聚电解质复合物的研究及应用趋势

离子聚合物（ioni cpolymer）是一类在酸性或碱性介质中可产生解离、形成带正电荷或负电荷的高分子材料，性质类似于无机溶液中的电解质，故又称为聚电解质（polyelectrolyte）。当两种带相反电荷的聚电解质相遇时，两种大分子可通过静电吸引力相互作用形成大分子复合体，又称为聚电解质复合物（polyelectrolyte complex）。大分子也可以和小分子、离子（如Ca2﹢和Mg2﹢）等通过静电吸引形成复合物。聚合物的分子链之间可以通过氢键或范德瓦尔斯力等形成聚合物络离子，还可以通过交联剂形成不溶性的离子交换树脂（Ion Exchange Resin，IER）。

1.聚电解质复合物的分类

聚电解质复合物按其组成可以分为以下几种：

（1）聚阳离子（polycation）-聚阴离子（polyanion）复合物。这类复合物以弱的聚酸和弱的聚碱所形成的聚电解质复合物为主，在中性条件下稳定，在酸性或碱性条件下由于弱的聚酸与弱的聚碱非离子化，分别失去电荷，使复合物解离溶胀。当聚阳离子、聚阴离子与药物混合时，由于静电作用，聚阳离子与聚阴离子通过盐键形成分子量更大的聚电解质复合物，药物被随机包埋在聚电解质复合物链中。

（2）聚离子（polyion）-小分子离子复合物。聚离子可通过小分子离子（如酸根或无机金属离子）的静电作用形成复合物。此时，小分子离子作为“盐桥”起着类似交联剂的作用，使聚离子聚集、凝胶化，此时药物被包埋在网络之中。如果被小分子离子交联后的聚离子表面再复合一层带相反电荷的聚离子，则可形成包裹型的微胶囊。这一类型复合物中，以钙离子交联海藻酸钠（Ca2﹢-alginate）做成的小球报道最多。

（3）聚离子与模型药物形成的聚电解质复合物。这一类聚电解质复合物的模型药物大多数为多肽、蛋白质、基因等。在生理条件下带负电荷的蛋白质可与带正电荷的聚阳离子通过静电作用形成聚电解质复合物。由于蛋白质属于两性大分子，而且这类复合物主要靠聚离子与两性大分子上电荷基团之间的静电引力而形成，当外界环境pH变化时，会导致复合物解离或体积变化。用聚阳离子模拟类似于病毒的结构作为基因载体也是离子聚合物应用的一个重要方面，此时聚阳离子以多肽为主（如聚赖氨酸），与基因在水溶液中形成具有纳米尺寸的聚电解质复合物粒子。

（4）两性大分子间形成的复合物。多肽蛋白类两性大分子既可以作为药物载体（如明胶、白蛋白等），又可以作为模型药物（如生长因子、胰岛素、干扰素等）。如用碳化二亚胺交联的酸性明胶等电点为5.0，将其作为聚阴离子与碱性成纤维细胞生长因子（b FGF）在生理条件下形成聚电解质复合物。在体内随着明胶的酶解，b FGF同步释放，可以有效地促进血管形成和组织肉芽的生长。

（5）离子交换树脂。将离子聚合物通过共价键连接成不溶性的网络结构骨架，聚合物链上仍有离子基团。这些活性基团可与其他离子以离子键结合，这就是通常所说的离子交换树脂。离子交换树脂具有网状立体结构，含有与离子结合的活性基团，并能与溶液中其他物质离子进行交换，一般不溶于酸、碱及有机溶液，可再生与反复使用。随着学科之间的相互渗透，离子交换树脂开始用于药物传递系统的研究与开发，主要用于胃肠中药物的控制释放和靶向释放的载体，含药树脂就是其中的一种。含药树脂是已固化的离子聚合物与带有酸性或碱性基团的药物结合起来形成的一类聚电解质复合物，通常将含酸性基团的阳离子交换树脂与碱性药物结合成含药树脂，或含碱性基团的阴离子交换树脂与酸性药物形成含药树脂。

2.聚电解质复合物的特征

与无机电解质不同，聚电解质复合物不仅具有一般电解质的电性特点，同时还有聚合物大分子的许多其他特点。

（1）与细胞亲和力强，在体内易被清除。除了离子交换树脂以外，大部分聚电解质是水溶性的。即使有些聚电解质复合物暂时不溶于水，但一旦进入人体，由于体液pH和其他小分子离子的存在，这些靠“盐键”组成的聚电解质复合物逐步解离为可溶性聚电解质。这种带电荷的可溶性的聚电解质易黏附于细胞表面，被细胞吞噬的概率很大，因此，聚电解质要比其他药用生物材料更容易从人体器官中消除。

（2）制备条件温和。制备聚电解质复合物，一般是在水溶液中通过“盐桥”作用形成的，不需要加入那些对细胞有毒的有机溶剂与各种引发剂、催化剂，反应一般不需要加热、加压、紫外照射等。

（3）模拟病毒结构。到目前为止，基因治疗大多以病毒为载体，但这可能导致免疫反应、致癌等副作用。聚阳离子和基因可形成聚电解质复合物，具有一些类似病毒的功能，如受体调节内化移植于细胞核等。(www.xing528.com)

（4）聚阴离子作为药物载体具有抗病毒的潜力。许多文献报道，聚阴离子能干扰细胞融合，特别是病毒复制循环中的关键步骤，阻止病毒-细胞融合是聚阴离子抗病毒活性的根源。聚阴离子与药物相结合组成给药系统，可作为临床治疗上有用的抗病毒制剂。

