N-異丙基丙烯酰胺類納米水凝膠在生物識別中的研究進展

康玲玲，張禾蓉，王 哲，王家倫，孟子暉，薛 敏

(北京理工大學 化學與化工學院，北京 102488)

0 引 言

納米水凝膠(Hydrogel nanoparticles, NPs)是一類以水為分散介質，粒徑為1～1000 nm的具有內部交聯結構的納米顆粒聚合物，其具有良好的生物相容性，結構可設計性，高保水性和生物可降解性[1]。由于其高分子側鏈上一般含有親水基團和疏水基團，使其可以在水中溶脹而不溶解；其獨特的納米特性，如滲透效應、界面效應、尺寸效應、表面效應、體積效應等[2]，使其具有大量的活性位點可以偶聯其他的功能組份。智能型納米水凝膠是一類能夠感知外界環境的變化，而產生體積相轉變的凝膠體系，根據對外界環境的刺激變化可以分為溫敏性[3-4]、pH敏感性[5-6]、磁敏感性[7-9]、光敏感性[10-11]和分子敏感性[12]等智能水凝膠。有的智能水凝膠還可以對多個刺激產生響應，比如溫度和pH，這種智能型納米水凝膠叫做多重刺激響應性納米水凝膠[13-14]。其中最具代表性的是溫敏性納米水凝膠。

溫敏性納米水凝膠會隨著外界溫度的改變而產生體積的溶脹或收縮。這種變化是不連續的，在某一臨界溫度附近，溫度發生細小改變，而體積卻發生突躍變化，這種現象稱為水凝膠的相轉變。引起相轉變的溫度被叫做較低臨界溶解溫度(LCST)或較高臨界溶解溫度(UCST)。根據溫敏性納米水凝膠的相轉變特點，可以分為正溫度敏感納米水凝膠與負溫度敏感納米水凝膠。前者在環境溫度高于UCST時，隨溫度上升凝膠體積發生溶脹；而后者在環境溫度高于LCST時隨溫度升高發生皺縮。在目前研究的溫敏性納米水凝膠中，尤其是以負溫度敏感納米水凝膠的研究最多，其溫度響應性與氫鍵和疏水基團有關[15]。當溶液溫度低于LCST時，凝膠的親水基團與水分子間形成氫鍵，高分子鏈周圍的水分子將形成一種由氫鍵連接的、高度有序化的溶劑殼層，即水合層，使處于水中的凝膠網絡在低溫下吸水；隨著溫度的上升氫鍵被破壞，分子鏈間的疏水作用加強，使水分子從凝膠網絡中排出，凝膠產生相變，從而表現出溫敏性。此時高分子由疏松的線團結構轉變為緊密的膠粒狀結構，發生了coil-globule轉變[16]。其中研究最多的是由聚(N-異丙基丙烯酰胺)(PNIPAm)組成的納米水凝膠，它的LCST在32 ℃左右[17]。PNIPAm納米水凝膠之所以會出現臨界溶解溫度(LCST)，是因為PNIPAm聚合物中同時存在親水的酰胺基團和疏水的異丙基，其親水、疏水相互作用力的平衡導致了聚合物溶液可逆的相分離或沉淀(圖1)。若將溫敏性單體NIPAm和其他可以提供正/負電荷以及親水/疏水基團的單體共聚，制備得到的溫敏性納米水凝膠聚合物的LCST就可以通過改變加入的其他單體的種類和比例來調節[18-19]。如Debord等將疏水性單體N-叔丁基丙烯酰胺(tBAm)和電負性單體丙烯酸(AAc)加入到PNIPAm微凝膠體系中，通過調節各個單體之間的配比，使其LCST范圍從8～32 ℃可調節[20]。

