中空二氧化硅纳米容器作为药物载体的研究外文翻译资料

中空二氧化硅纳米容器作为药物载体的研究

Jaemoon Yang, Jaewon Lee,Jinyoung Kang,Kwangyeol Lee, Jin-Suck Suh,Ho-Geun Yoon,Yong-Min Huh and Seungjoo Haam

本实验使用二氧化硅包覆的磁性材料来合成用于药物递送载体的新型中空二氧化硅纳米颗粒(HSNP)。实验中，模板是由多个Fe₃O₄纳米晶体组成的组件，芯腔是通过用盐酸除去Fe₃O₄相，随后在高温下煅烧获得的。通过胺改性，在HSNPs表面引入正表面电荷并进一步聚乙二醇化以提高其水中的溶解度。实验通过将阿霉素作为模型药物加载到HSNP中，显示了HSNP显著的持续药物释放能力。

引言

合成性能优良的新型纳米材料是药物载体、诊断剂、传感探针和追踪标签等生物医学应用中的一个重大挑战。由于中空纳米结构具有单分散性、比表面积大、载药量高以及与其他有机/无机材料杂交的潜力，它们作为药物容器被合成出来并作为药物传递系统进行了测试。 合成中空纳米颗粒的材料有很多种，比如有机聚合物、硅酸盐、碳、二氧化钛和磷酸盐等。 为了在这些纳米粒子中产生空腔，使用了各种可移动的模板，例如聚合物胶束或表面活性剂、硅酸盐、金纳米粒子和发光半导体等。其中，由于制备简单以及便于表面改性，生物相容性二氧化硅纳米粒子得到了广泛的应用。然而，没有经过任何修饰的二氧化硅纳米粒子会导致药物从纳米结构中快速释放，所以为了实现具有中空结构的持续释放，表面改性过程似乎是不可缺少的。

因此，我们将具有大空腔的中空的二氧化硅纳米颗粒(HSNP)合成为用于药物递送载体的纳米容器。磁性组装体（MAs）作为二氧化硅纳米颗粒中的大空腔的模板,是通过将Fe₃O₄磁性纳米晶体与表面活性剂结合起来而制得的，然后用改性的STOber方法将MAs作为种子包裹上一层二氧化硅壳。最后，所得的磁性硅纳米颗粒用盐酸处理后再再高温煅烧即可形成空腔。虽然这些中空球可以上载大量的药物，但是药物从中空球中释放出来的速度太快而难以控制。为了控制药物的释放，如图1所示，我们对中空球进行了表面改性。结果显示我们值得的中空球能够可控的可持续的释放药物。

实验方法

材料：乙酰丙酮铁（III），1,2-十六烷二醇，十二烷酸，十二胺，苄基醚，3-氨丙基三甲氧基硅烷，无水二氯甲烷，琥珀酸酐，4-二甲基氨基吡啶，三乙胺，聚乙二醇（PEG; Mw，6 kDa），1-乙基-3-（3-二甲基氨基丙基）-碳二亚胺，N-羟基磺酰亚胺，正硅酸四乙酯（TEOS）和聚乙烯醇（PVA；Mw，15-20kDa）购自Sigma-Aldrich。Fluka阿霉素（DOX）购自Fluka，磷酸盐缓冲盐水（PBS，10 mM; pH 7.4）购自Gibco。所有其他化学药品和试剂均为分析纯。

图1.载药中空二氧化硅纳米粒子用于药物运载工具的原理图。

图2.作为药物运载工具的三种HSNPs：(A)HSNPs-OH，(B)HSNPs-NH2和(C)HSNPs-PEG。

磁性人工晶体的合成。苄基醚(20 ML)与2 mmol乙酰丙酮铁、10 mmol 1，2-十六烷二醇、6 mmol十二烷酸和6 mmol十二烷基胺在环境氮条件下混合。混合物预热至150°C 30 min，300℃回流30 min。反应物冷却到室温，产物呈紫色并用过量的纯乙醇稀释。采用种子介导的生长法合成了直径为12nm的磁性纳米晶体。

