智能中空藥物載體的門控設(shè)計(jì)

王 慧，趙德偲，楊乃亮，3，王 丹，3

（1.青島科技大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院,青島 266001；2.中國(guó)科學(xué)院過程工程研究所生化工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,北京 100049）

伴隨著納米材料的發(fā)展與精準(zhǔn)合成的進(jìn)步，開發(fā)具有特定結(jié)構(gòu)、特定功能的中空材料引起了科學(xué)家的普遍關(guān)注，并迅速發(fā)展成為化學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)［1］.進(jìn)入21世紀(jì)，伴隨著人們對(duì)生活品質(zhì)要求的提高，藥物載體，尤其是智能藥物載體的研究迅速增長(zhǎng).由于中空結(jié)構(gòu)具有表面積大、密度低及形貌可調(diào)控等優(yōu)勢(shì)，從上世紀(jì)80年代已開始研究，并在本世紀(jì)迅猛發(fā)展［圖1（A）］.對(duì)中空材料從合成到修飾的精準(zhǔn)控制，將賦予其新的智能屬性.從Web of Science的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，智能中空載體的研究在最近十幾年才開始起步，但發(fā)展極為迅速［圖1（B）］.智能載體的功能包括識(shí)別、響應(yīng)和控釋，其中，分子組成和結(jié)構(gòu)的精確選擇與控制對(duì)藥物療效的實(shí)現(xiàn)和副作用的降低極為重要.

Fig.1 Statistics of published papers and cited numbers with the keywords of“hollow drug carrier”(A)and“hollow smart drug delivery”(B)

藥物遞送的常規(guī)載體為實(shí)心顆粒、核殼顆粒和介孔納微顆粒［2～5］.載體結(jié)構(gòu)不同，藥物的釋放行為也有明顯區(qū)別.以實(shí)心結(jié)構(gòu)作為載體，藥物負(fù)載量較低，表面吸附的大量藥物會(huì)在釋放初期出現(xiàn)突釋，藥物釋放過程相對(duì)難以控制.中空結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)和發(fā)展使得藥物遞送載體的選擇更具多樣性，也使上述問題得到改善.中空材料是一類具有明確邊界和內(nèi)部空腔的納微材料［6］.與傳統(tǒng)的固體顆粒和核殼緊密相連的結(jié)構(gòu)相比，中空材料的大空腔為藥物的擔(dān)載提供了空間，可調(diào)變的孔道結(jié)構(gòu)有利于控制藥物釋放速率，豐富的組分能夠適用于不同應(yīng)用需要；此外，易于修飾的表面修飾能賦予其智能響應(yīng)的潛能［7，8］.

目前，已經(jīng)合成了具有各種組成、結(jié)構(gòu)和形貌的中空材料，包括中空脂質(zhì)體、中空聚合物膠囊、中空介孔材料以及中空多殼層結(jié)構(gòu)等.脂質(zhì)體是一類最具安全性和有效性的載體材料，因磷脂分子層在水中自發(fā)形成封閉囊泡而天然地具有中空結(jié)構(gòu).脂質(zhì)體作為藥物載體，具有低毒性、良好的生物相容性和生物降解性，已廣泛用于臨床藥物遞送.中空聚合物膠囊是常見的有機(jī)中空藥物載體，其內(nèi)部的空腔結(jié)構(gòu)可以為藥物負(fù)載提供足夠的空間，提高藥物的包封率；組分可調(diào)節(jié)的囊壁能夠保護(hù)藥物，并對(duì)外界環(huán)境做出響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)藥物的控釋.此外，中空介孔材料，尤其是介孔硅結(jié)構(gòu)，由于具有優(yōu)異的生物相容性、易于調(diào)控的孔道結(jié)構(gòu)及便于修飾的表面，成為研究最為廣泛的一類無機(jī)藥物載體.

在眾多中空材料中，核殼顆粒是一種內(nèi)外有明顯差異的納米材料，其組分的多樣性使其表面易于修飾改性，從而有利于實(shí)現(xiàn)藥物可控釋放.具有空腔的核殼結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)藥物分子的高負(fù)載及蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子的有效封裝，并通過修飾實(shí)現(xiàn)可控釋放［9，10］.

值得一提的是，近年來，中空多殼層結(jié)構(gòu)（Hollow multishelled structure，HoMS）由于自身特有的時(shí)空順序性和類細(xì)胞行為［11～14］，在藥物遞送領(lǐng)域取得了極大的進(jìn)步.多級(jí)殼層表面的孔道可以作為門控開關(guān)，有利于實(shí)現(xiàn)藥物分子的緩控釋；同時(shí)納米孔道的限域效應(yīng)能夠加快分子的傳輸，利于對(duì)外界刺激做出響應(yīng).

構(gòu)建響應(yīng)型智能藥物載體在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域極為重要.智能載體可以特異性地響應(yīng)環(huán)境中的物理和化學(xué)變化，如溫度、光照、超聲波、磁場(chǎng)、pH及氧化還原物質(zhì)等［15，16］.通常，可以利用材料自身的屬性（如對(duì)病理組織處低pH、高還原電勢(shì)及酶濃度）不同等差異產(chǎn)生刺激響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)藥物可控釋放.另一方面，通過構(gòu)建主體和客體之間的相互作用，對(duì)材料表面功能化處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)單一或者多重刺激做出特異響應(yīng).中空載體表面可以通過氫鍵或靜電作用等范德華力與特定的功能材料結(jié)合，從而在其孔道修飾門控開關(guān).在特定條件下，表面修飾的門控開關(guān)可防止藥物在到達(dá)病灶位置前提前泄露.隨后，在內(nèi)源性或外源性刺激下，分子結(jié)構(gòu)和構(gòu)象發(fā)生轉(zhuǎn)變，開啟門控并釋放藥物（Scheme 1）.

Scheme 1 Smart drug release with different gate control

本文主要總結(jié)了以中空結(jié)構(gòu)為載體的智能響應(yīng)型藥物遞送系統(tǒng)的研究進(jìn)展，并從化學(xué)和分子角度對(duì)其響應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了總結(jié).從刺激響應(yīng)的分子行為出發(fā)，智能載體中藥物釋放類型可分為無機(jī)材料降解型釋放、分子作用與構(gòu)型轉(zhuǎn)變控制的釋放以及有機(jī)分子的化學(xué)裂解型釋放.同時(shí)，根據(jù)刺激的類型，每種刺激又可劃分為內(nèi)源型和外源型刺激.最后，對(duì)刺激響應(yīng)型智能HoMS 在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了展望.

1 中空藥物載體的種類

1.1 中空脂質(zhì)體

從結(jié)構(gòu)上看，脂質(zhì)體由磷脂雙分子層構(gòu)成，直徑通常介于0.4～2.5 μm之間.脂質(zhì)分子尾部因具有疏水性而聚在一起，親水的頭部則暴露在水相中，從而形成雙層結(jié)構(gòu)的膠束.由于其具有類似生物膜結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的生物相容性等特點(diǎn)，已被廣泛用于藥物遞送系統(tǒng)［17］.同時(shí)，脂質(zhì)體相對(duì)穩(wěn)定，兩親特性使其成為不同極性分子的理想藥物載體.通過對(duì)脂質(zhì)體表面進(jìn)行功能化修飾，如聚乙二醇、殼聚糖衍生物等，可以使其具有更強(qiáng)的靶向性和穩(wěn)定性，從而提高疾病的治療效率.

