壳聚糖微粒及纳米制剂在药剂学中的研究进展

闫静静;郎轶咏;王强;朱晓红;李三鸣

【摘 要】查阅国内外相关文献,总结壳聚糖微粒及纳米制剂的主要制备方法及药物的释放方式,阐述壳聚糖微粒纳米制剂在药剂学的主要应用.壳聚糖微粒纳米制剂比表面结构大,生物相容性好,具有优良的药物包埋性能和控制药物释放的能力,是极有发展前景的新型制剂给药系统. 【期刊名称】《医药导报》 【年(卷),期】2011(030)009 【总页数】6页(P1182-1187) 【关键词】壳聚糖;微粒;纳米;药剂学 【作 者】闫静静;郎轶咏;王强;朱晓红;李三鸣

【作者单位】沈阳药科大学药学院,110016;解放军第202医院药剂科,沈阳,110003;解放军第202医院药剂科,沈阳,110003;解放军第202医院药剂科,沈阳,110003;沈阳药科大学药学院,110016 【正文语种】中 文 【中图分类】R943

壳聚糖，又名甲壳质，是自然界普遍存在的一种多糖，主要来源于虾蟹的外壳中，化学名称为β-(1-4)-2-氨基-2-脱氧-D-葡聚糖，是由2-氨基-2-脱氧-D-葡萄糖以β-1，4糖苷键缩合而成。分子中大量氨基的存在赋予壳聚糖许多独特的性质，加

之其生物相容性好，毒性小，价廉易得，因此近年来壳聚糖在医药领域中的应用越来越受到广泛关注。微粒、纳米制剂是近几年逐渐发展的新型药物传递系统，与其他传统剂型相比微粒纳米制剂具有改善药物的功效，提高药物稳定性，控制药物释放，降低药物毒性及改善患者的顺应性等优点。壳聚糖可溶于酸或酸性水溶液，无毒无抗原性，在体内能被溶菌酶等酶解，具有优良的生物降解性，在体内可溶胀成水凝胶，具有良好的成球性能，可以作为微粒给药载体用来控释和输送药物［1］。壳聚糖纳米粒除了具有壳聚糖本身的性质外，还可以提高药物稳定性，使药物到达病灶部位，达到靶向治疗的目的。表1总结了近几年壳聚糖在药剂学中的主要应用［2］。

1 壳聚糖微粒及纳米制剂的主要制备方法

壳聚糖微粒及纳米制剂的制备方法很多，选择其中的哪一种主要取决于所需粒子的大小，药物的热、化学稳定性及药物的释放行为等，常用的方法主要有以下几种。 1.1 乳化-交联法 乳化-交联法系利用壳聚糖的活性基团氨基与交联剂的醛基交联成球。含药壳聚糖溶液为水相与含乳化剂的油相混合搅拌乳化，形成稳定的W/O乳，加入化学交联剂如甲醛、戊二醛等交联固化，过滤，利用适当有机溶剂洗涤后干燥即得微球［2］。利用该法时，通过控制加入水相时水滴的大小可以控制粒径，但最终产物的粒径主要取决于乳化的搅拌速度及交联固化的交联程度。操作步骤繁琐、使用具有潜在毒性的交联剂是乳化-交联法的主要缺陷，也是制约其广泛使用的瓶颈。

KULKARNI等［3］分别以戊二醛交联法、硫酸交联法、加热交联法制备了双氯芬酸钠壳聚糖微球，结果发现，3种方法制备的微球均为表面光滑的球形，粒径40～230 μm;但体外释放表明戊二醛交联微球释药最缓慢，而加热交联微球释放药物较为迅速。PARK等［4］以非洛地平为模型药物，以三聚磷酸钠

