磷脂的理化特性及其自組裝行為的驅(qū)動(dòng)機(jī)制

磷脂是一類(lèi)含有磷酸基團(tuán)，同時(shí)還包含碳、氫、氧的脂質(zhì)。其結(jié)構(gòu)由甘油骨架構(gòu)成，甘油的 1 位和 2 位與脂肪酸鏈酯化相連，而 3 位則連接著一個(gè)磷酸基團(tuán)，該磷酸基團(tuán)進(jìn)一步與極性基團(tuán)（醇類(lèi)）酯化。極性頭部賦予磷脂分子親水性，而所連接的脂肪酸鏈則賦予其疏水性（非極性區(qū)域）。因此，磷脂本質(zhì)上是兩親性的。連接在甘油部分第二個(gè)碳原子上的四種不同官能團(tuán)使磷脂分子具有手性。所連接的極性頭部、骨架以及脂肪酸側(cè)鏈的差異，導(dǎo)致了一系列具有不同性質(zhì)的磷脂的存在。

2025-09-02 11:05:26AVT172

圖 1. 磷脂的結(jié)構(gòu)特征及不同類(lèi)型（SM：鞘磷脂，PC：磷脂酰膽堿，C：碳）

磷脂的基本特性

1.1 溶解性

磷脂在水中的溶解度取決于極性頭部基團(tuán)類(lèi)型和脂肪酸側(cè)鏈長(zhǎng)度。根據(jù)溶解度，它們可分為以下幾類(lèi)：（i）1類(lèi)：不溶性磷脂，不吸水（如蠟）；（ii）2類(lèi)：在水中會(huì)膨脹但溶解度極低的磷脂，如磷脂酰膽堿（PC）、磷脂酰乙醇胺（PE）或鞘磷脂（SM）；（iii）3A類(lèi)：可溶性磷脂，在低含水量下可形成溶致液晶，如溶血卵磷脂；（iv）3B類(lèi)：相對(duì)罕見(jiàn)，可溶性磷脂在臨界膠束濃度以上形成膠束，但無(wú)晶體結(jié)構(gòu)（如皂苷）。

1.2 表面電荷

磷脂在水中分散時(shí)所帶的表面電荷取決于極性頭部基團(tuán)和介質(zhì)的pH值。在pH值為7 的條件下，含有磷脂酰膽堿（PC）和磷脂酰乙醇胺（PE）頭部基團(tuán)的磷脂呈中性電荷（兩性離子），而帶有磷脂酰絲氨酸（PS）、磷脂酰肌醇（PI）和磷脂酰甘油（PG）頭部基團(tuán)的磷脂帶有負(fù)電荷。磷脂頭部的正電荷會(huì)促進(jìn)納米顆粒對(duì)細(xì)胞膜的吸附，并提高細(xì)胞攝入率。皮膚細(xì)胞的細(xì)胞膜帶負(fù)電荷，因此表面帶正電荷的納米顆粒（在皮膚環(huán)境的pH值下由PE賦予的）會(huì)被其吸引，從而增強(qiáng)皮膚滲透性。有研究表明，表面電中性的納米顆粒（由 PC賦予的）在血液中（處于血漿pH值條件下）時(shí)，由于與血漿蛋白的結(jié)合較少，循環(huán)時(shí)間更長(zhǎng)。帶電荷的納米顆粒則會(huì)因被肺、肝、脾攝取而更快被清除。總體而言，表面電荷會(huì)影響納米載體與細(xì)胞的相互作用、被巨噬細(xì)胞的攝取、從溶酶體的逃逸、清除速率以及細(xì)胞毒性。

