張瑞銳，史建國(guó)，丁 露，李雪梅，渠鳳麗*

（1.曲阜師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山東省生命有機(jī)分析重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東曲阜273165）

（2.山東省科學(xué)院生物所，山東省生物傳感器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南250014）

0 引言

多功能納米結(jié)構(gòu)不僅具有功能調(diào)控的作用，同時(shí)它的功能集成和空間局限效應(yīng)使其在諸多領(lǐng)域上表現(xiàn)出卓爾不群的獨(dú)特魅力。隨著多孔二氧化硅尺寸、形貌以及孔徑的可控制備的發(fā)展，多孔二氧化硅以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及良好的生物相容性、環(huán)境穩(wěn)定性、透光性、抗微生物腐蝕等優(yōu)點(diǎn)引起了廣泛關(guān)注，成為多功能納米材料的研究熱點(diǎn)之一。大量研究工作證明了多孔二氧化硅在吸附、催化、傳感以及分離等諸多領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力[1～3]。近年來(lái)，多孔二氧化硅應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)方面特別是在藥物載體上的研究逐漸成為新的熱點(diǎn)[4～10]，該文著重對(duì)多孔二氧化硅納米顆粒在藥物/基因輸送的研究進(jìn)行綜述，并同時(shí)對(duì)這一研究領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

1 多孔二氧化硅納米顆粒的特點(diǎn)

自1992年首次報(bào)道MCM-41以來(lái)[11]，多孔二氧化硅的可控制備以及修飾的研究迅速發(fā)展，多孔二氧化硅納米顆粒尺寸在20～500 nm，孔徑可在2～10 nm范圍內(nèi)調(diào)控，結(jié)構(gòu)包括蠕蟲狀和六方形，而且同時(shí)具有較大的表面積和孔體積。與其它高分子藥物載體相比，多孔二氧化硅具有耐熱性好、機(jī)械強(qiáng)度高、不易降解、環(huán)境穩(wěn)定性高等優(yōu)勢(shì)。此外，通過(guò)改變不同的硅烷試劑，水解可以得到載有不同官能團(tuán)的多孔二氧化硅，而且采用合成嫁接的方法也可以賦予其更多的性能[12]。更為重要的是多孔二氧化硅納米顆粒具有顆粒外部以及空腔兩種表面結(jié)構(gòu)，可以選擇性的修飾不同官能團(tuán)，從而達(dá)到負(fù)載和調(diào)控等多功能的目的。

2 多孔二氧化硅納米顆粒的細(xì)胞攝取行為

多孔二氧化硅納米顆粒具有良好的生物相容性，且在有效的濃度范圍內(nèi)對(duì)細(xì)胞的生長(zhǎng)和代謝沒有明顯的抑制作用，為其在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的保障[13～15]。同時(shí)二氧化硅同多種磷脂具有高度的親和力，因此很容易吸附在細(xì)胞表面進(jìn)而內(nèi)在化[16]。為使得非吞噬細(xì)胞也可以更好的攝取，納米顆粒的尺寸控制在亞微米級(jí)為佳[17]。此外，多孔二氧化硅的孔道形狀對(duì)細(xì)胞攝取也有一定的影響。Lu等[14]研究了Hela細(xì)胞對(duì)大小在30 nm～280 nm的多孔二氧化硅的攝取行為，發(fā)現(xiàn)具有規(guī)則六方孔道的50 nm左右的多孔二氧化硅最容易進(jìn)入Hela細(xì)胞。此外，對(duì)多孔二氧化硅的表面功能化修飾可以調(diào)節(jié)細(xì)胞對(duì)多孔二氧化硅吞噬的效率，研究發(fā)現(xiàn)修飾葉酸后的多孔二氧化硅進(jìn)入細(xì)胞的能力有了顯著提高[18]。另外，納米顆粒的表面電荷對(duì)細(xì)胞吞噬作用也有一定影響[13]。

