介孔硅納米粒子孔徑的調(diào)變及其在藥物傳遞系統(tǒng)中的應用進展

張文君，劉 濤，陳 威，呂江維，王鵬光

(哈爾濱商業(yè)大學藥學院，黑龍江 哈爾濱 150076)

目前，大部分藥物存在體內(nèi)穩(wěn)定性差、半衰期短、生物利用度低等缺陷，使用合適的藥物載體能改變藥物在體內(nèi)的分布情況、控制藥物的釋放程度和速率，使藥物具有靶向性。介孔硅納米粒子(mesoporous silica nanoparticles,MSNs)具有排列有序的孔道結(jié)構(gòu)、較大的孔體積(0.6～1.0 cm3·g-1)、較大的比表面積(700～1 000 m2·g-1)、均一可調(diào)的孔徑(50～200 nm)和易于修飾的表面性質(zhì)等優(yōu)點。2001年，Vallet-Regí等[1]首次將MCM-41介孔分子篩作為抗炎藥物布洛芬的載體。因具有較高的載藥量及藥物緩控釋性能等優(yōu)勢，MSNs成為藥物傳遞系統(tǒng)的理想載體[2]。

MSNs孔徑為2～6 nm，小分子藥物很容易進入孔道內(nèi)部，但如果負載的藥物或生物分子尺寸過大時，將主要吸附在MSNs外表面，而不是內(nèi)部的孔道中，導致負載效率和穩(wěn)定性低，細胞攝取效果差[3]。研究[4]發(fā)現(xiàn)，孔徑是評價MSNs作為藥物載體性能的重要指標之一。一方面，孔徑的改變會引起MSNs的比表面積和孔體積發(fā)生相應改變，使載體-藥物、藥物-藥物之間的相互作用發(fā)生變化，從而影響藥物的負載量；另一方面，孔徑會影響藥物的釋放速率。大孔介孔硅納米粒子(large pore mesoporous silica nanoparticles，LPMSNs)對大分子藥物、蛋白質(zhì)或核酸的傳遞和負載能力表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢[5-6]。在此，作者介紹MSNs的制備方法和調(diào)孔方法，并對近年來LPMSNs在藥物傳遞系統(tǒng)中的應用進行綜述，旨在為MSNs在生物醫(yī)學領(lǐng)域的臨床研究提供借鑒。

1 MSNs的制備方法

MSNs的制備主要基于使用表面活性劑形成的膠束作為模板，與無機硅源之間通過多種物理化學反應，將無機硅源聚合成有序的晶相結(jié)構(gòu)，然后通過煅燒等方法去除表面活性劑，形成有序多孔的MSNs。研究人員針對各自的研究體系，提出了不同的機理模型，其中具有代表性的主要有液晶模板機理和協(xié)同作用機理。液晶模板機理認為，表面活性劑作為模板劑，先以單個圓柱型微胞形式存在，加入硅源后，自組裝形成六方孔結(jié)構(gòu)；而協(xié)同作用機理認為，表面活性劑生成的液晶是在加入硅源前驅(qū)體之后形成的，硅源前驅(qū)體與表面活性劑依靠協(xié)同模板作用形成液晶相，然后進一步縮聚形成介孔結(jié)構(gòu)。

目前，MSNs的制備方法主要包括水熱合成法、溶膠-凝膠法、微波合成法及沉淀法等。

1.1 水熱合成法

水熱合成法是將模板劑、硅源、酸或堿按一定比例混合，在一定溫度下經(jīng)水熱反應和晶化反應得到晶體，洗滌至中性，加熱烘干，最后高溫煅燒脫除模板劑。該方法具有水熱穩(wěn)定性好、晶化程度高、操作簡單等優(yōu)點。田喜強等[7]在不同煅燒溫度下制備了球形、表面光滑、大小均勻的MCM-41介孔分子篩。宋婕[8]以P123、F127為模板劑，正硅酸乙酯(TEOS)為硅源，采用水熱合成法制備了SBA-16介孔分子篩。梁旭華等[9]以十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)為模板劑、TEOS為硅源，采用水熱合成法制備了MSNs，并將其作為緩控釋藥物載體。

