CN102309760A - 一种阳离子型两亲性壳聚糖纳米药物载体及其制备和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种阳离子型两亲性壳聚糖纳米药物载体及其制备和应用，在壳聚糖分子上分别接枝亲油性小分子脱氧胆汁酸和亲水性小分子失水甘油基三甲基氯化铵，从而得到一种生物相容性好、可降解的两亲性壳聚糖材料。在广泛pH溶液中，这种两亲性壳聚糖材料在超声条件下可以通过分子自组装的原理快速形成粒径150-350nm且分布均匀的纳米胶束，其内部亲油结构有利于提高脂溶性药物在水溶液中的溶解度，进而有望提高药物在体内的生物利用度。该方法仪器设备要求简单、制备过程简单可控、易规模化。因此适于制备紫杉醇、阿霉素、喜树碱、长春碱等价格昂贵且水溶性差、生物利用度差的抗肿瘤药物纳米载体释放系统，作为抗肿瘤药物新剂型有着广阔的市场前景和潜在的肿瘤临床治疗价值。

Description

一种阳离子型两亲性壳聚糖纳米药物载体及其制备和应用

技术领域

本发明涉及亲油性药物纳米载体的制备以及药物的装载，具体来讲是一种在超声条件结合透析通过分子自组装制备表面亲水、内部亲油的纳米颗粒以及将油性抗肿瘤药物装载于内部亲油核中的方法。

背景技术

亲水和亲油片段组成的两亲性高分子在水溶液中通过分子自组装原理形成纳米胶束。由于该胶束表面亲水，内部亲油，因此这种胶束在药物载送与控释领域具有很多的优点，如，提高亲油性药物在溶液中的溶解度、避免易降解药物在未达到作用靶点的过程中发生降解、提高药物的生物利用度、延长药物在体内的循环时间、改善药物在生物体内的分布，同时还可以通过对胶束表面进行简单的修饰，使其靶向进入疾病细胞减少药物在使用时对正常组织的副作用(Science，2004，303，1818-1822)。因此，在过去的几年中，利用两亲性高分子制备的纳米胶束被认为一种非常有前景的应用于脂溶性药物、多肽、蛋白质、DNA等生物活性分子运输与控释的载体。考虑到两亲性高分子在制备过程中的成本、操作的简便可控性以及使用过程中的生物相容性等制备和临床应用因素，近年来，越来越多的研究趋向于利用天然的生物材料(如多糖)制备可生物降解，生物相容性好的两亲性高分子聚合物(Bioconjugate  chemistry，10.1021/bc070052e，Biomacromolecules，10.1021/bm7009587)。

