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基于中空介孔二氧化硅的納米藥物載體的制備、表征及生物應用

發(fā)布時間：2014-10-27 17:53

【摘要】 惡性腫瘤（亦稱癌癥），嚴重威脅著人類的健康。在癌癥的治療中，藥物治療是一個很重要的環(huán)節(jié)，抗癌藥物的有效使用可以幫助患者獲得更長的生存時間�？拱┧幬锏难邪l(fā)一直是科學家關注的焦點之一，但是許多抗癌藥物的溶解性低、穩(wěn)定性差、易被快速代謝和清除、有副作用、缺少靶向功能等，在治療的過程中很難充分發(fā)揮藥效。若將藥物包埋在藥物載體中或者修飾在藥物載體的表面，不但可以在一定程度上避免上述缺點，而且可以調(diào)節(jié)藥物的釋放速度，增加生物膜的通透性，改變藥物在體內(nèi)的分布使藥物分子實現(xiàn)精確定位，從而提高藥物的利用率。理想的藥物載體應具有載藥量大、化學性質(zhì)穩(wěn)定、低毒或無毒、可生物降解、在體內(nèi)有一定的循還時間等特點。相比于傳統(tǒng)的有機藥物載體，無機藥物載體有更高的藥物包載率，更好的化學穩(wěn)定性和生物相容性，因而更適合作藥物載體。在眾多的無機納米材料中，介孔二氧化硅納米顆粒由于具有大的比表面積、大的介孔體積、良好的生物相容性，并且可以進行功能化修飾等特點，已經(jīng)越來越吸引人們的注意。近年來，很多科學家致力于改善介孔二氧化硅的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，特別是擴大孔體積，進而有效地提高藥物裝載率。在介孔二氧化硅的內(nèi)部引入中空的腔是擴大介孔二氧化硅孔裝載體積最有效的方法。中空介孔二氧化硅不但具備介孔二氧化硅的所有優(yōu)點，而且它的空腔大小和厚度可調(diào)，可以通過改變中空介孔二氧化硅的結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)藥物的裝載量及釋放速度，并不需要進行復雜的化學修飾。本論文用不同的方法制備了中空介孔二氧化硅納米顆粒，在載藥和治療方面做了研究和應用。基于這個研究方向，具體開展了以下的工作：第一章：綜述了硅基納米載體在生命科學中的研究應用。對介孔二氧化硅和中空介孔二氧化硅的制備和在藥物載體方面的應用做了總結(jié)。第二章：以十六烷基三甲基溴化銨作介孔模板劑，金納米顆粒作硬模板，制備了一系列空腔大小相同、介孔二氧化硅殼層厚度不同和介孔二氧化硅殼層厚度相同、空腔大小不同的中空介孔二氧化硅。在制備過程中首先將介孔模板劑通過煅燒的方法除去，然后將金納米顆粒通過腐蝕的方法除去，這樣既能保證將介孔模板完全除去，又能維持中空結(jié)構(gòu)的完整性。該方法制備的中空介孔二氧化硅大小均勻，空腔明顯，結(jié)構(gòu)可調(diào)，分散性良好，細胞毒性小，是良好的納米藥物載體。本章分別研究了中空介孔二氧化硅對抗癌藥物阿霉素的裝載量以及阿霉素的釋放速度與載體結(jié)構(gòu)之間的關系。另外，還研究了不同的除模板方式得到的中空介孔二氧化硅的載藥能力的區(qū)別。實驗結(jié)果表明，中空介孔二氧化硅的載藥量和藥物的釋放速度均與藥物載體的結(jié)構(gòu)有關，并且藥物釋放是厚度控制的釋放。第三章：以二氧化硅實心球為硬模板，制備了中空介孔二氧化硅納米顆粒。通過靜電作用，在中空介孔二氧化硅的表面包覆兩種單鏈DNA作為藥物載體的閥門。這兩種DNA分別與兩種重要的腫瘤標志物TK1mRNA和GalNAc-T mRNA完全互補配對。由于TK1mRNA和GalNAc-T mRNA在癌細胞中均過表達，會分別與上述兩種DNA互補配對形成雙鏈，進而使藥物載體的閥門同時打開，引發(fā)藥物釋放。由于一些腫瘤標志物在某些正常細胞中也是過表達的，因此一種DNA閥門會引起藥物不預期的釋放，而兩種DNA閥門可以在很大程度上避免這種結(jié)果。結(jié)合中空介孔二氧化硅載藥量大，生物相容性好的特點，預計可以更有效地殺傷癌細胞，而對正常細胞沒有傷害，這在癌癥的治療中是非常有意義的。 

