徐瑩璞 王宇 曲鳳玉,2 武祥 馬金艷

（1.哈爾濱師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，哈爾濱：150025；2.先進(jìn)功能材料及激發(fā)態(tài)黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱：150025)

1 前言

藥物的緩/控釋載體的研究一直是醫(yī)藥領(lǐng)域中一項(xiàng)重要的研究課題。因?yàn)樗幬锏木?控釋制劑不僅具有重要的治療價(jià)值，如保持穩(wěn)定的血藥濃度、降低毒副作用、提高生物利用度、延長藥效時(shí)間、方便患者、保護(hù)藥物免受胃酸或胃蛋白酶的降解、掩蓋異味等,而且具有可觀的商業(yè)價(jià)值。目前用作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。自從2001年Vallet Regí等首次報(bào)道以介孔分子篩MCM-41作為藥物緩釋載體研究之后[1]，很快引起生物醫(yī)學(xué)，藥學(xué)和材料化學(xué)界的關(guān)注,已經(jīng)成為新型藥物載體的研究熱點(diǎn)和介孔材料研究領(lǐng)域又一新的重要研究課題[2]。目前國內(nèi)外有多個(gè)介孔材料研究小組都在致力于該領(lǐng)域的研究工作。研究內(nèi)容主要有以下幾方面：①調(diào)節(jié)介孔分子篩的理化性質(zhì),如孔徑、孔容、BET比表面積、孔道結(jié)構(gòu)、表面修飾等緩釋藥物[3]；②“智能性”的pH值、磁、光、酶、熱、氧化還原等可控“誘導(dǎo)”釋放[4-7]；③介孔分子篩孔道“分子門”的可控設(shè)計(jì)[8-10]；④多元釋藥等多功能體系的研究[11]；⑤細(xì)胞粘附和生物相容性研究等[12]。

前期研究表明介孔分子篩載體的形貌對藥物的釋放性能有很大的影響，可以通過調(diào)控載體的形貌有效地控制藥物釋放速率。對于體內(nèi)長循環(huán)緩釋藥物載體的形貌有明確的要求,一般要求其粒徑分布在50～200 nm。較小的納米級(jí)的介孔載體由于其藥物的傳輸路徑較短，難于實(shí)現(xiàn)藥物的長效釋放。

本文選用具有良好的藥理活性、生物半衰期短（2h），難溶性的藥物布洛芬為模型藥物,以150 nm的介孔分子篩球?yàn)檩d體，通過三甲基氯硅烷對介孔分子篩球不同程度的修飾，精細(xì)調(diào)節(jié)有機(jī)基團(tuán)(CH3)3Si-在介孔表面的嫁接量,從而實(shí)現(xiàn)藥物的長效釋放。同時(shí)用粉末X射線衍射（XRD）儀、紅外光譜儀（FT-IR）、高分辨率透射電鏡（HRTEM）和N2吸附-脫附對樣品進(jìn)行了表征。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 儀器和試劑

X-射線粉末衍射（XRD）采用Siemens D5005型衍射儀,掃描速度1°/min。氮?dú)馕?脫附采用Micromeritics ASAP2010 M分析儀。透射電鏡采用日本電子公司的JEM-2010透射電子顯微鏡（加速電壓200kV）。UV采用上海光譜儀器有限公司的752型紫外分光光度計(jì)。

十六烷基三甲基溴化銨(CTAB16，分析純，惠世生化試劑有限公司，上海)，正硅酸乙酯(TEOS,天泰化學(xué)品有限公司，天津)，布洛芬（IBU，天尊澤眾化學(xué)公司,南京），三甲基氯硅烷（TMCS,Aldrich）。

2.2 介孔分子篩的合成

介孔分子篩球MCM-41的合成見參照文獻(xiàn)[13]。將0.5g CTAB16加入到240mL的蒸餾水中,攪拌、加熱使其變成澄清溶液后加入2M NaOH溶液1.75mL，將溶液的溫度調(diào)到80℃后,逐滴加入5mL的TEOS，繼續(xù)攪拌2h，冷卻至室溫，過濾，用大量去離子水洗滌，室溫下干燥。在550℃溫度下,焙燒5h除去有機(jī)模板劑。

2.3 介孔分子篩的表面修飾

介孔分子篩的表面修飾方法見參考文獻(xiàn)[14]，稱取三份焙燒后的分子篩1g，充分干燥后，分別置于含三甲基氯硅烷 0.2，0.4和1g的150mL甲苯中,在80℃下攪拌10 h后，用丙酮洗滌，室溫下干燥。修飾后的產(chǎn)物分別標(biāo)記為MCM-41（1:0.2）,MCM-41 (1:0.4)和MCM-41(1:1)。

