯酰胺-共聚-丙烯酸)[poly(N-isopropylacrylamide-co-acrylic acid), PNA]的單體(N-異丙基丙烯酰胺和丙烯酸)聚合,合成具有核殼結構的GNR-MnO2-PNA金屬納米顆粒水凝膠復合物。有研究團隊以殼聚糖和丙烯酸為原料,乙烯基三甲氧基硅烷為交聯劑,通過加入不同量的氧化鋁納米顆粒,制備了一系列具有pH響應性能的高吸水性水凝膠,該水凝膠表現出優異的抗菌和生物降解性能[43]。

雖然共混凝聚法可以將金屬納米顆粒均勻地分布在水凝膠的網絡結構中,但金屬納米顆粒在制備過程中易團聚,導致此方法制備的復合水凝膠的結構增強效果并不明顯[41]。

2.2 溶脹收縮法

溶脹收縮法主要是利用刺激響應型水凝膠在不同溶液體系中表現出不同的溶脹或收縮特性,將金屬納米顆粒吸附到水凝膠表面或嵌入水凝膠網絡結構中,而制備的復合材料[44]。如利用聚丙烯酰胺凝膠在水和丙酮中的溶脹收縮性質不同,來制備金納米顆粒(gold nanoparticles, AuNPs)水凝膠復合材料。先將吸水膨脹的凝膠放置在丙酮中,使其收縮,然后將縮小的凝膠置于含有AuNPs的水溶液中吸水膨脹,最后,用水沖洗凝膠,去除表面弱吸附的納米顆粒,其余納米顆粒則積聚在水凝膠的聚合物網絡中[45]。

利用該方法制備的復合材料具有良好的活性成分釋放能力,但金屬納米顆粒的無規則吸附或嵌入,容易導致水凝膠網絡結構中金屬納米顆粒分布不均勻,產生團聚現象,所以該方法也有一定的局限性。

2.3 交聯法

交聯法制備復合材料是先將金屬納米顆粒懸浮于未交聯的水凝膠中,然后在交聯劑作用下將納米顆粒捕獲在水凝膠基質中[46]。如在瓜爾膠溶液中加入硝酸銀水溶液,攪拌混勻,然后向體系中加入硼氫化鈉,可得到含AgNPs的智能水凝膠[47]。有研究利用上述原理成功制備得到溫度響應型的鈀納米顆粒@纖維素納米晶體/瓜爾膠水凝膠雜化體系[48]。WANG等[49]利用交聯法制得具有磁、光和熱三重響應性能的復合水凝膠聚多巴胺/羧甲基纖維素(carboxymethyl cellulose, CMC)-Fe3+/聚乙烯醇(polyvinyl alcohol, PVA),在該水凝膠體系中,由化學-物理共交聯的PVA網絡和物理交聯的CMC-Fe3+網絡構成互穿三重網絡,使其具有良好的機械性能和多形狀記憶特性。

雖然該種方法在金屬納米顆粒-刺激響應型水凝膠復合材料的合成方面應用廣泛,但由于金屬納米顆粒的不穩定性,可能在水凝膠發生凝膠化之前或期間發生團聚,因此其實際應用也受到一定的限制。

2.4 原位還原法

原位還原法是通過將金屬納米顆粒的前驅體離子吸附到刺激響應型水凝膠聚合物基質上,然后在聚合物鏈中引入可以和該離子發生還原反應的物質,原位成核生成由基質連接的納米顆粒,最后交聯形成水凝膠制得復合材料。SZüCS等[50]的研究發現,原位還原法制備的復合材料可以為金屬納米顆粒的形成提供良好的分散環境,并且水凝膠具有的良好均質性能,可用于吸附和穩定納米顆粒,從根本上避免了金屬納米顆粒易聚沉的問題。此外,該方法還可以通過調整反應物的濃度來控制金屬納米顆粒的大小,使制備的金屬納米顆粒-刺激響應型水凝膠復合材料表現出更好的性能,在多個領域受到廣泛關注。在BARDAJEE等[51]制備的pH敏感型銀納米復合水凝膠中,納米銀顆粒就是在水凝膠形成之前原位合成的。有研究通過原位還原反應制備納米銀,再利用堿液置換得到物理交聯的納米銀/殼聚糖復合水凝膠[52]。還有研究利用原位還原法制備以N,O-羧甲基殼聚糖為載體的原位AgNPs抗菌自愈水凝膠,能有效地封閉傷口和控制感染[53]。

