多重载药纳米CaP_聚多巴胺支架的仿生组装及程序化释药研究_屈树新

系来调控纤维素的溶解和多层次结构；相比于NaOH/Urea/H2O等体系中的OH-，F-离子是一种尺寸更小、电负性更大的基团，具有更好的参与纤维素分子中氢键竞争的能力。

同时，从理论上讲，F-离子也将参与水分子间的氢键竞争，解离由于氢键作用而高度缔合的水分子，让更多的高活性水分子参与纤维素分子中氢键的竞争或屏蔽，提高纤维素分子在水体系中的稳定存在（即提高溶液稳定性）。

为此，我们将以前期工作为基础，以农作物秸秆纤维素为研究对象，希望通过引入氢键竞争体系实现其可控溶解和多层次结构调控。

首先，通过模拟计算和实验研究，对典型秸秆纤维素的分子内和分子间氢键进行系统研究，揭示氢键在秸秆纤维素多层次结构构筑中的作用机理。

其次，通过研究环境条件等物理化学作用对秸秆纤维素中氢键和多层次结构的影响规律，阐明外加氢键基元参与纤维素分子中氢键竞争、解离和屏蔽机制。

在水等环保型溶剂体系中，引入F-离子等小体积、强电负性基团，研究其对纤维素分子间/分子内氢键、以及水分子缔合体中氢键竞争的物理化学过程，优化出合理的水基纤维素溶剂体系及其适用的纤维素结构。

对秸秆纤维素溶液的热力学、流变学、加工等性能进行研究，建立基于氢键竞争和屏蔽作用的秸秆纤维素可控溶解和微纳结构调控方法。

这些目标的实现，对于生物质材料的环保化资源利用，具有重要的科学意义。

多重载药纳米CaP/聚多巴胺支架的仿生组装及程序化释药研究屈树新*（材料学院）1 概述骨缺损修复材料是临床上需求量最大的生物材料之一，人口老龄化、疾病及工业、交通和运动事故等意外所致的骨折或骨缺损等患者每年达数百万人，且有日益增多的趋势。

临床骨缺损修复包括一系列程序化的复杂过程，主要因为：第一，由于临床处置困难和不当易导致较高的骨愈合感染等并发症，即骨缺损合并感染，是临床治疗中较为棘手的难题，不合理的治疗容易使病情慢性化，甚至发展为感染性骨延迟愈合或骨不愈合；第二，术后容易产生疼痛，需要给予药物预防骨科围手术期的疼痛；第三，临床许多骨缺损与疾病有关，如骨肿瘤、骨结核等，需要多种治疗骨科疾病药物联合或分期用药，协同作用，增强疗效，降低毒副作用；第四，为避免大体积或病理情况下骨缺损发生延迟愈合或不愈合，常需要载入药物以促进和诱导新骨生长。

近年来，随着组织工程技术的发展，药物的范围已延伸至生长因子、细胞激酶、活性蛋白和非病毒基因（DNAs和RNAs）等，本申请书中“药物”也沿用该定义。

基于上述分析，骨愈合的修复过程中分别需要多种药物，在不同阶段刺激作用不同组织、细胞。

常见的口服、静脉注射等给药方式不仅对机体有一定的副作用，而且药物的输运可能受到某些组织的屏障作用，或者因骨创伤处的血供被破坏，难以在病灶部位给予有效剂量的药物。

*作者简介：屈树新，女，教授。

・16・本研究的结果将揭示纳米磷酸钙（CaP）的材料学特征（化学组成、结晶态、形貌、尺寸、表面物理化学性能、化学计量比等）和不同载药工艺对药物控释的作用及机理，并依据这些规律设计和研制具有不同载药、释药能力的载药纳米CaP；利用类海洋贻贝高粘性物质-聚多巴胺，仿生组装程序化释放多重药物的高强度CaP支架，调控多重药物在骨愈合过程的程序化释放，即定点、定时和定量地精确释放多重药物，以响应骨程序化修复的抗感染、治疗骨科疾病和促进骨生长等阶段，促进骨愈合。

2 国内外研究现状及发展动态分析CaP生物材料，如CaP骨水泥、CaP陶瓷或生物玻璃、金属基CaP涂层等，因与自然骨的无机质相似，具有优良的生物相容性和生物活性，已被应用于临床骨修复。

