基于介孔二氧化硅的納米藥物輸送系統(tǒng)構(gòu)建

梁旭華，任素娟，吳美妮

（商洛學(xué)院生物醫(yī)藥與食品工程學(xué)院，陜西商洛 726000）

近年來，納米藥物輸送系統(tǒng)由于能夠?qū)⑺幬锇邢蜉斔椭敛≡畈课?，調(diào)節(jié)藥物釋放，有效提高藥物的生物利用度，降低毒副作用，因此引起了研究者的廣泛關(guān)注。據(jù)報道，粒徑為幾十到100 nm的納米粒子可以通過高通透性和滯留效應(yīng)（EPR效應(yīng)）富集于腫瘤部位[1-2]。因此，當(dāng)納米粒子載藥以后可以實現(xiàn)將藥物靶向輸送至腫瘤部位，增強腫瘤治療效果、降低毒副作用。介孔二氧化硅納米顆粒（Mesoporous silica nanoparticles，MSNs）是利用有機分子作為模板，形成的多孔納米材料[3]。MSNs不僅具有介孔材料的特性，而且也具有納米材料的特性，例如：均一的孔徑、規(guī)則的孔道、表面易被修飾、良好的生物相容性、比表面積大等特點，因此在生物醫(yī)藥、環(huán)境保護、傳感器、工業(yè)催化等方面有很大的應(yīng)用前景[4]。本研究以十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）為模板，正硅酸乙酯（TEOS）為硅源，采用水熱合成法、酸液萃取法制備介孔二氧化硅納米顆粒（MSNs），重點對其內(nèi)部孔道結(jié)構(gòu)、藥物載帶與釋放性能進行了研究，為介孔二氧化硅納米材料的進一步開發(fā)利用提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與儀器

姜黃素標(biāo)準品購自上海晶純生化科技股份有限公司，實驗用水為本實驗室自制，其他所有試劑均為分析純級別，購自國藥集團化學(xué)試劑有限公司，磷酸鹽緩沖液（PBS）為實驗現(xiàn)配。

實驗儀器：分析天平、pH計、磁力攪拌器、水熱反應(yīng)釜、電子恒溫水浴鍋、電子恒溫鼓風(fēng)干燥箱、超聲波清洗儀、高速離心機、真空干燥箱、傅里葉變換紅外光譜儀、Micromeritics ASAP 2020M型全自動比表面和孔隙分析儀、紫外分光光度計。

1.2 方法

1.2.1 介孔二氧化硅納米載體（MSNs）的制備

1）稱取0.8 g十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）溶入到150 g去離子水中，隨后加入20 mL丙三醇（GL）和40 mL氨水溶液（25%），于50℃水浴鍋中攪拌0.5 h使其充分溶解，緩慢逐滴加入2 mL的正硅酸乙酯（TEOS）。該混合體系繼續(xù)在50℃下攪拌2 h，移至水熱反應(yīng)釜中于100℃烘箱中處理24 h，待自然冷卻后12000 r·min－1離心30 min，用乙醇和去離子水分別洗滌3次，最后于60℃真空干燥18 h備用。

2）稱取1.3 g上述樣品加入到120 mL無水乙醇和15 mL濃鹽酸中回流2 h，此操作方法重復(fù)兩次，然后 12000 r·min－1離心樣品 30 min，用大量無水乙醇和去離子水重復(fù)洗滌3次，最后于60℃干燥即可得到MSNs。

3）在其他試劑加入量及實驗條件不變的情況下，改變TEOS和氨水的用量，得到五組MSNs樣品，各組樣品所用TEOS和氨水的量，如表1所示。

表1 樣品中TEOS和NH3·H2O用量

1.2.2 載體的表征

采用ASAP 2020M型比表面及孔徑分析儀分析樣品的比表面積及孔道結(jié)構(gòu)特性；采用紅外光譜法測定樣品表面官能團；采用紫外-可見分光光度計測量藥物的吸收光譜。

