介孔二氧化硅納米在醫藥領域的應用進展*

喻紅梅，龔寧波，呂揚

(北京協和醫學院、中國醫學科學院藥物研究所、晶型藥物研究北京市重點實驗室，北京 100050)

二氧化硅(SiO2)是一種無毒、無污染的非金屬材料，但其密度大，比表面積小，故應用受到限制。介孔材料具有有序的孔隙結構，孔洞大小可精確調控，比表面積和孔體積大，吸附性強[1-3]，具有良好的應用前景。近年來，隨著納米技術迅速發展，納米制劑的制備方法不斷優化改進，納米藥物在醫藥領域的應用越來越廣泛。介孔二氧化硅納米顆粒(mesoporous silica nano,MSNs)因其具有高表面積，高穩定性，靶向性，高生物相容性等諸多優良特性，引起了醫學界的極大興趣，尤其是在抗腫瘤方面顯示出極大的應用優勢[4-5]。近年來，靶向和持續治療劑的概念已轉變為觸發藥物釋放，從而迎來了“按需”藥物遞送時代，中空介孔SiO2由于其可調節的表面功能已出現在觸發釋放系統的最前沿[6]。本文綜述了MSNs的制備方法，在醫藥領域以及天然產物分離、運輸及改性等方面的應用，旨在為MSNs在醫藥領域的進一步應用提供參考。

1 制備方法

目前SiO2制備方法主要有硬模板法和軟模板法。硬模板法是利用有機/無機微球作為模板，SiO2在模板表面組裝形成核殼微球，除去模板后即可得到中空介孔微球，但此種方法所得材料的粒徑分布窄，且硬紙板除去過程中容易發生殼缺陷；硬模板法也可稱為干法，包括氣相法和電弧法。軟模板法是以囊泡、乳滴、液滴等液體為模板，通過靜電作用使SiO2自我組裝形成中空介孔微球，煅燒或溶劑去除模板后得到中空納米材料，軟模板的制備和去除都非常方便，但其結構受溶劑和濃度的影響較大，且軟模板在溶液中濃度較低，不適合大量制備。軟模板法也稱作濕法，包括沉淀法、溶膠凝膠法、微乳液法、超重力反應法、水熱合成法和Stober法。

Stober法是將正硅酸乙酯加入到乙醇和氨水中生成納米硅顆粒的方法。KOBAYASHI等[7]研究了正硅酸乙酯和氨濃度對二氧化硅納米顆粒粒徑的影響，發現SiO2顆粒的尺寸隨正硅酸乙酯和氨濃度的增加而增加。

溶膠凝膠法是將硅酸酯與乙醇按一定比例制備成均勻的混合液，攪拌下緩慢加入去離子水調節溶液pH值，再加入合適的表面活性劑攪拌均勻，從而制得納米硅顆粒的方法。LUO等[8]以正硅酸乙酯為前驅體，采用溶膠凝膠技術制備SiO2納米粒子，再用硅烷偶聯劑，即十六烷基三甲氧基硅烷，二甲氧基二苯基硅烷對這些SiO2納米粒子進一步改性，以在SiO2納米粒子的表面上引入有機官能團，從而制得具有某種特性的納米硅顆粒。

沉淀法是以水玻璃和無機酸為原料，加入合適的表面活性劑，沉淀合成，干燥煅燒后即制備成SiO2納米粒子。氣相沉淀法是以硅烷鹵化物為原料，高溫水解生成氣相SiO2，與氣體形成溶膠，聚集，脫酸處理后即得到SiO2納米顆粒。崔媛等[9]采用共沉淀法制備出具有磁性的SiO2納米微球，可實現藥物傳輸及熒光標記診斷方面的磁導向，且在SiO2表面仍可繼續修飾一些功能基團，有望成為一種多功能性優良藥物載體材料。

微乳液法是先制備出含一種反應物的微乳液，再往微乳液中加入另一種反應物，擴散，透過表面活性劑膜層，向反膠束中滲透，兩種反應物相遇后發生反應，破乳、洗滌、過濾、干燥、煅燒，得到SiO2納米粒子。魏偉等[10]利用反相微乳化法制備了5-氟脲嘧啶緩釋納米顆粒，對人肝癌細胞具有明顯的抑制效果。

