袁一方，屈 爽，白 華，梁甲武，郭 斌 解放軍醫(yī)學(xué)院，北京 0085； 6646部隊(duì)，山西長(zhǎng)治 0460； 解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學(xué)中心，北京 0085

介孔硅納米粒子具有大比表面積和規(guī)則的孔徑結(jié)構(gòu)，優(yōu)異的表面性能賦予其諸多潛在應(yīng)用價(jià)值[1]。利用其多孔結(jié)構(gòu)，可負(fù)載多種功能性分子，用于相關(guān)領(lǐng)域的研究。介孔硅納米粒子還具有良好的生物相容性，尺寸可控，且易于對(duì)其進(jìn)行表面改性處理，可操作性強(qiáng)，因而得到研究者的關(guān)注，近年來(lái)成功應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，成為負(fù)載診斷試劑或治療藥物的良好載體[2]。同時(shí)，介孔硅納米粒子具有緩釋作用，不會(huì)在胃腸道提前降解，從而保證其能夠搭載功能性介質(zhì)到達(dá)目標(biāo)區(qū)域發(fā)揮作用[3-4]。通過(guò)物理或化學(xué)方法可對(duì)介孔硅納米粒子進(jìn)行改性，使其表面帶有新的功能基團(tuán)，以利于生物分子的偶聯(lián)[5-6]。本文將闡述介孔硅納米粒子的生物安全性，并對(duì)其在藥物傳輸系統(tǒng)、生物成像、光動(dòng)力療法、生物傳感以及作為組織再生生物活性材料等方面的應(yīng)用做詳細(xì)綜 述。

1 介孔硅納米粒子的生物安全性

研究表明，基于二氧化硅的納米材料生物相容性較好，可應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。在合成過(guò)程中添加表面活性劑，可以在納米材料表面產(chǎn)生孔徑直徑為2～50 nm的介孔結(jié)構(gòu)，獲得介孔硅納米粒子[7]。與無(wú)孔二氧化硅納米粒子相比，介孔硅納米粒子具有大比表面積和大孔徑結(jié)構(gòu)，特殊的結(jié)構(gòu)賦予其獨(dú)特的生物學(xué)特性。研究者們發(fā)現(xiàn)，介孔硅對(duì)多種細(xì)胞系的體外毒性較低[8-9]。為確保臨床應(yīng)用的安全性，必須對(duì)介孔硅納米粒子的毒性進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)估。納米粒子的化學(xué)性質(zhì)和粒徑大小是影響其生物學(xué)行為的重要參數(shù)，聚集現(xiàn)象、蛋白質(zhì)的吸附作用、細(xì)胞攝取以及細(xì)胞毒性等均可能因材料化學(xué)性質(zhì)和粒徑大小的改變而發(fā)生變化[10]。Napierska等[11]研究表明，粒徑大于100 nm的介孔硅納米粒子具有較低的細(xì)胞毒性，而小于50 nm則表現(xiàn)出明顯的誘導(dǎo)細(xì)胞死亡現(xiàn)象。介孔硅納米粒子的表面電荷是影響其細(xì)胞毒性的另一個(gè)重要因素。Pasqua等[12]比較了單純的介孔硅納米粒子與巰基化或氨基化的介孔硅納米粒子的細(xì)胞毒性，發(fā)現(xiàn)巰基化或氨基化修飾后，納米粒子的細(xì)胞毒性降低50%左右，從而證明帶正電荷的介孔硅納米粒子較未修飾的介孔硅納米粒子具有更低的細(xì)胞毒性。此外He等[13]發(fā)現(xiàn)，與未修飾的介孔硅納米粒子相比，聚乙二醇化后的產(chǎn)物可以大大降低其與血清蛋白的非特異性附著，還可以減少人紅細(xì)胞的溶血，從而改善血液相容性，這一現(xiàn)象對(duì)于靜脈注射介孔硅納米粒子相關(guān)制劑具有重要意義。研究發(fā)現(xiàn)，介孔硅納米粒子還有促進(jìn)細(xì)胞增殖的作用。在Huang等[14]的研究中，球形的介孔硅納米粒子與A375細(xì)胞共同培養(yǎng)后，表現(xiàn)出促進(jìn)細(xì)胞增殖的作用。

介孔硅納米粒子是一類(lèi)生物相容性較好的納米材料，對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)改性或修飾后，其生物相容性可進(jìn)一步提高。良好的生物安全性可以為介孔硅納米粒子在生物體內(nèi)的應(yīng)用提供保證，使介孔硅納米粒子更好地發(fā)揮作用，同時(shí)避免合成的外源性物質(zhì)對(duì)生物體產(chǎn)生毒性作用，確保其應(yīng)用的有效性和安全性。