1.2 溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法是以活性單體通過聚合作用形成具有空間結(jié)構(gòu)的凝膠，經(jīng)干燥和熱處理等過程制備納米材料。該方法制備步驟相對簡單，對條件及設(shè)備的要求均較低。周黃歆等[10]以CTAB為模板劑、TEOS為硅源，在堿性介質(zhì)中通過溶膠-凝膠法制備MSNs。

1.3 微波合成法

微波合成法是在晶化時，將混合液置于微波爐內(nèi)，通過微波輻射結(jié)晶生成MSNs。該方法制備時間短，操作方便，制備的MSNs尺寸更均勻、結(jié)構(gòu)更規(guī)整、熱穩(wěn)定性更好。趙杉林等[11]以溴代十六烷基吡啶(CPBr)為模板劑、硅溶膠為硅源，采用微波合成法制備了MCM-41介孔分子篩。

2 MSNs的調(diào)孔方法

MSNs的孔道結(jié)構(gòu)、孔徑和孔體積是影響其載藥性能的主要因素。MSNs孔徑的增大，有利于藥物在孔道內(nèi)的負載和擴散。目前，MSNs的調(diào)孔方法主要有改變表面活性劑種類、添加輔助劑和改變反應條件3種途徑，其作用機理主要是改變膠束大小。

2.1 改變表面活性劑種類

MSNs的孔徑大小主要決定于表面活性劑疏水基團的大小。研究表明，改變表面活性劑碳鏈的長度可以改變孔道結(jié)構(gòu)和孔徑大小，在一定范圍內(nèi)，隨著碳鏈增長，反應溶液中的膠束尺寸也會增大，達到擴大孔徑的目的。但是，較長的碳鏈容易盤繞，對孔徑的調(diào)節(jié)范圍存在一定限制。對于嵌段共聚物型表面活性劑而言，MSNs的孔徑大小主要決定于疏水嵌段相對分子質(zhì)量的大小，疏水嵌段相對分子質(zhì)量越大，得到的介孔孔徑就越大。

Guo等[12]將模板劑CTAB溶于誘導溶劑三乙醇胺(TEA)中形成膠束，然后分別加入一系列輔助模板與CTAB共組裝，再加入TEOS形成枝狀LPMSNs。發(fā)現(xiàn)，親水性較高的兩親分子有助于形成具有較大孔徑的枝狀LPMSNs，當輔助模板與CTAB的質(zhì)量比大于11∶1時，將無法形成有序性好的枝狀LPMSNs。Park等[13]分別以M2005、T3000、T5000、ML300、MNPA1000為表面活性劑，硅酸鈉為硅源，制備LPMSNs，孔徑最大8.2 nm，比表面積632～1 030 m2·g-1，孔容0.5～2.0 cm3·g-1。

韓玉等[14]采用超長碳鏈的表面活性劑溴代十八烷基三甲基溴化銨為模板劑，制備了具有較大粒徑(550～650 nm)和孔徑(40 nm)分布的單分散樹枝狀二氧化硅納米球。曹磊等[15]以不同鏈長的長鏈烷基三甲基溴化銨(CnTAB，n=12、14、16、18)和兩性生物表面活性劑椰油基甘氨酸鈉為混合模板劑，TEOS為硅源，制備了具有較大孔徑(5～10 nm)及比表面積(>700 m2·g-1)的三維介孔二氧化硅。發(fā)現(xiàn)，隨著陽離子表面活性劑烷基鏈長的增長，煅燒產(chǎn)物的孔壁更加致密，比表面積、孔體積和孔徑增大。

2.2 添加輔助劑

在制備過程中添加擴孔劑是增大MSNs孔徑非常有效的方法。擴孔劑可以溶解在表面活性劑膠束內(nèi)核的疏水區(qū)域內(nèi)，導致膠束膨脹，從而增大MSNs的孔徑。

