徐英之，吳風(fēng)收 ，王 凱*，2

1. 武漢工程大學(xué)化工與制藥學(xué)院，湖北 武漢 430205；2. 湖北大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖北 武漢 430061

過(guò)去的幾年中，中空納米結(jié)構(gòu)［1］的材料因其特殊的孔道結(jié)構(gòu)，而獲得了廣泛的關(guān)注。其中其較窄的禁帶寬度2.75 eV，較大特征吸收波長(zhǎng)，較高的可見(jiàn)光轉(zhuǎn)化效率，可控調(diào)節(jié)的形貌［2-4］，而在光催化［5-7］、選 擇 性 氧 化［8-9］、降 解 污 染 物［10-11］、CO2轉(zhuǎn)換［12］、腫瘤治療［13］等方面都有良好的應(yīng)用。

與相同尺寸的納米材料相比，中空納米鉍材料具有較大的比表面積、可修飾的表面、可控的孔徑以及高的生物相容性被廣泛的應(yīng)用于醫(yī)藥領(lǐng)域。如Shi 課題組［14］就在中空介孔的二氧化硅結(jié)構(gòu)上表面功能化，將其孔道作為藥物封存運(yùn)輸?shù)耐ǖ溃_(dá)到了同時(shí)對(duì)親水/疏水藥物的雙重負(fù)載，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)布洛芬等疏水藥物和阿霉素等親水藥物的高效雙負(fù)載與控制性釋放。又如Li 等［15］通過(guò)溶劑熱法合成制備具有中空結(jié)構(gòu)的Bi2Se3海綿狀材料，經(jīng)過(guò)體內(nèi)外的研究，發(fā)現(xiàn)其具有多種生物治療和成像功能，其既可以在單獨(dú)的光熱治療中顯示較高的抗腫瘤療效，材料所具有的中空結(jié)構(gòu)和高表面積也使其對(duì)阿霉素藥物裝載能力高達(dá)600%，并且顯示出對(duì)pH 和光照刺激的雙敏感性響應(yīng)行為，充分發(fā)揮光熱治療與高負(fù)載化藥的腫瘤抑制協(xié)同效應(yīng)，并在三模態(tài)高對(duì)比度成像（包括X 射線計(jì)算機(jī)斷層成像、多光譜光聲學(xué)斷層成像和紅外熱成像）方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。

為了進(jìn)一步研究關(guān)于鎢酸鉍中空納米材料作為載藥體系在不同pH 環(huán)境下控制藥物釋放的功能應(yīng)用，我們?cè)谇叭说难芯炕A(chǔ)上，改進(jìn)了鎢酸鉍中空材料的制備條件，并將其體外應(yīng)用于鹽酸阿霉素（doxorubicin hydrochloride，DOX）的藥物負(fù)載與釋放方面，為其體內(nèi)的胃腸道緩控釋應(yīng)用奠定一定的理論研究基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要藥品和儀器

藥品：DOX（上海阿拉丁生化有限公司）；五水合硝酸鉍（bismuth nitrate pentahydrate，BNP）、鎢酸鈉、聚乙烯吡咯烷酮（polyvinyl pyrrdidone，PVP）（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）。

儀器：EVO-MA15LS 掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM，德國(guó)卡爾蔡司）；HT-7700透射電鏡（transmission electron microscope，TEM，日本日立公司）；D2-PHASER X 射線粉末衍射儀（X-ray diffractometer，XRD，德國(guó)布魯克公司）；TU-1901 雙光束紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)（Ultraviolet，UV，北京普析公司）。

1.2 中空鎢酸鉍納米材料的制備與功能化

在鎢酸鉍材料的制備方法基礎(chǔ)上［16］，對(duì)于原料及溶劑等方面做了相應(yīng)的改進(jìn)。精確量取鉍原料BNP（0.048 5 g）溶于10 mL 醇-水-乙酸溶液（體積比為1∶4∶1），再加入0.5 g PVP 粉末，超聲攪拌直至完全溶解成為溶液A。隨即將溶液A 分散至100 mL 無(wú)水乙醇中，攪拌20 min 后，加入10 mL 的0.015 mol 的鎢酸鈉水溶液B，繼續(xù)攪拌30 min 后，把混合溶液轉(zhuǎn)移到有聚四氟乙烯內(nèi)膽的不銹鋼反應(yīng)釜中，將反應(yīng)釜裝入程序控溫烘箱中，并控制兩階段溫升程序，第一階段80 ℃維持4 h，第二階段100 ℃維持6 h。待升溫程序結(jié)束后，等反應(yīng)釜自然冷卻至室溫。并靜置沉淀一段時(shí)間，待溶液中大部分白色膠狀顆粒物都下沉至底部。濾出大部分白色固體，并離心分離，取下層白色固體，真空干燥箱60 ℃過(guò)夜烘干，得到最后的中空納米鉍材料（hollow nanobismuth material，HNBS）。