(tripolyphosphate sodium，TPP)为交联剂制备的壳聚糖微球粒径范围在500～

710 μm之间，包封率＞90%。研究结果表明，随着壳聚糖相对分子质量的增大及TPP溶液pH的降低，微球的球形度变好，表面也变光滑，但药物的释放减缓;药物的释放随壳聚糖相对分子质量的减小、壳聚糖溶液浓度的降低加快，随交联时间的延长变慢。郑爱萍等［5］采用乳化交联法以壳聚糖为载体材料，氟尿嘧啶为模型药物，制备了鼻腔给药脑靶向微球。微球的溶胀速度快，溶胀率高，可显著延长药物在鼻腔的滞留时间，提高药物的生物利用度。乳化-交联法是制备壳聚糖微粒最常用的方法，但由于该方法使用戊二醛等化学交联剂，有一定毒副作用，用天然交联剂京尼平代替戊二醛，毒副作用减小，成为良好的壳聚糖药物微粒新剂型。 表1 壳聚糖在不同药物传递系统中的应用剂型 方法模型药物片剂 骨架片 双氯芬酸钠、水杨酸、茶碱包衣 盐酸普萘洛尔胶囊 胶囊壳 胰岛素、5-氨基水杨酸微球微粒制剂 乳化-交联法 顺铂、苯巴比妥、喷他佐辛、氟尿嘧啶、灰黄霉素、米托蒽醌凝聚沉积法 泼尼松龙、白细胞介素-2、盐酸普萘洛尔喷雾干燥 西咪替丁、维生素D2离子凝胶法 非洛地平过筛法 氯氮平纳米粒 乳化-微滴凝聚法 轧喷酸葡胺凝聚沉积法 DNA、多柔比星离子凝胶法 蓖麻毒素、牛血清蛋白、环孢素反胶束法 多柔比星小丸 凝聚/沉积法 硝苯地平、沙丁胺醇、盐酸利多卡因、核黄素膜溶液浇铸法 氯胍、胰岛素、睾酮、黄体酮、雌二醇凝胶 交联法 阿司匹林、咖啡因、醋酸氢化可的松、氟尿嘧啶

1.2 凝聚沉积法 该法利用壳聚糖不溶于碱性递质及遇碱沉淀凝聚的性质制备微球。通过压缩空气将壳聚糖溶液吹入氢氧化钠溶液、氢氧化钠-甲醇溶液等即可形成微球，离心、过滤可将微球分离。通过调整压缩空气的压力及喷嘴的直径可控制微球的粒径，交联剂的使用可以固化微球进而控制药物的释放。此外，将硫酸钠溶液滴入含表面活性剂的壳聚糖酸溶液，超声后戊二醛交联也可制得微球［6］，相对于其他方法，此法制备的微球更耐酸，即在酸中更稳定。

OZBAS-TURAN等［7］用该法制备了包裹重组白细胞介素-2的壳聚糖微球，具

体方法为:将溶有白细胞介素-2的硫酸钠溶液逐渐滴入酸性壳聚糖溶液中，随着药物蛋白和磷酸钠溶液的加入，溶液的酸性降低，碱性增强，壳聚糖逐渐析出，药物蛋白被包裹。该法不使用交联剂，毒性低，而且微球有极强的缓释作用，药物从微球的释放可达3个月。MAO等［8］用复合凝聚法制备了DNA-壳聚糖纳米粒，并研究了不同参数如DNA、硫酸钠及壳聚糖浓度、制备温度、缓冲溶液pH及壳聚糖相对分子质量对制备工艺的影响，结果表明氨基/磷酸在3～8，壳聚糖浓度为100 μg·mL-1时制得的纳米粒粒径分布最窄，在100～250 nm之间，pH＜6.0时粒子表面呈正电性，Zeta电位在112～118 mV之间;接近中性时粒子表面亦呈中性。因此用该法包裹DNA可以保护DNA免受酶解。

1.3 喷雾干燥法 喷雾干燥又称液滴喷雾干燥，既可用于固态药物的微囊化，亦可用于液态药物的微囊化。该法是先将药物分散在材料溶液中，再将此混合物喷入惰性热气流，使液滴收缩成球形，进而干燥，可得微球。溶剂既可以是水也可以是有机溶剂，目前主要以水作溶剂。喷雾干燥操作简单迅速，一步成球，可以实现工业化大生产。

