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介孔二氧化硅纳米颗粒应用于可控药物释放
摘 要 通过对介孔二氧化硅纳米粒子(MSN)载药机理、药物控释机理（PH响应、光响应、温度响应、酶响应及竞争性结合响应）、靶向方法（配体靶向、磁靶向、量子点应用于靶向）的介绍，对 MSN 在可控药物传输系统中的应用加以综述。
关键词 介孔二氧化硅纳米粒子； 药物传输； 控制释放； 靶向；量子点。
近年来，介孔材料由于其独特的优异性能成为了研究开发的热点，在催化、吸附分离、药物释放等领域的应用前景更使其备受关注。1992年，Kresge等，首次在Nature杂志上报道了一类以硅铝酸盐为基的新颖的介孔氧化硅材料，M41S，其中以命名为MCM-41的材料最引人注目其特点是孔道大小均匀 、六方有序排列、孔径在1。5-10nm 范围可以连续调节，具有高的比表面积和较好的热稳定及水热稳定性 ，从而将分子筛的规则孔径从微孔范围拓展到介孔领域 这对于在沸石分子筛中难以完成的大分子催化 、吸附与分离等过程 ，无疑展示了广阔的应用前景。
可控药物传输系统可以实现药物在病灶部位的靶向释放，有利于提高药效，降低药物的毒副作用，在疾病治疗和医疗保健等方面具有诱人的应用潜力和广阔的应用前景，已成为药剂学、生命科学、医学、材料学等众多学科研究的热点[1-6]。许多药物都具有较高的细胞毒性，在杀死病毒细胞的同时，也会严重损伤人体正常细胞。因此，理想的可控药物传输系统不仅应具有良好的生物相容性，较高的载药率和包封率，良好的细胞或组织特异性——即靶向性；还应具有在达到目标病灶部位之前不释放药物分子，到达病灶部位后才以适当的速度释放出药物分子的特性。
介孔SiO2纳米粒子(mesoporous silica nanoparticles，MSN)具有在2～50 nm范围内可连续调节的均一介孔孔径、规则的孔道、稳定的骨架结构、易于修饰的内外表面和无生理毒性等特点，非常适合用作药物分子的载体。同时，MSN 具有巨大的比表面积(＞900 m2/g)和比孔容(＞0。9 cm3/g)，可以在孔道内负载各种药物，并可对药物起到缓释作用，提高药效的持久性。因此，近年来 MSN 在可控药物传输系统方面的应用日益得到重视，本文通过对 MSN 载药机理[7]、药物控释机理[8]和靶向方法[9-14]的介绍，对 MSN 在可控药物传输系统中的应用[15-17]加以综述。
1、介孔二氧化硅纳米颗粒
1992年，Kresge等首次合成出MCM-41型介孔分子筛，这种具有规则孔道结构的介孔纳米微球立即吸引了广泛的关注，并得到了快速的发展。MSN是利用有机分子(表面活性剂或两亲性嵌段聚合物)作为模板剂，与无机硅源进行界面反应，形成由二氧化硅包裹的规则有序的组装体，通过煅烧或溶剂萃取法除去模板剂后，保留下二氧化硅无机骨架，从而形成的多孔纳米结构材料。通过选择不同的模板剂和采用不同的合成方法可得到不同结构特征的介孔材料。
1。1 MSN的生物相容性
MSN 要在可控药物传输系统中取得实际应用，首先要考虑的一个问题就是其生物相容性。Lin 课题组研究了MSN对动物细胞的生存能力和繁殖能力的影响， 结果表明当 MSN 浓度低于每 105个细胞 100 μg/mL 时，细胞的生存能力和繁殖能力基本不受影响，即使在第 7 个细胞周期也是如此，他们还通过选择性DNA染色结合流式细胞仪分析，发现细胞吸收MSN后仍旧保留了完整的细胞膜，显微镜观察可以看到细胞形态正常，3-(4，5-二甲基噻唑-2)-2，5-二苯基四氮唑溴盐比色法(MTT)测试结果表明线粒体活性仍然处于正常水平，虽然 MSN 的长期生物相容性与生物降解性还没有得到深入的研究，但最近的一篇报道显示，硅胶植入动物体内后，在长达 42 d 内未显示任何毒副作用。因此可以认为，MSN 具有良好的生物相容性， 可以用作药物载体。
