王銘緯, 俞 潔, 趙洪陽, 付智楠, 陳 凱, 王俊有, 徐益升, Martien A. Cohen Stuart, 郭旭虹
(華東理工大學(xué)化工學(xué)院,上海 200237)
我國是農(nóng)業(yè)大國,農(nóng)藥使用量居世界第一,農(nóng)藥的使用直接關(guān)系到農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量和生態(tài)環(huán)境,然而我國農(nóng)藥利用率比歐美等農(nóng)業(yè)發(fā)達國家低15% ~20%,且不像歐美等發(fā)達國家有嚴格的土地休耕計劃[1-3]。較低的農(nóng)藥利用率勢必造成農(nóng)藥大量使用,導(dǎo)致農(nóng)作物體內(nèi)農(nóng)藥殘留量高,土地污染嚴重,并且過量的農(nóng)藥隨農(nóng)田排水進入溝、渠、河流,也會造成水體富營養(yǎng)化和污染。我國2017 年修訂《農(nóng)藥管理條例》,鼓勵生產(chǎn)和使用安全、高效、經(jīng)濟的農(nóng)藥,推進農(nóng)藥專業(yè)化使用,促進農(nóng)藥產(chǎn)業(yè)升級[4]。
為了安全實現(xiàn)農(nóng)藥的減量增效,主要改進方式有兩種:開發(fā)新型農(nóng)藥和合理利用現(xiàn)有農(nóng)藥。開發(fā)出符合安全、高效、低毒的新型農(nóng)藥,這種方法周期長、難度相對較大;而另一種較為快捷的方式是合理利用現(xiàn)有農(nóng)藥,即在不改變農(nóng)藥分子結(jié)構(gòu)和主要功效的情況下,通過將農(nóng)藥包覆在納米載體中,減少外界環(huán)境因素(光、熱等)的影響,增強了農(nóng)藥穩(wěn)定性,從而可以提高農(nóng)藥的有效利用率、減緩農(nóng)藥對環(huán)境和生物的毒性[5-6]。因為可以直接利用現(xiàn)有農(nóng)藥,并且開發(fā)周期相對較短,目前納米載體法受到許多研究者的廣泛關(guān)注,其中的納米載體如農(nóng)藥微乳劑、農(nóng)藥懸浮劑、納米農(nóng)藥粒子等被相繼開發(fā)[7-9]。制備這類農(nóng)藥納米材料的方法有多種,如乳化法、高壓均質(zhì)法、共沉淀法等,但主要是基于熱力學(xué)自組裝的原理,存在載藥率低、制備過程耗時較長、不易大規(guī)模連續(xù)化生產(chǎn)等問題[10-13]。
近年來的研究表明,納米載體的微觀結(jié)構(gòu)對載體的應(yīng)用效果有非常重要的影響[14-15],如非球形形狀可顯著提升藥物納米載體的靶標性能,但納米載體結(jié)構(gòu)的簡易調(diào)控較難,因此開發(fā)出一種能快速制備納米材料并有效控制納米材料微觀結(jié)構(gòu)的方法十分必要。2003 年興起的瞬時納米沉淀法(Flash nanoprecipitation, FNP)可以解決這些難題[16-17]。與上述的熱力學(xué)控制方法相比,F(xiàn)NP 法是基于動力學(xué)控制的原理,通過利用化學(xué)工程中的流體湍流混合方式實現(xiàn)納米材料的快速制備,具有載藥率高、制備時間短(毫秒級)、易于控制納米材料的尺寸大小、易于放大和連續(xù)化生產(chǎn)等特點[18-22]。FNP 法還可以簡易、系統(tǒng)化地調(diào)控納米材料的微觀結(jié)構(gòu),進一步提升納米材料在靶標給藥、緩控釋等方面的性能,在農(nóng)藥高效利用和低毒使用上具有巨大潛力[23-26]。
FNP 法是在2003 年由普林斯頓大學(xué)的Prud'Homme 等提出[16-17],其原理為:非水溶性溶質(zhì)(如大部分的農(nóng)藥、抗癌藥等)首先溶解于少量的有機溶劑中,再與大量的水劇烈混合快速沉淀、成核,形成疏水核心,然后快速被溶液體系中存在的兩親性物質(zhì)(通常是兩親性嵌段聚合物)覆蓋、保護,從而形成水分散性的納米粒子,整個過程在幾十毫秒內(nèi)完成[27-30]。在這個過程中,非水溶性溶質(zhì)沉淀后被兩親性物質(zhì)保護起來,因此溶質(zhì)的有效利用率(載藥率)非常高,通常在90%以上;由于兩親性物質(zhì)的主要作用是穩(wěn)定住疏水的沉淀核心,用量不需過大,因此納米粒子的載藥量也比較高,達到50%以上[31-35]。同時,由于FNP 法是借助于流體流動的原理,因此易于連續(xù)化生產(chǎn)與放大,是一種用于工業(yè)生產(chǎn)的載體型納米粒子的有效技術(shù)[36-39]。