3 多孔二氧化硅納米顆粒在藥物/基因輸送上的應(yīng)用

藥物的控制釋放是減少藥物用量、增強(qiáng)藥物療效并降低藥物生物毒性的可靠方法，通過(guò)藥物載體系統(tǒng)可以避免藥物活性的提前喪失，有利于藥物的貯藏和運(yùn)輸。多孔二氧化硅載藥納米微粒能夠穿越細(xì)胞間隙通過(guò)人體最小的毛細(xì)血管及血腦屏障（BBB）被細(xì)胞組織吸收?？腕w分子不僅可以緩慢地從孔道中釋放出來(lái)，實(shí)現(xiàn)藥物的緩釋，而且還可以在孔的開口處裝以開關(guān)，實(shí)現(xiàn)可控釋放，從而提高藥效的持久性。目前，多孔二氧化硅載藥納米微粒的藥物釋放可分為物理形貌控制的擴(kuò)散釋放和化學(xué)可控制釋放兩大類，化學(xué)可控制釋放體系又可依據(jù)機(jī)理有光化學(xué)開關(guān)釋放體系、酶激活藥物釋放體系、氧化還原釋放體系、pH控制藥物釋放體系及兩兩相互組合的雙控制及多控制體系等。

3.1 物理形貌控制的擴(kuò)散釋放

多孔二氧化硅的物理形貌控制釋放的主要?jiǎng)恿κ且揽苛Ｗ觾?nèi)部的藥物不斷地向外擴(kuò)散。Vallet等[19]將 2.5 nm 和 1.8 nm 孔徑的 MCM-41裝載臨床上廣泛使用的一種止痛消炎藥布洛芬（ibuprofen），模擬體內(nèi)循環(huán)研究布洛芬的釋放。有機(jī)分子布洛芬通過(guò)吸附作用裝載到二氧化硅的孔徑中，裝載后的藥物與MCM-41的質(zhì)量比可達(dá)到30%以上，當(dāng)體系浸漬在模擬人體血液循環(huán)環(huán)境中后，有機(jī)分子通過(guò)擴(kuò)散釋放出來(lái)，在目前通行的體外藥物釋放實(shí)驗(yàn)條件下，經(jīng)過(guò)三天可實(shí)現(xiàn)藥物分子的完全釋放。研究還進(jìn)一步表明，要想取得理想的裝載與釋藥效果，所選藥物分子的大小與載體的孔徑必須在一定程度上相匹配，以有機(jī)分子能夠在孔道中平躺進(jìn)入較為適宜。Trewyn等[20]制備了不同形貌、不同多孔結(jié)構(gòu)的二氧化硅，并分別使之作為載體研究了抗菌離子液體對(duì)大腸桿菌的抑制作用，結(jié)果表明六方以及圓形孔道多孔二氧化硅的釋放能力要好于蠕蟲狀不規(guī)則的孔道。因此，多孔二氧化硅納米顆粒應(yīng)用于藥物釋放，顆粒穩(wěn)定，對(duì)藥物質(zhì)量沒有明顯影響，釋放特性基本規(guī)律。

3.2 化學(xué)可控制釋放

理想的藥物釋放系統(tǒng)應(yīng)該具有以下特點(diǎn)[5]：良好的生物相容性、較高的負(fù)載量、零早期釋放、靶向性以及釋放速率的可調(diào)控性。而單純的基于藥物分子擴(kuò)散的物理調(diào)控機(jī)制不可避免地伴隨著前期釋放，且其釋藥速度與孔徑形態(tài)及表面電荷的直接依賴性，決定了單純的物理調(diào)控釋藥機(jī)制對(duì)醫(yī)學(xué)靶向與定點(diǎn)釋藥的要求還存在著很大的差距。多孔二氧化硅顆粒的表面結(jié)構(gòu)可以選擇性修飾具有特殊功能的鍵或者官能團(tuán)，再封以“門”（gatekeeper），通過(guò)一系列外部刺激來(lái)控制門的開關(guān)，從而達(dá)到負(fù)載和調(diào)控等多功能的目的。目前已報(bào)道的通過(guò)化學(xué)反應(yīng)啟動(dòng)門閥，控制藥物或者基因釋放的多孔二氧化硅藥物釋放系統(tǒng)如圖1所示。其中，絕大多數(shù)為體外溶液體系的研究，也有部分藥物控制體系進(jìn)行了細(xì)胞[21～22]和生物活體[23]的研究?！伴T”的物質(zhì)有量子點(diǎn)[24]、金[25～26]、磁 性 納 米 顆 粒[27]、有機(jī)分子[28]、超 分子[29～30]、聚合物和生物大分子[31]。以下就釋放響應(yīng)手段對(duì)多孔二氧化硅的可控制釋放手段進(jìn)行分類闡述。

