陳昊文, 陳淼鑫, 劉曄宏, 張鈺華, 徐首紅
(華東理工大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院,結(jié)構(gòu)可控先進(jìn)功能材料及其制備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200237)
癌癥是威脅人類健康的一大殺手,目前我國癌癥防控形勢(shì)嚴(yán)峻,防治難度巨大[1]。然而,傳統(tǒng)的化學(xué)療法治療癌癥的效果并不理想,現(xiàn)有抗癌藥物在以較高劑量使用時(shí)往往具有較高的細(xì)胞毒性,引起顯著的副作用[2-5]。這促使人們不斷探索新型藥物載體來克服傳統(tǒng)化療的缺點(diǎn)。到目前為止已經(jīng)開發(fā)了多種藥物載體,包括聚合物[6]、膠束[7]、脂質(zhì)體[8]、樹枝狀大分子[9]、納米顆粒[10]等。其中,介孔二氧化硅納米顆粒(MSNs)因具有較大的比表面積、良好的生物相容性、穩(wěn)定的多孔結(jié)構(gòu)以及表面易于修飾等特點(diǎn)而成為研究熱點(diǎn)[11]。對(duì)MSNs表面進(jìn)行修飾,不僅可以提高裝載藥物的效果[12,13],同時(shí)還能利用腫瘤組織與正常組織微環(huán)境的不同之處,構(gòu)建具有不同敏感響應(yīng)型的載體,例如pH響應(yīng)[14-16]、還原響應(yīng)[17-18]、溫度響應(yīng)[19,20]、超聲響應(yīng)等[21,22]。Yang等[23]構(gòu)建了一種pH敏感的多功能包膜型介孔二氧化硅,首先通過縮醛鍵將聚(N-丁二酰丙烯酸酯)涂覆在MSNs表面,然后將阿霉素(DOX)加載到MSNs孔道中,DOX在中性條件下表現(xiàn)出較低的藥物釋放,而在酸性條件下表現(xiàn)出有效的刺激響應(yīng)型釋放。此外,該研究中還引入了葉酸作為靶向成分,以實(shí)現(xiàn)腫瘤靶向能力;Cheng等[24]在MSNs表面修飾了細(xì)胞穿透肽,在對(duì)藥物進(jìn)行有效封裝的同時(shí),還增強(qiáng)了藥物輸送體系的細(xì)胞轉(zhuǎn)染能力。盡管上述藥物輸送體系具有優(yōu)良的靶向功能或細(xì)胞轉(zhuǎn)染能力,但是這些功能分子在后續(xù)的研究中也暴露出了很多問題。比如,細(xì)胞穿透肽雖然能夠協(xié)助載體更加快速地進(jìn)入細(xì)胞,但是其本身并不具備選擇性,即在進(jìn)入腫瘤細(xì)胞的同時(shí),也會(huì)進(jìn)入正常細(xì)胞,從而引起強(qiáng)烈的副作用[25]。為了避免這些功能分子帶來的不利影響,需要對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù),即在正常生理環(huán)境下對(duì)這些功能分子進(jìn)行屏蔽,使之不會(huì)對(duì)正常細(xì)胞產(chǎn)生影響,但在腫瘤環(huán)境下能夠暴露出來作用于腫瘤細(xì)胞。
甲基-2-丙烯酸-2-(2-甲氧基乙氧基)乙酯(MEO2MA)與聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯(OEGMA)的聚合物中含有大量醚氧鍵,在水溶液中可以與水分子間形成氫鍵,因此在其低臨界溶解溫度(LCST)以下呈親水性,當(dāng)環(huán)境溫度高于其LCST時(shí),氫鍵結(jié)構(gòu)被破壞,聚合物由親水性轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷裕Y(jié)構(gòu)由舒展?fàn)顟B(tài)變?yōu)槭湛s狀態(tài)。聚甲基丙烯酸二異丙胺基乙酯(PDPA)是一種pH敏感聚合物,其側(cè)鏈中含有的氮原子,在酸性環(huán)境中會(huì)發(fā)生質(zhì)子化反應(yīng),從而導(dǎo)致聚合物由疏水性轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水性。
