生物医用纳米颗粒表面的两性离子化设计

PＲOGＲESS IN
CHEMISTＲY
DOI :10.7536/PC140707
http ://w w w ．progchem ．ac．cn
Progress in Chemistry ，2014，26(11):1849 1858
生物医用纳米颗粒表面的两性离子化设计
*
陈杨军
刘湘圣
王海波
王
寅
金
桥
＊＊
计剑
＊＊
(浙江大学高分子科学与工程学系高分子合成与功能构造教育部重点实验室杭州310027)
摘
要
生物医用纳米颗粒的表面设计对维持纳米颗粒稳定性和抑制蛋白质非特异性吸附从而实现体内长
效循环等具有重要意义。

具有细胞膜仿生结构的两性离子界面能通过离子静电作用形成高效水合层，不仅可有效增强纳米颗粒的稳定性和抗免疫清除能力，通过提高体内循环时间增强其“被动”靶向能力，而且当与环境响应性或生物活性分子复合后，还可有效实现纳米颗粒的“主动”靶向功能，因此“两性离子化”已经发展为纳米颗粒表面设计的新策略。

本文主要概述了两性离子材料在生物医用纳米表面设计中的应用进展，包括小分子和聚合物两性离子对无机纳米颗粒的表面修饰、聚合物两性离子组装体用于抗肿瘤药物传递等，同时也介绍了混合电荷材料的一些特殊性质和应用。

关键词
两性离子
纳米-生物界面
生物相容性药物传递
混合电荷
中图分类号:O63;TB381;Q811.7
文献标识码:A
文章编号:1005-
281X (2014)11-1849-10收稿:2014年7月，收修改稿:2014年8月，网络出版:2014年10月30日
*国家自然科学基金项目(No．51333005，21174126，51103126，21374095，51303154，51025312)资助
The work was supported by the National Natural Science Foundation of China (No．51333005，21174126，51103126，21374095，51303154，51025312)
＊＊Corresponding author
e-mail :jijian@zju．edu．cn (Ji Jian );jinqiao@zju．edu．cn (Jin Qiao )
Zwitterions in Surface Engineering of Biomedical Nanoparticles *
Chen Yangjun
Liu Xiangsheng
Wang Haibo
Wang Yin
Jin Qiao ＊＊Ji Jian ＊
＊(Key Laboratory of M acromolecular Synthesis and Functionalization ，M inistry of Education ，Department of Polymer Science and Engineering ，Zhejiang University ，Hangzhou 310027，China )Abstract
Surface engineering of biomedical nanoparticles is of great importance to maintain nano-stability ，resist
nonspecific biomolecular adsorption so as to enhance in vivo circulation time．Cell membrane mimicking zw itterions can form superhydrophilic antifouling surface w hich helps to maintain colloidal stability and resist immune elimination via electrostatically induced hydration．The stealthy surface prolongs the blood circulation time to reach “passive targeting ”，further “active targeting ”is also available if combined w ith stimuli-responsive or bioactive molecules．Hence “zw itteration ”has been developed as a new surface engineering strategy of biomedical nanoparticles．This review mainly talks about surface engineering of inorganic nanoparticles w ith small molecular and polymeric zw itterions ，zw itterionic polymeric assemblies as drug delivery system and zw itterionic polymeric prodrugs．Introduction of special properities and applications of mixed-charge materials is also involved．Key words zw itterion ;nano-biointerface ;biocompatibility ;drug delivery ;mixed charge
Contents 1Introduction
2
Surface design of inorganic nanoparticles with
zwitterions
2.1Small molecular zwitterions 2.2Polymeric zwitterions
3Zwitterionic polymeric assemblies for drug delivery 3.1
Drug non-covalently loaded assemblies
·1850·
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3.2Polymeric prodrugs 4Mixed-charged materials 5
Conclusion and
outlook
Surface engineering of both biomedical inorganic nanoparticles and drug loaded assemblies
1引言
随着纳米科技与现代医学的联姻，纳米医学得
到迅猛发展，并有望为多种疾病的诊断和治疗提供新思路与新途径
［1］。

