介孔硅纳米粒子在生物医学领域应用的研究进展

袁一方，屈 爽，白 华，梁甲武，郭 斌 解放军医学院，北京 0085； 6646部队，山西长治 0460； 解放军总医院第一医学中心，北京 0085

介孔硅纳米粒子具有大比表面积和规则的孔径结构，优异的表面性能赋予其诸多潜在应用价值[1]。利用其多孔结构，可负载多种功能性分子，用于相关领域的研究。介孔硅纳米粒子还具有良好的生物相容性，尺寸可控，且易于对其进行表面改性处理，可操作性强，因而得到研究者的关注，近年来成功应用于生物医学领域，成为负载诊断试剂或治疗药物的良好载体[2]。同时，介孔硅纳米粒子具有缓释作用，不会在胃肠道提前降解，从而保证其能够搭载功能性介质到达目标区域发挥作用[3-4]。通过物理或化学方法可对介孔硅纳米粒子进行改性，使其表面带有新的功能基团，以利于生物分子的偶联[5-6]。本文将阐述介孔硅纳米粒子的生物安全性，并对其在药物传输系统、生物成像、光动力疗法、生物传感以及作为组织再生生物活性材料等方面的应用做详细综 述。

1 介孔硅纳米粒子的生物安全性

研究表明，基于二氧化硅的纳米材料生物相容性较好，可应用于生物医学领域。在合成过程中添加表面活性剂，可以在纳米材料表面产生孔径直径为2～50 nm的介孔结构，获得介孔硅纳米粒子[7]。与无孔二氧化硅纳米粒子相比，介孔硅纳米粒子具有大比表面积和大孔径结构，特殊的结构赋予其独特的生物学特性。研究者们发现，介孔硅对多种细胞系的体外毒性较低[8-9]。为确保临床应用的安全性，必须对介孔硅纳米粒子的毒性进行准确的评估。纳米粒子的化学性质和粒径大小是影响其生物学行为的重要参数，聚集现象、蛋白质的吸附作用、细胞摄取以及细胞毒性等均可能因材料化学性质和粒径大小的改变而发生变化[10]。Napierska等[11]研究表明，粒径大于100 nm的介孔硅纳米粒子具有较低的细胞毒性，而小于50 nm则表现出明显的诱导细胞死亡现象。介孔硅纳米粒子的表面电荷是影响其细胞毒性的另一个重要因素。Pasqua等[12]比较了单纯的介孔硅纳米粒子与巯基化或氨基化的介孔硅纳米粒子的细胞毒性，发现巯基化或氨基化修饰后，纳米粒子的细胞毒性降低50%左右，从而证明带正电荷的介孔硅纳米粒子较未修饰的介孔硅纳米粒子具有更低的细胞毒性。此外He等[13]发现，与未修饰的介孔硅纳米粒子相比，聚乙二醇化后的产物可以大大降低其与血清蛋白的非特异性附着，还可以减少人红细胞的溶血，从而改善血液相容性，这一现象对于静脉注射介孔硅纳米粒子相关制剂具有重要意义。研究发现，介孔硅纳米粒子还有促进细胞增殖的作用。在Huang等[14]的研究中，球形的介孔硅纳米粒子与A375细胞共同培养后，表现出促进细胞增殖的作用。

介孔硅纳米粒子是一类生物相容性较好的纳米材料，对其进行适当改性或修饰后，其生物相容性可进一步提高。良好的生物安全性可以为介孔硅纳米粒子在生物体内的应用提供保证，使介孔硅纳米粒子更好地发挥作用，同时避免合成的外源性物质对生物体产生毒性作用，确保其应用的有效性和安全性。

2 介孔硅纳米粒子在生物医学领域的应用

2.1 药物传输 药物传输应实现靶向性，而靶向传输药物的一个重要先决条件是将药物分子转运至特定部位，同时不破坏药物的结构和功能[15-16]。在众多载体中，介孔硅纳米粒子得到了广泛的关注，有研究将其应用于药物输送系统的构建及药物动力学研究，获得了高效和持续的药物释放效果[17]。介孔硅纳米粒子具有大比表面积和大孔径容积，可以提供较高的载药效率，介孔结构还可以促进药物的溶解，同时具备化学稳定性和惰性，为药物负载和释放提供了可控性[18-19]。Zhang等[20]使用介孔硅纳米粒子作为疏水性药物载体来改善替米沙坦的口服吸收效果，结果表明，与纯药物粉末相比，基于介孔硅纳米粒子的载药系统载药率可达80%以上，替米沙坦的溶出速率提高20%左右，药物的生物利用度也明显提高。大多数抗肿瘤药物的水溶性较差，可能限制其静脉给药的生物利用率，因此改善这些药物分子的水溶性至关重要。Lu等[21]采用荧光介孔硅纳米粒子负载抗肿瘤药物喜树碱杀伤肿瘤细胞，介孔硅纳米粒子可以增强喜树碱的溶解度，解决其溶解性低的问题，还可以携带肿瘤靶向配体作用于肿瘤细胞进行靶向治疗，从而提高喜树碱的抗肿瘤效率，减少对正常细胞的杀伤，降低药物的不良反应。结果表明，与对照组相比，介孔硅纳米粒子负载喜树碱组对肿瘤细胞的杀伤率更高。