本文通過溶膠凝膠法首先制備了MSNs;然后通過取代反應(yīng)在MSNs表面引入溴原子制備了MSNs-Br,以便通過原子轉(zhuǎn)移自由基聚合(ATRP)在MSNs表面修飾聚合物PDPA,合成MSNs-PDPA-Br;最后在PDPA鏈的尾端修飾了靶向分子葉酸(FA),制備了MSNs-PDPA-FA。
除此之外,利用ATRP反應(yīng)制備了pH/溫度雙重響應(yīng)型聚合物P(MEO2MAm-co-OEGMAn)-b-PDPAp。根據(jù)本課題組之前的研究[26],聚合物的LCST可根據(jù)其單體物質(zhì)的量之比進(jìn)行調(diào)節(jié)。本文直接合成了所需LCST的聚合物P(MEO2MA90-co-OEGMA10)-b-PDPA10(下文簡(jiǎn)寫為Polymer),并研究了其溫度與pH響應(yīng)特性。將P(MEO2MA90-co-OEGMA10)-b-PDPA10自組裝在修飾了PDPA-FA的MSNs表面,構(gòu)成核-殼結(jié)構(gòu)自組裝體系MSNs-PDPA-FA@Polymer,并用經(jīng)過修飾的MSNs包載藥物DOX(DOX@MSNs-PDPA-FA@Polymer)進(jìn)行了體外模擬釋藥,研究了該載體的可控釋藥條件。
十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)、氫氧化鈉(NaOH)、正硅酸四乙酯(TEOS)、甲苯、三乙胺(TEA)、2-溴異丁酰溴(BiBB,w=98%)、四氫呋喃(THF):分析純,上海阿拉丁生化科技股份有限公司;五甲基二乙烯三胺(PMDETA,w=98%)、甲基丙烯酸二異丙胺基乙酯(DPA)、溴化亞銅(CuBr,w=98%)、FA(w=97%)、二甲基亞砜(DMSO):分析純,上海泰坦試劑有限公司;MEO2MA(w=97%)、OEGMA(w=97%,重均分子量為 475)、2-溴異丁酸乙酯(w=98%, EBiB)、二氯甲烷(DCM)、中性氧化鋁(Al2O3, 110~200 μm)、正己烷(NHX):分析純,上海麥克林生化科技有限公司。
核磁共振波譜(NMR)儀:瑞士布魯克公司AVANCE Ⅲ 400 MHz型,測(cè)試溫度25℃,溶劑CDCl3;動(dòng)態(tài)光散射(DLS)儀:英國Malvern儀器公司Nano ZS型,樣品均分散于超純水中;紫外-可見分光光度計(jì)(UV-Vis):日本島津公司UV-2 450型;傅里葉紅外光譜(FT-IR)儀:美國尼高力公司Nicolet 6 700型,KBr壓片;高效凝膠滲透色譜(GPC)儀:英國Malvern儀器公司PL-GPC50型,THF作流動(dòng)相;比表面積(BET)與孔徑分析儀:美國Micromeritics儀器公司ASAP 2020型。
1.3.1 MSNs的合成 將CTAB溶解于超純水中,隨后加入2 mol/L的NaOH溶液,攪拌并升溫至80 ℃;在大力攪拌下向體系中勻速滴加TEOS,80 ℃繼續(xù)反應(yīng)2 h。用超純水與乙醇交替洗滌以除去體系中的NaOH,60 ℃下真空干燥后置于馬弗爐中煅燒除去CTAB模板,得到白色的MSNs。
1.3.2 MSNs-Br的合成 將MSNs分散在甲苯中,在冰水浴避光攪拌下加入TEA和BiBB,并向體系中通入氮?dú)庖猿ンw系中的氧氣,30 min后撤去冰水浴并移至30 ℃環(huán)境下避光反應(yīng)24 h。用乙醇洗滌,真空干燥后得白色固體產(chǎn)物MSNs-Br。
1.3.3 MSNs-PDPA-Br的合成 將MSNs-Br分散在超干THF中,加入配體PMDETA和單體DPA,重復(fù)液氮冷凍抽真空-解凍充氮?dú)獾倪^程,確保反應(yīng)體系處于無水無氧狀態(tài),在氮?dú)獗Wo(hù)下加入催化劑CuBr。然后,將反應(yīng)體系轉(zhuǎn)移至恒溫箱中,30 ℃繼續(xù)反應(yīng)24 h,用截留分子量為14 000的透析袋透析除去Cu2+,經(jīng)冷凍干燥后得白色固體產(chǎn)物MSNs-PDPA-Br。
