介孔二氧化硅納米在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展*

喻紅梅，龔寧波，呂揚(yáng)

(北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院、中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院藥物研究所、晶型藥物研究北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100050)

二氧化硅(SiO2)是一種無(wú)毒、無(wú)污染的非金屬材料，但其密度大，比表面積小，故應(yīng)用受到限制。介孔材料具有有序的孔隙結(jié)構(gòu)，孔洞大小可精確調(diào)控，比表面積和孔體積大，吸附性強(qiáng)[1-3]，具有良好的應(yīng)用前景。近年來(lái)，隨著納米技術(shù)迅速發(fā)展，納米制劑的制備方法不斷優(yōu)化改進(jìn)，納米藥物在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。介孔二氧化硅納米顆粒(mesoporous silica nano,MSNs)因其具有高表面積，高穩(wěn)定性，靶向性，高生物相容性等諸多優(yōu)良特性，引起了醫(yī)學(xué)界的極大興趣，尤其是在抗腫瘤方面顯示出極大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)[4-5]。近年來(lái)，靶向和持續(xù)治療劑的概念已轉(zhuǎn)變?yōu)橛|發(fā)藥物釋放，從而迎來(lái)了“按需”藥物遞送時(shí)代，中空介孔SiO2由于其可調(diào)節(jié)的表面功能已出現(xiàn)在觸發(fā)釋放系統(tǒng)的最前沿[6]。本文綜述了MSNs的制備方法，在醫(yī)藥領(lǐng)域以及天然產(chǎn)物分離、運(yùn)輸及改性等方面的應(yīng)用，旨在為MSNs在醫(yī)藥領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用提供參考。

1 制備方法

目前SiO2制備方法主要有硬模板法和軟模板法。硬模板法是利用有機(jī)/無(wú)機(jī)微球作為模板，SiO2在模板表面組裝形成核殼微球，除去模板后即可得到中空介孔微球，但此種方法所得材料的粒徑分布窄，且硬紙板除去過(guò)程中容易發(fā)生殼缺陷；硬模板法也可稱為干法，包括氣相法和電弧法。軟模板法是以囊泡、乳滴、液滴等液體為模板，通過(guò)靜電作用使SiO2自我組裝形成中空介孔微球，煅燒或溶劑去除模板后得到中空納米材料，軟模板的制備和去除都非常方便，但其結(jié)構(gòu)受溶劑和濃度的影響較大，且軟模板在溶液中濃度較低，不適合大量制備。軟模板法也稱作濕法，包括沉淀法、溶膠凝膠法、微乳液法、超重力反應(yīng)法、水熱合成法和Stober法。

Stober法是將正硅酸乙酯加入到乙醇和氨水中生成納米硅顆粒的方法。KOBAYASHI等[7]研究了正硅酸乙酯和氨濃度對(duì)二氧化硅納米顆粒粒徑的影響，發(fā)現(xiàn)SiO2顆粒的尺寸隨正硅酸乙酯和氨濃度的增加而增加。

溶膠凝膠法是將硅酸酯與乙醇按一定比例制備成均勻的混合液，攪拌下緩慢加入去離子水調(diào)節(jié)溶液pH值，再加入合適的表面活性劑攪拌均勻，從而制得納米硅顆粒的方法。LUO等[8]以正硅酸乙酯為前驅(qū)體，采用溶膠凝膠技術(shù)制備SiO2納米粒子，再用硅烷偶聯(lián)劑，即十六烷基三甲氧基硅烷，二甲氧基二苯基硅烷對(duì)這些SiO2納米粒子進(jìn)一步改性，以在SiO2納米粒子的表面上引入有機(jī)官能團(tuán)，從而制得具有某種特性的納米硅顆粒。

沉淀法是以水玻璃和無(wú)機(jī)酸為原料，加入合適的表面活性劑，沉淀合成，干燥煅燒后即制備成SiO2納米粒子。氣相沉淀法是以硅烷鹵化物為原料，高溫水解生成氣相SiO2，與氣體形成溶膠，聚集，脫酸處理后即得到SiO2納米顆粒。崔媛等[9]采用共沉淀法制備出具有磁性的SiO2納米微球，可實(shí)現(xiàn)藥物傳輸及熒光標(biāo)記診斷方面的磁導(dǎo)向，且在SiO2表面仍可繼續(xù)修飾一些功能基團(tuán)，有望成為一種多功能性優(yōu)良藥物載體材料。

微乳液法是先制備出含一種反應(yīng)物的微乳液，再往微乳液中加入另一種反應(yīng)物，擴(kuò)散，透過(guò)表面活性劑膜層，向反膠束中滲透，兩種反應(yīng)物相遇后發(fā)生反應(yīng)，破乳、洗滌、過(guò)濾、干燥、煅燒，得到SiO2納米粒子。魏偉等[10]利用反相微乳化法制備了5-氟脲嘧啶緩釋納米顆粒，對(duì)人肝癌細(xì)胞具有明顯的抑制效果。