【關鍵詞】 納米藥物載體； 中空介孔二氧化硅； 載藥量； 釋放速度； DNA； 

第一章 前言

1.1 納米材料概述
1.1.1 納米材料簡介
納米科學與技術，簡稱為納米技術（Nanotechnology）[1-5]是研討 0.1-100 nm尺寸范圍內(nèi)的材料的性質(zhì)及運用的一門科學技術。納米技術以許多現(xiàn)代先進的科學技術為基礎，是交叉性和綜合性很強的學科，研討內(nèi)容非常廣泛。納米技術的研討方向首要包含：納米醫(yī)學、納米物理學、納米化學、納米材料學、納米生物學、納米電子學、納米機械學、納米加工學、納米力學等等。其間，納米材料的制備和研討是納米科技展開的基礎。
納米材料[4,6,7]是納米級結(jié)構(gòu)材料的簡稱，廣義上是指構(gòu)成物質(zhì)的三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍（1-100 nm，屬于膠體粒子大小的范疇）或者由該尺度范圍的物質(zhì)為基本結(jié)構(gòu)單元的一類材料。納米材料按照納米晶體幾何結(jié)構(gòu)的不同可以分為四類：① 零維納米材料：具有原子簇和原子束結(jié)構(gòu)的納米材料（納米顆粒）；② 一維納米材料：具有纖維結(jié)構(gòu)的納米材料（納米管或納米纖維）；③ 二維納米材料：具有層狀結(jié)構(gòu)的納米材料（納米薄膜）；④ 三維納米材料：晶粒尺寸至少在一個方向上處于幾納米范圍內(nèi)的納米材料（納米塊體）。如圖 1-1 所示:
按照構(gòu)成納米材料的材質(zhì)的不同，納米材料可以分為金屬納米材料，如納米金、納米銀；無機納米材料，如二氧化硅納米顆粒；有機納米材料，如環(huán)糊精納米管等等。
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1.2 介孔納米材料概述
1.2.1 介孔納米材料簡介
IUPAC[40]規(guī)則，多孔資料能夠分為三類：微孔資料（孔徑小于 2 nm）、介孔資料（孔徑介于 2 nm 和 50 nm 之間）、大孔資料（孔徑大于 50 nm）。介孔資料的比表面積比大孔資料大的多，而且其孔徑比微孔資料大，因此在催化、載藥、別離等方面有較廣泛的使用[41]。依照化學組成的不一樣分類，介孔資料可分為硅基介孔資料和非硅基介孔資料兩大類。構(gòu)成硅基介孔資料的骨架的主要成分是硅酸鹽和硅鋁酸鹽，如介孔二氧化硅等。構(gòu)成非硅基介孔資料的骨架主要成分為不含硅的單質(zhì)、氧化物或金屬等，如介孔碳等。依據(jù)介孔資料構(gòu)造的不一樣，介孔資料能夠分為兩類：無序介孔資料（無定形）和有序介孔資料（一定程度有序）[42]。
無機介孔材料是目前研究最為廣泛的介孔材料，在合成過程中主要應用溶膠-凝膠、乳化或微乳等化學原理，以表面活性劑為模板，通過有機物和無機物之間的界面相互作用而生成。這種原理制備的介孔材料具有孔道結(jié)構(gòu)規(guī)則，孔徑分布范圍窄且大小可調(diào)，熱穩(wěn)定性和水熱穩(wěn)定性好，顆粒形貌規(guī)則等優(yōu)點[42]。
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第二章 中空介孔二氧化硅的可控制備及生物應用

