纳米纤维素作为药物载体的研究进展

陈甜甜 何星桦 蒋天艳 刘鹏涛 刘 忠

（天津科技大学天津市制浆造纸重点实验室，天津，300457）

近年来，天然聚合物如海藻酸盐、壳聚糖、胶原蛋白、淀粉、纤维素等在生物医学方面中的应用受到了研究人员的广泛关注，发现其在生物医药领域可以实现包括药物输送、伤口敷料以及组织工程支架等多种功能[1]。其中，纤维素来源广泛（植物、细菌、体外合成等），是地球上最丰富的天然高分子材料[2]。经研究发现纳米纤维素具有生物相容性、生物降解性、可再生性、环境友好性和低毒性等优点[3-4]，可以进行多方面的化学改性以达到不同的作用目的。本文主要介绍纳米纤维素在药物缓释体系中作为纳米载体材料的应用与研究。

1 药物缓释系统

药物缓释系统（drug delivery system，DDS）就是将药物与合适的纳米载体材料通过不同的物理或化学方法相结合，使其能够延长药物在机体内的作用时间，控制药物分子的释放速度，提高药物分子在体内的化学稳定性，并可以将药物选择性的运输到作用部位，最终达到使药物发挥最大功效的目的[5]。药物载体材料是组成药物缓释体系的重要组成部分，其性能可直接影响药物的治疗效果和给药剂量。

采用非载体形式的药物给药后，药物的有效成分在血液中的浓度大幅度上升，但是在机体清除系统的作用下到达作用部位并发挥药效的成分相当少，大部分的有效药物随着泌尿系统和循环系统被排出体外，使得血液中的有效药物浓度降低[6-7]。这种给药方式具有以下明显的缺点：需要给患者多次用药，且产生药物对机体细胞的毒副作用；增加了肝肾系统清除药物副产物的负担；药物利用率低，导致其成本变高；药物的有效血药浓度维持时间过短，从而造成身体产生耐药性以及抗药性，不利于有效的治疗。为了改善以上缺点，寻找合适的载体材料是医药领域进步必不可少的一环。

药物缓释载体材料一般选用高分子纳米材料。主要从以下几个方面进行载体材料的选择：①是否可以有效控制药物的释放；②是否可以降低药物的毒副作用；③是否可以将药物输送到作用部位即实现靶向运输功能，有效提高药物对机体的治疗效果；④是否可以增加药物的稳定性，延长药物的有效作用时间；⑤是否可以有效地与药物进行结合，且本身无毒或低毒性以及物理化学性质稳定[5]。

2 纳米纤维素在药物缓释方面的应用

纳米纤维素是纳米结构纤维素基材料的总称，根据其结构、尺寸、来源不同可分为纤维素纳米晶体（cellulose nanocrystal,CNC）、纤维素纳米纤丝（cellulose nanofibril, CNF）、细菌纤维素（bacterial nanocellulose,BC）等。

CNC 和CNF 的主要原料来源是木材、棉花、大麻、亚麻、玉米叶[8]、麦秸、甜菜、马铃薯块茎和藻类等。CNC 通常由化学诱导如酸水解的方法进行制备，所得CNC 颗粒直径为3～10 nm，长度为100～500 nm（来自植物纤维素），或长度为100 nm 到几微米（来自被膜和藻类纤维素）[9]。CNF 的制备主要采用机械法或化学机械法（即原料经化学或酶预处理后，再进行高压均质或研磨）。多重机械剪切作用能有效地将纤维素中的单个微纤维分层。与刚性CNC不同，CNF是由交替结晶和非晶态纤维素结构域构成的单个和聚集的纳米纤维，具有软链和长链的形态特征[10]。BC 通常由细菌（如木醋杆菌）合成。在BC 的生物合成过程中，葡萄糖链在细菌体内产生，并通过细胞膜上的小孔向外挤压。随着葡萄糖链的结合，微纤维形成并进一步聚集成带状形成BC[11-12]。

由于纤维素在化学改性、物理性质和其他多种应用方面的灵活性，人们对其进行了越来越多的研究。通过对最近几年的研究分析，本文总结和讨论了CNC、CNF、BC 3种纳米纤维素以及其他几种纤维素衍生物在生物医学领域的研究进展。

