生物基納米膠囊的合成與應用研究進展

吳述平，馬俊杰，陶江濤

(江蘇大學 材料科學與工程學院，江蘇 鎮江 212013)

生物基納米微膠囊是以生物質高分子材料作為囊壁材料，包裹所需藥物形成尺度為1～1 000 nm的微膠囊。芯材根據需要可以是固體顆粒、液體和氣體，甚至可以選擇活細胞或生物活性物質(主要用于醫藥)，而不造成活性損失或變性[1]，壁材主要選用生物質高分子材料，這種材料具有良好的生物相容性、無毒無害和可生物降解的優點，如殼聚糖、阿拉伯膠等，膠囊作用于靶標后，被人體內的酶或土壤微生物迅速分解，不會產生有害殘留物。同時生物納米微膠囊還具有改善芯材水溶性、有效防止降解、防止揮發性成分蒸發和有控制和有目標的釋放等特點[2]。

目前，國內外對微膠囊的研究和應用已相當廣泛，如食品、醫藥、農藥、材料助劑、生物制品等領域。然而，傳統方法制備微膠囊時都要用到有機溶劑，有機溶劑的大量使用容易帶來潛在的環境危害[3]，這使得微膠囊在某些領域的應用存在劣勢，例如農藥領域，有機溶劑會隨著微膠囊一起進入田地并流入土壤，不僅對土壤環境造成危害，同時也對水資源產生影響。納米微膠囊的小尺寸效應能使農藥與作物葉面之間的粘附性增強，同時也可控制核中農藥的釋放[4]，能大大提高農藥的使用率。因此，生物基納米微膠囊的制備和應用是目前微囊研究領域的一個重要方向。

本文從常用的生物高分子壁材、常用制備方法和應用領域方面，就當前生物納米微膠囊最新研究進展進行總結分析，并對未來研究方向進行了展望。

1 生物高分子囊壁材料

目前，制備生物基納米微膠囊的囊壁材料主要有殼聚糖、海藻酸鈉、阿拉伯膠、明膠、β-環糊精、麥芽糊精和瓊脂等生物高分子材料。

1.1 殼聚糖

殼聚糖(Chitosan)是一種天然多糖，由甲殼類動物殼中幾丁質的脫乙酰作用獲得，分子呈雙螺旋結構，具有生物降解性、無毒、抑菌、生物粘附和生物相容性等特點。殼聚糖是唯一大量存在的堿性多糖[5]，也是一種陽離子聚合物，其結構中富含羥基和氨基，可以與帶負電的聚陰離子基團交聯，如三聚磷酸酯(Tripolyphosphate)[6]，殼聚糖和三聚磷酸酯的離子交聯已經被應用于納米微囊的制備。殼聚糖制備的微囊具有良好的黏附性，可以很好地解決藥物在作用部位易脫落的問題，例如農藥在疏水葉面易脫落情況。殼聚糖表面富含的多糖鏈進入人體后能被器官或細胞特異性識別，更精準地發揮作用。殼聚糖制備的載藥微囊的藥物釋放速率與殼聚糖的濃度和分子量有關，可以通過控制殼聚糖濃度和分子量來控制藥物的釋放速率等，在農藥和醫藥等方面具有良好的應用前景。張蘭等[7]采用離子凝膠法，以殼聚糖為壁材，丁香精油為芯材，三聚磷酸鈉為交聯劑，制備出的丁香精油殼聚糖納米微膠囊呈類球狀，殼核結構，平均粒徑達到236.67 nm，尺寸分布均勻，穩定性好等特點。

