介孔二氧化硅納米藥物輸送體系的研究進展

納米科技的發展和納米藥物運輸系統的建立，使醫學領域的許多傳統問題得到了解決。與傳統藥物相比，納米診斷和治療系統的目標和生物利用度顯著提高。同時，這類新系統能夠改善藥物的穩定性，提高藥物釋放的動態行為，從而最大限度地提高治療效果，減少副作用。因此，開發新型多樣的納米藥物運輸系統是解決納米生物醫學問題的重要課題。目前，常見的藥物載體包括脂質體、高科技聚合物、金納米（au）、偶氮間隙硅（mr）、體積點（qd）等。近年來，由于其獨特的光、電、磁等特征、大小和形狀的控制性，以及比表面更大的優點，無所增加。其中，由于良好的角孔結構、大傾角、優良的生物特性以及表面功能基質易于組裝，成為藥物運輸系統的研究熱點。介孔二氧化硅納米顆粒的研究始于20世紀90年代,Yanagisawa和Kresge分別在1990和1992年合成了具有六方、立方孔道,孔徑為2~10nm的MCM-41、MCM-48型介孔二氧化硅材料,并將其用于工業催化.目前常用的合成方法有溶膠-凝膠法、水熱合成法、相轉變法、沉淀法和微波合成法等.其中,應用最多的是溶膠-凝膠法和水熱合成法,這兩種方法主要是以有機硅源為原料,以有機表面活性劑為模板來形成納米顆粒,然后再通過溶劑萃取或高溫煅燒過程去除模板,形成具有介孔結構的納米二氧化硅顆粒.由于介孔二氧化硅具有骨架結構穩定、孔徑規則且在2~50nm范圍內連續可調、表面富含羥基易于修飾等優點,因此可以有效裝載和輸送不同大小和種類的藥物.通過改變介孔二氧化硅的結構參數,如孔徑、比表面積和比孔容等,可以實現對藥物釋放的改善.Vallet-Regi等以C16TAB和C12TAB為模板,合成了不同孔徑的MCM-41,并裝載疏水性藥物布洛芬,實現了對布洛芬的緩慢釋放,為介孔硅作為藥物載體開辟了新紀元.之后,出現了大量關于介孔二氧化硅材料用于載藥的報道.Vallet-Regí等又以SBA-15為載體研究了阿莫西林的負載和緩釋,他們進一步研究發現介孔二氧化硅的負載率與藥物濃度、體系pH和溶劑等有密切關系.另一方面,不同官能團修飾的介孔二氧化硅對藥物的吸附釋放性能有很大影響,原因在于修飾的官能團與藥物的特定基團之間會產生氫鍵、靜電等相互作用.Zeng等比較了以3-氨丙基三乙氧基硅烷(APS)修飾和以氨基修飾的介孔二氧化硅的藥物負載和釋放性能,發現氨基修飾能顯著提高載藥率,延長釋放周期.Tang等采用羧基修飾介孔二氧化硅負載含有氨基的法莫替丁分子,發現羧基的量是影響載藥量的關鍵因素,原因在于修飾的羧基可以與法莫替丁分子中的氨基產生電荷相互作用.綜合上述結果發現,選擇性地對介孔二氧化硅進行表面功能化修飾,可以實現對不同藥物的負載和緩慢釋放.隨著科技的發展和人們對治療水平要求的提高,常常要求在到達病灶部位之前做到“零釋放”,以減小藥物的毒副作用,這也為修飾方法的多樣性及高效性提出了新的挑戰,因此智能性藥物輸送系統應運而生.目前,常見的智能性藥物控釋體系主要是修飾球形介孔二氧化硅使其可以基于一定的刺激而實現藥物的控制釋放,從而使此類藥物傳輸系統具有刺激響應性特性,包括化學響應、物理響應及生物分子響應.化學性刺激響應主要包括pH響應性、離子強度響應性、溶劑響應性和氧化-還原響應性等;物理響應性主要包括超聲響應性、溫度響應性、磁響應性等;生物響應性主要包括酶反應響應和基于受體識別的響應.