1.3 相變溫度（PTT）

磷脂從凝膠（高度有序）轉(zhuǎn)變?yōu)橐壕啵o(wú)序）的溫度稱(chēng)為相變溫度。它取決于極性頭部基團(tuán)、脂肪酸側(cè)鏈的長(zhǎng)度、脂肪酸側(cè)鏈的飽和度以及磷脂的純度。帶有PE頭部基團(tuán)的磷脂比含有PC或PG頭部基團(tuán)的磷脂具有更高的相變溫度。這與前者的頭部基團(tuán)相互作用更強(qiáng)有關(guān)。與含有較短側(cè)鏈的磷脂相比，含有較長(zhǎng)側(cè)鏈的磷脂具有更高的相變溫度，因?yàn)樾枰嗟哪芰縼?lái)打斷。同樣，飽和磷脂顯示出更高的相變溫度，含有多不飽和側(cè)鏈的磷脂甚至可能顯示出低于0℃的相變溫度。據(jù)報(bào)道，由低相變溫度（低于37℃）脂質(zhì)構(gòu)成的磷脂雙分子層容易泄露，在血液中容易被巨噬細(xì)胞攝取。因此，如果期望這些納米顆粒具有更長(zhǎng)的循環(huán)時(shí)間和控釋效果，應(yīng)優(yōu)先選擇高相變溫度的脂質(zhì)；在局部制劑中，由高相變溫度脂質(zhì)構(gòu)成的磷脂雙分子層在32℃的皮膚溫度下保持剛性（這是局部藥物遞送所期望的狀態(tài)），而由低相變溫度脂質(zhì)構(gòu)成的磷脂雙分子層則呈彈性狀態(tài)。彈性雙分子層柔韌性極強(qiáng)，能夠輕松穿過(guò)角質(zhì)細(xì)胞，深入皮膚各層，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)皮遞送；由相變溫度低于37℃的磷脂形成的囊泡比由具有較高相變溫度的磷脂形成的囊泡更容易被胃腸道環(huán)境中的膽汁鹽破壞，可應(yīng)用于口服途徑遞送。

圖 2. 常見(jiàn)磷脂相變溫度

1.4 多態(tài)性

磷脂在水中分散時(shí)可以根據(jù)水合程度和磷脂類(lèi)型以不同的形式存在。它們可以形成二維層狀結(jié)構(gòu)或不同的凝膠相，也可以作為三維球形、立方體、六角形或圓柱形結(jié)構(gòu)存在。不同的多態(tài)形式在調(diào)控藥物釋放和形成的納米組裝體的穩(wěn)定性方面起著重要作用。形成的結(jié)構(gòu)類(lèi)型取決于極性頭部基團(tuán)的大小、側(cè)鏈的飽和度、磷脂濃度、溫度、離子強(qiáng)度、pH值，以及是否存在其他分子（如甾體、油類(lèi)）或二價(jià)陽(yáng)離子（如鈣離子）。

聚集體的類(lèi)型可通過(guò)臨界堆積參數(shù)（CPP）來(lái)解釋。該參數(shù)與脂質(zhì)的特性、分子形狀以及脂質(zhì)-水界面的曲率有關(guān)，其值為親脂性尾部體積V與脂肪酸鏈長(zhǎng)度I和極性頭部占據(jù)的表面積A的乘積之比（CPP = V /（A*I））。

（i）溶血磷脂僅含一條脂肪酸側(cè)鏈，其極性頭部基團(tuán)占據(jù)的表面積大于單條脂肪酸側(cè)鏈的覆蓋面積，分子形狀類(lèi)似倒錐形。這類(lèi)脂質(zhì)的 CPP 值較小：當(dāng) CPP＜1/3 時(shí)，更易形成球形膠束；當(dāng) CPP 處于1/3＜CPP＜1/2 時(shí)，更傾向于排列成六角相結(jié)構(gòu)的正相膠束。

（ii）對(duì)于帶有 PC、PG、PI、PS 等頭部基團(tuán)的磷脂，其頭部基團(tuán)與兩條脂肪酸側(cè)鏈所覆蓋的表面積相等，分子形狀可近似為圓柱形。多個(gè)圓柱形分子聚集形成雙分子層，進(jìn)而產(chǎn)生層狀相或脂質(zhì)體。當(dāng)CPP處于 1/2＜CPP＜1 時(shí)，更易形成閉合囊泡（如 PC、PG、PI、PS 等具有較大頭部基團(tuán)的雙鏈脂質(zhì)）；而當(dāng) CPP=1 時(shí)，則形成開(kāi)放的雙分子層（如具有較小頭部基團(tuán)的雙鏈脂質(zhì)、含飽和鏈的脂質(zhì)，或高鹽濃度下的陰離子脂質(zhì)（如 PE））。

