(下)几种缓释制剂载体的研究进展

2007-11-02

 

    4.2 蛋白质药物包埋技术

    许多方法可用于温敏性水凝胶包裹蛋白质药物,主要有原位交联聚合包埋技术和物理吸附技术。

    最简单的原位交联聚合包埋技术是将蛋白质药物与单体、交联剂以及引发剂溶液混合,在适当的反应条件下聚合,将蛋白质药物原位包埋于所形成的聚合物基体之中。也可以对上述方法进行改进,将蛋白质药物和预先制备好的聚合物溶液混合,并通过聚合物的交联,将蛋白质药物包埋于交联聚合物之内。在原位交联聚合包埋法中的聚合反应既可以采用化学法也可以用辐射法引发,辐射法可使聚合反应在较低温度下进行,因此包埋的蛋白质药物能保持较高的活性。但是,原位交联聚合法包埋蛋白质药物的技术有其固有的缺陷,聚合过程中的副反应和有机试剂都可能对蛋白质药物的活性有很大的影响。

    在温敏性水凝胶包埋蛋白质药物技术中使用最为广泛的是物理吸附技术,即蛋白质后包裹技术,是将预先制备好并纯化后的聚合物浸泡于蛋白质药物的水溶液,通过物理吸附以达到蛋白质药物在聚合物和溶液中的平衡分布,从而实现蛋白质药物固定于水凝胶中。该技术的优点在于可通过后处理方法将聚合物制备过程中残留的单体、引发剂、交联剂等除去,已保证蛋白质药物的活性不受影响。然而,该技术有其限制因素,即载药量太低,通常低于0.1%(重量比)

    4.3 在药物缓释中的应用

    温敏性水凝胶可以感应环境温度的变化,改变溶胀-收缩状态来控制药物的释放。温度变化可以是由于机体自身生理状态变化而产生,也可以是人为采取的措施使局部温度发生变化。

    (1)负热敏性药物释放系统

    热敏性整体式水凝胶可以响应温度的逐步变化制备开/关式药物控释膜。开关控释膜的形成可以认为是温度的突然变化时,凝胶表面比其内部收缩快很多,形成一致密渗透率低的皮肤层。当温度低于LCST时,水凝胶处于溶胀状态,充满整个阀门区,阀门区处于关闭状态;当温度高于LCST时,水凝胶收缩,阀门区有很大的自由空间,阀门处于开放状态。很明显,这种开关控制作用仅对大分子药物较好,小分子药物即使在阀门关闭状态也能通过扩散作用透过溶胀的水凝胶,产生一定量的释放。这种给药装置的优点是可以通过改变阀门和释药孔的数目来调节药物的释放。

    Tanaka等研究了温敏性水凝胶,他们从热力学的角度对热响应性水凝胶的体积相转变进行了系统的研究。他们把诱导水凝胶发生相转变的分子间作用归纳为4类:憎水作用、Van der Waals力、氢键和离子间作用力,它们的合力决定着凝胶是吸水还是脱水。由于这4种力的大小随温度发生变化,因此在一定的温度下溶胀的水凝胶会脱水,体积收缩发生相转变。Tanaka等还对热响应性水凝胶的动力学行为进行了研究,根据聚合物网络在介质中协同扩散的概念,推导出水凝胶溶胀或收缩达到平衡所需的时间与水凝胶的尺寸成正比,τ∝R2/D,式中τ为水凝胶膨胀或收缩的特征时间;R为水凝胶的尺寸;D代表协同扩散系数,随聚合物浓度和交联密度不同,对传统水凝胶而言,D值一般为10-7-10-6cm2/s

    Hoffman提出将聚异丙基丙烯酰胺或其共聚物用于温度调节药物释放体系,在本体挤压体系,在环境温度高于相转变温度时,水凝胶发生去溶胀,此时均匀分散于基体材料中的药物被挤压出体系。而在表面调节体系,当环境温度低于相转变温度时,基体表层的溶胀率增大,药物分子可以从基体表层渗透出来。