壳聚糖是由氨基葡萄糖和乙酰氨基葡萄糖组成的多糖，它具有较好生物相容性、可生物降解以及毒性低等特点，已经被广泛用作组织工程支架、创伤敷料、止血材料等。同时由于其分子链中存在大量的氨基，并且在一定的条件下带正电的性质，已经应用于多肽、蛋白性、DNA和RNA等生物大分子药物载体的研究(Chemical Review，2004，104，6017-6084)。同样由于壳聚糖链中大量氨基的存在，对壳聚糖进行化学修饰显得尤为容易，故可在壳聚糖链上接枝亲油性小分子从而形成两亲性壳聚糖衍生物，并通过分子自组装原理在水溶液中制备纳米胶束。目前，制备两亲性壳聚糖高分子主要集中于以下两种方法，一是直接利用C8-C22的脂肪酸或者脂肪醇羧基化产物上的羧基，与壳聚糖上的氨基进行酰胺化反应接枝亲油性小分子(中国专利：CN1883708)；另外一种方法是利用C8-C22卤代烷烃或者C8-C22的醛分子分别与壳聚糖上的氨基进行亲核取代或者希夫碱反应并还原从而达到对壳聚糖上的氨基烷基化(中国专利：CN1839805)。以上两种方法，前者操作更简单。但是专利(中国专利：CN1883708)中仅仅局限于：在分子量为1.5-51KDa的壳聚糖链上接枝C8-C22的脂肪酸。低分子量壳聚糖降解较快，制备的药物载体存在着药的突释现象，不利于实验药物较长时间的控释。由于其专利中用到的脂肪酸是柔性直链，聚合物胶束经稀释后稳定性差，因此为了提高其稳定性，需要在纳米胶束表面用双功能性的小分子进行表面化学修饰，通过聚合物胶团表面的分子间的化学键架桥，以改善聚合物胶团的稳定性。而且，已有的研究表明，由于壳聚糖本身需要在酸性(pH＜6.5)条件下才能溶解，并且人的生理条件下血液的pH值为中性，因此在壳聚糖上面只拉杆亲油性小分子制备得到的两亲性药物载体材料由于中性条件下会沉淀很难在临床上应用。本发明试图采用一种碳原子数更多的脂肪酸与壳聚糖(15KDa-100KDa)通过酰胺化反应形成两亲性壳聚糖衍生物，随后在此两亲性壳聚糖衍生物上接枝季胺盐型亲水性小分子失水甘油基三甲基氯化铵，从而制备具备广泛pH值下易溶的两亲性壳聚糖衍生物，并且用亲油性抗肿瘤小分子紫杉醇为模型药物通过超声透析法考察其装载和释放。脱氧胆汁酸是体内本身就存在的一种重要的C24胆汁酸化合物，它具备无毒、生物相容性好以及可生物降解等特点。并且它是由几个环组成的具有刚性结构的脂肪酸，因此相对于常规的柔性链状C8-C22的脂肪酸而言，在壳聚糖链上有相同的接枝率时，形成的纳米胶束更加稳定，当然就避免了用双功能性的小分子对壳聚糖纳米胶束表面进行进一步化学修饰了，而在此基础上接枝亲水性小分子提高了两亲性壳聚糖衍生物的水溶性，从而大大增加了不同分子量壳聚糖的应用范围，同时制备工艺变简单，易于操作以及工业化生产。故本发明采用脱氧胆汁酸，壳聚糖和失水甘油基三甲基氯化铵接枝制备一种生物相容性好、可生物降解、稳定性的纳米药物载体装载亲油性抗肿瘤小分子紫杉醇，并考察其释放。结果意味这种材料可能有广阔的市场前景和潜在的肿瘤临床治疗价值。

发明内容

本发明提供一种阳离子型两亲性壳聚糖纳米药物载体及其制备和应用，其为一种新型的两亲性壳聚糖衍生物，该物质在超声条件下，通过分子自组装原理，可快速形成壳聚糖纳米胶束并且用该胶束装载抗肿瘤药物紫杉醇。

为实现上述目的，本发明采用的制备方案为：

一种阳离子型两亲性壳聚糖纳米药物载体，它先后由脱氧胆汁酸和失水甘油三甲基氯化铵分别壳聚糖中的氨基葡萄糖进行酰胺化反应和亲电加成反应从而制备得到由N-羟丙基三甲基氯化铵氨基葡萄糖、脱氧胆汁酸酰胺化氨基葡萄糖、乙酰氨基葡萄糖和氨基葡萄糖组成的水溶性好两亲性带正电的壳聚糖衍生物。

所述药物载体的制备方法，在催化剂EDC和NHS的催化作用下，用生物相容性好的Mw＝15KDa 100Kda的亲水性高分子壳聚糖和亲油性小分子脱氧胆汁酸通过酰胺化反应，从而形成生物相容性好、可降解的两亲性壳聚糖衍生物CS-DCA；通过在CS-DCA的基础上进行一步通过亲电反应接枝季胺盐形小分子失水甘油三甲基氯化铵(GTMAC)，形成季胺盐形两亲性壳聚糖衍生物；在水溶液中，利用分子自组装的原理，在超声条件下制备得到粒径150-350nm且分布均匀的纳米胶束；由于该胶束特殊是表面亲水、内部亲油，因此可以实现亲油性药物如紫杉醇的包埋装载，形成纳米药物释放系统。

具体操作过程如下，

1)室温下，将1-4g壳聚糖溶解于50-200mL盐酸水溶液中，随后用1-10N的NaOH将溶液pH调整到5.0-6.0，形成透明的1-2％(w/v)的壳聚糖溶液；