纳米医学主要是以纳米颗粒
为载体来实现相应的诊疗目的。

纳米颗粒具有不同于其本体的特殊理化性质
［2］
以及与蛋白质等生物
大分子相近的尺寸，能够实现生物成像、生物检测、药物控释和基因传递等多种医学功能。

然而，纳米颗粒在临床应用前，还需满足诸多苛刻条件
［3］。

首先，纳米颗粒本身需具备结构稳定
性，并能在复杂生理环境下保持分散，以维持纳米效应所必须的纳米尺寸。

其次，面对人体复杂的免疫系统，纳米药物还需具备“隐身”功能，即能阻抗蛋白质非特异性吸附，从而逃离网状内皮系统(ＲES )的识别，延长体内循环时间
［4］
，增大纳米载体到达
病灶的几率。

对于肿瘤而言，由于实体瘤组织具有高通透性和高滞留性效应(EPＲ)
［5］
，因此具有长效
循环功能和合适尺寸的纳米药物载体可以选择性富集于肿瘤组织处。

进一步的刺激响应性或主动靶向型药物载体的设计都依赖于“隐身”的纳米表面。

聚乙二醇(PEG )是一种生物相容性良好的惰性材料
［6］
，PEG 化(PEGylation )是当前最常用的生物材料表面修饰方法，甚至成为衡量其他新材料性能的标准
［7］。

但研究发现，PEG 的抗污性能具有温度
依赖性，易受氧化作用影响而发生分解，而与治疗性蛋白质结合时还会降低蛋白质的亲合性及整体的生物活性［7，8］。

这些缺陷限制了PEG 的实际应用，由此也引发了科研人员对新型生物相容性材料的探索
研究。

人体的细胞膜主要是由磷脂双分子层构成的，磷脂分子呈两亲性，其中亲水部分是包含等量正负电荷的磷酸胆碱(PC )基团，能在细胞膜内外表面与水接触并起到稳定细胞的作用。

像磷酸胆碱这样带有等量正负电荷的两性离子，可以通过离子作用形成比PEG 更紧密的水合层，因此具有更好的化学稳定性和生物抗污性能。

目前研究较多的两性离子主要有磷酸胆碱(PC )［9，10］
、羧酸甜菜碱(CB )［11，12］
、磺
酸甜菜碱(SB )
［13，14］
以及两性混合电荷材料
［15，16］
等。

对于两性离子的机理与应用，华盛顿大学的
Jiang ［11，17，18］和东京大学的Ishihara ［19，20］
等做过相关
的综述报道，但针对纳米颗粒表面两性离子化的综述较少
［21］
，而这方面的工作正受到越来越广泛的关
注。

因此本综述从生物医用纳米表面设计的新视
角，结合该领域国内外的研究成果，对两性离子的研究进展进行综述和展望，希望对相关领域的研究人员有所启示。

2两性离子修饰无机纳米粒子
纳米效应赋予了许多金属或半导体纳米粒子特
殊的理化性质，从而提供了医学相关的诊断或治疗功能
［22，23］。

但是，多数纳米粒子本身不够稳定，粒
子间相互作用会发生团聚。

因此，必须对纳米粒子表面进行修饰，从而改善其稳定性，提高生物相容性
［24，25］。

细胞膜仿生的两性离子能赋予纳米粒子
良好的分散稳定性和生物相容性［24］。

根据不同的
纳米粒子种类和尺寸，可以分别用含不同配体的小分子和聚合物两性离子进行表面修饰。

2.1小分子两性离子修饰无机纳米粒子
许多天然分子也具有两性特点，比如带有等量氨基和羧基的氨基酸［26，27］
和一些天然药物等。

Liu
等
［28］
将半胱氨酸接枝到以硫化锌镉为壳、硒化镉为
核的量子点(CdSe /CdZnS )上，两性表面使其能在血清中阻抗蛋白质吸附，并可用于大鼠的活体成像。