用喷雾干燥法制备壳聚糖微球时，药物溶解或分散在壳聚糖-醋酸溶液中，向溶液中加入适宜的交联剂后，将此混合物喷入惰性热气流，热气流使溶剂迅速蒸发液滴收缩成球。影响微球粒径的因素主要有喷嘴直径、喷雾速率、雾化压力、进口温度、交联程度等。

GIUNCHEDI等［9］用喷雾干燥法制备了不同载药量的阿莫西林壳聚糖微球，所得微球粒径分布均很窄，但由于制备工艺不同，药物的释放也有很大差异，提示可以通过控制制备工艺达到预期的药物释放模型，进而达到控制药物释放的目的。HE等［10］以喷雾干燥法分别制备了西咪替丁、法莫替丁、尼扎替丁的交联和未交联壳聚糖微球，结果发现所有微球表面均荷正电;未交联的微球粒径在4～5 μm之间，而交联的微球粒径在2～10 μm之间，出现此种差异的原因主要是交联度

的不同，粒径和Zeta电位均随着交联度的下降而减小。另外增大喷嘴直径及喷雾速率也使粒径增大;同时还发现，气流速率比较大时，得到的微球粒径较小，但进口温度在140～180℃之间时，所得微球粒径基本无差异。FILIPOVIC-GRCIC等［11］通过喷雾干燥法用低、中、高相对分子质量的壳聚糖和羟丙甲纤维素以不同的药物-聚合物比例制备卡马西平壳聚糖微球。结果显示，药物的包封率和释放特征依赖于聚合物组成和药物-聚合物比例:即使用相对分子质量小的壳聚糖制备的微球也可获得最好的包封率，但低包封率的微球较高包封率的微球能更好地控制药物释放。GANZA-GONZALEZ等［12］用喷雾干燥法以不同浓度的甲醛为交联剂制备了盐酸甲氧氯普胺壳聚糖微球，可以持续释放药物＞8 h。

1.4 离子胶凝法 壳聚糖分子中的大量活性氨基在酸性介质中可以质子化形成聚阳离子电解质，因此可以利用壳聚糖和大分子间的正负电荷相互作用制备微球。离子胶凝法即是利用该原理制备微球:壳聚糖溶解于醋酸水溶液中，在持续搅拌下将此溶液逐滴加入到多聚阴离子溶液中，由于正负电荷的相互作用，壳聚糖发生离子胶凝沉淀形成球形粒子。该法操作步骤少。简单易行，且无毒副作用，但形成的微粒机械强度低这在某一程度上限制了其应用。

PAN等［13］用壳聚糖和TPP制备了包裹胰岛素的壳聚糖纳米粒，粒径在250～400 nm之间，表面荷正电;体外释放表明该纳米粒具有pH敏感性的突释现象;用四氧嘧啶建立大鼠糖尿病模型后，口服给予纳米粒测定血浆中葡萄糖浓度，结果表明与壳聚糖溶液相比该壳聚糖纳米粒能显著增加胰岛素在结肠的吸收，口服含胰岛素的纳米粒后，高血糖可以推迟15 h出现，相对生物利用度高达14.9%。 XU等［14］用离子胶凝法制备了空白壳聚糖纳米粒，透射电子显微镜

(transmission electron microscope，TEM)显示粒径在20～200 nm之间，TPP的多聚磷酸基团与壳聚糖的氨基发生了交联作用。影响模型药物牛血清清蛋白(bovine serum albumin，BSA)释放的因素主要有壳聚糖的相对分子质量、脱乙