Hao等[16]以CTAB為模板劑、TEOS為硅源、1,3,5-三甲苯(TMB)為擴孔劑，采用微流體技術(shù)制備了大孔徑的空心球形二氧化硅(hollow spherical silica,HSS)，具有從幾納米到100 nm的海綿狀孔徑。使用兩段螺旋形微流控反應器制備大孔徑HSS，其中一個入口流包含CTAB和稀釋氨，另一個入口流包含TMB和TEOS。Saikia等[17]以TEOS、羧乙基硅三醇鈉鹽為硅源，TMB為擴孔劑，成功制備了具有羧酸功能化的LPMSNs。結(jié)果表明，木瓜蛋白酶分子在pH值為8.2時吸附量明顯增加，達到1 138 mg·g-1。Kruk[18]以1,3,5-三異丙苯和環(huán)己烷為擴孔劑、P123為表面活性劑、TEOS為硅源，制備了可以調(diào)整孔徑形成周期性孔陣列或單獨的納米顆粒。Wu等[19]以P123為模板劑、TEOS為硅源、Sr(NO3)2為擴孔劑，制備了具有有序介孔的生物活性SrO-SiO2玻璃，孔徑5.4 nm，比表面積209 m2·g-1。Yamada等[20]以TMB為擴孔劑，制備了水溶膠MSNs，發(fā)現(xiàn)TMB的加入能夠有效增大MSNs的孔徑和粒徑，且不會引起結(jié)構(gòu)和粒子形態(tài)的變化。

2.3 改變反應條件

制備過程中晶化溫度、晶化時間、介質(zhì)的酸堿度以及后處理等因素也會影響MSNs的孔徑。晶化溫度越高，分子熱運動越劇烈，有機碳鏈發(fā)生體積膨脹，碳鏈有伸直的趨勢，自由能降低，使得表面活性劑膠束的直徑有所增加，從而增大介孔分子篩的孔徑。將制備的分子篩(煅燒或未煅燒)在一定溫度下置于其母液或其它溶液中，再次晶化一定時間，介孔結(jié)構(gòu)發(fā)生重排，孔徑增大。

Choi等[21]研究發(fā)現(xiàn)，MSNs在生理條件下[37 ℃，磷酸鹽緩沖溶液(PBS)]會迅速降解，是由于-O-Si-O-鍵可以在水介質(zhì)中被OH-破壞，導致孔徑增大[22]。將未擴孔的MSNs在37 ℃、濃度為1 mg·mL-1的中性PBS中懸浮24 h，離心，最終得到孔徑約為10 nm的擴孔MSNs(圖1)。

圖1 生理條件下MSNs的擴孔原理[21]

張光旭等[23]考察了晶化溫度對MCM-41介孔分子篩孔徑的影響，發(fā)現(xiàn)晶化溫度對孔徑影響很大，最佳晶化溫度為120 ℃，孔徑可達4.5 nm。張強等[24]通過改變晶化溫度來調(diào)整V-MCM-14分子篩的介孔結(jié)構(gòu)、形貌，在110 ℃晶化溫度下形成了高度有序的六方相介孔結(jié)構(gòu)的V-MCM-14分子篩。鄭修成等[25]以P123為表面活性劑、TEOS為硅源，在不同晶化溫度下制備了硅基介孔分子篩。發(fā)現(xiàn)在同一晶化溫度下，隨著晶化時間的延長，分子篩的平均孔徑先增大后減小，晶化時間為72 h時孔徑最大為4.54 nm。王中平等[26]以陽離子表面活性劑CTAB為模板、TEOS為硅源，制備了介孔二氧化硅，發(fā)現(xiàn)升高pH值可使產(chǎn)物孔徑分布更好，pH值為13時孔徑最大。