水熱合成法是梁旭華等[11]以十六烷基三甲基溴化銨為模板，正硅酸乙酰為硅源，采用水熱合成法制備MSNs——優(yōu)良的緩控釋藥物載體。

2 納米二氧化硅在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1用于疾病的診斷 氨基官能化的介孔SiO2材料是有效的脫氧核糖核酸吸附劑，DNA吸附在固體材料上可用于疾病的遺傳診斷，基因傳遞和生物傳感器等領(lǐng)域[12]。MSNs可以作為磁共振造影劑應(yīng)用于疾病的診斷，有望實(shí)現(xiàn)診療一體化[13]。張澤芳等[14]將氧化硅的前驅(qū)體與三嵌段共聚物連接成較小粒徑的SiO2-共聚物雜化納米體系，并與疏水材料自組裝，構(gòu)建了極穩(wěn)定的近紅外發(fā)光納米探針，可用于小動(dòng)物的整體熒光成像和前哨淋巴結(jié)成像，在疾病診斷領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。

2.2用于疾病的治療

2.2.1腫瘤治療 化療是當(dāng)前腫瘤治療主要手段之一。MSNs在腫瘤治療領(lǐng)域具有許多優(yōu)良特性，如pH敏感性可用于定位治療[15]；化療與熱療聯(lián)合可提高治療效率[16]；SiO2納米粒表面基團(tuán)功能化可有助于藥物精準(zhǔn)釋放。

①pH響應(yīng)的定位治療。多柔比星(DOX)介孔SiO2納米粒載藥系統(tǒng)二氧化硅(DOX-MSN)具有顯著的藥物緩釋作用和pH敏感性[17]，能在腫瘤細(xì)胞內(nèi)部長(zhǎng)時(shí)間滯留并緩慢持續(xù)釋放藥物。金新天等[18]先用氨基修飾載DOX的SiO2，海藻酸與表面氨基結(jié)合對(duì)介孔進(jìn)行封堵以抑制藥物的釋放，從而可減少對(duì)正常細(xì)胞的影響。腫瘤細(xì)胞中環(huán)境偏酸性，此時(shí)海藻酸與氨基的靜電作用減弱，海藻酸從介孔脫落，抗腫瘤藥物順利釋放，最終達(dá)到治療腫瘤的目的，此方法有望解決化療藥物的全身不良反應(yīng)以及長(zhǎng)期用藥引發(fā)的耐藥性問(wèn)題。曹杰等[19]選擇帶負(fù)電荷的、溶解度和分子結(jié)構(gòu)對(duì)pH均十分敏感的聚丙烯敏(PAA)作為封堵分子，采用靜電吸附的修飾方法，將PAA修飾在氨基化的MSNs表面，制備了pH響應(yīng)的MSNs。梁櫻等[20]實(shí)驗(yàn)采用多巴胺在高負(fù)載性的中空介孔SiO2表面聚合形成一層對(duì)pH敏感的薄膜，研究結(jié)果顯示中空介孔SiO2比MSNs具有更高的載藥率與釋放速度，且可達(dá)到可控釋放，在酸性環(huán)境下釋放量遠(yuǎn)超過(guò)堿性環(huán)境。吉西他濱作為一種抗癌藥物被加載到Fe3O4-RF-mSiO2微球的中孔中，發(fā)現(xiàn)微球表現(xiàn)出pH響應(yīng)特性，此研究為有效評(píng)估磁性核-殼微球在藥物輸送和癌癥治療中的應(yīng)用提供了有效途徑[21]。

②化療與熱療聯(lián)合的高效治療。熱療是通過(guò)擾亂細(xì)胞膜或使蛋白變性，引發(fā)腫瘤細(xì)胞不可逆損傷，達(dá)到治療腫瘤的目的[22]。史嫣楠等[23]以表面活性劑為模板，在金納米星(gold nanostar,GNS)表面生長(zhǎng)介孔二氧化硅(mSiO2)，合成GNS-mSiO2，用GNS-mSiO2運(yùn)載抗腫瘤藥物DOX。酸性介質(zhì)中，近紅外光照射下，GNS可將光能轉(zhuǎn)化為熱能，細(xì)胞內(nèi)蛋白變性被殺死，且隨著溫度升高運(yùn)載藥物DOX的釋放率大大提高，因此達(dá)到熱療與化療聯(lián)合治療的效果。金新天等[18]將透明質(zhì)酸(hyaluronic acid,HA)通過(guò)酰胺鍵結(jié)合在介孔硅表面充當(dāng)“門衛(wèi)”，使得所載藥物在正常環(huán)境中不釋放，HA可有效識(shí)別結(jié)合表達(dá)CD44的腫瘤細(xì)胞，腫瘤細(xì)胞中富含HA酶，可降解HA，藥物載體在HA酶作用下實(shí)現(xiàn)選擇性釋放，達(dá)到靶向給藥的目的。除此之外，此系統(tǒng)在近紅外光照射下將光能轉(zhuǎn)化成熱能，結(jié)合光熱治療和化學(xué)治療，提高腫瘤治療效率，有望解決化療藥物的全身毒副作用和長(zhǎng)期用藥引發(fā)的耐藥性問(wèn)題。