1.2 海藻酸鈉

海藻酸鈉(Sodium alginate)是從褐藻海帶或馬尾藻中提取出的線性天然生物多糖，是一種可再生的海洋資源，具有良好的水溶性、生物相容性、可生物降解性和無毒性，很適合作為納米膠囊的囊壁材料。目前研究表明以海藻酸鈉為囊壁所制備的藥物微囊可提高疏水藥物的溶解性[8]。Soraya Ghayempour等[9]采用微乳液法研究了超聲波攪拌器、實驗室反應器和機械攪拌器對海藻酸鈉納米膠囊的影響，研究了納米膠囊的粒徑分布。結果表明超聲波攪拌器是微乳液法制備香精油/海藻酸鈉納米膠囊的最佳裝置，超聲攪拌法制備的納米膠囊尺寸約為56 nm，用超聲波攪拌器獲得納米膠囊的掃描電鏡照片。

海藻酸鈉和殼聚糖兩種聚合物通常共同用來做制備納米微囊的囊壁材料，兩種物質均具有良好的生物相容性和生物可降解性，海藻酸鈉是一種具有良好生物活性的聚陰離子多聚糖，殼聚糖是一種聚陽離子電解質[10]，兩者通過正負電荷之間的靜電引力作用聚合制備出海藻酸鈉/殼聚糖微囊，具有無毒性和能夠表現出不同的親水或疏水性等特點，其用作藥物、氨基酸和乳酸菌類等活性物質的載體在生物醫學領域取得了較大進展[11]。Pranee Lertsutthiwong等[12]研究了將姜黃油在海藻酸鈉水溶液中乳化，然后再與氯化鈣、殼聚糖凝膠化，最后除溶劑制備得到粒徑為(522±15)nm和(667±17)nm的含有姜黃油的殼聚糖-海藻酸鈉納米膠囊，研究表明實驗中殼聚糖的分子量、殼聚糖/海藻酸鹽質量比以及配方中殼聚糖的添加順序對納米微膠囊的特性具有較大影響。

1.3 β-環糊精

β-環糊精(Beta-cyclodextrins)是一種環狀低聚糖，由7個葡萄糖單元組成[13]，呈截斷的圓錐型狀，空間結構規整，空腔內呈疏水性，外層呈親水性，較易與極性疏水性藥物分子形成包合物[14]，不但能夠增加藥物的生物相容性，還能起到一定的緩釋作用，在微膠囊制備中較常見。石春韜等[15]采用超聲波法制備肉桂油-β-環糊精納米微囊，結果表明所制備的納米微囊平均粒徑為456.7 nm，包埋率可達38.17%。

1.4 阿拉伯膠

阿拉伯膠(Gum Arabic)是來源于豆科的金合歡樹屬的樹干滲出物，主要成分為高分子多糖類及其鈣、鎂和鉀鹽，具有高度的水中溶解性和較低的溶液粘度[16]，且具有良好的乳化性和成膜性，溶液穩定性好，是目前應用最廣泛的兩親性多糖，結構中的親水多糖和疏水蛋白組分使其在油水界面具有乳化活性，是最早用作包埋風味物質和油脂的壁材，應用在制備微囊時，其疏水部分將阿拉伯膠分子固定在液滴表面，親水部分通過空間位阻和靜電斥力提供對液滴聚集的穩定性[17]，但其價格也相對較高。目前關于用阿拉伯膠或其復合材料制備納米微囊的研究在國內國外都較少，但阿拉伯膠具有良好的成膜性和乳化性等特點，在制備納米微囊方面具有巨大的優勢。Hamid Rajabi等[18]采用離子凝聚法制備了殼聚糖和阿拉伯膠配合物包裹藏紅花提取物的納米微囊，通過TEM顯示納米微囊表現出光滑的球形和均勻的粒徑分布，納米微囊粒徑為183～295 nm。

2 納米膠囊合成方法

納米技術日趨成熟，廣泛應用于航空航天、食品、醫藥、農藥等領域。針對芯材和壁材的特點，目前用于制備納米膠囊的方法主要有界面聚合法、納米沉淀法、層層自組裝法、復凝聚法和高壓靜電噴霧法等。