2 介孔硅納米粒子在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 藥物傳輸 藥物傳輸應(yīng)實(shí)現(xiàn)靶向性，而靶向傳輸藥物的一個(gè)重要先決條件是將藥物分子轉(zhuǎn)運(yùn)至特定部位，同時(shí)不破壞藥物的結(jié)構(gòu)和功能[15-16]。在眾多載體中，介孔硅納米粒子得到了廣泛的關(guān)注，有研究將其應(yīng)用于藥物輸送系統(tǒng)的構(gòu)建及藥物動(dòng)力學(xué)研究，獲得了高效和持續(xù)的藥物釋放效果[17]。介孔硅納米粒子具有大比表面積和大孔徑容積，可以提供較高的載藥效率，介孔結(jié)構(gòu)還可以促進(jìn)藥物的溶解，同時(shí)具備化學(xué)穩(wěn)定性和惰性，為藥物負(fù)載和釋放提供了可控性[18-19]。Zhang等[20]使用介孔硅納米粒子作為疏水性藥物載體來(lái)改善替米沙坦的口服吸收效果，結(jié)果表明，與純藥物粉末相比，基于介孔硅納米粒子的載藥系統(tǒng)載藥率可達(dá)80%以上，替米沙坦的溶出速率提高20%左右，藥物的生物利用度也明顯提高。大多數(shù)抗腫瘤藥物的水溶性較差，可能限制其靜脈給藥的生物利用率，因此改善這些藥物分子的水溶性至關(guān)重要。Lu等[21]采用熒光介孔硅納米粒子負(fù)載抗腫瘤藥物喜樹(shù)堿殺傷腫瘤細(xì)胞，介孔硅納米粒子可以增強(qiáng)喜樹(shù)堿的溶解度，解決其溶解性低的問(wèn)題，還可以攜帶腫瘤靶向配體作用于腫瘤細(xì)胞進(jìn)行靶向治療，從而提高喜樹(shù)堿的抗腫瘤效率，減少對(duì)正常細(xì)胞的殺傷，降低藥物的不良反應(yīng)。結(jié)果表明，與對(duì)照組相比，介孔硅納米粒子負(fù)載喜樹(shù)堿組對(duì)腫瘤細(xì)胞的殺傷率更高。

2.2 生物成像及光動(dòng)力療法 將光學(xué)物質(zhì)修飾于介孔硅孔徑內(nèi)，可以使光學(xué)信號(hào)得到聚集與提高，在生物成像方面具有良好的應(yīng)用價(jià)值[22-23]。介孔硅納米粒子粒徑較小，并且透光性良好，可以搭載熒光染料應(yīng)用于體內(nèi)外生物成像研究[23]。Zhou等[24]將介孔硅納米粒子富集Mn摻雜的ZnSe量子點(diǎn)，用于體內(nèi)外熒光和核磁雙模態(tài)成像研究，同時(shí)改善了成像介質(zhì)熒光和核磁成像強(qiáng)度，在體外細(xì)胞成像和小鼠體內(nèi)成像中均獲得了較好的效果。鄭曉柯等[25]用介孔硅納米粒子包裹具有熒光成像功能的Cu摻雜CdS量子點(diǎn)和具有CT成像功能的BaHoF5納米材料，合成熒光和CT成像功能均顯著提高的雙模態(tài)成像探針，成功應(yīng)用于腫瘤細(xì)胞成像及小鼠活體成像。

近年來(lái)，有一些研究將量子點(diǎn)用于光學(xué)療法，但量子點(diǎn)的靶向性和可控性仍是亟需解決的難題。Wen等[26]的研究中，用介孔硅納米粒子包裹轉(zhuǎn)換發(fā)光材料NaYF4:Yb/Er，以維生素B12作為光感藥物，利用近紅外光可以穿透深層組織的特性，對(duì)生物體進(jìn)行成像及光動(dòng)力治療，使病變區(qū)域達(dá)到治療效果的同時(shí)還避免了對(duì)正常細(xì)胞的損害。Choi等[27]將磁性介孔硅納米粒子作為藥物載體和磁熱粒子，與可以產(chǎn)生局部光熱的石墨烯量子點(diǎn)復(fù)合，形成一種集藥物控釋、磁熱療法、光熱療法于一體的多功能復(fù)合體，并對(duì)該復(fù)合體的結(jié)構(gòu)、藥物釋放行為、磁熱和光熱作用以及協(xié)同治療效率進(jìn)行研究。結(jié)果表明，粒徑為100 nm的介孔硅納米粒子/石墨烯量子點(diǎn)復(fù)合體，可以負(fù)載阿霉素并在低pH值時(shí)釋放藥物；以乳腺癌4T1細(xì)胞作為研究對(duì)象，相較于單純的化療、磁療或光療方法，磁性介孔硅/石墨烯量子點(diǎn)復(fù)合體負(fù)載阿霉素的載藥系統(tǒng)可起到協(xié)同治療的效果，對(duì)腫瘤細(xì)胞的殺傷效率提高了20% ～ 45%，在腫瘤疾病的治療中具有很高的研究與應(yīng)用價(jià)值。