摘要：本章以十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）作介孔模板劑，金納米顆粒（AuNPs）作硬模板，制備了一系列空腔大小相同、介孔二氧化硅殼層厚度不同和介孔二氧化硅殼層厚度相同、空腔大小不同的中空介孔二氧化硅納米顆粒（HMSN）。首先將 CTAB 介孔模板通過煅燒的方法除去，然后將金納米顆粒通過腐蝕的方法除去，這樣既能保證將 CTAB 介孔模板完全除去，又能維持中空結(jié)構(gòu)的完整性。該方法制備的 HMSN 大小均勻，空腔明顯，結(jié)構(gòu)可調(diào)，分散性良好，細胞毒性小，是良好的納米藥物載體。本章分別研究了 HMSN 對抗癌藥物阿霉素（Dox）的裝載能力以及裝載到 HMSN 中的 Dox 的釋放速度與材料結(jié)構(gòu)之間的關系。另外，還對不同的除模板方式制備的 HMSN 的載藥能力進行了研究。實驗結(jié)果表明，HMSN 的載藥量和裝載物的釋放速度均與藥物載體的結(jié)構(gòu)有關，其中藥物釋放是厚度控制的釋放。
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2.1 引言
癌癥（Cancer），亦稱惡性腫瘤（Malignant neoplasm），是嚴重威脅人類健康的疾病之一。在癌癥的治療過程中，藥物治療是很重要的環(huán)節(jié)，抗癌藥物的有效使用可以幫助患者獲得更長的生存時間。研發(fā)新的抗癌藥物一直是科學家關注的焦點，但是許多抗癌藥物由于具有溶解性低、穩(wěn)定性差、易被快速代謝和清除、有副作用、缺少靶向功能等缺點，在治療的過程中很難充分發(fā)揮藥效。若將藥物包埋在藥物載體中或者修飾在藥物載體的表面，不但可以在一定程度上避免上述缺點，而且可以調(diào)節(jié)藥物的釋放速度，增加生物膜的通透性，改變藥物在體內(nèi)的分布使藥物分子實現(xiàn)精確定位，從而提高藥物的利用率[1-4]。理想的藥物載體應具有載藥量大、化學性質(zhì)穩(wěn)定、低毒或無毒、可生物降解、在體內(nèi)有一定的循還時間等特點。納米技術與先進的藥物技術結(jié)合引導建立了新型的“納米醫(yī)藥”領域，近年來越來越受關注[5]。納米藥物載體是納米級微觀范疇的亞微粒藥物載體輸送系統(tǒng)，其最大的優(yōu)勢是能夠直接將藥物分子運送到細胞中，通過被動或主動靶向功能穿過正常組織將藥物運送到腫瘤等病變組織，集中殺傷病變的組織或細胞，并減小對正常組織的傷害，從而提高治療效果。比較常見的納米藥物載體有水溶性的納米聚合物，納米脂質(zhì)體，聚合物膠束，病毒，無機納米載體等[2,5,6]，如表 2-1所示。尺寸和化學性質(zhì)是納米藥物載體兩個重要的選擇因素，選擇合適的藥物載體可以提高在血液中的循環(huán)時間，避免網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)的的清除作用，使藥物能更好地發(fā)揮全身治療或診斷作用，增強藥物在病變部位的治療效果[5]。
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第三章 以 DNA 為閥門的中空介孔二氧化硅用于癌細胞的治療.............. 73-87 
摘要................................................. 73 
3.1 引言 .....................73-76 
3.2 實驗部分...................... 76-80 
3.2.1 儀器與試劑 ......................76-77 
3.2.2 實驗方法.............. 77-80 
3.2.2.1 中空介孔二氧化硅納米顆粒的制備.............. 77-78 
3.2.2.2 HMSN (RhB)的制備................... 78 
3.2.2.3 單鏈 DNA 寡核苷酸序列的設計合成 ..............78-79 
3.2.2.4 HMSN (RhB)-DNA 的制備.............. 79 
3.2.2.5 激光共聚焦成像............... 79-80 

