多孔仿生納米材料作為蛋白緩釋制劑的研究進展

雷婧詩（綜述）， 王佐林（審校）

（上海牙組織修復與再生工程技術研究中心，同濟大學口腔醫(yī)學院，同濟大學附屬口腔醫(yī)院口腔種植科，上海 200072）

生物體內的蛋白質具有酶催化、信號轉導、基因調節(jié)等功能，并且在細胞生存和細胞程序性死亡中起重要作用[1]。蛋白質藥物作為一種多功能生物治療藥物，不僅具有較高的生物活性，而且有很好的生物特異性[2-3]。然而，由于蛋白質脆弱的三級結構，大多數自然形態(tài)的蛋白質具有不穩(wěn)定性、體內半衰期短等缺點。人們通過設計蛋白緩釋載體可以有效解決上述問題。蛋白緩釋制劑不僅能夠穩(wěn)定蛋白質藥物的生物特性，還可以進行蛋白質藥物的靶向遞送，降低獲得治療效果所需的蛋白質濃度[4]，提供持續(xù)的蛋白質釋放，避免了反復注射、口服等引起的不良反應[5]。近年來，多種納米蛋白載體得到了廣泛研究[6-11]。然而，由于載體本身的生物毒性、制備過程對蛋白質結構的影響、突釋及不完全釋放等問題，至今尚無臨床可用的蛋白緩釋制劑出現。

人們通過研究自然界的生物礦物材料（貝殼、牙齒和骨骼等）在納米尺度上的合成機制和相關結構等，合成了仿生納米材料。這類材料因生產成本低、生物相容性好、形貌豐富及生物體內降解速率可調的優(yōu)點，在生物醫(yī)藥領域備受關注[12]。此外，研究發(fā)現，仿生納米材料中存在的孔結構（連續(xù)材料中存在的有限空間或空腔[13]）使材料具有出色的熱學性能、化學性能、比表面積和可調節(jié)的親/疏水性等特點，并且是引起骨形成的重要因素[14]。

多孔仿生納米材料主要包括二氧化硅、磷酸鈣和碳酸鈣，它們作為蛋白緩釋制劑的相關研究較多，均表現出良好的應用前景[12]。關于這3種材料在蛋白緩釋制劑中應用的文章多著重介紹其中一種材料，綜合歸納并比較三者在蛋白緩釋制劑中應用的文章較為少見。本文主要介紹二氧化硅、磷酸鈣和碳酸鈣3種多孔仿生納米材料，總結并比較它們的材料特性、生物學特性，以及其在生物蛋白緩釋領域應用的優(yōu)點、局限性和研究現狀。

1 二氧化硅

生物體內的硅元素多以二氧化硅的形式存在，通常處于非晶形態(tài)，不易斷裂，且在不降低強度的情況下能保持優(yōu)秀的可塑性[15-16]。因此，二氧化硅在生物領域備受關注。其中，介孔（也稱中孔，孔徑2～50 nm）二氧化硅材料在蛋白負載系統(tǒng)中有著不可或缺的地位。蛋白質藥物在介孔二氧化硅通道內的裝載受很多因素影響，其中介孔通道的尺寸與分子負載能力息息相關。Katiyar等[17]的研究表明，材料孔徑較小時，尺寸較小的蛋白質溶菌酶（lysozyme,LYS）負載能力遠高于尺寸較大的牛血清白蛋白（bovine serum albumin,BSA）；孔徑較大時，2種蛋白質的負載能力相當。有學者利用超大孔徑的介孔二氧化硅納米顆粒（extra-large pore mesoporous silica nanoparticles,XL-MSNs）成功負載細胞因子白細胞介素-4（interleukin-4，IL-4），體內及體外實驗均顯示，XL-MSNs可以顯著保護IL-4的生物活性，并且具有一定的靶向作用，能成功誘導M2型巨噬細胞的極化作用；而無XL-MSNs保護的IL-4，其活性迅速喪失，無法誘導極化作用[18]。然而，隨著材料孔徑的不斷增加，孔的有序性和結構穩(wěn)定性均降低，孔徑越大的材料，制備效率越低。此外，蛋白質活性改變、制備效率低及緩釋過程復雜等問題使二氧化硅材料難以真正地應用于實際生產和實踐中。

2 磷酸鈣類

磷酸鈣類礦物是脊椎動物鈣化組織的主要無機成分[19-20]，主要包括羥基磷灰石、碳羥基磷灰石、氟磷灰石、磷酸三鈣、磷酸八鈣、透鈣磷石、一水合磷酸二氫鈣、缺鈣磷灰石和無定形磷灰石等[12]。多孔磷酸鈣材料在生物蛋白控釋領域有著巨大的潛能[21]。Zhang等[22]通過陽離子表面活性劑成功制備了介孔羥基磷灰石，并通過調節(jié)緩沖液的pH來研究蛋白質的吸附和釋放行為，結果顯示，BSA的負載量隨著pH的升高而降低，而其在酸性環(huán)境中的釋放持續(xù)時間比在中性環(huán)境中更長。此外，結晶度、比表面積對磷酸鈣類材料的蛋白質負載能力產生重要影響。研究表明，高比表面積、低結晶度的羥基磷灰石納米顆粒比同樣比表面積，但結晶度更高的顆粒表現出更好的蛋白質負載能力[23]。在多孔磷酸鈣納米顆粒中負載骨相關生長因子的研究較為深入。研究發(fā)現，骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2（bone morphogenetic protein-2,BMP-2）主要通過3種功能基團（-OH、-NH2和-COO-）與羥基磷灰石反應[24]。然而，磷酸鈣的蛋白緩釋制劑技術仍不成熟，蛋白分子與磷酸鈣類材料之間的相互作用機制未確定。生物大分子與磷酸鈣類材料之間作用導致的蛋白活性變化、蛋白變性等問題仍未解決。

