玉米醇溶蛋白(zein)作为一种天然植物蛋白,凭借其优异的生物相容性、可降解性及独特的自组装特性,已成为纳米药物载体领域的重要材料。Zein纳米载体具有良好的成膜性与可调控的制备技术,在药物递送、功能性食品及生物医学应用中展现出巨大潜力[1]。研究表明,zein通过自组装作用包封抗癌药物,可有效抵御胃酸、胰蛋白酶等的降解,为精准肿瘤治疗提供了新策略[2]。此外,zein与生物活性成分形成复合物可显著提高其水溶性、稳定性和生物利用度,在功能性食品领域具有独特应用价值[3]。近年来,刺激响应型智能系统的构建成为zein纳米载体的主要方向,通过表面功能化修饰zein纳米载体可实现在特定微环境下的精准控释[4]。值得注意的是,zein纳米载体与生物材料复合可进一步提升其稳定性和生物相容性,为其在生物医学领域的应用提供了更多可能性[5]。尽管zein载体有很多优势,但其在水溶性、环境稳定性和载药效率等方面仍面临挑战。本文系统综述zein纳米载体的制备原理、功能化修饰策略与应用进展,旨在为未来精准药物递送系统与食品活性成分控释技术的开发提供理论依据。
1 Zein的理化性质与优势
Zein是一种源于玉米的植物蛋白,其分子结构主要由赖氨酸、丙氨酸、谷氨酸和脯氨酸等构成,形成以α-螺旋和β-折叠为主的稳定二级结构[2]。这种独特的氨基酸组成赋予其优异的生物相容性和功能可调节性。在理化性质方面,zein难溶于水但易溶于醇类溶剂,这一特性使其能高效包载疏水性药物;同时具备良好的热稳定性,可维持结构完整以适应多种加工需求,并与多种生物相容性材料(如聚合物、脂质)形成性能增强的复合材料[3]。作为纳米载体zein展现出显著优势:其一,优良的生物相容性、可降解性及无毒性,保障了药物递送的安全性并降低毒副作用;其二,良好的成膜性和自组装能力,可自发形成稳定纳米颗粒,提升药物稳定性与生物利用度;其三,原料源于玉米,兼具成本效益与环境可持续性[4]。
2 Zein纳米载体的制备方法
Zein纳米载体的理化性质(如粒径、载药性能)受制备方法的影响。当前主要的制备技术包括反溶剂沉淀法、乳化-溶剂蒸发法、电喷雾技术法、超临界流体技术及微流控技术等,这些方法通过不同的物理化学过程影响载体结构与功能特性。Zein纳米载体的制备方法如图1[2]所示。
a-反溶剂沉淀法;b-乳化-溶剂蒸发法;c-电喷雾技术法;d-超临界流体技术;e-微流控技术法
图1 Zein纳米载体的制备方法示意图
Fig.1 Schematic diagram of the preparation method for zein nanocarriers
2.1 反溶剂沉淀法
反溶剂沉淀法(图1-a)是zein纳米载体制备的常用技术之一,它是通过改变溶剂条件诱导zein沉淀。该过程充分利用了zein的自组装特性,实现粒径的有效控制,生物活性物质高度分散,从而提高药物的生物利用度和稳定性[6]。Ma等[5]采用反溶剂沉淀法制备zein纳米颗粒,将zein乙醇溶液滴加至羧甲基化玉米纤维胶溶液中,通过疏水相互作用驱动自组装,羧甲基化玉米纤维胶作为包覆层显著提升颗粒的均匀性、稳定性与生物相容性,进而增强药物包封效率、光热稳定性及生物利用度。然而,反溶剂沉淀法的重复性和可控性相对较低,导致纳米载体在粒径和形态上存在差异[2];并且存在有机溶剂的残留问题,因此该方法难以满足绿色生产标准。
2.2 乳化-溶剂蒸发法
