离子交联聚电解质纳米载体最近的进展和公开问题

1离子交联聚电解质纳米载体：最近的进展和公开问题YakovLapitsky摘要：在过去的二十年中，通过离子交联聚电解质制备的纳米载体已探索出一个广泛的应用范围，包括药物递送、医学成像和食品科学。设计和使用这些材料需要控制他们的粒度分布，稳定性和载荷的吸收与释放属性。为此，我们关注离子交联纳米载体的形成和性能基础上的物理和胶体制成化学理解的最新进展，并提供一些尚未解决的问题的评述。关键词：聚电解质；纳米粒子；微凝胶；凝聚物；控释1.简介通过聚电解质离子交联形成的胶体复合物已经研究了数十年[1,2]。这些努力在过去20年中得到加强，比如材料作为纳米载体用于递送药物[3,4]、基因[5,6]，食品添加剂[7,8]和医疗成像剂[9,10]，以及在其他应用（如抗菌涂料[11,12]和无机材料的合成[13,14]）开始引起兴趣。这些材料的广泛使用主要源于其五个关键优点：（1）它们在非常温和的条件下形成（通过简单地混合稀释聚电解质溶液与多价盐）[9,15];（2）它们可以用具有生物相容性的聚合物来制备（如藻酸盐和壳聚糖[3,4]），这使得它们对于药物和医疗应用具有吸引力;（3）它们可以稳定包封蛋白质防止变性[16];（4）它们的对盐和pH敏感的离子性基团使它们响应于外部刺激[17,18];和（5）它们的性能可以容易地通过聚合物，纳米颗粒和蛋白质[9,19,20]涂覆其表面，或共价缀合活性分子到其官能团[18,21]来增强。另外，当制备某些类型的聚合物（如壳聚糖及其衍生物）时，这些纳米载体提供附加的好处，如可生物降解和粘膜粘附[22,23]，以及增强跨越上皮细胞膜的药物渗透[24,25]。由于这些吸引人的特性，离子交联胶体已探索出在制药和医疗上的广泛应用（其中许多最近在别的地方评估[9,15]）。这些用途的范围从小分子药物[4,26]、蛋白质[27,28]和基因[5,6]的递送，磁共振，近IR和荧光成像[9,10,29]到对用于光热治疗染料的递送[20]。同样地，离子交联胶体已用于食品科学调查（作为两种维生素[8]和抗氧化剂[7]的载体）和作为香味封装材料[30]。成功利用离子交联纳米载体依赖于严格控制它们的物理化学性质。为此，本文综述了它们形成（第2节），粒度分布（第3节），稳定性（第4节）和载荷的吸收和释放现象（第52节）的最近研究。本文还概述了控制这些关键性质的过程和公式参数上一些尚未解决的问题。离子交联胶体已使用各种技术制备（包括微乳液和脂质体模板[31,32]和溶剂置换[33]），本综述特别关注通过简单的加法离子交联剂的水性聚电解质溶液制备纳米载体，这是最简单、最清洁、最常见的制备方法。2.离子交联胶体的形成直径从约几十纳米到一微米的离子交联胶体一般通过加入多价交联离子形成的电解质稀释溶液制备（一般含有约0.01-0.3wt.%的聚合物）。通常通过滴加离子交联剂溶液到连续搅拌的聚合物溶液或简单的涡流（或手工）混合来实现。胶体复合物形成的开始需要一个临界离子交联剂：聚电解质的摩尔比要低于该混合物保持为单相溶液时[1,3,19,34]。离子：引起转变产生的聚合物比例取决于所用聚电解质和交联剂种类[1,3,19,34]，聚电解质分子质量[34]和（对于较弱结合的聚电解质/交联剂系统）聚电解质浓度[1,34,35]。用于这些胶体制备的聚电解质可分为两类：（1）基于多糖的聚电解质，如壳聚糖[3]、海藻酸钠[4]和果胶酸[36]（见图1ai-ⅲ）;以及（2）合成的聚电解质，例如聚烯丙胺（PAH）[14,37]、聚L-赖氨酸（PLL）[14]和聚丙烯酸（PAA）[38]（图1aⅳ-ⅵ）。同样地，离子交联剂（像聚电解质，并不限于这里描述的）的范围从Ca2+,Zn2+和SO2-4[4,36,39]到三价PO3-4和柠檬酸[14,40]，和到四价和五价乙二胺四乙酸（EDTA），焦磷酸盐（PPi）和三聚磷酸盐（TPP）[3,14,35]（见图1b）。