有序介孔材料在药物及基因传递中的应用研究进展

1、药 物 生 物 技 术Pharmaceutical Biotechnology 2008, 15(4 :313315有序介孔材料在药物及基因传递中的应用研究进展 3曹 霞 , 余江南 , 徐希明 3(江苏大学药学院 , 江苏 镇江 212013摘 要 查阅国内外相关文献进行总结和归纳 , 介绍了有序介孔材料的分类及特点 , 并分析了影响有序介 孔材料孔径大小的因素 , 概括了常用的表征方法 , 重点阐述了介孔材料在药物及基因传递中的应用 。有序介孔 材料具有比表面积大 , 孔径结构均一 、 可调等优良的理化性能 , 作为药物载体 , 既有较高的载药量 , 又能获得理想 的药物缓释效果 ; 作为

2、基因载体 , 能很好地与 DNA 结合 , 并利于基因传递和表达 。基因传递中发挥出越来越大的作用 。关键词 有序介孔材料 ; 载体 ; 药物 ; 基因 ; 应用中图分类号 :TQ321 文献标识码 :A2( 0420313204 有序介孔材料是 20世纪 90介孔结构材料。 1992年美国 , 首次运用 孔径大 小可调的介孔材料 ,道形状不规整、 , 现已在大分子吸附、 色谱 分离、 化学传感器、 生物医药以及纳米材料的合成等领域展现 出良好的应用前景。 有序介孔材料纳米孔道结构规则、 可调 节 , 比表面积 (1000m 2/g 和孔体积较大 , 孔径均一 , 且在 250nm 范围内连续

3、可调 , 表面基团可官能化 , 性质稳定 , 基 于上述结构特点 , 有序介孔材料可作为纳米粒子的 “ 微型反应 器” , 有望成为性能优越的药物和基因传递新型载体 1。1 介孔材料的定义及分类根据国际纯粹和应用化学联合会 (IU PAC 的定义 2, 介孔 (Mesopore 材料是孔径为 250nm 的多孔材料 。根 据化学组分的不同 , 介孔材料可分为硅基和非硅基两大 类 ; 根据结构的不同 , 可分为无定形 、 次晶和晶体 3类 ; 根据 介孔是否有序 , 可分为无序和有序两类 。2 有序介孔材料的结构特点 、 影响因素及表征技术211 结构特点有序介孔材料结构具有以下特点 :(1 长

4、程结构有 序 ; (2 孔径分布窄并可在 11510nm 之间调节和控制 ; (3 比表面高达 1000m 2/g ; (4 孔隙率高 ; (5 表面富含不 饱和基团等 。现已发现有序介孔材料具有多种介孔结 构 , 表 1列出了不同孔道结构的有序介孔材料 , 包括一些 可能的结构 。表 1 不同孔道结构的有序介孔材料孔道类型 孔道结构特征 晶 系 典 型 材 料一维 无孔道 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 21二维 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 22,12三维 笼状孔道 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基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (编号 :3077661 ; 江苏省及镇江市国际科技合作项目 (编号 :BZ2007056, G J 2007008 。 作者简介 :作者简介 :曹霞 ,1982年生 , 女 , 江苏扬州 , 药剂学在读硕士研究生 , 微粒给药系统 。212 影响有序介孔材料孔径大小的因素有序介孔材料的孔径大小及尺寸分布会影响药物及 基因传递 , 而表面活性剂碳链的长度 , 添加辅助有机物以 及合成反应的温度是影响孔径大小及尺寸分布主要因素 。

7、 表面活性剂碳链的长度的影响 :表面活性剂是生成有 序介孔材料的模板和反应试剂 , 表面活性剂碳链的长度可 控制有序介孔材料孔径大小 36。 因为表面活性剂的碳链 越长 , 形成棒状胶束直径越大 , 介孔材料的孔径就越大 ; 但 当碳链长度大于 18后 , 表面活性剂溶解度下降 , 且价格升 高 , 故较少用于介孔材料的制备 。 通常用于制备有序介孔 材料的表面活性剂碳链长度小于 18。添加辅助有机物的影响 :向制备有序介孔材料的反应 中添加疏水性有机物 , 使辅助有机物进入表面活性剂胶束 的疏水基团内部 , 可增加介孔材料尺寸 7。 此类有机物主 要包括饱和链烷烃 、 芳香烃 、 醇类等 。

8、 例如 ,孔材料 SBA 215时 , 随 着 1, 3, 52三 量 的 加 8,:, 反应物在升 , 以不改变壁厚和稳定性 为前提 , 可使介孔材料孔径明显增大 ; 水浴加热的碱性条 件比室温碱性条件下合成的介孔材料具有更大的孔径尺 寸和更小的孔径分布范围 。有序介孔材料合成过程中的 其他因素 (反应时间 、 溶液的组成 、 共溶剂种类 、 p H 值等 对孔径的大小也有一定影响 。213 表征技术 1014有序介孔材料的性能通常具有晶相、 孔径、 比表面积、 孔 体积、 官能团、 含水量和相变结构等指标参数表征。 测定指 标参数的常用分析技术包括 X 2射线衍射 (X 2ray diff

