賈娟英，卞 清，孫 魄，申克靜

(安徽工業(yè)大學(xué) 工程研究院現(xiàn)代分析測試中心，安徽 馬鞍山 243032)

0 引 言

在生物醫(yī)學(xué)范疇內(nèi)，針對人體循環(huán)系統(tǒng)復(fù)雜化、病灶部位多樣化、多種藥物協(xié)同釋放特異化等特點(diǎn)，針對不同患者、不同疾病、不同藥物，往往需要特定的給藥系統(tǒng)用于高效的藥物釋放和針對性的疾病治療[1-2]。因此，如何運(yùn)用藥物載體將藥物準(zhǔn)確輸送到病灶部位，并定時定量釋放藥物，成為生物醫(yī)學(xué)研究的一項重要課題[3-4]。兩親性嵌段共聚物自組裝膠束是目前研究最多的藥物載體之一[5]。然而膠束給藥系統(tǒng)在血液循環(huán)中的穩(wěn)定性仍然面臨巨大的挑戰(zhàn)，因為載藥膠束必須表現(xiàn)出足夠的穩(wěn)定性，才能在極端稀釋、鹽、pH等急劇變化、及與血液中的生物分子的相互作用下存留下來，這對于減少靶外相關(guān)副作用和促進(jìn)體內(nèi)長效循環(huán)至關(guān)重要[6]。

影響聚合物膠束穩(wěn)定性的因素有很多，如聚合物的組成，封裝藥物的特性、環(huán)境因素等，聚合物的組成作為其固有性質(zhì)通常起決定性的作用[7-8]。除了聚合物組成外，聚合物的高級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如環(huán)形、星型、超支化等結(jié)構(gòu)對納米材料的自組裝行為和性能有著重要影響[9]。隨著環(huán)狀聚合物材料的不斷發(fā)展，不斷有研究表明環(huán)狀聚合物自組裝體的穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于同類線性聚合物自組裝體，這為環(huán)狀聚合物在提高藥物載體穩(wěn)定性領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可能，環(huán)狀聚合物或?qū)⒊蔀榇鎮(zhèn)鹘y(tǒng)兩親性膠束藥物載體的新材料。

環(huán)狀聚合物是一類特殊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)聚合物。與相同分子量的線性聚合物相比，環(huán)狀聚合物由于缺少聚合物鏈末端而具有許多特殊的物理化學(xué)性質(zhì)，無論是在其本征結(jié)構(gòu)下還是在其溶液狀態(tài)下，均可表現(xiàn)出不同于線型聚合物的特殊物理化學(xué)性能，如較快的結(jié)晶速率，較小的旋轉(zhuǎn)半徑，較高的折光系數(shù)，較高的臨界溶解溫度和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，及較低的本征粘度和水力學(xué)體積等[10-12]。

環(huán)狀聚合物從分類上可以分為單環(huán)聚合物和多環(huán)拓?fù)渚酆衔?。合成單環(huán)聚合物的方法主要有兩種：擴(kuò)環(huán)法[13]和閉環(huán)法[14]。擴(kuò)環(huán)法是利用向活性環(huán)中插入小型環(huán)狀單體，使得分子量不斷增加而得到環(huán)狀聚合物；閉環(huán)法是通過線型聚合物末端官能團(tuán)反應(yīng)成環(huán)制備環(huán)狀聚合物。環(huán)狀聚合物優(yōu)于線型聚合物的特殊性質(zhì)激發(fā)了科學(xué)家對更復(fù)雜環(huán)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究興趣，通過結(jié)合可控活性聚合與點(diǎn)擊化學(xué)技術(shù)，各種具備精致完美結(jié)構(gòu)的環(huán)狀聚合物被制備出來，如蝌蚪形，水母形，太陽形，8字形等[15-16]。環(huán)狀聚合物獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于化學(xué)方法學(xué)、生物學(xué)、超分子自組裝等領(lǐng)域。近年來環(huán)聚合物的合成已經(jīng)取得了重大研究進(jìn)展，但對其生物特性和潛在的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的探索卻相對滯后，目前環(huán)狀聚合物的生物特性和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用主要集中在生物降解[17]、熒光[18]、超分子自組裝[19]、藥物載體[20]、基因向量[21]等領(lǐng)域(圖1)。本文綜述了近年來環(huán)形聚合物及其衍生物在藥物載體方面的研究進(jìn)展，并對這一快速發(fā)展領(lǐng)域的未來發(fā)展進(jìn)行展望。

