介孔二氧化硅纳米颗粒应用于可控药物释放

介孔二氧化硅纳米颗粒应用于可控药物释放摘要通过对介孔二氧化硅纳米粒子(MSN)载药机理、药物控释机理（PH响应、光响应、温度响应、酶响应及竞争性结合响应）、靶向方法（配体靶向、磁靶向、量子点应用于靶向）的介绍，对MSN在可控药物传输系统中的应用加以综述。关键词介孔二氧化硅纳米粒子；药物传输；控制释放；靶向；量子点。近年来，介孔材料由于其独特的优异性能成为了研究开发的热点，在催化、吸附分离、药物释放等领域的应用前景更使其备受关注。1992年，Kresge等，首次在Nature杂志上报道了一类以硅铝酸盐为基的新颖的介孔氧化硅材料，M41S，其中以命名为MCM-41的材料最引人注目其特点是孔道大小均匀、六方有序排列、孔径在1。5-10nm范围可以连续调节，具有高的比表面积和较好的热稳定及水热稳定性，从而将分子筛的规则孔径从微孔范围拓展到介孔领域这对于在沸石分子筛中难以完成的大分子催化、吸附与分离等过程，无疑展示了广阔的应用前景。可控药物传输系统可以实现药物在病灶部位的靶向释放，有利于提高药效，降低药物的毒副作用，在疾病治疗和医疗保健等方面具有诱人的应用潜力和广阔的应用前景，已成为药剂学、生命科学、医学、材料学等众多学科研究的热点[1-6]。许多药物都具有较高的细胞毒性，在杀死病毒细胞的同时，也会严重损伤人体正常细胞。因此，理想的可控药物传输系统不仅应具有良好的生物相容性，较高的载药率和包封率，良好的细胞或组织特异性——即靶向性；还应具有在达到目标病灶部位之前不释放药物分子，到达病灶部位后才以适当的速度释放出药物分子的特性。介孔SiO2纳米粒子(mesoporoussilicananoparticles，MSN)具有在2～50nm范围内可连续调节的均一介孔孔径、规则的孔道、稳定的骨架结构、易于修饰的内外表面和无生理毒性等特点，非常适合用作药物分子的载体。同时，MSN具有巨大的比表面积(＞900m2/g)和比孔容(＞0。9cm3/g)，可以在孔道内负载各种药物，并可对药物起到缓释作用，提高药效的持久性。因此，近年来MSN在可控药物传输系统方面的应用日益得到重视，本文通过对MSN载药机理[7]、药物控释机理[8]和靶向方法[9-14]的介绍，对MSN在可控药物传输系统中的应用[15-17]加以综述。1、介孔二氧化硅纳米颗粒1992年，Kresge等首次合成出MCM-41型介孔分子筛，这种具有规则孔道结构的介孔纳米微球立即吸引了广泛的关注，并得到了快速的发展。MSN是利用有机分子(表面活性剂或两亲性嵌段聚合物)作为模板剂，与无机硅源进行界面反应，形成由二氧化硅包裹的规则有序的组装体，通过煅烧或溶剂萃取法除去模板剂后，保留下二氧化硅无机骨架，从而形成的多孔纳米结构材料。通过选择不同的模板剂和采用不同的合成方法可得到不同结构特征的介孔材料。1。1MSN的生物相容性MSN要在可控药物传输系统中取得实际应用，首先要考虑的一个问题就是其生物相容性。Lin课题组研究了MSN对动物细胞的生存能力和繁殖能力的影响，结果表明当MSN浓度低于每105个细胞100μg/mL时，细胞的生存能力和繁殖能力基本不受影响，即使在第7个细胞周期也是如此，他们还通过选择性DNA染色结合流式细胞仪分析，发现细胞吸收MSN后仍旧保留了完整的细胞膜，显微镜观察可以看到细胞形态正常，3-(4，5-二甲基噻唑-2)-2，5-二苯基四氮唑溴盐比色法(MTT)测试结果表明线粒体活性仍然处于正常水平，虽然MSN的长期生物相容性与生物降解性还没有得到深入的研究，但最近的一篇报道显示，硅胶植入动物体内后，在长达42d内未显示任何毒副作用。因此可以认为，MSN具有良好的生物相容性，可以用作药物载体。1。2MSN的细胞内吞Hoekstra等研究发现非噬菌类真核细胞可以内吞尺寸达500nm的乳胶粒子，内吞效率随着粒子尺寸的减小而增加，当粒子尺寸在200nm左右或更小时吸收效率最高，但未观察到粒径大于1µm的粒子的吸收。