圖1 多孔二氧化硅體系研究、釋放響應(yīng)控制手段和可控制開關(guān)研究狀況示意圖Fig.1 Systems research,methods employed to control and gatekeepers applied in the release of various molecules from MSN

3.2.1 光化學(xué)開關(guān)釋放系統(tǒng)

“光開關(guān)”顧名思義，即用光作為啟動(dòng)和關(guān)閉多孔二氧化硅孔徑門閥的信號(hào)。通過(guò)使用一定波長(zhǎng)的光照射，使得孔徑表面的分子發(fā)生光解反應(yīng)，控制門的動(dòng)態(tài)變化，使得孔道中的物質(zhì)得以釋放。光開關(guān)的主要原理包括光異構(gòu)和光扳機(jī)，如圖2所示。偶氮苯分子在紫外光下發(fā)生可逆的順反異構(gòu)變化屬于光異構(gòu)的表現(xiàn)。Ferris等[32]將偶氮苯鏈接在多孔二氧化硅表面，由于反式偶氮苯分子會(huì)和環(huán)糊精相互識(shí)別，從而結(jié)合在多孔二氧化硅表面，起到限制孔內(nèi)客體分子釋放的作用。依靠光的波長(zhǎng)控制偶氮苯分子構(gòu)象轉(zhuǎn)變?yōu)轫樖浇Y(jié)構(gòu)，脫離環(huán)糊精空腔，進(jìn)而控制環(huán)糊精分子的解離以及孔內(nèi)客體分子的釋放。光異構(gòu)的典型示例還包括利用香豆素衍生物在光照下發(fā)生單體和二聚體轉(zhuǎn)換以進(jìn)行開關(guān)控制。Mal[33]合成了具有光響應(yīng)性的釋藥體系，該體系將香豆素衍生物連接在MCM-41的孔入口處，香豆素在＞310 nm波長(zhǎng)的光照射下生成二聚體，在250 nm波長(zhǎng)的光照射下二聚體分解，從而實(shí)現(xiàn)了控制性釋放膽甾烷。研究還表明，MCM-41結(jié)構(gòu)上擁有的獨(dú)立的孔洞通道，進(jìn)入其中的藥物分子被堵塞在其所屬的一個(gè)封閉空間中，最大的避免了在相互連通的孔道網(wǎng)中的另端釋放。盡管該實(shí)驗(yàn)并未取得藥物控制釋放上的理想結(jié)果，但是構(gòu)建該體系所提供的思路，為MCM-41作為一種新材料在控制釋藥領(lǐng)域應(yīng)用開辟了很大的空間。對(duì)于光扳機(jī)而言，目前最常用的光扳機(jī)是硝基苯類光扳機(jī)。Chiyoung等[34]將鄰硝基芐基酯作為光裂解連接單體用來(lái)連接多孔二氧化硅和門，其中門選用的是環(huán)糊精。在紫外光照射下，酯鍵斷裂，環(huán)糊精從多孔二氧化硅表面脫離，孔內(nèi)的客體分子釋放出來(lái)。Vivero-Escoto等[26]將金外面修飾一端為巰基，另外一端為硝基芐基光響應(yīng)化合物的陽(yáng)離子鏈接體，然后通過(guò)靜電作用將其組裝在帶有負(fù)電多孔二氧化硅表面，實(shí)現(xiàn)了早期零釋放。在紫外-可見光照射下,硝基芐基光響應(yīng)化合物與鏈接體之間的酯鍵發(fā)生斷裂，從而實(shí)現(xiàn)可控制釋放。硝基苯類扳機(jī)的吸收波長(zhǎng)一般在紫外區(qū)，而紫外光對(duì)人體組織的穿透力不強(qiáng)，并且對(duì)生物體的光毒性比較大，在光控藥物釋放領(lǐng)域中的應(yīng)用仍然具有一定的局限性。

