有序介孔材料在藥物及基因傳遞中的應(yīng)用研究進(jìn)展

1、藥 物 生 物 技 術(shù)Pharmaceutical Biotechnology 2008, 15(4 :313315有序介孔材料在藥物及基因傳遞中的應(yīng)用研究進(jìn)展 3曹 霞 , 余江南 , 徐希明 3(江蘇大學(xué)藥學(xué)院 , 江蘇 鎮(zhèn)江 212013摘 要 查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行總結(jié)和歸納 , 介紹了有序介孔材料的分類及特點(diǎn) , 并分析了影響有序介 孔材料孔徑大小的因素 , 概括了常用的表征方法 , 重點(diǎn)闡述了介孔材料在藥物及基因傳遞中的應(yīng)用 。有序介孔 材料具有比表面積大 , 孔徑結(jié)構(gòu)均一 、 可調(diào)等優(yōu)良的理化性能 , 作為藥物載體 , 既有較高的載藥量 , 又能獲得理想 的藥物緩釋效果 ; 作為

2、基因載體 , 能很好地與 DNA 結(jié)合 , 并利于基因傳遞和表達(dá) ?；騻鬟f中發(fā)揮出越來越大的作用 。關(guān)鍵詞 有序介孔材料 ; 載體 ; 藥物 ; 基因 ; 應(yīng)用中圖分類號(hào) :TQ321 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A2( 0420313204 有序介孔材料是 20世紀(jì) 90介孔結(jié)構(gòu)材料。 1992年美國(guó) , 首次運(yùn)用 孔徑大 小可調(diào)的介孔材料 ,道形狀不規(guī)整、 , 現(xiàn)已在大分子吸附、 色譜 分離、 化學(xué)傳感器、 生物醫(yī)藥以及納米材料的合成等領(lǐng)域展現(xiàn) 出良好的應(yīng)用前景。 有序介孔材料納米孔道結(jié)構(gòu)規(guī)則、 可調(diào) 節(jié) , 比表面積 (1000m 2/g 和孔體積較大 , 孔徑均一 , 且在 250nm 范圍內(nèi)連續(xù)

3、可調(diào) , 表面基團(tuán)可官能化 , 性質(zhì)穩(wěn)定 , 基 于上述結(jié)構(gòu)特點(diǎn) , 有序介孔材料可作為納米粒子的 “ 微型反應(yīng) 器” , 有望成為性能優(yōu)越的藥物和基因傳遞新型載體 1。1 介孔材料的定義及分類根據(jù)國(guó)際純粹和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì) (IU PAC 的定義 2, 介孔 (Mesopore 材料是孔徑為 250nm 的多孔材料 。根 據(jù)化學(xué)組分的不同 , 介孔材料可分為硅基和非硅基兩大 類 ; 根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同 , 可分為無定形 、 次晶和晶體 3類 ; 根據(jù) 介孔是否有序 , 可分為無序和有序兩類 。2 有序介孔材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 、 影響因素及表征技術(shù)211 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有序介孔材料結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn) :(1 長(zhǎng)

4、程結(jié)構(gòu)有 序 ; (2 孔徑分布窄并可在 11510nm 之間調(diào)節(jié)和控制 ; (3 比表面高達(dá) 1000m 2/g ; (4 孔隙率高 ; (5 表面富含不 飽和基團(tuán)等 ?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)有序介孔材料具有多種介孔結(jié) 構(gòu) , 表 1列出了不同孔道結(jié)構(gòu)的有序介孔材料 , 包括一些 可能的結(jié)構(gòu) 。表 1 不同孔道結(jié)構(gòu)的有序介孔材料孔道類型 孔道結(jié)構(gòu)特征 晶 系 典 型 材 料一維 無孔道 MCM (Mobil Composite of Matter 250有序程度低 接近六方MSU (Michigan State University 2n , HMS (Hexagonal mesoporous silic

5、a , KIT (K orea Advanced Institute of Science and Technology 21二維 直孔道 六 方 MCM 241,SBA (Santa Barbara USA 23, 四 方 FSM (Folded Sheet Mesoporous Material 216SBA 28交叉孔道 立 方 SBA 21,6,11,16,FDU (Fudan University 22,12三維 籠狀孔道 立方 2六方共生 SBA 22,7,12,FDU 21或孔穴 六 方 SBA 216,MCM 248,FDU 25交叉孔道 四 方 CM K (Highly or

