夏 蒙，段兰兰，苏铭吉，方正平，张玉红

（有机化工新材料湖北省协同创新中心，有机功能分子合成与应用教育部重点实验室，湖北大学化学化工学院，湖北 武汉 430062）

由于生活环境的污染，以及人们饮食和生活习惯的无规律，各种疾病的患病人群在逐年增加，人们对药物的需求也是与日俱增[1，2]。临床上使用的药物以小分子细胞毒性药物为主，这些药物存在着溶解性不好、靶向性较差和代谢时间较短等问题。并且在杀死病变细胞的同时，也可能会损害正常的细胞或组织，导致药效不佳和另外的毒性，从而引起免疫力下降[3]。而具有药物装载能力的纳米凝胶可以通过物理负载或化学键结合的方式将药物进行负载，保证了药物在无渗漏的情况下准确地传递到病变部位，实现药物的靶向性输送。药物载体在进入病变组织后能够自行拆卸，并且在病变部位进行控制释放，既能增加药效时长，又可以提高药物在病变部位的含量，取得更好的疗效。在这一过程中，选择具有刺激响应的药物载体至关重要。而具有刺激响应的聚合物材料作为药物载体这一研究方向更是人们研究的热点[4]。刺激响应性聚合物是指在外界环境的刺激下能够在物理性质或化学性质上做出相应变化的一类聚合物材料，通过选取不同的聚合 单 体 ，可以实现对温 度[5]、 pH值[6]、光照[7]、 磁场[8]和 还原性[9]等刺激的响应。本研究综述了近几年双重响应性纳米水凝胶在药物运载中的应用，并对具有响应性纳米水凝胶研究进展进行了总结和展望。

1　 双重敏感性聚合物在纳米载药中的应用

1.1　温度及pH双重响应性聚合物在纳米载药中的应用

当细胞或组织受到感染或病变时，细胞所处的环境平衡就会被打破。肿瘤细胞部位的温度比正常细胞略高，并且其细胞外液的pH值（6.5～7.2）比正常组织的细胞外液pH值（7.4）低，偏酸性。因此，温度敏感和pH敏感性材料能够较好地区分正常细胞和病变细胞，实现靶向药物释放，降低药物毒副作用，更有效地杀死病变细胞[10，11]。温度及pH双重响应性聚合物是指对温度和pH均具有响应性的功能性聚合物材料。目前，研究相对最热的温度敏感性聚合物是聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAM），其临界溶解温度（LCST）约为32 ℃[12]。pH响应型聚合物一般是由含有弱酸性或弱碱性基团的聚合物骨架组成，在具有一定pH值和离子强度的溶液介质中，pH值的改变可能会导致这些基团电离或质子化，产生大分子链段间氢键的变化，从而导致聚合物链的伸展或崩塌，表现出对pH变化的响应性能[13]。通过将对pH值有响应的单体或聚合物与NIPAM共聚，不仅可以得到具有温度及pH双重敏感性能，而且可以使其共聚物或共聚物凝胶的LCST非常接近人体的体温，使其在药物控释、温敏形状膜等医学和生物领域更具有潜力和应用价值。

常见的具有pH响应性单体有丙烯酰胺（AM），丙烯酸（AA），甲基丙烯酸甲酯（MA）和甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯（DMAEMA）等。Xiong等[14]制备出了具有温度及pH双重响应性聚N-异丙基丙烯酰胺-co-丙烯酸（PNA），并成功对阿霉素（DOX）进行负载。研究结果表明，DOX-PNA具有对pH依赖的低临界溶解温度LCST，这一特殊性能使得DOX-PNA在热疗和化疗联合治疗过程中具有较大的应用价值，有望提高肿瘤靶向性，改善药物疗效。Yi等[15]研究了以PNIPAM和AA为共聚单体，N,N＇-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）为交联剂，在β-环糊精(β-CD）的存在下制备出了响应性纳米凝胶（PNACD）。结果显示，PNACD具有良好的温敏性和pH敏感性，能有效包裹DOX，药物包裹率高达（54±5）%，载药后的PNACD/DOX具有良好的药物缓释温度和pH敏感性。Rwei等[16]通过原子转移自由基聚合制备了星形状聚（N-异丙基丙烯酰胺-共-琥珀酰胺酸）[P（NIPAM-co-IAM）]，此共聚物在不同温度和pH值下的星形结构示意图如图1所示，其具有pH和温度双重响应性，并且能够在不同pH值环境中对药物进行响应性释放。

图1 不同温度（a）和pH值（b）的星形聚合物结构示意图Fig.1　Schematic diagram of structure of star polymer at different temperatures (a) and pH(b)

