吳 捷，王 莉，唐 薇，程 亮

(蘇州大學(xué)功能納米與軟物質(zhì)研究院 蘇州納米科技協(xié)同創(chuàng)新中心, 江蘇 蘇州 215123)

1 前 言

LDHs的制備方法簡(jiǎn)單，共沉淀法是目前最常用的制備方法[19]。通過(guò)金屬鹽如硝酸鹽、硫酸鹽、氯化物、碳酸鹽等的混合溶液與堿如氫氧化鈉、氨水、氫氧化鉀等溶液發(fā)生沉淀反應(yīng)，然后將沉淀物在一定條件下轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)DHs晶體。這種方法的優(yōu)勢(shì)在于產(chǎn)率高、成本低且利于大規(guī)模生產(chǎn)，同時(shí)可以調(diào)節(jié)共沉淀M2+和M3+的比例，制備不同n(M2+)/n(M3+)比例的一系列LDHs。此外，共沉淀法還能通過(guò)選擇不同種類(lèi)的合成原料，使層間穿插不同陰離子，得到陽(yáng)離子相同而陰離子不同的水滑石。除了共沉淀法，模板法、陰離子交換法以及自上而下剝離法也是LDHs的制備方法，它們都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。如模板法是以某種有機(jī)物的本體或者其聚合物作為模板，用該模板與溶液反應(yīng)物在液相界面反應(yīng)，從而形成水滑石模板復(fù)合體。模板法可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物尺寸的精準(zhǔn)控制，且實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單、合成條件溫和。但這種方法制得的產(chǎn)物比表面積大，微觀形態(tài)比較粗糙。陰離子交換法顯著的優(yōu)點(diǎn)是可以靈活地選擇不同離子，從而得到不同結(jié)構(gòu)和功能的離子插層水滑石材料，但該方法對(duì)反應(yīng)條件要求比較嚴(yán)格，易引入雜質(zhì)離子[20]。剝離法則是借助超聲以及分散劑(如甲醇、水、氯仿等)削弱水滑石層板間作用力，從而得到小尺寸的水滑石。剝離法操作簡(jiǎn)單、所得產(chǎn)物尺寸均一，但存在耗時(shí)長(zhǎng)、分散劑有毒且去除較難的問(wèn)題[21]。

LDHs因具有上述的層間陰離子可調(diào)性，進(jìn)而也具有可調(diào)的限域效應(yīng)，可以將層間陰離子限制在LDHs層板中，是一類(lèi)具有廣闊應(yīng)用前景的載體材料[22]。它能夠?qū)崿F(xiàn)高載藥量并保持藥物的生物活性，從而作為有效的藥物載體、生物活性催化劑以及多功能生物診療試劑[23-26]。此外，以LDHs納米材料為主體，通過(guò)插層組裝的方法可以構(gòu)建一系列新型插層結(jié)構(gòu)的醫(yī)學(xué)診療材料，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)調(diào)控、性能強(qiáng)化的目的。進(jìn)而通過(guò)改變主體層板金屬元素組成和層間客體種類(lèi)和含量，獲得功能可調(diào)的新型藥物材料[27]。本文主要總結(jié)了LDHs納米材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用(圖1)，重點(diǎn)從腫瘤治療、抗菌、骨修復(fù)等幾個(gè)方面闡述，并指出了其在各領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)和不足，最后對(duì)LDHs納米復(fù)合材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)與展望。

圖1 層狀雙氫氧化物(LDHs)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用Fig.1 Bioapplication of layered double hydroxides (LDHs) in medical field

2 水滑石在腫瘤治療中的應(yīng)用

2.1 光熱治療(PTT)