3 LPMSNs在藥物傳遞系統(tǒng)中的應用

常見的MSNs材料由于其孔徑過小，孔道無法容納過大的分子，對大分子藥物、蛋白質(zhì)、基因遞送等存在一些限制，因此對MSNs的孔徑進行調(diào)控十分重要[27]?？讖浇?jīng)過調(diào)控的MSNs在藥物傳遞系統(tǒng)中的應用十分廣泛，如提高難溶性藥物的溶解度和溶出速率、控釋藥物、基因治療等。

3.1 提高難溶性藥物的溶解度和溶出速率

藥物自身難以形成多孔結(jié)構(gòu)，但與多孔材料結(jié)合則可以擁有納米級的粒徑和巨大的比表面積，從而改善藥物的溶解度，加快藥物的溶出速率?？讖绞怯绊慚SNs載藥釋藥性能的重要因素，可決定載藥量[28]。相對于普通MSNs，LPMSNs更有利于藥物的負載與釋放。

Heikkil?等[29]在不同MSNs(TUD-1、SBA-15和MCM-41)上負載布洛芬，發(fā)現(xiàn)孔徑和孔體積是影響載藥量的2個限制因素，當負載超過孔的總體積時，會在MSNs表面形成結(jié)晶藥物，從而減緩藥物從孔中釋放的速率；如果孔徑小于或等于藥物分子直徑的15倍，MSNs表面不會形成結(jié)晶藥物。隨著孔徑的減小，載藥量也隨之減少。由于孔中藥物分子相互作用越來越緊密，釋放速率也會減緩。Izquierdo-Barba等[30]比較了布洛芬與紅霉素從相同孔徑MSNs的釋放速率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，紅霉素的釋放速率比布洛芬的慢，隨著孔徑的減小，這種現(xiàn)象更加明顯，因為紅霉素的體積比布洛芬的要大。因此，為了便于藥物的負載和釋放，孔徑至少是藥物分子直徑的3倍。Jia等[31]使用NaBH4溶液蝕刻法調(diào)節(jié)MSNs的孔徑，可以提高紫杉醇的藥物溶解度。Zhang等[32]采用有機模板法在油/水相中制備球形MSNs，通過增大孔徑，提高了難溶性藥物替米沙坦的溶解度，達到緩釋效果。

3.2 控釋藥物

MSNs表面存在大量可修飾或改性的硅烷醇基團，如果在擴大自身孔徑的基礎(chǔ)上，通過修飾改性使其具備控釋藥物功能的同時也能增加載藥量，藥物控釋常用的方法分為刺激響應型和靶向型。

3.2.1 刺激響應型

通過使用“門控開關(guān)”來控制MSNs的孔道開口。刺激響應是通過給予MSNs表面的控制器特定刺激時做出反應。這些刺激分為內(nèi)部刺激(如pH值、氧化還原電位、酶等)及外部刺激(如磁場、超聲波、光等)，如圖2所示。

圖2 MSNs刺激響應藥物傳遞的示意圖[33]

Banche-Niclot等[34]以TMB為擴孔劑制備了LPMSNs，并在其外表面涂覆pH響應聚合物聚乙二醇(PEG)，以過氧化物酶(HRP)為負載模型蛋白，發(fā)現(xiàn)HRP在酸性環(huán)境下釋放更快，這是由于，PEG在低pH值下質(zhì)子化催化聚合物發(fā)生水解反應。

Guo等[35]以乙酸乙酯為擴孔劑制備了LPMSNs，將pH敏感的硅烷偶聯(lián)劑(DMMA-APTES)接枝到LPMSNs表面，以細胞色素C為模型蛋白，并且將氨基端PEG修飾的AuNPs(AuNP-PEG5k-NH2)通過靜電吸引吸附在LPMSNs表面作為門控開關(guān)，以避免細胞色素C泄漏，從而觸發(fā)癌細胞凋亡[36]。