MSN具有在50～300nm范围内可调的粒径，这使得MSN可以通过内吞方式进入细胞，有效地将药物输送到细胞内。细胞吸收通常是靠被吸收物质与细胞膜结合受体(如低密度脂蛋白或转铁蛋白受体)之间的特定结合力来实现的。但是没有相应受体的物质，仍能通过细胞内吞或胞饮作用而被吸收。MSN与磷脂之间有较强的亲和力，可以通过这种高亲和力吸附在细胞表面，进而发生细胞内吞。体外细胞试验结果表明MSN可以有效地被各种哺乳动物细胞内吞，如癌细胞(HeLa，CHO，lung，PANC-1)、非癌细胞(神经胶质、肝、内皮)、小噬细胞、干细胞(3TL3，间叶细胞)等MSN的内吞过程(如图1所示)非常快，通常引入MSN30min后，即可在细胞内观察到被内吞的MSN。图1HeLa细胞内吞MSN的TEM照片为了弄清细胞内吞MSN的机制，科学家们做了更进一步的研究。Mou等研究了3T3L1和间叶干细胞内吞荧光标记的MSN的过程，发现其内吞作用是通过网格蛋白介导的途径进行的，并且粒子能够逃脱内溶酶体囊泡。用不同官能团修饰MSN的外表面，还可以控制MSN的吸收效率和吸收机制，Lin等发现用特定基团(如叶酸)修饰MSN的外表面，可以显著提高MSN的细胞吸收效率；用带电荷的官能团修饰MSN的外表面，能够提高吸收效率，增强粒子逃脱内溶酶体的能力。上述实验结果表明，外表面的官能化对MSN进入细胞的途径有很大影响。目前，大多数人认为网格蛋白介导的内吞作用是非官能化MSN和绝大多数官能化MSN进入细胞的主要途径，而叶酸改性的MSN则是通过叶酸受体介导的内吞作用进入细胞，胺和胍基官能化的MSN则可能是通过一种与网格蛋白和细胞质膜微囊无关的内吞机制进入细胞。2、MSN药物传输系统的药物负载作为载药系统的纳米微粒可分为以下6种类型：微乳、生物可降解高分子纳米粒、脂质体、固体脂质纳米粒、磁性纳米粒和基因转导的纳米颗粒。它们各有特点适于不同制剂的开发，例如，微乳作为载药系统，可以增加难溶性药物的溶解度，提高水溶性药物的稳定性，提高药物的生物利用度，同时具有药物的缓释性和靶向性，并且适于工业化制备。微乳具有高扩散性和皮肤渗透性，使其在透皮吸收制剂的研究方面得到极大关注。生物可降解纳米颗粒可以改变药物的体内分布，具有控释性和靶向性，增加药物的稳定性，提高药物的生物利用度，特别适用于多肽和蛋白质等基因工程药物口服剂型的研究。脂质体载药系统同样具有药物的缓释性和靶向性，增加药物在体内和体外的稳定性，降低药物毒性，提高药物治疗指数，特别是脂质体结构的可修饰性，使开发具有特殊功能的载药系统如隐形脂质体、免疫脂质体成为可能。固体脂质纳米粒的显著特点：一是采用生理相容性好的低毒类脂材料为载体；二是可采用已成熟的高压乳匀法进行工业化生产，同时固体脂质纳米粒载药系统还具有控释性、靶向性、较高的载药量及改善药物的稳定性等优点。磁性纳米粒载药系统，可以通过外加磁场将药物导向靶位，适用于潜表部位病灶或外加磁场易触及部位病灶的诊断和治疗。纳米载体介导的遗传物质能高效地进入靶细胞，并且不易被血浆或组织细胞中各种酶所破坏。因此基因能透过核膜进入细胞核，并整合于染色体DNA中，从而获得转基因的高效稳定表达而发挥治疗作用。载药过程通常是将载体浸泡在高浓度的药物溶液中，然后分离、干燥。载体对药物的吸附能力决定了载药能力。MSN的孔径大小决定了能够进入孔道内的药物分子的大小，因此，MSN的药物吸附主要由粒子的孔径大小决定。一般情况下，只要MSN的孔径稍大于药物分子的尺寸(即孔径/药物尺寸＞1)就足以将药物吸附到孔内。MSN吸附药物的能力主要来源于介孔表面与药物之间的氢键作用、离子键相互作用、静电相互作用和疏水性相互作用等。MSN的比表面积和比孔容对载药量的影响很大，在孔径允许的情况下，比表面积越大吸附药物的量也就越大。Vallet-Regi等研究了两种比表面积不同的MSN(MCM-41和SBA-15，比表面积分别为1157和719m2/g)负载药物阿仑膦酸的情况，发现它们的最大载药量分别为139和83mg/g。