CaP生物材料同时也符合药物载体的要求，可通过不同物理或化学方法携载药物，保护和输运药物至病灶部位并控制药物释放。

相比高分子载体，CaP的降解产物是人体中常见的Ca2+和PO43-离子，避免高分子降解产物对机体或药物的副作用，因此，CaP是理想的骨科药物载体材料。

利用CaP作为药物载体的研究是骨修复材料研究热点之一。

磷酸钙骨水泥（CPC）能在室温或生理温度下自固化，可根据不同形状的骨缺损塑型，由于避免了高温烧结工艺，是理想的骨科药物的载体材料之一。

通过将药物载入CPC的固相或液相形成均质载药体系，其药物释放动力学主要是一个自发的扩散过程，基本符合Higuchi的基质扩散型模型，即在初期存在明显的突释，药物的累积浓度与时间的平方根成正比，难以持续稳定的释放。

因此，可在CPC中添加高分子，不仅可提高其初始力学性能、增强抗洗脱和植入后的自成孔能力，还可调控药物释放，实现药物的零级释放，即避免释放初期的药物突释，保持药物的累积浓度与时间成正比。

CaP陶瓷或传统的CaP基生物玻璃主要通过物理吸附方式载药，或在其表面涂覆高分子载入药物。

前者药物释放存在明显的突释，不能持续释放，而后者药物释放依赖于高分子的性能以及药物分子与高分子间的结合强度，同时高分子涂覆可能影响CaP的生物活性。

金属基CaP涂层骨修复材料结合了CaP优良的生物活性和金属的高强度性能，为了预防植入体术后感染，抗生素或银被载入CaP涂层。

采用温和的仿生或生物矿化的制备技术，可在CaP 涂层中携载药物、生长因子或蛋白质等。

通过一些高分子的官能团将药物锚定在CaP涂层上或封闭药物分子，避免药物释放初期的突释，控制药物释放。

研究发现CaP不同的分子结构、结晶度、掺杂等将导致不同的溶解度，通过溶解度的差异可控释药物。

对二维的CaP涂层和三维的CaP陶瓷或CPC而言，涂层的厚度，涂层或支架的孔隙尺寸、孔隙贯通性、孔隙分布及孔隙率等微观结构，将影响药物的释放动力学。

此外，高分子的加入、药物和释放环境介质的性质均会影响药物释放。

综上所述，影响载药CaP药物释放的因素非常复杂，主要有：第一，载体的材料学特征，如化学组成、结晶度、结构（孔隙结构、微纳米结构等）、表面物理化学性能等；第二，药物与载体间的结合强度和机制；第三，药物的含量和性质（化学组成、亲疏水性等）；第四，药物释放的周围环境因素。

目前关于CaP载药的研究主要通过控制CaP的材料学特征和通过载药工艺调控药物与载体间的结合等控制药物释放，而且主要集中在载单一药物的CaP骨修复材料的研究。

而临床处置各类由于疾病、创伤所致的骨缺损时，迫切需要多重药物的程序化释放。

近年来，国内外有一些关于双/多重骨科药物的研究报道，Tanzawa等研究发现在CPC中仅加入抗癌・17・药物顺铂，顺铂的释放和对肿瘤细胞活性抑制作用只能持续4周，如果同时加入抗癌药物的增强剂咖啡因，则可维持顺铂的持续释放，延长和增强顺铂对肿瘤细胞的抑制时间和作用，但是影响载双组份药物CPC的释放因素和机理均不清楚。

申请者前期采用两种药物与CPC粉末共混，发现双组份药物释放动力学基本符合Higuchi的基质扩散型模型。

进一步研究将药物、可降解高分子载药微球与CPC粉末共混制备载双组份药物的CPC，药物释放动力学分别满足Higuchi的基质扩散型和零级释放模型，分别响应早期的抗感染和后期的促进骨发生16，相关研究成果已经申请国家发明专利。

但是，由于CaP与药物分子间多为物理吸附，CaP对药物控释能力有限，而加入高分子虽然增强了对药物的控释作用，但其降解产物形成的酸性环境将影响药物的性能、释放以及CaP的降解。

因此，仅利用CaP的材料学特征、不同载药工艺和借助高分子，难以实现对多重药物的程序化释放。

随着纳米医学研究的发展，纳米CaP粒子作为药物载体的研究快速发展，其最大的优势是可通过纳米CaP粒子表面的官能团识别靶细胞。

虽然同样可能存在纳米粒子的毒性问题，但纳米CaP粒子的嗜酸性降解可保护其在正常的生理条件下稳定而在细胞内吞包囊、溶酶体或肿瘤周围等低pH环境中才降解，降解产物是人体所需的Ca2+和PO43-离子，因此，纳米CaP粒子的生物相容性显然优于其它无机纳米药物载体。