1。2 MSN的细胞内吞
Hoekstra 等研究发现非噬菌类真核细胞可以内吞尺寸达 500 nm 的乳胶粒子，内吞效率随着粒子尺寸的减小而增加， 当粒子尺寸在 200 nm 左右或更小时吸收效率最高，但未观察到粒径大于1 µm的粒子的吸收。 MSN 具有在 50～300 nm 范围内可调的粒径，这使得MSN 可以通过内吞方式进入细胞，有效地将药物输送到细胞内。
细胞吸收通常是靠被吸收物质与细胞膜结合受体(如低密度脂蛋白或转铁蛋白受体)之间的特定结合力来实现的。但是没有相应受体的物质，仍能通过细胞内吞或胞饮作用而被吸收。MSN与磷脂之间有较强的亲和力，可以通过这种高亲和力吸附在细胞表面，进而发生细胞内吞。体外细胞试验结果表明 MSN 可以有效地被各种哺乳动物细胞内吞，如癌细胞(HeLa， CHO， lung， PANC-1)、非癌细胞(神经胶质、肝、内皮)、小噬细胞、干细胞(3TL3， 间叶细胞)等 MSN 的内吞过程(如图1所示)非常快，通常引入MSN 30 min后，即可在细胞内观察到被内吞的MSN。

图1 HeLa 细胞内吞 MSN 的TEM照片
为了弄清细胞内吞 MSN 的机制，科学家们做了更进一步的研究。 Mou 等研究了3T3L1 和间叶干细胞内吞荧光标记的 MSN 的过程， 发现其内吞作用是通过网格蛋白介导的途径进行的，并且粒子能够逃脱内溶酶体囊泡。用不同官能团修饰 MSN 的外表面，还可以控制MSN的吸收效率和吸收机制，Lin等发现用特定基团(如叶酸)修饰 MSN 的外表面，可以显著提高 MSN 的细胞吸收效率； 用带电荷的官能团修饰 MSN 的外表面，能够提高吸收效率，增强粒子逃脱内溶酶体的能力。上述实验结果表明，外表面的官能化对 MSN 进入细胞的途径有很大影响。目前，大多数人认为网格蛋白介导的内吞作用是非官能化 MSN 和绝大多数官能化 MSN 进入细胞的主要途径，而叶酸改性的 MSN 则是通过叶酸受体介导的内吞作用进入细胞，胺和胍基官能化的MSN 则可能是通过一种与网格蛋白和细胞质膜微囊无关的内吞机制进入细胞。
2、 MSN药物传输系统的药物负载
作为载药系统的纳米微粒可分为以下 6 种类型：微乳、生物可降解高分子纳米粒、脂质体、固体脂质纳米粒、磁性纳米粒和基因转导的纳米颗粒。它们各有特点适于不同制剂的开发，例如，微乳作为载药系统，可以增加难溶性药物的溶解度，提高水溶性药物的稳定性，提高药物的生物利用度，同时具有药物的缓释性和靶向性，并且适于工业化制备。微乳具有高扩散性和皮肤渗透性，使其在透皮吸收制剂的研究方面得到极大关注。生物可降解纳米颗粒可以改变药物的体内分布，具有控释性和靶向性，增加药物的稳定性 ，提高药物的生物利用度，特别适用于多肽和蛋白质等基因工程药物口服剂型的研究。脂质体载药系统同样具有药物的缓释性和靶向性，增加药物在体内和体外的稳定性，降低药物毒性，提高药物治疗指数，特别是脂质体结构的可修饰性，使开发具有特殊功能的载药系统如隐形脂质体、免疫脂质体成为可能。固体脂质纳米粒的显著特点：一是采用生理相容性好的低毒类脂材料为载体；二是可采用已成熟的高压乳匀法进行工业化生产，同时固体脂质纳米粒载药系统还具有控释性、靶向性、较高的载药量及改善药物的稳定性等优点。磁性纳米粒载药系统，可以通过外加磁场将药物导向靶位，适用于潜表部位病灶或外加磁场易触及部位病灶的诊断和治疗。纳米载体介导的遗传物质能高效地进入靶细胞，并且不易被血浆或组织细胞中各种酶所破坏。因此基因能透过核膜进入细胞核，并整合于染色体 DNA 中，从而获得转基因的高效稳定表达而发挥治疗作用。