此外，通過構(gòu)建刺激響應(yīng)型脂質(zhì)體可以實(shí)現(xiàn)藥物的可控釋放.如將pH敏感的聚合物修飾在脂質(zhì)體的表面，在中性環(huán)境中載體保持穩(wěn)定，可以防止藥物提前泄露.但在酸性環(huán)境中，由于其構(gòu)象改變而發(fā)生裂解，導(dǎo)致藥物釋放.Yoshizaki 等［18］設(shè)計(jì)出一種新型的pH 響應(yīng)脂質(zhì)體藥物遞送載體［圖2（A）］，將陽(yáng)離子脂質(zhì)引入3-甲基戊二?；Щ劭s水甘油修飾的蛋黃磷脂酰膽堿脂質(zhì)體中，隨著pH值的降低，脂質(zhì)體由親水狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷疇顟B(tài)，從而導(dǎo)致卵清白蛋白被釋放.

Fig.2 Design of cationic lipid-incorporated liposomes modified with pH-sensitive polymer as efficient antigen carriers for induction of antigen-specific immune responses(A)[18]and degradable nanocapsules(B)[23]

1.2 中空聚合物膠囊

聚合物膠囊是一類具有核-殼結(jié)構(gòu)的有機(jī)中空載體，其組成通常包括聚酯類物質(zhì)，如聚乳酸（PLA）、聚乳酸-羥基乙酸共聚物（PLGA）和聚己內(nèi)酯（PCL）［19～21］等.這些聚合物廣泛應(yīng)用于藥物遞送系統(tǒng)，并具有良好的生物相容性和穩(wěn)定性［22］.它們的聚合物外殼可以提高負(fù)載的蛋白質(zhì)和核酸的穩(wěn)定性，并保護(hù)其免受蛋白酶和核酸酶的降解，因此受到廣泛關(guān)注.

此外，可以通過篩選不同的功能單體或交聯(lián)劑來調(diào)控納米膠囊的表面電荷、可降解性和長(zhǎng)循環(huán)性等性質(zhì).Zhao等［23］采用正電性單體和谷胱甘肽響應(yīng)的可降解交聯(lián)劑制備出用于遞送腫瘤選擇性蛋白的可降解聚合物納米膠囊，其中凋亡素復(fù)合物包裹在帶正電荷的水溶性聚合物外殼中，并能夠?qū)SH（谷胱甘肽）做出響應(yīng)［圖2（B）］.當(dāng)納米膠囊處于腫瘤細(xì)胞的還原性環(huán)境中時(shí)，聚合物外殼發(fā)生降解，導(dǎo)致蛋白釋放從而選擇性地誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡.Liang等［24］設(shè)計(jì)了一種膽堿聚合物包載的蛋白納米膠囊，用于提高包載蛋白在血液中的長(zhǎng)循環(huán)能力.聚合物外殼可防止負(fù)載的蛋白質(zhì)被免疫細(xì)胞識(shí)別，有效抑制了針對(duì)治療性蛋白質(zhì)的免疫反應(yīng)，并顯著延長(zhǎng)被包載蛋白的血液循環(huán)時(shí)間，為有效治療代謝類疾病提供了可行途徑.

1.3 中空介孔材料

介孔材料是指孔徑介于2～50 nm 之間的一類多孔材料，因具有較大的比表面積、較窄的孔道、可調(diào)的孔徑和形貌等特點(diǎn)而備受關(guān)注［25］.典型的硅基介孔材料的孔道規(guī)則、骨架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、孔徑可調(diào)控且表面易修飾，在催化、藥物緩釋、生物傳感等領(lǐng)域有極好的應(yīng)用前景.Zhu等［26］研究發(fā)現(xiàn)，中空介孔二氧化硅納米粒子（HMSN）對(duì)布洛芬的負(fù)載率是傳統(tǒng)介孔二氧化硅（MSN）的3倍，超過一半的藥物負(fù)載于空腔內(nèi)部，并表現(xiàn)出良好的緩釋性能.

此外，可通過調(diào)控中空介孔二氧化硅的孔徑、殼層厚度和表面性質(zhì)，對(duì)載藥能力和藥物的釋放行為進(jìn)行優(yōu)化.載體的孔徑?jīng)Q定了進(jìn)入孔道內(nèi)的藥物分子大小.Li等［27］研究了孔徑對(duì)介孔二氧化硅負(fù)載鹽酸阿霉素（DOX）的影響.當(dāng)孔徑從2.3 nm增加到8.2 nm時(shí)，DOX的負(fù)載量也從8%增加到21%，而且DOX的釋放速率也加快.然而，當(dāng)孔徑小于藥物分子時(shí)，藥物分子無法進(jìn)入載體的空腔內(nèi).

為了控制載體與藥物分子之間的相互作用，可以采用具有不同的官能團(tuán)分子對(duì)載體的表面進(jìn)行修飾，使其具有不同的表面電位和親疏水性.Balas等［28］用不同烷基長(zhǎng)度的季胺鹽硅烷偶聯(lián)劑對(duì)介孔二氧化硅修飾改性，增加了其表面疏水性，將L-色氨酸的負(fù)載能力提高了10倍以上，并表現(xiàn)出不同的釋放動(dòng)力學(xué).Gu等［29］將高密度的羧基接枝到MSN的孔表面，與鉑原子絡(luò)合，顯著提高了順鉑的負(fù)載效率.

載體的殼層厚度也會(huì)影響藥物分子釋放性能.Li 等［30］制備出尺寸分別為3.2，6.4 和12.6 nm 的HMSN.研究結(jié)果表明，HMSN對(duì)DOX的負(fù)載能力隨著殼層厚度的減小而增加，而且釋放速率隨殼層厚度的減小而加快.Jiao等［31］制備出殼層厚度可變的中空介孔二氧化硅納米粒子.在體外藥物釋放實(shí)驗(yàn)中，藥物分子的釋放速率表現(xiàn)出殼層厚度依賴的特性.當(dāng)厚度從95 nm減小到20 nm時(shí)，DOX更容易從殼層中擴(kuò)散出去；在24 h內(nèi)，其釋放率由50.8%增長(zhǎng)到78.4%.

1.4 中空多殼層結(jié)構(gòu)

與前述的單一殼層構(gòu)成的中空結(jié)構(gòu)相比，中空多殼層結(jié)構(gòu)（HoMS）是一類具有多個(gè)殼層和空腔定向組裝的多級(jí)結(jié)構(gòu)，不同的空腔被殼層分隔開來，既相對(duì)獨(dú)立又保持聯(lián)通.HoMS具有大的有效比表面體積和優(yōu)異的傳質(zhì)行為.獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和組成的多樣性使得HoMS 成為最具有前途的多功能結(jié)構(gòu)之一，被廣泛應(yīng)用于藥物緩釋、光熱蒸水、電磁波吸收、能量存儲(chǔ)和光催化等領(lǐng)域.

利用多殼層結(jié)構(gòu)的物理阻隔作用可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)的長(zhǎng)期緩釋.Ma 等［32］制備出殼層數(shù)目可控的CaCO3中空多殼層納米球（HMCN）作為載體，并對(duì)藥物釋放行為進(jìn)行了研究［圖3（A）］.結(jié)果顯示，隨著殼層數(shù)目增多，載藥量可高達(dá)245.33 μg/mL，三殼層CaCO3HMCN可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)115 h的藥物緩釋.