1.3.4 MSNs-PDPA-FA的合成 將MSNs-PDPA-Br與FA分散溶解在DMSO中,加入幾滴三乙胺調(diào)節(jié)溶液至堿性,通過排空氣法向體系中通入氮?dú)庖猿パ鯕猓?0 ℃下反應(yīng)12 h,用DMSO洗滌除去未反應(yīng)的FA,常溫下真空干燥得黃色固體產(chǎn)物MSNs-PDPA-FA。
1.3.5 pH/溫度多重響應(yīng)型聚合物P(MEO2MA90-co-OEGMA10)-b-PDPA10的合成[27]在反應(yīng)茄瓶中加入單體MEO2MA與OEGMA、引發(fā)劑EBiB、配體PMDETA以及溶劑DCM。攪拌混合均勻后,進(jìn)行“1.3.3”節(jié)中除水除氧的過程并在氮?dú)獗Wo(hù)下加入CuBr。然后將反應(yīng)體系轉(zhuǎn)移至恒溫箱中,30 ℃反應(yīng)12 h后,在氮?dú)獗Wo(hù)下將DPA轉(zhuǎn)移至上述反應(yīng)體系中,30 ℃繼續(xù)反應(yīng)12 h后,打開瓶塞以終止反應(yīng),以DCM為洗脫液,通過Al2O3層析柱除去反應(yīng)體系中的催化劑CuBr2。最后旋蒸除去DCM,用-20 ℃的正己烷進(jìn)行沉降,除去上層液體,室溫下真空干燥得到無色透明的黏稠物質(zhì)即為聚合物P(MEO2MA90-co-OEGMA10)-b-PDPA10。
首先,將MSNs-PDPA-FA均勻分散在磷酸鹽緩沖液(PBS)中;然后,將聚合物P(MEO2MA90-co-OEGMA10)-b-PDPA10溶解在THF中并加入到MSNs-PDPA-FA的PBS中,敞口攪拌使THF揮發(fā),在pH=7.4的環(huán)境下通過疏水作用制備MSNs-PDPA-FA@Polymer;最后將DOX與MSNs-PDPA-FA同時(shí)分散溶解在PBS中,待DOX進(jìn)入MSNs的孔道之后,加入Polymer的THF溶液,繼續(xù)攪拌12 h,制得包載有抗癌藥物DOX的納米顆粒DOX@MSNs-PDPA-FA@Polymer,該藥物載體的制備示意圖如圖1所示。
圖1 MSNs的聚合物修飾及其pH響應(yīng)藥物釋放行為示意圖Fig.1 Schematic diagram of polymer modification and the pH-responsive drug release behavior of MSNs
載藥納米顆粒的藥物釋放行為示意圖如圖1所示。釋藥實(shí)驗(yàn)分為兩組進(jìn)行。第一組準(zhǔn)備4份載有DOX的納米顆粒,分別將其置于不同環(huán)境下;第二組準(zhǔn)備1份載藥納米顆粒,將其置于pH=7.4、44 ℃的環(huán)境中,在釋藥8 h后將pH調(diào)節(jié)為5.0以檢測(cè)藥物的釋放情況。通過紫外-可見分光光度計(jì)測(cè)量不同時(shí)間下DOX在485 nm處的吸光度值。其中,每個(gè)時(shí)刻下載藥顆粒中釋放的DOX紫外吸收強(qiáng)度與載藥顆粒中包載的所有DOX的紫外吸收強(qiáng)度的比值即為該時(shí)刻下的累計(jì)釋放量。
樣品的紅外譜圖如圖2(a)所示,對(duì)于MSNs來說,1 080、941、802 cm?1處出現(xiàn)的特征峰歸屬于Si-O鍵伸縮振動(dòng)、Si-OH鍵以及Si-O-Si鍵的彎曲振動(dòng)。在修飾了Br原子以及PDPA后,在694 cm?1處出現(xiàn)了C-Br鍵的伸縮振動(dòng)峰;在1 550、1 240 cm?1處出現(xiàn)了PDPA的特征峰,這歸屬于C=O鍵和C-O-C鍵的伸縮振動(dòng)。在接枝FA后,694 cm?1處歸屬于C-Br鍵的特征峰消失,表明MSNs-PDPA-Br上的Br原子已被取代,并且在3 420 cm?1處出現(xiàn)了FA中氨基的特征峰,這歸屬于伯胺中N-H鍵的伸縮振動(dòng),而PDPA鏈中的N原子為叔氮,不會(huì)產(chǎn)生N-H鍵的振動(dòng),證明PDPA和FA被有效修飾到MSNs表面。