2.4 組裝和釋放方法

2.4.1 IBU在MCM-41中的組裝

圖1 介孔分子篩載體修飾前后的小角粉末X射線衍射圖Fig.1 XRD patterns at low diffraction angles a.MC M-41;b.MC M-41(1:0.2);c.MC M-41(1:0.4); d.MC M-41(1:0.4)

將0.221g的分子篩加入到含有0.221g布洛芬的12 mL的正己烷溶液中磁力攪拌2 h，5G熔砂漏斗過濾后，適當(dāng)稀釋，紫外法測定濾液中藥物的殘留量，差減法計(jì)算組裝體中布洛芬的含量，分別標(biāo)記為IBU/MCM-41，IBU/MCM-41（1:0.2），IBU/MCM-41 (1:0.4)，IBU/MCM-41(1:1)。

2.4.2 組裝體中IBU的釋放

分別稱取一定量的布洛芬和介孔分子篩球的組裝體經(jīng)3MPa壓片后準(zhǔn)確稱重，室溫下置于500 mL模擬人工腸液中，定時(shí)吸取釋放液，每次吸取后及時(shí)補(bǔ)充等量的模擬人工腸液，吸取液用0.45μm微孔濾膜過濾，紫外測定。

3 結(jié)果和討論

3.1 粉末和紅外分析

圖1(a-d)為介孔分子篩載體修飾前后的小角粉末X射線衍射圖。樣品在修飾前后2θ=2°處均出現(xiàn)明顯的(100)晶面的衍射峰，經(jīng)過不同濃度的硅烷化修飾后，(100)晶面的衍射峰強(qiáng)度均明顯增強(qiáng)，說明經(jīng)過硅烷化后,仍然保持介孔相結(jié)構(gòu)；且在2θ= 3.5～4°處出現(xiàn)(110)晶面的衍射峰，這可能是由于硅烷化使載體孔壁的Si-OH減少，疏水性增強(qiáng)，進(jìn)而使孔道內(nèi)殘留H2O的量減少所致，有文獻(xiàn)報(bào)道孔道內(nèi)的吸附水對XRD衍射峰強(qiáng)度有明顯的影響[15]。所以，載體經(jīng)過硅烷化后，仍然保持有序的介孔相結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步組裝客體分子。

圖2 介孔分子篩載體的紅外光譜圖Fig.2 IR spectra of calcined and silylation mesoporous silica a.MCM-41;b.MCM-41(1:0.2);c.MCM-41(1:0.4); d.MCM-41(1:0.4)

圖3 介孔載體以及藥物組裝體的氮?dú)馕?脫附等溫曲線圖Fig.3 a-d Nitrogen adsorption/desorption isotherm of MCM-41,MCM-41(1:0.2),MCM-41(1:0.4),MCM-41(1:1)and the corresponding drug loading samples

表1 比表面積Tab.1 Parameters of Brunauer-Emmett-Teller surface area

圖2（a～d）為介孔分子篩載體的紅外光譜圖，經(jīng)硅烷化后，在波長2963 cm-1和2920 cm-1處出現(xiàn)硅烷化殘基C-H的伸縮振動(dòng)峰，在807和780 cm-1處出現(xiàn)Si-C的伸縮振動(dòng)峰[16]，說明三甲基氯硅烷已經(jīng)嫁接到介孔的孔壁上。

3.2 氮?dú)馕?脫附測試分析

圖3中（a-d）為介孔載體以及藥物組裝體的氮?dú)馕?脫附等溫曲線圖，圖中樣品均為Ⅳ型等溫曲線。根據(jù)BJH模型計(jì)算，比表面積如表1。

經(jīng)硅烷化和載藥后分子篩比表面積均有所下降，并且隨著硅烷化程度的提高，介孔分子篩載體的比表面積呈下降趨勢。但是從氮?dú)馕?脫附等溫曲線的形狀可知對介孔結(jié)構(gòu)的有序性影響不大，仍然顯示Ⅳ型吸附等溫曲線，保持了介孔相的結(jié)構(gòu)，這和XRD表征的結(jié)果一致。

3.3 透射電鏡分析

圖4中（a-d）為介孔載體從不同晶面方向的透射電鏡照片，載體為粒徑150 nm的球形形貌，經(jīng)硅烷化后載體仍然具有六方相孔道結(jié)構(gòu)，與XRD及氮?dú)馕?脫附分析結(jié)果一致。