Fig.3 Schematic diagrams of loading and release of 3s-CaCO3 HMCN(A)[32]and multi-stage drug release of HoMS(B)[33]

值得一提的是，中空多殼層結(jié)構(gòu)具有時(shí)空順序性，即物質(zhì)在穿過中空多殼層結(jié)構(gòu)時(shí)，嚴(yán)格遵守時(shí)間和空間的次序，因而在藥物次序釋放領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力.Zhao等［33］利用具有中空多殼層結(jié)構(gòu)的TiO2作為抗菌劑載體［圖3（B）］，發(fā)現(xiàn)三殼層TiO2HoMS具有最高的抗菌劑負(fù)載量.由于不同空間的不同化學(xué)作用和物理阻隔，該載體實(shí)現(xiàn)了對(duì)抗菌劑時(shí)空有序的多級(jí)釋放，即突釋、緩釋和刺激釋放.此外，負(fù)載了抗菌劑的三殼層TiO2HoMS能夠維持體系長(zhǎng)達(dá)432 h的無菌狀態(tài)，其長(zhǎng)效抑菌時(shí)間是單獨(dú)使用抗菌劑的近8倍.

2 中空藥物載體的釋放機(jī)制

根據(jù)藥物從劑型中的釋放模式，通?？梢詫⑺幬飫┬头譃樗籴屩苿⒕忈屩苿┖涂蒯屩苿?相比之下，緩釋和控釋制劑能夠?yàn)闄C(jī)體提供相對(duì)穩(wěn)定的血藥濃度，避免發(fā)生“峰谷”現(xiàn)象，減少給藥次數(shù)且提高藥物安全性.值得注意的是，實(shí)現(xiàn)藥物緩控釋的關(guān)鍵是載體材料的選擇.中空結(jié)構(gòu)由于自身獨(dú)特的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，可作為一種優(yōu)秀的藥物遞送載體材料實(shí)現(xiàn)藥物的緩釋和控釋.

通過對(duì)藥物載體結(jié)構(gòu)的精確控制可以調(diào)整藥物的釋放行為以達(dá)到所需的動(dòng)力學(xué)曲線.零級(jí)釋放、一級(jí)釋放和Higuchi釋放模型是3種常見的動(dòng)力學(xué)曲線，其公式如下：

式中：Dt是時(shí)間為t時(shí)釋放的藥物量；D0是初始釋放的藥物量；K0是零級(jí)釋放常數(shù)；K1是一級(jí)釋放常數(shù)；KH是Higuchi釋放常數(shù).

從藥物釋放動(dòng)力學(xué)劃分，零級(jí)釋放和一級(jí)釋放是兩種基本的釋放模式，并且是建立緩釋、控釋制劑藥物動(dòng)力學(xué)理論的基礎(chǔ).Li等［34］研究了不同苯乙烯（DVB）含量的中空微孔有機(jī)膠囊（HMOCs）中布洛芬的釋放行為［圖4（A）］.當(dāng)DVB 含量為10%時(shí)，HMOCs 的殼層接近于純微孔，藥物釋放動(dòng)力學(xué)符合零級(jí)釋放模型；當(dāng)DVB 含量為0.5%時(shí)，外殼層具有介孔和微孔結(jié)構(gòu)，其藥物釋放動(dòng)力學(xué)符合一級(jí)釋放模型，即布洛芬的釋放機(jī)制主要受簡(jiǎn)單擴(kuò)散控制.

Fig.4 Schematic diagrams of preparation and release of HMOCs(A)[34] and release of ibuprofen in carrier with yolk shell structure(B)[35]

此外，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的中空載體表現(xiàn)出多級(jí)釋放的行為特征，即藥物的釋放具有階段性且釋放速率有一定的差異；同時(shí)可以根據(jù)實(shí)際需求可控地調(diào)節(jié)藥物濃度.Liu等［35］以布洛芬（IBU）為模型分子研究了蛋黃殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的藥物釋放行為［圖4（B）］.前1 h，吸附在表面的IBU迅速釋放，在6 h時(shí)到達(dá)平臺(tái)，其釋放量為54%；在第二階段，吸附在殼層和空腔內(nèi)的藥物分子繼續(xù)釋放，到達(dá)另一個(gè)平臺(tái)，布洛芬釋放了63%；最后進(jìn)入更為緩慢的釋放過程，至此釋放了載藥量的75%.

3 中空藥物載體的智能控釋

中空藥物載體的門控設(shè)計(jì)是指利用各種有機(jī)聚合物、小分子及無機(jī)顆粒作為“門”；通過對(duì)中空結(jié)構(gòu)的表面進(jìn)行修飾，從而在特定環(huán)境下精確可控地控制“門”的“開-關(guān)”，實(shí)現(xiàn)藥物分子的環(huán)境響應(yīng)性釋放.根據(jù)設(shè)計(jì)原則，中空藥物載體的智能控釋宏觀上可分為不可逆及可逆型.從分子角度分析，可以清楚地了解其門控的本質(zhì).下文將從無機(jī)物降解、有機(jī)分子斷鍵、分子間作用和分子異構(gòu)等策略分別進(jìn)行介紹.

3.1 無機(jī)物降解

由于人體正常組織與病變部位的pH值存在差異，故可利用pH作為刺激響應(yīng)信號(hào)來實(shí)現(xiàn)藥物觸發(fā)式釋放.其中，酸不穩(wěn)定的無機(jī)材料［如MnO2［36］，CaCO3［37］和金屬有機(jī)框架材料（MOFs）［38］等］可以作為控制藥物釋放的“門衛(wèi)”.這些化合物在生理環(huán)境下穩(wěn)定，但能夠在腫瘤、炎癥等病理組織的酸性微環(huán)境中溶解，從而釋放藥物，并將溶解產(chǎn)生的離子排到體外.這種獨(dú)特的性質(zhì)為將藥物、熒光染料或其它有機(jī)物質(zhì)運(yùn)送到特定位置提供了一個(gè)多功能平臺(tái).Dong 等［37］設(shè)計(jì)合成了pH 響應(yīng)的多功能Ce6@CaCO3-PDA-PEG 空心納米載體.在微酸性環(huán)境下，CaCO3快速地發(fā)生降解，光敏劑（Ce6）恢復(fù)熒光.此外，利用金屬離子與聚多巴胺（PDA）之間的強(qiáng)親和力，形成具有多模態(tài)成像功能的納米復(fù)合材料，能夠有效地實(shí)現(xiàn)體內(nèi)抗腫瘤光動(dòng)力治療.Yang 等［36］設(shè)計(jì)了一種智能可生物降解的中空二氧化錳（H-MnO2）納米載體［圖5（A）］.在腫瘤微環(huán)境中，中空二氧化錳的殼層迅速被降解，導(dǎo)致負(fù)載的DOX得以釋放.

