用于药物载体的刺激响应性聚合物及微凝胶的研究进展

崔莹莹

在癌症治疗中，目前传统的化疗都是应用一些小分子制剂，不但能杀死肿瘤细胞，对正常的组织也会产生危害。因此，人们发展了一系列药物载体，在其表面连接一些靶向基团，可以特异性的识别并进入到肿瘤细胞内。除了这种基于主动靶向的药物载体，另外一类利用被动靶向的药物载体也越来越受到人们重视。为了使进入肿瘤部位的药物能够快速可控释放，人们发展了一系列刺激响应性高分子，利用肿瘤部位环境的不同而释放药物。常见的刺激响应性聚合物［1－3］包括:温度、pH、氧化还原以及光响应性的聚合物等，其中温度和酸敏感的聚合物是研究最为广泛的药物载体。这类聚合物载体包裹药物，在血液循环中比较稳定，当进入的到肿瘤组织中后，由于一些外部刺激，使聚合物解散，其中包裹的药物被迅速释放出来。此外，刺激响应性聚合物微凝胶在作为药物载体的方面的应用也越来越受到人们重视。下面主要介绍一下各种刺激响应性聚合物及微凝胶在药物传递方面的研究进展。

1 温度响应性聚合物

温度敏感性聚合物由于在药物释放，催化和细胞培养等多方面的潜在应用而受到广泛研究。温敏性的聚合物在水溶液具有低临界溶解温度(LCST)，即在低温时能够与水形成氢键，从而能够溶解在水中，而温度升高时，氢键被破坏，聚合物链发生收缩，使聚合物与水发生相分离。聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)［4］是发展最早的一类温敏性聚合物。由于PNIPAM的LCST在32℃附近，接近于人体温度，且随环境的变化程度较小，使它被较透彻的研究作为药物载体。例如，Chung等［5］制备了聚甲基1丙烯酸丁酯(PBMA)和PNIPAM的嵌段共聚物，当温度较低时，该共聚物由于PBMA的疏水性和PNIPAM的亲水性而在水溶液中形成胶束，被包裹抗癌药阿霉素。当温度升高时，由于PNIPAM链段的收缩，是聚集体发生扰动，其中包裹的抗癌药被释放出来。

为了使聚合物的LCST具有可调性，人们将NIPAM与其他的单体进行共聚，通过调节聚合物的亲疏水性，来调节它的 LCST。例如，Neradovic 等［6，7］将 NIPAM与一种侧链为寡聚乳酸的甲基丙烯酰胺类单体(HEMA-Lacn，HPMAm-Lacn)进行共聚，利用侧链乳酸的数目，来调节它的疏水性，从而可以调节聚合物的LCST。其实HPMAm-Lacn本身就具有很好的温敏特性，将HPMAm-Lac1与 HPMAm-Lac2进行共聚，可以有效的调节共聚物的LCST;同时将PEG连接到该聚合物上，得到的嵌段聚合物在水溶液中形成胶束，由于侧链乳酸基团的水解，使胶束发生膨胀和解离。但是这类丙烯酰胺类的聚合物相转变的可逆性不好。在温度升高到聚合物的LCST以上时，酰胺键的存在会使聚合物链之间形成氢键。当降低温度时，这些氢键会阻止聚合物链的伸展，因此会出现明显的滞后现象［8］。而且它们的生物相容性不是很好，从而限制了它在生物医药方面的应用。

Lutz等［9－11］发展了一类侧链包含有寡聚 PEG 的温敏性聚合物。它是将寡聚PEG甲基丙烯酸酯的单体进行聚合，由于聚合物主链的疏水性和PEG的亲水性形成平衡，使这类聚合物具有LCST。其中PEG链段越长，其亲水性越好，LCST越高。将不同长度PEG的单体进行共聚，通过调节共聚单体的比例就可以在很宽的范围内调节共聚物的LCST。这类聚合物链之间没有氢键相互作用，使它具有可逆的相转变。而且这类非线性的PEG聚合物完全是由生物相容性的寡聚PEG构成，由于PEG具有非离子性，水溶性，无毒以及无免疫性等优点，使它也具有良好的生物相容性。相对于线性PEG，这类侧链包含有寡聚PEG的聚合物除了具有温敏性以外，还可以较方便的通过多种聚合方法，如阳离子、阴离子、开环复分解以及自由基聚合的方法得到较高分子量的聚合物。其中自由基聚合，特别是可控自由基聚合(ATRP，NMP，RAFT)是应用最为广泛的方法。由于在普通自由基聚合中，单体活性不同导致聚合物链之间单体的比例差别较大，使得聚合物的相变区间会较大，因此需要应用可控自由基聚合的方法，精确控制聚合物的结构，使聚合物链的组成较为均一，相变区间变窄。