    为改变/调控PolyNIPAAm水凝胶的LCST或增加其它功能,常将NIPAAm与其它单体共聚。Hoffman等将NIPAAm与丙烯酸(AA)共聚,制备了同时具备pH为敏感和温度敏感的水凝胶。Serres等制备的PNIPAAmPAA水凝胶响应于pH和温度的变化控制释放降血钙素。Peppas等作了类似的研究工作,他们合成了同时具备pH和温度敏感的PNIPAAmPMAA[Poly(methacrylic aicd)]嵌段共聚物,该材料可以有效地调节链激酶的释放动力学。Hsihe等用线型PNIPAAm和交联的PNIPAAm纳米粒子包裹肾上腺激素与水配成治疗青光眼的滴眼剂,其眼内减压效果是常用药的8倍。Dinarvand等用Poly(NIPAAm-co-AAm)制备了载药的温敏膜,以吲哚美辛为模型蛋白,研究了药物在不同温度时的释放动力学,结果显示,在253035(均低于LCST37)时的释药速度比较接近,除了稍有突释现象外,基本符合零级动力学过程。

    (2)正热敏性药物释放系统

    有些由IPNs形成的水凝胶体现为正热敏性,在高温时溶胀,而在低温时收缩。PAAPAAmP(AAm-co-BMA)的互贯网络的溶胀时就体现出正温度依赖性。增加BMA的含量可以提高其转变温度。这类水凝胶的溶胀行为根据温度的逐步改变会发生可逆转变。

    (3)热可逆凝胶

    Pluronic是最常用的热可逆凝胶,有的已为FDAEPA批准可以适用于食品添加剂、药物成分以及农产品。热可逆凝胶在注射用药物中的应用的最大特点在于其生物可降解性,为了增加其生物可降解性,PEO-PPO-PEO中的PPO嵌段通常用生物降解性PLA(Poly(lactic acid))替代。

    由于紫外光辐射聚合的方法具有不会因使用化学引发剂而引起蛋白质失活、反应可以在低温下进行避免了加热聚合引起蛋白质的失活以及固定化过程可以迅速完成等优点,Hubbell等首次采用光聚合的方法制备了酰氯化聚乙二醇和酰氯化聚乙二醇-寡聚乳酸水凝胶,详细地研究了PEG-oligoLA-DA水凝胶的物理性能及其降解性能,并以不同分子量的蛋白质药物为模型,研究了PEG分子量、蛋白质分子量以及降解行为对药物释放的影响。研究结果表明,对于非降解型水凝胶,尽管PEG分子量对于药物的释放影响很大,但是其累积释放量都非常低,10000-Da PEG的为11%4000-Da PEG仅为3%左右。而对于可降解型水凝胶其最终释放量几乎可以完全释放。蛋白质分子量也影响到其释放,分子量越小,释放越快。胰岛素(6000-Da)在一天内几乎完全释放,而IgG(150000-Da)几乎不能释放。

    Kim等采用光聚合的方法制备了透明质子酸(HA)与酰氯化Pluronic F127共聚物[HA-(di-Acryloyl Pluronic F127)]温敏性水凝胶薄膜,研究了其在不同温度时的溶胀和降解行为。研究结果表明,该水凝胶在13时降解速度非常缓慢,一个半月后失重仅为10%左右,而在37时两周内失重达到20%,其后出现加速降解,20天左右失重达到80%左右。同时,他们以重组人生长荷尔蒙为模型蛋白,研究了其在1337时的释放行为。从他们的研究结果中可以看出,在所研究的温度下释放其突释效应几乎相同,12h的累积释放量均为30%(wt)左右。在释放的前一周13下释放的速率略高于37下的释放,其后13下药物几乎不释放,而在37下药物继续释放,在两周后累积释放量达到90%(wt)左右。

    Jeong等合成了具有温敏性的PEO-PLA嵌段共聚物,45下共聚物水溶液呈溶液状态,可与生物活性分子如蛋白质或多肽类药物混合,然后通过注射将混合溶液植入皮下,体温下(37)溶液成凝胶,随着嵌段共聚物的降解所包埋的生物活性分子逐步在体内释放。