1.2.3 姜黃素（Curcumin,Cur）載帶實驗

取0.5 g MSNs樣品加入一定量的去離子水，磁力攪拌使其分散，轉(zhuǎn)移至250 mL容量瓶中定容，得2 mg·mL－1的載體水分散液。各取20 mL于5個小燒杯中，分別滴加精密配制的不同濃度（1、2、3、4、5 mg·mL－1）的姜黃素乙醇溶液 1 mL，然后在常溫下磁力攪拌24 h達到平衡，離心分離，用95%的乙醇反復(fù)洗滌3次，收集上清液，沉淀于60℃干燥12 h，即可得到載帶Cur的樣品，記為Cur@MSNs。

1.2.4 載藥率(DLC)和包封率(EE)的測定

標(biāo)準曲線的繪制：精密稱量干燥的Cur 10 mg，通過無水乙醇溶解并置于100 mL容量瓶中，加無水乙醇定容至刻度配制成儲備液。取5個10 mL容量瓶， 精密吸取 0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mL 儲備液，加無水乙醇定容至刻度，分別配制成1、2、3、4、5 μg·mL－1的 Cur標(biāo)準溶液， 利用紫外分光光度計于425 nm處測定吸光度。以吸光度對濃度進行線性回歸得到Cur的標(biāo)準曲線。如圖1所示，所得Cur的標(biāo)準曲線為：A=0.153C+0.0408（R2=0.9987，1≤C≤5）。

其中，A為Cur的吸光度值，C為Cur的濃度，μg·mL-1。

圖1 姜黃素的標(biāo)準曲線

利用紫外分光光度計在425 nm波長處測定Cur的吸光度，從而計算Cur的濃度和質(zhì)量。該載體的藥物載藥率和包封率計算公式為[5]：

1.2.5 藥物累積釋放量的測定

將所制備的Cur@MSNs分別超聲分散于pH=5.0和pH=7.4的PBS中37℃恒溫連續(xù)攪拌（100 r·min-1），每隔 20 min 取出 5 mL 溶液測定，并且及時補充等量釋藥介質(zhì)，將取出的樣品離心后采用紫外分光光度計測定吸光度，計算姜黃素的累計釋放量的計算公式為[6]：

其中：Q為藥物累積釋放量(%)；C為測定液中姜黃素的濃度(μg·mL－1)；V 為稀釋體積(mL)

2 結(jié)果與分析

2.1 粒度分析

本研究采用CTAB為模板劑，通過水熱合成法、酸液萃取法制備出不含模板劑的MSNs，表2為各組MSNs的相關(guān)參數(shù)。從表2可知：當(dāng)控制TEOS量不變的情況下，增加氨水的量，制備出的納米材料粒徑依次增大；當(dāng)控制氨水量不變的情況下，增加TEOS的量，制備出的納米材料粒徑明顯增大，與氨水相對比，所制備出的納米材料變化的幅度較大。由此可見，增加TEOS的加入量對MSNs粒度影響更為顯著。因此，通過改變TEOS和氨水的加入量可以更有效地控制MSNs的粒徑大小。

表2 MSNs樣品參數(shù)及粒徑

2.2 孔道結(jié)構(gòu)分析

眾所周知，納米材料的比表面積和孔隙結(jié)構(gòu)是影響藥物載帶能力的重要因素。本研究采用氮氣吸附—脫附法考察了所得納米載體的比表面積及孔道性質(zhì)，如圖2所示。從圖2可以看出，五個樣品的氮氣吸附—脫附曲線均表現(xiàn)出典型的IV吸附等溫線特征，并帶有一個典型的H1型遲滯環(huán)，說明所合成的MSNs載體均為介孔結(jié)構(gòu)。當(dāng)增加TEOS的用量而其他條件不變時，遲滯環(huán)發(fā)生了較小的變形，當(dāng)只增加氨水的量時，遲滯環(huán)發(fā)生了較嚴重的變形，其形狀變得更為扁平，并往低壓方向移動，說明此時N2的吸附量下降，MSNs的孔道結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化[7]。同時由圖3可以看出，介孔二氧化硅納米顆粒具有較窄的孔徑分布，且孔徑約為10 nm，適合于藥物載帶。