3.4 布洛芬的組裝及釋放性能

圖4 介孔載體從不同晶面方向的透射電鏡照片F(xiàn)ig.4 TEM images of parent and silylated samples: a.calcined MCM-41,b.MCM-41(1:0.2),c.MCM-41(1:0.4),d.MCM-41(1:1)

表2 布洛芬的組裝及釋放性能Tab.2 Loading of drug before and after silylation

未經(jīng)修飾的MCM-41載藥量為36.7 Wt%，硅烷化后樣品IBU/MCM-41(1:0.2)、IBU/MCM-41(1:0.4)和IBU/MCM-41(1:1)的載藥量分別為29.4、27.4和24.5Wt%?？梢娊?jīng)硅烷化后其載藥量均有所下降，并且隨硅烷化程度的提高，其載藥量亦下降，這可能由以下因素所致。文獻(xiàn)報(bào)道藥物分子在介孔分子篩中的組裝量和介孔的BET比表面積相關(guān)，比表面積越大，藥物的組裝量越大[17]。MCM-41的BET比表面積為1114.67m2g-1，經(jīng)硅烷化后MCM-41(1:0.2)、MCM-41 (1:0.4)和MCM-41(1:1)三個(gè)樣品的比表面積分別下降為795.91、789.99和658.41 m2g-1。所以，硅烷化后BET比表面積均下降，是藥物分子組裝量下降的原因之一；另外，隨著硅烷化程度的提高，三甲基氯硅烷與載體表面Si-OH縮合程度增大，使載體表面Si-OH數(shù)目減少，載體與藥物分子中的-COOH作用位點(diǎn)減少，使主客體間的作用力減小，從而載藥量降低。

圖5是IBU/MCM-41、IBU/MCM-41(1:0.2)、IBU/MCM-41(1:0.4)和IBU/MCM-41(1:1)四種載藥系統(tǒng)在模擬人工腸液中藥物釋放動(dòng)力學(xué)曲線。由圖可見，和IBU/MCM-41組裝體比較，硅烷化后藥物組裝體均呈較好藥物緩釋性能。文獻(xiàn)報(bào)道，分子篩經(jīng)過硅烷化后，其孔徑減少[18]，而孔徑的大小可以影響藥物分子的釋放速率，通常是孔徑減小，釋放速率減慢。此外，硅烷化后藥物組裝體藥物釋放速率減慢是由于介孔孔壁嫁接-Si(CH3)3基團(tuán)后,增加了對藥物分子釋放的空間位阻，因而減緩了藥物分子的釋放速率。

圖5 載藥系統(tǒng)在模擬人工腸液中藥物釋放動(dòng)力學(xué)曲線Fig.5 Cumulative release rates of IBU in simulated proximal intestinal fluid

由圖可知，硅烷化后的藥物組裝體藥物分子的初釋放速率較IBU/MCM-41小，這可能是由于以下兩方面的因素所致。介孔分子篩硅烷化時(shí)，外表面較內(nèi)表面更易于硅烷化，疏水的外表面性質(zhì)使藥物在外表面的吸附量較MCM-41小，這是硅烷化后的藥物組裝體藥物初釋放速率較小的原因之一。其二，藥物分子從介孔孔道釋放可以分為兩個(gè)過程：(i)溶出介質(zhì)擴(kuò)散進(jìn)入介孔孔道中溶解藥物分子；(ii)溶解的藥物分子擴(kuò)散出介孔的孔道。與IBU/MCM-41相比較，硅烷化后的藥物組裝體，由于介孔內(nèi)表面的疏水性較強(qiáng)，使極性的水分子擴(kuò)散進(jìn)入孔道中的時(shí)間亦較長，這可能是硅烷化后的組裝體藥物分子初釋放速率較小的另一原因。

由圖5還可以發(fā)現(xiàn)，完全藥物釋放所需時(shí)間和硅烷化程度相關(guān)。三種組裝體系IBU/MCM-41(1:0.2)、IBU/MCM-41(1:0.4)和IBU/MCM-41(1:1)完全藥物釋放分別需要83 h、65 h和53 h。這可能是由于隨著硅烷化試劑濃度的增加，硅烷化程度提高，介孔表面疏水性的Si(CH3)3基團(tuán)增多，而硅羥基減少，使介孔孔壁和藥物分子羧基間的作用力減弱，導(dǎo)致藥物分子的釋放速率隨著硅烷化程度的提高而增大。