1.3 藥物釋放實(shí)驗(yàn)

將等量的負(fù)載DOX 的HNBS 顆粒置于透析袋中，并且加入10 mL 的不同pH 的磷酸緩沖鹽溶液（phosphate buffer solution，PBS）中。在量取50 mL緩沖溶液于燒杯中，將上述透析袋放置其中，在室溫下磁力輕微攪拌，每間隔2 h 離心收集上層清液，并且不斷補(bǔ)充新的PBS 緩沖溶液，上清液離心通過(guò)紫外可見(jiàn)光譜標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量濃度曲線計(jì)算釋放的DOX 的含量。實(shí)驗(yàn)過(guò)程分別是在pH=5.0，7.5 的PBS 緩沖溶液中進(jìn)行的。

通過(guò)以下公式可以計(jì)算材料對(duì)藥物的負(fù)載量：

Drug releasing capacity=mDOXinsuspenatant/minit；minit是指開始時(shí)加入的DOX 的質(zhì)量，mDOXinsuspenatant是指上清液中DOX 的質(zhì)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 催化劑表征

2.1.1 樣品電鏡分析 圖1 的鎢酸鉍材料的透射電鏡則進(jìn)一步顯示，在材料深色邊界處與淺色中心處有明顯區(qū)別，這證明了制備的材料具有明顯的中空結(jié)構(gòu)，中間大致呈現(xiàn)20～30 nm 的孔狀結(jié)構(gòu)，壁厚大致6～10 nm 左右。圖2 為制備的鎢酸鉍中空材料的掃描電鏡圖片。由圖1，2 可知：制備的材料主要呈現(xiàn)單分散的中空球狀顆粒，粒徑大約為40～50 nm，大小均一，形態(tài)規(guī)整。并且，沒(méi)有檢測(cè)到其他形貌，結(jié)果表明通過(guò)這種方法可以制備大量中空孔狀鉍顆粒材料。

圖1 HNBS 的TEM 圖：（a）低倍率，（b）高倍率Fig.1 TEM micrographs of HNBS：（a）low magnification，（b）high magnification

圖2 HNBS 的掃描電鏡圖：（a）高倍率，（b）低倍率Fig.2 SEM micrographs of HNBS：（a）high magnification，（b）low magnification

2.1.2 制備材料結(jié)構(gòu)及性質(zhì)分析 為了進(jìn)一步對(duì)材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，采用XRD 對(duì)樣品結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。由圖3 可知，樣品在27.84°、49.95°均出現(xiàn)了Bi2WO6的2 個(gè)特征衍射峰，和文獻(xiàn)提供［16］的中空納米球Bi2WO6衍射圖完全一致，并無(wú)其他晶相衍射峰存在。說(shuō)明形成了Bi2WO6中空材料，且材料在49.95°處顯示較寬的峰形，由Scherrer 公式可知，這是材料具有較小粒徑的一個(gè)特征。

圖3 HNBS 的XRD 粉末衍射圖Fig.3 XRD pattern of HNBS

2.1.3 制備材料的負(fù)載性能分析 使用鎢酸鉍材料選用DOX 作為載藥模型，評(píng)價(jià)藥物傳遞系統(tǒng)的性能好壞。通過(guò)中空材料HNBS 和HNBS-DOX 的熱重曲線研究（圖4），兩者在100～180 ℃區(qū)間內(nèi)有重量損失但相差并不明顯，可能是材料中結(jié)合水造成的；而在200～400 ℃的區(qū)間內(nèi)有明顯的質(zhì)量損失相差明顯，這主要是因?yàn)橹锌詹牧现蠨OX 分子（熔程201～205 ℃）在高溫下發(fā)生了相態(tài)的變化。說(shuō)明了HNBS 材料確實(shí)可以負(fù)載相應(yīng)的DOX 分子。在500 ℃的高溫下，整個(gè)體系也只有9%的質(zhì)量損失，說(shuō)明載藥體系具有一定的熱穩(wěn)定性。本次實(shí)驗(yàn)制備的材料的熱重結(jié)果說(shuō)明，這個(gè)材料在高效藥物負(fù)載方面具有一定應(yīng)用前景。

圖4 負(fù)載和未負(fù)載DOX 藥物的中空材料體系熱重曲線Fig.4 TG curves of HNBS-DOX system before and after loading DOX