光熱治療(photothermal therapy, PTT)是一種通過(guò)光激發(fā)產(chǎn)熱以達(dá)到局部高溫消融腫瘤的方法，已被認(rèn)為是一種無(wú)創(chuàng)且副作用小的癌癥治療策略[28]。在PPT中，光敏劑是其最關(guān)鍵的因素。光敏劑能有效地將光能轉(zhuǎn)化為熱能，從而對(duì)腫瘤進(jìn)行熱消融[29]。相關(guān)研究表明，材料的缺陷結(jié)構(gòu)對(duì)其作為PTT光敏劑的光熱轉(zhuǎn)化性能起到重要作用[30]。LDHs自身具有的缺陷結(jié)構(gòu)以及它的層板金屬組成可調(diào)、層間陰離子可調(diào)、層板尺寸及厚度可調(diào)等特性，使之可以用作光敏劑將光能轉(zhuǎn)化為熱能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)腫瘤的光熱治療。中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所姜秀娥團(tuán)隊(duì)[13]合成了一種MnFe-LDHs，由于水滑石自身的氧空位缺陷結(jié)構(gòu)，MnFe-LDHs具有47.6%的光熱轉(zhuǎn)換效率，在400 μg/mL的濃度下10 min內(nèi)材料即可升溫至51.1 ℃，從而殺死腫瘤。為了可控地調(diào)控缺陷結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)LDHs光熱性能的可調(diào)性，關(guān)山月等[31]制備了一系列材料，并圍繞LDHs的結(jié)構(gòu)調(diào)控，引入陽(yáng)離子缺陷結(jié)構(gòu)，利用拓?fù)滢D(zhuǎn)變法對(duì)CoFe-LDHs前驅(qū)體進(jìn)行煅燒，制備了一系列CoFe-x樣品(x是樣品煅燒的溫度：200～800 ℃范圍內(nèi))。通過(guò)改變煅燒溫度x可以精細(xì)地調(diào)控CoFe-x樣品中的Co缺陷濃度，進(jìn)而有效調(diào)控樣品的光熱性能(圖2a)。當(dāng)煅燒溫度為500 ℃時(shí)，樣品CoFe-500的缺陷濃度最大，光熱轉(zhuǎn)化效率達(dá)到最高值51%，約為FDA批準(zhǔn)的光熱試劑吲哚菁綠(ICG)的3.5倍。進(jìn)一步通過(guò)密度泛函理論(density functional theory, DFT)計(jì)算證實(shí)，CoFe-500中豐富的Co缺陷使得樣品具有窄的帶隙，降低了非輻射躍遷的結(jié)合能壘，從而實(shí)現(xiàn)了樣品光熱性能的極大提高。這項(xiàng)工作提出了一種通過(guò)調(diào)節(jié)拓?fù)滢D(zhuǎn)變溫度，精細(xì)調(diào)控水滑石衍生物的缺陷濃度，從而優(yōu)化光熱試劑性能的設(shè)計(jì)策略。

其次，水滑石因其獨(dú)特的理化性能，如限域效應(yīng)、較高的比表面積、良好的水分散性和穩(wěn)定性等，可以用作載體負(fù)載具有良好光熱性能的光敏劑，彌補(bǔ)光敏劑自身光學(xué)穩(wěn)定性弱、水溶性差等不足。對(duì)此，北京化工大學(xué)衛(wèi)敏課題組[32]利用MgAl-LDHs層間的檸檬酸與尿素進(jìn)行縮合反應(yīng)制備得到超薄氮化碳(CN)與LDHs的復(fù)合物CN/LDHs熒光粉，其在紫外光照射下發(fā)出強(qiáng)藍(lán)綠色光，絕對(duì)固態(tài)量子產(chǎn)率(solid-state quantum yield, SSQY)為95.9%±2.2%，是目前報(bào)道過(guò)的碳基熒光粉的最高值。此外，關(guān)山月等[33]進(jìn)一步將紅光碳點(diǎn)(carbon dots, CDs)和ICG負(fù)載在超薄水滑石納米片(uLDHs)表面，制備出一種可用于持續(xù)光熱療法和三模式生物成像(熒光/光聲/雙光子)的多功能納米復(fù)合物CDs/ICG-uLDHs(圖2b)。由于uLDHs表面的限域效應(yīng)，使ICG在LDHs表面自組織形成具有更高光學(xué)穩(wěn)定性和光熱轉(zhuǎn)化效率的J-聚集體，因此CDs/ICG-uLDHs納米復(fù)合物能夠穩(wěn)定光熱劑ICG并提高其光熱效率，同時(shí)提升光聲成像效果。不僅如此，uLDHs獨(dú)特的限域作用還將CDs的熒光壽命延長(zhǎng)了近一倍，更有利于熒光生物成像。LDHs不僅可以負(fù)載有機(jī)小分子，還可以負(fù)載無(wú)機(jī)納米光敏劑。北京化工大學(xué)王卓課題組[9]構(gòu)建了金納米棒和水滑石的核-殼GNR@LDHs納米結(jié)構(gòu)。Au和LDHs之間的相互作用導(dǎo)致Au表面產(chǎn)生電子缺陷，并且LDHs的包裹限制了金納米棒(gold nanorods, GNR)的布朗熱運(yùn)動(dòng)，有利于熱量積聚。在808 nm激光照射下，GNR@LDHs的光熱轉(zhuǎn)化效率η值可高達(dá)60%，與報(bào)道的基于GNR的光熱療法材料相比，轉(zhuǎn)換效率顯著提高。以上研究均表明，LDHs納米材料無(wú)論是自身作為光敏劑，抑或是作為光敏劑的增效載體，均在癌癥的光熱治療方面顯示出巨大的潛力。然而，盡管光熱治療在一些皮下瘤治療中表現(xiàn)優(yōu)異，但仍然存在著難以完全熱消融腫瘤、缺乏穩(wěn)定長(zhǎng)效的長(zhǎng)波長(zhǎng)激發(fā)的光熱劑以及穿透深度有限的問(wèn)題，且其對(duì)正常組織的殺傷往往不可避免，總而言之，增效光熱治療將是研究者們不斷追尋的目標(biāo)。