酰度、浓度、BSA的浓度以及包裹介质中聚乙二醇的加入与否。壳聚糖相对分子质量从10 000增加到210 000，BSA的包封率几乎增大一倍;壳聚糖脱乙酰度从75.5%增加到92.0%，药物包封率增大但在磷酸盐缓冲液(pH7.4)中的释放总量却从73.9%下降到17.6%。聚乙二醇可以降低药物的包封率，加快药物的释放。 1.5 乳滴合并法 该法综合了乳化-交联法和沉淀法的原理，但与乳化-交联法不同的是该法不是交联稳定乳滴，而是沉淀乳滴即将壳聚糖乳滴与氢氧化钠乳滴合并后沉淀。首先，液体石蜡与含药壳聚糖溶液形成稳定的乳剂;其次，液体石蜡与壳聚糖的氢氧化钠溶液形成稳定的乳剂，在高速搅拌下将两乳剂混合，两种乳滴即随机碰撞合并，于是壳聚糖析出形成微粒。

用于钆中子捕获治疗的钆喷酸葡胺壳聚糖微球可由此法制备［2］。粒子大小主要取决于壳聚糖的脱乙酰度，脱乙酰度降低，粒子变大，且载药量下降，利用脱乙酰度为100%的壳聚糖制备的微粒平均粒径为452 nm，载药量为45%。虽然是通过乳滴制备纳米粒，但纳米粒的粒径并不能反映乳滴的大小。由于钆喷酸葡胺是二价阴离子化合物，可以与壳聚糖的氨基发生静电作用，如果有交联剂的存在便会阻碍其与氨基的作用，因此与乳化-交联法相比乳滴合并法制备钆喷酸葡胺壳聚糖微球可以获得更高的载药量及包封率。 2 药物从微粒中的释放方式

药物从壳聚糖微粒纳米制剂的释放主要取决于微粒的交联程度、粒径、密度及药物的理化性质等。体外释放还与介质的pH、极性、是否有酶存在等有关。释放方式包括以下几种:①从粒子表面释放;②通过溶胀的骨架扩散释放;③由于聚合物的溶蚀释放。但在多数情况下，药物的释放同时受多种方式影响。

2.1 药物从微粒表面释放 微粒纳米制剂的载药方式主要有被动载药和主动载药。被动载药是在微球的制备过程中包裹药物，主动载药是在微粒形成后载药。采用主动载药时药物主要存在于骨架中或吸附在微粒表面，微粒与药物之间只有很小的结

合力。因此主动载药微粒在与介质接触时药物便从表面迅速释放，极易导致药物的突释。HE等［10］发现其制备的西咪替丁壳聚糖微球有明显的突释现象。以喷雾干燥法制备的微球常有严重的突释现象，增大交联度或用合适的溶剂洗涤微球可以防止突释的发生。

2.2 药物通过溶胀的骨架扩散释放 被动载药通常可以获得较高的载药量及包封率，药物与载体的结合也较牢固，药物的释放方式主要为扩散释药。扩散释药包括3个过程:首先渗入到微粒中的水分使微粒骨架溶胀;紧接着骨架从玻璃态转变为强韧的橡胶态，同时药物从溶胀的骨架中扩散。因此药物的释放最初比较缓慢后来逐渐变快。AL-HELW等［15］发现其所制备的微球中药物的累积释放率在最初1 h内可达到20%～30%，释放率主要取决于壳聚糖的相对分子质量和微球的粒径。壳聚糖相对分子质量增大药物的释放减缓，一方面是因为高相对分子质量壳聚糖溶解性差，另一方面是因为高相对分子质量壳聚糖在药物周围形成的凝胶层黏度大，阻滞药物释放的能力比较强。不同粒径的微粒释放行为也不同:粒径范围250～500 μm的微球前3 h累积释放率为75% ～95%，而粒径范围在500～1 000 μm的微球5 h内累积释放率为56%～90%，这可能是由于的粒径小微球提供的与释放介质接触的表面积比较大，即表现为药物的快速释放。

