第29章 高分子纳米生物材料

高分子纳米生物材料从亚微观结构上来看，有高分子纳米微粒、纳米微囊、纳米胶束、纳米纤维、纳米孔结构生物材料等等。下面主要就高分子纳米微粒及其应用做一简单介绍。

高分子纳米微粒或称高分子纳米微球，粒径尺度在1～1000nm范围，可通过微乳液聚合等多种方法得到。这种微粒具有很大的比表面积，出现了一些普通材料所不具有的新性质和新功能。

目前，纳米高分子材料的应用已涉及免疫分析、药物控制释放载体及介人性诊疗等许多方面。免疫分析现在已作为一种常规的分析方法在对蛋白质、抗原、抗体乃至整个细胞的定量分析发挥着巨大的作用。免疫分析根据其标识物的不同可以分为荧光免疫分析、放射性免疫分析和酶联分析等。在特定的载体上以共价键结合的方式固定对应于分析对象的免疫亲和分子标识物，并将含有分析对象的溶液与载体温育，然后通过显微技术检测自由载体量，就可以精确地对分析对象进行定量分析。在免疫分析中，载体材料的选择十分关键。高分子纳米微粒，尤其是某些具有亲水性表面的粒子，对非特异性蛋白的吸附量很小，因此已被广泛地作为新型的标记物载体来使用。

在药物控制释放方面，高分子纳米微粒具有重要的应用价值。许多研究结果已经证实，某些药物只有在特定部位才能发挥其药效，同时它又易被消化液中的某些生物大分子所分解。因此，口服这类药物的药效并不理想。于是人们用某些生物可降解的高分子材料对药物进行保护并控制药物的释放速度，这些高分子材料通常以微球或微囊的形式存在。药物经载过运送后，药效损伤很小，而且药物还可以有效控制释放，延长了药物的作用时间。作为药物载体的高分子材料主要有聚乳酸、乳酸-乙醇酸共聚物、聚丙烯酸酯类等。纳米高分子材料制成的药物载体与各类药物，无沦是亲水性的、疏水性的药或者是生物大分子制剂，均能够负载或包覆多种药物，同时可以有效地控制药物的释放速度。

例如中南大学开展了让药物瞄准病变部位的“纳米导弹”的磁纳米微粒治疗肝癌研究，研究内容包括磁性阿霉素白蛋白纳米粒在正常肝的磁靶向性、在大鼠体内的分布及对大鼠移植性肝癌的治疗效果等。结果表明，磁性阿霉素白蛋白纳米粒具有高效磁靶向性，在大鼠移植肝肿瘤中的聚集明显增加，而且对移植性肿瘤有很好的疗效。

靶向技术的研究主要在物理化学导向和生物导向两个层次上进行。物理化学导向在实际应用中缺乏准确性，很难确保正常细胞不受到药物的攻击。生物导向可在更高层次：上解决靶向给药的问题。物理化学导向系利用药物载体的pH敏感、热敏感、磁敏感等特点在外部环境的作用下(如外加磁场)对肿瘤组织实行靶向给药。磁性纳米载体在生物体的靶向性是利用外加磁场，使磁性纳米粒在病变部位富集，减小正常组织的药物暴露，降低毒副作用，提高药物的疗效。磁性靶向纳米药物载体主要用于恶性肿瘤、心血管病、脑血栓、冠心病、肺气肿等疾病的治疗。生物导向系利用抗体、细胞膜表面受体或特定基因片段的专一性作用，将配位子结合在载体上，与目标细胞表面的抗原性识别器发生特异性结合，使药物能够准确送到肿瘤细胞中。药物(特别是抗癌药物)的靶向释放面临网状内皮系统(RES)对其非选择性清除的问题。再者，多数药物为疏水性，它们与纳米颗粒载体偶联时，可能产生沉淀，利用高分子聚合物凝胶成为药物载体可望解决此类问题。因凝胶可高度水合，如合成时对其尺寸达到纳米级，可用于增强对癌细胞的通透和保留效应。目前，虽然许多蛋白质类、酶类抗体能够在实验室中合成，但是更好的、特异性更强的靶向物质还有待于研究与开发。而且药物载体与靶向物质的结合方式也有待于研究。

该类技术安全、有效进入临床应用前仍需要诸如更可靠的纳米载体、更准确的靶向物质、更有效的治疗药物、更灵敏，操作性更方便的传感器以及体内载体作用机制的动态测试与分拆方法等重大问题尚待研究解决。

DNA纳米技术(DNAnanoteehnology)是指以DNA的理化特性为原理设计的纳米技术，主要应用于分子的组装。DNA复制过程中所体现的碱基的单纯性、互补法则的恒定性和专一性、遗传信息的多样性以及构象上的特殊性和拓扑靶向性，都是纳米技术所需要的设计原理。现在利用生物大分子已经可以实现纳米颗粒的自组装。将一段单链的DNA片断连接在13nm直径的纳米金颗粒A表面，再把序列互补的另一种单链DNA片断连接在纳米金颗粒B表面。将A和B混合，在DNA杂交条件下，A和B将自动连接在一起。利用DNA双链的互补特性，可以实现纳米颗粒的自组装。利用生物大分子进行自组装，有一个显著的优点：可以提供高度特异性结合。这在构造复杂体系的自组装方面是必须的。