磁性二氧化硅纳米颗粒(MSNPs)的合成。为制备MAS，将5mg磁性纳米晶体溶于4ml氯仿中。将有机相加入到10ml含有200毫克聚乙烯醇（PVA）的水相中。 在有机相和连续相相互饱和后，在200W下用超声波乳化10 min(ULH700S，Ulssohitech，Korea)。有机溶剂蒸发后，经过滤纯化后，在21K转速下离心。将沉淀物在水中再分散，MA直径为45(2.3nm)。 采用改进的Sto吲哚贝尔法合成了含Mas的MSNPs。在常温下，以MA种子为原料，在乙醇和水的混合物中制备了纳米粒子。1毫升的MA（5mg/ml）用4mL的乙醇和0.1mL的氨水(28%的水)稀释。在悬浮液中慢慢加入TEOS(60micro;L)，搅拌12小时，使其水解后凝结，形成在MA表面上的二氧化硅外壳。

空心二氧化硅纳米粒子(HSNPs)的合成。为制备羟基端HSNPs(HSNPs-OH)，将50 mg MSNPs分散在DD.I.水(5mL)中，加入4mL盐酸(37%)并加入到反应混合物中。过了一段时间，由于磁性纳米晶的溶解，深棕色的溶液变成了明亮的黄色。用盐酸刻蚀完全消除MAS后，以10k转速离心产物，然后沉淀用D.D.I.水冲洗多次并将产品冷冻真空干燥， 在300℃下焙烧干燥的纳米粒子以消除有机物。

为了抑制DOX的快速释放，以3-氨基丙基三甲氧基硅烷(APTMS，97%)为原料，合成了HSNPs(HSNPs-NH2)。将10mg的HSNP-OH加入到0.05ml的去离子水中的APTMS中。将混合物在70°C下剧烈搅拌12小时，用离心洗涤数次。

为制备PEGylatedHSNPs(HSNPS-PEG)，合成了端羧基聚乙二醇(PEG-diCOOH).PEG(0.5 mmol)最初溶解在二氧六环(10 ML)中，加入2.0 mmol丁二酸酐、4-二甲基氨基吡啶和三乙胺.。 以N酸酐、4-二甲基氨基吡啶和三乙胺为原料，在氮气气氛下，室温下反应24h，用过量的钙过滤纯化产品。 乙醚沉淀经真空干燥后保存，待进一步使用。将20 mg量的HSNPs-NH2和0.1mmol的PEG-diCOOH溶于PBS(500 L)中。加入2 mmol 1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二酰亚胺和N-羟基琥珀酰亚胺，孵育4h。 d离心(rpm，21k)。这三个HSNPs(HSNPs-OH、HSNPs-NH2和HSNPs-PEG)如图2所示.

药物运载工具的准备。将5 mg DOX和10 mg HSNPs(HSNPs-OH、HSNPs-NH2或HSNPsPEG)混合于4mL的PBS中24 h，用10K离心沉淀载药HSNP，并将其储存在亚零温度下。在释药实验中，在37°C下将2mL载药HSNP混悬液（5mg/mL）浸入10mLPBS中。在480 nm处，通过紫外分光光度计(Opti)监测释放的药物(N 2120 UV，MECASYS公司)。为诱导所制备的HSNPs释药，在室温下对药物载体进行超声处理(350 W)。用离心法收集释放的药物(每分钟5k)。用以下公式计算了载药量和包封率：

药物负载量（%）=纳米粒子中药物重量/纳米粒子重量times;100

纳米粒子包封率(%)=纳米粒子中药物重量/注射药物重量times;100

表征。通过透射电子显微镜(TEM，JEM-2100，JEOLLtd.)确认了MNC、MAS、MSNPs和HSNP结构。用激光散射(Els-Z，大冢电子)分析了纳米粒子的粒径分布。使用FT-IR光谱(ExcaliburTM系列，VarianInc.)分析来确认合成纳米颗粒的特征带。X射线衍射测量用日本东京的rigaku D/maxrb(日本东京)粉末衍射仪和用石墨单色化Cu kr辐射(lambda;)1.542 a进行的像板摄影。 研究了MNCs在MSNPs中的结晶度。用ASAT 2020仪器在20°~80°范围内，步长为0.05°，步进时间为5s，在液氮温度(77K)下，用微量聚合体进行了氮吸附/脱附测量。测量前，样品在120°C下脱气2小时。根据Brunauermett-Teller(BET)方法，从等温线的吸附分支确定表面积。 相对压力范围0.02lt;p/P0lt;0.2。总孔隙体积是根据吸附氮气的体积(相对压力P/P0)97计算的。