圖2 LDHs在腫瘤治療中的應(yīng)用：(a)CoFe-LDHs-500在PA/MR/NIR成像引導(dǎo)下的光熱治療[31]；(b)CD/ICG-uLDHs納米復(fù)合材料用于成像和腫瘤治療[33]；(c)Ru(C-bpy)2/mLDHs用于腫瘤光動(dòng)力治療[34]；(d)LDHs基納米疫苗用于腫瘤免疫治療[35]Fig.2 Applications of LDHs in tumor therapy: (a) CoFe-LDHs-500 photothermal therapy guided by PA/MR/NIR imaging[31]; (b) CD/ICG-uLDHs nanocomposites for imaging and tumor therapy[33]; (c) Ru(C-bpy)2/mLDHs for tumor photodynamic therapy[34]; (d) LDHs-based nanovaccine for tumor immunotherapy[35]

2.2 光動(dòng)力治療(PDT)

單重態(tài)氧由于其強(qiáng)大的氧化性能而在催化和生物學(xué)研究中贏得了廣泛的關(guān)注。然而，現(xiàn)有能產(chǎn)生單重態(tài)氧的光敏劑或多或少存在親水性弱、生物相容性差以及長(zhǎng)波長(zhǎng)光激發(fā)效率低的問(wèn)題。水滑石因具有較高的比表面積、良好的水分散性和穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)，可以用作生物載體負(fù)載光敏劑，實(shí)現(xiàn)在特定波長(zhǎng)激發(fā)下產(chǎn)生活性氧物種，進(jìn)而用于腫瘤的光動(dòng)力治療(photodynamic therapy, PDT)。在此方面研究人員已經(jīng)做了大量的研究，并取得了眾多成果。衛(wèi)敏等[36]開(kāi)發(fā)了一種近紅外激光激活的超分子光敏劑(間苯二甲酸/層狀雙氫氧化物IPA/LDHs納米復(fù)合物)，用于高效的雙光子光動(dòng)力療法。該納米復(fù)合物的單重態(tài)氧量子產(chǎn)率高達(dá)0.74，在同等藥物濃度和波長(zhǎng)808 nm的激光照射下，IPA/LDHs在IPA濃度為0.153 μg/mL時(shí)即可達(dá)到IC50，相比間苯二甲酸(IPA)具有極強(qiáng)的消融腫瘤能力。關(guān)山月等[34]將熒光分子釕復(fù)合物與單片層的水滑石進(jìn)行復(fù)合，合成了一種高效的乏氧響應(yīng)診療一體化探針Ru(C-bpy)2/mLDHs。實(shí)驗(yàn)研究表明，該水滑石復(fù)合材料不僅具有更長(zhǎng)的發(fā)光壽命，而且在波長(zhǎng)488或800 nm光激發(fā)下能顯著增強(qiáng)乏氧響應(yīng)(圖2c)。此外，相比于單獨(dú)的Ru(C-bpy)2，Ru(C-bpy)2/mLDHs在波長(zhǎng)520 nm的光源照射下能產(chǎn)生更多的單線態(tài)氧。因此，Ru(C-bpy)2/mLDHs還可以作為一種超分子治療藥物，實(shí)現(xiàn)腫瘤成像和光動(dòng)力治療結(jié)合。此外，梁瑞政等[37]通過(guò)將水溶性較差的鋅酞菁(ZnPc)摻入LDHs的片層中，得到具有優(yōu)異抗癌光動(dòng)力治療性能的超分子光敏劑。該復(fù)合材料通過(guò)主客體之間的相互作用使ZnPc單體在LDHs的限域區(qū)域中高度分散，并具有更高的單線態(tài)氧產(chǎn)生效率。與此同時(shí)，光動(dòng)力治療的主要挑戰(zhàn)是開(kāi)發(fā)新型靶向腫瘤的光敏劑，腫瘤靶向性激活被認(rèn)為是設(shè)計(jì)這些光敏劑的有效策略。Li等[38]利用帶負(fù)電荷的改性鋅酞菁與帶正電荷的LDHs之間的靜電相互作用，通過(guò)共沉淀的方法開(kāi)發(fā)了一種新型的pH響應(yīng)超分子光敏劑LDHs-ZnPcS8，它在中性條件下不具有光活性，但在微酸性環(huán)境(pH=6.5)下被精確有效地激活。結(jié)果表明，LDHs-ZnPcS8具有95.3%的腫瘤抑制率，得益于pH靶向，LDHs顯著降低了ZnPcS8的光毒性。由此可見(jiàn)，LDHs作為pH響應(yīng)性載體，在增效腫瘤治療的同時(shí)，一定程度上還降低了藥物副作用。腫瘤細(xì)胞膜具有同源靶向的能力，徐志平等[39]利用腫瘤細(xì)胞膜包被負(fù)載了ICG和白蛋白紫杉醇(PTX-BSA)的LDHs(LIPC NSs)，構(gòu)筑了能夠靶向腫瘤的光動(dòng)力和化療一體平臺(tái)。通過(guò)平均熒光強(qiáng)度對(duì)比發(fā)現(xiàn)，相比于裸露的LDHs負(fù)載ICG和PTX-BSA(LIP)，腫瘤細(xì)胞膜包被使得LIP的靶向能力提高了2倍。因此，即使負(fù)載低劑量的ICG(1.2 mg/kg)和PTX-BSA(0.6 mg/kg)，該納米平臺(tái)也能抑制腫瘤生長(zhǎng)。與光熱治療存在的局限性類(lèi)似，光動(dòng)力治療也受光照的組織穿透深度的限制，并且一些有機(jī)光敏劑，例如ICG、鐵卟啉衍生物往往存在光毒性問(wèn)題，而無(wú)機(jī)光敏劑的穩(wěn)定性差，大顆粒不易通過(guò)尿液排出。