2.3 药物通过聚合物的溶蚀释放 溶蚀释药过程其实是骨架溶蚀和药物扩散的综合效应过程。首先骨架遇到释放介质表面润湿形成凝胶层，表面药物向介质中扩散;凝胶层继续水化，骨架溶胀，凝胶层增厚，延缓药物释放;骨架溶蚀，水分向内渗透至骨架完全溶蚀，药物全部释放。药物的水溶性不同，释放机制也不同，水溶性药物主要以扩散为主;难溶性药物则以骨架溶蚀为主。多数情况下以扩散为主的释药特性符合Higuchi方程。先快后慢的释药模式在临床上有一定益处，口服后表面药物的大量释放，可使血药浓度迅速达到治疗浓度，而后的缓慢释放用于维持治疗浓度。

骨架的膨胀与释药由水的渗透引发，药物的释放受水、药物、聚合物三者之间的相互作用控制。药物的释放动力学依赖于药物在骨架中的浓度梯度，因此药物的浓度和凝胶层的厚度是影响药物释放的最主要因素。一般来讲，药物的浓度决定于骨架中药物的含量以及药物的溶解度，凝胶层的厚度决定于溶剂渗透、聚合物分子链的解析和物质(聚合物和药物)转运的贡献。凝胶层的厚度在骨架膨胀过程中呈现三个典型的时相，开始时，水分渗透比链解析快，凝胶层厚度增长快;但当凝胶层形成后，由于扩散路径的增加，水分的渗透与链解析速度相似，凝胶层厚度无大的变化;当骨架全部由玻璃态转变为高弹态后，凝胶层厚度逐渐变小。

药物的释放动力学与凝胶层的动态变化相关，与凝胶层厚度变化的3个时相相对应，由最初的Ficks扩散至非Ficks扩散，然后从准恒速至恒速，最后变成一级释放。以高相对分子质量的聚合物制备的骨架释药时并不一定表现出上面的3个时相，主要是因为分子链的解析速率较小，物质转运量亦小。当聚合物的溶解性较大时，凝胶层厚度可保持恒定，药物以恒速释放。这是因为膨胀“前沿”和溶蚀“前沿”平行推进，保持同步，溶蚀是药物释放的主要机制。

ORIENTI等［16］研究了吲哚美辛壳聚糖微球释放与骨架溶蚀的相关性，结果表明药物的释放行为与壳聚糖的浓度及释放介质的pH有关。高壳聚糖浓度，释放介质 pH为7.4时，药物的释放行为既不符合Ficks扩散模型也不符合一级释放模型。进一步的研究将对这些参数对药物扩散及骨架溶蚀溶解产生影响的原因进行分析。 3 壳聚糖微粒纳米制剂在药物制剂中的应用

壳聚糖微粒纳米制剂作为一种新型的药物载体，具有良好的生物相容性和生物可降解性，可提高药物的稳定性，增加药物吸收，提高药物的生物利用度，降低药物的毒副作用;也可以缓释、控释、靶向释放药物，应用于药物的器官靶向、多肽蛋白类药物的非注射途径给药以及注射给药的长效制剂研究等，因此具有非常广阔的应用前景。

3.1 结肠靶向给药 壳聚糖的黏膜黏附性［17］及可以被结肠菌群降解［18-19］决定了其可以很好地应用于结肠靶向给药。以双氯芬酸钠为模型药物制备壳聚糖微球，然后将此微球包裹入肠溶性丙烯酸微球内形成多芯微球，此种多芯微球具有pH敏感性，前3 h内在胃液中无药物释放，经过迟滞时间到达小肠的微碱性环境可以持续释放药物达8～12 h［20］。

3.2 黏膜给药 壳聚糖具有较好的黏膜黏附性，在酸性环境下黏附力最强，且有一定的促渗作用。壳聚糖的黏附机制主要是与黏液中的糖蛋白产生非共价键，如氢键、范德华力、离子间相互作用等。近年来有关壳聚糖微球黏膜黏附给药的研究内容不断增加:鼻黏膜透过性好，利于药物到达吸收部位;微粒口腔黏膜给药可以轻易地被内脏淋巴组织的派氏结摄取。研究发现，壳聚糖可以增强药物从黏膜的吸收而不损害生理系统，推测原因一方面是壳聚糖的高生物黏附性，一方面是壳聚糖可以使上皮细胞间的紧密连接短暂变宽［21］。