迄今为止，大部分工作一直使用聚阳离子特别是壳聚糖及其衍生物进行[3,41,42]。有相当多的工作还注重各种合成多胺的离子交联（如，多环芳烃，PLL和聚亚胺）[9,14,37]。然而也一直有一些关于由Ca2+交联的海藻酸钠纳米粒子的工作，这些颗粒被报告当通过简单的聚合物/交联剂混合体系时无法保持胶态稳定（显然是因Ca2+导致其凝固[19]），除非它们都涂以聚阳离子如壳聚糖或PLL[4,19]。来自果胶的二价阳离子交联颗粒和PAA表现出具有更好的胶体稳定性;然而，使用这些系统的纳米载体制剂的研究仍然存在局限[36,38]。最常见的离子交联纳米载体是通过交联壳聚糖与TPP[3,15]形成的。这些颗粒及那些使用壳聚糖衍生物[41,42]（和其他离子交联剂，如SO2-4和PPi[35,39]）制得的粒子是固体颗粒并且经常有纹理形态（见图2a）[3]。相反，通过混合多环芳香烃和PLL与柠檬酸形成的胶体复合物，EDTA和PO3-4是液体凝聚物，其可以凝聚成如图2b[37]中所示的宏观液相。（PAH与TPP和PPi的强离子结合络合物具有长弛豫时间并且基本上行为像凝胶[43]）。3一旦这些复合物形成，它们可以涂覆聚合物蛋白质或纳米颗粒来增强它们的性质。例如，藻酸钙纳米颗粒涂覆聚阳离子以提高他们的胶体稳定性[4,19]。同样，Wong等人已经进行了大量关于凝聚物分散体（通过合成多胺的离子交联方法制备）涂覆无机纳米粒子[14,40]、聚阴离子[14]、带负电荷的蛋白质[20]甚至中性葡聚糖[44]的研究。所述纳米颗粒与聚阴离子涂层增强了这些分散体[9]的胶体稳定性，而具有生物活性的蛋白质赋予这些复合物靶向功能（这导致它们在癌症治疗的使用中可以选择性结合肿瘤细胞[20]）。实验上对离子交联纳米载体形成可通过光散射强度[3,45,46]的强劲增长来确定，并且最典型地是通过动态光散射（DLS）[3,46,47]和电子显微镜[3,47,49]的特征。最近，通过利用聚电解质/多价反荷离子间结合等温线的相似性（和其相应的焓签名）的等温滴定量热法（ITC）被证实作为当胶体形成和凝聚发生时用于筛选聚合物/多价反荷离子组分的自动化工具[45]。然而此量热法只限于当母体聚合物和多价反荷离子的溶剂是在相同的pH和离子强度的情况下（否则由于缓冲液失配导致大的热的吸收或生成可以掩盖结合信号[45]图.1.在胶体复合物的制备中使用的聚电解质（a）和离子交联剂（b）的实例。所示的聚电解质是（i）壳聚糖，（ⅱ）藻酸盐，（ⅲ）果胶酸，（ⅳ）PAH，（v）PLL和（vi）PAA（都以它们Na+或Cl-盐的形式展出），而离子交联剂是（i）SO2-4，（ⅱ）PO3-4，（ⅲ）柠檬酸盐，（ⅳ）PPi，（ⅴ）EDTA和（vi）TPP（以它们Na+盐的形式）。4图.2.离子交联聚电解质的显微照片展示：（1）壳聚糖/TPP纳米颗粒的TEM图像和（b）显示PAH/柠檬酸络合物凝聚成较大（最终宏观）凝聚液滴（比例尺=50μm）的光显微照片。这些图像复制于参考文献[3,37]，分别来自于Wiley-VCH和美国化学学会的许可。虽然制备这些纳米载体的条件在实验上很容易识别（并且其离子交联已知是离子明确和同时涉及化学和静电相互作用[2,34]），然而表征其形成机制所做甚少。这至少部分地缘于其非常快速的动力学离子组装，这通常产生于交联剂增长的毫秒而使得它们结构演变变得难以研究。为此我们最近表明离子凝胶率可通过在升高的NaCl浓度下制备这些胶体大幅降低，该条件下一价离子竞争性结合交联形成的离子基团而减慢离子交联[48]。这种效果在图3a中显示为壳聚糖/TPP微米和纳米凝胶的形成，对在不添加NaCl（见插图）所获得的和在75-150mMNaCl的存在下所获得的归一化停流光散射数据进行了比较。在无盐条件下颗粒在几毫秒内基本形成而在更高离子强度下它们的组装发生在数千秒（图.3a），从而使它们的形成过程对实验分析而言更易于处理。此离子型组装过程在使用低TPP浓度条件下甚至进一步延长，并在多天内追踪显示颗粒粒度和形态的演变。