2.3 免疫治療

免疫療法是一種通過(guò)激活生物體自身免疫系統(tǒng)來(lái)殺死腫瘤的新型治療手段，并且已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展。目前，研究人員主要專(zhuān)注于開(kāi)發(fā)出能夠刺激免疫的免疫激動(dòng)劑(例如能刺激STING通路的含錳化合物[40]、工程菌[41]、細(xì)胞因子[42]等)，聯(lián)合免疫療法以及腫瘤疫苗等。許多功能化的微/納米疫苗可以增效腫瘤的免疫治療[43]。水滑石作為常用的生物載體，可以負(fù)載一些生物分子形成納米疫苗，刺激免疫系統(tǒng)，增效腫瘤的免疫治療。許志平團(tuán)隊(duì)[35]通過(guò)將抗原和激動(dòng)劑CpG負(fù)載在LDHs納米顆粒上，構(gòu)建了一種納米疫苗(圖2d)。研究表明，“靜脈注射+皮下注射”該疫苗的接種組合能夠快速誘導(dǎo)強(qiáng)效、持久的抗腫瘤反應(yīng)，進(jìn)而抑制早期腫瘤的生長(zhǎng)。與對(duì)照組相比，實(shí)驗(yàn)組的腫瘤體積減少了75%～90%。基于這些研究結(jié)果，他們提出了靜脈和皮下聯(lián)合注射這種新的疫苗的接種策略，該治療策略可以延緩早期和晚期B16F10腫瘤的發(fā)展，進(jìn)而可以延長(zhǎng)治療窗口時(shí)間。劉瑞田等[44]利用 LDHs納米顆粒遞送酪氨酸酶相關(guān)蛋白2(Trp2)和吲哚胺2,3-雙加氧酶siRNA(siIDO)到樹(shù)突狀細(xì)胞(DCs)。LDHs納米顆粒很容易被DCs吸收，并從核內(nèi)逃逸到細(xì)胞質(zhì)中。與游離Trp2肽或siIDO相比，通過(guò)LDHs納米顆粒遞送的Trp2和siIDO可顯著抑制黑色素瘤小鼠模型的腫瘤生長(zhǎng)，緩解吲哚胺2,3-雙加氧酶(IDO)介導(dǎo)的免疫抑制，刺激DCs成熟并活化體內(nèi)特異性T細(xì)胞。因此，LDHs納米顆粒具有較高的肽或siRNA負(fù)載能力，能有效保護(hù)和傳遞Trp2和siIDO，克服免疫耐受，增強(qiáng)T細(xì)胞免疫，是增強(qiáng)癌癥免疫治療的潛在藥物。LDHs在腫瘤免疫治療中的研究目前仍然較少，僅局限于作為功能性免疫激動(dòng)劑載體，而LDHs自身金屬離子所具有的免疫學(xué)效應(yīng)往往被忽視，這方面的工作有待開(kāi)展。