但这种半胱氨酸修饰的量子点还不够稳定，在pH =7.4的PBS 中静置过夜就会发生团聚。

而用类似于半胱氨酸结构的药物青霉胺
［29］
修饰的量子点，具有
较好的抗氧化能力，能保持稳定分散数月，并且能有效阻抗细胞内的非特异性吸附。

细胞膜仿生的磷酸胆碱分子具有极好的生物相容性和生物抗污性能。

Chung 等
［30，31］
合成了十一烷
基磷酸胆碱的二硫化物(DSPE )，并用于合成和修饰银纳米颗粒。

细胞实验表明，
PC 修饰的银纳米颗粒具有良好的生物相容性，且细胞内吞速率较快。

本
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·1851·
课题组
［32］
将11-巯基-十一烷基磷酸胆碱(HS-PC )
用于修饰不同尺寸的金球和金杆，发现在用小分子配体HS-PC 修饰尺寸较大的金纳米球(16 50nm )时，也能使其在血浆和高盐浓度下很好地分散稳定，并能有效阻抗牛血清蛋白(BSA )和溶菌酶(LZM )的吸附。

与相近分子长度的寡聚四乙二醇中性分子(HS-EG 4)相比，表现出明显的优势。

有趣的是，我们发现细胞膜仿生的磷酸胆碱分子甚至还能实现对肿瘤细胞的广谱靶向。

经过对比研究分别用HS-PC 和巯基聚乙二醇(HS-PEG )修饰的金纳米棒(GNＲs@PC 和GNＲs@PEG )的细胞内吞行为，我们发现
［33］
鼻咽癌细胞(CNE-
1)内吞的GNＲs@PC 比GNＲs@PEG 多得多。

更有意思的是，GNＲs@PC 在鼻咽癌细胞中的内吞量比在正常鼻腔上皮细胞中多很多，因此能在较低频率的近红外激光照射下，在较短时间内通过光热效应杀死癌细胞。

这是首次发现在没有修饰特定识别功能的生物活性配体的情况下，
PC 修饰的纳米粒子表现出特异的癌细胞选择性，这意味着仅需PC 修饰，就可同时实现纳米粒子的分散稳定性和癌细胞的选择靶向性。

进一步在GNＲs@PC 上修饰能加快细胞内吞的穿膜多
肽Tat ［34］，我们发现其在肝癌细胞(HepG2)和正常
肝细胞中的内吞速度都加快了，但Tat 的这种非选择性并没有改变PC 为金纳米棒带来的癌细胞选择性。

如图1所示，在培养12h 后，肝癌细胞的内吞量仍然是正常肝细胞的两倍多，而在最初的两小时内，两者的差异更大。

这意味着Tat 和PC 的协同作用使得金纳米棒对癌细胞具有更高的亲合力和选择性。

HS-PC 还可用于油相量子点的表面亲水化修饰。

Nishimura 等
［35］
将HS-PC 用于修饰量子点，发
现和短链PEG 修饰的量子点相比，
PC 修饰的量子点具有更高的荧光强度，
且能在长时间内和较宽的pH 范围下保持较稳定的荧光产率。

我们课题组［36］用HS-PC 修饰CdSe /ZnS 量子点后发现，除了具有抗盐、抗蛋白质吸附及在宽pH 范围内稳定的优点外，还能有效阻抗巨噬细胞的非特异性内吞。

磺酸甜菜碱类小分子配体也常被用于无机纳米粒子的表面修饰。

Lequeux 等
［37］
将带有二氢硫辛酸
的磺酸甜菜碱(DHLA-SB )用于修饰4.5nm 的量子点，
两性表面使其具有良好的生物抗污和成像性能，并可作为生物探针实现对大麻素受体(CB1Ｒ)在人胚肾细胞(HEK )中的追踪。

Mattoussi 等
［38，39］
在多
种纳米
粒子尤其是量子点表面设计上做了大量研
图1利用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS )测定的分别
经PC 和PC /Tat 修饰的金纳米棒在肝癌细胞和正常肝细胞中的内吞量［34］
Fig．1
Numbers of GNＲs@PC /Tat or GNＲs@PC per cell
in cancer cells HepG2and normal cells L02measured by ICP-MS ［34］
究，他们发现，利用小分子磺酸甜菜碱修饰的量子点具有紧凑而又稳定的表面，能在较宽的酸碱范围、较高的盐浓度及培养基中等苛刻条件下保持较高的荧光产率和胶体稳定性，有望实现长效的成像及检测功能。