Fig.5 H-MnO2-PEG synthesis and pH-responsive drug delivery diagram(A)[36] and MCONP synthesis and drug release intention in response to GSH(B)[39]

此外，設(shè)計(jì)用于細(xì)胞內(nèi)靶向藥物遞送的氧化還原響應(yīng)型載體是一種非常有效的癌癥治療策略.氧化還原響應(yīng)型藥物遞送系統(tǒng)的基本原理是基于腫瘤和正常組織之間還原性谷胱甘肽（GSH）濃度的顯著差異.細(xì)胞內(nèi)GSH的濃度是細(xì)胞外的100～1000倍.由于細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境之間存在電位差，可以利用載體材料在還原條件下的不穩(wěn)定性來實(shí)現(xiàn)特定位點(diǎn)觸發(fā)藥物釋放.Ren 等［39］用中空錳鈷氧化物納米顆粒（MCONPs）負(fù)載DOX［圖5（B）］.在GSH 存在下，MCONPs 降解為Mn2+和Co2+，同時(shí)釋放抗癌藥物.Zhuang等［40］設(shè)計(jì)制備了具有介孔MnO2殼層的多功能核殼納米結(jié)構(gòu)用于增強(qiáng)癌癥治療效果.在腫瘤微環(huán)境中，MnO2殼層在弱酸性條件下與H2O2和GSH 反應(yīng)，MnO2殼層的快速降解引發(fā)藥物的釋放，并且生成O2減少了GSH對(duì)ROS的消耗，提高了光動(dòng)力治療的有效性.

3.2 有機(jī)分子斷鍵

與無機(jī)物降解類似，在特定的微環(huán)境中，有機(jī)物分子的化學(xué)鍵也會(huì)發(fā)生斷裂.根據(jù)化學(xué)鍵斷裂的原因，可分為pH誘導(dǎo)的化學(xué)鍵斷裂、氧化還原誘導(dǎo)的化學(xué)鍵斷裂、光誘導(dǎo)化學(xué)鍵斷裂和酶誘導(dǎo)化學(xué)鍵斷裂.

3.2.1 pH誘導(dǎo)化學(xué)鍵斷裂 某些特定的化學(xué)鍵在正常生理?xiàng)l件下可保持穩(wěn)定，但在溶酶體或腫瘤組織的微酸環(huán)境中則迅速被破壞.這種特性使含該類化學(xué)鍵的分子成為制備pH敏感型藥物遞送系統(tǒng)的理想選擇.常用的酸不穩(wěn)定化學(xué)鍵有酯鍵［41］、腙鍵［42］及縮醛鍵［43］等.Dai 等［44］通過腙鍵將透明質(zhì)酸（HA）連接在HMSNs 表面，從而構(gòu)建出一種pH 響應(yīng)的靶向藥物遞送系統(tǒng)［圖6（A）］.在生理?xiàng)l件下，HA能夠很好地封堵孔道，防止藥物提前釋放，極大地降低了DOX產(chǎn)生的毒副作用.然而，在腫瘤微環(huán)境中腙鍵斷裂，抗腫瘤藥物持續(xù)釋放，進(jìn)而誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡.

酯鍵也是常用的pH依賴性的化學(xué)鍵.在酸性條件下，由于質(zhì)子的進(jìn)攻使雙鍵容易發(fā)生斷裂，其水解產(chǎn)物為穩(wěn)定的羧酸和醇類化合物.酯鍵的酸敏感性和水解產(chǎn)物的穩(wěn)定性使其成為構(gòu)建pH響應(yīng)型藥物載體的優(yōu)異連接單元［45］.如，Liu等［46］以HMSN為載體，設(shè)計(jì)出一種pH刺激響應(yīng)的智能藥物遞送系統(tǒng)［圖6（B）］.在該工作中，3-（3，4-二羥基苯基）丙酸（DHPA）功能化的β-環(huán)糊精通過硼酸-鄰苯二酚酯鍵接枝到HMSN的表面.在正常生理情況下，β-環(huán)糊精充當(dāng)門控開關(guān)阻止DOX釋放.然而，在腫瘤微環(huán)境的弱酸條件下酯鍵斷裂，藥物被釋放出來，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡.

Fig.6 Schematic diagrams of the construction of targeted tumor therapy drug delivery system based on HMSNs(A)[44] and preparation drug release of pH responsive HMSNs-based drug delivery system(B)[46]

3.2.2 氧化還原誘導(dǎo)化學(xué)鍵斷裂 腫瘤細(xì)胞內(nèi)含有高濃度的還原性谷胱甘肽（GSH），能夠?qū)⒍蜴I（S—S）和二硒鍵（Se—Se）等化學(xué)鍵還原，且自身被氧化為氧化型谷胱甘肽.二硫鍵作為氧化還原敏感基團(tuán)，在GSH存在時(shí)被還原為巰基（—SH），使其廣泛應(yīng)用于氧化還原響應(yīng)型智能載體的構(gòu)建［47］.腫瘤細(xì)胞內(nèi)高濃度的GSH 會(huì)將載體孔道處的二硫鍵完全裂解，因此對(duì)藥物分子的釋放速率會(huì)有一定的影響.常用的形成二硫鍵的共軛物包括環(huán)糊精（CD）［48～50］、聚（b-氨基酯）（PAE）［51］、殼聚糖（CS）［52］和轉(zhuǎn)鐵蛋白［53］.Jiao 等［52］開發(fā)了一種中空介孔二氧化硅納米顆粒，并選擇殼聚糖（CS）對(duì)其表面進(jìn)行包覆［圖7（A）］.中空結(jié)構(gòu)使DOX 的負(fù)載量達(dá)到32.8%.在谷胱甘肽作用下，連接殼聚糖的二硫鍵發(fā)生斷裂，孔道打開，從而實(shí)現(xiàn)DOX的釋放.Li等［54］合成了多孔中空氧化鐵納米顆粒（PHNPs），并將其作為負(fù)載小分子抑制劑（3-MA）［圖7（B）］.載體表面修飾的二硫鍵使其具有氧化還原響應(yīng)的特性，因此藥物的釋放量與GSH的濃度呈正相關(guān).

Fig.7 Release of DOX/HMSN-SS-S-CS@PEG in response to GSH and pH(A)[52] and drug delivery system based on GSH response of PHNPs(B)[54]

3.2.3 光誘導(dǎo)化學(xué)鍵裂解 含有光響應(yīng)基團(tuán)的分子在特定波長(zhǎng)光的照射下可發(fā)生化學(xué)鍵斷裂，因此，可以通過表面修飾將光敏分子連接在中空材料的表面，從而構(gòu)建出以光響應(yīng)分子為門控的智能藥物載體.如螺環(huán)、香豆素和鄰硝基芐基酯等，在特定波長(zhǎng)的照射下會(huì)發(fā)生光裂解基團(tuán)的斷裂，從而導(dǎo)致從疏水異構(gòu)體轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水異構(gòu)體.Ji等［55］將含有香豆素的兩親性聚合物修飾在中空MSN顆粒的表面制備了一種新型的近紅外（NIR）光響應(yīng)型納米載體［圖8（A）］.在無NIR光照射的情況下，內(nèi)部負(fù)載的DOX的釋放量較少.在800 nm的NIR光照射下，酯鍵斷裂，香豆素基團(tuán)從嵌段共聚物中去除.此時(shí)，體系的親水-疏水平衡被打破，DOX的釋放量顯著增加.Park等［56］設(shè)計(jì)了一種以β-環(huán)糊精包覆的中空結(jié)構(gòu).該載體表面連接有光裂解連接劑鄰硝基芐基酯，可以表現(xiàn)出光響應(yīng)釋放的特性.在紫外光照射下，鄰硝基芐酯發(fā)生光裂解，藥物從孔道中釋放出來.Fan等［57］報(bào)道了一種可降解的光響應(yīng)中空介孔有機(jī)硅納米平臺(tái)（HMONs@GOQD）用于抗癌藥物遞送［圖8（B）］.在該工作將氧化石墨烯量子點(diǎn)包裹在中空有機(jī)硅納米顆粒中，并利用中空介孔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)抗癌藥物的高負(fù)載.在光照條件下，氧化石墨烯量子點(diǎn)產(chǎn)生的單線態(tài)氧導(dǎo)致有機(jī)硅納米顆粒降解，從而增強(qiáng)局部藥物釋放.