载药过程通常是将载体浸泡在高浓度的药物溶液中，然后分离、干燥。载体对药物的吸附能力决定了载药能力。MSN的孔径大小决定了能够进入孔道内的药物分子的大小，因此，MSN 的药物吸附主要由粒子的孔径大小决定。一般情况下，只要 MSN 的孔径稍大于药物分子的尺寸(即孔径/药物尺寸＞1)就足以将药物吸附到孔内。 MSN吸附药物的能力主要来源于介孔表面与药物之间的氢键作用、离子键相互作用、静电相互作用和疏水性相互作用等。 MSN的比表面积和比孔容对载药量的影响很大，在孔径允许的情况下， 比表面积越大吸附药物的量也就越大。Vallet-Regi 等研究了两种比表面积不同的MSN(MCM-41和SBA-15，比表面积分别为 1157 和 719 m2/g)负载药物阿仑膦酸的情况，发现它们的最大载药量分别为 139 和 83 mg/g。药物与介孔表面的相互作用是负载药物的主要推动力，然而，在载药过程中还可能产生药物与药物之间的弱相互作用，这种作用将导致药物将整个介孔填满，从而使得载药率大大提高。因此，比孔容也是决定药物负载量的一个关键因素。Azais 等发现连续几次负载药物可以有效地提高 MSN 的最大载药量，这是由于药物分子间的弱相互作用可以使介孔得到最大限度的填充，因此， 大的比孔容可以产生更大的载药量。
3、 MSN药物传输系统的药物控释
对于药物传输系统来说，药物的释放往往是更重要的环节。药物释放可分为不可控释放和可控释放两种，两者的区别在于：在不可控释放情况下，药物传输系统进入介质后，即开始释放药物，药物的释放地点和速度不可控制；在可控释放情况下，可以有目的性地控制药物的释放地点和速度。随着科技的发展和人们对治疗水平要求的提高，药物传输系统逐渐由不可控释放向可控释放发展。在早期的 MSN 药物传输系统研究中，主要是通过改变 MSN 的结构参数，如孔径、比表面积和比孔容来实现对药物的控制释放。随着研究的深入，基于环境响应性的药物控释逐渐成为研究的热点。
3。1 基于MSN 结构参数的药物控释
早期的 MSN 药物传输系统主要利用材料的高比表面积和比孔容来负载药物，药物仅简单地吸附在介孔内，主要靠孔径或孔的形态来实现药物的控制释放。。2001 年，Vallet-Regi 等首次研究了两种不同孔径的MCM-41型MSN对药物布洛芬(IBU)的负载情况，并研究了其在模拟体液中的释放行为，研究结果表明MCM-41 具有较高的载药量，可以延长药物的释放周期，并且随着孔径的增大，药物的释放速率加快。孔径可以控制药物的动力学释放过程，这一概念不仅适用于 2 维六方孔道结构的 MCM-41，对于具有3维六方孔道结构的MCM-48介孔材料也同样适用此后，这方面的工作陆续展开，曲凤玉等将药物Captopril 和 IBU 分别负载于 MCM-41 的孔道中； Andersson 等将 IBU 负载于 SBA 系列的介孔材料中。这些研究发现药物的释放速率不仅与孔径有关，还与介孔的其它性质有关， 如孔的连通性、几何形态等。
Lin 等研究了 MSN 的孔和粒子形态对药物控释性能的影响， 他们使用了一种特殊的模板剂室温离子液体(room-temperature ionic liquid， RTIL)，以这种模板剂合成出相应体系的MSN (RTIL-MSN)来研究抗菌剂的控释。他们制备了一系列具有不同粒子形态的RTIL-MSN 材料，包括球形、椭圆形、棒状和管状。通过改变 RTIL 模板可以得到不同形态的孔道结构，例如MCM-41 型的六方孔道、Moiré 型螺旋孔道、蠕虫状孔道。