2)取脱氧胆汁酸，使脱氧胆汁酸的物质量与壳聚糖中氨基葡萄糖残基的物质量之比为0.10-0.30，将之加入到50-100mL的DMSO溶液中，随后向脱氧胆汁酸溶液中加入等物质量的EDC和NHS，并且保持EDC与脱氧胆汁酸的物质量之比恒定在1.0∶1-1.5∶1；脱氧胆汁酸、EDC与NHS在室温下于500-1500rpm反应30-60min；

3)将脱氧胆汁酸、EDC与NHS于DMSO中反应30-60min的混合溶液于30-60min内缓慢滴加到的壳聚糖溶液中，在500-1500rpm的搅拌速度下反应18-36h；

4)将上述反应混合溶液加入到200-500mL甲醇中，并且用NaOH溶液将pH值调节至中性使壳聚糖接枝产物沉淀，随后离心收集沉淀；

5)将上述沉淀重新溶于50-200mL pH1-5酸性的水溶液中，并且重复操作步骤中4)3-5次，但是最后一次将甲醇换为乙醇即可；将得到的白色凝胶产物于室温下真空干燥从而制备得到CS-DCA；

6)将上述产物CS-DCA取0.5-4g加入到25-200mL含有0.25-2.0mL乙酸的水溶液中并于500-1500rpm搅拌至充分混均，随后将上述混合液加热至40-60℃，并向其中滴加一定量的失水甘油基三甲基氯化铵(GTMAC)，反应18-36h；并且GTMAC与CS-DCA中氨基葡萄糖的物质的量的比例控制为3∶1至5∶1；

7)将上述反应液取出，并且用NaOH溶液将其pH值调节到中性，离心；将上清液置于透析袋中于清水透析3-5天，最后将透析液冷冻干燥，得到白色棉状产物HT-CS-DCA；

8)取一定量合成产物HT-CS-DCA，加入到pH＝5.0-7.8的PBS溶液中，使得HT-CS-DCA的浓度在0.5-5mg/mL，于18-40℃下低速振荡至溶解，随后用探针型超声仪于冰水浴中超声1-3min，工作时5-3s，停1-3s，重复2-4次，即可制备得到一定粒径均匀分布的纳米颗粒溶液；

9)取HT-CS-DCA溶解于水中，HT-CS-DCA的浓度为2mg/mL，在500-1500rpm搅拌的条件下并向其中滴加紫杉醇(PTX)甲醇溶液，使得甲醇溶液的体积与HT-CS-DCA溶液的体积比为1∶5-1∶20，随后将之用探针型超声仪超声10-40min，工作时5-3s，停1-3s；紫杉醇与材料HT-CS-DCA的质量为0.10∶1至0.3∶1；

10)将上述溶液置于透析袋于大量清水中透析18-36小时，随后用0.45-0.8μm滤膜过滤，并将滤液冷干燥即得到载有PTX的纳米药物载体材料。

所述步骤8)中产物浓度为1-4mg/mL，超声的功率为40-100W。

本发明具有如下优点：

1.设备简单，易于操作。本发明采用成熟的酰胺合成方法(在催化剂EDC和NHS作用下)，和缩水甘油中环氧乙烷官能团和氨基葡萄糖中伯胺进行经典的亲电加成利用两亲性壳聚糖衍生物，从而通过分子自组装原理，在超声和透析条件下制备纳米颗粒及其载药。所使用的机械设备只有一个探针型超声仪，且操作步骤简单。

2.产量可控，能实现规模化。本发明采用酰胺合成和环氧乙烷官能团与氨基葡萄糖中伯胺进行亲电加成技术制备两亲性壳聚糖高分子的产量可控，且易于放大，适合于亲油性药物的装载运输。

3.纳米颗粒易于穿透细胞膜。本发明采用超声制备出的纳米胶束的粒径均匀分布在150-350nm之间。临界胶束浓度在2×10^-2mg/mL～8×10^-2mg/mL之间，并且表面带正电，易于穿透带负电的细胞膜。

4.纳米颗粒进行装载抗肿瘤药物PTX的载药量和载药效率分别12.1％-19.3％和90.5％-55.4％，并且其载药的纳米颗粒在体外生理条件下具备缓慢释放的特性。