3.3 結(jié)果與討論

3.3.1 HMSN 納米材料的表征
HF 能夠和二氧化硅反響生成可溶的四氟化硅，因此常用來刻蝕玻璃。本章中制備的 SiO2-NH2@SiO2納米顆粒的 SiO2核是氨基化的，內(nèi)部結(jié)構(gòu)對比疏松，因此能夠由氨基介導 HF 進入二氧化硅的核，然后腐蝕二氧化硅的核，并且在二氧化硅的殼層腐蝕出介孔孔道。
我們利用 JEM-100CX Π 型透射電鏡（TEM）對制備的 HMSN 納米顆粒的形貌進行了表征，首先將 HMSN 溶解于適量的水中，超聲分散均勻后，用合適的銅網(wǎng)撈取樣品，干燥后用透射電子顯微鏡觀察形貌并拍照。從 HMSN 的透射電鏡圖中可以看出 HMSN 呈球形，大小比較均勻，大約在 150 nm 左右，分散均勻，空腔大小明顯，如圖 3-5 所示。
茚三酮是一種有機化合物，當該物質(zhì)遇到氨、一級胺或二級胺時，會與它們發(fā)生化學反應，溶液變成藍紫色，因此茚三酮常用來檢測氨基酸。為了驗證 HMSN表面的氨基存在，我們做了茚三酮實驗。首先，我們在茚三酮的水溶液中加入氨基化的 HMSN 納米顆粒，加熱煮沸后，溶液變成了藍紫色（如圖 3-6 左所示），說明納米顆粒中有氨基存在。然后，為了證明氨基是接在納米顆粒上，而不是游離的，我們將氨基化的 HMSN 離心后的上清液加入到茚三酮水溶液中，加熱煮沸后，溶液顏色沒有發(fā)生變化（如圖 3-6 右所示），這說明上清液中沒有氨基存在，進一步說明氨基是存在于 HMSN 納米顆粒的表面的。
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總結(jié)

本論文用不同的方法制備了中空介孔二氧化硅納米顆粒，在載藥和治療方面做了研究和應用�；谶@個研究方向，具體開展了以下的工作：
第一章：綜述了硅基納米載體在生命科學中的研究應用。對介孔二氧化硅和中空介孔二氧化硅的制備和在藥物載體方面的應用做了總結(jié)。
第二章：以十六烷基三甲基溴化銨作介孔模板劑，金納米顆粒作硬模板，制備了一系列空腔大小相同、介孔二氧化硅殼層厚度不同和介孔二氧化硅殼層厚度相同、空腔大小不同的中空介孔二氧化硅。在制備過程中首先將介孔模板劑通過煅燒的方法除去，然后將金納米顆粒通過腐蝕的方法除去，這樣既能保證將介孔模板完全除去，又能維持中空結(jié)構(gòu)的完整性。該方法制備的中空介孔二氧化硅大小均勻，空腔明顯，結(jié)構(gòu)可調(diào)，分散性良好，細胞毒性小，是良好的納米藥物載體。本章分別研究了中空介孔二氧化硅對抗癌藥物阿霉素的裝載量以及阿霉素的釋放速度與載體結(jié)構(gòu)之間的關系。另外，還研究了不同的除模板方式得到的中空介孔二氧化硅的載藥能力的區(qū)別。實驗結(jié)果表明，中空介孔二氧化硅的載藥量和藥物的釋放速度均與藥物載體的結(jié)構(gòu)有關，并且藥物釋放是厚度控制的釋放。
第三章：以二氧化硅實心球為硬模板，制備了中空介孔二氧化硅納米顆粒。通過靜電作用，在中空介孔二氧化硅的表面包覆兩種單鏈 DNA 作為藥物載體的閥門。這兩種 DNA 分別與兩種重要的腫瘤標志物 TK1 mRNA 和 GalNAc-T mRNA完全互補配對。由于 TK1 mRNA 和 GalNAc-T mRNA 在癌細胞中均過表達，會分別與上述兩種 DNA 互補配對形成雙鏈，進而使藥物載體的閥門同時打開，引發(fā)藥物釋放。由于一些腫瘤標志物在某些正常細胞中也是過表達的，因此一種 DNA 閥門會引起藥物不預期的釋放，而兩種 DNA 閥門可以在很大程度上避免這種結(jié)果。結(jié)合中空介孔二氧化硅載藥量大，生物相容性好的特點，預計可以更有效地殺傷癌細胞，而對正常細胞沒有傷害，這在癌癥的治療中是非常有意義的。
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參考文獻：



本文編號：9867

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