环状烯酮缩醛均聚物纳米颗粒：用于药物递送的可生物降解载体

《Macromolecular Bioscience》：Nanoprecipitation and Drug Delivery with PMTC: Toward Biomedical Application of Polyesters from Radical Ring-Opening Polymerization

本文系统研究了通过自由基开环聚合制备的聚（2-亚甲基-1,3,6-三氧杂环辛烷）均聚物纳米颗粒（PMTC-NPs）的形成、稳定性、药物封装及生物相容性。研究表明，PMTC-NPs可通过纳米沉淀法简便制备，其尺寸（100-190 nm）和稳定性受聚合物分子量及支化度（DB）影响，并在不同pH环境下（特别是酸性pH 4.0和碱性pH 12.0）表现出可控降解特性。成功封装模型药物Coumarin-6（Cou6）证明了其载药潜力，酶降解实验和细胞毒性评估（Caco-2细胞）证实了其良好的生物降解性和生物相容性。细胞摄取实验显示PMTC-NPs能有效将Cou6递送至细胞内。该工作首次揭示了PCKA均聚物纳米颗粒作为新型可降解药物载体的应用前景。

　　

引言

在生物医学领域，特别是药物递送系统中，可生物降解的聚合物纳米颗粒（NPs）因其能提高药物溶解度、控制释放和靶向递送而备受关注。传统的聚酯类材料，如聚乳酸（PLA）和聚己内酯（PCL），存在降解产物酸性强、降解速率难以精确调控等局限性。环状烯酮缩醛（CKAs）的自由基开环聚合（RROP）为合成新型可降解聚酯提供了独特途径，其聚合产物聚（环状烯酮缩醛）（PCKAs）主链中引入的酯键和醚键可调节聚合物的亲疏水性、柔韧性和降解性能。其中，聚（2-亚甲基-1,3,6-三氧杂环辛烷）（PMTC）被认为是亲水性最强的PCKA均聚物。然而，RROP过程中固有的链转移反应会导致聚合物产生支化结构，这种支化度（DB）对PMTC纳米颗粒的形成及其作为药物载体性能的影响尚不明确。本研究旨在系统探索不同分子量和支化度的PMTC均聚物形成纳米颗粒的能力，并评估其稳定性、药物封装效率、降解行为及生物相容性，为PCKA基纳米药物载体的开发奠定基础。

聚合物合成与表征

本研究通过RROP合成了系列不同分子量（M_n）和支化度（DB）的PMTC样品，命名规则为PMTC-[分子量(kg/mol)]-[DB(%)]，例如PMTC-7-9表示分子量为7 kg/mol，DB为9%。所有聚合物均包含由分子内H转移导致的短链支化和分子间H转移导致的长链支化的混合物。通过接触角测量和溶解度测试评估聚合物的亲水性。溶解度测试表明，所有PMTC样品在四氢呋喃/水（THF/水）混合溶剂中均在30-40 vol%水含量时开始沉淀，表明PMTC整体亲水性较低，且分子量和DB对其在THF/水中的溶解性无显著影响。接触角测量显示PMTC的前进接触角约为60 ± 10°，低于PCL（约100°）和PET（约70°），表明其表面具有适中的亲水性，且较大的接触角滞后（约50°）提示聚合物与水之间存在相互作用，这有利于通过纳米沉淀法形成稳定的纳米颗粒。

纳米沉淀法制备纳米颗粒

选择具有高分子量高DB（PMTC-27-17）、低分子量中等DB（PMTC-9-8）和低分子量低DB（PMTC-10-4）的三种聚合物进行纳米颗粒制备。结果表明，所有聚合物均能通过纳米沉淀法自组装形成纳米颗粒。动态光散射（DLS）显示，纳米颗粒的流体动力学直径在100-190 nm之间，多分散指数（PDI）在0.10-0.25范围内，表明颗粒尺寸分布较为均一。观察到支化度对颗粒尺寸的影响趋势：DB越高，形成的NPs尺寸越小（PMTC-27-17, DB 17%: ~100 nm；PMTC-9-8, DB 8%: ~130 nm；PMTC-10-4, DB 4%: ~190 nm）。这可能是由于支化缩短了聚合物链的有效长度，低DB意味着链更长，需要更多聚合物材料来稳定颗粒，从而导致尺寸增大。分子量的影响趋势不明显，可能被支化效应所掩盖。稳定性测试表明，在去离子水中储存21天后，所有NPs的尺寸均保持相对稳定，仅PMTC-27-17和PMTC-9-8在7天内出现轻微尺寸增大而后趋于平稳，表明NPs具有良好的长期储存稳定性。透射电子显微镜（TEM）观察到的NPs尺寸（20-25 nm）远小于DLS测量值，推测是由于疏水性的PMTC NPs在TEM制样干燥过程中，因表面亲水稳定需求降低而发生解组装所致。

