PEG衍生物纳米结构的合成与评估：作为疏水性药物潜在递送载体的研究

《Nano Trends》：Synthesis and Evaluation of PEG Derivatized Nanostructures as Potential Delivery Carrier for Hydrophobic Drugs

　　本研究通过TMA-PEG2000树状纳米结构负载亲脂性抗肿瘤药物Paclitaxel（PTX），采用FTIR、NMR、DLS、TEM等技术表征其合成与性能，证实该纳米结构具有高包封率（92.9%）、pH响应释放特性及优异生物相容性，在体外细胞毒性实验中显示出比游离PTX强2.97倍的抗肿瘤活性，为开发高效安全的药物递送系统提供新策略。

　　这项研究介绍了一种新型的树枝状纳米结构，用于提高疏水性抗癌药物紫杉醇（PTX）的递送效率。通过将三甲基苯甲酸（TMA）作为核心分子，以及聚乙二醇（PEG）作为分支单元，研究人员成功合成了TMA-PEG复合物，并进一步将其用于PTX的封装。这种新型纳米结构的合成基于酯键的形成，通过TMA的羧酸基团与PEG的羟基之间的反应，构建出具有三维结构的分子。研究采用多种分析技术，包括傅里叶变换红外光谱（FTIR）、质子核磁共振（1H-NMR）、X射线衍射（XRD）、差示扫描量热法（DSC）以及动态光散射（DLS）和透射电子显微镜（TEM）等，对所制备的纳米结构进行了详细的表征。研究还通过体外药物释放实验和细胞活力测试，评估了该纳米结构在药物释放和抗癌效果方面的表现。结果表明，PTX负载的TMA-PEG纳米结构在药物释放效率和细胞毒性方面优于游离PTX，显示出其在抗癌药物递送方面的潜力。

TMA作为一种具有三个自由羧酸基团的芳香化合物，因其结构稳定性和可修饰性，被选为纳米结构的核心。而PEG是一种高度亲水的合成聚合物，具有良好的生物相容性和低毒性，广泛用于药物制剂中作为辅助成分。通过将TMA与PEG结合，研究人员构建了一个兼具亲水性和疏水性的平衡结构，使其能够自我组装成稳定的纳米结构。这种结构不仅提高了PTX的溶解度，还改善了药物在体内的释放行为，为抗癌药物的靶向输送提供了更优的平台。

在药物封装方面，研究采用了相平衡法，通过调整TMA-PEG与PTX的质量比（5:1、10:1、20:1），优化了药物的封装效率。其中，20:1的比例表现出最高的封装效率，达到92.9%。通过FTIR和1H-NMR分析，确认了PTX与TMA-PEG复合物之间的分子相互作用，表明药物并非简单地与载体混合，而是通过化学键合嵌入到纳米结构中。此外，XRD分析显示，PTX在TMA-PEG纳米结构中呈现无定形状态，表明其在载体中发生了结构变化，从而提高了药物的分散性和溶解性。DSC分析进一步支持了这一观点，显示出PTX在纳米结构中的熔点降低，暗示其物理状态的变化。

在药物释放行为方面，研究在两种不同的生理缓冲液（SAB pH 5.5和PBS pH 7.4）中对PTX进行了体外释放测试。结果表明，PTX在两种介质中均表现出显著的释放行为，尤其是在SAB中，释放率在4小时内分别达到76%和68%，而游离PTX在相同条件下的释放率仅为4.5%和2.5%。这说明TMA-PEG纳米结构能够有效控制药物释放，使其在特定的pH条件下释放。此外，释放数据符合Higuchi和Korsmeyer–Peppas模型，表明药物释放主要依赖于扩散机制。这种可控的释放特性为药物在体内的靶向递送提供了良好的基础。