如图.3b所示示例，显示出在通过非负最小二乘（NNLS）分析的DLS数据中得到的粒度分布演变[48]。这里，离子凝胶很慢以至于1h后的表观颗粒粒度分布（即红色菱形显示的10nm的峰值）实际上等同于从分子壳聚糖上获得的。1天后颗粒开始成形（蓝色正方形）并伴随有一个明显双峰粒度分布。颗粒由许多小的20-50nm的纳米粒子以及一些较大的直径数百个纳米的胶体构成。7天后达到平衡，较小的粒子峰消失（绿色圆圈）仅留下较大的颗粒作为最终产品[48]。这些通过电子显微镜证实的粒度大小的发展变化也表明7天后所形成的大的胶体是由更小的20-50nm亚单位（其中符合大小的纳米颗粒在更短的时间内形成）组成的。基于这些观察，所述离子型组装过程总结发生在两个阶段：第一，初级纳米颗粒的形成;第二，这些初级粒子聚合成更大的、更高阶的胶体[48]。这个高阶聚合机制是与胶体颗粒从无机盐[50]5和聚电解质复合物（带相反电荷的聚合物间）[51]中形成的机制是一致的。同样地，它与如纳米级的PAH/柠檬酸复合物凝聚成较大胶体并最终宏观凝聚液滴（如图.2b中[37]所示）的凝聚物的早期工作一致[1]。图.3.壳聚糖/TPP微粒形成的动力学分析：（a）停流光散射数据（归一化到最终散射强度，I∞）显示在（□）75mM，（△）125mM和（▽）150mMNaCl（插图显示了相同条件下不加NaCl的情况）下光散射强度的演变；而（b）DLS数据显示加入TPP到壳聚糖溶液后（-◆-）1小时，（-■-）1天和（-●-）7天后的体积加权粒径分布（图片取自于文献.[48]，来自美国化学学会的许可）。尽管取得了这些进展，纳米载体形成过程仍然没有得到彻底的表征。例如，确定聚集聚合物链的组分是怎样的（和因此产生颗粒的形成数）与交联剂浓度范围将是重要的。而这个问题在离子交联纳米载体的研究中往往被忽视，PAH/PPi和PAH/TPP复合物的分析（其中PPi和TPP在光散射上近线性增加而对它们的粒径几乎没有影响[45]）表明纳米载体的产量可对所使用离子交联剂的浓度非常敏感。除了进一步探索这种关系，剖析初级纳米颗粒的形成机制、结构和组成将是有用的。同样地，为进一步测试两级颗粒形成机制的一般性，这些机制的研究可能会扩大到聚阴离子，如PAA，藻酸盐和果胶酸（它们在药物递送和食品制剂上具有许多潜在的应用）的离子交联。此外，因为二次和更高阶聚集体在决定最终粒度上发挥重要作用，更透彻地理解支配二次/高阶聚集过程的因素可以帮助预测和控制纳米载体粒度分布。3.控制纳米载体的粒度分布制备离子交联纳米载体以满足它们的各种应用控制好其粒度很重要，这取决于两个因6素：（1）膨胀，这随pH值[18,46]、离子强度[52，53]、离子交联剂浓度[49,52]和纳米载体/有效载荷相互作用[4,54]而改变;以及（2）包含在每个纳米载体内的聚合物分子的数量（即它们的聚集数）。大量的实验研究已经完成各种工艺和配方参数如何影响纳米载体粒度分布的探测。发现离子交联复合物的大小伴随着聚电解质分子量[14,47]和亲性高分子电解质溶液[4,47]的浓度的增加而趋于增加。然而离子交联剂浓度的效果被认为依赖于两个相互竞争的影响：首先，在膨胀中的还原（由于较高的交联密度和较低电荷的离子网络）;第二，较高的聚集数（在交联剂进一步增长发生时另外的聚合物聚集所引起的[52,53]）。每个效应的影响取决于聚合物类型和所用离子交联剂，以及（由于聚电解质网络膨胀是刺激-响应的[46,52,53]）纳米载体所暴露的外部环境刺激。当离子交联剂浓度增加时高度溶胀的颗粒（例如，在低离子强度环境中的壳聚糖/TPP微粒）显著收缩[47,52]。反之低溶胀颗粒中的溶剂含量（例如，壳聚糖/TPP在150mM下制备的颗粒[52]）对交联剂的进一步加成较不敏感，虽然它们的聚集数可能增加。同理对于合成聚电解质制备的离子型网络，如多环芳烃/TPP络合物，只含有少量的25％-30％的水[43]。取代TPP进一步加成时的