Schlenoff 等［40，41］
在用SB 修饰多种纳米颗粒方
面做了较多工作。

他们将一种带硅氧烷基团的磺酸甜菜碱两性离子(SBS )用于修饰硅纳米粒子，经修饰后的硅纳米粒子的流体力学半径没有明显变化，这相比用聚合物修饰纳米粒子会明显增加流体力学半径而言，具有显著的优势。

Bawendi 等
［42，43］
设计
了一种含多巴胺配体的磺酸甜菜碱两性离子(ZDS )，经ZDS 修饰后的超顺磁性纳米粒子单分散性良好，且其流体力学直径仅为10nm 。

对该纳米粒子进一步修饰链霉亲和素(streptavidin )后能特异性地标记生物素。

Gao 等
［44］
用同样的ZDS 分子修
饰嵌入钆的磁性纳米颗粒(GdIO )，如图2所示，使其具有相对较长的体内循环时间和较高的肿瘤富集，可以作为肿瘤磁共振成像的T1造影剂，而仅为5.2nm 的流体力学直径使其有望在造影结束后被肾脏快速清除。

用小分子两性离子修饰的纳米粒子经过特殊设计后，
还可作为有效的药物传递载体。

Ｒotello 等［45］
设计了一种两亲性的两性小分子，其疏水端是带巯基的十一烷基，亲水端是连有4个乙二醇单元(EG 4)的磺酸甜菜碱基团。

将其用于修饰金纳米球后，可在其疏水层中载入疏水药物他莫西芬(TAF )和β-拉帕醌(LAP )以及疏水荧光探针分子(如图3)。

这种金纳米球能在不进入乳腺癌细胞(MCF-7)
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图2多巴胺磺酸甜菜碱修饰磁性纳米颗粒用于体内
成像［44］
Fig．2
GdIO nanoparticles coated with zwitterionic
dopamine sulfonate
(ZDS )
had
small
hydrodynamic
diameter ( 5.2nm )and minimal nonspecific serum proteins binding ，thus led to a relatively long circulation half-life ，efficient renal clearance ，and EPＲeffect-based tumor contrast
［44］
的情况下，将药物传递进入癌细胞，而其药效与自由药物差异不大。

用两性磺酸甜菜碱修饰后的金纳米球能实现长效循环，因此有望作为肿瘤被动靶向药物传递的载体。

在同样用磺酸甜菜碱修饰的2nm 的金球上，
Ｒotello 等［46］
还通过紫外光响应性的邻硝
基苄基基团共价接枝了抗癌药物5-氟尿嘧啶，通过改变365nm 处的紫外光强度，就能调控其释药速度和癌细胞存活率。

图3两亲性磺酸甜菜碱类小分子修饰的金纳米球作为
药物传递载体
［45］
Fig．3
Gold nanoparticles functionalized with water-soluble
zwitterionic ligands as hydrophobic drug carrier ［45］
2.2聚合物两性离子修饰纳米粒子
聚合物两性离子用于修饰纳米粒子主要有两种
方法，一种是先合成带有配体的聚合物再接枝到纳米粒子表面(graft to )，另一种则是先在纳米粒子表面接枝引发剂再在表面引发聚合(graft from )。

纳米粒子表面经这两种方法修饰聚合物两性离子后，还能进一步修饰生物功能分子，特别是羧酸甜菜碱类聚合物
［47］
，可通过1-(3-二甲氨基丙基)-
3-乙基碳二亚胺(EDC )和N -羟基琥珀酰亚胺(NHS )化学方
法在羧基上接枝多种抗体或多肽，实现纳米粒子的多功能性。

多巴(DOPA )已被证实具有极强的黏附能力，Jiang 等［48］通过多步反应制备了含双多巴分子的羧酸甜菜碱聚合物(pCBMA )，用于修饰磁性纳米粒子后使其具有较好的磁性能，并在10%NaCl 溶液、PBS 缓冲液和100%人体血清中均能保持良好的粒径稳定性。