3.3 治疗癌症 JAMEELA等［22］以戊二醛为交联剂制备了米托蒽醌壳聚糖微球并通过大鼠腹腔注射研究了其抗肿瘤活性。以动物的存活时间及60 d内的体质量变化为指标评价微球的肿瘤抑制作用。结果发现，接受米托蒽醌原料药治疗的小鼠平均存活时间为2.1 d，而接受微球治疗的小鼠平均存活时间为50.0 d。体外释放表明微球在磷酸盐缓冲液中的释放长达4周。为了减轻多柔比星的心脏毒性，MITRA等［23］制备了包裹多柔比星-右旋糖苷缀合物的长循环壳聚糖纳米粒，粒径在约100 nm，具有良好的透过性和缓释效果。Balb/c小鼠接种J774A.1肿瘤巨噬细胞后，分别给予多柔比星微球，多柔比星-右旋糖苷缀合物，多柔比星原料药，以肿瘤消退速率和动物存活时间为指标评价抗肿瘤效应，结果发现微球组不良反应降低，疗效提高。

3.4 基因传递 基因治疗要求质粒DNA可以进入目标细胞并能成功转录表达。用去氧胆酸对壳聚糖进行结构修饰后得到壳聚糖自聚物［24］，该自聚物平均粒径

160 nm，可以与质粒DNA形成带电的复合物，从而将基因传递至哺乳动物的细胞内。PARK等［4］制备了壳聚糖-半乳糖-右旋糖苷-DNA复合物，半乳糖的基团与壳聚糖的基团化学键合后使复合物具有肝脏特异性;接枝右旋糖苷可以提高复合物在水中的稳定性，进一步的研究表明该复合物可以有效的转染肝脏细胞。 3.5 局部给药 壳聚糖生物黏附性好，缓释作用强，因此广泛应用于局部给药。CONTI等［25］用喷雾干燥法制备了空白及氨比西林微球作为伤口敷料局部给药，大鼠药效学研究表明两种微球均能很好地促进伤口愈合。

3.6 眼部给药 DECAMPOS等［26］改进离子胶凝法以环孢素为模型药物制备了壳聚糖纳米粒。纳米粒平均粒径293 nm，Zeta电位37 mU，载药量包封率分别为9.0%和73.0%。体外释放表明药物在最初的1 h内释放迅速，之后可以持续缓慢释放24 h。家兔体内研究表明，48 h内角膜及结膜内的药物浓度均能达到治疗浓度，而在虹膜、晶状体及血液中几乎检测不到药物存在。因此壳聚糖纳米粒可以提高药物的治疗指数。

3.7 作为包衣材料 壳聚糖具有良好的成膜性，微粒壳聚糖包衣后可以使载药量增大，生物黏附性提高，药物释放时间延长。SHU等［27］用3种方法制备了壳聚糖包衣海藻酸钠微球，结果表明，模型药物孔雀兰的释放主要与微粒表面壳聚糖的密度、制备方法等其他因素有关。聚乳酸-聚己内酯微球壳聚糖包衣后靶向性增强［28］，可用于治疗心脏瓣膜狭窄。 4 展望

壳聚糖具有生物黏附性，且能够结合和传递大分子药物等显著特点，是一种具有广阔应用前景的药物载体。但目前的研究仅限于实验性，大部分研究都限于体外，下一步应该多开展动物体内实验。壳聚糖微粒纳米制剂由于其粒径小、比表面结构、功能基在表面的富集、表面和内部的差异、包埋性能优良等特点，已经在高科技领域发挥着重要的作用。为了能够利用其特殊功能设计得到新型材料，必须将材料、

生化、医疗等学科有效综合运用，使之更加成熟化和多样化。 ［参考文献］

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