3 水滑石在抗菌中的應(yīng)用

3.1 金屬離子抗菌

LDHs中金屬離子的可調(diào)性，賦予了LDHs可以同時(shí)攜帶一種或多種具有抗菌活性的金屬離子的能力，使LDHs具備抗菌的功能。Dutta等[45]采用共沉淀的方法合成了Zn2Al-CO3LDHs，采用Bauer Kirby紙片擴(kuò)散法測(cè)試該LDHs對(duì)革蘭氏陰性桿菌以及革蘭氏陽(yáng)性桿菌的抑制效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Zn2Al-CO3LDHs對(duì)上述2種菌的生長(zhǎng)均具有抑制作用，其中對(duì)革蘭氏陰性桿菌生長(zhǎng)的抑制效果更顯著。研究人員進(jìn)一步向ZnAl-LDHs中摻入其他離子進(jìn)行改性，增效其抗菌活性。例如，Geetanjali等[46]合成了銅離子摻雜的ZnAl-LDHs，銅優(yōu)異的抑菌性能進(jìn)一步增強(qiáng)了ZnAl-LDHs的抗菌能力，再將其煅燒后與不同質(zhì)量比的硅酸鹽黏土在球磨機(jī)下混合，即使在1∶20的比例下依舊可以有效地抑制大腸桿菌生長(zhǎng)。除了含鋅、銅離子的LDHs之外，含有其他離子的LDHs也被廣泛開(kāi)發(fā)出來(lái)并被證明有抗菌活性。李凱等[47]采用水熱法在鈦片上負(fù)載了GaSr-LDHs，在250 ℃下煅燒制備了GaSr-LDHs包裹的鈦基植入體，在鈦表面形成的LDHs薄膜誘導(dǎo)了堿性微環(huán)境的形成，并且持續(xù)釋放的Ga3+就像“特洛伊木馬”一樣破壞著細(xì)胞的鐵代謝，從而對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有明顯的抑制作用。因此，引入具有抗菌活性的金屬離子可以賦予水滑石抗菌能力，同時(shí)抗菌水滑石可以便捷地包覆在不同的生物材料上發(fā)揮抗菌作用。

3.2 負(fù)載抗菌活性物質(zhì)

基于LDHs的載體特性，使用LDHs負(fù)載抗菌活性物質(zhì)也引起了廣泛的研究。Komarala等[48]在超聲的作用下，利用陰離子交換的手段合成了負(fù)載頭孢噻肟鈉的MgAl-LDHs，并與葫蘆巴聚合物復(fù)合得到CLF復(fù)合物(圖3a)。該納米復(fù)合物對(duì)頭孢噻肟鈉的負(fù)載能力達(dá)到了72.5 μg/mg(圖3b)，在pH≈7.3的情況下持續(xù)釋放時(shí)間長(zhǎng)達(dá)72 h。相比單純的頭孢噻肟鈉，該復(fù)合物具有更好的抗菌活性，并且值得注意的是，其對(duì)具有廣譜耐藥性的大腸桿菌依舊有98%的細(xì)菌致死率(圖3c)。除了抗生素外，其他抗菌活性物質(zhì)也能負(fù)載在LDHs上，趙華章等[49]首次將溶菌酶負(fù)載在MgAl-LDHs上(圖4a)，并探究了不同負(fù)載質(zhì)量比的復(fù)合物在不同pH值下抗菌活性的差異，發(fā)現(xiàn)溶菌酶/LDHs負(fù)載質(zhì)量比0.8且pH值為3～9時(shí)清除細(xì)菌的效率更高。其中LDHs對(duì)細(xì)菌有較好的吸附作用，被吸附的細(xì)菌在溶菌酶的作用下被清除，且溶菌酶抗菌活性不受LDHs的吸附能力限制，具有長(zhǎng)效性。王卓等[50]向MgAl-LDHs中引入了Zn2+進(jìn)行改性，合成了具有花朵結(jié)構(gòu)的ZnMgAl-LDHs,與MgAl-LDHs和ZnAl-LDHs相比，花朵結(jié)構(gòu)的ZnMgAl-LDHs具有更高的溶菌酶負(fù)載量，并且比表面積更大，粗糙的表面能夠吸附更多細(xì)菌，因此具有更高的抗菌活性。溶菌酶的抗菌活性與其空間結(jié)構(gòu)有關(guān)，將溶菌酶吸附在帶電表面并不會(huì)影響其活性[51]，劉金盾等[52]認(rèn)為帶電表面的LDHs與溶菌酶通過(guò)靜電、氫鍵以及分子間弱相互作用結(jié)合在一起，極大程度上保留了溶菌酶的結(jié)構(gòu)，并且兩者的結(jié)合產(chǎn)生多價(jià)的相互作用使該材料對(duì)細(xì)菌具有更強(qiáng)的吸附能力，因而更有利于溶菌酶裂解細(xì)菌。總之，LDHs作為抗菌活性物質(zhì)載體，往往具有長(zhǎng)效的緩釋作用，并且能夠增強(qiáng)所負(fù)載抗菌物質(zhì)的活性。這可能與LDHs延長(zhǎng)了抗菌物質(zhì)的作用時(shí)間，以及LDHs本身能夠吸附細(xì)菌，提高了抗菌劑與細(xì)菌發(fā)生作用的概率有關(guān)。然而，如何進(jìn)一步通過(guò)對(duì)LDHs結(jié)構(gòu)改性來(lái)提高抗菌效率，以及開(kāi)發(fā)對(duì)耐藥菌具有較好抑制效果的LDHs復(fù)合物，仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