Fig.8 Irreversible degradation of coumarin-modified MSN under NIR light(A)[55] and schematic diagram of silicone nano-platform(HMONs@GOQDs)for combined cancer therapy(B)[57]

3.2.4 酶誘導(dǎo)化學(xué)鍵斷裂 酶在所有生物代謝過程中都起著重要的作用，而酶的異常表達(dá)和活性失調(diào)是包括癌癥在內(nèi)的許多疾病的病理學(xué)基礎(chǔ).與正常細(xì)胞相比，基質(zhì)金屬蛋白酶（MMPs）、透明質(zhì)酸酶（HAase）和組織蛋白酶B（CaB）等在腫瘤細(xì)胞中有過高的表達(dá)［58，59］，因此它們可作為癌癥治療的靶點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤的精準(zhǔn)治療.在酶響應(yīng)型藥物載體中，酶底物片段通過共價(jià)鍵、靜電作用或疏水作用與宿主材料偶聯(lián).通過酶與底物的特異性結(jié)合，實(shí)現(xiàn)酶敏感的藥物釋放.

Fig.9 Drug release intention of functional MSN to enzyme response(A)[60] and schematic diagram of drug release of GHCNS-HA nanoparticles triggered by enzyme response(B)[61]

酶是由特定微生物產(chǎn)生的生物催化劑，它們可以分解有機(jī)分子的化學(xué)鍵，導(dǎo)致納米載體的結(jié)構(gòu)破壞.Liu等［60］設(shè)計(jì)了一種基于介孔二氧化硅的酶響應(yīng)藥物遞送系統(tǒng)［圖9（A）］.將苯硼酸（PBA）與人血清白蛋白（HSA）偶聯(lián)，得到PBA-HSA.通過多肽中間體連接在載體表面，充當(dāng)孔道的封鎖劑.該多肽由多陽(yáng)離子細(xì)胞穿透肽（CPP）多精氨酸和基質(zhì)金屬蛋白酶2（MMP-2）底物肽兩種成分組成.經(jīng)MMP-2作用后，藥物被特異性地遞送到細(xì)胞，有效地抑制腫瘤生長(zhǎng)，降低了藥物的副作用.Liu等［61］構(gòu)建了一種多糖透明質(zhì)酸（HA）修飾的中空氮化碳納米球（GHCNS）作為藥物遞送載體［圖9（B）］.HA 可以被細(xì)胞內(nèi)溶酶體透明質(zhì)酸酶（Hyal）降解為片段，從而實(shí)現(xiàn)酶觸發(fā)的藥物釋放.Itoh等［62］以介孔二氧化硅為模板，通過殼聚糖和硫酸葡聚糖的層層自組裝制備了負(fù)載有蛋白質(zhì)的可降解中空膠囊.在殼聚糖酶存在下，殼聚糖發(fā)生降解，膠囊開始變形，從而蛋白實(shí)現(xiàn)持續(xù)釋放.

3.3 分子間作用

環(huán)境的改變能夠?qū)﹂T控分子間的作用力產(chǎn)生影響，進(jìn)而控制孔道的“開-關(guān)”轉(zhuǎn)換.下文將針對(duì)氫鍵作用和范德華力來介紹分子間作用力對(duì)中空載體的控制規(guī)律.

3.3.1 氫鍵作用 不同基團(tuán)間的距離和分子結(jié)構(gòu)會(huì)影響分子間作用力的強(qiáng)弱.兩種分子間作用力的強(qiáng)弱與分子極化程度緊密相關(guān)，通常，氫鍵要強(qiáng)于范德華力.從廣義上講，氫鍵屬于分子間作用力，它是由電負(fù)性大的原子以氫為媒介所形成的一種具有特定方向的分子間或分子內(nèi)相互作用力.對(duì)氫鍵的調(diào)控是實(shí)現(xiàn)可逆智能門控的有效手段.在一定條件下，這種弱相互作用力可以被破壞或重建，從而實(shí)現(xiàn)相互轉(zhuǎn)化.

體系pH值的改變會(huì)打破門控分子間的氫鍵作用，使其孔道實(shí)現(xiàn)“開-關(guān)”轉(zhuǎn)換，從而滿足可控釋藥的需求.具有堿性基團(tuán)的弱堿性分子（如氨基、吡啶和咪唑基）或具有羧酸基團(tuán)的弱酸性分子（如羧基等）能夠在不同的pH條件下接受或釋放質(zhì)子以響應(yīng)生理環(huán)境的變化［63］.因此，可以使用pH敏感的基團(tuán)對(duì)無機(jī)材料表面進(jìn)行功能性修飾，從而構(gòu)建出具有酸響應(yīng)性的藥物載體.在質(zhì)子化作用下，門控分子間的氫鍵作用被破壞，進(jìn)而導(dǎo)致分子的解離程度和凈電荷會(huì)發(fā)生改變，從而影響其體積和構(gòu)型.同時(shí)，增加的凈電荷會(huì)導(dǎo)致分子鏈的水溶性顯著提高，改變藥物的釋放行為.

殼聚糖（CS）及其衍生物是典型的酸敏感型生物大分子，其結(jié)構(gòu)中含有豐富的氨基，外界pH值的變化會(huì)導(dǎo)致分子內(nèi)的氫鍵被破壞，從而可以實(shí)現(xiàn)酸敏性的藥物釋放［64～66］.Yan等［67］開發(fā)了一種pH敏感的可降解中空介孔二氧化硅納米顆粒（HMSNs-GM-CS-FA），用于光敏劑和抗腫瘤藥物的共遞送，從而實(shí)現(xiàn)協(xié)同抗腫瘤治療［圖10（A）］.該給藥系統(tǒng)具有可控的粒徑和較大的空腔利用率，使納米顆粒具有良好的藥物負(fù)載能力.載體表面修飾的CS/GPTMS（γ-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷）高分子具有pH依賴溶脹效應(yīng)，在腫瘤組織和細(xì)胞中表現(xiàn)出良好的藥物控釋性能.Feng等［68］通過層層自組裝法制備出具有pH響應(yīng)藥物遞送特性的智能載體［圖10（B）］.基于羥基磷灰石（HAP）表面包覆的殼聚糖/海藻酸鈉（CHI/SA）在不同pH值下的靜電作用不同，該載體對(duì)藥物的釋放表現(xiàn)出pH依賴性.同時(shí)，中空微粒的載藥率為90%，遠(yuǎn)高于實(shí)心羥基磷灰石.