乳化-溶剂挥发法(图1-b)是将zein溶解于有机溶剂形成油相,与水相乳化后蒸发有机溶剂形成纳米颗粒。Cai等[7]利用乳化-溶剂蒸发法,以果胶为壁材构建负载姜黄素的zein纳米颗粒,形成的核壳结构纳米颗粒呈均一的球形,显著提升姜黄素的包封率和载药量。Wang等[8]利用此方法构建zein-磷脂酰胆碱纳米颗粒用于预防三阴性乳腺癌,所得复合纳米粒具有较高的包封率。该方法的优势在于能有效提高纳米载体的均匀性和稳定性,但需要严格控制乳化条件以避免相分离现象的发生,且有机溶剂的去除仍面临巨大的成本压力[9]。
2.3 电喷雾技术法
电喷雾技术(图1-c)通过高压电场将zein溶液雾化成细小的液滴,经溶剂蒸发形成纳米颗粒。Wu等[10]利用该法制备的zein/大豆卵磷脂-羧甲基壳聚糖核壳纳米粒子具有高包封率、小粒径和高zeta电位等优点,该载体改变了多西紫杉醇的结晶形态,提高多西紫杉醇的释放速率并具有缓释作用。Zhang等[11]使用该方法制备了基于zein的纳米粒子用于负载白藜芦醇,该粒子呈球形,具有粒径小、zeta电位大、包封率高、载药量高等优势。该方法具有高效性与工艺可调控性,可精准控制颗粒的尺寸和分布;能生成高表面积的核壳或多孔结构;同时具有溶剂残留水平低、粒径分布窄、负载能力高和生物活性保留率高等优势[12]。然而,其应用受限于精密设备要求,规模化生产可能面临技术壁垒[2]。
2.4 超临界流体技术
超临界流体技术(图1-d)是利用超临界CO2作为溶剂,通过同轴喷嘴将zein和药物的混合溶液注入高压容器中实现自组装[2],具有环保、低毒性和高溶解能力等优点[13]。这种方法可以在低温下进行,避免了药物的热降解,同时提高了zein的溶解度和分散性。Palazzo等[14]通过超临界流体法制备的zein/木犀草素微球呈现粒径均匀和高包封率。此外,该工艺还可以与其他方法相结合,以获得复杂颗粒体系,如Liu等[15]采用超临界流体技术结合内置超声透析技术制备zein纳米载体,以10-羟基喜树碱为模型药物,将药物纳米晶复合到载体中构建缓释系统,得到的纳米颗粒粒径均匀,载药量与包封率显著提升。Wang等[16]进一步改进该技术,通过叶酸共轭聚多巴胺修饰构建羟基喜树碱纳米载体,构建的靶向系统在体外和体内均表现出优异的肿瘤抑制效果及更低的毒副作用。超临界流体技术对设备的耐压性及密封性要求严格,并且操作条件苛刻。
2.5 微流控技术法
微流控技术(图1-e)通过精确控制流体在微通道流动状态实现纳米载体的高通量制备,调控微流控装置和芯片几何形状可以获得不同结构、组成、形态和大小的纳米粒子。该技术在显著提升zein纳米载体制备效率的同时,还能在纳米尺度上实现对颗粒形态和尺寸的精确调控,确保产品的颗粒均一性和稳定性;兼具规模化生产潜力;并能有效增强活性物质的生物利用度和靶向释放能力[17]。通过控制zein溶液的流速、浓度来控制zein的自组装[18]。在毫秒级混合时间下采用高流速比时,制备的纳米样品不仅展示出极高的包封率与载药量,同时在体外胃肠道消化中也展现更好的生物可及性。Meewan等[18]通过此方法制备了具有不同密度和链长的聚乙二醇化zein纳米颗粒,经修饰的纳米颗粒显示出更强的稳定性并提高了黑素瘤癌细胞对香豆素-6的摄取。此外,微流控技术不仅可用于纳米药物递送系统的合成,还可以与其他功能化过程结合用于药物递送和评价,极大地拓宽了zein纳米载体的应用范围,但其较高的生产成本仍是主要制约因素[19]。
3 Zein纳米载体的表面修饰
Zein纳米载体表面修饰可有效抑制颗粒团聚并改善分散性,通过降低表面能及消除电荷引力提升分散稳定性;在增强功能性与生物相容性方面,修饰可赋予纳米载体新功能,如提高表面活性与优化生物环境的相容性等;在调控稳定性与时效性上,通过化学键合或复合修饰可提升修饰层的长期稳定性,维持功能持久性。表面修饰方法按作用机制可分为物理修饰、化学修饰和生物修饰这3大类,如表1所示。