圖3 MgAl-LDHs負(fù)載頭孢噻肟鈉抗菌研究[48]：(a)CLF納米復(fù)合物對(duì)E.coli 949 ESBL頭孢噻肟耐藥菌株的抗菌活性示意圖，(b)CLF納米復(fù)合物的藥物釋放曲線，(c)CLF納米復(fù)合物的抗菌性能Fig.3 Research of MgAl-LDHs loaded with cefotaxime sodium for inhibiting bacteria growth[48]: (a) schematic illustration of the antibacterial activity of CLF nanocomplexes against cefotaxime-resistant strains of E.coli 949 ESBL, (b) drug release profiles of CLF nanocomplexes, (c) antibacterial properties of CLF nanocomposites

3.3 光學(xué)抗菌

近年來(lái)，研究人員陸續(xù)研制出了具有抗菌性能的光敏劑[53]，開(kāi)發(fā)了具有光動(dòng)力效果的LDHs抗菌復(fù)合材料。肖芳楠等[54]將釕絡(luò)合物作為光敏劑和抗菌劑摻雜在LDHs基質(zhì)中制備了Ru/LDHs，并進(jìn)一步在其表面修飾了銀納米顆粒作為共抗菌劑，合成了釕復(fù)合物和銀納米顆粒摻雜的Ag-Ru/LDHs來(lái)聯(lián)合光催化抗菌(圖4b)?？咕鷮?shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在光照的情況下，釕復(fù)合物能夠通過(guò)靶向裂解或氧化還原損傷細(xì)菌DNA，因此Ru/LDHs對(duì)氯霉素耐藥大腸桿菌(革蘭氏陰性)和金黃色葡萄球菌(革蘭氏陽(yáng)性)的生長(zhǎng)均有強(qiáng)抑制作用，Ag-Ru/LDHs則能完全抑制這2種菌的生長(zhǎng)。值得注意的是，黑暗條件下Ru/LDHs沒(méi)有殺傷細(xì)菌的效果，說(shuō)明LDHs作為載體材料能夠有效防止釕復(fù)合物的泄露。北京化工大學(xué)王卓課題組[9]合成了包裹GNR的LDHs復(fù)合物，呈核殼結(jié)構(gòu)。LDHs和GNR的相互作用增加了金納米棒表面的電子缺陷，能誘導(dǎo)更多電子，從而達(dá)到60%的高光熱轉(zhuǎn)化效率。同時(shí)，LDHs的包裹顯著提高了金納米棒的生物相容性，該材料在光照下具有很強(qiáng)的細(xì)菌殺傷能力(圖4c)。綜上可知，LDHs聯(lián)合光敏劑可發(fā)揮優(yōu)良的抗菌效果。

圖4 LDHs在抗菌方面的應(yīng)用：(a)MgAl-LDHs負(fù)載溶菌酶用于抗菌[49]；(b)釕絡(luò)合物和銀納米顆粒摻雜的Ag-Ru/LDHs用于光動(dòng)力抗菌[54]；(c)GNR@LDHs的合成及其在光熱抗菌治療的應(yīng)用[9]Fig.4 Application of LDHs in antibacterial: (a) MgAl-LDHs loaded with lysozyme for antibacterial[49]; (b) Ag-Ru/LDHs contains Ru complex and silver nanoparticles towards photodynamic antibacterial[54]; (c) synthesis scheme of GNR@LDHs and the application of photothermal antibacterial[9]

4 水滑石在骨科及其它生物領(lǐng)域中的應(yīng)用

4.1 在成骨中的應(yīng)用

除了用于抗菌領(lǐng)域，LDHs在成骨中的潛在應(yīng)用也引起了研究者的關(guān)注。LDHs在成骨中的主要作用有：用作促成骨藥物載體、改良骨移植體以及用作成骨藥物。首先，基于LDHs的藥物載體特性，上海師范大學(xué)郭亞平團(tuán)隊(duì)[55]制備了MgAl-LDHs以及殼聚糖負(fù)載pifithrin-α的復(fù)合物，用于pifithrin-α的可持續(xù)性釋放。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞在該材料上有較好的細(xì)胞相容性和粘附性，并在pifithrin-α的作用下快速增殖并成骨分化。Choi等[56]制備了負(fù)載利塞磷酸鹽的ZnAl-LDHs復(fù)合物，并將其與聚乳酸-羥基乙酸共聚物一同附著在生物可吸收的骨盤(pán)上，希望骨盤(pán)在骨固定的同時(shí)釋放藥物促進(jìn)骨再生。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在LDHs的藥物緩釋作用下，附著了該復(fù)合物的骨盤(pán)相比對(duì)照組有更多骨生成，骨缺陷體積更小，并且LDHs中的金屬離子還有利于術(shù)后的X射線成像。