这种孔内封装离子液体的MSN， 其控释能力可通过测量它们对大肠杆菌 K12 的抗菌效果来研究。结果显示，具有球形、六方孔道的RTIL-MSN与管状、虫洞状孔道的RTIL-MSN相比具有更好的抗菌活性。这一结果可以归因于平行六方孔道与无序的虫洞孔道相比，从前者扩散释放出RTIL的速率更快。这项工作表明了MSN的形态对控释行为的重要性。通过改变 MSN 表面性质的方法来控制药物的释放有两种不同的方法:改变 MSN 的比表面积；或通过表面官能化的方法在表面修饰一些小分子以改变药物与表面之间的作用力。MSN 表面具有丰富的硅羟基，可以通过硅烷偶联剂修饰上不同的官能团，因此对 MSN 进行表面官能化修饰是常用的改变MSN表面性质的方法，图 2总结了常用的修饰官能团和相对应使用的药物。 Vallet-Regi等研究发现不同官能团修饰的MCM-41对药物布洛芬吸附和释放的性能有很大影响，这主要是因为修饰的官能团与药物的特定基团之间会产生氢键、静电或疏水性等相互作用所引起的。Zhu， Song， Zeng等分别采用3-氨丙基三乙氧基硅烷(APS)后修饰方法和一步法制备了氨基修饰的 MSN，并用不同药物对修饰后的 MSN 的载药和释药行为进行了研究。结果发现氨基修饰能显著提高 MSN 的载药率， 延长释放周期；并且发现一步法对延长水溶性药物 BSA 和阿司匹林的释放周期较好，而 APS 后修饰法对延长非水溶性药物 IBU 的释放周期较好。 Tang 等用羧基化的 MSU型 MSN 负载药物法莫替丁， 法莫替丁分子中的氨基可与羧基产生电荷相互作用，从而实现药物的有效负载，研究发现修饰的羧基量是影响载药量的关键因素，体外实验表明该载药系统缓释效果明显。Sousa 等用胶原质修饰SBA-15型MSN，胶原质能够对药物阿替洛尔的释放起到阻碍作用，缓释效果更加明显。上述结果说明，可以选择性的对 MSN 表面进行功能化，修饰不同的官能团，从而实现对不同药物的负载和控制释放。

图2 常用的MSN 表面官能化基团和在这些体系中使用的一些药物的结构
3。2 基于刺激响应性的药物控释
在使用一些具有较强细胞毒性的药物时，常常要求在到达病灶部位之前做到药物“零释放”，以减小药物的毒副作用。而早期的药物传输系统都不具备这一特点，都还仅仅停留在缓释阶段。2003 年， Lin 等创造性地设计合成了以 MSN 为基础的刺激响应性药物传输系统，真正实现了对药物的控释。此后这类药物传输系统得到了深入的发展，表 1 总结了目前为止发表的以MSN 为基础的这种可控药物传输系统。这些系统利用各种化学实体(如纳米粒子、有机分子、超分子组装体)作为“门卫”(gatekeepers)，在一定外界环境(如光、pH、 还原剂等)的刺激下发生反应，从而实现对药物分子的控制释放。
表1 具有“门卫”的 MSN 类刺激响应性体系

肿瘤组织的温度比正常组织稍高，pH 比正常组织稍低，并且不同组织所处的 pH 环境也不同。因此， 在“门卫”型药物控释传输系统盛行的同时，具有 pH和热响应型的药物控释传输系统也成为了人们研究的热点。
3。2。1 基于介孔二氧化硅的pH响应用于药物控释[18]
R Casasus等利用(EtO)3SiCH2CH2CH2(NHCH2CH2)NH2在MCM-41的外出口处引人了pH敏感开关，其作用机理如图3所示。在低pH值的水溶液中，MCM-41外表面碳链上的氨基被质子化，在静电排斥的作用下，碳链分开将阀门关闭；在高pH值的水溶液中，凝胶外表面碳链上的氨基被去质子化，在氢键和疏水作用下，含氨基的碳链聚集在一起使阀门打开。靠控制溶液的pH值可控制阀门的完全开关及开关程度，从而进行有效的可控释放[10]。