表1 Zein纳米载体的表面修饰方法
Table 1 Surface modification methods of zein nanocarriers
修饰类型方法类型优点应用场景物理修饰吸附法、包覆/涂敷法(聚合物包覆,无机物包覆,金属包覆)、能量处理法改善分散性、稳定性[20]、包覆毒性物质[21]药物载体、复合材料、抗菌涂层化学修饰偶联剂法(硅烷化,酯化/醚化)、氧化修饰、共价接枝、配体交换引入活性基团、增强相容性、精准功能化[20]靶向递送、生物传感、催化生物修饰生物分子吸附/接枝(蛋白质/抗体修饰、核酸适配体)、生物特异性系统(Avidin-Biotin系统,酶催化修饰)、仿生修饰赋予生物识别能力、仿生界面[21]肿瘤诊疗、组织工程、生物传感器
3.1 物理修饰方法
物理修饰是通过物理手段,即非共价作用,实现对zein纳米载体进行表面改性,以增强其功能性和适应性。物理修饰方法主要包括3种:吸附法、包覆/涂敷法、能量处理法。
3.1.1 吸附法
吸附法通过非共价作用如范德华力、氢键、静电相互作用或疏水相互作用将抗体、聚乙二醇、多糖或蛋白质等分子通过物理作用吸附到纳米载体表面,通过改变表面电荷、亲水性或生物活性,从而增强纳米颗粒的分散性、细胞摄取能力或靶向性。例如在纳米颗粒表面吸附聚乙二醇或多糖能赋予正电荷(图2[20]),促进与生物分子的结合[22]。
图2 物理吸附法示意图
Fig.2 Schematic diagram of physical adsorption method
表面活性剂修饰是常见的物理修饰手段,通过阴离子或非离子表面活性剂有效地降低zein纳米载体的表面张力,从而增强其在生物体内的吸收和分布。Wang等[23]利用茶多酚作为表面活性剂加入zein-茶多酚-果胶三元复合物纳米粒子中并负载金丝桃苷,该载体呈球形结构带负电,粒径降低且包封率提高,所包封的金丝桃苷具有更强的抗氧化活性。该方法操作简单、快速高效且成本低,不破坏材料化学结构,适合热敏性分子(如蛋白质)的修饰。局限性在于吸附分子易受环境(如pH或离子强度)影响而脱附,导致稳定性不足;吸附过程可能导致分子随机分布,无法控制定向性,从而影响功能一致性[24]。
3.1.2 包覆/涂敷法
包覆/涂敷法通过在zein纳米载体表面形成物理涂层或包覆层实现改性,利用静电作用、疏水作用或范德华力将聚合物涂层材料(如聚乙二醇、壳聚糖)、多糖或蛋白质(如乳铁蛋白、钠酪蛋白)吸附在zein纳米颗粒表面,从而改善其在水溶液中的分散性、生物相容性和稳定性。该方法根据包覆材料可分3类:聚合物包覆,无机物包覆,金属包覆。
聚合物包覆通过在zein表面形成聚合物膜提高药物包封能力和释放能力。研究表明该处理可实现药物释放的调控从而提高治疗效果[2]。Fan等[25]以大豆分离蛋白和岩藻依聚糖为聚合物基质制备了核壳型纳米粒,通过静电作用在酸性和中性条件下包埋姜黄素,制备的载体呈球形,包埋率和稳定性高。Yang等[26]利用zein和仙草多糖在疏水相互作用、氢键和静电相互作用下自组装为球形纳米颗粒,具有良好的再分散性和包封率。
无机物包覆常以SiO2包覆金纳米棒为典型材料,此法可增强细胞黏附和生物相容性,例如在钛合金表面涂覆羟基磷灰石以促进骨整合,或在金纳米棒表面包覆介孔SiO2壳,减少聚集和毒性以提升材料的生物安全性[20]。
金属包覆则以Ag、Pt等金属修饰TiO2,旨在增强材料的杀菌活性或光电转换性能。包覆/涂敷法能有效保护核心材料并改善表面性质且易于操作;同时赋予抗菌性或缓释药物能力[20]。然而,涂层不均匀分布可能影响性能一致性;涂层厚可能掩盖表面特性或增加尺寸从而降低细胞渗透性;此外,涂层稳定性依赖于物理作用力,在动态生物环境中可能剥落[27]。