丙烯酸類物質(zhì)在pH值變化時(shí)會(huì)因自身分子間作用力的改變而發(fā)生物理結(jié)構(gòu)的變化，進(jìn)而對(duì)藥物分子起到間接的物理包封和開關(guān)作用.因此，使用聚丙烯酸對(duì)中空載體進(jìn)行功能性修飾后，在低pH值時(shí)，羧基間的氫鍵減弱、親水性增大，呈溶脹狀態(tài)，能夠?qū)⒉牧媳砻娴目椎婪怄i，防止負(fù)載的藥物提前泄露.當(dāng)溶液pH值高于丙烯酸的pKa（4.28）時(shí)，羧基之間因氫鍵作用而使高分子鏈之間的疏水作用增強(qiáng)，溶解度降低，孔道開啟將藥物釋放出來［69，70］.Yuan等［71］利用氨基功能化MSN與丙烯酸（AA）之間的酰胺化反應(yīng)制備出PAA-MSN，DOX@PAA-MSN的藥物釋放速率隨著pH值的降低而增加.Wang等［72］設(shè)計(jì)并制備出對(duì)酸敏感的AuNC/Fe（OH）3/PAA復(fù)合材料，PAA在酸性條件下可以被質(zhì)子化，從而削弱藥物與載體之間的靜電力，誘導(dǎo)藥物釋放.

此外，溫度是影響分子間氫鍵作用的另一個(gè)因素.溫度敏感分子是一類對(duì)外界溫度變化有響應(yīng)能力的“智能”材料，藥物從熱響應(yīng)型分子構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)骨架中的釋放可以由相對(duì)小的溫度變化來觸發(fā).溫度敏感的藥物載體通常存在于聚N-異丙基丙烯酰胺（PNIPAM）及其衍生物［73～75］、透明質(zhì)酸［76，77］、多肽［78］和明膠［79，80］等溫度敏感的水凝膠中.臨界溶解溫度（LCST）是溫敏性聚合物材料的一個(gè)重要特征，大多數(shù)溫度響應(yīng)型藥物載體均基于這一特性設(shè)計(jì).這種水凝膠通過在接近體溫時(shí)表現(xiàn)出可逆的溶膠-凝膠結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，從而控制藥物釋放的速率.

Fig.10 Schematic diagrams of preparation and pH response release mechanism of HMSNSGM-CS-FA@DOX/PA(A)[67],CHI/SA/HAP hollow particles[68](B),drug release of Aunanocage@mSiO2@PNIPAM controlled by NIR stimulation(C)[82] and pH response of MDNPs(D)[86]

PNIPAM是一種眾所周知且廣泛使用的熱響應(yīng)聚合物.其水凝膠結(jié)構(gòu)中含有親水的酰胺基和疏水的異丙基.當(dāng)溫度低于LCST時(shí)，PNIPAM聚合物鏈中酰胺基和水分子之間的氫鍵占主導(dǎo)地位，聚合物處于膨脹狀態(tài)，此時(shí)孔道被關(guān)閉，可以實(shí)現(xiàn)藥物的有效封裝.當(dāng)溫度高于LCST時(shí)，聚合物收縮且變得疏水，導(dǎo)致孔道打開并將包封的藥物釋放到介質(zhì)中.Shi等［81］將PNIPAM接枝到具有生物相容性的天然多糖海藻酸鹽珠表面，制備出具有智能門控開關(guān)的熱響應(yīng)多糖載體.在37 ℃時(shí)，孔道開啟，12 h 內(nèi)DOX的釋放量大于60%.而在25 ℃時(shí)，PNIPAM溶脹，孔道關(guān)閉，在相同的釋放條件下，DOX釋放量?jī)H為30%.

用于刺激PNIPAM相轉(zhuǎn)變的熱量可以由載體所擔(dān)載的光熱材料來提供.如，Yang等［82］用介孔二氧化硅作為載體負(fù)載抗癌藥物DOX［圖10（C）］.金納米籠作為光熱核，熱響應(yīng)型PNIPAM 作為近紅外刺激的門控.在NIR光照射下，金納米籠能有效吸收并將光轉(zhuǎn)化為熱，導(dǎo)致覆蓋在介孔硅外部的PNIPAM殼層收縮，暴露出介孔硅殼的孔隙，從而實(shí)現(xiàn)DOX的觸發(fā)式釋放.該藥物載體可實(shí)現(xiàn)化療-光熱協(xié)同治療效果，顯著提高了對(duì)癌細(xì)胞的殺傷效果.

由于熱響應(yīng)行為取決于溶劑與分子鏈的相互作用以及分子間作用力的平衡，因此可以通過改變分子結(jié)構(gòu)、鹽濃度和表面活性劑的用量等方法來影響相變溫度.通常，PNIPAM 的LCST 在30～34 ℃之間，與人體體溫比較接近.為了進(jìn)一步拓寬PNIPAM 水凝膠在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用，可以通過調(diào)節(jié)聚合物的親水鏈段和疏水鏈段的比例來改變LCST，如添加適當(dāng)?shù)挠H水性有機(jī)單體（丙烯酰胺）或表面活性劑（十二烷基硫酸鈉），從而提高LCST.Jadhav等［83］將PNIPAM與丙酰胺共聚物接枝在MSN表面，制備出LCST為41 ℃的熱響應(yīng)性藥物載體.分別在20和45 ℃下研究了負(fù)載有蘆丁的MSN的體外釋放行為.在LCST以下，膨脹的共聚物鏈阻止蘆丁從孔隙中釋放；當(dāng)溫度升高到45 ℃時(shí)，聚合物收縮將孔道打開，導(dǎo)致蘆丁釋放.Curcio等［84］通過在明膠微球表面接枝聚N-異丙基丙烯酰胺，制備出具有熱敏性的微球水凝膠.由于親水基團(tuán)的引入，PNIPAM的LCST值提高到接近體溫.在40 ℃下，PNIPAM的網(wǎng)絡(luò)收縮，孔道打開，負(fù)載的雙氯芬酸鈉鹽（DC）得以迅速釋放出來.

盡管PNIPAM具有可調(diào)節(jié)的熱響應(yīng)優(yōu)勢(shì)，但由于其生物相容性的問題，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用受到了限制.因此，研究人員期待找到具有生物相容性或可生物降解性的熱敏材料替代PNIPAM，從而用于局部腫瘤熱療的藥物輸送.聚乙二醇（PEG）是一種典型的具有生物相容性的高分子.Na等［85］合成了可生物降解的溫度響應(yīng)型聚乳酸-聚乙二醇納米顆粒，用于DOX 的控釋.隨著溫度的升高，DOX 的釋放量增加，并且可以通過調(diào)控聚乳酸鏈的長(zhǎng)度來調(diào)控聚合物的響應(yīng)溫度.

透明質(zhì)酸、葡聚糖、殼聚糖和海藻酸鹽等多糖是一種具有良好的生物相容性、生物降解性以及抗菌特性的天然材料，可用于藥物遞送和組織工程等領(lǐng)域.Menon等［86］設(shè)計(jì)并制備了可用于肺癌治療的核殼結(jié)構(gòu)藥物載體［圖10（D）］.其中，PNIPAM 與可生物降解的羧甲基殼聚糖作為外殼層，聚乳酸-乙醇酸（PLGA）作為內(nèi)核，其共聚物的LCST 為35 ℃.同時(shí)，明膠側(cè)鏈中的大量官能團(tuán)易于被修飾改性，從而拓展了其應(yīng)用領(lǐng)域.