水熱合成法是梁旭華等[11]以十六烷基三甲基溴化銨為模板，正硅酸乙酰為硅源，采用水熱合成法制備MSNs——優良的緩控釋藥物載體。

2 納米二氧化硅在醫藥領域的應用

2.1用于疾病的診斷 氨基官能化的介孔SiO2材料是有效的脫氧核糖核酸吸附劑，DNA吸附在固體材料上可用于疾病的遺傳診斷，基因傳遞和生物傳感器等領域[12]。MSNs可以作為磁共振造影劑應用于疾病的診斷，有望實現診療一體化[13]。張澤芳等[14]將氧化硅的前驅體與三嵌段共聚物連接成較小粒徑的SiO2-共聚物雜化納米體系，并與疏水材料自組裝，構建了極穩定的近紅外發光納米探針，可用于小動物的整體熒光成像和前哨淋巴結成像，在疾病診斷領域有良好的應用前景。

2.2用于疾病的治療

2.2.1腫瘤治療 化療是當前腫瘤治療主要手段之一。MSNs在腫瘤治療領域具有許多優良特性，如pH敏感性可用于定位治療[15]；化療與熱療聯合可提高治療效率[16]；SiO2納米粒表面基團功能化可有助于藥物精準釋放。

①pH響應的定位治療。多柔比星(DOX)介孔SiO2納米粒載藥系統二氧化硅(DOX-MSN)具有顯著的藥物緩釋作用和pH敏感性[17]，能在腫瘤細胞內部長時間滯留并緩慢持續釋放藥物。金新天等[18]先用氨基修飾載DOX的SiO2，海藻酸與表面氨基結合對介孔進行封堵以抑制藥物的釋放，從而可減少對正常細胞的影響。腫瘤細胞中環境偏酸性，此時海藻酸與氨基的靜電作用減弱，海藻酸從介孔脫落，抗腫瘤藥物順利釋放，最終達到治療腫瘤的目的，此方法有望解決化療藥物的全身不良反應以及長期用藥引發的耐藥性問題。曹杰等[19]選擇帶負電荷的、溶解度和分子結構對pH均十分敏感的聚丙烯敏(PAA)作為封堵分子，采用靜電吸附的修飾方法，將PAA修飾在氨基化的MSNs表面，制備了pH響應的MSNs。梁櫻等[20]實驗采用多巴胺在高負載性的中空介孔SiO2表面聚合形成一層對pH敏感的薄膜，研究結果顯示中空介孔SiO2比MSNs具有更高的載藥率與釋放速度，且可達到可控釋放，在酸性環境下釋放量遠超過堿性環境。吉西他濱作為一種抗癌藥物被加載到Fe3O4-RF-mSiO2微球的中孔中，發現微球表現出pH響應特性，此研究為有效評估磁性核-殼微球在藥物輸送和癌癥治療中的應用提供了有效途徑[21]。

②化療與熱療聯合的高效治療。熱療是通過擾亂細胞膜或使蛋白變性，引發腫瘤細胞不可逆損傷，達到治療腫瘤的目的[22]。史嫣楠等[23]以表面活性劑為模板，在金納米星(gold nanostar,GNS)表面生長介孔二氧化硅(mSiO2)，合成GNS-mSiO2，用GNS-mSiO2運載抗腫瘤藥物DOX。酸性介質中，近紅外光照射下，GNS可將光能轉化為熱能，細胞內蛋白變性被殺死，且隨著溫度升高運載藥物DOX的釋放率大大提高，因此達到熱療與化療聯合治療的效果。金新天等[18]將透明質酸(hyaluronic acid,HA)通過酰胺鍵結合在介孔硅表面充當“門衛”，使得所載藥物在正常環境中不釋放，HA可有效識別結合表達CD44的腫瘤細胞，腫瘤細胞中富含HA酶，可降解HA，藥物載體在HA酶作用下實現選擇性釋放，達到靶向給藥的目的。除此之外，此系統在近紅外光照射下將光能轉化成熱能，結合光熱治療和化學治療，提高腫瘤治療效率，有望解決化療藥物的全身毒副作用和長期用藥引發的耐藥性問題。