目前對介孔二氧化硅控釋體系總結性文章已有較多,本文不再敘述.近些年隨著疾病尤其是癌癥診療的高效化,藥物載體的功能化修飾也趨多樣化,并已成功實現了靶向、成像、診斷和治療等多種功能.因此,多功能化的介孔納米二氧化硅藥物輸送體系是一類具有極大應用價值的新型納米藥物輸送體系.另一方面,納米材料合成方法、表面修飾技術的多樣性及形貌結構控制的精確性等都有了極大發展,介孔二氧化硅的形態結構也更加豐富.目前的文獻報道中已成功制備出棒狀、管狀、橢球狀、籠狀、薄膜狀、中空及夾心態等多種新穎結構的介孔二氧化硅材料,并對其在藥物輸送及改善藥物釋放動力學等領域進行了深入探討.本文將對多功能化及特殊形態結構的介孔二氧化硅納米藥物輸送體系的研究進展進行闡述.1多功能化介孔體系大量研究和報道證明介孔二氧化硅具有很好的生物相容性、水溶性和穩定的化學性質,其易于功能化的表面及以利于裝載藥物分子的大孔容,可以加以靶向分子、磁性粒子、熒光分子等修飾組裝成具有多功能化的藥物輸送體系.按功能化修飾的不同,多功能化介孔二氧化硅輸送體系可以分為靶向修飾(如連接生物分子葉酸、多肽分子,磁性修飾)和熒光修飾(如熒光染料、量子點、稀土發光材料等),這些多功能納米藥物輸送體系可以有效地集靶向、成像、診斷及治療于一體.1.1靶向藥物輸送相比于傳統藥物,納米藥物輸送體系的定位性、時效性、功效性等都有大幅提高.以癌癥為例,目前常用的治療手段有手術治療、化學治療、基因治療、放射治療、熱療、光動力學治療等,這些治療方法雖然在一定程度上對患者起到了緩解癥狀、延長壽命的作用,但由于藥物不能有效區分病灶部位和正常組織,對正常細胞及組織也產生嚴重的傷害,因此副作用巨大.而納米藥物輸送體系本身具有獨特的尺寸效應,還可以對其功能化修飾,從而實現對病灶部位的靶向聚集.納米藥物輸送體系的靶向性傳遞包括被動靶向和主動靶向兩種方式,被動靶向即納米輸送體系通過腫瘤組織EPR效應優先富集腫瘤組織的過程;主動靶向即納米輸送體系通過偶聯特異性配體或抗體成分,與細胞表面特異受體結合,從而實現在靶向組織的積累.腫瘤細胞可以無限增殖與一些基因、細胞因子及蛋白質的過表達密切相關,這些信息為設計含有智能識別位點的靶向藥物提供了依據,目前常用的靶向分子包括抗體片段及分子、腫瘤細胞高表達的與受體相對應的配體如葉酸、蛋白質(轉鐵蛋白等)、多肽分子RGD、TAT、多糖(半乳糖、甘露糖)等.目前,介孔二氧化硅材料被認為是一種傳輸抗癌藥物及靶向分子的優良載體.Morelli等以PEG為模板合成了介孔二氧化硅,并修飾以葉酸形成靶向藥物輸送體系MSN-FOL.以葉酸受體陽性HeLa細胞和陰性的HEK293細胞為模型,發現載順鉑的MSN-FOL對HeLa細胞有強的生長抑制作用,表明該體系具有選擇性的靶向作用.Xie等以羧基對介孔二氧化硅表面進行修飾,構建了葉酸調控的靶向藥物輸送體系,同時連接近紅外熒光染料作為標記分子用于阿霉素的輸送,此復合體系不僅可以有效地靶向細胞、提高細胞對藥物的攝取,還可以活體成像,從而實現診斷、治療一體化.Zhang等通過二硫鍵以β-環糊精、多肽分子RGD和MMP等對介孔二氧化硅進行表面修飾,當體系到達MMP高表達的腫瘤細胞(腫瘤組織為酸性環境)時,二硫鍵斷裂,從而實現智能化釋放藥物.Pan等在介孔二氧化硅表面修飾具有細胞核靶向作用的TAT多肽分子,并以耐藥細胞株為模型,實驗證明,該靶向體系可以大大提高耐藥細胞對藥物的攝取,并且藥物在細胞核部位大量聚集,因此可以達到更好的治療效果(圖1).