    复旦大学高分子科学系丁建东教授承担的国家863计划项目“新型蛋白质药物控制释放载体”的研究,该载体材料采用大单体制备技术,以具有温敏性的Pluronic F127为主体,并通过开环聚合,在其两端接上寡聚乳酸等聚酯类可降解性基团、再接上可聚合基团。将上述大单体水溶液中加入氧化还原引发剂,然后滴入有机溶剂,通过反相悬浮聚合的方法制备得到微凝胶。并以牛血清白蛋白、胰岛素、超氧化物歧化酶等为模蛋白,系统研究了不同分子量的蛋白质体外释放动力学以及载体材料对活性蛋白质活性的影响。该药物缓释载体材料具有良好的生物相容性,其降解速率可通过选择不同寡聚酯种类和寡聚酯长度加以控制,以满足药效不同的活性蛋白质控制释放。更为重要也极具特色之处在于,可以将载体材料制备成可注射型微凝胶,并利用材料的反向温敏性实施活性蛋白质后包裹,避免由于蛋白质接触高温或有机溶剂而失活。

    为研究蛋白质亲水/亲质子性对释药行为的影响,Kim等制备了可注射生物降解PEG-PLGA-PEG三嵌段共聚物基热敏水凝胶,并分别将模型蛋白质药物ketoprofen(亲水性药物)和螺旋内酯甾酮(亲质子药物)原位包裹于水凝胶之中,研究结果表明,2种药物的释放速度均受嵌段共聚物浓度的影响,浓度越高,释药速度越慢。但是,由于2者的亲水性/亲质子性不同,ketoprofen和螺旋内酯甾酮分别包裹于具有核-壳结构的PEG-PLGA-PEG三嵌段共聚物的不同部位,ketoprofen分布于共聚物亲水性的外部壳内,释放速度较快,2周内基本释放完全,符合一级释放动力学过程。而亲质子性的螺旋内酯甾酮分布于共聚物的核内,其释药速度受降解/扩散控制,药物累积释放骨达到95%(wt)以上时几乎需要两个月,释放呈S-型释放方式。

    透明质子酸对于伤口愈合起着重要的作用,已经在临床上作为粘胶辅助剂用于眼科和缝合手术。Kim等采用光聚合方法,将重组人生长荷尔蒙原位包裹于可降解温敏HA/Pluronic复合水凝胶中,体外释放研究结果表明,在13PBS溶液(pH=7.4)中,rhGH的释放速度在开始阶段(4天以内)稍快于37下的释放,但是其后基本不释放,而在37PBS溶液中,由于水凝胶基体材料发生降解,rhGH持续释放,在2周内rhGh累积释放量达到90%(wt)以上。

    随着生物技术和基因工程的迅速发展,数以百计的蛋白质和多肽类药物得以不断开发,应用领域也越来越广泛,逐渐成为未来药物发展领域的重要组成部分。但是由于这类药物易被酶降解,并且其分子量大,难于吸收,无法用普通剂型给药。采用生物可降解高分子材料对蛋白质类药物实施缓释是解决该类药物口服及注射局限的有效途径。随着高分子科学和现代医学的高度发展,药物控制释放体系在医学上的研究和应用日益受到人们的重视,事实上,国家对药物释放技术一直以来都很重视,并列入七五至十五计划、863计划和国家新产品计划中。

    5 磷酸钙骨水泥作为药物缓释载体的研究

    磷酸钙骨水泥(CPC)因其具有良好的生物相容性、生物活性、自固化性能、可注射性和可塑性等性能,已成为临床医学应用最多的生物材料之一。由于CPC具有多孔结构,它一旦植入人体,人体骨组织可通过其微孔结构自行长入。研究表明。CPC由于其固化条件温和,作为药物缓释载体。对治疗和预防骨质疏松症、骨关节炎、骨外伤、骨癌等骨科疾病有显著疗效。CPC在填充修复骨缺损的同时能实现向局部组织长时间释放药物,达到局部药物高浓度。延长药物的有效治疗时间,且不产生毒副作用或是将毒副作用减小到最低限度。同时。对于骨癌手术后的进一步化疗、降低复发率以及对于切口的预防感染,甚至慢性骨髓炎的治疗都有一定的帮助。