1 環(huán)狀拓?fù)渚酆衔锏暮铣?/h2>

1.1 單環(huán)聚合物的合成

在環(huán)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)聚合物中，單環(huán)聚合物是研究最多也是最簡單的一類聚合物。單環(huán)聚合物合成方法分為兩種[22-24]：一種是官能化線性前驅(qū)體通過偶聯(lián)反應(yīng)生成環(huán)狀物，稱為閉環(huán)法；另一種是通過單體插入活化的環(huán)狀鏈生成產(chǎn)物，稱為擴(kuò)環(huán)法。

閉環(huán)反應(yīng)通常是在極低濃度下，通過使用催化劑在一定時間內(nèi)促進(jìn)單分子偶聯(lián)反應(yīng)形成環(huán)狀產(chǎn)物。閉環(huán)法根據(jù)分子形態(tài)的不同又可細(xì)分為分子間閉環(huán)反應(yīng)與分子內(nèi)閉環(huán)反應(yīng)。分子間閉環(huán)主要是由含有相同末端基的分子鏈段與不同分子鏈段間的偶聯(lián)關(guān)環(huán)反應(yīng)，為了規(guī)避多分子間的副反應(yīng)，閉環(huán)反應(yīng)中反應(yīng)物精確的化學(xué)計量對獲得高純度產(chǎn)物至關(guān)重要，因此?？刂品磻?yīng)在極稀濃度、等摩爾官能團(tuán)條件下進(jìn)行[25-26]。江明等[27]利用蒽與葫蘆脲之間的主客體相互作用，合成了兩端為蒽的線性聚乙二醇共聚物，該共聚物與葫蘆脲在極稀的條件下可進(jìn)行超分子自組裝。由于親疏水作用，聚乙二醇末端的蒽進(jìn)入葫蘆脲的空腔之中，形成環(huán)狀超分子聚合物前驅(qū)體，在紫外光的照射下(365 nm)，蒽形成二聚體，得到穩(wěn)定的超分子環(huán)狀聚合物。

圖1 環(huán)狀聚合物的生物性能和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用分類示意圖[17-21]

Grubbs等[29]首次報道了使用釕基易位聚合催化劑催化1,5-環(huán)辛二烯單體聚合合成環(huán)狀聚丁二烯高聚物，這一工作成為最早合成超高分子量環(huán)狀聚合物的重要方法。此外Grubbs課題組還合成了一種環(huán)狀釕基復(fù)合催化劑，用于制備基于順環(huán)辛烯單體的環(huán)狀聚合物[30]和超高分子量的環(huán)刷形聚合物[28]，研究證明，催化劑活性越高，單體在短時間內(nèi)的轉(zhuǎn)化率也就越高，因此，使用高活性催化劑通過環(huán)擴(kuò)張易位聚合法可成功制備高分子量環(huán)狀聚烯烴[31-33]。但是擴(kuò)環(huán)聚合獲得的聚合物成分較為復(fù)雜，因此提純分離工作繁瑣，且分子量分布較寬，不易獲得單分散環(huán)狀聚合物，另外小分子環(huán)狀引發(fā)劑一般需要在前期多步合成，且環(huán)狀小分子引發(fā)劑種類較少，因此限制了擴(kuò)環(huán)聚合法的應(yīng)用。