细胞实验表明，它具有较低的细胞毒性，
且能阻抗巨噬细胞的非特异性内吞。

pCBMA 上的大量羧基还可通过EDC /NHS 化学接枝上ＲGD 环状多肽，通过脐静脉血管内皮细胞(HUVEC )的内吞实验可以证实其主动靶向功能。

单齿配体两性离子在修饰纳米粒子时容易因氧化导致不稳定，而两性离子聚合物可设计成多齿配体，从而增加纳米粒子的稳定性。

Armes 等
［49］
合成
了聚2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱(PMPC )和聚甲基丙烯酸甘油酯的全亲水性共聚物PMPC-PGMA ，并用于制备和稳定磁性纳米溶胶，共聚物中PGMA 嵌段的大量羟基用于结合磁性溶胶，而超亲水的PMPC 嵌段则用于稳定纳米粒子，使其能保持长期的宽pH 范围和高盐浓度下的稳定。

此外，他们还
设计了PMPC 嵌段共聚物用于修饰金纳米球［50］
，获
得了类似的效果。

Lequeux 课题组在用双齿配体的磺酸甜菜碱修饰量子点后，又设计了含有多个硫辛酸分子的多齿配体磺酸甜菜碱共聚物
［51］
，如图4所示。

这种多齿
共聚物修饰的量子点具有更好的稳定性，能在3M 的NaCl 溶液和3 13的宽pH 范围下保持稳定数月。

同时宫颈癌细胞(HeLa )内吞实验表明，多齿配体磺酸甜菜碱修饰的量子点能更好地阻抗非特异性
吸附。

进一步在共聚物上继续修饰生物分子如链霉亲和素或生物素，其良好的生物抗污性能有助于实现特异性的生物靶向功能。

图4相比于双齿配体，多齿配体磺酸甜菜碱聚合物修
饰的量子点具有更好的稳定性［51］
Fig．4
Better QD stability of multidentate versus bidentate
zwitterionic ligands ［51］
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类似地，
Emrick 等［52］
用甲基丙烯酸羟乙酯和硫
辛酸合成了带双键的二硫键配体(HEMA-LA )，并通过可逆加成-断裂转移自由基聚合法(ＲAFT )将HEMA-LA 和2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱(MPC )共聚，随后将这种多齿配体的两性离子聚合物用于修饰金纳米棒，并与双巯基配体PEG-DHLA 修饰的金纳米棒进行比较。

凝胶电泳实验表明，多齿配体聚两性离子赋予了金纳米棒更好的生物抗污性能，而用人卵巢癌细胞(SKOV3)和小鼠纤维原细胞(NIH3T3)进行的细胞毒性实验也证实它具有更好的生物相容性。

我们课题组
［53］
以天然聚合物壳寡
糖为骨架，制备了多巯基配体的两性壳寡糖(LA-CSO-PC )。

用LA-CSO-PC 修饰的金纳米球和金纳米棒均具有良好的分散稳定性和生物相容性。

进一步的细胞内吞实验发现，这种具有稳定两性表面的金纳米粒子能有效逃离内涵体和
溶酶体进入细胞质基质，并聚集在细胞核周围。

图5相比于PEG ，
PCB 修饰的纳米金球不会产生免疫抗体和ABC 效应，从而具有较长的体内循环时间
［57］
Fig．5Zwitterionic stealth PCB coating effectively protects NPs from nonspecific opsonization and immune response ，
leading
to
long-circulating
NPs
with
zero
antibody
production
［57］
Graft from 的方法首先需要在纳米粒子表面上修饰引发剂，然后加入单体在表面引发聚合［54］。

Jiang 等
［18，55］
在多种平面和纳米粒子表面引发聚合
两性离子方面做了较多工作。

他们将带有硅氧烷基团的原子转移自由基聚合(ATＲP )引发剂
［56］
修饰到
硅纳米粒子上，然后加入不同浓度的羧酸甜菜碱单体(CBAA )引发聚合，最终得到两种不同粒径的硅纳米粒子，且都能在蛋白质溶液中稳定72h 以上。