3.3.2 范德華力 與氫鍵相似，范德華力也是由分子偶極形成的分子間相互作用.利用分子間的弱相互作用可以實(shí)現(xiàn)特定的中空結(jié)構(gòu)的組裝，而靠范德華力組裝得到的結(jié)構(gòu)可通過外場(chǎng)，如磁場(chǎng)或超聲波加以破壞，從而實(shí)現(xiàn)藥物的定點(diǎn)釋放.

磁響應(yīng)誘導(dǎo)：利用功能化的磁性納米顆粒作為載體，與藥物結(jié)合可形成穩(wěn)定的磁響應(yīng)型藥物遞送系統(tǒng).外部磁場(chǎng)不僅可以將磁性載體精準(zhǔn)地驅(qū)動(dòng)到指定的位置，而且可以作為遠(yuǎn)程開關(guān)，在期望的時(shí)間內(nèi)誘導(dǎo)藥物觸發(fā)釋放.同時(shí)，在外加磁場(chǎng)的作用下磁能轉(zhuǎn)化為熱能，可以用于熱療.這種時(shí)空控制的釋藥方式可以顯著提高癌癥治療的療效.此外，磁性納米粒子還可以作為MRI造影劑、磁熱治療和磁引導(dǎo)靶向的造影劑，在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中引起了廣泛關(guān)注［87～89］.超順磁性氧化鐵納米粒子是目前應(yīng)用最廣泛的磁性粒子之一，通常通過納米捕獲與其它響應(yīng)型分子結(jié)合充當(dāng)磁響應(yīng)的門控開關(guān).其中，外加磁場(chǎng)產(chǎn)生的熱量可用于熱療直接殺死癌細(xì)胞；也可以作為熱源誘導(dǎo)分子構(gòu)型的改變從而釋放藥物；此外，該熱量也可作為藥物釋放的驅(qū)動(dòng)力.

Chiang等［90］證明了殼層中摻雜氧化鐵納米顆粒的PLGA中空微球具有磁響應(yīng)脈沖釋放藥物的特性［圖11（A）］.PLGA可以作為控制藥物釋放的“分子開關(guān)”.當(dāng)暴露于高頻磁場(chǎng)時(shí)，氧化鐵將磁能轉(zhuǎn)化為熱能，聚合物鏈的流動(dòng)性增加，從而打開分子開關(guān)，藥物得以快速釋放.當(dāng)關(guān)閉外部磁場(chǎng)時(shí)，磁熱轉(zhuǎn)化消失，PLGA鏈的流動(dòng)性下降，從而限制藥物的進(jìn)一步擴(kuò)散.該磁響應(yīng)型載體可以按需驅(qū)動(dòng)來調(diào)控藥物的釋放行為，從而提高治療效果.Wang等［91］設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的多功能藥物載體［圖11（B）］，其中殼層由兩部分組成：內(nèi)層Fe3O4具有超順磁性，外層介孔碳擔(dān)載了具有光致發(fā)光特性的碳點(diǎn).殼聚糖分子通過靜電相互作用吸附在碳?xì)け砻妫箍椎捞幱陉P(guān)閉狀態(tài)，防止負(fù)載的DOX提前釋放.當(dāng)施加外部磁場(chǎng)時(shí)，F(xiàn)e3O4的磁熱特性使局部溫度升高，碳?xì)づc殼聚糖分子之間的氫鍵被破壞，孔道開啟.同時(shí)，交流磁場(chǎng)產(chǎn)生的熱量使藥物與宿主之間的相互作用減弱，從而促進(jìn)了DOX的釋放.當(dāng)去除磁場(chǎng)后，殼聚糖分子恢復(fù)到原來的狀態(tài)，再次將孔道關(guān)閉.

Fig.11 Schematic diagrams of responsive release of PLGA hollow microspheres doped with iron oxide nanoparticles(A)[90]and DOX release in chitosan-HMMC-NCs triggered by magnetic field(B)[91]

超聲波誘導(dǎo)：超聲是一種可以引起機(jī)械或熱刺激的外部刺激，具有無創(chuàng)性、深層組織穿透能力和頻率可控的優(yōu)點(diǎn).其中，熱刺激會(huì)導(dǎo)致聚合物的結(jié)構(gòu)或構(gòu)象發(fā)生改變，影響其親疏水性，從而引發(fā)藥物釋放.超聲響應(yīng)型載體主要具備3個(gè)特性：（1）藥物可以穩(wěn)定地封裝在載體材料中；（2）對(duì)特定的超聲波響應(yīng)實(shí)現(xiàn)藥物可控釋放；（3）具備監(jiān)測(cè)藥物釋放能力.在臨床治療中，超聲給藥系統(tǒng)需要專門的設(shè)備和特定的頻率來控釋.介孔二氧化硅納米顆粒由于其優(yōu)良的材料性能和結(jié)構(gòu)性能已被廣泛用于診斷和藥物治療.Paris等［73］設(shè)計(jì)了一種基于介孔二氧化硅納米粒子的新型超聲響應(yīng)載體（圖12）.在該刺激響應(yīng)系統(tǒng)中，表面接枝的2-甲基丙烯酸酯-4氫吡喃（THPMA）在超聲波照射下由疏水狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水狀態(tài).線圈狀的構(gòu)象變化導(dǎo)致孔道開啟，藥物被釋放出來.超聲波不僅可以觸發(fā)載體釋放藥物，而且可以通過形成空化氣泡和升高溫度的方式導(dǎo)致藥物擴(kuò)散速率加快，從而提高細(xì)胞膜等生物屏障的通透性［92］.

Fig.12 Schematic diagram of phase change of dual-response drug carrier in aqueous medium[73]

3.4 分子異構(gòu)

在特定波長(zhǎng)光的照射下，可逆光響應(yīng)分子可以在順-反異構(gòu)體之間轉(zhuǎn)化，其化學(xué)鍵不會(huì)發(fā)生斷裂.偶氮苯是典型的光致異構(gòu)分子，在可見光或升溫的作用下，偶氮苯呈現(xiàn)更穩(wěn)定的反式狀態(tài)；但在波長(zhǎng)為300～380 nm的紫外光照射下，其結(jié)構(gòu)由反式變?yōu)轫樖?因此，可以將其充當(dāng)重復(fù)使用的“納米閥”，實(shí)現(xiàn)藥物的可控釋放.Yuan等［93］使用偶氮苯修飾DNA分子，將其作為介孔二氧化硅孔道的門控，制備出一種新型的光響應(yīng)DNA/MSN載體［圖13（A）］.模型藥物羅丹明6G被封裝在多孔載體中用來研究其控釋行為.偶氮苯的順反異構(gòu)化轉(zhuǎn)變影響了DNA雙鏈結(jié)構(gòu)的形成和解離.在可見光照射下，DNA的雜化鏈將孔道關(guān)閉，載體內(nèi)負(fù)載的藥物難以釋放.然而，當(dāng)暴露于紫外光下時(shí)，偶氮苯結(jié)構(gòu)由反式變?yōu)轫樖?，?dǎo)致DNA 鏈解螺旋，孔道打開，將藥物釋放出來.Mei 等［94］提出了另一個(gè)光響應(yīng)偶氮苯充當(dāng)納米閥的思路.首先用炔鍵修飾中空介孔二氧化硅，然后將疊氮化物修飾的β-環(huán)糊精通過點(diǎn)擊反應(yīng)結(jié)合到載體表面；隨后，利用主客體之間的相互作用將含有反式偶氮苯結(jié)構(gòu)的兩親共聚物與β-環(huán)糊精結(jié)合用來封閉載體的孔道.在365 nm的紫外光照射下，偶氮基團(tuán)從反式轉(zhuǎn)變?yōu)轫樖綐?gòu)象，引發(fā)藥物釋放.Wang 等［95］制備了雙刺激響應(yīng)的PNIPAM/偶氮苯納米膠囊（P/ANC）［圖13（B）］.通過偶氮苯的順-反異構(gòu)化轉(zhuǎn)變可以實(shí)現(xiàn)藥物分子的負(fù)載和釋放.當(dāng)用紫外光照射時(shí)，穩(wěn)定的反式構(gòu)型變?yōu)椴环€(wěn)定的順式構(gòu)型，孔道打開，藥物釋放出來.