9、ractions , XRD , 透射电子显微 镜 (transmission electron microscopy , TEM 和扫描电镜 (scanning electron microscopy ,SEM , 红外 光谱 (infrared spectrum , IR ,BET (brunauer emmett teller , BET 吸附仪 , 紫外可见吸收光谱 (Uv vis absorption spec 2 trum ,UV 等。 有序介孔材料的结晶相和非晶相及物相鉴 定、 化学成分分析 , 可用 X 射线衍射 (XRD 分析 ; 骨架原子 基团的类型及基团变化等结构信息 ,

10、 可用红外光谱 (IR 特征 振动谱带鉴定 ; 含水量、 脱水及结构中其他不稳定成分的分 解脱附时间 (区间 、 相变温度、 结构塌陷温度等可用热重法 (thermo gravimetric analysis , TG A 测定 ; 比表面积和孔体积 可用 N 2吸附实验 ,BET 吸附仪分析 ; 晶格破坏温度可用差 热法 (difference heat analysis ,DT A 测出 ; 介孔的孔径、 晶胞 大小和外貌形状可用透射电镜 (TEM 和扫描电镜。 此外 , 固体核磁共振 技 术 (solid 2state 2nuclear magnetic resonance , MASN

11、MR 、 穆斯堡尔谱 (mossbauer spectroscopy ,MS 和光 致发光光谱 (photoluminescence spectroscopy , PL 作为 XRD 技术的重要补充 , 对于有序介孔材料的组成、 晶型、 各成分含 量等性能指标的表征具有独特的优点。 3 有序介孔材料在药物传递中的应用作为药物载体的主要有 :高分子化合物 、 脂质体 、 有机 酸 、 多糖 、 纤维素 、 微粉硅胶等 , 其载药过程一般是加压将 药物沉积于载体基质上 , 这种方法一般难于将药物分子均 匀的分布于载体上 。 自 1992年介孔材料问世以来 , 由于其 独特的结构特性和在诸多领域中展

12、现出的广阔应用前景 , 2001年 ,Vallet 2Regi 等将介孔材料的应用研究拓展到药物 载体 , 人们开始尝试以有序介孔分子筛作为药物载体 ; 有 、 可调等特 点 , 作为药物载体 , , 又能获得理想的药 。31:1 . 本身 、 无生理活性和生物相容性 ;2 . 具有均匀可调的 孔道 , 丰富的硅烷基可作为和有机客体分子反应的新的活 性位点 , 有利于结合在活性位点上的药物均匀地分散在孔 道内 15,16, 使有序介孔材料吸附药物并具有缓释作用 ;3 . 通过改性 (离子交换改变吸附能力 、 表面改性增强表面与 药物间的相互作用 对缓释进行调节 , 达到更好的控释效 果 ;4

13、. 能够保持药物结构的完整性 。312 用作亲水性药物载体由于亲水性药物可溶于水 , 因此 , 介孔材料可不经过 任何的官能团化修饰 , 通过直接吸附或浸润的方法装载药 物 , 获得缓控释效果 。 Zhu 等 17以庆大霉素为模型药 , 研 究了一种新型 p H 敏感型介孔材料缓释系统 。在介孔材料 的表面包裹多层高分子电解质 , 用 p H 控制庆大霉素的储 存和释放 。 实验结果表明 :该高分子电解质在介孔材料的 表面平均厚度为 12nm , 通过 p H 在 28之间的调节将庆 大 霉 素 分 子 很 好 的 包 裹 在 介 孔 材 料 中 , 包 封 率 可 达 34111%(6141

14、8mg/g , 简单调节 p H 值又可将模型药庆大 霉素控释到介质中 。这种药物传递系统的优点在于既有 较高的药物包封率 , 又能通过 p H 控制药物的释放 。 Sousa 等 18用表面活性剂胶束成型的方法制备了纯 MCM 241及磷灰石与介孔复合材料 MCM 2412HA 两种有 序介孔材料 ; 以阿替洛尔作为模型药 , 制备了两种载药纳 米粒 , 比较两种释药系统的体外释放行为 , 实验结果表明 : MCM 2412HA 复合介孔材料中药物释放较慢 , 这种缓释是 由于复合材料 MCM 2412HA 中的 HA 显著改变了 MCM 2 41的孔道结构 , 说明有序介孔材料与其他一些材