    目前,临床上使用的CPC组成包括固相和液相。固相主要由磷酸四钙(Ca4HPO4)(TTCP)、二水化磷酸氢钙(CaHPO4·2H2O)(DCPD)、磷酸三钙(Ca3HPO4)(TCP)、羟基磷灰石(HAP)等两相或多相组成;液相可以是蒸馏水、磷酸(H3PO4)、血清等。临床上应用较多的是将CPC作为抗生素、消炎药、抗肿瘤药等药物的缓释载体。

    5.1 CPC与药物结合后对其理化性能的影响

    CPC载入药物时,其自固化性能会受到影响,从而引起机械强度的变化,主要表现为拉伸强度和压缩强度有所下降,如在磷灰石系中载入抗生素,其凝结时间延长、机械强度减小。张进军等对CPC复合不同浓度的头孢哌酮钠进行了研究,发现CPC的固化时间、孔隙率无明显变化,但其抗压强度随头孢哌酮钠浓度的增加而逐渐降低。研究表明,自固化性能的改变是由于CPC和某些药物发生了化学反应。Ratier等认为磷灰石水泥机械性能的降低是因为载入的抗生素与Ca原子螯合的结果。Ginebra等在以α-TCP相为主的骨水泥系中载入水杨酸氨,发现骨水泥的流变性和机械性能也随之改变,而其他一些骨水泥如透磷灰石,其凝结时间和机械性能的增加则是由于抗生素中存在能够改变晶体形态的SO4

    5.2 CPC作为药物缓释载体的动力学研究

    众所周知,CPC作为不同药物的缓释载体其动力学原理不尽相同,受诸多因素影响,如CPC本身的微孔结构和几何结构、药物中化学键的类型以及CPC与药物的相容程度等。按照药物的释放机理,将载体分为3类:一是药物在载体上以物理扩散为主,即弥散控制,药物通过载体直接扩散到骨缺损部位达到局部药物高浓度,或者通过载体在骨缺损部位形成一层薄膜;二是药物在载体上以化学扩散为主,药物被引入到可降解的载体上,CPC作为药物载体的释放动力学原理和其降解过程有关;三是药物在载体上的扩散速度通过外力作用来实现。

    CPC作为药物缓释载体其动力学原理属于第一类。即药物的释放以弥散控制为主,只有CPC的降解率比药物释放的速率慢得多,才能保证药物长期稳定地向局部扩散。

    药物释放率随着固化液的比例的增大而增大,并依赖于CPC的固液比、孔隙率和药物的摩尔质量以及药物的弥散程度。

    5.3 CPC作为药物缓释载体

    (1)CPC作为抗生素的缓释载体

    临床上通常直接给患者服用或静脉注射抗生素来预防和治疗骨缺损。然而,由于药物的局部浓度过低,不能达到完全治疗和预防的目的。Peltier等发现虽然HAPB-TCP也能作为药物缓释载体,但是药物局部浓度较小。HAP和β-TCP也很难随意塑型,而半水硫酸钙作为药物缓释载体最大的不足就是强度太低,药物局部浓度又过高。Takechi等将抗生素Flomoxef sodium(FS)载入抗水化型快速固化磷酸钙骨水泥(aw-FSCPC)中,发现其固化时间随药物浓度(0-10%)的升高而增加。孔隙率也从34.8%上升到39.0%,而孔隙率的增大会导致CPC机械强度降低。Otsuka等对载人不同量的头孢拉啶(CEX)CPC的压缩强度进行了测试,并与载入前相比较,发现CPC的压缩强度随CEX加入量的增加而降低,但是,仍比载药PMMA的压缩强度高。

    (2)CPC作为消炎药、抗癌药和其他药物的缓释载体

    Otsuka等报道了CPC作为药物缓释载体承载消炎痛(消炎药)6-MP(抗癌药)药物释放的结果,发现消炎痛由复合CPC前的γ-型晶体结构转变为复合后的非晶体结构。而消炎痛的释放率也与它复合的量有关,复合CPC量越多,药物释放的时间就越长,当复合CPC2%5%时,分别于170h390h后释放出95%的药量。

    Otsuka等发现CPC作为荷尔蒙如雌二醇的缓释载体,可以用来治疗在更年期由于雌性激素缺乏所引起的症状(如矿物质缺乏或骨质疏松症)等。

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