总之，本发明方法具有设备简单、操作方便、纳米颗粒粒径分布均一，，载药量大，药物释放缓慢，可进行一定规模化生产的优点。

附图说明

图1壳聚糖及其接枝脱氧胆汁酸形成产物的红外光谱；图1-a为24kDa壳聚糖原料的FTIR。图1-b为脱氧胆汁酸与壳聚糖氨基葡萄糖残基比为0.10∶1时产物的FTIR。图1-c为脱氧胆汁酸与壳聚糖氨基葡萄糖残基比为0.20∶1时产物的FTIR。图1-d为脱氧胆汁酸与壳聚糖氨基葡萄糖残基比为0.30∶1时产物的FTIR。图1中1652cm-1处的酰胺I相对于1600cm-1处胺基的增强，表明随着反应中脱氧胆汁酸相对于壳聚糖氨基葡萄糖残基物质量之比的增加，脱氧胆汁酸的接枝率是增加。

图2壳聚糖及其衍生物红外光谱；图2-a为24kDa壳聚糖原料的FTIR。图2-b为脱氧胆汁酸聚糖氨基葡萄糖残基比为0.20∶1时产物的FTIR。图2-c为失水甘油基三甲基氯化铵与CS-DCA中氨基葡萄糖残基比为3∶1时产物的FTIR。

图3为本发明制备的脱氧胆汁与CS中氨基葡萄糖的投料比为0.20∶1，而失水甘油基三甲基氯化铵与CS-DCA中氨基葡萄糖的投料比为3∶1时的产物在pH＝7.4PBS中制备的纳米颗粒粒径分布图(Z-average＝224.0±2.6nm，PDI＝0.09)以及形貌表征图(TEM)。

图4壳聚糖药物载体装载紫杉醇的释放曲线；图4-a为本发明制备的为本发明制备的脱氧胆汁与CS中氨基葡萄糖的投料比分别为0.1∶1，而失水甘油基三甲基氯化铵与CS-DCA中氨基葡萄糖的投料比为3∶1时的产物在PTX的质量比为1∶0.225条件下载药后于pH＝7.4PBS中释放曲线。图4-b为本发明制备的为本发明制备的脱氧胆汁与CS中氨基葡萄糖的投料比为0.2∶1，而失水甘油基三甲基氯化铵与CS-DCA中氨基葡萄糖的投料比为3∶1时的产物在PTX的质量比为1∶0.225条件下载药后于pH＝7.4PBS中释放曲线。图4-c为本发明制备的为本发明制备的脱氧胆汁与CS中氨基葡萄糖的投料比为0.3∶1，而失水甘油基三甲基氯化铵与CS-DCA中氨基葡萄糖的投料比为3∶1时的产物在PTX的质量比为1∶0.225条件下载药后于pH＝7.4PBS中释放曲线。

图5为本发明制备的为本发明制备的脱氧胆汁与CS中氨基葡萄糖的投料比分别为0.2∶1，而失水甘油基三甲基氯化铵与CS-DCA中氨基葡萄糖的投料比为3∶1时的产物在PTX的质量比为1∶0.225条件下载药后于pH＝7.4和pH＝6.0PBS中释放曲线。

具体实施方式

实施例1

1)室温下，将4g壳聚糖(24KDa)溶解于200mL盐酸水溶液中，随后用1N的NaOH将溶液的pH调整到5.6，形成透明的2％(w/v)的壳聚糖溶液。

2)取一定量脱氧胆汁酸，使脱氧胆汁酸的物质量与壳聚糖中氨基葡萄糖残基的物质量之比为0.1∶1，将之加入到100mL的DMSO溶液中，随后向脱氧胆汁酸溶液中加入等物质量的EDC和NHS，并且保持EDC与脱氧胆汁酸的物质量之比恒定在1.2∶1。脱氧胆汁酸、EDC与NHS在室温下于1000rpm反应30min。

3)将石胆酸、EDC与NHS于100mL的DMSO中反应30min的混合溶液于30min内缓慢滴加到2％(w/v)的壳聚糖溶液中，在1000rpm的搅拌速度下反应24h。

4)将上述300mL反应混合溶液加入到200mL甲醇中，并且用一定量的NaOH溶液将pH值调节至中性使壳聚糖接枝产物沉淀。随后离心收集沉淀。

5)将上述沉淀重新溶于100mL酸性(pH1-4)的水溶液中，并且重复操作步骤中4)3次，但是最后一次将甲醇换为乙醇即可。将得到的白色凝胶产物于室温下真空干燥从而制备得到CS-DCA，此条件得到的产物的FTIR见图1b。