（iii）當(dāng)頭部基團(tuán)覆蓋的表面積小于脂肪酸側(cè)鏈時(shí)，分子呈圓錐形。此時(shí)CPP＞1 ，會(huì)形成單個(gè)反相膠束或排列成六角相結(jié)構(gòu)的反相膠束（如具有小頭基團(tuán)的雙鏈脂類(lèi)，具有多不飽和鏈的脂類(lèi)）。詳見(jiàn)圖3。

圖3. 基于臨界堆積參數(shù)（CPP）形成不同的磷脂自組裝

磷脂自組裝的理論和驅(qū)動(dòng)力

當(dāng)磷脂加入到水中時(shí)，最初這些分子會(huì)在水-空氣界面處排列，極性頭部進(jìn)入水中，疏水尾部朝向空氣。當(dāng)磷脂濃度進(jìn)一步升高，界面處已無(wú)足夠空間容納更多分子，因此它們開(kāi)始向水相內(nèi)部移動(dòng)。當(dāng)達(dá)到臨界膠束濃度（CMC），處于平衡狀態(tài)時(shí)，單個(gè)磷脂分子最終會(huì)排列形成膠束或雙分子層囊泡。在CMC以下時(shí)，這些聚集體的濃度接近于零；而當(dāng)濃度超過(guò)CMC后，隨著更多脂質(zhì)分子的加入，聚集體的濃度會(huì)呈線(xiàn)性增加，如圖4所示。

圖4.（a）將單鏈磷脂添加到溶劑中時(shí)形成膠束（b）將含有兩條鏈的磷脂添加到溶劑中時(shí)形成囊泡（c）表面張力取決于表面活性劑的濃度，一旦達(dá)到臨界膠束形成濃度（CMC），表面張力就會(huì)隨著表面活性劑的進(jìn)一步添加而保持恒定。

多種熱力學(xué)參數(shù)在脂質(zhì)從空氣-水界面轉(zhuǎn)移至水相以及膠束/囊泡結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用。靜電作用力、氫鍵和范德華力的綜合平均效應(yīng)是磷脂雙分子層形成的主要原因。這其中存在兩種相互對(duì)抗的力：極性頭部基團(tuán)的排斥力與脂肪酸側(cè)鏈的結(jié)合力，它們分別由疏水尾部和親水頭部賦予并相互競(jìng)爭(zhēng)。脂肪酸側(cè)鏈產(chǎn)生疏水作用，而極性頭部基團(tuán)則負(fù)責(zé)維持所形成膜的穩(wěn)定性。當(dāng)膠束或囊泡形成時(shí)，脂肪酸側(cè)鏈因其疏水性與外部水環(huán)境隔絕；這些急于避開(kāi)水分的疏水尾部會(huì)相互結(jié)合。周?chē)h(huán)境的pH值或鹽濃度會(huì)顯著改變磷脂自組裝過(guò)程中的熱力學(xué)特性。在氯化鈉等鹽存在的情況下，帶負(fù)電荷脂質(zhì)的臨界膠束濃度會(huì)顯著降低。有研究表明，在5至50℃范圍內(nèi)，溫度對(duì)磷脂膠束的形成沒(méi)有影響。膜的不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致多種功能性后果，如脂質(zhì)交換、膜分裂與融合。

參考文獻(xiàn)：

Waghule T, Saha RN, Alexander A, Singhvi G. Tailoring the multi-functional properties of phospholipids for simple to complex self-assemblies. J Control Release. 2022 Sep;349:460-474. doi: 10.1016/j.jconrel.2022.07.014.