2.1 纤维素纳米晶体（CNC）

CNC 具有优良的生物相容性和低毒性，在医药工业中常作为药物辅料，但是在新型载药系统如作为药物载体的应用研究还比较少。通过酸水解制备的CNC 带有很高的负电荷，为了改善其性能，张燕洁等人[13]采用乙二胺四乙酸二酐（EDTAD）酯化法制备多羧基化纤维素纳米晶体（ECNC）。该方法不仅可以改善CNC 的分散性，还可以使CNC 表面的羧基含量及羟基取代度可控，此外EDTAD 含有丰富的羧酸官能团，可以延长顺铂在血液中的循环时间而不影响其疗效，大大拓宽了CNC的应用领域。

Poonguzhali 等人[14]采用溶液浇铸法制备了负载氨苄西林的海藻酸钠和CNC 的复合膜（ALG-CNC）。将海藻酸钠溶解于去离子水中，再加入0.5%的CNC 和1%氨苄西林，将混合物充分搅拌后去除气泡，然后在室温下将混合溶液浇铸在涂层板上使其成膜后测定其性能和药物释放速率，并与不含CNC 的样品进行了对比。研究结果表明，含CNC 的海藻酸钠膜对氨苄西林的释放时间高于不含CNC 的膜，可持续释放药物500 min 以上，且在碱性介质中具有较好的溶胀性能。Lin等人[15]研制了pH敏感的CNC/海藻酸钠微球控释系统，结果表明含有CNC 的海藻酸盐微球表现出更好的溶胀性能、更高的包封率和良好的药物缓释曲线。Yern等人[16]将姜黄素负载到硫酸水解法合成的CNC 中，紫外可见光谱显示姜黄素在体外释放后仍保持其化学活性，而且姜黄素在酸性介质中的稳定性明显增强。该结果使CNC 为姜黄素向胃和上肠道的传递提供了有力的研究背景。

通过以上几组研究可以看出，含有CNC 的复合材料表现出更好的溶胀性能和更高的包封率，且在不影响药物化学稳定性的前提下明显延长了药物的释放时间，这为CNC 在药物缓释方面的研究与应用奠定了基础。

2.2 纤维素纳米纤丝（CNF）

CNF 是一种细长的葡萄糖基纳米颗粒，宽度在3～10 nm 之间，其长径比（大于50）取决于原料来源和实验制备条件[17]。研究表明，CNF 表面含有大量羟基，可以与靶向和治疗药物结合，有助于延迟单核吞噬细胞系统的清除[18-21]，而且几乎不存在非特异性细胞摄取[22]，是一种非常有前途的药物载体材料。

Arash 等人[23]利用壳聚糖-CNF 复合材料作为药物载体制备了pH 响应性载药体系用以治疗滴虫病。以Fe3O4纳米粒子为模板，将壳聚糖聚合物包埋在其表面制备壳聚糖纳米胶囊。这些纳米胶囊被单宁酸作为纳米芯片安装在CNF 上，以将药物传递到目标部位。结果表明，最终制备的壳聚糖-CNF 载药体系具有良好的生物相容性和较高的回收率，其载药量和包封率分别为24.4%和64.56%，可以实现药物的缓释，提高药物的释放效率、减少毒副作用。Hye-Jin 等人[24]对CNF 进行了羧甲基化，以羧甲基化纤维素纳米纤丝（CMCNF）为载体制备了环丙沙星-蒙脱石（CIPMMT）复合抗生素药物缓释体系。蒙脱石是一种硅铝酸盐，其主要成分为八面体蒙脱石微粒，中间为铝氧八面体，上下为硅氧四面体所组成的三层片状结构的黏土矿物，将药物分子插在众多的二氧化硅-氧化铝层之间。尽管蒙脱石可以延迟药物的可持续释放，但延迟时间最多仅为6～24 h。研究人员在CIP-MMT体系中分别加入含量为1.5%、2%、3%的CMCNF 制备了CMCNF-CIP-MMT 复合药物体系。经体外释放实验表明，CIP-MMT 体系具有6 h 以上的CIP 持续缓释作用，在此体系中加入CMCNF后可延缓基体的溶解，且随着CMCNF的增加药物的缓释过程也增加，3%含量的CMCNF-CIP-MMT 可持续释药48 h 以上；抗菌实验表明，3% CMCNF-CIP-MMT 复合材料在12 天内表现出稳定的抗菌活性。Kolakovic等人[25]研究了CNF膜在长期持续药物递送中的应用。药物释放研究表明，模型药物的药物释放时间可持续达3个月。