3.2.2 靶向型

靶向MSNs是通過使用葉酸(FA)、多肽、蛋白/抗體、透明質(zhì)酸等不同配體對MSNs載體表面進行修飾，使修飾后的載體與腫瘤細胞上的特異性受體結(jié)合，達到靶向治療的目的[37]。

一般來說，由于病變組織特有的血管結(jié)構(gòu)，載藥MSNs會通過高滲透長滯留效應(EPR)在腫瘤區(qū)迅速積聚。但腫瘤團塊復雜、異質(zhì)性強，由眾多細胞(癌細胞、支持細胞、免疫細胞等)組成[38]。具有區(qū)分癌細胞和健康細胞能力的給藥系統(tǒng)是有效根除惡性細胞的必要條件，經(jīng)過表面修飾的MSNs能夠選擇性地與癌細胞中過表達的特定膜受體相互作用。

Chi等[39]制備了一種具有核殼結(jié)構(gòu)的新型磁性LPMSNs(M-LPMSNs)，并將三氧化二砷前藥物(NiAsOx)負載到具有pH和磁性刺激響應的M-LPMSNs的孔隙中(圖3a)，用甲氧基聚乙二醇(mPEG)或細胞靶向配體FA進一步進行表面修飾，得到了靶向藥物載體M-LPMSNs-NiAsOx-mPEG(FA)(圖3b)。發(fā)現(xiàn)其在酸性環(huán)境中可以實現(xiàn)三氧化二砷的可控釋放，有效誘導SMMC-7721肝癌細胞凋亡。

圖3 M-LPMSNs-NiAsOx納米顆粒的結(jié)構(gòu)(a)及被mPEG或FA包覆的M-LPMSNs-NiAsOx(b)[39]

Rahmani等[40]用溶膠-凝膠法制備了粒徑100 nm的LPMSNs，對pepstatin A(組織蛋白酶D的有效抑制劑)進行負載，結(jié)果表明，由于MSNs孔徑的增大，對pepstatin A的負載量明顯增加，對乳腺癌細胞的殺傷力也有很大提升。

3.3 基因治療

基因轉(zhuǎn)染是將具有生物功能的核酸(DNA、反義寡核苷酸及RNAi)轉(zhuǎn)移到細胞內(nèi)并使核酸在細胞內(nèi)維持其生物功能的過程?；蜣D(zhuǎn)染技術(shù)在基因組功能研究和基因治療方面已廣泛應用[41]。鑒于用于基因治療的物質(zhì)在生理環(huán)境中存在穩(wěn)定性差和生物利用度低等問題，開發(fā)能夠保護和釋放這些寡核苷酸的藥物載體尤為重要。而LPMSNs材料因其優(yōu)異的性能可作為藥物載體的良好選擇。

表1列出了不同類型的MSNs材料的制備方法、擴孔效果及在藥物傳遞系統(tǒng)中的應用。

表1 不同類型的MSNs材料的制備方法、擴孔效果及在藥物傳遞系統(tǒng)中的應用

4 結(jié)語

由于常見的MSNs材料孔徑過小，孔道無法容納過大的分子，對大分子藥物、蛋白質(zhì)、基因遞送等存在一些限制，可通過改變表面活性劑種類、添加輔助劑和改變反應條件等方法對其進行調(diào)孔，LPMSNs更有利于藥物的負載與釋放。MSNs表面存在大量可修飾或改性的硅烷醇基團，可以連接對溫度、磁場、電場、光、pH值、氧化還原劑、酶和分子靶向受體等敏感的功能化配體，如果在擴大孔徑的基礎(chǔ)上，對其表面進行修飾，可在提高載藥量的同時達到刺激響應型、靶向型釋放以及基因治療等效果。此外，LPMSNs的制備需要復雜的化學反應，限制了工業(yè)化生產(chǎn)的規(guī)模，需要進一步進行探索，包括結(jié)構(gòu)優(yōu)化、評估給藥系統(tǒng)的生物安全性等。隨著研究的不斷深入和細化，MSNs材料真正用于藥物傳遞系統(tǒng)和臨床指日可待。