3.2.2 酶激活藥物釋放

利用特異性酶解反應(yīng)控制藥物釋放，真正實(shí)現(xiàn)體內(nèi)病變器官的定點(diǎn)送藥及細(xì)胞內(nèi)釋藥意義重大，而且可最大程度上減少對(duì)人體的毒副作用。Patel等[35]嘗試了以α-環(huán)糊精為門，利用豬肝酯酶對(duì)酯鍵的水解作用控制孔內(nèi)藥物的釋放。將帶有疊氮鍵的醚鏈與氨基修飾的多孔二氧化硅納米顆粒相連，負(fù)載染料后低溫引入α-環(huán)糊精，此時(shí)線狀醚鏈和環(huán)糊精形成穩(wěn)定的包合物，隨后采用Cu（Ⅰ）催化帶有炔基的金剛烷酯與上述疊氮鍵高產(chǎn)率反應(yīng)得到三氮唑，稱之為帶頂扣的二氧化硅納米容器 （Snap-top Covered Silica Nanocontainers SCSNs)（圖3），其中，金剛烷起到防止環(huán)糊精脫落的作用。此種藥物釋放體系穩(wěn)定性較好，研究表明，在不加豬肝酯酶的水解的情況下，多孔二氧化硅孔內(nèi)的染料不會(huì)釋放出來(lái)。隨后Bein組[31]設(shè)計(jì)了表面偶聯(lián)生物素的多孔二氧化硅，與其特異性結(jié)合的親和素起到了門的作用，阻擋住藥物分子從孔內(nèi)擴(kuò)散出來(lái)，而當(dāng)加入水解親和素的胰蛋白酶便可以實(shí)現(xiàn)藥物分子的釋放。這種大分子功能的多孔二氧化硅生物相容性更好，無(wú)毒性，且不會(huì)導(dǎo)致基因突變。

圖2 （a）偶氮苯衍生物在UV/Vis照射下發(fā)生的順反異構(gòu)結(jié)構(gòu)圖（b）香豆素衍生物在光照下發(fā)生單體和二聚體變換示意圖[33]；（c）硝基苯類光扳機(jī)開關(guān)藥物釋放應(yīng)用示意圖[26]Fig.2 (a)Cis-trans isomerization of azobenzene substituents with UV/Vis irradiation;(b)Coumarin substituents reversibly dimerized with UV irradiation;(c)nitrobenzyl phototrigger act as gates in drug release system[26]

圖3 酯鍵水解控制二氧化硅孔內(nèi)藥物釋放示意圖[35]Fig.3 Eesterase responsive snap-top covered silica nanocontainers[35]

3.2.3 氧化還原釋放系統(tǒng)

3.2.3.1 基于二硫鍵還原的釋放系統(tǒng)