③納米二氧化硅基團功能化的精準治療。HA官能化的中空介孔SiO2納米顆粒呈現出更高的細胞攝取能力和腫瘤細胞毒性，該給藥系統在癌癥治療領域具有巨大的潛力[24]。ZHAO等[25]將帶正電的聚乙烯亞胺納米顆粒通過二硫鍵接枝到中空介孔SiO2的孔口上，作為“守門人”將藥物捕獲在空心腔內。進一步將HA嫁接到中空介孔SiO2表面，載有中空介孔SiO2納米顆粒表現出氧化還原和酶雙重響應藥物釋放特性，且表現出優異的熒光性質和生物相容性。CHO等[26]用對溫度敏感的PEG / PCL多嵌段共聚物作為“守門員”對MSN進行了功能化，從而可以響應熱休克刺激釋放截留的藥物。DOX的釋放是由于對熱激刺激的“守門員”PEG / PCL結構的松動。LIU等[27]將苯基硼酸綴合的人血清白蛋白嫁接到MSNs表面作為密封劑，建立腫瘤微環境響應性藥物傳遞體系。

2.2.2抗菌治療 SiO2微球表面可自動吸附和還原銀離子，以其為載體，可合成綠色可循環使用、抑菌活性良好的SiO2銀納米材料[28]。利用SiO2包裹納米銀膠，再對SiO2/納米銀微球表面進行疏水性基團修飾，制備親油性SiO2/納米銀微球，應用于抗菌大理石中，能明顯提高大理石的抗菌活性值[29]。李炳坤等[30]以正硅酸乙酯為硅源，十六烷基三甲基溴化銨為表面活性劑，在氨水催化下制備得到樹枝狀SiO2微球，負載納米銀，抗菌效果大大提升。

2.2.3用于其他疾病的治療 研究表明使用二氧化鈦涂層的MSNs將藥物遞送至脈管系統可作為治療心血管疾病的臨床干預手段[31]。JIANG等[32]用氨基修飾中孔SiO2顆粒，金屬離子配位到中孔表面后，胰島素通過與金屬離子的配位鍵結合被加載到中孔SiO2顆粒上，可作為胰島素的pH敏感釋放載體。脂質-聚合物雜化納米顆粒用于利多卡因的遞送，可以作為局部麻醉治療中利多卡因負荷的有效藥物系統[33]。

3 用于天然產物的分離、運輸及改性

許多天然產物本身具有很好的生物活性，有望作為藥物的先導物進行開發研究，但水溶性極低、快速的系統清除、極易降解等特性，極大降低了它們的生物利用度，限制了臨床應用。用SiO2納米材料運載這些藥物，可提高藥物溶解度，改善穩定性，擴展其應用范圍。以分子-印跡技術為原理，采用溶膠-凝膠法，制備白藜蘆醇SiO2納米粒表面分子印跡聚合物，對白藜蘆醇具有較高的選擇性和吸附性，可用于選擇性分離富集白藜蘆醇[34]。顧小麗等[35]研究發現相比沉淀聚合，SiO2納米粒表面聚合和介孔分子篩表面聚合法合成的黃芩苷分子印跡聚合物對黃芩苷具有最強的吸附能力，可用于高效分離富集黃芩苷。李娜等[36]制備的姜黃素MSNs載藥系統顯著改善了難溶性姜黃素的溶出度和溶出速率，為提高水難溶性藥物的生物利用度提供了思路。

4 結論與展望

MSNs已廣泛應用于藥物遞送、疾病診斷、疾病治療等領域，在實現緩控釋藥物釋放、聯合治療以及精準治療等方面表現出巨大的潛力，有望成為抗腫瘤藥物研發的重點。盡管MSNs有多種優良特性，但其安全性和生產方面仍存在較多不確定性：①目前針對(修飾后)MSNs 的急性毒性和慢性毒性的研究尚不透徹，除進行動物安全性實驗外，還需增加人體內安全性實驗，為MSNs在生物醫藥領域的應用提供保障；②MSNs 雖有較高的載藥量，但目前大規模生產是一個難題，亟待解決；③目前對于不同作用類型的MSNs的生物學評價還不夠完善，有待進一步研究與評價。