磁靶向給藥體系是靶向藥物輸送體系中應用很廣泛的一種,主要由納米級磁性材料、骨架材料和藥物組成.而介孔二氧化硅是一種優良的骨架材料,它可以與磁性物質結合,通過靶區暴露于磁場中就能控制這種載體在體內的分布.將此藥物運輸體系通過靜脈注射進入到體內后,在一定外加磁場的作用下,通過磁性納米粒子的導航,使藥物定向移動到病灶部位,從而達到治療的目的.另外,磁性修飾的介孔二氧化硅材料不僅在藥物控釋體系顯示出優良的性質,在多功能體系也有突出的優勢.具有磁性的介孔納米藥物輸送體系可以作為核磁共振成像(MRI)的造影劑,也可以在外磁場作用下靶向藥物傳輸或者通過超聲波作用產生熱效應而消融病變組織.Chen等在納米尺度內設計了介孔二氧化硅基生物材料,極大地提高了醫學中高強度聚焦超聲(HIFU)無創手術的治療效果,通過納米生物技術在低超聲功率治療的同時起到了高效消融病變組織的目的.另外,Chen等還利用介孔二氧化硅、Fe3O4、量子點獨特的磁、光等功能特性,通過納米自組裝技術制備了具有生物成像和靶向藥物傳輸功能的納米藥物傳輸體系,在癌癥的診斷、治療領域具有巨大的應用前景.1.2采用原位氧化-還原劑和熒光成像技術的研究將磁性納米顆粒與介孔SiO2納米粒子復合,可以作為核磁共振成像(MRI)的造影劑.韓國Hyeon課題組制備了一系列Fe3O4修飾的介孔二氧化硅復合體系,并將其應用于核磁共振成像、藥物輸送等.研究發現,表面修飾了PEG的Fe3O4@mSiO2納米顆粒靜脈注射至荷瘤小鼠后可以通過EPR效應富集到腫瘤部位,24h后仍然有較強的造影性能,以磁性納米粒子和熒光染料共修飾的介孔SiO2納米粒子,也顯示出良好的造影功能和阿霉素傳輸的性能,靜脈注射納米復合體系后,荷瘤小鼠的腫瘤通過MRI-T2成像可以清晰顯示,并且包覆在載體中的阿霉素有效殺死了腫瘤細胞.釓(Gd)的螯合物是臨床應用較廣泛的一種造影劑,但有報道Gd劑造影劑會引起腎因性表皮硬化癥、過敏反應和腎源性纖維化硬皮病,因此Gd的排出或替換成為人們一直探尋的問題.Vivero-Escoto等將Gd的螯合物通過具有氧化還原響應性的二硫鍵與介孔二氧化硅共價連接,以PEG和酰胺鍵修飾制備了可以靶向成像的體系.通過人的結腸癌細胞和胰腺癌細胞實驗及成像實驗表明,該體系具有良好的生物相容性和靶向性,可用于體內外的核磁共振成像,且在有效的刺激下,Gd可以較快速度清除并通過腎臟排出體外.Mn(Ⅱ)具有5個未成對電子,具有高的弛豫時間,Chen等利用原位氧化-還原法在介孔SiO2納米粒子的孔道中引入Mn的順磁中心,并用于阿霉素的藥物輸送.結果顯示,該結構的造影性能已接近臨床上使用的Gd絡合物,它有效解決了Mn基MRI-T1造影性能差的難題,同時動物實驗顯示有更多的化療藥物被傳輸和滯留在腫瘤部位.另外,將熒光成像的功能賦予介孔SiO2納米粒子,可以利用熒光成像的特點對疾病進行高靈敏度探測,并可以通過熒光成像來跟蹤監測載體在體的位置和藥物的釋放情況.He等將SBA15型介孔二氧化硅與有機染料羅丹明B相結合設計一種新型的納米藥物載體,研究表明,此載藥體系顯示出良好的藥物緩釋性能,與單一丹酚酸B藥物相比,在肝纖維化的治療過程中具有更好的效果.Kim等通過納米合成技術將單分散的Fe3O4納米晶和CdSe/ZnS量子點共同嵌入到介孔二氧化硅納米球中,并詳細研究了此多功能納米藥物傳輸體系對布洛芬藥物分子的控釋行為.Hou等采用靜電紡絲法制備了NaYF4:Yb3+,Er3+@SiO2納米纖維,研究表明此介孔復合材料可以作為優良的藥物傳輸載體.