美国波士顿大学生物医学工程所Bukanov等研制的PD环(PD-loop)(在双链线性DNA中复合嵌入一段寡义核苷酸序列)比PCR扩增技术具有更大的优越性；其引物无需保存于原封不动的生物活性状态，其产物具有高度序列特异性，不像PCR产物那样可能发生错配现象。PD环的诞生为线性DNA寡义核苷酸杂交技术开辟了一条崭新的道路，使从复杂DNA混合物中选择分离出特殊DNA片段成为可能，并可能应用于DNA纳米技术中。

基因治疗是治疗学的巨大进步。质粒DNA插入目的细胞后，可修复遗传错误或可产生治疗因子(如多肽、蛋白质、抗原等)。利用纳米技术，可使DNA通过主动靶向作用定位于细胞；将质粒DNA浓缩至50～200nm大小且带上负电荷，有助于其对细胞核的有效入侵；而最后质粒DNA能否插入细胞核DNA的准确位点则取决于纳米粒子的大小和结构：此时的纳米粒子是由DNA本身所组成，但有关它的物理化学特性尚有待进一步研究。

脂质体(1iposome)是一种定时定向药物载体，属于靶向给药系统的一种新剂型。20世纪60年代，英国ADBanfiham首先发现磷脂分散在水中构成由脂质双分子层组成的内部为水相的封闭囊泡，由双分子磷脂类化合物悬浮在水中形成的具有类似生物膜结构和通透性的双分子囊泡称为脂质体。20世纪70年代初，YEPadlman等在生物膜研究的基础上，首次将脂质体作为细菌和某些药物的载体。纳米脂质体作为药物载体有如下优点。

(1)由磷脂双分子层包封水相囊泡构成，与各种固态微球药物载体相区别，脂质体弹性大，生物相容性好。

(2)对所载药物有广泛的适应性，水溶性药物载入内水相、脂溶性药物溶于脂膜内，两亲性药物可插于脂膜上，而且同一个脂质体中可以同时包载亲水和疏水性药物。

(3)磷脂本身是细胞膜成分，因此纳米脂质体注入体内无毒，生物利用度高，不引起免疫反应。

(4)保护所载药物，防止体液对药物的稀释，及被体内酶的分解破坏。

纳米粒子将使药物在人体内的传输更为方便，对脂质体表面进行修饰，比如将对特定细胞具有选择性或亲和性的各种配体组装于脂质体表面，以达到寻靶目的。以肝脏为例，纳米粒子-药物复合物可通过被动和主动两种方式达到靶向作用；当该复合物被Kupffer细胞捕捉吞噬，使药物在肝脏内聚集，然后再逐步降解释放人血液循环，使肝脏药物浓度增加，对其他脏器的副作用减少，此为被动靶向作用；当纳米粒子尺寸足够小约100～150nm且表面覆以特殊包被后，便可以逃过Kupffer细胞的吞噬，靠其连接的单克隆抗体等物质定位于肝实质细胞发挥作用，此为主动靶向作用。用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织。

纳米粒子作为输送多肽与蛋白质类药物的载体是令人鼓舞的，这不仅是因为纳米粒子可改进多肽类药物的药代动力学参数，而且在一定程度上可以有效地促进肽类药物穿透生物屏障。纳米粒子给药系统作为多肽与蛋白质类药物发展的工具有着十分广泛的应用前景。

由于纳米粒子的粒径很小，具有大量的自由表面，使得纳米粒子具有较高的胶体稳定性和优异的吸附性能，并能较快地达到吸附平衡，因此，高分子纳米微粒可以直接用于生物物质的吸附分离。将纳米颗粒压成薄片制成过滤器，由于过滤孔径为纳米量级，在医药工业中可用于血清的消毒(引起人体发病的病毒尺寸一般为几十纳米)。通过在纳米粒子表面引入羧基、羟基、磺酸基、胺基等基团，就可以利用静电作用或氢键作用使纳米粒子与蛋白质、核酸等生物大分子产生相互作用，导致共沉降而达到分离生物大分子的目的。当条件改变时，又可以使生物大分子从纳米粒子上解吸附，使生物大分子得到回收。

纳米高分子粒子还可以用于某些疑难病的介入性诊断和治疗。由于纳米粒子比红血球(6～9μm)小得多，可以在血液中自由运动，因此可以注入各种对机体无害的纳米粒子到人体的各部位，检查病变和进行治疗。据报道，动物实验结果表明，将载有地塞米松的乳酸-乙醇酸共聚物的纳米粒子，通过动脉给药的方法送人血管内，可以有效治疗动脉再狭窄，而载有抗增生药物的乳酸-乙醇酸共聚物纳米粒子经冠状动脉给药，可以有效防止冠状动脉再狭窄；除此之外，载有抗生素或抗癌制剂的纳米高分子可以用动脉输送给药的方法进入体内，用于某些特定器官的临床治疗。载有药物的纳米球还可以制成乳液进行肠外或肠内的注射；也可以制成疫苗进行皮下或肌肉注射。