6)将上述产物CS-DCA取1g加入到50mL水溶液中(0.5mL乙酸)并于1000rpm搅拌至充分混均，随后将上述混合液加热至50℃，并向其中滴加一定量的失水甘油基三甲基氯化铵(GTMAC)，使得GTMAC与CS-DCA中氨基葡萄糖的投料比为3∶1，反应24h。

7)将上述反应液取出，并且用4N NaOH溶液将其pH值调节到中性，离心。将上清液置于透析袋中于大量清水透析3天，最后将透析液冷冻干燥，得到白色棉状产物HT-CS-DCA。

8)取10mg合成产物HT-CS-DCA，加入到5mL，pH＝7.4的PBS(0.02M)溶液中，于37℃下低速振荡至溶解，随后用探针型超声仪于冰水浴中超声(80W)2min，工作时5s，停1s，重复三次，即可制备得到一定粒径均匀分布的纳米颗粒溶液。Nano ZS90测定其粒径为185.8nm，电位为14.1mV，其临界聚集浓度为0.079mg/mL。

9)取20mg的HT-CS-DCA溶解于10mL水中，在1000rpm搅拌的条件下并向其中滴加一定量亲油性小分子，如抗肿瘤性药物4.5mg紫杉醇(PTX)甲醇溶液，使得甲醇溶液的体积与HT-CS-DCA溶液的体积比为1∶10，随后将之用探针型超声仪超声30min，工作时5s，停1s。

10)将上述溶液置于透析袋于大量清水中透析24小时，随后用0.8μm过滤，并将滤液冷干燥即得到载有PTX的纳米药物载体材料。此条件下得到的材料的载药量和载药效率分别为12.1％和55.4％。

该条件下制备的载药纳米颗粒于pH＝7.4的条件下释放曲线见图4a。

实施例2

除脱氧酸与壳聚糖中氨基葡萄糖残基的摩尔比为0.2∶1外，其它条件同具体实施例1。

该条件下第一步接枝脱氧胆汁酸的合成产物的FTIR表征图谱见图1-c。

该条件下第二步接枝失水甘油基三甲基氯化铵的合成产物的FTIR表征图谱见图2-c。

该条件下制备的纳米颗粒的粒径强度分布图和TEM形貌表征图见图3(Z-average＝224.0±2.6nm，PDI＝0.09)。

该条件下制备的材料载取PTX的载药量和载药效率分别为16.8％和79％。

该条件下制备的载药纳米颗粒于pH＝6.0和pH＝7.4的条件下释放曲线见图5。

实施例3

除脱氧胆汁酸与壳聚糖中氨基葡萄糖残基的摩尔比为0.3∶1外，其它条件同具体实施例1。

该条件下第一步接枝脱氧胆汁酸的合成产物的FTIR表征图谱见图1-d。

该条件下制备的材料载取PTX的载药量和载药效率分别为18.1％和88.3％。

该条件下制备的载药纳米颗粒于pH＝7.4的条件下释放曲线见图4c。

实施例4

除脱失水甘油基三甲基氯化铵与壳聚糖接枝脱氧胆汁酸产物中的葡萄糖残基的摩尔比为5∶1外，其它条件同具体实施例2。

该条件下制备的产物的形成的纳米颗粒粒径为235.2nm，电位为23.3mV，并且临界聚集浓度为0.06mg/mL。

Claims (6)

1.一种阳离子型两亲性壳聚糖纳米药物载体，其特征在于：

它先后由脱氧胆汁酸和失水甘油三甲基氯化铵分别与壳聚糖中的氨基葡萄糖进行酰胺化反应和亲电加成反应从而制备得到由N-[(2-羟基-3-三甲基氯化铵)丙基]氨基葡萄糖单元、脱氧胆汁酸酰胺化氨基葡萄糖单元、乙酰氨基葡萄糖单元和氨基葡萄糖单元组成的水溶性好两亲性带正电的嵌段壳聚糖衍生物。