3.1.3 能量处理法
能量处理法借助等离子体、激光、离子束或电子束等高能手段调控材料表面的拓扑结构、粗糙度或活性。该方法通过能量输入诱导表面物理重构(如熔融、蚀刻或交联),在不引入新化学键的前提下实现对纳米材料的表面形貌与活性的精准调控[28]。离子束技术能够通过精确控制表面刻蚀或沉积过程优化纳米材料的表面形态,显著提高药物负载能力;等离子体处理则可有效改善材料表面的润湿性,增强其与生物组织的相容性,为生物医学等领域的应用奠定基础[29]。低温等离子体技术是利用高能活性粒子(如羟自由基)快速破坏蛋白质共价键,松散其三级结构以提高溶解度和乳化性[30]。该方法的优点在于可以在不改变其基础结构的同时赋予zein载体新的功能[29],其局限性在于需要专用设备,如激光器或等离子体发生器,导致成本较高;过度能量输入可能导致材料降解或热损伤;且处理效果受能量参数(如功率或时间)影响较大,需严格控制工艺条件[28]。
3.2 化学修饰策略
化学修饰策略通过化学反应改变zein纳米载体的化学性质以赋予其新的功能特性。交联改性是常用的化学修饰方法,如硅烷化/乙酰化,利用硅烷偶联剂修饰zein表面的羟基或氨基并引入羧基等活性基团,便于后续偶联叶酸等靶向分子[21]。如聚羟基丁酸脂类与α-乙酰丙酸LA交联,形成结构稳定的乙酰丙酸-聚羟基丁酸脂聚合物(图3-a)。通过在zein分子链间形成共价键,增强其结构稳定性和耐药性从而提高药物包埋率并改善药物的控释能力。
a-交联改性示意图;b-接枝共聚示意图
图3 化学修饰示意图[20]
Fig.3 Schematic diagram of chemical modification
注:a.中“Electrospun PHB fibrous scaffold”中文为:电纺PHB纤维支架;“Aminolyzed PHB fibrous scaffold (A-PHB)”:胺化PHB纤维支架(A-PHB);“Laminin immobilized on aminolyzed PHB fibrous scaffold”:层粘连蛋白固定在胺化PHB纤维支架。
接枝共聚是另一种重要的化学修饰策略,通过将聚合物或功能性分子接枝到zein分子上从而提升其靶向递送能力,如聚乳酸羟基共聚物与聚赖氨酸共聚物进行接枝共聚,形成了具有靶向性的聚乳酸-羟基乙酸共聚物-聚赖氨酸共聚物(图3-b)。使用1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺/N-羟基硫代琥珀酰亚胺将zein的羧基活化,与氨基修饰肽链形成酰胺键[21]。Zein及其生物制剂经聚乙二醇修饰后,可以降低免疫原性,延长血液循环时间。聚乙二醇-玉米胰蛋白酶抑制剂共轭物接聚乙二醇修饰后可减少血浆蛋白吸附,大大提升血液相容性[31]。Zein与多糖通过美拉德反应结合可提高微胶囊的包封率,并改善zein的水溶性和生物相容性,进一步提升其在药物递送系统的应用潜力。微胶囊的聚集程度降低与zeta电位绝对值的增加是性能改善的关键因素[32]。
靶向配体偶联也是提高zein纳米载体靶向性的有效策略,通过将特定的靶向配体如抗体或小分子药物等偶联到zein表面,可以实现对特定细胞或组织的选择性识别和结合,增强药物的靶向递送效果。zein通过巯基反应,与N-琥珀酰亚胺基-3-(2-吡啶二硫基)丙酸/二硫苏糖醇反应可引入硫醇基,zein连接巯基化配体[如含有RGD 序列(精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸)的多肽]后可大大增强纳米载体的靶向性[33]。