實現(xiàn)FNP 法制備納米粒子的第1 代裝置是封閉撞擊流混合器(Confined Impinging Jets,CIJ),如圖1(a)所示。通過兩股高速流動的液體在CIJ 的混合腔中對撞式撞擊混合,制備納米粒子。之后,為了增加操作的自由度,劉穎與Prud'Homme 等[19]研制出第2 代的MIVM(Multi-Inlet Vortex Mixer),如圖1(b)、1(c)所示。在MIVM 中,劇烈的混合是發(fā)生在混合腔的流出孔處附近[40-42]。通過調(diào)節(jié)FNP 法制備過程的宏觀工藝參數(shù),如流速、雷諾數(shù)、濃度等,可以調(diào)控納米粒子的形成過程,進而控制其微觀結(jié)構(gòu)(圖2)。以上這些優(yōu)勢使得FNP 法適用于制備農(nóng)藥納米粒子。
圖2 FNP 法制備納米粒子示意圖Fig. 2 Illustration of nanoparticle preparation by FNP
FNP 法在初期階段適用的溶質(zhì)是非水溶性物質(zhì),對水溶性藥物的包載能力非常有限。目前文獻[43]開發(fā)出逆向FNP(inverse FNP,iFNP)的技術(shù),可以良好地將水溶性的藥物、蛋白質(zhì)、DNA 等封裝在納米粒子中,進一步拓展了FNP 法的物質(zhì)適用范圍與應(yīng)用前景,其過程如圖3 所示。
圖3 逆向FNP 包載親水性溶質(zhì)[43]Fig. 3 iFNP encapsulates water-soluble solute[43]
載體型納米粒子的常見形貌為球形粒子,但近年的研究表明對于載體型納米粒子的生物與醫(yī)學(xué)應(yīng)用來說,非球形結(jié)構(gòu)的實際應(yīng)用效果會比球形結(jié)構(gòu)更好[14-15]。然而,如何簡便、系統(tǒng)地控制納米材料的微觀形貌,本身也是納米材料領(lǐng)域的一個難點。Wang 等[44]發(fā)現(xiàn),F(xiàn)NP 法可以快速、簡易地實現(xiàn)納米粒子形貌的系統(tǒng)控制(圖4(a)),研究中使用多糖類兩親性嵌段聚合物Dextran-b-poly(lactic acid)和Dextranb-polycaprolactone 作為保護性聚合物,通過調(diào)節(jié)FNP 過程中的混合濃度以及兩親性嵌段聚合物中疏水嵌段的玻璃化轉(zhuǎn)化溫度,可以調(diào)控聚集誘導(dǎo)發(fā)光型熒光分子ED 和QM-2 的微觀聚集結(jié)構(gòu)在“球形-納米棒-微米棒”之間的轉(zhuǎn)變,而且納米棒的形貌在癌細胞的細胞攝取以及體內(nèi)循環(huán)時的腫瘤組織富集方面遠遠優(yōu)于常見的納米球結(jié)構(gòu)。
載體型納米粒子的重要用途是在藥物(醫(yī)藥、農(nóng)藥等)包覆后,當納米粒子到達指定位置后將藥物釋放出來,而藥物的釋放與粒子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、構(gòu)建方式息息相關(guān)。通?;跓崃W(xué)自組裝法制備出的納米粒子的結(jié)構(gòu)主要是核-殼型結(jié)構(gòu),內(nèi)部結(jié)構(gòu)的調(diào)控不易實現(xiàn),因此難以建立內(nèi)部結(jié)構(gòu)與藥物釋放行為之間的關(guān)系。Wang 等[45]發(fā)現(xiàn)FNP 法的混合過程恰好可以控制納米粒子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(圖4(b))。通過調(diào)節(jié)混合過程的混合劇烈程度(通常用雷諾數(shù)來表示)、保護性的聚合物與藥物之間的物質(zhì)的量之比等,就可以控制內(nèi)部結(jié)構(gòu)由堆積密度較高的緊密型結(jié)構(gòu)向堆積密度較低的松散型結(jié)構(gòu)之間的轉(zhuǎn)變,并且證實緊密型結(jié)構(gòu)有助于藥物的長期緩釋。這些結(jié)構(gòu)的可控性以及實現(xiàn)過程的簡易程度,是傳統(tǒng)的制備方法難以達到的。
圖4 FNP 法調(diào)控納米粒子的形貌(a)和內(nèi)部結(jié)構(gòu) (b)[44-45]Fig. 4 Morphology (a) and internal structure (b) controlled by FNP[44-45]