2.1 界面聚合法

界面聚合法制備納米微囊是以聚合物的液面縮聚反應，即芯材藥物和其中一種壁材單體以微小液滴的形式加入到另一種與之不相溶的壁材單體溶液中，采用機械攪拌使其分散，兩種單體在界面處發生界面縮聚反應，如果一種壁材單體可以自行聚合，則無需涉及第二種單體，則為原位聚合法。通常只依靠機械攪拌分散不足以使微囊呈納米級。因此，經常使用帶有毛細管的細針注射器，并將注射器針頭放置在非常靠近液體表面的位置，然后在針頭與液面之間通入高壓直流電[19]，即可在溶液中得到納米膠囊，此步驟類似于高壓靜電噴涂法。界面聚合法工藝簡單，反應速率較快，而且對單體的純度和配比要求不嚴，是目前制備納米微囊的常用方法，但在其反應過程中需要用到乳化劑和分散劑等有機溶劑，不僅會影響納米微囊的粒徑和壁厚，還會影響到藥物的釋放，同時其反應速率快也會導致反應難以控制等，所以減少有機溶劑的使用和控制反應速率是界面聚合法改進的方向。Fiora Artusio等[20]研究了微乳液陽離子聚合法制備聚合物納米膠囊，在水中進行乙烯基單體(三乙二醇二乙烯基醚)的陽離子紫外光活化聚合，水包油微乳的連續相和分散相的反應限制在界面處，得到了核-殼結構，成功合成了納米微囊，并對其尺寸進行了研究，結果表明，通過作用于超聲暴露時間來設計納米膠囊尺寸是可行的，最小尺寸為200 nm。

2.2 納米沉淀法

納米沉淀法主要是利用溶劑和非溶劑之間的界面作用力，通常情況下選擇有機介質作為溶劑，非溶劑主要是水，然而，只要溶解度、非溶解度和混溶性條件滿足，就可以使用兩種水相或者兩種油相[2]。將壁材和芯材藥物溶于可溶性有機溶劑中，再在其中加入含有表面活性劑的水或其他非溶劑，在機械攪拌的作用下，油相自發的形成納米級微小液滴，在水或其他非溶劑中不溶的囊壁材料自發地向界面移動，形成包裹著芯材藥物的納米微囊，并不斷沉積。此法和界面聚合法相似，但相比于界面聚合法，納米沉淀法具有粒徑小且分布均勻、分散性好、包裹率高和成本低等特點，可實現規模化生產。Ruth Lancheros等[21]采用通過納米沉淀法生產PLGA納米顆粒的方法研究增強N-乙酰半胱氨酸(N-acetylcysteine)在用于藥物遞送系統的聚乳酸-羥基乙酸共聚物(Polylactic acid-glycolic acid copolymer)納米顆粒中的截留中，用納米沉淀法制備的納米顆粒尺寸為(235.5±11.4) nm，其截留效率為(0.4±0.04)%，比負載為(3.14±0.33)%，研究發現粒徑不會受非溶劑粘度、溶劑類型、溶劑或非溶劑中的NAC濃度的影響，但溶劑和非溶劑之間的比例、聚合物濃度和分子量以及不同溶劑-非溶劑對的使用會影響到粒徑的大小和分布。

2.3 層層自組裝法

層層自組裝法是制備納米膠囊較為常用的方法。所謂自組裝，是指聚合物自身或與其他聚合物依靠其特殊的性質、結構或官能團等在一定條件下能自動發生反應組裝和結合。層層自組裝法是以帶正負電荷的粒子作為模板粒子[22]，將芯材藥物加入到帶有不同電荷的電解質聚合物溶液中，利用正負電荷的相互作用，電解質聚合物便會與芯材藥物聚合形成沉淀粒子，經過改造便可形成二維或三維的納米微囊。這種方法主要采用脂類聚合物作壁材，由于脂類分子的兩親性和分子形狀，它們可以在稀水溶液中聚集成封閉的球形雙層結構，即所謂的囊泡或脂質體，這些聚集體的空心球形態使它們適合作為制備更穩定的納米膠囊的前驅體[23]。該方法的特點是納米膠囊的包埋率和致密性較好，反應速率快，可以更準確地控制納米膠囊的尺寸和形貌。這種方法制備出的納米微囊的性質相對依賴于電解質溶液，因此電解質溶液的類型和沉淀次數對納米膠囊的壁厚和表面特性影響較大。Shabbar Abbas等[24]通過自組裝法將食品級聚電解質連續沉積在富含姜黃素(親脂生物活性化合物)的油滴(中鏈甘油三酯)上，以直徑為(142.7±0.85) nm的納米乳液負電荷液滴(-39.4±1.84) mV為模板制備納米膠囊，所得納米微囊的顆粒直徑為(159.85±0.92) nm。