目前研究應(yīng)用最多的氧化還原釋放體系是基于二硫鍵橋連，利用人體細(xì)胞或組織中的還原類物質(zhì)作為啟動(dòng)信號(hào)，使二硫鍵斷裂，釋放出裝載分子。 Lai等[24]用巰基乙酸功能化的CdS納米顆粒，通過(guò)酰胺縮合和乙胺基二硫二氧化硅連接,CdS作為“門”將孔道中的藥物堵住。當(dāng)多孔二氧化硅納米顆粒遇到二硫蘇糖醇（DTT）、巰基乙醇（ME）等還原劑時(shí)，二硫鍵被打開，CdS納米顆粒從MCM-41上解離下來(lái)，此時(shí)藥物分子如萬(wàn)古霉素(Vancomycin)或三磷酸腺苷（ATP）等從孔道中擴(kuò)散出來(lái)（圖4）。Torney等[36]通過(guò)在納米金控制的多孔二氧化硅體系外部包覆質(zhì)粒DNA，實(shí)現(xiàn)了植物的基因和化合物的同時(shí)可控制輸送，即多孔二氧化硅的空腔攜有化學(xué)分子，殼外部通過(guò)二硫鍵連接10～15 nm的金，作為門閥以控制孔道中的開關(guān)以及基因的載體。因?yàn)橹参锛?xì)胞含有細(xì)胞壁，這種多功能的藥物釋放載體可以成功地同時(shí)輸送蛋白、基因，以及小分子化合物，在植物生物技術(shù)應(yīng)用中有著巨大的應(yīng)用潛力。Fe3O4開關(guān)和磁定位性使得超順磁性Fe3O4在生物醫(yī)學(xué)中具有極大的潛力，近來(lái)被研究者們特別青睞。Supratim等[4,27]構(gòu)建了棒狀多孔 SiO2和納米Fe3O4的藥物釋放納米體系載體。Fe3O4具有開關(guān)和磁定位兩種功能，在多孔二氧化硅外面修飾丙基二硫乙酸，通過(guò)酰胺縮合連接二氧化硅包覆的Fe3O4，當(dāng)加入二硫叔糖醇（DTT）或者二氫硫辛酸（DHLA），作為門的Fe3O4就會(huì)從二氧化硅表面脫落下來(lái)，藥物分子得以釋放。最近，Liu等[37]報(bào)道了將聚丙烯酸琥珀酰胺接枝二氧化硅作為納米藥物載體，通過(guò)二硫鍵將聚合物鏈變成束狀結(jié)構(gòu)的聚合物網(wǎng)絡(luò)，從而阻擋住了孔內(nèi)分子，這種聚合物修飾的多孔二氧化硅具有更好的生物相容性。

圖4 基于二硫鍵還原的二氧化硅藥物釋放系統(tǒng)[4]Fig.4 Disulfide reduction activation of snap-top mechanised silica system[4]

3.2.3.2 其他氧化還原釋放體系

以Stoddart為代表的化學(xué)家基于π-π堆積相互作用，利用兩親性啞鈴分子與四價(jià)陽(yáng)離子百草枯環(huán)番(CBPQT4+)的模板效應(yīng)合成了一些輪烷和準(zhǔn)輪烷[38]，這種模型在可控制藥物釋放領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。輪烷修飾在多孔二氧化硅表面，啞鈴分子中的四硫富瓦烯(TTF)富含π電子，CBPQT4+缺電子，兩者分別作為電子的給體和受體；同時(shí)，啞鈴分子中帶有1,5-二氧萘(DNP)結(jié)合位點(diǎn)，形成了化學(xué)氧化還原控制的雙穩(wěn)態(tài)輪烷和二氧化硅復(fù)合體系。氧化條件下,CBPQT4+向DNP運(yùn)動(dòng),封閉孔內(nèi)的藥物分子或染料分子在還原作用下，向TTF運(yùn)動(dòng)，打開門閥，使得分子釋放出來(lái)。兩種狀態(tài)類似于計(jì)算機(jī)二進(jìn)制中的0和1，調(diào)控多孔二氧化硅孔內(nèi)的分子釋放（圖5）[4,39]。

圖5 基于π-π堆積相互作用的多孔二氧化硅藥物釋放示意圖[4]Fig.5 Mesoporous silica nanoparticles drug release system based π-π stacking interaction[4]