类似地，他们制备了超稳定的pCBMA 修饰的纳米金球
［47］。

最近，他们发现这种PCB 修饰的金球
［57］
不会产生免疫抗体，并具有长达56h 的体内循环半衰期，且金球在两次注射后具有类似的循环半衰期(见图5)。

可见PCB 在作为诊疗载体的表面修饰材料上具有巨大潜力。

两性离子极强的生物抗污性能也有助于实现高灵敏的生物监测。

Xu 等
［58］
在磁性纳米粒子表面引
发聚合羧酸甜菜碱单体(CBMA )，使磁性纳米粒子同时具备了较好的生物抗污和超顺磁性能。

在修饰了人绒毛膜促进性腺激素抗体(anti-β-hCG )后，能够高灵敏性地检测人绒毛膜促进性腺激素(hCG )，其检测下限甚至比常规的酶联免疫吸附检测法(ELISA )还低一个数量级。

3基于两性离子聚合物组装体的药物载体
许多药物由于受其本身物理化学性质的限制，
不适合在机体中直接传输，因此需要寻找合适的药物载体。

以聚合物两性离子为亲水段的两亲性共聚物可以在水溶液中形成多种组装体，而超亲水的聚合物两性离子具有优良的生物抗污功能，可以在复杂生理条件下实现长效循环，有利于药物在病灶部位的富集，因此这类共聚物组装体可以作为有效的药物载体进行药物传输。

目前主要的载药方式有两种，即物理包埋和化学键合
［59，60］。

大多数的载药方式都是物理包埋，如
聚合物胶束可以通过疏水相互作用包载疏水抗癌药物，聚合物囊泡则可以同时包载亲疏水药物。

化学键合(前药)的方法是将药物分子和聚合物通过共价键键合，然后在特定生理环境下断开化学键，使其重新成为自由药物再发挥药效。

3.1
物理包埋
以聚合物两性离子，特别是聚2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱(PMPC )作为亲水嵌段，以可降解聚合物如聚丙交酯(PLA )、聚己内酯(PCL )和聚乙交酯丙交酯(PLGA )及其他疏水聚合物等作为疏水嵌段来构建载药囊泡或胶束的研究有许多。

Armes 和Lewis 等［61 63］在用两性离子构建聚合物囊泡方面有
较深入的研究。

Du 和Armes 等［61］
设计了一种pH
响应性的PMPC 和聚［
2-(二异丙氨基)甲基丙烯酸乙酯］(PDPA )的嵌段共聚物，如图6所示，它在pH 值大于7时是囊泡结构，可以包载亲水阿霉素(DOX )，而当pH 值小于6时，PDPA 逐渐质子化转变为亲水性，囊泡结构解体从而实现药物的缓释，这
意味着载药囊泡有望实现肿瘤部位微酸性环境下的靶向给药。

有趣的是，
Battaglia 等［64］
报道在一定的囊泡尺
寸范围下，这种PMPC-PDPA 聚合物囊泡的细胞内吞速度比PEG-PDPA 聚合物囊泡更快。

这说明，囊泡表面具有细胞膜仿生结构的磷酸胆碱基团应该能
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图6具有pH 响应性的PMPC -b-PDPA 共聚物囊泡的示
意图［61］
Fig．6
Schematic illustration of formation of pH-sensitive
PMPC-b -PDPA copolymer vesicles ［61］
促进细胞内吞，他们认为可能和PMPC 能形成与细胞膜表面类似的水合层结构有关。

Ishihara 等
［20，65］
在利用MPC 和甲基丙烯酸正丁酯(BMA )的共聚物构建载药胶束方面做了很多工作。

他们发现这种共聚物具有类似穿膜多肽的功效
［66］
，即使在依赖能量
内吞的路径受阻的情况下，依然能穿透细胞膜进入细胞质基质，且不会明显破坏细胞膜。

他们认为，这种穿膜行为可能是因为疏水的PBMA 和细胞膜进
行融合，从而快速扩散进入细胞。

而Luo 等［67］
在用
PMPC 和六臂聚丙内酯(6sPCL )的共聚物胶束包载疏水紫杉醇(PTX )时，发现相比于普通的PCL -b-PEG 胶束，具有更强的癌细胞内吞效应和更高的抗癌效率。