以上结果证明了CNF 除了具有良好的生物相容性、使抗菌类药物保持其抗菌稳定性外，还可以明显延长药物的释放时间。根据其特性可以将其考虑应用于（如糖尿病、高血压患者等）需长期服药人群所需药物类或皮下植入长效避孕药物等的研究。

2.3 细菌纤维素（BC）

BC 是由一定种类的细菌合成的β-D 葡萄糖苷酶的胞外多糖。1886 年，Brown 首次证实细菌能够产生纳米纤维素[26]。已知的纤毛杆菌、八叠球菌、醋酸杆菌、农杆菌、大肠杆菌、固氮菌、根瘤菌、肠杆菌、沙门氏菌等都能产生纤维素。然而，最常见的BC 产生菌是革兰氏阴性菌，也被称为木醋杆菌[27]。尽管含有99%的水，BC 仍具有优异的机械性能[28]。它的保水能力和纳米结构形态，类似于细胞外基质蛋白，使得BC与细胞固定和黏附高度相容。

不同的研究已经证明，BC 可以作为药物传递的潜在候选载体材料。Sebastian 等人[29]以BC 为药物载体，研究了辛烯啶活性创面敷料的药物装载与释放、力学特性、生物相容性和抗菌效果（BC 本身并不具有抗菌性能）。结果表明，辛烯啶的释放是基于扩散和溶胀的，在最初的8 h 内快速释放，随后在96 h 内缓慢释放；在BC 中加入辛烯啶后，压缩强度和拉伸强度保持不变；在生物学实验中，载药BC 在人角质细胞中表现出高度的生物相容性和对金黄色葡萄球菌的抗菌活性；在长期贮存实验中，发现载于BC 中的辛烯啶在6个月的时间内依旧能够保持稳定、可释放和生物活性。可以发现，含辛烯啶的BC 是一种理想的伤口敷料，可在不丧失抗菌活性的情况下保存6个月以上。Trovatti 等人[30]用BC 膜作为药物载体制备利多卡因和布洛芬局部药物释放系统，使用磷酸缓冲盐（pH值=7.4）在32℃下研究体外药物释放曲线，发现在最初20 min 内药物释放总量的90%以上。在另一项研究中，Shao 等人[31]将盐酸四环素装入BC 中形成复合膜，可用于伤口敷料应用中的药物控制释放。Huang等人[32]研究了BC膜对盐酸小檗碱和硫酸小檗碱释放的影响，并与市售片剂进行了比较，结果表明，BC 是一种有望显著延长模型药物释放时间的药物载体。

以上研究结果表明，BC 保持药物稳定性和活性的时间比CNC 和CNF 更长久，且表现出比其他类型的纳米纤维素更高的生物相容性，这可能是因为其特殊的生物合成过程。根据它的这种优异特性可以将其应用在长时间的药物储存、伤口辅料和3D 打印生物体缺失部位的修复等方面。

2.4 纤维素衍生物

纤维素是最有效的可再生生物聚合物，其分子中丰富的官能团为纤维素及其衍生物的改性提供了多种可能，进一步扩大了纤维素在药物载体方面的应用范围。纤维素衍生物有很多种，常见的主要有醋酸纤维素（CA）、甲基纤维素（MC）、乙基纤维素（EC）、羟乙基纤维素（HEC）、羟丙基纤维素（HPC）、羧甲基纤维素钠（CMC）等[33]。纤维素衍生物通常含有大量带电荷的表面基团（阴离子或阳离子），早期的研究表明，使用这些材料可以与带相反电荷的聚电解质或纳米粒子形成自组装纳米胶束结构。

自主装技术通过带正、负电荷的高分子在基片上交替吸附制备成膜或纳米微粒，可以利用连续沉积不同组分制备成有序的二维或者三维结构，具有组装过程和分子大小可控的优点，简便易行，因此，近年来受到广泛的关注。纤维素材料的自组装依赖于悬浮液的胶体稳定性，负载电荷量少的纤维素无法促进自组装过程。除了纤维素材料本身的物理化学特性外，蒸发、电磁场、温度、压力、真空等物理条件的刺激也会对纤维素材料自组装形成的手性向列相结构产生影响，导致结构重排[34]。