3.2.4 pH控制藥物釋放體系

由于病理組織（例如發(fā)炎，感染，腫瘤組織）與正常組織的pH明顯不同，通常感染、原發(fā)腫瘤及轉(zhuǎn)移瘤的部位的pH都低于正常組織，因此pH控制藥物釋放系統(tǒng)在這類疾病中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。Stoddart課題組等[40～41]合成了基于氫鍵相互作用、以二級(jí)銨鹽為軸,冠醚/葫蘆脲為大環(huán)的一系列輪烷，并將其修飾于多孔二氧化硅表面，在堿性環(huán)境下，氫鍵破壞，作為門控的超分子解離，釋放孔內(nèi)藥物。Chiyoung等[42]利用某些離子型聚合物鏈段與環(huán)糊精發(fā)生包合作用時(shí)具有明顯的pH依賴性的原理，設(shè)計(jì)了聚乙烯亞胺（PEI）修飾的多孔二氧化硅，在堿性環(huán)境下，環(huán)糊精同PEI形成穩(wěn)定的包合物封住孔內(nèi)藥物，而酸性條件下則會(huì)導(dǎo)致環(huán)糊精/PEI包合物的解離。如圖6所示，Liu等[43]設(shè)計(jì)了pH控制的納米藥物釋放載體。這種可控制納米載體在中性pH值下，金納米顆粒穩(wěn)定地連接在多孔二氧化硅的表面，堵住孔內(nèi)藥物；而在酸性環(huán)境下，縮醛水解，作為孔蓋的金納米顆粒從二氧化硅表面解離下來(lái)，孔內(nèi)的藥物釋放。由于一些含孤對(duì)電子的原子,比如N原子和O原子，可以和某些基團(tuán)(如-NH,-OH,和-NH2+)上的氫原子靜電吸引而形成氫鍵,基于這些氫鍵作用可以制備pH控制的藥物釋放體系。

圖6 pH響應(yīng)多孔二氧化硅藥物釋放體系[43]Fig.6 pH-Responsive mesoporous silica nanoparticles[43]

3.2.5 其他釋放體系

多孔二氧化硅孔作為藥物釋放載體的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在于其孔內(nèi)和外部表面可以修飾不同官能團(tuán)，從而實(shí)現(xiàn)多功能化。Zhao等[4,22]利用這一特性設(shè)計(jì)出可分級(jí)釋放不同藥物的多功能納米顆粒，如圖7所示。該兩種藥物同時(shí)輸送，分層次釋放的納米顆粒給當(dāng)今疾病的有效治療提供了更為廣闊的思路。研究者針對(duì)傳統(tǒng)的葡萄糖響應(yīng)刺激胰島素的輸送的缺陷（即胰島素具有抑制細(xì)胞內(nèi)腺苷酸環(huán)化酶活性作用，使環(huán)磷酸腺苷（cAMP）產(chǎn)生顯著減少，導(dǎo)致糖原分解速度減慢）設(shè)計(jì)了葡萄糖響應(yīng)，胰島素和cAMP依次釋放的納米顆粒。多孔二氧化硅表面修飾硼酸后，與和葡萄糖酸修飾的胰島素形成硼酸酯鍵，此時(shí)具有一定體積的大分子胰島素充當(dāng)門，在外界果糖、葡萄糖等糖類的競(jìng)爭(zhēng)下，硼酸酯鍵打斷，“門”即胰島素釋放，隨后孔內(nèi)裝載的cAMP也擴(kuò)散到外部環(huán)境中。cAMP不僅減少胰島素與脂肪細(xì)胞的結(jié)合，而且能夠增加貯存在細(xì)胞內(nèi)鈣離子水平增加而刺激胰島素分泌。值得說(shuō)明的是，cAMP不易透過(guò)細(xì)胞膜，這種通過(guò)多孔二氧化硅攜帶的方式可以更有效的將cAMP轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞內(nèi)。

圖7 葡萄糖響應(yīng)、胰島素和cAMP依次釋放的多孔納米顆粒[4]Fig.7 Glucose-responsive mesoporous silica nanoparticles based delivery system for controlled release of bioactive G-Ins and cAMP[4]