另外,Nikoubashman 等[46-49]在沒有兩親性物質(zhì)的協(xié)助下,僅使用聚苯乙烯實現(xiàn)了大小均勻的聚苯乙烯納米粒子的定向組裝與制備,為制備各種聚合物微球提供了思路(圖5(a))。Lee 等[50]利用兩種單嵌段聚合物,制備出內(nèi)部分相、表面各向異性的Janus 結(jié)構(gòu)納米粒子(圖5(b))。此外,F(xiàn)NP 法還可以用于制備囊泡結(jié)構(gòu)[51-53]。除了利用親-疏水作用力制備出這些納米載體外,F(xiàn)NP 法還可以使用帶電高分子,借助電荷作用力得到更多納米結(jié)構(gòu)[54-57]。He 等[58]利用帶正電的殼聚糖與帶負電的三聚磷酸鈉,制備出可以穩(wěn)定包覆胰島素的聚電解質(zhì)納米粒子,如圖5(c)所示。
圖5 FNP 法制備聚合物微球(a),Janus 納米粒子(b)和聚電解質(zhì)納米粒子 (c)[46, 50, 58]Fig. 5 Polymer colloid (a), Janus nanoparticle (b) and polyelectrolyte nanoparticle prepared by FNP (c)[46, 50, 58]
實現(xiàn)載體型納米粒子的靶向輸送能力,不僅可以借助尺寸、形貌等結(jié)構(gòu)帶來的被動靶向能力,還可以通過表面接枝靶向分子獲得主動靶向能力。通過在納米粒子的表面引入特異性的靶標分子,能針對性地將納米粒子與靶向的生物器官或組織相定向結(jié)合,實現(xiàn)靶向輸送[59-61]。Zhang 等[62]通過在納米粒子表面修飾上疊氮基團,進一步引入了具有腫瘤靶向能力的葉酸基團,從而使納米粒子具有腫瘤靶向能力,如圖6 所示。
圖6 表面修飾有葉酸基團的納米粒子[62]Fig. 6 Nanoparticle modified with folic group on surface[62]
納米粒子微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)控離不開兩親性嵌段聚合物,表1 示出了適用于調(diào)控納米粒子微觀結(jié)構(gòu)的兩親性嵌段聚合物。
表1 用于調(diào)控納米粒子微觀結(jié)構(gòu)的兩親性嵌段聚合物Table 1 Diblock copolymer used for controlling the nanostructure
使用FNP 法制備納米農(nóng)藥的第1 份研究由LIU 等[63]報道,其使用聯(lián)苯菊酯作為非水溶性農(nóng)藥,制備出聯(lián)苯菊酯納米粒子,尺寸在60~200 nm 之間,聯(lián)苯菊酯的載藥率可達到91%,并可以穩(wěn)定半個月。Fu 等[64]采用FNP 法制備出形貌可控的阿維菌素納米粒子,載藥率可達95%,同時發(fā)現(xiàn)紡錘型納米農(nóng)藥由于其優(yōu)異的滲透性和黏附性,能夠有效地降低南方根結(jié)線蟲(Meloidogyne incognita)的存活率(圖7(a))。這是因為相比于一般的球形納米農(nóng)藥,非球形納米農(nóng)藥(如紡錘形,棒狀等)具有更加優(yōu)異的流動性,能有效地黏附作用于生物活體,顯著降低有害生物的存活率[64]。Chen 等[65-66]制備出負載λ-氯氟氰菊酯的納米粒子,其載藥率能夠達到99%,具有有效防治蚜蟲(Aphis craccivora)的能力(圖7(b))。
圖7 FNP 法制備不同形貌負載阿維菌素(a)和負載λ-氯氟氰菊酯載藥納米粒子及其應(yīng)用 (b)[64-66]Fig. 7 Schematic illustrating the FNP method for preparing abamectin-loaded (a) and λ-cyhalothrin-loaded nanoparticles and bioassay (b)[64-66]
綜上所述,瞬時納米沉淀技術(shù)是一種基于化學(xué)工程流體湍流混合的動力學(xué)控制制備納米粒子的方法,它不僅可以有效地提高藥物的載藥率、控制納米粒子的尺寸等,還易于控制納米粒子的微觀結(jié)構(gòu)。通過控制納米粒子的形貌,可以提升納米材料的生物靶向性能;控制納米粒子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與構(gòu)建方式,可以提升納米材料的藥物緩控釋性能以及包載藥物的多樣性;控制納米粒子的表面結(jié)構(gòu),可以進一步增強納米材料的主動靶標能力。以上這些結(jié)構(gòu)的控制,有利于納米粒子技術(shù)在農(nóng)藥特別是現(xiàn)有的農(nóng)藥上實現(xiàn)“減量、增效”,并為農(nóng)藥的可持續(xù)發(fā)展提供幫助。