2 pH值敏感性聚合物

由于在肿瘤和发炎的部位以及一些细胞器中，pH值是偏酸性(5～6)的，人们发展了一类可用于药物载体的pH值敏感性聚合物，例如一些以组氨酸，吡啶以及三级胺为疏水链段的嵌段共聚物。在中性的水溶液中，该类聚合物为胶束的状态，可包裹一些抗癌药物。而在酸性条件下，由于N的质子化转变为亲水性，使胶束解离，其中包裹的药物被释放出来。除了基于可滴定基团的pH值敏感性聚合物，还有一类基于缩醛，缩酮以及原酸酯基团的酸裂解型聚合物。例如，Gillies等［12，13］将 PEG 的一端连接上树枝状的大分子，其表面上通过环状的缩醛键连接一些疏水性的苯环，由于疏水作用力和相互作用使该聚合物形成胶束。在酸性条件下，这些缩醛键水解，树枝状分子的亲水性增加，使胶束解离，实现了对它所包裹药物DOX的可控释放。最近，他还将右旋糖苷进行缩醛化，制成一种酸敏感的纳米粒子，在酸性的条件下可以释放其包裹的药物［14］。Heller等［15］将原酸酯键引入聚合物的主链，合成了四代聚合物，其水解产生的酸可以自催化聚合物的降解，其凝胶状的材料目前已经应用于眼科治疗。

3 多重刺激响应性聚合物

为了使聚合物具有更好的刺激响应性，人们还发展了一些具有双重刺激响应性的聚合物。例如，Jiang等［16］将含寡聚PEG的单体和光敏感性单体进行共聚，得到了具有温度和光双重响应性的聚合物。Gao等［17］将温敏和pH值敏感的树枝状分子连接到聚合物侧链上，使聚合物具有温度和pH值双重敏感性，在不同的pH值下具有不同的相变温度。Huang等［18，19］发展了一类酸裂解型的温敏聚合物，引入酰胺键为温敏基团，原酸酯键为酸敏基团。将该聚合物连接一段PEG得到嵌段共聚物，升温形成胶束，而在酸性条件下解离。此外，Klaikherd等［20］发展了一类三重刺激响应性的嵌段聚合物，以PNIPAM作为温敏嵌段，以侧链含缩醛键的聚合物作为酸敏链段，两链段中间用还原性敏感的双硫键连接。

4 刺激响应性微凝胶

近年来，聚合物微凝胶由于在药物传递，生物材料和生化分离等多方面的应用，而受到了广泛关注。它与宏观凝胶和一些胶束体系一样，可以作为药物缓释的载体。与宏观凝胶相比，纳米凝胶是尺寸在纳米级的凝胶，可以采用注射的方法，通过增强渗透保留效应(EPR)进入到肿瘤部位，而无需进行手术移植。而且，它具有较大的比表面积，可以对外界刺激做出迅速响应，同时具有较快的药物释放速率。相对于胶束体系，纳米凝胶具有稳定性好，包藏量大等优点，而且既可以包裹疏水性药物也可以包裹蛋白质，DNA等生物大分子。因此，微凝胶可以作为理想的药物传递体系。

为了应用于药物载体，人们设计合成了一系列刺激响应性的微凝胶，例如温度、pH值、氧化还原、生物分子敏感等。聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)是研究最为广泛的一类温敏性微凝胶，对其进行修饰，可以有效的调节其LCST［21］，同时盐浓度对其LCST也有较大影响［22］。一些对生物分子如葡萄糖敏感的微凝胶也被广泛研究。例如将NIPAM与含有苯硼酸的单体共聚，可以得到温度和葡萄糖双敏感性的纳米凝胶［23］。