3.2.6 雙控制釋放體系

3.2.6.1 基于pH和離子的雙控制釋放體系

Rosa Casasús利用多孔二氧化硅設(shè)計(jì)了pH和離子驅(qū)動(dòng)控制體系，如圖8所示，通過(guò)在多孔二氧化硅表面修飾聚氨類來(lái)控制運(yùn)輸分子的釋放[44]。中性pH值下，聚合物鏈之間形成氫鍵，以有序狀態(tài)垂直在納米顆粒的表面，藥物分子可以自由擴(kuò)散。在酸性環(huán)境下，帶正電的聚合物鏈之間發(fā)生庫(kù)侖排斥，聚合物鏈的交叉混結(jié)在某種程度上阻擋住了藥物分子的釋放。此外，還通過(guò)引入與正電聚合物鏈發(fā)生靜電作用的氯離子、磺酸根、磷酸根以及三磷酸腺苷來(lái)控制藥物釋放的速度，其研究表明，強(qiáng)酸性條件下，加入上述離子都可以阻止孔內(nèi)小分子的釋放，當(dāng)pH值等于4時(shí)，只有磷酸根和三磷酸腺苷可以起到門的作用，而在中性條件下只有體積較大的三磷酸腺苷才能起到阻止孔內(nèi)染料泄漏的功能。

圖8 pH和離子的雙控制多孔二氧化硅藥物釋放體系[44]Fig.8 pH-and anion-driven release of guest molecules from mesoporous silica nanoparticles[44]

3.2.6.2 基于pH和光熱雙控制釋放體系

當(dāng)多孔二氧化硅孔外修飾糖類，金納米顆粒外修飾硼酸時(shí)，由于糖和苯硼酸之間存在較強(qiáng)的絡(luò)合能力，金納米顆粒便會(huì)結(jié)合在二氧化硅表面（圖9）[25]。該體系的閥門開關(guān)控制可以依照pH值對(duì)硼酸酯鍵的影響和光熱效應(yīng)進(jìn)行調(diào)控。當(dāng)pH等于3時(shí)，硼酸酯鍵便會(huì)水解斷裂，此時(shí)金納米顆粒便會(huì)從二氧化硅表面脫落，孔內(nèi)的染料分子迅速被釋放；當(dāng)pH值大于5時(shí)，硼酸酯鍵相對(duì)比較穩(wěn)定。作為門的金納米顆粒在此體系中還扮演另外一種角色——調(diào)節(jié)器，金納米微粒在超短激光脈沖的照射下可以產(chǎn)生高度局域化的光熱效應(yīng)[46]，這種光熱效應(yīng)會(huì)嚴(yán)重影響硼酸酯的穩(wěn)定性，從而打開門閥，使孔內(nèi)客體分子得以釋放[25]。

圖9 基于pH和光熱雙控制多孔二氧化硅藥物釋放體系[25]Fig.9 pH-and Photo-switched release of guest molecules from mesoporous silica nanoparticles[25]