6、dered mesoporous carbon 21 313 3收稿日期 :2008204201 修回日期 :2008205210基金項(xiàng)目 :國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (編號(hào) :3077661 ; 江蘇省及鎮(zhèn)江市國(guó)際科技合作項(xiàng)目 (編號(hào) :BZ2007056, G J 2007008 。 作者簡(jiǎn)介 :作者簡(jiǎn)介 :曹霞 ,1982年生 , 女 , 江蘇揚(yáng)州 , 藥劑學(xué)在讀碩士研究生 , 微粒給藥系統(tǒng) 。212 影響有序介孔材料孔徑大小的因素有序介孔材料的孔徑大小及尺寸分布會(huì)影響藥物及 基因傳遞 , 而表面活性劑碳鏈的長(zhǎng)度 , 添加輔助有機(jī)物以 及合成反應(yīng)的溫度是影響孔徑大小及尺寸分布主要因素 。

7、 表面活性劑碳鏈的長(zhǎng)度的影響 :表面活性劑是生成有 序介孔材料的模板和反應(yīng)試劑 , 表面活性劑碳鏈的長(zhǎng)度可 控制有序介孔材料孔徑大小 36。 因?yàn)楸砻婊钚詣┑奶兼?越長(zhǎng) , 形成棒狀膠束直徑越大 , 介孔材料的孔徑就越大 ; 但 當(dāng)碳鏈長(zhǎng)度大于 18后 , 表面活性劑溶解度下降 , 且價(jià)格升 高 , 故較少用于介孔材料的制備 。 通常用于制備有序介孔 材料的表面活性劑碳鏈長(zhǎng)度小于 18。添加輔助有機(jī)物的影響 :向制備有序介孔材料的反應(yīng) 中添加疏水性有機(jī)物 , 使輔助有機(jī)物進(jìn)入表面活性劑膠束 的疏水基團(tuán)內(nèi)部 , 可增加介孔材料尺寸 7。 此類有機(jī)物主 要包括飽和鏈烷烴 、 芳香烴 、 醇類等 。

8、 例如 ,孔材料 SBA 215時(shí) , 隨 著 1, 3, 52三 量 的 加 8,:, 反應(yīng)物在升 , 以不改變壁厚和穩(wěn)定性 為前提 , 可使介孔材料孔徑明顯增大 ; 水浴加熱的堿性條 件比室溫堿性條件下合成的介孔材料具有更大的孔徑尺 寸和更小的孔徑分布范圍 。有序介孔材料合成過程中的 其他因素 (反應(yīng)時(shí)間 、 溶液的組成 、 共溶劑種類 、 p H 值等 對(duì)孔徑的大小也有一定影響 。213 表征技術(shù) 1014有序介孔材料的性能通常具有晶相、 孔徑、 比表面積、 孔 體積、 官能團(tuán)、 含水量和相變結(jié)構(gòu)等指標(biāo)參數(shù)表征。 測(cè)定指 標(biāo)參數(shù)的常用分析技術(shù)包括 X 2射線衍射 (X 2ray diff

9、ractions , XRD , 透射電子顯微 鏡 (transmission electron microscopy , TEM 和掃描電鏡 (scanning electron microscopy ,SEM , 紅外 光譜 (infrared spectrum , IR ,BET (brunauer emmett teller , BET 吸附儀 , 紫外可見吸收光譜 (Uv vis absorption spec 2 trum ,UV 等。 有序介孔材料的結(jié)晶相和非晶相及物相鑒 定、 化學(xué)成分分析 , 可用 X 射線衍射 (XRD 分析 ; 骨架原子 基團(tuán)的類型及基團(tuán)變化等結(jié)構(gòu)信息 ,

10、 可用紅外光譜 (IR 特征 振動(dòng)譜帶鑒定 ; 含水量、 脫水及結(jié)構(gòu)中其他不穩(wěn)定成分的分 解脫附時(shí)間 (區(qū)間 、 相變溫度、 結(jié)構(gòu)塌陷溫度等可用熱重法 (thermo gravimetric analysis , TG A 測(cè)定 ; 比表面積和孔體積 可用 N 2吸附實(shí)驗(yàn) ,BET 吸附儀分析 ; 晶格破壞溫度可用差 熱法 (difference heat analysis ,DT A 測(cè)出 ; 介孔的孔徑、 晶胞 大小和外貌形狀可用透射電鏡 (TEM 和掃描電鏡。 此外 , 固體核磁共振 技 術(shù) (solid 2state 2nuclear magnetic resonance , MASN

11、MR 、 穆斯堡爾譜 (mossbauer spectroscopy ,MS 和光 致發(fā)光光譜 (photoluminescence spectroscopy , PL 作為 XRD 技術(shù)的重要補(bǔ)充 , 對(duì)于有序介孔材料的組成、 晶型、 各成分含 量等性能指標(biāo)的表征具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。 3 有序介孔材料在藥物傳遞中的應(yīng)用作為藥物載體的主要有 :高分子化合物 、 脂質(zhì)體 、 有機(jī) 酸 、 多糖 、 纖維素 、 微粉硅膠等 , 其載藥過程一般是加壓將 藥物沉積于載體基質(zhì)上 , 這種方法一般難于將藥物分子均 勻的分布于載體上 。 自 1992年介孔材料問世以來 , 由于其 獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性和在諸多領(lǐng)域中展