圖2 蒽與葫蘆脲形成超分子環(huán)狀聚合物示意圖[27]

1.2 多環(huán)聚合物的合成

除單環(huán)聚合物外，人們對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的多環(huán)拓?fù)渚酆衔?如蝌蚪形、數(shù)字8形、θ形、環(huán)狀梳形聚合物等)的研究越來越感興趣。這些多環(huán)拓?fù)渚酆衔锒嗤ㄟ^原子轉(zhuǎn)移自由基聚合(ATRP)、開環(huán)聚合(ROP)和點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)制得[34-36]。

Liu[37]等通過疊氮化反應(yīng)和ATRP反應(yīng)制備具有8個末端疊氮的八臂星型線性聚苯乙烯，在點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)條件下，將雙官能偶聯(lián)劑—炔丙基醚加入到星形—線形聚合物的極稀溶液中，制備含有多面體低聚倍半硅氧烷(POSS)核的四葉草星型-環(huán)狀聚苯乙烯聚合物，如圖3所示。

環(huán)刷形聚合物是一類新型環(huán)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)聚合物，zhu xiulin[38]等通過ATRP、點(diǎn)擊化學(xué)和Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)相結(jié)合，合成聚(苯乙烯(4-甲氧基苯基))環(huán)刷形聚合物，該方法為研究環(huán)刷形聚合物及其他復(fù)雜環(huán)狀拓?fù)渚酆衔锾峁┝诵碌暮铣伤悸贰?/p>

2 環(huán)狀拓?fù)渚酆衔镌谒幬镙d體領(lǐng)域應(yīng)用

水溶性聚合物的長效循環(huán)時間是藥物成功遞送到腫瘤細(xì)胞的關(guān)鍵。聚合物在體內(nèi)的循環(huán)時間取決于聚合物分子量和聚合物結(jié)構(gòu)。線性聚合物通過聚合物鏈的端到端運(yùn)動穿過納米孔，由于線性聚合物只需要一個聚合物端基進(jìn)入納米孔就可以轉(zhuǎn)運(yùn)，所以線性聚合物比星形聚合物更容易穿過納米孔；環(huán)型聚合物由于缺少鏈端，所以需要兩個鏈段同時進(jìn)入納米孔中才能轉(zhuǎn)運(yùn)。因此，環(huán)狀聚合物在體內(nèi)的分子行為將有別于相同分子量的線性聚合物。Szoka[39]運(yùn)用ATRP和點(diǎn)擊化學(xué)合成了四對具有相同分子量且分子量分布較窄的環(huán)狀和線性聚丙烯酸接枝聚乙二醇聚合物(PAA-PEG)，環(huán)狀聚合物形成的載藥膠束在與線性類似物相比，具有更長的體內(nèi)循環(huán)時間和更高的腫瘤部位堆積。該研究證明了相同分子量時環(huán)狀聚合物拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)顯著增加了循環(huán)時間和腫瘤吸收，因此，環(huán)狀聚合物有望成為代替?zhèn)鹘y(tǒng)兩親性藥物載體的替代結(jié)構(gòu)[20,39]。

圖3 八臂星型線性聚苯乙烯的合成示意圖[37]

圖4 環(huán)刷形拓?fù)渚酆衔锖铣墒疽鈭D[38]