1.2　温度及还原敏感双重响应性聚合物在药物载体中的应用

还原型谷胱甘肽（GSH）是生物体中相对最丰富的低分子质量生物硫醇，是由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成的含有巯基的多肽，广泛分布在各器官中。其与其氧化产物奥谷胱甘肽（GSSG）组成了人体相对最重要的氧化还原对，对细胞微环境的氧化还原平衡起着关键的作用。在正常组织中，细胞内GSH的浓度范围是1～10 mM，比细胞外的GSH浓度（2～20 μM）高200倍以上[17，18]。而在一些特定的肿瘤细胞中，癌细胞外GSH的浓度比正常细胞的高7～10倍，使得肿瘤组织要比正常组织更具有还原性环境。

氧化还原响应型聚合物通常在结构中含有还原敏感性的二硫键（S-S），此二硫键会在还原剂的作用下被还原为巯基（-SH）而断裂，从而使聚合物发生降解释放药物。温度及还原敏感双重响应性聚合物材料一般是由含二硫键的物质与具有温敏性的材料聚合得到的。Yuan[19]将含有二硫键的二硫二乙醇（DiT）与聚乙二醇（PEG）和六亚甲基二异氰酸酯（HDI）聚合得到两亲性的聚（醚氨基甲酸乙酯），其负载DOX的纳米粒子在体外药物释放研究实验中表现出对温度和还原性的双重响应性，体现出在抗癌药物传递系统中的巨大潜力。同样的，詹园等[20]将含二硫键的N,N＇-双丙烯酰胱胺（BAC）作交联剂，采用自由基沉淀聚合法制备出了PNA纳米凝胶，得到具有双重响应性的药载体系，实现了温度和还原性双重响应性药物释放，如图2所示，克服了单一刺激响应系统的局限性。

图2　药物DOX负载的PNA纳米凝胶的形成和药物释放行为的示意图Fig.2　Schematic of formation and drug release behavior of drug DOX loaded PNA nanogel

1.3　pH/还原性双重响应性聚合物在纳米载药中的应用

pH/还原性双重响应性聚合物材料是指不仅对pH变化做出响应性，而且能够在还原环境下被还原分解的聚合物材料。这种材料作药物载体时一般在双重响应时能够对药物进行更好地释放，达到更高的释放率，同时这种材料的可降解性也使得其具有良好的生物相容性。

Chen等[21]探讨了响应性胶束聚乙二醇-SS-聚（2,4,6-三甲氧基苄基季戊四醇酯）（PEG-SS-PTMBPEC）对DOX细胞内释放的氧化还原响应性和pH响应性，如图3所示。实验结果表明，药物DOX在10 mM GSH和pH=5.0刺激状态下使二硫键断裂、链段伸展，这种双重响应下的释放率高达94.2%。

图3　基于PEG-SS-PTMBPEC共聚物的还原和pH敏感的可降解胶束应用于双重刺激下细胞内抗癌药物释放示意图Fig.3　Schematic of application of redox and pH-responsive biodegradable micelles based on PEG-SS-PTMBPEC copolymer in intracellular anticancer drug release under dual stimulation

Cai等[22]将聚（ε-己内酯）-b-聚（甲基丙烯酸二乙氨基乙酯）（PCL–PDEA）和二硫键连接的聚（乙二醇）-聚（ε-己内酯）（MPEG-SS-PCL）混合蒸发溶剂得到pH和还原敏感性混合胶束，并且该质量比为5∶5的混合胶束能够在较低pH和还原环境下实现10 h内药物释放率90%的控释效果。

Yu等[23]通过简单的缩聚反应将二硫键和二羟乙基哌嗪基团引入到具有双重敏感的聚氨酯嵌段聚合物中，该聚合物载体由于具有良好的生物相容性并能在体内长期循环，且其pH和还原双重响应性使得载体能够灵敏地在肿瘤组织中控释药物。

1.4　pH/磁性双重响应性聚合物在纳米载药中的应用

pH/磁性双重响应性聚合物是指同时具有pH响应性和磁性响应性的聚合物。磁性纳米粒子（MNP）具有磁响应性，能在一定磁场的作用下，定向运动到特定的位置。含有磁性纳米颗粒的聚合物药物载体可以向磁场附近聚集，实现组织中局部富集的目的，达到靶向运输药物。

Ma等[24]首次报道了以高磁场响应的磁性胶体纳米晶簇（MCNC）为核、交联的聚丙烯酸作壳的智能药物载体MCNC/PAA，实现了对DOX的靶向给药和pH响应性释放，同时此复合纳米载体可通过磁共振成像（MRI）实现跟踪，是一种很具潜力的载药平台。