此外，纳米CaP粒子还具有适当的表面物理化学性能、正常生理条件下不易酶降解和pH敏感降解等特点，使其可作为全身不同组织所需药物、细胞内成像染料、基因和蛋白质等的载体。

一般药物的携载与纳米CaP粒子的合成同步进行，常规的做法是通过纳米CaP粒子表面吸附药物，或者借助一些表面活性剂的官能团增强药物与纳米CaP粒子间的吸附，或者设计核壳、双壳或多壳纳米CaP粒子结构。

生物矿化研究结果显示，还可通过不同有机分子作模板，仿生矿化合成具有不同形貌、尺寸、化学成分、表面物理化学性能和结晶度等材料学特征的CaP等无机粒子，相应地，通过这些材料学特征可调控药物的释放动力学。

因此，纳米CaP粒子的独特设计、制备多样性及载药、释药特性，克服了传统CaP对药物释放可调控性不足，为制备程序化释放多重药物的CaP支架提供了可能。

但是，单纯载药纳米CaP并不适合应用于骨缺损填充，因此，需要将其组装成具有一定力学强度的骨修复支架，目前尚未见类似的研究。

受海洋生物贻贝超强粘附能力的启发，研究人员发现贻贝的足腺细胞能分泌出一种超强度粘液，在海水中凝固成足丝，紧密附着在礁石或船底表面。

其主要成分是儿茶酚氨基酸二羟基-L-苯丙氨酸（多巴，Dopa，C6H3(OH)2-CH2-CH-NH2-COOH）及少量的赖氨酸。

研究表明，结合了Dopa的儿茶酚官能团和赖氨酸端氨基官能团的多巴胺同样具有这种高粘接性能。

多巴胺在碱性条件下可发生氧化交联反应，形成具有超强粘附性能的聚多巴胺。

聚多巴胺中含有大量的儿茶酚官能团，可以降低材料表面与水的接触角，提高材料表面的亲水性能，还可提高细胞在材料表面的粘附、扩展及增殖，因此，已被应用于生物材料的改性。

此外，聚多巴胺的儿茶酚官能团在碱性条件下可脱质子化，形成氧负离子，对CaP中的Ca2+具有较强的亲和力，有利于钙离子富集，从而形成结合紧密的HA，有望被应用于增强载药纳米CaP间的结合能力，克服因携载的药物占据纳米CaP活性位点而导致CaP支架力学性能下降的不足。

另一方面，聚多巴胺中大量的儿茶酚官能团及氨基官能团可与含有巯基、氨基、羧基等的药物发生迈克尔加成反应或席夫碱反应，利于药物的固定及控制释放。

近年来，已有一些项目受国家自然基金委的资助，如“多巴胺的自聚-组装行为及其多功能膜与纳米微球的研究”、“基于多巴胺的新型蛋白质固定相的研究和应用”和“基于多巴胺超强附着行为的PVDF微孔膜表面修饰剂机理研究”等，均围绕多巴胺・18・的高粘性展开研究。

申请者前期研究了CPC中加入多巴胺，发现多巴胺加入后易氧化交联成聚多巴胺，可促进CPC中二水磷酸氢钙（DCPD）的转化且形成紧密连接的内部结构，对CPC最终的相成分没有产生明显的影响，极显著地提高CPC的力学性能。

但多巴胺对载药CPC的水化反应、理化性能、药物释放的影响以及聚多巴胺的降解和生物相容性等还需要深入的研究。

基于上述国内外关于CaP载药和多巴胺的研究，本申请提出利用纳米CaP的材料学特征（化学组成、结晶态、形貌、尺寸、表面物理化学性能、化学计量比等）和不同的携载工艺对药物控释的作用规律；设计、研制不同材料学特征的载药纳米CaP，作为主要的组装单元；利用类海洋贻贝高粘性物质-聚多巴胺，仿生组装携载多重药物纳米CaP/聚多巴胺的高强度CaP支架，实现在骨修复过程中多重药物的程序化释放；利用细菌、细胞培养和动物实验等评价其程序化释放多重药物的功能性作用和生物学性能；探索多重纳米载药CaP/聚多巴胺支架的材料性能-组成-结构的关系，揭示精确控制多重药物程序化释放的关键因素。