2.4 復凝聚法

2.5 高壓靜電噴霧法

高壓靜電噴霧法主要是利用聚合物溶液在高壓電場作用下的動力學來制備納米微囊，是目前制備納米級微膠囊最簡單的新方法，操作簡單，不使用乳化劑、分散劑，不需要嚴格的實驗條件。高壓靜電噴霧法是將聚合物水溶液或醇溶液置于帶有平頭針的注射器中，在針頭處施加高壓，在接收裝置處接地線，兩者之間形成高壓電場。在注射過程中，聚合物溶液中富含大量帶電荷液滴，液滴在注射力、電場力、靜電斥力、表面張力和重力的作用下，針頭處的液滴隨著電壓升高由球狀被拉伸成錐形，即所謂的“泰勒錐”，當電場強度增加到電場力能夠克服液體的表面張力時，即圓錐頂點上所帶電荷到達Rayleigh[28]極限，液滴從“泰勒錐”中噴出至接收裝置上，形成納米膠囊。靜電噴霧制備載藥微囊時，需要用到同軸共噴技術，即芯材藥物溶液和聚合物溶液分別置于兩個注射器里，并可賦予其不同的注射速度，并將兩針頭通過細塑料管接到同軸共噴針頭上進行噴射。該方法操作簡單，但控制參數較多，如溶液濃度、溶劑種類、注射速度、作用電壓和作用距離等，同時制備過程中空氣濕度也會影響結果，當空氣濕度較高或溶劑不易揮發時，可通過在電場中加入加熱裝置來促進其揮發。高壓靜電噴霧法制備出的納米微膠囊具有結構規整、粒徑分布較窄，分散性好等特點。王苗苗[29]以聚乳酸為囊壁，采用同軸靜電噴霧技術制備出了莽草酸納米微囊，通過掃描電鏡觀察到微囊粒徑為600 nm左右且呈類球型顆粒狀分布，具有明顯的緩釋效果。

3 應用領域

3.1 農藥領域

傳統農藥在使用過程中存在諸多弊端，例如許多植物葉子具有天然疏水性。植物表皮細胞外覆蓋著一層由親脂性植物蠟質構成的疏水層[30]，農藥作用于葉片后難以吸附在葉片表面或吸附力較弱，會很快自然脫落。同時，雨水的沖刷也會造成農藥流失，不僅不能高效地發揮藥效，還會造成水土資源的污染。此外，農作物根系還會吸收流失在土壤中的農藥，使得農藥在農作物中積聚，影響作物品質，進而進入食物鏈威脅人體健康。藥物低效導致農藥的大量使用，長此以往將導致我國許多地區的瓜果、蔬菜、土壤和水中農藥殘留超標[31]。納米農藥微膠囊是利用納米技術對化合物進行化學修飾制備得到的具有環境響應性控釋的靶向農藥[32]，它的出現極大的解決了這些問題，納米技術將農藥顆粒從傳統的5 μm降低至100 nm[33]，成品有液體和粉末兩種形式，其使用方式與傳統農藥差異不大，但作用機制大不相同，當納米農藥作用于葉面時，其小尺寸效應可增加微囊與葉面的吸附力，減少脫落，同時其大比表面積增加了農藥的作用面積，微囊中的農藥成分通過滲透方式或囊壁破裂的方式作用于靶體，提高了農藥使用效率，同時余下的囊壁材料會留到土壤中降解，不會對環境和作物產生任何不利影響。