圖2 MSNs的氮氣吸附-脫附曲線

圖3 MSNs的孔徑分布

2.3 傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)分析

本研究進一步采用FT-IR光譜法分析了所得MSNs的表面功能基團，如圖4所示。1630 cm-1歸屬于H-O-H鍵的彎曲振動，1070 cm-1歸屬為Si-O-Si鍵的不對稱伸縮振動吸收峰，950 cm-1左右歸屬為Si-O鍵的伸縮振動峰，780 cm-1左右歸屬為Si-O-Si鍵的彎曲振動峰。這些特征峰的出現(xiàn)說明本研究成功制備得到介孔二氧化硅材料，與氮氣吸附—脫附曲線相吻合。

圖4 MSNs的紅外譜圖

2.4 紫外分光光度法測定載藥率和包封率

載藥率（DLC）和包封率（EE）是評價納米藥物載體優(yōu)劣的兩個重要指標(biāo)，本文以Cur為模型藥物研究了MSNs的藥物載帶與緩釋控釋性能。通過測定MSNs負載姜黃素前后乙醇溶液的濃度來確定溶液中姜Cur含量，由此計算Cur的載藥量，結(jié)果如表3和表4所示。結(jié)果表明：在Cur@MSNs載藥實驗中，當(dāng)控制納米材料粒徑不變的情況下，載藥量隨著Cur濃度的增大而增大，包封率相反；當(dāng)控制Cur濃度不變的情況下，納米材料的粒徑不斷增大，其載藥量也相應(yīng)增大。因此，Cur濃度和介孔二氧化硅納米材料粒徑的增大都可以增加其載藥量。

表3 各組MSNs樣品的載藥率

表4 各組MSNs樣品的包封率

2.5 MSNs的藥物釋放性能

研究表明，正常人體血液循環(huán)過程的pH值為7.4左右，而腫瘤組織由于細胞繁殖過快，氧氣供應(yīng)不足導(dǎo)致產(chǎn)生大量酸性代謝產(chǎn)物，大大降低了周圍微環(huán)境的pH值[8]。因此，可以利用腫瘤組織的該特征設(shè)計納米載藥系統(tǒng)，使其在酸性環(huán)境中快速釋放藥物而在生理pH條件下則釋放非常緩慢[9]。表5和表6給出了Cur@MSNs在pH為7.4和5.0時的體外藥物釋放數(shù)據(jù)。對比表5和表6可以看出Cur@MSNs具有優(yōu)良的藥物緩釋性能。當(dāng)pH=7.4時，姜黃素釋放非常緩慢，可以有效降低姜黃素對正常細胞的毒副作用；當(dāng)pH=5.0時，姜黃素的釋放速率大大加快，120 min后的藥物累積釋放量可以達到37%左右。這說明在藥物釋放過程中，隨著pH值的降低，Cur@MSNs的釋放速率變快。主要原因有以下兩方面：一是隨著pH值的降低，Cur@MSNs的殼越來越變得松軟，有時候甚至?xí)撀洌虼耸沟眉{米材料孔徑變得越來越大，隨之藥物也更容易釋放出來；二是在酸性環(huán)境中，Cur與MSNs的相互作用力遭到破壞，從而促使Cur快速釋放。因此，Cur@MSNs是一種非常優(yōu)良的納米藥物輸送體系，可有效將Cur靶向至腫瘤組織，實現(xiàn)癌癥的靶向治療。

表5 pH=7.4時各組Cur@MSNs的累積藥物釋放率

表6 pH=5.0時各組Cur@MSNs的累積藥物釋放率

3 結(jié)論

本文圍繞介孔二氧化硅納米材料的制備、表征、載藥、體外藥物釋放等展開研究，實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在不改變TEOS和氨水加入量的情況下，采用水熱合成法所得介孔二氧化硅納米材料孔徑平均在50 nm左右，其中采用酸液萃取法去除表面活性劑CTAB，效果顯著?？紫督Y(jié)構(gòu)分析可知，所制備的MSNs載體均為介孔結(jié)構(gòu)，孔徑分布均勻，適合于藥物載帶。藥物載帶與釋放實驗表明，所制備的Cur@MSNs為典型的pH響應(yīng)藥物載體，在生理pH條件下藥物的包封率和載藥率較高，而在腫瘤組織微環(huán)境中則使藥物快速釋放，為一種非常優(yōu)良的緩控釋藥物載體。

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