3 負載活性成分的金屬納米顆粒-刺激響應型水凝膠的應用

金屬納米顆粒-刺激響應型水凝膠復合材料因具有穩定、能隨外界環境變化改變自身特性和生物相容性等特點,目前,作為活性成分的遞送載體已在很多領域有廣泛應用。

3.1 活性成分的控制釋放

利用刺激響應型水凝膠對外界pH和溫度變化的敏感性,可以實現復合材料自身的溶脹、收縮或降解,從而將其網絡結構中負載的活性成分釋放或保留,完成對活性成分的控制釋放。WANG等[54]制備的pH敏感型海藻酸鈉(sodium alginate, SA)/羧甲基殼聚糖(chose carboxymethyl chitosan, CMCS)-ZnO復合水凝膠微球可用于控制姜黃素在模擬胃腸道中的釋放,阻止其突然暴露于堿性溶液中,提高口服姜黃素的生物利用度?；诖?SA/CMCS-ZnO復合水凝膠微球有望成為控制對堿性溶液敏感的活性成分釋放的候選載體。HOOP等[55]發明了一種無線引導的磁性納米機器,這種納米機器由磁性鎳納米管組成,其內腔中含有一種pH響應型殼聚糖水凝膠,可以在酸性環境中選擇性地釋放活性成分,并在低pH環境下(如腫瘤細胞培養)顯示出增強的釋放性能,可用于研發針對癌細胞的智能多功能活性成分傳遞納米平臺。一種具有溫度-pH雙重響應性的復合微凝膠以AgNPs為核心,以PNA智能凝膠為外殼,可以通過改變銀納米顆粒與凝膠的配比、結構和厚度來調節具有核殼結構的復合材料對活性成分的負載量及釋放行為[56]。

3.2 活性成分的靶向抗菌抗癌

金屬納米顆粒-刺激響應型水凝膠復合材料不僅可以控制活性成分的釋放,還可以進行活性成分的靶向遞送,目前在抗菌抗癌方面有較多的應用。如將聚丙烯酸作為水溶性多糖骨架接枝到salep(一種食用淀粉)上,納米銀在水凝膠形成之前原位合成,而制得一種pH敏感型銀納米復合水凝膠,該水凝膠表現出良好的抗菌性能,能在結腸部位靶向釋放鹽酸四環素[51]。WANG等[57]通過共沉淀和預凝膠的方法制備含Fe3O4核(提供磁性),負載DOX的磷酸鈣殼(用于pH響應釋放),以及含精氨酸甘氨酰天冬氨酸的多肽功能化海藻酸鈉冠的復合材料。該核/殼/冠納米結構,顯示出良好的生物相容性,并對膀胱癌細胞表現出增強的治療效果。LIU等[32]制備的PNIPAM/Fe3O4-ZnS是集磁、光和溫度響應于一體的多功能復合材料,其中的ZnS納米顆?？勺鳛樽粉櫥钚猿煞轴尫诺陌l光標記,Fe3O4納米顆粒賦予該體系磁響應性能,PNIPAM的存在則提供了一種熱敏性能。他們的研究結果表明,AMF能夠實現活性成分的遠程控制釋放,這種復合材料在活性成分靶向遞送用于抗癌方面具有潛在的應用前景。

金屬納米顆粒-刺激響應型水凝膠復合材料除了能響應不同環境刺激進行活性成分輸送外,還具有比水凝膠更好的機械性能,能保證活性成分的長期穩定輸送[58-59],這一性質使其在腫瘤治療方面具有廣闊的應用前景。

4 結論與展望

近年來,姜黃素、槲皮素、柚皮素、原花青素等天然活性成分因具備良好的抗癌、抗炎、促進傷口愈合等特性,被廣泛用作活性成分遞送載體的遞送目標。然而,植物多酚類物質性質不穩定,易受外界環境影響。因此,構建適宜的活性成分遞送體系對于提高多酚類物質在不同生理條件下的穩定性和靶向釋放的效率是很必要的。人體消化系統因胃腸道的pH、溫度和酶等環境條件的不同,而成為一個復雜的多環境體系,在使用金屬納米顆粒-刺激響應水凝膠復合材料設計活性成分遞送體系時,需要考慮活性成分在通過口腔、胃、小腸和大腸的過程中,可能會經歷一系列復雜的物理和化學變化,即需要根據目標活性成分的遞送需求選擇合適的水凝膠基質和金屬納米顆粒。此外,必須要保證金屬納米顆粒在制備過程中穩定、不聚集,能夠精確地排列在水凝膠的三維網絡結構中。與此同時,必須要開展細胞實驗和完整的動物實驗,經過長期觀察,確定這類新型活性成分遞送體系不會對機體產生損害后,進行人體實驗評估其有效性和安全性,評估通過的方能投入應用。

目前,部分金屬納米顆粒-刺激響應型水凝膠復合材料已處于各種生物醫學應用的臨床和臨床前試驗階段,相信集綠色無毒、高度可生物降解、生物相容性高、靶向殺傷性強等優點于一體的新型活性成分遞送體系將會在未來各大領域發揮巨大作用。