3.聚电解质复合物在基因给药系统中的应用

聚电解质复合物在药物新剂型中的应用主要是用于基因给药系统。基因给药系统是细胞与分子水平上的靶向系统，重组DNA首先必须在载体介导下达到靶细胞表面，穿透细胞膜，进入细胞核，整合在染色体中，取代突变的基因，补充缺失基因或关闭异常基因，然后由m RNA翻译进入核糖体，经加工重组成新的蛋白。

为了在特定靶细胞中进行基因转染，DNA必须通过细胞屏障而进入细胞核，其中细胞屏障包括细胞膜、溶酶体和核膜。有两个重要术语可以用来衡量与判断基因转移的效果，即转染（transfection）效率与转变（transformation）效率。转染效率是指用重组DNA孵育后24h内能显示重组基因表达细胞的百分数；转变效率是指那些能表现长期重组基因表达（超过两周）细胞的百分数。最佳的DNA传递载体应该同时满足高的转染效率与转变效率。为了达到这一目标，已经开发了很多能改进细胞穿透和细胞核移植的方法，以聚阳离子为载体材料的DNA给药系统就是其中的一类。在使用的聚阳离子中，以多肽（如聚赖氨酸等）、聚乙烯亚胺等为主，另外还有壳聚糖、环糊精等天然可降解高分子。

（1）聚赖氨酸。聚赖氨酸（Poly-L-Lysine，PLL）是一种被广泛应用于基因释放的载体材料。聚赖氨酸在α位的氨基具有正电荷性质，能够结合带负电荷的DNA。另外，聚赖氨酸能够防止核酶对DNA的降解，靶向基因也能够通过化学方法偶合于聚赖氨酸上用于靶向释放。聚赖氨酸的分子量、聚赖氨酸与DNA的比例、溶剂盐的浓度及溶剂的离子强度对结合物的形成起着重要的作用。另外，聚赖氨酸还可以和聚乙二醇、聚天冬氨酸、葡聚糖和聚-（N-2-羟丙基）-甲基丙烯酰胺等形成共聚材料，从而改进聚赖氨酸的生物性质。

（2）聚乙烯亚胺。聚乙烯亚胺是一种高正电荷密度的工业高分子材料，其基本结构是由两个碳原子和一个氮原子组成的。从聚乙烯亚胺的结构上来看，主要有两种结构形式，即树枝状和直线状，结构如下所示。

A—树枝状聚乙烯亚胺；B—直线状聚乙烯亚胺

用于基因药物载体的聚乙烯亚胺的分子量一般为5～25k Da[1]，其分子量与基因转染效率密切相关，一般认为分子量越大，在体外细胞中转染效率也越高，但从细胞毒性上来看，聚乙烯亚胺的分子量越大，对细胞的毒性也越大。因此，研究者常常采用交联的方法，通过选择适宜的交联试剂将分子量较小的聚乙烯亚胺进行连接，交联后的聚乙烯亚胺的分子量可以增加数十倍至上百倍，在体外细胞转染效率也可以增加数百倍至上千倍，而对细胞的毒性则基本保持未交联前的水平。

在细胞转染过程中，如何计算聚乙烯亚胺与DNA的比例是经常碰到的问题。大多数研究都采用纳摩尔比（nmol/nmol），即聚乙烯亚胺中所含氮的纳摩尔：DNA中磷的纳摩尔比（N/P）。研究表明，在低N/P时形成的聚集主要是因为结合物间范德瓦尔斯力的作用，高N/P时聚集程度降低，因为结合物表面较高的电荷所产生的静电作用发生静电排斥，使其在生理条件下比较稳定。

为了解决聚乙烯亚胺作为基因药物载体所存在的问题，将聚乙二醇与聚乙烯亚胺共聚，或用聚乙二醇与聚乙烯亚胺偶合，甚至用聚乙二醇对聚乙烯亚胺进行物理包裹等都是几种可选择的方法。由于聚乙二醇的介入，可使聚乙烯亚胺的细胞毒性降低，与DNA形成的微粒在血液循环中稳定性增加，同时可以防止复合物在生理条件下的聚集和沉淀等问题。在活化的聚乙二醇表面进一步偶合靶向基因，如功能短肽、小分子药物和糖苷元等，使得所合成的载体材料既具有稳定结构，又具有靶向功能，从而成为组装式、可调控的基因药物载体。

（3）阳离子树枝状高分子。树枝状高分子（dendrimers）是球形的、高度分支化的聚合物，其合成方法是从骨架核心开始，逐步向四周扩散。在基因转染中，主要是对聚酰胺-胺型树状高分子（PAMAM）和聚丙烯亚胺（PPI）树枝状载体材料的研究。PAMAM在生理p H条件下溶解于水后，表面会带有很高的正电荷，其圆球形的正电荷表面可适宜于DNA、RNA、低聚核苷酸及各种双螺旋的DNA进行结合。将一些活性物质与其偶联是该类载体材料常用的改性方法，如用葡聚糖、β-环糊精等与PAMAM共聚，由于这些活性物质的偶合，增加了载体材料与细胞膜的融合性，大幅提高了对细胞的转染效率。与PAMAM的情况相似，分子量大的聚丙烯亚胺在细胞毒性试验中毒性较高，分子量相对小的则毒性较低。