药物与介孔表面的相互作用是负载药物的主要推动力，然而，在载药过程中还可能产生药物与药物之间的弱相互作用，这种作用将导致药物将整个介孔填满，从而使得载药率大大提高。因此，比孔容也是决定药物负载量的一个关键因素。Azais等发现连续几次负载药物可以有效地提高MSN的最大载药量，这是由于药物分子间的弱相互作用可以使介孔得到最大限度的填充，因此，大的比孔容可以产生更大的载药量。3、MSN药物传输系统的药物控释对于药物传输系统来说，药物的释放往往是更重要的环节。药物释放可分为不可控释放和可控释放两种，两者的区别在于：在不可控释放情况下，药物传输系统进入介质后，即开始释放药物，药物的释放地点和速度不可控制；在可控释放情况下，可以有目的性地控制药物的释放地点和速度。随着科技的发展和人们对治疗水平要求的提高，药物传输系统逐渐由不可控释放向可控释放发展。在早期的MSN药物传输系统研究中，主要是通过改变MSN的结构参数，如孔径、比表面积和比孔容来实现对药物的控制释放。随着研究的深入，基于环境响应性的药物控释逐渐成为研究的热点。3。1基于MSN结构参数的药物控释早期的MSN药物传输系统主要利用材料的高比表面积和比孔容来负载药物，药物仅简单地吸附在介孔内，主要靠孔径或孔的形态来实现药物的控制释放。。2001年，Vallet-Regi等首次研究了两种不同孔径的MCM-41型MSN对药物布洛芬(IBU)的负载情况，并研究了其在模拟体液中的释放行为，研究结果表明MCM-41具有较高的载药量，可以延长药物的释放周期，并且随着孔径的增大，药物的释放速率加快。孔径可以控制药物的动力学释放过程，这一概念不仅适用于2维六方孔道结构的MCM-41，对于具有3维六方孔道结构的MCM-48介孔材料也同样适用此后，这方面的工作陆续展开，曲凤玉等将药物Captopril和IBU分别负载于MCM-41的孔道中；Andersson等将IBU负载于SBA系列的介孔材料中。这些研究发现药物的释放速率不仅与孔径有关，还与介孔的其它性质有关，如孔的连通性、几何形态等。Lin等研究了MSN的孔和粒子形态对药物控释性能的影响，他们使用了一种特殊的模板剂室温离子液体(room-temperatureionicliquid，RTIL)，以这种模板剂合成出相应体系的MSN(RTIL-MSN)来研究抗菌剂的控释。他们制备了一系列具有不同粒子形态的RTIL-MSN材料，包括球形、椭圆形、棒状和管状。通过改变RTIL模板可以得到不同形态的孔道结构，例如MCM-41型的六方孔道、Moiré型螺旋孔道、蠕虫状孔道。这种孔内封装离子液体的MSN，其控释能力可通过测量它们对大肠杆菌K12的抗菌效果来研究。结果显示，具有球形、六方孔道的RTIL-MSN与管状、虫洞状孔道的RTIL-MSN相比具有更好的抗菌活性。这一结果可以归因于平行六方孔道与无序的虫洞孔道相比，从前者扩散释放出RTIL的速率更快。这项工作表明了MSN的形态对控释行为的重要性。通过改变MSN表面性质的方法来控制药物的释放有两种不同的方法:改变MSN的比表面积；或通过表面官能化的方法在表面修饰一些小分子以改变药物与表面之间的作用力。MSN表面具有丰富的硅羟基，可以通过硅烷偶联剂修饰上不同的官能团，因此对MSN进行表面官能化修饰是常用的改变MSN表面性质的方法，图2总结了常用的修饰官能团和相对应使用的药物。Vallet-Regi等研究发现不同官能团修饰的MCM-41对药物布洛芬吸附和释放的性能有很大影响，这主要是因为修饰的官能团与药物的特定基团之间会产生氢键、静电或疏水性等相互作用所引起的。Zhu，Song，Zeng等分别采用3-氨丙基三乙氧基硅烷(APS)后修饰方法和一步法制备了氨基修饰的MSN，并用不同药物对修饰后的MSN的载药和释药行为进行了研究。结果发现氨基修饰能显著提高MSN的载药率，延长释放周期；并且发现一步法对延长水溶性药物BSA和阿司匹林的释放周期较好，而APS后修饰法对延