由于肿瘤部位和人体正常部位的物理环境不同，例如pH偏低以及含有较多的谷胱甘肽等还原性的多肽，可以设计酸和还原性敏感的微凝胶。例如，Murthy等［24，25］反相微乳液聚合的方法合成了一类用缩醛键交联的聚酰胺类水凝胶和微凝胶，它在pH=7.4时比较稳定，而在pH=5时能够发生解离，从而快速释放其包裹的蛋白质。Chan等［26］利用RAFT聚合的方法合成了一种用缩醛键交联的聚酯类纳米粒子，其表面的RAFT引发剂可以继续引发亲水性的寡聚PEG聚合，得到一种核壳型的纳米粒子，可以包裹释放疏水性药物。Griset等［27］用微乳液聚合的方法合成了一种含缩醛键的甲基丙烯酸类的单体，和少量双甲基丙烯酸酯的交联剂进行共聚，可以得到一种聚酯类的纳米粒子。在pH=7.4时，粒子是疏水的，粒径在100 nm左右，而在pH=5时，缩醛键发生水解，粒子溶胀变成1 000 nm，从而使包裹的药物释放出来。Oh等［28］利用反相乳液聚合ATRP的方法合成了双硫键交联的水溶性微凝胶，在还原性条件如谷胱甘肽的作用下，双硫键断裂使粒子发生解离。

此外，一些双重刺激响应性的微凝胶也受到了广泛的研究，例如将丙烯酸和NIPAM共聚得到的温度和pH双重响应性的纳米粒子［29］。将含NIPAM的聚合物用双硫键连接，就可以得到温度和还原性双敏感的微凝胶［30］。

5 刺激响应性聚合物作为药物载体的应用前景

刺激响应性聚合物在作为药物载体方面有着较广泛的潜在应用价值。这类聚合物载体可以包裹抗癌药物，在血液中稳定循环，而在肿瘤部位，由于外界环境不同，聚合物受到刺激而解离，从而使药物得到可控释放。用刺激响应性微凝胶来包裹抗癌药物也可以实现药物在肿瘤部位的可控释放，而且聚合物微凝胶具有包裹量大、稳定性好、可包裹亲水分子等优点，因而更加受到人们的关注。相信在不远的将来，刺激响应性聚合物可以作为药物载体应用于癌症的治疗当中。

1 Gil ES，Hudson SA.Stimuli-reponsive polymers and their bioconjugates.Prog Polym Sci，2004，29:1173-1222.

2 Rijcken CJF，Soga O，Hennink WE，et al.Triggered destabilisation of polymeric micelles and vesicles by changing polymers polarity:An attractive tool for drug delivery.J Controlled Release，2007，120:131-148.

3 Schmaljohann D.Thermo-and pH-responsive polymers in drug delivery.Adv Drug Delivery Rev，2006，58:1655-1670.

4 Schild HG.Poly(N-Isopropylacrylamide)-Experiment，Theory and Application.Progress in Polymer Science，1992，17:163-249.

5 Chung JE，Yokoyama M，Okano T.Inner core segment design for drug delivery control of thermo-responsive polymeric micelles.Journal of Controlled Release，2000，65:93-103.

6 Neradovic D，Hinrichs WLJ，Kettenes VAN JJ，et al.Poly(N-isopropylacrylamide)with hydrolyzable lactic acid ester side groups a new type of thermosensitive polymer.Macromol.Rapid Commun，1999，20:577-581.

7 Neradovic D，Van nostrum CF，Hennink WE.Thermoresponsive Polymeric Micelles with Controlled Instability Based on Hydrolytically SensitiveNIsopropylacrylamide Copolymers.Macromolecules，2001，34:7589-7591.

8 Wang X，Qiu X，Wu C.Comparison of the Coil-to-Globule and the Globule-to-Coil Transitions of a Single Poly(N-isopropylacrylamide)Homopolymer Chain in Water.Macromolecules，1998，31:2972-2976.

9 Lutz JF，Akdemir O，Hoth A.Point by point comparison of two thermosensitive polymers exhibiting a similar LCST:Is the age of poly(NIPAM)over?J Am Chem Soc，2006，128:13046-13047.

10 Lutz JF，Hoth A.Preparation of ideal PEG analogues with a tunable thermosensitivity by controlled radical copolymerization of 2-(2-methoxyethoxy)ethyl methacrylate and oligo(ethylene glycol)methacrylate.Macromolecules，2006，39:893-896.

11 Lutz JF.Polymerization of oligo(ethylene glycol)(meth)acrylates:Toward new generations of smart biocompatible materials.J Polym Sci Part A Polym Chem，2008，46:3459-3470.