2.2 生物成像及光动力疗法 将光学物质修饰于介孔硅孔径内，可以使光学信号得到聚集与提高，在生物成像方面具有良好的应用价值[22-23]。介孔硅纳米粒子粒径较小，并且透光性良好，可以搭载荧光染料应用于体内外生物成像研究[23]。Zhou等[24]将介孔硅纳米粒子富集Mn掺杂的ZnSe量子点，用于体内外荧光和核磁双模态成像研究，同时改善了成像介质荧光和核磁成像强度，在体外细胞成像和小鼠体内成像中均获得了较好的效果。郑晓柯等[25]用介孔硅纳米粒子包裹具有荧光成像功能的Cu掺杂CdS量子点和具有CT成像功能的BaHoF5纳米材料，合成荧光和CT成像功能均显著提高的双模态成像探针，成功应用于肿瘤细胞成像及小鼠活体成像。

近年来，有一些研究将量子点用于光学疗法，但量子点的靶向性和可控性仍是亟需解决的难题。Wen等[26]的研究中，用介孔硅纳米粒子包裹转换发光材料NaYF4:Yb/Er，以维生素B12作为光感药物，利用近红外光可以穿透深层组织的特性，对生物体进行成像及光动力治疗，使病变区域达到治疗效果的同时还避免了对正常细胞的损害。Choi等[27]将磁性介孔硅纳米粒子作为药物载体和磁热粒子，与可以产生局部光热的石墨烯量子点复合，形成一种集药物控释、磁热疗法、光热疗法于一体的多功能复合体，并对该复合体的结构、药物释放行为、磁热和光热作用以及协同治疗效率进行研究。结果表明，粒径为100 nm的介孔硅纳米粒子/石墨烯量子点复合体，可以负载阿霉素并在低pH值时释放药物；以乳腺癌4T1细胞作为研究对象，相较于单纯的化疗、磁疗或光疗方法，磁性介孔硅/石墨烯量子点复合体负载阿霉素的载药系统可起到协同治疗的效果，对肿瘤细胞的杀伤效率提高了20% ～ 45%，在肿瘤疾病的治疗中具有很高的研究与应用价值。

2.3 生物传感器 目前，已有一些研究报道了基于介孔硅纳米粒子生物传感器的应用。Chen等[28]将化学发光检测技术与基于介孔硅的控释系统相结合，开发出一种不会对化学发光系统本身造成影响且具有高敏感度的生物传感器，成功应用于检测血清样本中的可卡因含量。他们首先使带正电荷的介孔硅纳米粒子与带负电荷的寡核苷酸相互作用，使寡核苷酸修饰于介孔硅孔道内；可卡因与寡核苷酸具有高度的亲和性，富集纳米粒子遇到可卡因后，通过相互作用释放葡萄糖。在葡萄糖氧化酶的催化下，释放的葡萄糖与氧发生反应，产生葡萄糖酸和过氧化氢。过氧化氢可以增强溶液中发光醇的化学发光强度，通过对荧光强度的检测确定溶液中可卡因的含量。Li等[29]将铂纳米粒子和葡萄糖氧化酶负载于介孔硅纳米粒子的孔道内，合成产物凭借其高表面积及独特的纳米结构富集了大量铂纳米粒子，因此具有较高的催化过氧化氢电还原反应能力。这种基于介孔硅纳米粒子的生物传感器与传统葡萄糖生物传感器相比，具有可重复性、敏感度高、稳定性好及反应迅速等优势，是一种良好的新型生物传感介质。

2.4 组织工程 介孔硅纳米粒子在组织工程中的研究主要集中于成骨分化和骨组织形成方面。大孔径的介孔硅纳米粒子可负载骨形成蛋白；氨基化的介孔硅纳米粒子可装载双膦酸盐药物并与胶原蛋白水凝胶相结合，在间充质干细胞中作为有效的基因传递工具，用于骨组织工程相关研究[30]。基于介孔硅纳米粒子的组织再生材料获得了长期有效的药物释放效果，促进了骨组织的形成。还有研究用介孔硅纳米粒子负载地塞米松，转移骨形成蛋白2，促进了间充质干细胞的成骨分化[31]。

3 结语

研究表明，介孔硅纳米粒子具备特殊的孔径结构，细胞毒性较低，生物安全性良好，在药物传输、生物成像、生物传感及组织工程中展现出良好的应用前景，在生物医学领域具有重要的研究意义。虽然关于介孔硅纳米粒子细胞水平的毒性表现已有大量研究，并且证实其良好的生物相容性，然而将介孔硅纳米粒子广泛应用于临床的诊断和治疗还有很多工作要做。关于介孔硅纳米粒子合成方法及粒径大小对生物毒性的影响应引起研究者们的关注，以期通过改性处理不断提高其生物安全性。介孔硅纳米粒子的合成及功能化修饰过程也需要继续探索和创新，其在药物传输及体内成像方面的有效性也需要更多的研究来证实并完善[32]。基于介孔硅纳米粒子的生物传感及药物输送系统对于肿瘤治疗技术的创新和新型抗肿瘤药物的研发具有重要意义。目前的研究多集中于细胞实验，相关基础研究只是创新与推广中的一小步，将其应用于临床必须要保证足够的生物安全性和有效性，未来仍需要更多体内外研究的支持。