與線性聚合物相似，環(huán)狀聚合物的分子量(Mw)和分子量分布(MWD)對其潛在的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用也有重要影響，如細(xì)胞毒性、裝載藥物的運(yùn)載效率、腫瘤穿透能力等。Liu[40]等人通過氯單體的開環(huán)聚合直接引發(fā)具有單羥基功能的環(huán)狀聚異丙基丙烯酰胺(PNIPAM)前驅(qū)體，合成了一種由線性聚己內(nèi)酯(PCL)疏水鏈和溫敏性PNIPAM大分子環(huán)構(gòu)成的兩親性溫敏線性和“蝌蚪狀”環(huán)狀二元嵌段共聚物。與線性二元嵌段共聚物((l-PNIPAM)-b-PCL)相比，溫敏性環(huán)狀二元嵌段共聚物((c-PNIPAM)-b-PCL)自組裝膠束具備更低的低臨界相轉(zhuǎn)變溫度。具有相似分子量和分子量分布的(c-PNIPAM)-b-PCL(Mn=1.24 kDa，PDI=1.10)比(l-PNIPAM)-b-PCL(Mn=1.28 kDa，PDI=1.12)具有更高的藥物負(fù)載量且藥物釋放得更快。體外細(xì)胞毒性實(shí)驗表明(c-PNIPAM)-b-PCL聚合物濃度高達(dá)1.0 g/L時對細(xì)胞仍沒有毒性，而聚合物膠束在相同濃度下會造成60%的細(xì)胞死亡。

圖5 環(huán)二嵌段共聚物(c-PNIPAAm)-b-PCL的合成及其自組裝體的藥物裝載與釋放示意圖[40]

Pun[41]課題組最近報道了葵花形聚合物的設(shè)計和合成。首先，他們將環(huán)狀大分子引發(fā)劑作為內(nèi)核，然后通過原子轉(zhuǎn)移自由基聚合方法(ATRP)聚合親水性“花瓣”。通過控制聚合反應(yīng)時間，制備低分子量分布(PDI為1.2～1.3)和粒子尺寸可控的納米聚集體結(jié)構(gòu)，如圖6所示。在此基礎(chǔ)上，將常用的癌癥靶向配體—葉酸，鍵合至花瓣末端，并將一種藥物模型—熒光素鍵合在環(huán)狀內(nèi)核上，以此證明太陽花形聚合物的可功能化。研究發(fā)現(xiàn)，葉酸-葵花形聚合物-熒光素(FA-SF-熒光素)在兩種細(xì)胞系(FR+KB、FR-A549)中的攝取量均與其劑量有關(guān)，并且在FR+KB細(xì)胞系中的攝取量較高，這說明在FR+KB細(xì)胞系中由葉酸受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用是葉酸靶向花形聚合物的主要攝取機(jī)制。有趣的是，在梳形聚合物(FA-梳形聚合物-熒光素)存在的條件下，其與自由葉酸競爭，即使在聚合物濃度很低的條件下，梳形聚合物在KB細(xì)胞系中的攝取也只產(chǎn)生小幅下降，這可能說明該類聚合物比花形聚合物的非特異性攝取水平更高。

圖6 鍵合了靶向配體和藥物的葵花形聚合物分子結(jié)構(gòu)及其示意圖[41]

涂曉燕等[42]通過ATRP和點(diǎn)擊化學(xué)制備了由疏水的環(huán)狀聚2-羥乙基甲基丙烯酸酯(PHEMA)和溫敏性聚合物聚異丙基丙烯酰胺P(NIPAAm)組成的環(huán)狀刷形聚合物—聚(2-羥乙基甲基丙烯酸酯-g-聚(N-異丙基丙烯酰胺-st-N-羥乙基丙烯酰胺))(cb-P(HEMA-g-P(NIPAAm-st-HEAAm)))，還同時還制備了作為對照的組成相同的瓶刷形聚合物(bb-P(HEMA-g-P(NIPAAm-st-HEAAm)))。通過優(yōu)化兩種單體的比例，可將共聚物的LCST值調(diào)節(jié)至稍高于37 ℃同時低于40 ℃，實(shí)現(xiàn)了腫瘤熱引發(fā)的聚合物載體去穩(wěn)定化，達(dá)到定位藥物釋放的目的。考察了環(huán)狀刷形聚合物和瓶刷形聚合物的穩(wěn)定性、相轉(zhuǎn)變行為、體外釋藥和細(xì)胞毒性等性能。與瓶刷形共聚物相比，環(huán)狀刷形共聚物形成的單分子納米粒子具有更好的穩(wěn)定性；體外釋藥結(jié)果表明，40 ℃時藥物快速從環(huán)狀刷形聚合物自組裝納米粒子中釋放出來，說明由高熱引發(fā)的結(jié)構(gòu)去穩(wěn)定化和聚合物聚集明顯地促進(jìn)了藥物釋放。體外細(xì)胞毒性實(shí)驗表明，載藥環(huán)狀刷形聚合物對HeLa細(xì)胞表現(xiàn)出比瓶刷形聚合物更高的體外細(xì)胞毒性。