3.2 醫藥領域

在醫學上，藥物在人體內的傳遞運輸是藥物發揮作用的重要前提，傳統藥物一般通過口服或注射等方式進入人體，然后輸送至靶器官/細胞發揮作用。無論口服還是注射，藥物在傳遞到靶器官/細胞之前都需要經過人體的傳遞系統(血液傳輸，腸道傳輸)，任何藥物都具有一定的毒性，藥物在傳遞到靶器官/細胞之前是否會被胃酸腐蝕，是否會對血細胞等其他細胞或器官造成危害，能否準確有效地作用于靶器官/細胞，都會影響藥物的療效。目前，納米醫學已成為一門新興學科，在藥物輸送方面做出了重大貢獻。藥物用壁材包裹可以掩蓋藥物的不良氣味，選擇合適的囊壁材料包裹著芯材藥物可使藥物避免pH、溫度、酶等因素引起的降解或突發釋放[34]，提高藥物的溶解性和有效性[35]，同時也在一定程度上控制了芯材藥物的釋放速率，更高效地作用于所需要的地方,最大限度地提高治療效果并減少副作用[36]。醫藥納米膠囊是由高分子材料包裹藥物形成的具有核殼結構的膠囊。壁材主要為聚乳酸及其共聚物、多糖、樹膠等可降解高分子材料或合成高分子材料。這類材料具有良好的生物相容性和可生物降解性，毒性小并且發揮作用后會被人體內的酶所分解進而排出體外，這種可降解的生物質納米微囊在醫藥方面具有很好的應用前景。Wei-Ching Liao等[37]研究了酶、pH、光、適配體-配體復合物和氧化還原劑等刺激因素對DNA-聚合物納米載藥微膠囊藥物釋放的影響機制。

3.3 食品領域

目前，許多天然食品生物活性成分對于儲存條件十分敏感[38]，如益生菌、魚油、活性肽、功能性蛋白等，其中的營養成分很容易受到外界條件影響導致失活變質，如高溫、高濕、光暴等條件，很有必要提高其穩定性并獲得較長的保質期。同時，一些營養物質自身帶有難聞的氣味和味道，使用時會產生抵觸情緒[39]。封裝是食品和制藥工業中最常見和最廣泛的應用,將營養物質以微膠囊的形式包封起來能有效的解決這些問題。納米技術應用到食品封裝得到的納米微膠囊有效地降低了氣味的擴散，增強了營養物質的穩定性，避免了營養成分與外界環境直接接觸，使加工、運輸、儲存更加方便，同時也可以避免營養成分變質，延長了保質期。納米微膠囊的精準靶向和控制釋放的特點，提高了人體對營養物質的吸收和消化，提高營養成分的生物利用度。其中噴霧干燥法是目前制備食品納米微膠囊最簡單、最經濟的一種封裝技術[38]。Md Saifullah等[40]對風味和芳香化合物納米微膠囊的封裝、保留和控制釋放進行研究，結果表明納米微膠囊可以很好地促進風味化合物在食品中的分布，并有助于延長調味料的釋放。同時溫度、pH、酶等因素會導致風味在食品加工過程中被降解，所以要根據加工方式和食品的不同選擇合適的風味加入方式。

4 結語

綜上所述，生物基納米膠囊具有尺寸小、黏附性好、緩釋效果好、包埋率高、可生物降解和生物相容性等特點，在食品、醫藥、農藥等諸多領域具有良好的應用前景，目前，微膠囊技術相對成熟，微囊制備技術無論化學或是物理方法很多，但納米膠囊技術還處于初步階段，要制備出納米級微囊并不影響藥物使用效果的方法仍是有限，上述雖然介紹了幾種制備納米微囊需要的壁材和方法，但是每種方法或多或少存在瑕疵，如乳化劑和分散劑等有機溶劑的使用、制備條件要求嚴格、粒徑較大等，因此改進現有方法或探索新方法以更有效地制造更好的納米膠囊是該領域未來的發展方向。