另外,在藥物釋放過程中可以通過材料上轉換發光強度的變化來監測和示蹤藥物的釋放情況.Xu等以CTAB分子為模板劑,在具有轉換發光性質的稀土納米粒子Gd2O3:Er3+表面包覆了有序六方介孔結構的二氧化硅殼層,并將其作為載體裝載藥物布洛芬,同時借助稀土納米粒子的發光性質對藥物的釋放行為進行了監測.Lee等利用修飾以腙鍵的磁性顆粒及熒光染料構建了具有兩種成像模式,并可以pH響應性釋放藥物的介孔二氧化硅納米體系.2特殊類型的脫硅酶輸送系統2.1沸石納米球作為藥物載體的應用近期,具有空心結構的介孔二氧化硅納米材料,如內部完全中空(hollow)或內部有部分空穴的搖鈴型(rattletype)及蛋黃-蛋殼型(yolk-shelltype)的介孔二氧化硅納米粒子,吸引了越來越多的關注[10,53,54,55,56,57,58].相比于傳統的介孔二氧化硅納米材料,空心介孔二氧化硅粒子內部存在空穴結構,密度低、面積體積比大,因此,中空結構的介孔二氧化硅材料的內部空腔可以擔載更多藥物和具有持續釋放的行為.另外,此類材料巨大的內部空腔可以使其與不同類型的功能性無機納米材料以及環境響應性水凝膠等相結合來制備多功能復合納米藥物載體,從而可以更好地實現藥物的靶向、智能釋放及對釋放過程的監測.因此,具有上述中空結構的介孔二氧化硅材料成為納米藥物載體領域的研究熱點.模板法是制備空心納米粒子的一種通用合成方法.Shi課題組利用硬模板、軟模板及雙模板方法合成了多種球狀、橢球狀中空介孔納米二氧化硅材料.他們發現,中空介孔結構裝載藥物能力比傳統的MCM-41型高,進一步通過表面修飾可以有效提高納米顆粒與藥物之間的相互作用,從而更有效裝載藥物及控制藥物釋放.Zhu等以單分散的碳納米球作為硬模板,合成了介孔二氧化硅包覆四氧化三鐵的搖鈴型結構納米球.制備過程中,首先用一步法水熱制備了吸附有鐵前驅體的碳納米球,然后加入二氧化硅前驅體正硅酸乙酯(TEOS)與表面活性劑分子十八烷基三甲基溴化銨(C18TMS),經過溶膠-凝膠聚合反應,在碳球表面沉積一層二氧化硅外殼.最后通過煅燒處理,除去形成空心結構的碳球模板和形成介孔結構的C18TMS模板,再經氫氣還原,將其中的鐵還原成具有較強磁性的四氧化三鐵,最終得到了介孔二氧化硅包覆四氧化三鐵的搖鈴型結構.Huang等通過“內保護外鈍化”的策略制備了多層結構的介孔二氧化硅,而且殼與殼之間的距離可以通過改變核大小及刻蝕時間等來調控,該多層結構用于成像、載藥及多種藥物共同輸送,又一次豐富了多功能納米載藥體系.隨后,Chen等又通過“結構選擇性刻蝕”的方法制備了空心介孔二氧化硅納米顆粒.他們首先合成核殼結構的雙層二氧化硅納米粒子,其中內核為實心非孔結構,外層是介孔結構,再通過碳酸鈉溶液及高溫煅燒處理,最終得到空心的介孔二氧化硅納米顆粒.