為了提高環(huán)形聚合物刷的藥物負(fù)載能力，涂曉燕等[43]通過在環(huán)狀大分子引發(fā)劑聚PHEMA內(nèi)核上接枝生物相容性較好的疏水聚己內(nèi)酯(PCL)殼層和親水聚寡聚(乙二醇甲基丙烯酸酯)(POEGMA)冠層，制備了一種新型核-殼-冠(CSC)結(jié)構(gòu)的兩親性環(huán)狀刷形共聚物P(HEMA-g-PCL-POEGMA)。主要考察了親水鏈段POEGMA為不同鏈長時，聚合物自組裝膠束的穩(wěn)定性和粒徑變化情況，P(HEMA-g-PCL-POEGMA)載藥后，載藥率提高至4.60%，說明制備的兩親性環(huán)狀刷形共聚物具有提高抗癌藥物負(fù)載的能力。

圖7 溫度敏感型環(huán)狀刷形共聚物的合成及其自組裝載藥膠束的相轉(zhuǎn)變示意圖[42]

對于單分子膠束而言，環(huán)刷形聚合物比瓶刷形聚合物展示出了更為優(yōu)越的分子穩(wěn)定性，因此對于藥物釋放系統(tǒng)來說，環(huán)刷形聚合物展現(xiàn)出了更好的應(yīng)用潛力[43-44]。受到環(huán)刷形聚合物結(jié)構(gòu)可提高單分子膠束穩(wěn)定性這一現(xiàn)象的啟發(fā)，兩親性兩嵌段共聚物的分子內(nèi)環(huán)化成為制備兩面型聚合物一種全新的策略?；诖?，Liu[20]等通過ATRP、鏈內(nèi)點(diǎn)擊環(huán)化技術(shù)(intra-chain click cyclization)、及開環(huán)聚合技術(shù)(ROP)相結(jié)合的方法將疏水的寡聚已內(nèi)酯單元(HEMA-g-OCL)與親水的寡聚乙二醇單元(OEGMA)均接枝在了環(huán)狀內(nèi)核上，成功地構(gòu)建了一個兩面型的聚合物分子—Cyclic P(OEGMA)-b-P(HEMA-g-OCL)，并對其自組裝行為及載藥性能進(jìn)行研究。該聚合物能自組裝成環(huán)狀膠束，有趣的是，合成的兩面環(huán)刷形兩親性嵌段共聚物的體外細(xì)胞毒性比瓶刷形類似物更強(qiáng)，這說明這樣一個兩面環(huán)刷形兩親性嵌段共聚物是一種新型的藥物控釋平臺，為構(gòu)建兩面型納米粒子提供了一個新的思路。

圖8 環(huán)刷形兩親性二嵌段共聚物自組裝過程[20]