12、現(xiàn)出的廣闊應(yīng)用前景 , 2001年 ,Vallet 2Regi 等將介孔材料的應(yīng)用研究拓展到藥物 載體 , 人們開始嘗試以有序介孔分子篩作為藥物載體 ; 有 、 可調(diào)等特 點(diǎn) , 作為藥物載體 , , 又能獲得理想的藥 。31:1 . 本身 、 無生理活性和生物相容性 ;2 . 具有均勻可調(diào)的 孔道 , 豐富的硅烷基可作為和有機(jī)客體分子反應(yīng)的新的活 性位點(diǎn) , 有利于結(jié)合在活性位點(diǎn)上的藥物均勻地分散在孔 道內(nèi) 15,16, 使有序介孔材料吸附藥物并具有緩釋作用 ;3 . 通過改性 (離子交換改變吸附能力 、 表面改性增強(qiáng)表面與 藥物間的相互作用 對(duì)緩釋進(jìn)行調(diào)節(jié) , 達(dá)到更好的控釋效 果 ;4

13、. 能夠保持藥物結(jié)構(gòu)的完整性 。312 用作親水性藥物載體由于親水性藥物可溶于水 , 因此 , 介孔材料可不經(jīng)過 任何的官能團(tuán)化修飾 , 通過直接吸附或浸潤(rùn)的方法裝載藥 物 , 獲得緩控釋效果 。 Zhu 等 17以慶大霉素為模型藥 , 研 究了一種新型 p H 敏感型介孔材料緩釋系統(tǒng) 。在介孔材料 的表面包裹多層高分子電解質(zhì) , 用 p H 控制慶大霉素的儲(chǔ) 存和釋放 。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 :該高分子電解質(zhì)在介孔材料的 表面平均厚度為 12nm , 通過 p H 在 28之間的調(diào)節(jié)將慶 大 霉 素 分 子 很 好 的 包 裹 在 介 孔 材 料 中 , 包 封 率 可 達(dá) 34111%(6141

14、8mg/g , 簡(jiǎn)單調(diào)節(jié) p H 值又可將模型藥慶大 霉素控釋到介質(zhì)中 。這種藥物傳遞系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于既有 較高的藥物包封率 , 又能通過 p H 控制藥物的釋放 。 Sousa 等 18用表面活性劑膠束成型的方法制備了純 MCM 241及磷灰石與介孔復(fù)合材料 MCM 2412HA 兩種有 序介孔材料 ; 以阿替洛爾作為模型藥 , 制備了兩種載藥納 米粒 , 比較兩種釋藥系統(tǒng)的體外釋放行為 , 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 : MCM 2412HA 復(fù)合介孔材料中藥物釋放較慢 , 這種緩釋是 由于復(fù)合材料 MCM 2412HA 中的 HA 顯著改變了 MCM 2 41的孔道結(jié)構(gòu) , 說明有序介孔材料與其他一些材

15、料簡(jiǎn)單復(fù) 合可獲得更為理想的緩釋效果 。Liu 等 19用氰化鈉除去硅核心的金 , 制備了空心介孔 納米粒 ; 以異硫氰酸熒光素 (F TIC 為模型藥物 , 空心介孔 納米粒為載體 , 制備了 FTIC 納米粒 , 體外釋放實(shí)驗(yàn)表明 :空心介孔硅納米粒空心程度達(dá)到 70%, 是很好的藥物載 體 , 在未來的藥物傳遞領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景 。413藥 物 生 物 技 術(shù) 第 15卷第 4期 313 用作疏水性藥物載體目前由高通量藥物篩選而得的活性物質(zhì)約有 40%是 水難溶性的 , 疏水性藥物 (poorly water 2soluble drug 因其 在水中溶解度小 , 藥物難以被機(jī)體吸收

16、, 體內(nèi)消除速度較 快 , 血藥濃度容易出現(xiàn)峰谷現(xiàn)象 , 口服制劑生物利用度低 。 將介孔材料嫁接官能團(tuán) , 使其易于與疏水性藥物結(jié)合 , 可 顯著改善藥物的吸收和釋放 。Nunes 等 20針對(duì)抗抑郁藥舍曲林在腸胃中的吸收和生物 利用度差的問題 , 選用介孔材料蒙托石 2K 10和 MCM 241, 將藥 物通過浸潤(rùn)孔隙容積的陽離子交換的方法浸潤(rùn)到有序介孔材 料中 , 體外釋放實(shí)驗(yàn)表明 :蒙托石 2K 10中的舍曲林 10h 內(nèi)完全 釋放 ; 同樣條件下 ,MCM 241中舍曲林的釋放可持續(xù) 60h 。 說 明以有序介孔材料作為疏水性藥物載體 , 能夠獲得理想的控 釋效果 ; 不同孔道結(jié)構(gòu)的