目前研究的由NIPAm為單體聚合而成納米水凝膠已獲得了廣泛應用[21-25]。它在給藥系統[26-28]，蛋白質分離[29,30]，醫學診斷[31-32]，生物傳感器[33-35]，生物材料[36-38]等生物醫學領域中都顯示出了良好的的應用前景。本文重點闡述了NIPAm溫敏性納米水凝膠在蛋白及多肽的識別、藥物輸送與釋放和DNA分離等生物領域的應用研究和發展前景。也討論了其當前主要存在的一些問題及今后的發展方向。

圖1 PNIPAm納米水凝膠coil-to-globule轉變示意圖Fig 1 Schematic diagram of coil-to-globule transition of PNIPAm hydrogel nanoparticles

1 蛋白識別

蛋白質識別被認為是高分子生物材料與體液或組織之間相互作用的最重要方面。目前蛋白質的識別主要用到的是抗體，利用抗體與抗原的特異性結合作用能高效地識別蛋白。然而抗體造價昂貴，結構不穩定，而且只能使用一次，這些因素對抗體的大規模應用起到了很大的阻礙作用。因此能夠通過分子印跡或單體選擇結合特定生物大分子的合成聚合物納米顆粒作為抗體的替代品引起了人們極大的興趣[39]。Yu Hoshino等[40]以NIPAm等單體在溫和條件下采用分子印跡技術合成了蜂毒素印跡的納米水凝膠顆粒(圖2)，其對生物毒素蜂毒素具有與天然抗體類似的高親和力和選擇性。之后他們還對該水凝膠進行了生物相容性測試[41]，采用體內熒光成像技術觀測到這些NPs在血液中捕獲蜂毒素后，得到的蜂毒素·NPs復合物被肝臟共同清除出體內，降低了體內蜂毒素的毒性，從而大大提高了小鼠的存活率，這為尋找新的廉價的體內解毒劑提供了思路。

圖2 分子印跡聚合物微球和蜂毒素作用示意圖[40]Fig 2 Schematic of interaction between molecularly imprinted polymer and melittin [40]

然而其采用的分子印跡技術存在蛋白印跡困難，洗脫難度大，穩定性差等缺點[42- 43]。之后他們[44]以NIPAm作為溫敏性結構單體，N-(3-氨基丙基)甲基丙烯酰胺鹽酸鹽(APM)作為正電性單體，丙烯酸(AAc)作為電負性單體的，N-叔丁基丙烯酰胺(tBAm)作為疏水性單體，丙烯酰胺(AAm)作為親水單體，N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺(BIS)作為交聯劑，通過沉淀聚合的方法合成了一系列的納米水凝膠聚合物，且利用該聚合物的溫敏性，可以通過改變溫度來實現對蛋白質的吸附和解吸。并采用ELISA實驗[45]以及親和純化[46]等方法篩選出對不同目標蛋白具有高親和力的水凝膠，還研究了不同功能單體[47-48]、溫度[49]和分子量[50]等因素對吸附作用的影響。Lee等[51]用該水凝膠來特異性捕獲IgG蛋白，他們發現當單體配比為38%NIPAm，20%AAc，40%tBAm，2%BIS時，NPs對IgG具有最高的親和力，而且該結合是PH敏感的，可以用作蛋白捕獲劑。Koide等[52]通過設計功能單體，制備了一種對血管內皮生長因子VEGF165具有極高親和力的聚合物納米水凝膠顆粒，它能夠抑制該信號蛋白與其受體(VEGFR-2)的結合，從而防止受體磷酸化，并阻止VEGF165依賴性生長和遷移。此外體內實驗證明這些聚合物納米水凝膠顆粒可以抑制VEGF介導的新血管形成，而且這種無毒的聚合物納米水凝膠顆粒沒有任何的脫靶效應，這為尋找非生物蛋白質親和試劑提供了新的范例，對醫療研究有重要作用。Wong等[53]通過添加不同的功能單體來調控聚N-異丙基丙烯酰胺微凝膠的表面電荷，疏水性，pKa與吸附能力，并將優化后的微凝膠作為在溫和條件下水解酰胺鍵的催化劑。同時以含有1-乙烯基咪唑功能單體的微凝膠為實例提出了水解酰胺鍵和確定官能團間理論平均距離的機理，這為功能化水凝膠應用于醫療與生物化學轉化的酶模擬過程開創了新視野。Jeffrey等[54]通過選擇功能單體合成了一種治療蛇毒的高分子納米水凝膠，與由來自毒液免疫的特定哺乳動物血漿中的IgG組成的天然抗蛇毒血清相比，合成的NPs可以隔離眼鏡蛇中的主要蛋白質毒素。而且穩定，低成本的NPs可以在被蛇咬傷后立即皮下給藥，以停止或減少局部組織的損傷程度，并減輕毒素的全身分布，該NPs可以作為一種廣譜的抗蛇毒血清使用，并且不受生物療法的限制。