除了促成骨藥物外，臨床也廣泛使用骨移植體來(lái)治療骨損傷。其中鎂及其合金材料具有良好的彈性模量并且能夠在體內(nèi)降解，因而有望成為新型的骨移植體材料。然而鎂合金的抗菌性能不佳、易腐蝕性以及腐蝕導(dǎo)致的微環(huán)境pH改變限制了其應(yīng)用[57]。針對(duì)以上不足，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所劉宣勇團(tuán)隊(duì)[58]通過(guò)水熱法在等離子體電解氧化后的鎂合金表面生成了致密的MgZnAl-LDHs膜，賦予了鎂合金良好的抗腐蝕性能。同時(shí)，Mg2+的釋放可以提高大鼠骨髓干細(xì)胞(rBMSCs)中堿性磷酸酶的活性以及骨橋蛋白的表達(dá)，從而增強(qiáng)成骨分化；Zn2+的釋放可以發(fā)揮良好的抗菌活性。上述結(jié)果表明，MgZnAl-LDHs膜賦予了鎂合金良好的耐腐蝕性以及抗菌活性(圖5a和5c)。鎂基LDHs在誘導(dǎo)成骨分化方面的應(yīng)用不止于此，衛(wèi)敏團(tuán)隊(duì)[59]合成了MgAlYb-LDHs負(fù)載阿侖膦酸鈉的納米復(fù)合物用于創(chuàng)傷性股骨頭壞死的治療(圖5b)。該LDHs對(duì)阿侖膦酸鈉有著高達(dá)98.6%的負(fù)載效率，并且在兩者的共同作用下，術(shù)后8周的骨再生體積分別是陰性對(duì)照組以及自體骨移植的陽(yáng)性對(duì)照組的2.77和1.41倍；同時(shí)，骨密度也相比陽(yáng)性對(duì)照組提高了1.52倍。他們基于以上研究分析了鎂基LDHs材料在成骨應(yīng)用中的優(yōu)越性，主要體現(xiàn)在以下2個(gè)方面：① LDHs中鎂的含量具有可調(diào)性，可以控制鎂含量在合適的范圍內(nèi)以發(fā)揮最佳效果；② LDHs可以被成骨細(xì)胞攝取，并在細(xì)胞內(nèi)瓦解釋放出離子來(lái)加快成骨分化。

此外，LDHs在慢性骨病，例如骨質(zhì)疏松癥的治療中也具有應(yīng)用潛力。目前在臨床上對(duì)骨質(zhì)疏松癥的治療依賴(lài)于破骨細(xì)胞對(duì)骨損傷的抑制作用，忽略了免疫細(xì)胞在骨質(zhì)疏松癥進(jìn)展過(guò)程中的作用，限制了治療效果。針對(duì)此問(wèn)題，施劍林團(tuán)隊(duì)[60]通過(guò)用鈣黃綠素功能化鈣鋁水滑石形成復(fù)合物CALC(圖5d)，建立了一種基于酸中和協(xié)同免疫微環(huán)境調(diào)節(jié)的骨質(zhì)疏松癥的高效免疫治療模式。在骨質(zhì)疏松癥的酸性微環(huán)境中，弱堿性CALC納米片可以中和酸并釋放出Ca2+，進(jìn)而與內(nèi)源性磷酸鹽形成磷酸鈣納米顆粒(CAPs)，對(duì)骨質(zhì)疏松癥具有出色的治療效果。綜上所述，LDHs作為藥物載體可以聯(lián)合藥物同時(shí)發(fā)揮成骨作用；還可以原位生成抗腐蝕膜結(jié)構(gòu)，同時(shí)增強(qiáng)被包裹材料的性能。但是，如何調(diào)控離子含量來(lái)發(fā)揮更好的成骨能力，以及發(fā)展高穩(wěn)定性的LDHs成骨材料還有待探索。

圖5 水滑石在成骨及其他生物領(lǐng)域的應(yīng)用：(a)鎂合金表面包裹MgZnAl-LDHs用于成骨[58]；(b)負(fù)載阿侖膦酸鈉的LDHs促成骨機(jī)制[59]；(c)鎂基合金促hBMMSCs成骨分化的機(jī)制[58]；(d)CALC用于骨質(zhì)疏松治療[60]Fig.5 Application of hydrotalcite in osteogenesis and other biological fields: (a) LDHs wrapped magnesium alloys for osteogenesis[58]; (b) osteogenic mechanism of LDHs loaded with alendronate[59]; (c) mechanisms of magnesium-based alloys promoting osteogenic differentiation of hBMMSCs[58]; (d) CALC for osteoporosis reversion[60]