图3 基于MCM-41的用于可控释放的pH敏感开关示意图
3。2。2基于介孔二氧化硅的光响应用于药物控释[19]

利用有机衍生的金纳米颗粒（PR-AuNPs）封闭介孔二氧化硅（MSN）孔道，并且在PR-AuNPs上修饰一个光敏元件（photoresponsive linker）TUNA，通光特定的激发光来控制介孔二氧化硅孔道的打开，以应用于对药物释放的控制，如图4所示：

图4。 PR-AuNPs-MSN控制药物释放原理图
3。2。3基于介孔二氧化硅的温度响应用于药物控释
当温度小于LCST时，布洛芬和介孔材料形成氢键而被捕获，当温度大于LCST时，布洛芬和介孔材料形成氢键被打断，从而释放到颗粒外面。肿瘤组织的温度比正常组织稍高，利用这种载体结构可能能实现抗肿瘤药物的可控和靶向释放。

图5 温度响应型纳米复合材料MCF-PNIPA控制释放机理图
3。2。4基于介孔二氧化硅的酶响应用于药物控释[20]
猪肝酯酶催化起塞子作用的酯水解，从而致使β-CD脱离，进而孔内的药物得以释放。如图6示：

图6。 Synthesis and Activation of Enzyme Responsive Snap-Top System
3。2。5基于介孔二氧化硅的竞争性结合响应用于药物控释[21]
连接有多孔MCM-41二氧化硅纳米颗粒的DB24C8超纳米分子，当金属阳离子与其发生竞争性结合时，超纳米分子与二氧化硅颗粒的结合被打破，从载体上脱落，从而孔内的药物释放出来。如图7示：

图7。 竞争性结合开关的作用原理示意图
4、 MSN药物传输系统的靶向功能
理想的药物传输系统，不仅要具备良好的控释能力，而且要具备能将药物准确地输送到病灶部位的能力。在恶性肿瘤治疗中， 这一点显得尤为重要，准确的靶向不仅可以提高药物的治疗效果， 还可以大大减小药物对正常细胞和组织的毒副作用。 目前，对于具有靶向功能的药物传输系统的研究主要集中在配体靶向和磁靶向方面。配体靶向是指利用抗体或特定配体的细胞靶向，它依赖于靶向剂与细胞表面抗体的选择性结合，从而引起受体介导的细胞内吞。叶酸是目前研究得比较广泛和深入的配体靶向，这是由于绝大多数的癌细胞表面其叶酸受体均表达过度，如卵巢、子宫内膜、直肠、乳腺、肺、肾、神经内分泌癌、源于上皮癌的脑异位癌等。 Rosenholm 等用超支化聚乙烯亚胺(PEI)修饰MSN的外表面，再利用MSN表面的氨基修饰荧光分子FITC 和叶酸配体，得到了一种同时具有标记和靶向功能的药物传输系统，几种不同叶酸受体表达水平的细胞对粒子的内吞实验结果显示，叶酸受体表达多的癌细胞，其粒子内吞数量是正常细胞的五倍多。
4。1 配体靶向给药
　　 在肿瘤治疗的过程中，为降低药物的不良反应，提高药效，寻找有效的药物靶向传递系统已成为肿瘤生物治疗的研究热点之一。随着细胞分子生物学的不断发展，在肿瘤细胞表面或肿瘤相关血管发现了一系列受体，其在肿瘤组织过度表达并与肿瘤生长增殖密切相关。以肿瘤细胞表面特异性或过度表达的受体为靶点，利用受体和配体的特异性反应，将配体与药物结合，配体发挥导向物作用，将药物靶向递送到肿瘤细胞 (或组织 )，实现主动靶向释药，可以提高特定部位的药物浓度。引入能被病灶靶细胞特异识别的独特配体的药物传递系统 ，称之为配体靶向药物传递系统 ( ligand2 drug delivery system，LDDS)。LDDS将药物运输到细胞表面 ，导向配体与细胞表面表达的受体识别和相互作用，受体介导内吞释放药物，从而特异性地杀伤肿瘤细胞，这种在肿瘤治疗中以细胞表面受体为靶点的配体靶向治疗引起人们的广泛关注。
4。2 磁靶向给药