本課題組[55]將NIPAm，tBAm，AAc等單體以BIS為交聯劑在水中共聚得到一系列粒徑分布均一的納米水凝膠小球，通過優化NPs單體比例，使NPs對溶菌酶的吸附性能最佳，僅5 min即可達到吸附平衡。利用NIPAm的溫敏性特征，可實現對溶菌酶的脫附，從而提高了材料的重復利用性。

免疫學研究發現，當抗體識別抗原時，抗體只能與抗原的一部分，即抗原決定基作用，也就是說一個抗原決定基(表位)能代表一個抗原。在目標蛋白的表位上加入重組標簽，通過識別重組標簽而識別表位從而識別整個蛋白。蛋白質種類繁多，可以通過對重組標簽的識別來識別更多的蛋白質。Yoshimatsu等[56]將具有不同序列和長度的生物素化肽標簽連接至抗生物素蛋白平臺，并篩選對聚合物NPs的親和力。結果表明，由優化的15個氨基酸殘基組成的融合肽標簽(tMel-tag)可以提供對非生物聚合物NPs的強親和力，而且證明帶標簽的蛋白比沒有標簽的蛋白對NPs展現出更高的親和性，可以利用NPs/ tMel-tag相互作用的親和力和選擇性來制備高純度的重組蛋白。Li等[57]使用組氨酸標記的抗原決定基多肽作為模板制備了具有高模板利用率的表面印跡納米水凝膠，該水凝膠利用Ni2+與組氨酸之間的金屬螯合作用對抗原決定基多肽進行固定與解除，從而對目標蛋白達到很好的特定性識別能力。

針對目標多肽/蛋白表面的作用基團可以設計與之具有互補作用位點的聚合物[58]。通過優化功能單體的種類和比例，可以合成出與目標多肽或蛋白質表面多個位點具有親和力和選擇性的納米水凝膠顆粒[59]。但目前的研究大多僅僅處于實驗室階段，其應用還有待進一步驗證，相信在不遠的將來，隨著研究的不斷深入，納米水凝膠能夠代替天然抗體滿足醫學臨床的需要，突破生物醫學領域的局限，發揮其獨特的作用。

2 藥物輸送與釋放

藥物的輸送與可控釋放是目前智能納米水凝膠研究最多的領域。傳統給藥方式存在生物利用度低、副作用高和給藥頻繁等問題。而納米顆粒能進入人體血液循環體系或消化系統，越過生物屏障將藥物輸送到需要作用的部位[60-62]。納米水凝膠作為藥物輸送載體具有生物相容性好、載藥量高、保護藥物不被破壞、表面可連接具有靶向作用的配體等優點[62-64]。藥物負載的常規做法是將藥物包埋在水凝膠或由其制成的微膠囊中，包埋藥物的釋放速度和釋放量可以通過凝膠的溶脹程度來實現[65]。圖3是利用水凝膠的收縮和溶脹來實現智能型藥物釋放系統的原理。浸含藥物的凝膠粒子在身體正常狀態下呈收縮狀態，因為形成的致密表面層可以使藥物包含在粒子內。當感受到疾病信息后，凝膠體積膨脹，使浸含的藥物通過擴散釋放出來，當身體恢復到正常時，凝膠又恢復到收縮狀態，從而抑制了藥物的進一步擴散[66]。