受環(huán)狀拓?fù)湮蛔璧膯l(fā)，Wang Yunfei[45]等設(shè)計了一種具有環(huán)狀親水分子和線性疏水段的兩親性嵌段共聚物，并研究了環(huán)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對自組裝膠束穩(wěn)定性的影響。由于其良好的可聚合性，聚甲基丙烯酸寡聚乙二醇酯(POEGMA)被選為親水性鏈段，聚己內(nèi)酯被選為疏水鏈段；然后合成蝌蚪狀的兩親性嵌段共聚物環(huán)狀聚甲基丙烯酸寡聚乙二醇酯嵌段聚己內(nèi)酯 (c-POEGMA)-b-PCL(C)和線性聚甲基丙烯酸寡聚乙二醇酯嵌段聚己內(nèi)酯(l-POEGMA)-b-PCL(L)聚合物，并進(jìn)一步比較了自組裝膠束在臨界膠束濃度下的穩(wěn)定性，膠束大小，體外載藥量和藥物釋放特性，以及體外細(xì)胞毒性等。結(jié)果表明自組裝的環(huán)狀膠束比線型類似物具有更好的穩(wěn)定性，CMC膠束尺寸較小，體外釋藥速度較慢，對HeLa和A549細(xì)胞的體外細(xì)胞毒性較低。因此，這項工作表明，由于拓?fù)湓鰪?qiáng)的空間位阻和包裝行為，環(huán)狀親水分子可以為自組裝的膠束提供額外的穩(wěn)定性，這為制造聚合物膠束提供了一種替代方法，以增強(qiáng)藥物遞送應(yīng)用的穩(wěn)定性。

圖9 (a)兩親性嵌段共聚物(l-POEGMA)-b-PCL和(c-POEGMA)-b-PCL的分子結(jié)構(gòu)及自組裝過程;(b)膠束的臨界膠束濃度；(c)兩種膠束的體外藥物釋放情況[45]。

圖10 “蝌蚪形”環(huán)狀、線形嵌段共聚物結(jié)構(gòu)、自組裝性能和降解性能示意圖[17]。

聚合物拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對其性能有著重要的影響，拓?fù)浼捌溲苌Y(jié)構(gòu)被證明在藥物傳遞應(yīng)用方面優(yōu)于傳統(tǒng)的線性類似物。然而，對疏水環(huán)組成的兩親性蝌蚪狀共聚物的研究并不多見。Guiying Kang[17]等利用ROP技術(shù)與點(diǎn)擊化學(xué)技術(shù)合成了蝌蚪狀的兩親性嵌段共聚物—聚(環(huán)氧乙烷)-接枝-環(huán)(聚ε-己內(nèi)酯)(mPEG-b-cPCL)，并制備了一種高穩(wěn)定性、慢降解速率、高藥物裝載能力的膠束粒子。本研究揭示了疏水分子對自組裝膠束性能的拓?fù)湫?yīng)，并開發(fā)了一種通過引入環(huán)狀疏水分子鏈段來增強(qiáng)膠束穩(wěn)定性的補(bǔ)充選擇。

3 結(jié) 語

近年來，在高分子成環(huán)反應(yīng)方面出現(xiàn)了許多新的方法，還有很多有值得一試的新的思路，這些都極大的拓寬了合成環(huán)狀大分子的道路。但是，從總體上講，由于大分子成環(huán)在熱力學(xué)和動力學(xué)上均較難進(jìn)行，大多數(shù)此類合成還是在極低的濃度下進(jìn)行的。這極大的限制了環(huán)狀聚合物在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展，因此，環(huán)狀聚合物的合成仍有很大的發(fā)展空間，值得人們?nèi)ダ^續(xù)探索。雖然目前一系列的環(huán)狀聚合物被不斷合成出來，但它們的結(jié)構(gòu)-性能-功能之間的關(guān)系及其潛在的應(yīng)用前景還有待進(jìn)一步研究。目前，本文綜述的一些研究已經(jīng)初步展示出環(huán)狀聚合物在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有獨(dú)特的性能和潛在的醫(yī)學(xué)應(yīng)用，但一些復(fù)雜的機(jī)理和藥物釋放機(jī)制還不甚明確，因此，我們有理由相信，刺激響應(yīng)性環(huán)狀聚合物的制備將是一個活躍的研究領(lǐng)域，它將在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域創(chuàng)造出性能更為優(yōu)越的新型材料。