2.1.4 鎢酸鉍材料的藥物負(fù)載與釋放測(cè)定 實(shí)驗(yàn)選用DOX 作為載藥模型來(lái)評(píng)價(jià)藥物傳遞系統(tǒng)的性能的好壞。HNBS 具有典型中空特征，也許這一特征決定了藥物在負(fù)載與選擇性釋放方面發(fā)揮了巨大的作用。

由圖5 中結(jié)果顯示，DOX 作為模型藥物時(shí)，在HNBS 中負(fù)載量以質(zhì)量分?jǐn)?shù)來(lái)計(jì)可以達(dá)到55.72%。在藥物負(fù)載過(guò)程結(jié)束后，DOX 的特征吸收峰有明顯的降低，暗示著部分DOX 分子已經(jīng)載入到HNBS 中。同樣圖4 中的熱重的對(duì)比結(jié)果也佐證了這一觀點(diǎn)。

圖5 DOX 負(fù)載前后的吸光度變化Fig.5 Absorption variations of material before and after DOX loading

圖6 顯示了在不同pH 值的PBS 緩沖溶液中HNBS-DOX 體系48 h 內(nèi)的釋放行為，藥物大多在前12 h 內(nèi)釋放相對(duì)較快，然后以更平緩的方式釋放，直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束。為了模擬人體正常組織的弱堿性環(huán)境和腫瘤弱酸性環(huán)境，選擇了pH=7.5 和pH=5.0 作為進(jìn)一步探討在不同的pH 環(huán)境下，DOX的響應(yīng)性釋放行為。正如圖5 顯示的那樣，DOX在弱堿性環(huán)境下釋放行為變得平緩，先前負(fù)載的藥物中在48 h 內(nèi)只有大約14%釋放了出來(lái)。而在酸性條件下，先前負(fù)載的藥物中在最初的12 h 內(nèi)有大約31%釋放出來(lái)。而48 h后，釋放出43%。類似于這樣的pH 響應(yīng)性釋放行為初步估計(jì)可以用來(lái)減小藥物在血管中滲漏，避免在輸送過(guò)程中的釋放而最終達(dá)到在腫瘤細(xì)胞中有效富集并大量釋放的作用。這種緩釋性行為對(duì)于那些需要先高劑量而后穩(wěn)定劑量達(dá)到抑制DOX 不良反應(yīng)的臨床病例是有用的。因此，可以合理推斷這種材料可以用作藥物的載體，作為一種新劑型使用。

圖6 DOX 在不同pH 溶液中釋放曲線Fig.6 DOX release curves in solutions with different pH values

3 結(jié) 論

本文在前人基礎(chǔ)上改進(jìn)并制備了具有中空形貌的納米Bi2WO6材料并將其首次應(yīng)用到DOX 的負(fù)載與釋放。中空的孔狀結(jié)構(gòu)的限制作用為模型藥物客體分子從空心孔道擴(kuò)散進(jìn)出提供了位點(diǎn)，從而影響了其在不同pH 溶液中的緩釋行為。

由UV 光譜分析可知，DOX 在中空納米鉍材料中的負(fù)載能力以質(zhì)量分?jǐn)?shù)來(lái)計(jì)可以達(dá)到55.72%，體外的釋放試驗(yàn)表明，HNBS-DOX 體系具有一定的緩釋特性，pH=7.5 時(shí)，只有14%的藥物釋放出來(lái)，而pH=5 時(shí)，藥物釋放量增加到43%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果再次表明HNBS-DOX 體系在酸性條件下緩釋效果優(yōu)于弱堿性環(huán)境條件，說(shuō)明中空結(jié)孔道結(jié)構(gòu)的限制作用確實(shí)會(huì)影響DOX 在不同pH 溶液中的緩釋行為。與正常的組織和血液相比，腫瘤部位環(huán)境的pH 相對(duì)較低，約為pH=5.5～6.0，而瘤細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的pH 值，約為pH=4.5～5.0。這樣的響應(yīng)行為可以盡量避免載體在體內(nèi)輸送過(guò)程中的藥物釋放，從而保證藥物的靶向性，提高藥物在瘤細(xì)胞內(nèi)的快速、大量的積聚與釋放。

本文利用水熱法，在較低濃度的原料濃度下，通過(guò)控制溶劑配比，制備了具有中空結(jié)構(gòu)的納米鉍材料，作為DOX 的載體，可以具有較高的DOX藥物的負(fù)載量，負(fù)載后藥物的釋放是pH 可控的，內(nèi)部中空的結(jié)構(gòu)能保證其準(zhǔn)確的運(yùn)輸以及在腫瘤細(xì)胞內(nèi)的酸性環(huán)境中大量的積聚釋放。因此，這種中空納米材料在治療癌癥方面的靶向給藥系統(tǒng)具有一定的潛在應(yīng)用。