NIPAm溫敏性納米水凝膠具有LCST，它可以通過感知外界溫度而對藥物的裝載與釋放進行控制，從而將藥物輸送到人體作用位點。它的釋藥模式為：溫度低于LCST 時水凝膠在藥物溶液中溶脹以吸附藥物；當溫度高于LCST 時水凝膠收縮而釋放藥物。Hsiue等[67]利用PNIPAm的溫敏性，在室溫下將治療青光眼的藥物封裝在交聯的聚合物網絡中，在眼部應用后(較高溫度下)，藥物逐漸釋放，而且其降低眼內壓的作用是傳統滴眼劑的6-8倍。Zhang等[68]在25 ℃下將模型藥物5-氟尿嘧啶(5-FU)裝入PNIPAm水凝膠中，然后將載藥水凝膠裝入透析袋中，構建了新型的熱敏藥物釋放系統(DDS，圖4)。與常規的負藥物釋放模式相比，這種新型的正藥物釋放模式，可以在升高的溫度下快速釋放藥物，在降低溫度時緩慢釋放藥物，該釋藥模型可以進一步控制藥物的釋放速率和釋放量，Sne?ana等[69]制備了一種以NIPAm和2-羥丙基甲基丙烯酸(HPMet)為單體的溫敏性水凝膠，在模擬生理條件下，通過高效液相色譜法驗證了制備的聚(NIPAm-co-HPMet)水凝膠在非那西丁的控釋中是一種良好的藥物載體。Cheng等[70]通過化學交聯法合成了由聚(N-異丙基丙烯酰胺)和羧甲基殼聚糖組成的水凝膠，用作持續長久釋放順鉑(CDDP)的藥物載體，減少了CDDP的治療濃度和劑量帶來的副作用。Andrei等[71]通過在PNIPAm水溶液中加入親水的右旋糖酐(DXT)，制備了具有改善保水性和藥物釋放特性的新型可注射溫敏水凝膠制劑。為了改善NIPAm體系水凝膠的LCST，使其接近人體溫度，更利于體內給藥，Hamcerencu等[72]以BIS為交聯劑，通過接枝交聯反應合成了基于結冷膠馬來酸酯(gellan maleate)/N-異丙基丙烯酰胺的熱可逆水凝膠，其LCST接近36℃(生理溫度)，并對其進行了藥物(腎上腺素和氯霉素)的體外包含和釋放以及體內生物相容性實驗，結果都表明該水凝膠可以作為一種可靠的眼用制劑。然而這些熱響應性納米水凝膠只能在溫度較高的組織中蓄積，熱靶向行為是被動和非特異性的。可以通過熱療和加入其它功能單體來調整納米水凝膠的LCST來選擇目標位置[73]，達到靶向治療的目的。

圖3 智能型藥物釋放系統原理Fig 3 Principle of intelligent drug release system

純的PNIPAm水凝膠本身機械強度較差，使它在藥物載體中的應用受到限制。Zhang等[74]為了改善PNIPAm的力學性能，合成了一種具有互穿聚合物網絡(IPN)結構的溫敏PNIPAm水凝膠。使IPN-PNIPAm水凝膠的玻璃化轉變溫度(Tg)比純PNIPAm水凝膠有所增加，其機械性能有了很大的提高。Chen等[75]以無毒的粘土和天然分子京尼平作為交聯劑，用一鍋自由基聚合光引發的方法，制備了一種新型的基于NIPAm的生物相容性好、機械強度高的雙網絡納米水凝膠復合材料，通過調整水凝膠中的交聯密度，保證了水凝膠的溶脹率和對阿司匹林的控釋性能。