综合以上几个现象，含有两性PC 基团的纳米载体在一定条件下，确实可能有某种类似穿膜多肽的功效，但具体的机理还有待考证。

我们课题组在基于PMPC 的聚合物药物载体方面也有较多的研究。

Xu 等
［68］
制备了一种基于胆固
醇的ATＲP 引发剂，再进行MPC 单体聚合，从而制备了以PMPC 为亲水段、以胆固醇为疏水段的聚合物。

这种聚合物能形成单分散性良好的胶束且具有良好的生物相容性，并能实现药物的缓释。

在用两亲性共聚物制备组装体时一般需引入有机溶剂，可能会对生物分子产生影响，从而限制了纳米组装体在生物医学领域的应用。

为此我们设计了PEG -b-PMPC 全亲水嵌段共聚物［69］，在加入α-环糊精(α-CD )后能与PEG 嵌套并通过结晶作用形成囊泡结构，整个组装过程无需有机溶剂的参与。

这种α-CD /PEG -b-PMPC 包络复合物形成的仿细胞膜结构的纳米囊泡，可用于包载亲水抗癌药物DOX ·HCl 并实现药物的缓释。

我们还通过Michael 加成反应
制备了磷酸胆碱修饰的pH 响应的聚β-氨基酯
［70］
，这种聚合物的载药胶束的释药行为具有pH 依赖性，在pH =6.5的肿瘤微酸环境下，由于胶束的解
体从而实现比pH =7.4时更快的药物释放，因此可以有效地作为药物载体进行肿瘤组织的靶向给药。

羧酸甜菜碱两性离子共聚物也能很好地作为药物载体，同时由于羧基的存在，还能进一步修饰生物活性分子，从而达到主动靶向的功能。

Jiang 等
［71］
经过多步反应制备了PLGA-PCB 共聚物胶束并可用
于包载疏水药物多西紫杉醇，如图7所示，亲疏水两嵌段间较大的极性差距以及PCB 超强的水合作用，使得胶束非常稳定。

同时，胶束壳层的大量羧基可通过EDC /NHS 化学固定半乳糖分子，以荧光分子作为模型药物，发现载药胶束可以实现靶向传输(图7)。

Wooley 等［72］设计了侧链为炔键的聚磷脂骨架，通过半胱氨酸的巯基与炔键的点击反应得到两性胶束，并研究了胶束表面性质及其细胞毒性，发现具有比商用脂质体更好的生物相容性。

图7PLGA-PCB 胶束的合成及进一步功能化［71］
Fig．7
Synthesis of PLGA-PCB copolymers ，drug loading ，
and further functionalization ［71］
基于磺酸甜菜碱聚合物的载药组装体研究相对较少。

Luo 等
［73，74］
设计了几种含磺酸甜菜碱的载
药胶束，最近他们通过点击反应制备了三嵌段聚己内酯-聚甲基丙烯酸二乙氨基乙酯-聚磺酸甜菜碱
［75］
，该共聚物可用于包埋姜黄素并实现pH 响应
的药物释放。

体内药代动力学研究显示，该两性载药胶束能有效提升姜黄素的体内循环时间从而延迟药物清除。

3.2
两性聚合物前药聚合物前药
［76］
一般本身没有生物活性或活性
很低，经过体内酸、碱反应或生物代谢后变为有活性的物质。

而人体不同组织或细胞的化学参数不尽相同，如肿瘤组织一般呈弱酸性［77］
且其局部温度要比
周围正常组织高，肿瘤细胞内的内涵体和溶酶体具
有更强的酸性
［78，79］
( 5.5)以及癌细胞的细胞质中
存在大量还原型谷胱甘肽［80］
(GSH )等，这些特异性
化学进展，2014，26(11):1849 1858
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的机体条件连同外加条件如光照、加热、超声波等
［80］
，可以实现前药分子化学键的断裂，从而刺激
响应性地在病灶区域实现靶向药物释放。

相对于自由药物，前药可以有效增加药物的生物利用度，加强药物靶向性，并降低药物的毒副作用。

生物相容性
较好的PEG
［81］
和N -(2-羟丙基)甲基丙烯酰胺聚合物
［60］
(pHPMA )已被广泛用于制备多种抗癌药物前
药，如阿霉素(DOX )、紫杉醇(PTX )和喜树碱(CPT )等，细胞膜仿生的两性离子聚合物也可用于制备多种前药。