15、料简单复 合可获得更为理想的缓释效果 。Liu 等 19用氰化钠除去硅核心的金 , 制备了空心介孔 纳米粒 ; 以异硫氰酸荧光素 (F TIC 为模型药物 , 空心介孔 纳米粒为载体 , 制备了 FTIC 纳米粒 , 体外释放实验表明 :空心介孔硅纳米粒空心程度达到 70%, 是很好的药物载 体 , 在未来的药物传递领域具有很好的应用前景 。413药 物 生 物 技 术 第 15卷第 4期 313 用作疏水性药物载体目前由高通量药物筛选而得的活性物质约有 40%是 水难溶性的 , 疏水性药物 (poorly water 2soluble drug 因其 在水中溶解度小 , 药物难以被机体吸收

16、, 体内消除速度较 快 , 血药浓度容易出现峰谷现象 , 口服制剂生物利用度低 。 将介孔材料嫁接官能团 , 使其易于与疏水性药物结合 , 可 显著改善药物的吸收和释放 。Nunes 等 20针对抗抑郁药舍曲林在肠胃中的吸收和生物 利用度差的问题 , 选用介孔材料蒙托石 2K 10和 MCM 241, 将药 物通过浸润孔隙容积的阳离子交换的方法浸润到有序介孔材 料中 , 体外释放实验表明 :蒙托石 2K 10中的舍曲林 10h 内完全 释放 ; 同样条件下 ,MCM 241中舍曲林的释放可持续 60h 。 说 明以有序介孔材料作为疏水性药物载体 , 能够获得理想的控 释效果 ; 不同孔道结构的

17、有序介孔材料 , 控释效果不同。 Manzano 等 21以布诺芬为模型药 , 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 , 测定微 MCM 241微球相比 , 241微球缓释效果更好 。 Balas 等 22以疏水性氨基酸 L 2色氨酸 (L 2tryptophan , L 2Trp 为模型药 , 用季胺修饰有序介孔材料 , 以未修饰的 SBA 215和修饰后的 SBA 215为载体 , 比较两种材料的载药 量和体外释放速率 。实验结果表明 :未修饰 SBA 215的载 药量几乎为零 , 而用季胺修饰使 2/3左右的硅表面功能化 的 SBA 2

18、15, 载药量显著增加 , 且 L 2Trp 的释放缓慢 。该研 究进一步提示 , L 2Trp 的控释是蛋白或多肽控释的第一步 , 有序介孔材料作为该类药物的控释载体 , 为移植材料促进 骨形成 、 骨愈合提供了新途径 。4 介孔材料在基因传递中的应用无论在基因表达调控 , 还是在基因治疗研究方面 , 基 因转染技术都起着非常重要的作用 。介孔材料因具有理 化性质稳定 、 比表面大 、 孔径大小可调 、 材料可 “官能化” 等 特点 , 因而 , 用于基因转染具有独特的优点 。L uo 等 23针对病毒载体存在的毒性和免疫原性问题 , 研究了新型非病毒介孔纳米粒介导的 DNA 传递系统 。通

19、 过与脂质体的转染率 、 毒性实验相比 , 结果表明 :有序介孔 材料的转染效率较高 , 且毒性较小 。此外 , 通过建立数学 模型 , 成功预测了粒子的分布 、 粒径 、 介质的粘度等几种重 要参数值对转染率的影响 。Isailovic 等 24研究了有序介孔材料对 DNA 的吸附作 用 。 通过测定相关寡核苷酸的亲和力 , 研究 DNA 与有序 介孔材料界面的作用 , 实验结果表明 :有序介孔材料对于 DNA 片段中的嘌呤或嘧啶基团具有明显的吸附作用 ,p H 值对吸附具有较大的影响 ; 当 p H 7时 , 介孔硅表面的负 电荷与 DNA 分子相斥 , 基本不吸附 ;p H 415时 ,

20、 所有的 配对或未配对 DNA 分子均吸附到介孔硅上 。Fuller 等 25研究了高荧光表达的有序介孔纳米粒的 DNA 转染效率和生物活性。 在静电作用下 , 用阳离子聚合物包裹 纳米粒 , 改变有序介孔材料的表面结构 , 使 DNA 等物质能从 中释放。 DNA 的转染和生物活性分析结果表明 :有序介孔材 料能很好地与 DNA 结合 , 并利于 DNA 的传递和基因的表达。5 展 望鉴于有序介孔材料在孔道结构和表面官能化等方面的 诸多优点 , , 已显示出诱人的应用 前景。 目前 , , 有序 , 尚有许多需要研究和探讨的 , , 在药物和基 失活或变质等问题 , 目前解 决这种表 2界面

21、性质问题的一个有效方法是通过后处理或原 位合成技术 , 在有序介孔材料孔道内铺饰或植入一些活性组 分 , 通过和靶标分子之间的特殊相互作用 , 增强对药物或基 因的 “ 诱导” 或 “ 亲和” 力 , 将药物或基因 “ 锚定” 或 “ 禁锢” 在介 孔材料的孔道内。 随着研究工作的不断深入 , 有序介孔材料 必将在药物和基因传递中发挥出越来越大的作用。参 考 文 献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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