圖2 樣品的 (a) 紅外光譜圖和(b) Zeta 電位圖Fig.2 (a) FT-IR spectra and (b) Zeta potential of samples
如圖2(b)所示,樣品的表面電位隨著MSNs表面的逐步功能化而改變,MSNs、MSNs-Br、MSNs-PDPA-Br、MSNs-PDPA-FA在pH=7.4下的表面電位分別為-22.3、-3.9、-16.6、-4.9 mV,在接枝FA分子后,MSNs的表面電位轉(zhuǎn)變?yōu)榻咏娭行?,這可以認(rèn)為是FA分子表面帶有的正電荷中和了MSNs-PDPA-Br上的負(fù)電荷,印證了官能團(tuán)或功能分子被連續(xù)修飾到MSNs表面。PDPA在酸性環(huán)境中容易與H+發(fā)生質(zhì)子化反應(yīng),由疏水的收縮結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水的伸展結(jié)構(gòu),如圖2(b)所示,將溶液pH調(diào)節(jié)為5.0后,MSNs-PDPA-FA的表面電位發(fā)生電荷反轉(zhuǎn),由-4.9 mV轉(zhuǎn)變?yōu)?1.0 mV。
除此之外,還可通過其粒徑變化測(cè)定MSNs-PDPA-FA的pH敏感點(diǎn)(圖3(a))。當(dāng)溶液的pH為3.0~5.5時(shí),PDPA為伸展?fàn)顟B(tài),粒徑較大,保持在250 nm左右;將溶液的pH調(diào)至6.0以上時(shí),PDPA結(jié)構(gòu)收縮,粒子的粒徑減小,最終在pH=7.4時(shí)減至211 nm左右。不同pH下的粒徑變化曲線如圖3(b)所示,當(dāng)pH=5.5~6.0時(shí)粒徑發(fā)生突變,故MSNs-PDPA-FA的pH敏感點(diǎn)位于這個(gè)區(qū)間。腫瘤外部環(huán)境的pH>6.5,因此該載體可以避免藥物在腫瘤外部環(huán)境下的過早釋放,實(shí)現(xiàn)藥物的有效控釋。
圖3 MSNs-PDPA-FA在不同pH下的(a)粒徑分布曲線和(b)平均粒徑Fig.3 (a) Particle size distribution and (b) average particle size of MSNs-PDPA-FA at different pH values
殼層聚合物P(MEO2MA90-co-OEGMA10)-b-PDPA10的1H-NMR譜圖如圖4所示?;瘜W(xué)位移在0.6~1.2處出現(xiàn)的峰代表聚合物主鏈上的-CH3特征峰,1.6~2.1處代表主鏈上的-C-CH2-特征峰,3.4處代表側(cè)鏈末端的-O-CH3-特征峰,3.5~3.8處出現(xiàn)與醚氧鍵相連的亞甲基上的氫特征峰,在2.7以及3.0處出現(xiàn)了與二異丙胺基相連的亞甲基(-N-CH2-)特征峰以及異丙基上的氫特征峰,說明通過ATRP反應(yīng)成功合成了聚合物 P(MEO2MA90-co-OEGMA10)-b-PDPA10。
圖4 P(MEO2MA90-co-OEGMA10)-b-PDPA10在 CDCl3中的1H-NMR譜圖Fig.4 1H-NMR spectrum of P(MEO2MA90-co-OEGMA10)-b-PDPA10 in CDCl3
聚合物水溶液的透光率隨溫度變化的結(jié)果如圖5(a)所示。隨著溫度的升高,聚合物溶液的透光率發(fā)生了明顯變化,在較低溫度時(shí),透光率接近100%;當(dāng)溫度升高時(shí),聚合物中的醚氧鍵與水分子之間形成的氫鍵因高溫而斷裂,聚合物因此由親水轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷?,其水溶液由澄清變?yōu)闇啙?,透光率?4 ℃時(shí)由97%迅速降低至1%,接近于0。