磁靶向药物传输系统(Magnetic targeted drugs de-livery system， MTDDS)是近几年发展起来的一种新型靶向药物传输系统。磁性粒子和 MSN 结合的形式一般分两种: 一种是以磁性粒子为核，介孔二氧化硅为壳；另一种是磁性粒子通过一定的化学作用吸附到MSN表面。Wu 等首先合成了一种以微米级 Fe3O4 为核，介孔二氧化硅为壳的具有核-壳结构的磁性MSN复合粒子，开启了磁性粒子与介孔二氧化硅结合的热潮。Giri 等制备了一种用超顺磁性氧化铁纳米粒子封孔的介孔二氧化硅纳米棒，该体系中氧化铁粒子不仅起到药物靶向的作用，还充当控制药物释放的“门卫” Liong 等以氧化铁晶体为核，介孔二氧化硅为壳，并继续在外表面修饰上一层亲水的磷酸根、叶酸配体和荧光分子，得到的载药系统在靶向能力提高的同时，还具有荧光成像的功能。
4。3量子点用于靶向药物开发治疗
传统的荧光分子染料作为标记试剂，每种试剂需要特定的偶联方法，而用量子点作标记物对生物大分子标本的活性无伤害，且与生物大分子的偶联方法比较单一。因此利用量子点实现靶向药物开发治疗成为了研究热点。
量子点是一种新型小分子荧光染料[22-24]，又称为半导体纳米微晶体，是一种三维尺寸都限制在纳米级单位内的新型荧光材料，通常为核壳结构，其核心为具有高发光效率的半导体物质，外包一层硫化物。该结构提高了量子的化学性能和光学性能[25]，使其在医学领域有着广阔的应用前景。
通过溶胶凝胶法制备得到磁性介孔二氧化硅球，增加模板剂C18TMS的量，介孔硅球的比表面积随之增。加对介孔微球表面进行巯基功能化修饰后，利用介孔二氧化硅球表面的巯基对不同粒径的CdTe量子点进行吸附，比较了介孔二氧化硅球的荧光发射谱与纯量子点的荧光发射谱。当量子点尺寸较小时，介孔球的荧光发射峰与量子点的荧光发射峰相差不大；当量子点的平均尺寸略大于最可几孔径时，只有较小粒径部分的量子点能够进入到介孔二氧化硅球中，所以荧光发射峰向短波长方向移动；当量子点的尺寸远大于介孔的孔径时，量子点无法进入到介孔球中，就无法观察到相应的荧光发射谱。因此，以量子点为码尺，通过介孔微球对不同尺寸的量子点的吸附可以对介孔球的孔径大小进行近似估计。将量子点看作模型药物，则介孔微球对相当尺寸的小分子药物能实现装载，结合介孔微球的磁响应，这类介孔微球可望用做磁靶向给药系统。
5、总结与展望
MSN 以其独特的性能，在生物医药等领域显示出了诱人的应用前景，必将会给临床治疗手段和药物治疗带来突飞猛进的进步。目前， 关于 MSN 类药物传输系统的研究越来越多，不管在控制 MSN 的形态、稳定性和分散性上，还是设计新颖的靶向、控释药物输送体系上， 都取得了巨大的成就。人们不再满足于合成单一功能的 MSN 药物传输系统，逐渐向制备集成像、靶向、多重环境相应性控释为一体的多功能复合微球转移，如引入量子点或荧光分子使微球具有成像和跟踪标记功能，引入磁性粒子使微球具有磁分离、靶向和共振的功能。
虽然 MSN 药物传输系统已经取得了许多成绩，显示了其在未来应用中的潜力。但要想进一步取得实际应用，仍有许多问题需解决。 例如，MSN 材料的体内研究仍未深入展开，关于材料在血液中的流通性能、可能引发的免疫反应、在肝脏或某些组织中是否有可能发生积聚等重要问题仍有待于探索；MSN 材料在体内的长期生物相容性有待于深入研究；基于 MSN 药物传输系统的药物控制释放仍有待于扩展和深入研究。尽管还存在许多问题，但我们相信，会有更多新的合成方法和巧妙的设计产生，赋予 MSN 更多的功能，来一一解决这些问题。这些问题的解决也将推动 MSN药物传输系统一步一步走向实际应用。
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