纳米结构的稳定性也是研究的重要部分。通过在室温和低温（2-8°C）条件下测试，研究人员发现PTX在TMA-PEG纳米结构中的保留率显著高于游离PTX。在24小时后，纳米结构中PTX的保留率分别为98%和92%，而游离PTX仅保留92%和75%。这表明，纳米结构能够有效防止药物的提前释放，确保其在体内能够被稳定输送至目标部位。此外，纳米结构的粒径和分散性在不同温度条件下保持稳定，进一步支持了其良好的物理稳定性。

为了评估纳米结构的生物相容性，研究人员进行了溶血毒性测试。结果表明，无论是空白的TMA-PEG纳米结构还是PTX负载的结构，均对人红细胞表现出极低的毒性，溶血率低于2.5%，远低于生物材料安全标准（ISO/TR 7406）中的5%限值。这表明该纳米结构具有良好的生物安全性，适用于生物医学应用。

体外细胞活力测试进一步验证了该纳米结构的抗癌效果。实验使用了两种常见的癌细胞系：A549（人肺癌细胞）和MCF-7（人乳腺癌细胞）。结果显示，PTX负载的TMA-PEG纳米结构（PTPDN）在细胞活力方面表现出优于游离PTX的效果。例如，在250、500和1000 ng/mL的浓度下，PTPDN对A549细胞的细胞活力分别降低了至87.4%、78.8%和68.5%，而游离PTX则分别为91.2%、83.6%和79.1%。在48小时后，PTPDN对A549细胞的细胞活力分别降至48.9%、34.9%和19.8%，而游离PTX则降至76.2%、51.7%和39.3%。这些数据表明，PTPDN在药物递送效率和抗癌效果方面优于游离PTX，尤其是在较高浓度和长时间作用下。

在细胞活力实验中，研究人员还发现，空白的TMA-PEG纳米结构对细胞的毒性极低，即使在高浓度下，细胞活力仍保持在85%以上。这说明该纳米结构不仅能够有效递送药物，还具备良好的细胞相容性，不会对正常细胞造成明显伤害。这种特性对于开发安全有效的药物输送系统至关重要。

此外，研究还评估了该纳米结构在不同pH条件下的释放行为。结果显示，PTX在SAB（pH 5.5）和PBS（pH 7.4）中的释放模式均表现出双相特性，即在最初90分钟内出现快速释放，随后进入缓慢释放阶段。这种双相释放机制有助于药物在体内的初期快速作用，同时维持其在体内的持续释放，从而提高药物的治疗效果。

研究人员还探讨了该纳米结构在药物输送中的潜在优势。首先，其三维结构和高度分支特性使得药物能够被更有效地封装，提高了药物的稳定性。其次，PEG的亲水性有助于减少纳米结构在血液中的被免疫系统识别，从而延长其在体内的循环时间。此外，纳米结构的尺寸较小，能够更容易地穿透细胞膜，提高药物的细胞摄取效率。这些特性共同作用，使得该纳米结构在药物输送中表现出较高的效率和安全性。

在本研究中，除了药物释放和细胞活力测试，研究人员还通过DLS和TEM技术对纳米结构的物理性质进行了详细分析。DLS结果显示，TMA-PEG纳米结构的平均粒径为82.6 ± 3.1 nm，而PTX负载的结构则为126.5 ± 5.2 nm，显示出一定的粒径变化，这可能与药物的封装过程有关。TEM图像进一步证实了纳米结构的球形形态和均匀分布，表明其具有良好的形态学特征，有利于药物的稳定递送。

综上所述，本研究成功开发了一种新型的TMA-PEG树枝状纳米结构，用于递送疏水性抗癌药物PTX。该结构不仅表现出优异的药物封装效率和可控的释放特性，还显示出良好的生物相容性和细胞毒性。这些特性使其在抗癌药物输送领域具有广阔的应用前景。未来的研究可以进一步探索该纳米结构在细胞摄取和药代动力学方面的表现，以深入了解其在体内的作用机制和生物利用度。此外，研究还可以扩展到其他类型的抗癌药物，以评估该结构在更广泛药物输送中的适用性。