Fig.13 Schematic diagrams of reversible release of DNA(A)[93] and PNIPAM modified with azobenzene under ultraviolet-visible light(B)[95]

4 智能中空藥物載體的應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來，具有可控孔尺寸、殼層數(shù)目和殼層厚度的中空微納結(jié)構(gòu)引起了廣泛關(guān)注.獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征及表面易于修飾的特性使其被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域.目前，在利用功能化的中空結(jié)構(gòu)作為藥物遞送載體的應(yīng)用方面已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展，可將生物分子或藥物遞送到靶組織、器官和細(xì)胞，并實(shí)現(xiàn)同步診斷和治療.

目前，諸多研究已將中空藥物載體應(yīng)用于細(xì)胞及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究.如，中空納微材料能夠以多種方式應(yīng)用于診斷和治療.Sun 等［96］將RL-QN15 負(fù)載到中空聚多巴胺納米粒子（HPDA）中，制備出HPDAlR，其中RL-QN15 是一種具有加速皮膚傷口愈合功效的新型短肽.HPDAlR 顯著增強(qiáng)了RL-QN15加速角質(zhì)促進(jìn)細(xì)胞劃痕愈合的能力，并選擇性地調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞中與愈合有關(guān)的細(xì)胞因子的釋放.更重要的是，與RL-QN15相比，通過對(duì)小鼠全層損傷皮膚傷口和大鼠口腔潰瘍動(dòng)物模型的評(píng)估，HPDAlR的促再生能力分別提高了50倍和10倍.此外，HPDAlR還增強(qiáng)了RL-QN15對(duì)小鼠皮膚燙傷和豬全層損傷傷口的愈合效率.此外，中空載體可用于癌癥免疫治療.Yang等［97］研究發(fā)現(xiàn)，雙殼層介孔有機(jī)硅中空球（DS-HPMOs）能夠作為有效的抗腫瘤免疫佐劑.負(fù)載有卵清蛋白（OVA）的DS-HPMOs可有效誘導(dǎo)且增強(qiáng)CD8+和CD4+T 細(xì)胞增殖.對(duì)DS-HPMO/OVA 免疫的小鼠，其分泌的干擾素-γ（IFN-γ）、白細(xì)胞介素-12（IL-12）和腫瘤壞死因子-α（TNF-α）水平顯著增加.重要的是，與腫瘤細(xì)胞片段（TF）、雙殼層介孔硅中空球（DMOHS-2S）或DMSHS-2S+TF相比，對(duì)負(fù)載B16F10 TF的介孔有機(jī)硅中空球（HPMOs+TF）免疫的小鼠，在20 d時(shí)腫瘤體積最小，抗腫瘤性能顯著提高.而且用HPMOs+TF 進(jìn)行免疫的小鼠，存活率也得到延長(zhǎng)，接種35 d后的存活率為50%.

由于中空載體在細(xì)胞、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出優(yōu)異的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，目前已開展相關(guān)臨床醫(yī)學(xué)研究.Huang 等［98］研究了異環(huán)磷酰胺聯(lián)合脂質(zhì)體多柔比星對(duì)骨肉瘤（OS）的影響及其對(duì)骨肉瘤患者血清IL-10，TNF-α和IFN-γ的影響.結(jié)果表明，當(dāng)使用異環(huán)磷酰胺聯(lián)合脂質(zhì)體多柔比星時(shí)，患者在2年內(nèi)的生存率提高且血清TSGF，VEGF，ERBB3和TNF-α水平顯著降低.說明使用該藥物載體可提高骨肉瘤患者的臨床療效，對(duì)未來的臨床研究具有重要意義.

5 總結(jié)與展望

中空結(jié)構(gòu)作為藥物遞送的載體具有諸多優(yōu)勢(shì).中空腔體和殼層能夠?yàn)樗幬锓肿拥呢?fù)載提供足夠的空間和位點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)較高的負(fù)載量.此外，利用各種分子或顆粒的表面修飾（如無機(jī)納米粒子、大分子和聚合物等），可以精確地控制孔道的“開-關(guān)”轉(zhuǎn)換.本綜述總結(jié)了用于藥物遞送的刺激響應(yīng)性中空智能藥物遞送載體的研究進(jìn)展，并從分子角度對(duì)智能藥物載體的刺激響應(yīng)機(jī)理加以理解.

同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)藥物的可控釋放，除具備大的空腔之外，中空結(jié)構(gòu)表面的孔道是必不可少的.但是，藥物在孔道內(nèi)的輸運(yùn)行為目前研究尚少.在該限域空間內(nèi)，分子的傳輸將有別于傳統(tǒng)的流體，藥物分子與載體的相互作用不可忽視.我們前期的研究發(fā)現(xiàn)，抗菌劑分子與中空多殼層載體之間通過毛細(xì)作用、氫鍵以及π-π作用相互連接，且多殼層的限域孔道在熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)上均有利于分子傳輸.

中空刺激響應(yīng)型藥物載體是未來藥物遞送和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中極具前景的多功能材料之一.可以預(yù)期，制備出結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜的中空結(jié)構(gòu)有望實(shí)現(xiàn)多重響應(yīng)及多種釋放.例如，中空多殼層結(jié)構(gòu)（HoMS）與中空單殼層相比，具有更多的表面、更復(fù)雜的空腔和更獨(dú)特的傳質(zhì)行為.中空多殼層結(jié)構(gòu)特有的多級(jí)空腔不僅可以為藥物分子的存儲(chǔ)提供空間，而且隔離空腔的多級(jí)殼層還可以加強(qiáng)藥物與載體的作用以及提供藥物釋放的物理屏障從而強(qiáng)化藥物控制釋放.同時(shí)，為了進(jìn)一步發(fā)揮中空多殼層載體時(shí)空順序性的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，可以制備具有不同殼層組成的異質(zhì)HoMS或多核HoMS實(shí)現(xiàn)多級(jí)和次序給藥，這種載體結(jié)構(gòu)在聯(lián)合治療中具有很大的應(yīng)用潛力.如通過聚合物多層包覆HoMS 制備出具有pH響應(yīng)的異質(zhì)中空多殼層，實(shí)現(xiàn)在特定微環(huán)境下的脈沖釋放.此外，結(jié)合特定的治療方法，可以采用單重或多重的刺激促使HoMS體系按需釋放不同藥物，賦予其智能響應(yīng)行為，為藥物的智能遞領(lǐng)域提供范例.