NPs在不同pH值下的稳定性

为了模拟生理环境，评估了NPs在酸性（pH 4.0，柠檬酸盐缓冲液，模拟肿瘤微环境）、中性（pH 7.4，PBS缓冲液，模拟血液和细胞培养基）和碱性（pH 12.0，磷酸钠缓冲液，模拟某些细菌微环境）条件下的稳定性。在pH 4.0条件下，所有NPs在24小时内均发生显著尺寸增大和PDI升高，表明酯键水解导致NPs溶胀并最终解组装，这对于肿瘤靶向或胃肠道药物释放具有积极意义。在pH 7.4条件下，NPs表现出初始溶胀后尺寸趋于稳定，PDI维持在较低水平，表明NPs在该条件下结构完整，适于体循环。在pH 12.0条件下，NPs也表现出类似酸性条件的解组装行为，但PDI相对较低，提示降解过程可能更为均一，暗示其在特定细菌感染相关环境中具有应用潜力。

模型药物封装筛选

以疏水性模型药物Coumarin-6（Cou6, logP = 4.9）为模型，通过共纳米沉淀法研究PMTC-NPs的药物封装能力。通过比较封装Cou6前后NPs悬浮液的荧光强度变化（ΔF%）来半定量评估封装效率。结果表明，PMTC-9-8 NPs的封装效率最高（ΔF% ≈ 45,000%），PMTC-27-17 NPs具有一定封装能力（ΔF% ≈ 700%），而PMTC-10-4 NPs几乎不封装Cou6（ΔF% < 100%）。这表明较低分子量结合中等支化度最有利于疏水性药物的高效封装。对性能最优的PMTC-9-8 NPs进行进一步表征发现，封装Cou6后，NPs的DLS尺寸略有减小，Zeta电位从约-19 mV降至约-27 mV，但仍处于可接受范围，TEM显示其形态与空白NPs相似，表明药物封装对NPs的基本性质影响不大。

降解研究

通过DLS、Zeta电位、荧光光谱和尺寸排阻色谱（SEC）考察了NPs在脂肪酶作用下的降解行为。DLS和Zeta电位测量显示，酶解后NPs尺寸减小，表面负电荷增加，PDI增大，表明降解发生。以Nile Red为荧光探针的释放实验表明，在PBS中NPs能稳定包裹染料，加入脂肪酶后荧光强度迅速下降，证明酶促降解导致染料释放。SEC分析进一步证实，经脂肪酶处理后，PMTC聚合物链发生明显降解，聚合物主峰消失。这些结果共同证明了PMTC-NPs具有良好的酶促降解性和药物控释潜力。

毒性测试

通过PrestoBlue法检测细胞代谢活性和乳酸脱氢酶（LDH）释放法检测细胞膜完整性，评估了PMTC-NPs及其降解产物对Caco-2肠上皮细胞的细胞毒性。结果表明，在0.5 mg mL^-1浓度下，与细胞死亡诱导剂Triton X-100（TX）相比，所有PMTC-NPs及其降解产物均未引起显著的代谢活性下降（活性均≥80%）或细胞膜损伤，表明PMTC-NPs及其降解产物具有良好的生物相容性，且这种生物相容性不受聚合物分子量和支化度的显著影响。

细胞摄取实验

通过荧光显微镜观察Cou6-loaded PMTC-9-8 NPs与Caco-2细胞共孵育24小时后的情况。结果显示，NPs处理组的细胞内部可见明显的Cou6荧光信号，而游离Cou6（水溶性差）处理组则几乎无荧光信号。这表明PMTC-9-8 NPs能有效地将疏水性模型药物Cou6递送进入细胞内部，初步证明了其作为药物载体的细胞内递送能力。

结论

本研究成功制备并系统评价了基于PMTC均聚物的纳米颗粒。研究首次揭示了聚合物支化度（DB）和分子量对PCKA均聚物NPs形成、稳定性及药物封装性能的显著影响，其中较低分子量结合中等DB（PMTC-9-8）表现出最优的载药性能。PMTC-NPs可通过简单的纳米沉淀法制备，尺寸适宜（<200 nm），在生理pH下稳定性良好，并在特定pH环境下（酸/碱）可发生可控降解。模型药物封装、酶降解实验、细胞毒性评估及细胞摄取实验共同证明了PMTC-NPs作为一种新型的可生物降解、生物相容性良好且能有效递送药物的纳米载体平台的巨大潜力。该工作为RROP制备的功能性可降解聚合物在纳米医学领域的应用开辟了新途径。