在25 ℃下,該聚合物的透光率隨pH變化的結(jié)果如圖5(b)所示。首先將聚合物水溶液調(diào)節(jié)至pH=3,滴加NaOH溶液使pH按照0.5或1個(gè)pH單位梯度升高。當(dāng)溶液在較低的pH時(shí),聚合物為親水結(jié)構(gòu),故溶液澄清透明;將溶液的pH調(diào)至6.0以上時(shí),PDPA發(fā)生去質(zhì)子化反應(yīng),溶液的透光率急劇降低。由圖5可知,該聚合物的LCST為44 ℃,pH敏感點(diǎn)位于6.0附近。
圖5 P(MEO2MA90-co-OEGMA10)-b-PDPA10 水溶液透光率與 (a)溫度和(b) pH 的變化關(guān)系Fig.5 Transmittance of P(MEO2MA90-co-OEGMA10)-b-PDPA10 solution as a function of (a) temperature and (b) pH value
2.3.1 MSNs-PDPA-FA@Polymer的表征 圖6(a)分別為MSNs、MSNs-PDPA-FA 以及MSNs-PDPA-FA@Polymer的TEM圖,可以看到MSNs具有清晰規(guī)則的孔道結(jié)構(gòu),在組裝聚合物后,孔道結(jié)構(gòu)消失,并且還能看到MSNs-PDPA-FA@Polymer的核-殼結(jié)構(gòu)。從粒徑分布上(圖6(b))可以觀察到,隨著聚合物的修飾,其粒徑逐漸由170 nm增至240 nm;MSNs的比表面積為1 133 m2/g,而在修飾PDPA-FA后,其比表面積下降到505 m2/g,在聚合物自組裝后,比表面積進(jìn)一步下降到490 m2/g(圖6(c)),其孔徑也由2.46 nm降至2 nm以下(圖6(d)),證明聚合物的修飾能夠很好地覆蓋MSNs的孔道。以上結(jié)果均證明了聚合物P(MEO2MA90-co-OEGMA10)-b-PDPA10能夠被自組裝到MSNs-PDPA-FA表面。
圖6 樣品的(a)TEM 圖;(b)DLS 粒徑分布;(c) N2 吸附-脫附曲線;(d) 孔徑分布曲線Fig.6 (a) TEM images; (b) DLS size distribution; (c) nitrogen absorption-desorption isotherms and (d) pore size distributions of samples
樣品熱重分析結(jié)果(圖7)也顯示,從30 ℃升溫到900 ℃的過程中,樣品的失重率不斷增大,900 ℃時(shí)MSNs的失重率為3.82%,可以歸因于其表面吸附的水分蒸發(fā);MSNs-PDPA-Br、MSNs-PDPA-FA和MSNs-PDPA-FA@Polymer的失重率分別達(dá)到了24.52%、29.14%和33.70%,通過分析可以大致估算出,自組裝到MSNs表面的FA含量為46.2 mg/g,溫敏聚合物的含量約為45.6 mg/g。以上種種分析均證明了聚合物P(MEO2MA90-co-OEGMA10)-b-PDPA10能夠被自組裝到MSNs-PDPA-FA表面。
圖7 樣品的熱重分析曲線Fig.7 TGA curves of samples
2.3.2 MSNs-PDPA-FA@Polymer的溫度響應(yīng)性 將MSNs-PDPA-FA@Polymer分散于超純水中,其粒徑隨溫度的變化如圖8所示。當(dāng)溫度在聚合物P(MEO2MA90-co-OEGMA10)-b-PDPA10的LCST以下時(shí),整個(gè)自組裝體系的粒徑相對(duì)變化不大,維持在240 nm左右;當(dāng)環(huán)境溫度為44~48 ℃時(shí),粒徑急速降低至215 nm左右;當(dāng)溫度提高至聚合物的LCST以上時(shí),其粒徑與自組裝前的MSNs-PDPA-FA顆粒相似。由此得出,修飾到MSNs表面的聚合物P(MEO2MA90-co-OEGMA10)-b-PDPA10,在溫度上升到其LCST以上時(shí),由于疏水作用會(huì)發(fā)生大幅度的收縮,有望將MSNs上的功能分子FA暴露出來,使其起到靶向作用。