具有超顺磁性的四氧化三铁（Fe3O4）也是具有磁响应性的常见材料，其独特的磁特性和生物相容性吸引了诸多的关注。Fan等[25]制备出一种新型的磁性Fe3O4石墨烯纳米复合材料（MGNs）,并对5-氟尿嘧啶（5-FU）进行有效负载，其体外释药研究表现出较强的pH响应性，并且该纳米复合材料的水溶液也具有良好的分散性和超顺磁性等性能，在生物医学和生物材料方面具有无限潜力。Kang等[26]成功制备出了具有pH响应和磁响应性的聚丙烯酸-改性Fe3O4（ PAA@Fe3O4）混合微球，并研究了其对DOX的控释行为以及被Hela细胞的吸收过程，结果表明，其药物的释放对pH值具有较强的依赖性，并且在磁导条件下负载DOX的PAA@Fe3O4微球治疗效果更佳。

1.5　其他双重响应性聚合物材料在药物载体中的应用

光辐照作为一种清洁且可控的环境刺激，已在药物载体系统中被广泛应用。光响应性是通过被不同波长的光辐射后能产生物质顺-反结构的转变。偶氮苯、硝基苯和肉桂是较常见的几种光敏基团。张然然[27]合成了具有温敏和光敏性的两亲嵌段共聚物聚（环氧乙烷）-b-聚（N-异丙基丙烯酰胺-硝基苄基酯）[PEO-b-P（NIPAM-co-NBA）]和具有核/壳结构的NaYF4[Tm3+Yb3+上 转 换 纳 米 粒 子（ UCNPs）]，PEO-b-P(NIPAM-co-NBA)聚 合物在水溶液中自组装形成胶束，包裹了UCNPs和疏水药物尼罗红（NR），混合的纳米颗粒在近红外的照射下做出响应，使NBA的疏水性残基脱落，释放有效载荷，同时改变了该嵌段共聚物的LCST值，增强了其温度敏感性。

磁性纳米粒子可以与某些温度敏感性聚合物复合，以得到的磁场-温度双重响应性复合微球作药物载体，这也是一种很有效的方法。艾凡荣等[28]将Fe3O 与温敏性的P（NIPAM-co-AM）复合得到双重敏感性微球，并对其磁响应性和温度响应性进行了表征，该微球在肿瘤热疗与化疗联合治疗方面具有较好的应用前景。Koppolu等[29]研究了聚（N-异丙基丙烯酰胺烯丙胺）包覆氧化铁磁性纳米粒子用作治疗晚期甲状腺癌的药物载体的可能性，研究表明，外加磁场显著增加了癌细胞对纳米粒子的吸收，并且负载药物DOX的释放表现出温度响应性。

此外，以L-天冬氨酸为功能单体，聚合形成的纳米凝胶具有pH敏感和酶敏感的双重响应性。研究表明，新设计的pH和酶双重响应的L-天冬氨酸聚酯纳米管是治疗癌症的优秀多药载体[30]；以及利用疏水性丙烯酸酯与亲水性低聚乙二醇丙烯酸酯进行共聚，制备热和酶双敏感高分子两亲物载药材料等在药物载体中研究为癌症细胞中的DOX递送开辟了新的酶和热响应性的聚合物支架方法。这种载体在肿瘤微环境中的突然释放和在细胞内隔室处的控制递送均在单个聚合物支架中完成。在无负载和负载DOX的聚合物的细胞毒性测定中，载有DOX的聚合物对乳腺癌（MCF-7）和宫颈癌（HeLa）细胞表现出增强的杀伤作用[31]。然而，这些纳米凝胶本身不仅没有细胞毒性，而且表现出对肿瘤部位微环境具有较好的刺激响应性。

2　 结语

具有响应性的纳米凝胶用于载药时，温度、pH、还原性、磁场和光照等环境的刺激，可以引起凝胶自身孔径、体积和微观结构发生变化，从而释放和包裹药物，达到控制释放的效果。然而，不同组织部位的肿瘤生理环境各异，仅仅具有双重响应性的聚合物材料已经不足以应对复杂的微环境。因此，如何更好地对封装药物进行控制释放，更好地响应内源刺激或外源刺激等变化而制备出多重响应性水凝胶，是今后研究的重点。相信随着多响应性纳米水凝胶研究的不断深入，智能药物载体有望对不同病变区的微环境做出不同的响应，并向靶向区域定时定量释放药物，达到治疗疾病的最佳效果。