3.3 生物修饰技术
生物修饰技术是利用生物分子对zein纳米载体进行功能化的一种新兴方法,利用生物分子特异性相互作用实现功能化,具有高度的生物相容性和特异性(图4[2-3, 34])。酶法修饰是一种创新的生物修饰技术,通过特定酶的催化作用在zein的分子链上引入功能基团[35]。例如,通过酸性蛋白酶、木瓜蛋白酶分泌的酶液处理后的zein,其疏水性得到改善并且载体性也能更加优良[36]。该方法能够在温和条件下进行,避免了传统化学修饰方法可能带来的副反应。此外,通过靶向配体修饰/生物分子偶联技术,如抗体或多肽的结合,可以有效提高zein纳米载体的靶向性和生物活性。例如,通过偶联透明质酸后的纳米粒子靶向CD44受体,可增强纳米粒子在肿瘤和炎症部位富集,提高抗癌药物的积累,大大提升杀伤肿瘤细胞的能力[37]。这种偶联不仅增强了zein与靶细胞的亲和力,通过特定的生物识别作用并实现药物递送的精准递送。例如,zein纳米颗粒结合量子点后具备荧光性能,可用于实时追踪药物在细胞内的分布,同时递送抗癌药物,实现成像与治疗同步[38]。引入pH敏感聚合物如聚丙烯酸或酶响应肽链可实现智能响应释放,实现在肿瘤微环境触发释药。例如,zein纳米颗粒内核负载药物,外层包覆聚丙烯酸和酶响应肽链。在肿瘤微环境中,酶切断肽链暴露聚丙烯酸,纳米颗粒在弱酸下质子化并释放药物[34]。
图4 生物修饰方法示意图[2-3,34]
Fig.4 Schematic diagram of biological modification method[2-3,34]
4 Zein纳米载体在药物递送和食品包埋中的应用
4.1 药物递送
Zein凭借其优良的生物相容性和生物降解性,在药物递送领域展现出日益重要的应用价值。其作为载体在口服给药系统中,能够显著增强药物的胃肠道稳定性、优化黏膜黏附性并提高生物利用度[35]。然而,胃肠道环境的复杂性,包括pH值变化和消化酶作用,对药物的释放与吸收构成挑战[39]。
4.1.1 口服递送系统
为了增强zein纳米载体在复杂胃肠道环境中的稳定性,常采用包埋技术、表面修饰和交联等策略。通过聚合物或天然高分子进行表面修饰,可提升载体与肠道黏膜的相互作用强度,从而改善药物溶解度和吸收率,最终提高口服生物利用度[35]。例如,负载胰岛素的zein纳米颗粒经聚乙二醇包覆后使口服生物利用度显著提升,降血糖效果明显增强[40]。壳聚糖修饰zein纳米颗粒有效保护胰岛素免受胃酸降解,并促进肠道吸收。壳聚糖-胰岛素纳米颗粒即成功避免了胰岛素在酸性环境中的破坏,显著提高了药理活性和相对生物利用度[41]。
4.1.2 抗肿瘤药物递送
Zein纳米载体利用肿瘤组织的通透性和滞留效应,实现肿瘤部位富集,提高治疗效果[42]。该效应源于肿瘤组织异常的血管结构和淋巴排泄功能,使其对大分子或纳米颗粒表现出更高的积累。通过表面修饰靶向配体(如单克隆抗体、肽类分子),可增强载体对肿瘤细胞的亲和力和靶向释放能力[6]。Zein纳米纤维用于口服递送抗乳腺癌药物时,可通过调控纳米纤维的降解速率来精确控制药物的释放,提高局部治疗效果。如透明质酸修饰的zein纳米颗粒,可特异性靶向CD44受体高表达的肿瘤细胞,显著提高药物在肿瘤部位的蓄积[42]。此外,将zein纳米载体与化疗药物、免疫治疗药物或放疗相结合可实现协同增效,增强肿瘤细胞杀伤能力并降低对正常细胞的损伤。如zein/透明质酸/单宁/Cu2+的靶向多功能纳米颗粒共载化疗药物和光敏剂IR780,后者可缓解肿瘤缺氧微环境并产生活性氧,与化疗药物协同作用增强肿瘤细胞杀伤能力[43]。
4.1.3 基因和疫苗递送