圖8 MSNs-PDPA-FA@Polymer的粒徑與溫度的關(guān)系Fig.8 Size of MSNs-PDPA-FA@Polymer as a function of temperature
2.3.3 MSNs-PDPA-FA@Polymer的pH響應(yīng)性 室溫下將MSNs-PDPA-FA@Polymer分散于超純水中,其Zeta電位隨pH的變化如圖9所示。在將樣品的pH由7.4調(diào)節(jié)為5.0后,自組裝體系的Zeta電位發(fā)生了反轉(zhuǎn),由pH=7.4下的-11.7 mV反轉(zhuǎn)到20.6 mV,該電位與圖2(b)中pH=5.0下MSNs-PDPA-FA的電位相一致,證明了當(dāng)pH=5.0時(shí),該自組裝結(jié)構(gòu)發(fā)生了解離,導(dǎo)致FA分子重新暴露在MSNs表面。雖然在酸性環(huán)境下,殼層的聚合物從MSNs表面脫落,但接枝在MSNs表面的PDPA-FA聚合物鏈此時(shí)因發(fā)生了質(zhì)子化而變得親水,處于伸展?fàn)顟B(tài)。當(dāng)pH=5.0時(shí),MSNs-PDPA-FA的粒徑為247.9 nm,而殼層聚合物未脫落時(shí)的粒徑為240 nm,因此降低pH所測(cè)得的粒徑并未發(fā)生較大改變。
圖9 25 ℃下 MSNs-PDPA-FA@Polymer的Zeta電位與 pH的關(guān)系Fig.9 Zeta potential of MSNs-PDPA-FA@Polymer as a function of pH values at 25 ℃
DOX的連續(xù)累計(jì)釋放曲線如圖10(a)所示,在pH=7.4、37 ℃下,48 h累計(jì)釋放量只有10%;將溫度升高至44 ℃,48 h累計(jì)釋放量也僅僅增加到了20%;在pH=5.0、37 ℃下,DOX的48 h累計(jì)釋放量可達(dá)50%;然而當(dāng)同時(shí)改變溫度和pH時(shí),DOX的48 h累計(jì)釋放量達(dá)到了65%。44 ℃時(shí)DOX的pH分階段釋放曲線如圖10(b)所示,當(dāng)pH=7.4時(shí),藥物前8 h的累計(jì)釋放量只有8%;將環(huán)境的pH調(diào)節(jié)為5.0,此時(shí)PDPA迅速轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水性,結(jié)構(gòu)舒展,MSNs的孔道得以打開,藥物從中釋放,因此在8 h處出現(xiàn)了一個(gè)極明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn),最終在50 h處釋放量達(dá)到了65%。實(shí)驗(yàn)證明,該載體能夠?qū)崿F(xiàn)較好的藥物封裝效果,并且可以靈敏地響應(yīng)周圍環(huán)境變化,實(shí)現(xiàn)藥物的可控釋放。
圖10 MSNs-PDPA-FA@Polymer的(a)釋藥動(dòng)力學(xué)曲線和(b)多階段pH響應(yīng)釋藥曲線(44 ℃)Fig.10 (a) Drug release kinetics curves and (b) the programmable drug release curves of MSNs-PDPA-FA@Polymer at 44 ℃
(1)合成了特定LCST的pH/溫度響應(yīng)聚合物P(MEO2MA90-co-OEGMA10)-b-PDPA10,并通過疏水作用將其自組裝到MSNs-PDPA-FA納米顆粒的表面,制備了pH/溫度雙重敏感的核-殼結(jié)構(gòu)納米顆粒。
(2)該納米顆粒能夠很好地封裝藥物,在高溫以及酸性環(huán)境下能促進(jìn)藥物釋放。