影响聚(D,L-乳酸-共聚甘醇酸)纳米颗粒水解降解动力学因素的研究

《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：The Factors Affecting Hydrolytic Degradation Kinetics of Poly(D,L-lactide- co-glycolide) Nanoparticles

PLGA纳米颗粒尺寸从139 nm降至103 nm时，水解速率常数提升至0.05天?1，主要归因于比表面积增大，排除了扩散限制和纳米限域效应，同时验证了温度、pH及γ辐照对水解动力学的影响。

　　

A.I. 库列比亚金娜 | D.R. 斯特列尔佐夫 | P.V. 德米特里亚科夫 | K.T. 卡利宁 | S.N. 切瓦伦

俄罗斯莫斯科库尔恰托夫国家研究中心

摘要

聚（乳酸-羟基乙酸）纳米颗粒的可控降解对其作为药物输送系统的生物医学应用至关重要。然而，其尺寸对生理相关条件下的水解动力学的影响尚未完全明了。在本研究中，通过动态光散射、差示扫描量热法和凝胶渗透色谱法对尺寸效应进行了彻底研究。研究发现，纳米颗粒的流体动力学直径从139纳米减小到103纳米会加速其水解降解，初始降解阶段的有效速率常数估计为0.026至0.05天?1。结果表明，在所研究的尺寸范围内，纳米颗粒的玻璃化转变温度（无论是在干燥状态还是水悬浮液中）与其尺寸无关，这排除了纳米限制对分子运动性的影响。水向聚合物纳米颗粒中的扩散速度比水解速率快，从而排除了水解动力学受扩散限制的可能性。因此，观察到的降解速率随纳米颗粒尺寸减小而增加的现象与纳米颗粒比表面积的增加有关。此外，还研究了温度、pH值和γ射线辐照对PLGA纳米颗粒水解动力学的影响。

引言

由于可生物降解聚合物能够在人体内降解为低分子量产物并通过排泄系统排出，它们在药物输送系统中的应用日益增多。在这些聚合物中，聚（乳酸-羟基乙酸）（PLGA）是最广泛用于植入物、组织工程支架以及药物封装和输送的纳米和微粒的材料之一[1]。PLGA在人体内的降解主要通过水解或酶催化水解实现。了解影响降解过程的因素对于医学应用至关重要。

由可生物降解聚合物制成的薄膜、板材、圆盘和棒材的水解降解已经得到了30多年的深入研究[2, 3, 4, 5]。PLGA的水解机制涉及水分子加入导致聚合物链随机断裂，从而生成水溶性寡聚物和单体。这些物质的逐渐扩散和渗出会导致样品的侵蚀，并伴随质量损失。可生物降解聚合物可分为表面侵蚀型和体积侵蚀型。由于水渗透到PLGA材料中的速度远快于其降解速度（几分钟对比几周或几个月），因此PLGA被归类为体积侵蚀型聚合物[6]。

酸自催化水解机制被广泛认为是PLGA样品（无论是大块还是微粒）降解的机制[7, 8, 9, 10, 11]。酸性水解产物的积累会导致样品内部的pH值局部下降，从而加速样品整体的水解降解。这一过程表现出尺寸依赖性，即较大颗粒的降解速度比小颗粒更快。然而，对于PLGA纳米颗粒而言，由于扩散距离较短，低分子量水解产物的扩散速度预计会快于水解速率，从而防止了酸性反应产物的积累并加速了水解过程。

PLGA微粒的水解降解过程通常根据PLGA的玻璃化转变温度Tg和反应条件（如环境温度）分为几个阶段[12, 13, 14, 15, 16]。例如，G. Reich报道了在生理条件下PLGA微粒的水解过程分为三个阶段[12]。从初始缓慢水解阶段到第二阶段的加速降解，与PLGA玻璃化转变温度因分子量减少而降至水解温度以下相吻合。

B.S. Zolnik等人的研究[16]探讨了溶液酸度对PLGA微粒水解速率的影响，发现pH值从7.4降低到2.4会抑制水解的异质性，促进酸度在颗粒内部的均匀分布。

H. Keles等人[17]研究了共聚物组成和γ射线辐照对PLGA微粒水解动力学的影响。乳酸含量的增加会降低水解速率，因为这降低了聚合物的亲水性；而较高的γ射线辐照剂量则通过自由基链断裂降低聚合物分子量，从而加速水解。

尽管关于PLGA纳米颗粒水解动力学的研究有限，但可以推测，由于酸性反应产物的扩散增强，纳米颗粒中的水解过程可能与微粒中的不同。例如，G.K. Jain等人[18]使用扫描电子显微镜（SEM）研究了直径为150纳米的PLGA纳米颗粒在磷酸盐缓冲液（PBS，pH = 7.4）中37°C下的水解侵蚀过程，发现降解过程可分为三个阶段。第一阶段“缓慢”，与水分子缓慢渗透到纳米颗粒中有关。需要注意的是，这一假设与PLGA作为体积侵蚀型聚合物的普遍分类相矛盾。第二阶段的特点是水解侵蚀速率加快，伴随着PLGA纳米颗粒中微孔和微裂纹的形成，促进了水的扩散。第三阶段伴随着PLGA水解侵蚀速率的降低，这可能是由于纳米颗粒的整体侵蚀和低分子量酸性寡聚物的洗脱。