2.一种权利要求1所述药物载体的制备方法，其特征在于：在催化剂EDC和NHS的催化作用下，用生物相容性好的Mw＝15KDa-100Kda的亲水性高分子壳聚糖和亲油性小分子脱氧胆汁酸通过酰胺化反应，从而形成生物相容性好、可降解的两亲性壳聚糖衍生物CS-DCA；通过在CS-DCA的基础上进行一步通过亲电反应接枝季胺盐形小分子失水甘油三甲基氯化铵(GTMAC)，形成季胺盐形两亲性壳聚糖衍生物；在水溶液中，利用分子自组装的原理，在超声条件下制备得到粒径150-350nm且分布均匀的纳米胶束；由于该胶束特殊是表面亲水、内部亲油，因此可以实现亲油性药物如紫杉醇的包埋装载，形成纳米药物释放系统。

3.按照权利要求2所述的制备方法，其特征在于：具体操作过程如下，

1)室温下，将1-4g壳聚糖溶解于50-200mL盐酸水溶液中，随后用1-10N的NaOH将溶液pH调整到5.0-6.0，形成透明的1-2％(w/v)的壳聚糖溶液；

2)取脱氧胆汁酸，使脱氧胆汁酸的物质量与壳聚糖中氨基葡萄糖残基的物质量之比为0.10-0.30，将之加入到50-100mL的DMSO溶液中，随后向脱氧胆汁酸溶液中加入等物质量的EDC和NHS，并且保持EDC与脱氧胆汁酸的物质量之比恒定在1.0∶1-1.5∶1；脱氧胆汁酸、EDC与NHS在室温下于500-1500rpm反应30-60min；

3)将脱氧胆汁酸、EDC与NHS于DMSO中反应30-60min的混合溶液于30-60min内缓慢滴加到的壳聚糖溶液中，在500-1500rpm的搅拌速度下反应18-36h；

4)将上述反应混合溶液加入到200-500mL甲醇中，并且用NaOH溶液将pH值调节至中性使壳聚糖接枝产物沉淀，随后离心收集沉淀；

5)将上述沉淀重新溶于50-200mL pH1-5酸性的水溶液中，并且重复操作步骤中4)3-5次，但是最后一次将甲醇换为乙醇即可；将得到的白色凝胶产物于室温下真空干燥从而制备得到CS-DCA；

6)将上述产物CS-DCA取0.5-4g加入到25-200mL含有0.25-2.0mL乙酸的水溶液中并于500-1500rpm搅拌至充分混均，随后将上述混合液加热至40-60℃，并向其中滴加失水甘油基三甲基氯化铵(GTMAC)，反应18-36h；并且GTMAC与CS-DCA中氨基葡萄糖的物质量比例控制为3∶1至5∶1；

7)将上述反应液取出，并且用NaOH溶液将其pH值调节到中性，离心；将上清液置于透析袋中于清水中透析3-5天，最后将透析液冷冻干燥，得到白色棉状产物HT-CS-DCA。

4.按照权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述得到白色棉状产物HT-CS-DCA可进一步制备得到一定粒径均匀分布的纳米颗粒溶液，

具体为：取合成产物HT-CS-DCA，加入到pH＝5.0-7.8的PBS溶液中，使得HT-CS-DCA的浓度在0.5-5mg/mL，于18-40℃下低速振荡至溶解，随后用探针型超声仪于冰水浴中超声1-3min，工作时5-3s，停1-3s，重复2-4次，即可制备得到一定粒径均匀分布的纳米颗粒溶液。

5.按照权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述产物浓度为1-4mg/mL，超声的功率为40-100W。

6.一种权利要求1所述药物载体的应用，其特征在于：

1)取HT-CS-DCA溶解于水中，HT-CS-DCA的浓度为2mg/mL，在500-1500rpm搅拌的条件下并向其中滴加紫杉醇(PTX)甲醇溶液，使得甲醇溶液的体积与HT-CS-DCA溶液的体积比为1∶5-1∶20，随后将之用探针型超声仪超声10-40min，工作时5-3s，停1-3s；紫杉醇与材料HT-CS-DCA的质量为0.10∶1至0.3∶1；

2)将上述溶液置于透析袋于大量清水中透析18-36小时，随后用0.45-0.8μm滤膜过滤，并将滤液冷干燥即得到载有PTX的纳米药物载体材料。

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