12 Gillies ER，Jonsson TB，Frechet JMJ.Stimuli-responsive supramolecular assemblies of linear-dendritic copolymers.J Am Chem Soc，2004，126:11936-11943.

13 Gillies ER，Frechet JMJ.pH-responsive copolymer assemblies for controlled release of doxorubicin.Bioconjugate Chem，2005，16:361-368.

14 Bachelder EM，Beaudette TT，Broaders KE，et al.Acetal-derivatized dextran:An acid-responsive biodegradable material for therapeutic applications.J Am Chem Soc，2008，130:10494-10495.

15 Heller J，Barr J.Poly(ortho esters)-From concept to reality.Biomacromolecules，2004，5:1625-1632.

16 Jiang XG，Lavender CA，Woodcock JW，et al.Multiple micellization and dissociation transitions of thermo-and light-sensitive poly(ethylene oxide)-b-poly(ethoxytri(ethylene glycol)acrylate-co-o-nitrobenzyl acrylate)in water.Macromolecules，2008，41:2632-2643.

17 Gao M，Jia X，Kuang G，et al.Thermo-and pH-Responsive Dendronized Copolymers of Styrene and Maleic Anhydride Pendant with Poly(amidoamine)Dendrons as Side Groups.Macromolecules，2009，42:4273-4281.

18 Huang XN，Du FS，Ju R，et al.Novel acid-labile，thermoresponsive poly(methacrylamide)s with pendent ortho ester moieties.Macromol.Rapid Commun，2007，28:597-603.

19 Huang XN，Du FS，Cheng J，et al.Acid-Sensitive Polymeric Micelles Based on Thermoresponsive Block Copolymers with Pendent Cyclic Orthoester Groups.Macromolecules，2009，42，783-790.

20 Klaikherd A，Nagamani C，Thayumanavan S.Multi-Stimuli Sensitive Amphiphilic Block Copolymer Assemblies.Journal of the American Chemical Society，2009，131:4830-4838.

21 Morimoto N，Winnik FM，Akiyoshi K.Botryoidal Assembly of Cholesteryl?Pullulan/Poly(N-isopropylacrylamide)Nanogels.Langmuir，2007，23:217-223.

22 Daly E，Saunders BR.A study of the effect of electrolyte on the swelling and stability of poly(N-isopropylacrylamide)microgel dispersions.Langmuir，2000，16:5546-5552.

23 Zhang YJ，Guan Y，Zhou SQ.Synthesis and Volume Phase Transitions of Glucose-Sensitive Microgels.Biomacromolecules，2006，7:3196-3201.

24 Murthy N，Thng YX，Schuck S，et al.A novel strategy for encapsulation and release of proteins:Hydrogels and microgels with acid-labile acetal cross-linkers.Journal of the American Chemical Society，2002，124:12398-12399.

25 Murthy N，Xu MC，Schuck S，et al.A macromolecular delivery vehicle for protein-based vaccines:Acid-degradable protein-loaded microgels.Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2003，100:4995-5000.

26 Chan Y，Bulmus V，Zareie MH，et al.Acid-cleavable polymeric coreshell particles for delivery of hydrophobic drugs.Journal of Controlled Release，2006，115:197-207.

27 Griset AP，Walpole J，Liu R，et al.Expansile Nanoparticles:Synthesis，Characterization，and in Vivo Efficacy of an Acid-Responsive Polymeric Drug Delivery System.Journal of the American Chemical Society，2009，131:2469-2471.

28 Ohh JK，Siegwart DJ，Lee HI，et al.Biodegradable nanogels prepared by atom transfer radical polymerization as potential drug delivery carriers:Synthesis，biodegradation，in vitro release，and bioconjugation.Journal of the American Chemical Society，2007，129:5939-5945.

29 Brugger B，Richtering W.Emulsions Stabilized by Stimuli-Sensitive Poly(N-isopropylacrylamide)-co-Methacrylic Acid Polymers:Microgels versus Low Molecular Weight Polymers.Langmuir，2008，24:7769-7777.

30 Morinloto N，Qiu XP，Winnik FM，et al.Dual stimuli-responsive nanogels by self-assembly of polysaccharides lightly grafted with thiol-terminated poly(N-isopropylacrylamide)chains.Macromolecules，2008，41:5985-5987.