J. Panyam等人[19]分析了用聚乙烯醇（PVA）稳定的PLGA微粒和纳米颗粒的水解动力学。对于直径分别为100纳米、1微米和10微米的颗粒，在初始降解阶段的有效水解速率常数分别为0.028、0.011和0.018天?1。在第二阶段较慢的降解过程中，所有颗粒的水解速率常数大致相同，约为0.008–0.009天?1。作者将纳米颗粒的水解加速归因于PVA对低分子量酸性水解产物的扩散抑制。他们的假设基于两个观点：（1）随着颗粒尺寸的减小，吸附在PLGA颗粒表面的PVA质量分数增加；（2）PVA涂层可能阻碍低分子量酸性产物的扩散，从而导致纳米颗粒的酸性自催化。后一假设基于Y.Y. Yang等人的研究[20]，该研究表明，模型蛋白（如牛血清白蛋白，BSA）从PLGA纳米颗粒中的释放速度比从微粒中的释放速度慢。然而，需要注意的是，由于PLGA纳米颗粒的表面积与体积比大于微粒，吸附在其表面的PVA质量分数增加并不一定意味着PVA涂层更密集。S.C. Lee等人[21]的研究表明，对于直径小于1.4微米的颗粒，PVA在PLGA颗粒表面的密度大致恒定，约为2毫克/平方米，与颗粒尺寸无关。这一观察表明PVA在PLGA颗粒表面形成了相对均匀的吸附层。此外，PVA是一种高度亲水的聚合物，在更疏水的PLGA核心周围形成了水合层。低分子量酸性寡聚物体积小、极性强且可溶于水，它们通过膨胀的PVA层的扩散速度预计比通过疏水PLGA核心的速度快。而大分子如BSA（分子量66.5 kDa）从PVA涂层纳米颗粒中的释放主要受空间位阻影响；而低分子量（MW < 1-3 kDa）的酸性寡聚物则可以自由穿过亲水的PVA壳层，不会遇到显著的空间位阻。在生理pH值7.4下，PVA中的羟基未发生质子化，因此PVA与阴离子寡聚物之间不存在静电相互作用[22]。

尽管PLGA纳米颗粒作为有前景的药物载体在科学和工业上备受关注，但影响其在生理条件下水解降解的因素尚未完全明了。本研究结合使用凝胶渗透色谱（GPC）、动态光散射（DLS）和差示扫描量热法（DSC），重点探讨了PLGA纳米颗粒尺寸、玻璃化转变温度、环境温度、pH值和γ射线辐照对其水解动力学的影响。

材料

通过D,L-乳酸（Corbion，荷兰）和羟基乙酸（Corbion，荷兰）的环开聚合反应，并以乙基己酸锡（95%，Sigma-Aldrich，美国）作为催化剂，合成了一个具有羧基末端基团的随机PLGA共聚物（乳酸：羟基乙酸 = 75:25摩尔%）。该合成方法的详细信息已在先前文献中描述[23]。共聚物的组成通过1H核磁共振确认，分子量和多分散指数（PDI）通过凝胶渗透色谱法测定。

水解后PLGA纳米颗粒的尺寸和形态

用PVA稳定的PLGA纳米颗粒是通过纳米沉淀法制备的[24]。图1a显示了根据DLS数据得到的纳米颗粒流体动力学直径分布图。所有分布均为单峰分布，z-平均流体动力学直径分别为103 ± 2纳米、108 ± 1纳米、123 ± 2纳米和139 ± 4纳米。

图1b显示了沉积在新鲜切割云母基底上的、直径为139纳米的PLGA纳米颗粒的原子力显微镜（AFM）图像。这些纳米颗粒呈球形。

结论

本研究聚焦于流体动力学直径在103至139纳米范围内的PLGA纳米颗粒的水解过程。研究发现，在生理条件（pH = 7.4，37°C）下，这种聚合物的分子量在三个月内降解至70至2-3千道尔顿。对于较小的纳米颗粒，第一个月内的有效水解速率常数较高，表明初始降解阶段的水解更为剧烈。

资助

本工作是在库尔恰托夫国家研究中心的资助下完成的。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我们感谢库尔恰托夫国家研究中心的“Polymer”资源中心提供的DSC和GPC测量服务，“OMS”资源中心提供的DLS测量服务，以及“Nanozond”资源中心提供的AFM测量服务。同时，我们也感谢K.V. 康德拉季耶夫和E.N. 波兹尼列夫在库尔恰托夫国家研究中心进行的钴-60（??Co）γ射线源实验。

利益冲突

作者声明