2.3 生物傳感器 目前，已有一些研究報(bào)道了基于介孔硅納米粒子生物傳感器的應(yīng)用。Chen等[28]將化學(xué)發(fā)光檢測(cè)技術(shù)與基于介孔硅的控釋系統(tǒng)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)出一種不會(huì)對(duì)化學(xué)發(fā)光系統(tǒng)本身造成影響且具有高敏感度的生物傳感器，成功應(yīng)用于檢測(cè)血清樣本中的可卡因含量。他們首先使帶正電荷的介孔硅納米粒子與帶負(fù)電荷的寡核苷酸相互作用，使寡核苷酸修飾于介孔硅孔道內(nèi)；可卡因與寡核苷酸具有高度的親和性，富集納米粒子遇到可卡因后，通過(guò)相互作用釋放葡萄糖。在葡萄糖氧化酶的催化下，釋放的葡萄糖與氧發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生葡萄糖酸和過(guò)氧化氫。過(guò)氧化氫可以增強(qiáng)溶液中發(fā)光醇的化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度，通過(guò)對(duì)熒光強(qiáng)度的檢測(cè)確定溶液中可卡因的含量。Li等[29]將鉑納米粒子和葡萄糖氧化酶負(fù)載于介孔硅納米粒子的孔道內(nèi)，合成產(chǎn)物憑借其高表面積及獨(dú)特的納米結(jié)構(gòu)富集了大量鉑納米粒子，因此具有較高的催化過(guò)氧化氫電還原反應(yīng)能力。這種基于介孔硅納米粒子的生物傳感器與傳統(tǒng)葡萄糖生物傳感器相比，具有可重復(fù)性、敏感度高、穩(wěn)定性好及反應(yīng)迅速等優(yōu)勢(shì)，是一種良好的新型生物傳感介質(zhì)。

2.4 組織工程 介孔硅納米粒子在組織工程中的研究主要集中于成骨分化和骨組織形成方面。大孔徑的介孔硅納米粒子可負(fù)載骨形成蛋白；氨基化的介孔硅納米粒子可裝載雙膦酸鹽藥物并與膠原蛋白水凝膠相結(jié)合，在間充質(zhì)干細(xì)胞中作為有效的基因傳遞工具，用于骨組織工程相關(guān)研究[30]?；诮榭坠杓{米粒子的組織再生材料獲得了長(zhǎng)期有效的藥物釋放效果，促進(jìn)了骨組織的形成。還有研究用介孔硅納米粒子負(fù)載地塞米松，轉(zhuǎn)移骨形成蛋白2，促進(jìn)了間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化[31]。

3 結(jié)語(yǔ)

研究表明，介孔硅納米粒子具備特殊的孔徑結(jié)構(gòu)，細(xì)胞毒性較低，生物安全性良好，在藥物傳輸、生物成像、生物傳感及組織工程中展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有重要的研究意義。雖然關(guān)于介孔硅納米粒子細(xì)胞水平的毒性表現(xiàn)已有大量研究，并且證實(shí)其良好的生物相容性，然而將介孔硅納米粒子廣泛應(yīng)用于臨床的診斷和治療還有很多工作要做。關(guān)于介孔硅納米粒子合成方法及粒徑大小對(duì)生物毒性的影響應(yīng)引起研究者們的關(guān)注，以期通過(guò)改性處理不斷提高其生物安全性。介孔硅納米粒子的合成及功能化修飾過(guò)程也需要繼續(xù)探索和創(chuàng)新，其在藥物傳輸及體內(nèi)成像方面的有效性也需要更多的研究來(lái)證實(shí)并完善[32]。基于介孔硅納米粒子的生物傳感及藥物輸送系統(tǒng)對(duì)于腫瘤治療技術(shù)的創(chuàng)新和新型抗腫瘤藥物的研發(fā)具有重要意義。目前的研究多集中于細(xì)胞實(shí)驗(yàn)，相關(guān)基礎(chǔ)研究只是創(chuàng)新與推廣中的一小步，將其應(yīng)用于臨床必須要保證足夠的生物安全性和有效性，未來(lái)仍需要更多體內(nèi)外研究的支持。