2013年，Bielska等人[35]合成了羟丙基纤维素的阳离子和阴离子衍生物，研究发现，这些衍生物可以通过自组装技术形成纳米颗粒系统。这些纳米微球具有良好的包封率和载药量，可作为姜黄素的载体且姜黄素的释放在生理相关的温度范围内与温度有关。Gao等人[36]以CNF 为模板负载吲哚美辛（IMC）并通过自组装技术制备了层次有序的CNF/IMC 复合结构。该复合结构对药物的包封率高达97%，且体外实验表明，逐层自组装分层复合结构可以延长IMC的释放周期，药物缓释时间可达30 天以上。He 等人[37]通过低密度脂蛋白（LDL）和羧甲基纤维素钠（CMC）自组装获得的纳米凝胶可将阿霉素（DOX）输送至癌细胞。同时，体外研究表明，LDL/CMC 纳米凝胶释放DOX 具有pH 依赖性。且载DOX 的LDL/CMC 纳米凝胶降低了HepG2 细胞的内吞作用。因此，这种优良的LDL/CMC 纳米凝胶为构建肿瘤药物传递系统（DDS）提供了一个良好的平台。Pourmoazzen 等人[38]通过化学改性成功将胆固醇（Cholesterol）接枝到CNC 表面，改性后的产物CNC-Chol 表现出较高的疏水性，将其通过自组装技术形成负载疏水性药物叶酸（FA）的球状纳米颗粒并研究其载药量和释放行为。研究发现，FA 在CNC-Chol 中的物理包封主要归因于疏水材料的相互作用，其负载效率约为58%，而未修饰的CNC 仅有5%的负载量。其释放行为具有pH 响应性，FA的释放在碱性条件下比中性条件下更快。

通过以上研究可以发现纤维素基自组装材料具有良好的生物相容性、生物可降解性以及低毒性，且反应灵敏的自组装纤维素材料可以将药物的释放控制在一定范围内。基于纤维素的纳米胶束及其在药物传递方面的应用研究目前涉及还比较少，以上研究通过自组装技术制备的纳米胶束为纤维素及其衍生物在医药领域的研究开辟了新途径，满足了发展绿色纤维素基功能材料、实现生物质资源高值化应用的重要需求。

3 纤维素纳米材料的毒性研究

研究人员普遍关注的是纤维素纳米材料的毒性。经过近几年的研究发现经皮肤和口服的纳米纤维素均未显示毒性。然而，纳米纤维素肺部给药的研究结果显示，纳米纤维素可对人肺细胞产生轻微的剂量依赖性细胞毒性和炎症效应，但未观察到气雾化CNC 对动物的不良影响。而且由于纤维素不易被活体完全降解，不可避免地会对人体造成一些不相容性[39]。影响纳米纤维素毒性的因素可能有尺寸、形态、结晶度、表面化学和胶体稳定性[40]，纳米纤维素的毒性强弱依赖于其物理化学性质，特别是表面化学，包括粒子电荷和聚集程度，这决定了纳米颗粒的形状和尺寸。这些性质反过来又取决于纤维素来源、制备过程、后处理或样品制备方法。还有一个可能影响毒性研究结果的因素是样品污染物，如内毒素或有毒化学杂质[40]。为了得到更完整的结论，仍需要进一步研究纳米纤维素的体外和体内细胞相互作用、生物分布和生态毒性。

4 总结与展望

近年来，从木质纤维素生物质及各类菌种中分离出的纤维素纳米材料在制备、改性和应用方面取得了重大进展。纳米纤维素由于其独特的纳米结构、优异的力学性能、高活性表面以及生物降解性和生物相容性，已被证明是一种很有前途的药物载体材料，可用于生物医学领域。尽管一些实验结果表明，没有证据表明纳米纤维素在细胞和遗传水平上会造成严重损害，但对于纳米纤维素的体内毒性和生物相容性的毒理学评估和长期评估是实际临床应用的关键问题。纳米纤维素材料的种种特性显示了其在医学领域应用的光明前景，但其在的生物体中的细胞毒性还需要进一步的研究，其作为药物载体的应用研究也不可忽视。