4.2 在牙科方面的研究

大量研究表明，通過(guò)在口腔內(nèi)持續(xù)釋放低水平的氟化物，可以有效預(yù)防早期齲齒損害。LDHs可用作氟化物載體用于齲齒的防護(hù)。Agron等[61, 62]通過(guò)調(diào)整M2+和M3+的元素種類(lèi)和元素比列合成了一系列不同的LDHs(MgAl、MgFe、CaAl和ZnAl)，進(jìn)一步與氟化物復(fù)合以研究其復(fù)合物中氟化物的吸收和釋放特性。實(shí)驗(yàn)表明，氟化物的吸收和釋放在至少2個(gè)“吸收-釋放”周期內(nèi)可以控制。以氟化物的吸收和釋放行為而言，水滑石陽(yáng)離子二價(jià)與三價(jià)離子最佳比例為2∶1。該研究證明了LDHs可以實(shí)現(xiàn)氟化物的可充放性，說(shuō)明其在牙科領(lǐng)域具有預(yù)防早期齲齒的潛力。Calarco等[63]將含有LDHs-氟化物的牙科樹(shù)脂和氟玻璃填充牙科樹(shù)脂(fluoride-glass filled dental resins, FGDR)進(jìn)行了對(duì)比，實(shí)驗(yàn)表明，LDHs-氟化物氟離子釋放率低于FGDR。持續(xù)低水平的氟離子釋放增加了人牙髓干細(xì)胞亞群(stro1+)的遷移反應(yīng)，表明LDHs-氟化物有效促進(jìn)了完全成牙本質(zhì)樣細(xì)胞完全分化。

4.3 水滑石在生物傳感器方面的研究

生物傳感器是指由固定化的生物敏感材料構(gòu)成的生物識(shí)別元件(酶、抗體、DNA、適配體)、適當(dāng)?shù)睦砘瘬Q能器及信號(hào)放大裝置的分析工具或系統(tǒng)[64, 65]。生物傳感器能將生物識(shí)別或生物催化轉(zhuǎn)化為可測(cè)量信號(hào)。由于酶的特殊活性，酶在生物傳感器中得到了廣泛的應(yīng)用[66]。酶/LDHs復(fù)合材料在生物傳感器中的應(yīng)用也受到了廣泛的關(guān)注。華中師范大學(xué)龔靜鳴團(tuán)隊(duì)[67]利用LDHs作為乙酰膽堿酯酶(acetylcholin esterase，AchE)的固定化基質(zhì)，開(kāi)發(fā)了一種用于檢測(cè)有機(jī)磷農(nóng)藥(organophosphorus pesticides, OPs)的高靈敏度流動(dòng)注射/安培生物傳感器。由于LDHs的固有性質(zhì)(規(guī)則的結(jié)構(gòu)，良好的機(jī)械、化學(xué)和熱穩(wěn)定性以及溶脹性能等)，LDHs提供了一個(gè)生物相容性良好的微環(huán)境以保持AchE的生物活性。通過(guò)將流動(dòng)注射分析(flow injection analysis, FIA)與安培檢測(cè)相結(jié)合，得到的AchE-LDHs電極高效催化了酶促生成的硫代膽堿產(chǎn)物的氧化，并促進(jìn)了檢測(cè)自動(dòng)化，從而提高了檢測(cè)靈敏度。Touisni等[68]描述了一種用于體外測(cè)定大腸桿菌(TKec)中轉(zhuǎn)酮醇酶活性的新型電流測(cè)量生物傳感器，該傳感器使用的是市場(chǎng)上可獲得的轉(zhuǎn)酮醇酶(TK)底物，即D-果糖-6-磷酸；也是利用LDHs作為半乳糖氧化酶(GAOx)生物傳感器的基質(zhì)，用于檢測(cè)在TK催化反應(yīng)中釋放的L-赤蘚糖。上述研究表明，LDHs可作為傳感器基質(zhì)應(yīng)用于生物傳感器領(lǐng)域，但如何提高其檢測(cè)靈敏度和選擇性仍具挑戰(zhàn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

LDHs材料已經(jīng)在腫瘤治療、抗菌、骨修復(fù)等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用價(jià)值。事實(shí)上，不光是在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，基于LDHs的雜化材料也在環(huán)境、催化和能源等多個(gè)領(lǐng)域顯示出巨大的潛力。LDHs結(jié)構(gòu)的組成靈活性和可擴(kuò)展性、低成本和易于合成等優(yōu)勢(shì)為制備具有特定功能的LDHs復(fù)合材料提供了廣泛的可能性。然而，目前LDHs材料在一些臨床應(yīng)用方面仍然存在不足，如納米結(jié)構(gòu)的可重現(xiàn)性，晶粒尺寸、厚度等不均一以及LDHs在體內(nèi)的降解機(jī)理不明確等。相信隨著對(duì)LDHs材料進(jìn)一步的研究以及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，LDHs將在生命健康、疾病診斷、預(yù)防及治療等方面發(fā)揮更重要的力量。