他們也進一步將此種合成策略應用于合成以四氧化三鐵或金納米粒子為核、介孔二氧化硅為外殼的的搖鈴型結構的復合納米材料Au@mSiO2、Fe2O3@mSiO2以及Fe3O4@mSiO2納米結構,該多功能體系不僅可以用于診斷治療多種疾病,而且可以實現藥物的靶向和控制釋放(圖2).Kang等設計合成了具有分層結構的搖鈴型Gd2O3:Eu3+@P(NIPAmco-AAm)@SiO2多功能復合納米藥物載體,研究表明,因為釓離子的存在,樣品可以作為T1-核磁共振成像造影劑,同時藥物的釋放情況可以通過載藥體系發光強度的變化來進行監測.另外,溫敏性P(NIPAm-co-AAm)水凝膠可實現藥物分子在不同溫度下的控制釋放,且該復合物具有良好的生物相容性.Zhang等則以“表面保護刻蝕”的思路制備了搖鈴型結構的Porous-SiO2@void@porous-SiO2納米粒子.這種納米粒子由一個介孔結構的二氧化硅外殼和一個可自由移動的介孔二氧化硅核組成.他們首先在內外兩層二氧化硅表面組裝了聚合物分子聚乙烯吡咯烷酮(PVP),PVP分子在刻蝕過程中起到了分別保護外殼和內核二氧化硅表面的作用,然后使刻蝕試劑選擇性地對粒子內部結構進行刻蝕,從而得到了這種搖鈴型納米結構.Liu等制備了三明治結構的有機-無機雜化二氧化硅納米球,其中,中間層是正硅酸乙酯與有機硅烷共縮聚形成的,通過氫氟酸對中間層和最外層的刻蝕而形成介孔外殼包覆的搖鈴型結構.將此材料作為多烯紫杉醇(docetaxel)藥物的載體,用于動物體內肝癌治療的研究,與應用單純的泰索帝(taxotere)藥物相比(抑瘤率57%),應用裝載多烯紫杉醇的納米輸送體系具有更加有效的治療效果,其抑瘤率高達72%.2.2納米載體的制備和釋放介孔二氧化硅納米管由于其結構優勢,近年來也廣泛應用于生物醫藥領域.此類材料區別于其他納米管,表現為不僅有管的內、外表面,同時還有介孔孔道腔面,另外對孔道方向的調控也對載藥及藥物釋放具有重要影響.Wu等在手性分子存在的條件下,合成了由表面活性劑自組裝調控的手性介孔二氧化硅納米管.Yu等采用物理機械錘擊方法將Au、Ag、PLGA沉積于介孔二氧化硅納米管表面制成封裝型介孔二氧化硅納米管,并以染料分子為模型研究了其藥物的裝載及示蹤.由于在封裝分子與藥物之間沒有化學作用,因此它為制備多功能智能納米管在生物醫學領域的應用提供了新思路.Yang等以針狀碳酸鈣納米顆粒為模板通過溶膠-凝膠法制備了介孔二氧化硅納米管、氨基化介孔二氧化硅納米管及量子點修飾的氨基化介孔二氧化硅納米管.通過布洛芬的裝載及釋放發現,三種材料的載藥量相當,而量子點修飾的氨基化介孔二氧化硅納米管則具有pH及離子響應性質,從而得到了可控釋放藥物的多功能化載體.Wang等利用晶種生長法在介孔二氧化硅納米管開口處特異性地生成金納米環,然后通過1~18硫醇(C18-SH)對該納米環表面修飾,并用來封裝納米管中的藥物.同時,由于金納米環表面的C18-SH在管口處形成不穩定疏水蓋子,一般條件下被封裝在管內的藥物不會滲漏出來,而在細胞內谷胱甘肽(GSH)存在時,GSH與C18-SH發生競爭性結合,并且可以將其從金納米環上替換下來,管口由疏水性變成親水性從而使藥物得以釋放.以抗藥性的MCF-7為模型,體內外實驗均證明,該種納米載體能夠有效地提升阿霉素藥物的藥效,逆轉抗藥性,從而更有效地抑制實體瘤生長.3研究展望和展望介孔二氧化硅以其獨特的性能,在生物醫藥等領域顯示出了極大的應用前景,也將給臨床診斷和治療帶來突飛猛進的發展.目前,基