17、有序介孔材料 , 控釋效果不同。 Manzano 等 21以布諾芬為模型藥 , 以 32氨丙基 2氧基硅烷嫁接的介孔材料 MCM 241,微球 ; 以未官能化的介孔材料 , 測(cè)定微 MCM 241微球相比 , 241微球緩釋效果更好 。 Balas 等 22以疏水性氨基酸 L 2色氨酸 (L 2tryptophan , L 2Trp 為模型藥 , 用季胺修飾有序介孔材料 , 以未修飾的 SBA 215和修飾后的 SBA 215為載體 , 比較兩種材料的載藥 量和體外釋放速率 。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 :未修飾 SBA 215的載 藥量幾乎為零 , 而用季胺修飾使 2/3左右的硅表面功能化 的 SBA 2

18、15, 載藥量顯著增加 , 且 L 2Trp 的釋放緩慢 。該研 究進(jìn)一步提示 , L 2Trp 的控釋是蛋白或多肽控釋的第一步 , 有序介孔材料作為該類藥物的控釋載體 , 為移植材料促進(jìn) 骨形成 、 骨愈合提供了新途徑 。4 介孔材料在基因傳遞中的應(yīng)用無論在基因表達(dá)調(diào)控 , 還是在基因治療研究方面 , 基 因轉(zhuǎn)染技術(shù)都起著非常重要的作用 。介孔材料因具有理 化性質(zhì)穩(wěn)定 、 比表面大 、 孔徑大小可調(diào) 、 材料可 “官能化” 等 特點(diǎn) , 因而 , 用于基因轉(zhuǎn)染具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn) 。L uo 等 23針對(duì)病毒載體存在的毒性和免疫原性問題 , 研究了新型非病毒介孔納米粒介導(dǎo)的 DNA 傳遞系統(tǒng) 。通

19、 過與脂質(zhì)體的轉(zhuǎn)染率 、 毒性實(shí)驗(yàn)相比 , 結(jié)果表明 :有序介孔 材料的轉(zhuǎn)染效率較高 , 且毒性較小 。此外 , 通過建立數(shù)學(xué) 模型 , 成功預(yù)測(cè)了粒子的分布 、 粒徑 、 介質(zhì)的粘度等幾種重 要參數(shù)值對(duì)轉(zhuǎn)染率的影響 。Isailovic 等 24研究了有序介孔材料對(duì) DNA 的吸附作 用 。 通過測(cè)定相關(guān)寡核苷酸的親和力 , 研究 DNA 與有序 介孔材料界面的作用 , 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 :有序介孔材料對(duì)于 DNA 片段中的嘌呤或嘧啶基團(tuán)具有明顯的吸附作用 ,p H 值對(duì)吸附具有較大的影響 ; 當(dāng) p H 7時(shí) , 介孔硅表面的負(fù) 電荷與 DNA 分子相斥 , 基本不吸附 ;p H 415時(shí) ,

20、 所有的 配對(duì)或未配對(duì) DNA 分子均吸附到介孔硅上 。Fuller 等 25研究了高熒光表達(dá)的有序介孔納米粒的 DNA 轉(zhuǎn)染效率和生物活性。 在靜電作用下 , 用陽離子聚合物包裹 納米粒 , 改變有序介孔材料的表面結(jié)構(gòu) , 使 DNA 等物質(zhì)能從 中釋放。 DNA 的轉(zhuǎn)染和生物活性分析結(jié)果表明 :有序介孔材 料能很好地與 DNA 結(jié)合 , 并利于 DNA 的傳遞和基因的表達(dá)。5 展 望鑒于有序介孔材料在孔道結(jié)構(gòu)和表面官能化等方面的 諸多優(yōu)點(diǎn) , , 已顯示出誘人的應(yīng)用 前景。 目前 , , 有序 , 尚有許多需要研究和探討的 , , 在藥物和基 失活或變質(zhì)等問題 , 目前解 決這種表 2界面

21、性質(zhì)問題的一個(gè)有效方法是通過后處理或原 位合成技術(shù) , 在有序介孔材料孔道內(nèi)鋪飾或植入一些活性組 分 , 通過和靶標(biāo)分子之間的特殊相互作用 , 增強(qiáng)對(duì)藥物或基 因的 “ 誘導(dǎo)” 或 “ 親和” 力 , 將藥物或基因 “ 錨定” 或 “ 禁錮” 在介 孔材料的孔道內(nèi)。 隨著研究工作的不斷深入 , 有序介孔材料 必將在藥物和基因傳遞中發(fā)揮出越來越大的作用。參 考 文 獻(xiàn)1K atiyar A , Y adav S , Panagiotis G, et al . Synthesis of ordered large pore S BA 215spherical particles for adsor

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