③納米二氧化硅基團(tuán)功能化的精準(zhǔn)治療。HA官能化的中空介孔SiO2納米顆粒呈現(xiàn)出更高的細(xì)胞攝取能力和腫瘤細(xì)胞毒性，該給藥系統(tǒng)在癌癥治療領(lǐng)域具有巨大的潛力[24]。ZHAO等[25]將帶正電的聚乙烯亞胺納米顆粒通過(guò)二硫鍵接枝到中空介孔SiO2的孔口上，作為“守門人”將藥物捕獲在空心腔內(nèi)。進(jìn)一步將HA嫁接到中空介孔SiO2表面，載有中空介孔SiO2納米顆粒表現(xiàn)出氧化還原和酶雙重響應(yīng)藥物釋放特性，且表現(xiàn)出優(yōu)異的熒光性質(zhì)和生物相容性。CHO等[26]用對(duì)溫度敏感的PEG / PCL多嵌段共聚物作為“守門員”對(duì)MSN進(jìn)行了功能化，從而可以響應(yīng)熱休克刺激釋放截留的藥物。DOX的釋放是由于對(duì)熱激刺激的“守門員”PEG / PCL結(jié)構(gòu)的松動(dòng)。LIU等[27]將苯基硼酸綴合的人血清白蛋白嫁接到MSNs表面作為密封劑，建立腫瘤微環(huán)境響應(yīng)性藥物傳遞體系。

2.2.2抗菌治療 SiO2微球表面可自動(dòng)吸附和還原銀離子，以其為載體，可合成綠色可循環(huán)使用、抑菌活性良好的SiO2銀納米材料[28]。利用SiO2包裹納米銀膠，再對(duì)SiO2/納米銀微球表面進(jìn)行疏水性基團(tuán)修飾，制備親油性SiO2/納米銀微球，應(yīng)用于抗菌大理石中，能明顯提高大理石的抗菌活性值[29]。李炳坤等[30]以正硅酸乙酯為硅源，十六烷基三甲基溴化銨為表面活性劑，在氨水催化下制備得到樹(shù)枝狀SiO2微球，負(fù)載納米銀，抗菌效果大大提升。

2.2.3用于其他疾病的治療 研究表明使用二氧化鈦涂層的MSNs將藥物遞送至脈管系統(tǒng)可作為治療心血管疾病的臨床干預(yù)手段[31]。JIANG等[32]用氨基修飾中孔SiO2顆粒，金屬離子配位到中孔表面后，胰島素通過(guò)與金屬離子的配位鍵結(jié)合被加載到中孔SiO2顆粒上，可作為胰島素的pH敏感釋放載體。脂質(zhì)-聚合物雜化納米顆粒用于利多卡因的遞送，可以作為局部麻醉治療中利多卡因負(fù)荷的有效藥物系統(tǒng)[33]。

3 用于天然產(chǎn)物的分離、運(yùn)輸及改性

許多天然產(chǎn)物本身具有很好的生物活性，有望作為藥物的先導(dǎo)物進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究，但水溶性極低、快速的系統(tǒng)清除、極易降解等特性，極大降低了它們的生物利用度，限制了臨床應(yīng)用。用SiO2納米材料運(yùn)載這些藥物，可提高藥物溶解度，改善穩(wěn)定性，擴(kuò)展其應(yīng)用范圍。以分子-印跡技術(shù)為原理，采用溶膠-凝膠法，制備白藜蘆醇SiO2納米粒表面分子印跡聚合物，對(duì)白藜蘆醇具有較高的選擇性和吸附性，可用于選擇性分離富集白藜蘆醇[34]。顧小麗等[35]研究發(fā)現(xiàn)相比沉淀聚合，SiO2納米粒表面聚合和介孔分子篩表面聚合法合成的黃芩苷分子印跡聚合物對(duì)黃芩苷具有最強(qiáng)的吸附能力，可用于高效分離富集黃芩苷。李娜等[36]制備的姜黃素MSNs載藥系統(tǒng)顯著改善了難溶性姜黃素的溶出度和溶出速率，為提高水難溶性藥物的生物利用度提供了思路。

4 結(jié)論與展望

MSNs已廣泛應(yīng)用于藥物遞送、疾病診斷、疾病治療等領(lǐng)域，在實(shí)現(xiàn)緩控釋藥物釋放、聯(lián)合治療以及精準(zhǔn)治療等方面表現(xiàn)出巨大的潛力，有望成為抗腫瘤藥物研發(fā)的重點(diǎn)。盡管MSNs有多種優(yōu)良特性，但其安全性和生產(chǎn)方面仍存在較多不確定性：①目前針對(duì)(修飾后)MSNs 的急性毒性和慢性毒性的研究尚不透徹，除進(jìn)行動(dòng)物安全性實(shí)驗(yàn)外，還需增加人體內(nèi)安全性實(shí)驗(yàn)，為MSNs在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用提供保障；②MSNs 雖有較高的載藥量，但目前大規(guī)模生產(chǎn)是一個(gè)難題，亟待解決；③目前對(duì)于不同作用類型的MSNs的生物學(xué)評(píng)價(jià)還不夠完善，有待進(jìn)一步研究與評(píng)價(jià)。