Zein纳米颗粒作为非病毒载体具有安全性高、免疫原性低及无插入突变风险等优势。通过与阳离子聚合物(如壳聚糖)复合能有效负载核酸(如DNA),保护其免受核酸酶降解同时提高细胞摄取效率[44]。该类复合物在体外实验中表现出良好的生物相容性和持续释放特性,例如zein/DNA纳米球能在PBS中稳定释放DNA长达7 d。研究表明,zein纳米颗粒能通过口服和肌肉注射途径,实现有效的细胞内化,在基因转染中潜力显著。例如在pH 9.0条件下制备的zein薄膜因表面粗糙度降低和亲水性增强,可显著提高基因转染的表达水平[45]。在疫苗递送方面,zein纳米颗粒可作为有效的辅佐剂,通过增强抗原递送和激活免疫系统来提升免疫应答,可包载肿瘤相关肽抗原或DNA疫苗,保护抗原免受酶解和水解破坏的同时促进树突状细胞等免疫细胞的摄取[46]。
4.2 食品包埋
随着消费者对健康饮食需求的日益增长,植物源蛋白质zein在食品与营养领域备受关注,其在功能性食品成分的递送、风味与感官品质的调控等方面展现出良好前景,有效提升食品的营养价值和感官体验。
4.2.1 功能性食品成分递送
Zein纳米载体能够有效包埋维生素、矿物质和多不饱和脂肪酸等生物活性物质,改善生物利用度和稳定性。维生素和矿物质等在加工和贮存过程中易受破坏,zein自组装形成的保护膜可有效减少外部环境对营养成分的破坏[47]。Zein和单宁酸复合纳米乳液包埋β-胡萝卜素,该乳液稳定性高,30 d后藻油的保留率仍高达90%[48]。此外,zein可通过抗氧化特性有效抑制脂肪酸在贮存过程中的氧化变质,拓宽了其在食品中的应用场景[49]。
4.2.2 益生菌递送系统
Zein纳米载体能有效提升益生菌在消化道的存活率和肠道的定植能力。例如,利用玉米蛋白包裹乳酸菌形成的微胶囊系统经模拟消化和热处理后,益生菌仍能保持高活性。壳聚糖-zein纳米脂质体在模拟肠道液体中释放水解zein,且在冷藏期间保持益生菌存活率,表明其通过提高生物利用度和稳定性提升益生菌存活率[50]。利用zein纳米颗粒封装益生菌,能显著提高其在模拟胃肠道环境中的存活率,并成功应用于酸奶发酵,在保持益生菌活性的同时不影响产品的其他感官特性[51]。
4.2.3 风味与感官品质调控
Zein纳米载体在食品风味与感官品质调控方面也有一定的应用,例如zein纳米载体能缓慢释放香料和风味物质,提升产品的感官体验;采用zein包埋苦味成分降低食品的不良口感,提升产品的接受度,利用zein的特性调节食品的口感和质地,使其更符合消费者的偏好[49]。例如zein强化的无麸质面包,其蛋白质含量增加了近2倍,总纤维含量增加了3倍,不仅改善了产品的质构特性,还显著提升了产品的营养价[52]。
5 结论
作为新兴生物基纳米材料,zein纳米颗粒可通过反溶剂沉淀法,乳化-溶剂蒸发法,电喷雾技术法,超临界流体技术,微流控技术法等方法实现可控制备。其表面修饰和功能化设计,如引入靶向配体和亲疏水调控等,显著提升了载体的靶向性、控释能力和生物相容性,为药物递送、食品营养与生物医学领域提供了创新解决方案[19]。然而,zein纳米载体的实际应用仍面临一些挑战,如制备工艺的规模化和标准化尚未实现,未来的研究应致力于开发经济高效的制备方法,并建立统一的标准,以保证zein纳米载体在大规模生产中的一致性和可靠性。随着zein纳米载体的多功能化和智能响应系统的开发,未来的研究方向应更加注重其安全性与有效性的系统评价,以确保产品在实际应用中的安全性。通过协同优化制备工艺、表面修饰和功能性设计,zein纳米载体有望突破当前局限,实现从基础研究到应用转化的跨越式发展[4]。
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