圖4 通過調節外部溫度產生正向藥物釋放的新型熱響應藥物釋放系統(DDS)的示意圖[68]Fig 4 Schematic illustrations of the novel, thermo-responsive drug delivery system (DDS) to give a positive drug release by modulating the external temperature[68]

近年來，可以對多個外界刺激產生響應的智能納米水凝膠逐漸受到關注[76-77]，用NIPAm與其他刺激響應性單體共聚，可以得到同時響應多個刺激的智能納米水凝膠，達到對特定藥物的定點釋放。Ancla等[78]以NIPAm為主鏈單體，3-氨基苯硼酸為共聚單體，采用沉淀聚合法制備了具有葡萄糖刺激響應性的納米水凝膠，該凝膠隨著葡萄糖濃度增加而溶脹，可以作為胰島素的輸送載體，根據人體血糖濃度變化可控地釋放胰島素。Luo等[79]制備了具有溫度和pH雙重響應性的聚N-異丙基丙烯酰胺/羧甲基殼聚糖/多壁碳納米管半互穿納米雜化水凝膠(PNIPAm/CMCS/MWCNTs)。并用該水凝膠成功地捕獲了親水性抗腫瘤藥物阿霉素(DOX)，其可以負載蛋白質或親水性抗癌藥物用于腫瘤靶向治療。Muratalin等[80]采用無皂乳液聚合(SFEP)技術將PNIPAm與與丙烯酸(AA)，3-丙烯酰胺基苯基硼酸(3-APB)，(3-丙烯酰胺基丙基)三甲基溴化銨(ATMA)以及1-乙烯基咪唑(VI)多種單體共聚，得到的微凝膠對溫度，pH，葡萄糖和銅(Ⅱ)離子多重刺激敏感，其溶脹特性和接近人體溫度的體積相變溫度有望用于藥物遞送系統。

3 DNA分離

脫氧核糖核酸(DNA)是遺傳信息的載體，基因的實體。“人類基因組計劃”(Human Genome Project, HGP)的宗旨是測定人類染色體中核苷酸序列，從而繪制人類基因組圖譜[81]。因此DNA的分離和序列分析是基因組計劃的關鍵，也是基因研究的核心內容。目前使用毛細管電泳(capillary electrophoresis, CE)對DNA進行分離與測序的應用已經使用廣泛[82-84]，毛細管電泳是一類以高壓直流電場為驅動力，毛細管為分離通道，依據樣品中各組分之間淌度和分配行為的差異而實現分離的新型液相分離技術。憑借其高效、微量、高靈敏度及自動化等優點，毛細管電泳在對核酸、多肽、蛋白質等生物大分子的分離分析的生物醫學領域展示出很好的優越性[85-87]。CE對DNA的分析是通過在毛細管柱中填充凝膠或聚合物溶液等篩分介質形成凝膠色譜柱，依據DNA片段大小和形狀可以在電泳過程中實現篩分[88]。納米材料[89]、二氧化硅納米顆粒[90]、金納米棒[91]等作為復合分離介質已成功用于分離DNA[92]。這種凝膠毛細管柱雖然分離效率較高，但是高粘度交聯的聚合物會導致毛細管柱難以制備和維護。近年來報道的親水性聚合物溶液篩分體系的應用，很好地解決了這個問題[88]。其中NIPAm體系的水凝膠聚合物溶液不僅具有自動涂覆毛細管內壁的能力，而且可以通過溫度來調節水凝膠溶液的粘度使其更容易注入毛細管(圖5)，再利用NPs本身的交聯網狀性質對DNA實現很好的分離效果。