因此，以150nm的介孔分子篩球?yàn)檩d體，通過對其不同程度的硅烷化方法，調(diào)節(jié)介孔分子篩的表面有機(jī)基團(tuán)的嫁接量，調(diào)節(jié)主客體分子間的作用力及介孔分子篩載體對藥物釋放的空間位阻，從而實(shí)現(xiàn)了藥物的長效緩釋。

1 Vallet-RegiM.,Rámila A.,delRealR.P.and Pérez-Pariente J.A new property of MCM-41:drug delivery system.Chem.Mater.,2001,13:308～311

2 Yang P.P.,Huang S.S.,Kong D.Y.,Lin J.and Fu H.G. Luminescence functionalization of SBA-15 by YVO4:Eu3+as a noveldrug delivery system.Inorg.Chem,.2007,46: 3203～3211

3 Mu?oz B.,Rámila A.,Pérez-Pariente J.,Díaz I.,and Vallet-Regí M.MCM-41 organic modification as drug delivery rate regulator.Chemistry of Materials,2003,15: 500～503

4 Mal N.K.,Fujiwara M.and Tanaka Y.Photocontrolled reversible release of guest molecules from coumarin-modified mesoporous silica.Nature,2003,421:350～353

5 Hu S.H.,Liu T.Y.,Huang H.Y.,Liu D.M.and Chen S.Y. Magnetic-sensitive silica nanospheres for controlled drug release.Langmuir,2008,24:239～244

6 Han G.,You C.,Kim B.,Turingan R.S.,Forbes N.S.,Martin C.T.and Rotello V.M.Light-regulated release of DNA and its delivery to nuclei by means of photolabile gold nanoparticles. Angew.Chem.Int.Ed.,2006,45:3165～3169

7 Chi P.,Kyuho L.and Chul K.Angew.Chem.Int.Ed.,2009,48: 1275～1278

8 Angelos S.,Yang Y.W.,Patel K.,Stoddart J.F.and Zink J.I. pH-responsive supramolecular nanovalves based on cucurbit[6] uril pseudorotaxanes.Angew.Chem.Int.Ed.,2008,47: 2222～2226

9 Aznar E.,Marcos D.,Martinez-Manez R.,Sancenon F.,Soto J., Amoros P.and Guillem C.pH-and photo-switched release of guest molecules from mesoporous silica supports.J.Am.Soc. Chem.,2009,131:6833～6843

10 Agasti S.S.,Chompoosor A.and You C.C.Photoregulated release of caged anticancer drugs from gold nanoparticles.Am. Soc.Chem.,2009,131:5728～5729

11 Zhu Y.F.and Kaskel S.Comparison of the in vitro bioactivity and drug release property of mesoporous bioactive glasses (MBGs)and bioactive glasses(BGs)scaffolds.Micro.Meso. Mater.,2009,118:176～182

12 Li X.,Shi J.,Dong X.P.,et al.Biomed.Mater.Res.,2002,10: 84～91

13 Cheng Y.L.,Dusan M.J.,Ksenija J.,Shu X.,Srdija J.and Victor S.Y.A mesoporous silica nanosphere-based carrier system with chemically removable CdS nanoparticle caps for stimuli responsive controlled release of neurotransmitters and drug molecules.Am.Chem.Soc.,2003,125:4451～4459

14 Zhao X.S.,Lu G.Q.,Whittaker A.K.,Millar G.J.and Zhu H. Y.Comprehensive study of surface chemistry of MCM-41 using Si-29 CP/MAS NMR,FTIR,pyridine-TPD,and TGA. Phys.Chem.B.,1997,101:6525～6531

15 Zhao X.S.and Lu G.Q.Modification of MCM-41 by surface silylation with trimethylchlorosilane and adsorption study. Phys.Chem.B.,1998,102:1556～1561

16 HeJ.,Shen Y.,Yang J.,EvansD.and Duan X. Nanocomposites structure based on silylated MCM-48 and poly(vinyl acetate).Chem.Mater.,2003,15:3894～3902

17 Andersson J.,Rosenholm J.,Areva S.,et al.Influences of material characteristics on ibuprofen drug loading and release profiles from ordered micro-and mesoporous silica matrices. Chem.Mater.,2004,16:4160～4167

18 Qu F.Y.,Zhu G.S.,Huang S.Y.,et al.Effective controlled release of captopril by silylation of mesoporous MCM-41. Chem.Phys.Chem.,2006,7:400～406