3 碳酸鈣類

蝦、蟹等節(jié)肢動物表面堅硬骨骼（外骨骼）的主要成分為生物碳酸鈣。 碳酸鈣作為蛋白質緩釋載體，具有諸多優(yōu)點。碳酸鈣有一定的pH敏感性，弱酸性微環(huán)境可以觸發(fā)生物分子緩釋[25]。通過仿生合成或層層自組裝等方法可以合成具有良好生物學性能的碳酸鈣礦物。Sukhorukov等[26]制備出了高比表面積的多孔球形碳酸鈣微粒，為負載生物大分子提供了條件，結果顯示，通過調節(jié)吸附過程中的pH，可以調節(jié)在碳酸鈣微粒內部及吸附在微粒表面的蛋白質含量。Petrov等[27]在制備碳酸鈣納米顆粒的同時引入蛋白質，使蛋白質與碳酸鈣共沉淀，大大增加了碳酸鈣中蛋白質的負載率。碳酸鈣的控釋系統(tǒng)經常與磷酸鈣系統(tǒng)混合使用，或者作為核-殼載藥微球中的核心材料。然而，目前有關碳酸鈣蛋白緩釋制劑的研究較少，同樣存在蛋白質活性的保持、突釋和不完全釋放等問題。

4 3種材料的比較

多孔納米二氧化硅、磷酸鈣和碳酸鈣材料均在蛋白緩釋制劑領域表現出巨大的應用前景。不同材料在生物活性、生物降解性及蛋白緩釋制劑領域有不同的優(yōu)點和局限性。3種材料都具有良好的比表面積和豐富的孔徑范圍，并且通過改變其制備方式均能對材料的物理特性進行調控，實現蛋白質的有效負載緩釋。介孔二氧化硅材料豐富可調的介孔結構可以有效負載不同分子量的生物蛋白，然而，孔徑越大的二氧化硅，其生產效率越低[28]。介孔二氧化硅的制備方法較復雜，文獻中多采用先制備均勻穩(wěn)定的介孔結構，再將其與蛋白質制劑混合進行負載的方法[17-18]。磷酸鈣除了利用表面活性劑的方法制備[22]，還可以在制備過程中加入蛋白質制劑與磷酸鈣共沉淀的方法制備[29]，過程更簡單且制備效率更高。碳酸鈣也可以使用共沉淀方法制備蛋白緩釋制劑[27]。此外，還可以通過模擬生物體內的仿生礦化或層層組裝的制備方式[26]，使其生物學性能更加優(yōu)異。溶液pH、離子濃度、材料的組成、結晶度等均會對材料的生物學性能產生不同的影響[12]。因此，有學者利用材料的不同特點，將多種材料混合來獲得更好的生物學性能。Maruyama等[30]在羥基磷灰石中引入碳酸鈣微球，有效地改善了磷灰石的降解性能。

雖然這些材料均表現出良好的材料特性、生物學性能，有望在蛋白緩釋領域中得到廣泛應用，但材料與蛋白制劑的作用機制尚不明確。如今面臨的主要問題為制備過程中的界面張力、冷凍干燥對蛋白質活性的影響；緩釋過程對蛋白質藥物穩(wěn)定性的影響；蛋白質藥物的突釋問題；蛋白質藥物的不完全釋放問題等。這些問題相對獨立卻也相互制約，極大地限制了這些材料的應用，迫切需要人們進一步深入研究并解決，以實現蛋白質的有效負載和緩釋。

綜上所述，蛋白質制劑為現代醫(yī)學疾病治療提供了新的思路。隨著蛋白質制劑的研究不斷深入，仍有許多問題未能解決。多孔仿生納米材料擁有可調的比表面積和孔徑，并且生物相容性良好，體內降解過程中產生的危害較小，是蛋白緩釋制劑的研究熱點。多孔仿生納米材料（二氧化硅、磷酸鈣及碳酸鈣）表現出良好的蛋白緩釋能力，多項研究均證實其作為體內蛋白緩釋制劑有廣闊的應用前景。然而，在這些材料應用于臨床之前還面臨著幾個主要問題：蛋白突釋、蛋白活性保持、不完全釋放及制備工藝復雜。隨著蛋白質與材料之間反應機制的研究深入，對材料性質的不斷調控和優(yōu)化，蛋白活性保存、緩釋等問題不斷被解決，多孔納米二氧化硅、磷酸鈣及碳酸鈣在蛋白緩釋制劑領域將會有廣闊的應用前景。