Sassi等[93]以PNIPAm凝膠微球制成的分離基質來分離DNA。這些微凝膠在溫度高于LCST時皺縮，形成低粘度狀態，在溫度低于LCST時發生溶脹，它們在低溫下纏結，可以獲得良好的篩分性能。然而該凝膠在膠凝化時會變混濁，不利于CE分離。通過向PNIPAm主鏈上接枝帶有側鏈的水溶性骨架即可解決該問題[94]。Liang等[95]制備了一種聚NIPAm和聚環氧乙烷(PEO)接枝共聚的(PNIPAm-g-PEO)NPs，它具有網格大小均一的篩分網絡結構，在毛細管電泳分離DNA時表現出良好的分離效果。此聚合物溶液可以在毛細管內壁形成動態涂層，從而抑制電滲流和DNA與毛細管壁的相互作用，并且容易將其灌入或沖出毛細管，提高了毛細管的使用效率和壽命。然而一般的基因測序溫度為50～60 ℃，該凝膠的低黏度狀態是在高于分離溫度的條件下獲得的，這不利于操作，因此具有反向收縮行為的聚合物也有許多研究。Sudor等[96]合成了一種PAm(聚丙烯酰胺)接枝PNIPAm的水凝膠用于DNA的分離，由于PNIPAm在低于LCST(約32 ℃)的水溶液中溶脹，而在高溫狀態下收縮沉淀。當將PNIPAm接枝在PAm骨架上后，PNIPAm能形成類似于膠束的聚集，并產生短暫交聯，大幅度降低了NPs的黏度(圖6)，對DNA取得了很好的分離效果。

圖5 利用NIPAm水凝膠的溫敏性使NPs固定于毛細管內壁Fig 5 The temperature sensitivity of NIPAm hydrogel enables NPs to be fixed to the inner wall of the capillary

圖6 LCST以上聚合物結構的簡單示意圖[97]Fig 6 Schematic diagram of polymer structure above LCST[97]

在CE分離時，如果溫度過高，水凝膠的熱增稠性能會使其發生團聚，本課題組[98]通過在PNIPAm的主鏈上引入親水且帶電的丙烯酸羥乙酯(HEAc)和丙烯酸(AAc)單體，設計并合成了一系列以NIPAm為基質的納米水凝膠顆粒，解決了NPs作為CE分離介質分離DNA在較高溫度下團聚的問題。我們還進一步探討了單體用量、NPs粒徑以及NPs在毛細管電泳中的濃度對DNA分離效果的影響，并在3 min內實現了對3個較短DNA片段(20、50和80 nt)的快速高效分離。

目前，利用NIPAm溫敏性納米水凝膠的聚合物交聯網絡結構用于毛細管電泳中不同DNA片段的分離與測序的報道尚不詳盡，有很大的進一步研究的空間，今后可以通過改變溫度來調整PNIPAm的交聯網絡大小，實現對不同大小的DNA分子的分離。也可以通過設計NPs的表面基團，利用NPs對不用DNA序列的吸附能力的差異，實現對相似DNA及其他生物大分子的分離。

4 結 語

NIPAm溫敏性納米水凝膠作為智能水凝膠的一種，利用它獨特的溫敏響應性能，在蛋白識別、藥物輸送與釋放、DNA分離等生物領域中展示出極大的應用前景。目前的研究結果為合成抗多種毒性蛋白和多肽的人工抗體提供了指導；通過擴大功能性單體的多樣性并優化單體的組合和比例，就可以獲得能用于體內靶向給藥的載體和用于毛細管分離DNA的介質。但是，它本身存在的缺陷，比如其單體種類仍比較單一，且對單體的配比數量要求比較嚴格，靶標蛋白的選擇也存在局限性，響應速度較慢以及機械強度低等嚴重影響了它在生物醫學領域中的實際應用。在其他領域，NIPAm溫敏性納米水凝膠的應用還比較少。但隨著相應研究的不斷深入，NIPAm納米水凝膠有望突破目前生物研究的局限，廣泛的應用在生物醫學及其他領域中。