3.2.6.3 基于還原二硫鍵和光誘導(dǎo)的雙控制體系

Liu等[47]通過(guò)在多孔二氧化硅上組裝性能優(yōu)異，功能奇特的超分子和聚合物來(lái)實(shí)現(xiàn)多響應(yīng)藥物釋放的性能。研究者首先在多孔二氧化硅上修飾聚丙烯酸琥珀酰胺，并在聚丙烯酸琥珀酰胺的支鏈上以二硫鍵連接環(huán)糊精，隨后加入具有光致異構(gòu)的偶氮染料，此時(shí)由于偶氮苯染料會(huì)和環(huán)糊精自組裝形成穩(wěn)定的復(fù)合物，使得聚合物鏈成束狀結(jié)構(gòu)進(jìn)而封住孔內(nèi)的藥物分子，如圖10所示。對(duì)于此納米藥物，當(dāng)予以紫外光照射，反式偶氮苯染料變成順式偶氮苯從環(huán)糊精空腔內(nèi)脫離，聚合物鏈從束狀結(jié)構(gòu)變?yōu)樗缮⒔Y(jié)構(gòu)，從而使得藥物分子得以釋放。當(dāng)加入DTT還原劑時(shí)，由于二硫鍵的打斷，交聯(lián)聚合物網(wǎng)絡(luò)破壞更為徹底，半數(shù)以上的藥物分子得以釋放。進(jìn)一步加入競(jìng)爭(zhēng)性的α-環(huán)糊精后，由于α-環(huán)糊精其與偶氮苯具有更高的穩(wěn)定常數(shù)系數(shù)，因此可以將偶氮苯染料從交聯(lián)聚合物網(wǎng)絡(luò)中環(huán)糊精中競(jìng)爭(zhēng)出來(lái)。選擇三種不同的激活手段實(shí)現(xiàn)了孔內(nèi)分子不同程度的釋放。

圖10 基于還原二硫鍵和光誘導(dǎo)的雙控制多孔二氧化硅藥物釋放體系[47]Fig.10 Redox-and Photo-controlled release of guest molecules from mesoporous silica nanoparticles[47]

3.2.6.4 基于還原二硫鍵和pH的雙控制體系

香豆酸和甲基橙與環(huán)糊精的競(jìng)爭(zhēng)能力與pH值有關(guān)。將Hoechst 33342和香豆酸裝依次載于二氧化硅空腔內(nèi)，并在二氧化硅孔外修飾二硫鍵連接的環(huán)糊精，然后加入甲基橙，甲基橙和環(huán)糊精形成包合物，起到“門”的作用來(lái)控制香豆酸和Hoechst 33342的釋放。如圖11所示，pH為7時(shí)，甲基橙和環(huán)糊精的包合常數(shù)較大，甲基橙和環(huán)糊精形成的“門”可以控制Hoechst 33342和香豆酸的釋放，而當(dāng)pH值降低到3.5時(shí)，甲基橙與環(huán)糊精的包結(jié)常數(shù)顯著降低，香豆酸不斷的釋放到外部環(huán)境中，但是由于環(huán)糊精的阻擋作用，尺寸約為20 ?的Hoechst 33342仍然會(huì)保留在二氧化硅的孔道中，只有當(dāng)遇到還原物質(zhì)，二硫鍵打開時(shí)，環(huán)糊精從多孔二氧化硅表面脫落，Hoechst 33342才能夠釋放到外部環(huán)境中[45]。

圖11 基于pH和還原二硫鍵的雙控制多孔二氧化硅藥物釋放體系[45]Fig.11 pH-and Redox-controlled release of guest molecules from mesoporous silica nanoparticles[45]

4 展望

多孔二氧化硅具有較低的生物毒性、良好的穩(wěn)定性，且易于功能化，通過(guò)修飾聚合物、超分子或者納米顆?？梢詫?shí)現(xiàn)不同的醫(yī)學(xué)價(jià)值，在藥物輸送這一領(lǐng)域是一個(gè)極具吸引力的平臺(tái)，這也是其近期備受關(guān)注的原因。然而，對(duì)于多孔二氧化硅作為多功能藥物載體以及各種功能設(shè)計(jì)的研究應(yīng)用多數(shù)是先在體外環(huán)境模擬，然后將其應(yīng)用于細(xì)胞及活體研究。許多構(gòu)建的模型的生物可行性值得商榷，因此再進(jìn)一步探測(cè)其生物毒性以及在復(fù)雜的生物環(huán)境中的動(dòng)態(tài)過(guò)程，是其得到全面發(fā)展應(yīng)用的關(guān)鍵。應(yīng)該相信隨著對(duì)多孔二氧化硅的組裝和修飾的不斷發(fā)展及在生物活體應(yīng)用的不斷深入研究，基于多孔二氧化硅的納米材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域必將具有更廣闊的應(yīng)用前景。

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