Emrick 课题组［81］在用两性离子聚合物制备前药方面做了较多工作。

他们通过两种方法合成了磷
酸胆碱聚合物PMPC 修饰的喜树碱(CPT )前药
［82］。

一种是以含有CPT 的ATＲP 引发剂直接引发MPC 聚合，形成每条聚合物链只含有一个CPT 药物的结构;另一种则是先用ATＲP 法合成了侧链带炔键基团的PMPC 共聚物，然后通过点击反应将叠氮化的CPT 接枝上去，CPT 可通过酯键的断裂释放出来。

最近，他们又制备了一种还原响应型的两性聚合物前药胶束
［83］
，其中CPT 通过二硫键连接在疏水侧链
上，在3mM DTT 的条件下，CPT 可得到较快释放。

另外，他们还合成了基于PMPC 的DOX 前药(polyMPC-DOX )
［84］
，如图8所示，其中DOX 通过
pH 响应性的腙键连接在聚合物上。

这种polyMPC-DOX 和自由DOX 相比，具有更低的半数抑制浓度(IC50)及更高的裸鼠可承受剂量。

进一步的，他们还研究了polyMPC-DOX 在植入4T1乳腺癌肿瘤的裸鼠的体内分布，发现能有效靶向至肿瘤处，未对正常组织产生任何不良损伤，同时在多次注射后机体不会产生免疫反应，
体现出PMPC 前药优异的生物相容性
［85］。

图8pH 响应的polyMPC-DOX 前药示意图［84，85］
Fig．8
Schematic illustration of pH-responsive polyMPC-
DOX prodrug ［84，85］
我们课题组
［86］
通过点击反应在可降解聚碳酸酯侧链上接枝了磷酸胆碱和含腙键的Mal-DOX ，这种前药胶束在pH =5.0时能快速释放出DOX ，从而
有效地抑制肝癌细胞生长。

另外，我们从之前的α-CD /PEG -b-PMPC 包络复合物囊泡中得到启发，如图9所示，先在环糊精上接枝带有腙健的DOX ，再与PEG -b-PMPC 进行嵌套，从而得到了载药量高达35%的准聚轮烷前药胶束［87］。

这种前药胶束能在肿瘤细胞
微酸性环境下快速释放DOX ，具有较好的抑瘤效果。

图9准聚轮烷前药胶束的制备及肿瘤细胞微酸性pH 下DOX 释放的示意图
［87］
Fig．9
Schematic illustration of preparation of supramolecular
prodrug micelles and pH-responsive release of DOX ［87］
4混合电荷材料
Whitesides 等［15］和Jiang 等［17］拓宽了两性离子
的研究范畴，
他们认为等量的正电和负电离子形成的混合电荷材料也具有类似两性离子的功能，并已经在多种表面的生物抗污研究中得到了证实。

混合电荷材料一般是由带负电的羧酸或磺酸分子和带正电的季铵盐分子组成，具有一定的分子可设计性，且拥有一些与常规两性离子不同的特殊性质，从而丰富了“两性离子”的概念。

小分子混合电荷材料也可用于修饰和稳定纳米粒子，使其能阻抗蛋白质的非特异性吸附。

我们课题组
［88］
首次将混合电荷用于修饰纳米表面，制备了
带有巯基的磺酸(HS-C10-S )和季铵盐(HS-C10-N4)分子，并将两者按1ʒ1的投料比用于修饰不同尺寸的金纳米球。

其中修饰16nm 的金球时，能在1 13的pH 范围和2000mM 的盐浓度下保持分散
稳定，并且还能良好地阻抗蛋白质吸附;而对于尺寸更大的50和100nm 的金纳米球，利用混合电荷材料相比于PEG2000具有更好的分散稳定效果和较小的流体力学直径。

我们还发现
［89］
，将这两种分子
以不同比例混合后再用于修饰16nm 金纳米球时，也具有类似的生理条件稳定性，还能有效地阻抗巨噬细胞的非特异性内吞。