结果和讨论

图3. (a) MNCs,(b) MAs, (c) MSNP，(d) HSNPs的透射电子显微镜图像

为了制备药物载体，使用二氧化硅涂层的磁性组件合成了空心二氧化硅纳米颗粒（HSNP），由许多Fe3O4纳米晶体组成的磁性组件作为模板，在有机相(苄基醚)中合成了直径约10 nm的磁性纳米晶（图3a）。以聚乙烯醇为表面活性剂，采用纳米乳液法制备了Fe3O4纳米粒子的磁组装体(MAS)。用两亲性聚乙烯醇包覆了疏水磁性纳米晶，其球形形貌如图3b所示。激光散射表明由于非离子聚乙烯醇包覆，MA直径为45.3（5.9纳米）表面电荷几乎为零。

MAs上的二氧化硅层是通过TEOS的水解和凝结形成的。由于存在种子MA，成功合成了具有核-壳结构的MSNP（图3c）。 MSNP直径为80.9plusmn;9.3 nm，与MAs相比，由于二氧化硅层的羟基，观察到负表面电荷。MSNP- Zeta电位为-35.6（7.8 mV）。

为了制备HSNPs-OH，分别使用酸蚀刻和煅烧去除无机(磁性纳米晶体)和有机(聚(乙烯醇))组分。首先，大芯腔是通过盐酸（37 wt％）完全去除Fe3O4得到的。因为强酸引起MSNPs磁性化合物的溶解。为了去除聚乙烯醇聚合物，在300°C下对磁性组分进行煅烧。在图3d中给出了HSNPs-OH的TEM图像，清楚显示了纳米粒子腔。 HSNPs-OH的大小为83.1plusmn;8.9nm，Zeta电位为-43.0plusmn;3.2 mV（图4a）。图4b显示了MSNP（i）和HSNPs-OH（ii）在水相中的悬浮状态。由于磁性成分的溶解和消除，悬浮液颜色从深棕色变为白色灰色。在MSNPs的盐酸盐处理和焙烧之后，使用功率XRD(图5)评价除去的磁性MSNPs组分。图5a中MSNP的XRD图代表了Fe3O4和硅酸盐的尖晶石结构。然后从MSNPs过程中去除磁性和有机组分后，在XRD谱图中无法检测到Fe3O4相(图5b)。FT-IR光谱与X射线衍射数据一致(图6)，由于磁性成分的消除，在HSNPS-OH中没有观察到Fe-O带(~5 80 cm-1)。

我们对MSNP和HSNP进行了热重分析。对于温度超过300°C的HSNPs，当十二烷酸和聚乙烯醇等有机化合物在260°C附近发生突变(sim;20 wt%)时，MSNPs的重量变化很小(图7)。这证实了HSNPs-OH在300°C下煅烧后几乎不含有机物的组分。为了测定酸蚀后的HSNPS-OH中铁(Fe)的含量，我们用能量色散X射线光谱仪对MSNPs和HSNPs进行了元素分析(图8)。在图8a和b中，MKs(96.92%)和MSNPs(38.70%)的Fe含量分别为96.92%(1.13%)和38.70(0.77%)。但是盐酸处理后，Fe组分几乎完全消除(图8c)，残铁含量为2.86(0.46%)(图8d)。

用Brunauer-Emmett-Teller(BET)对HSNPs进行了N2吸附/脱附测量，以表征空穴体积和空穴尺寸。在图9中，HSNPs-PEG对氮的吸附量高达198.7 cm3 / g，远远大于MSNPS（92.7 cm3 / g）。但是，由于HSNPs表面的PEG分子减小了有效空穴尺寸，HSPS-PEG对N2的吸附量小于未修饰HSNPs的吸附量。N2吸附/解吸研究表明，HSNPs含有非常小的孔，通过TEM研究并不容易观察到这些孔。HSNPs-PEG的平均孔径是1.64 nm，比MSNP（2.30 nm）小，因为PEG分子再次减小了小孔的有效半径毛孔。总之，PEG分子减少了HSNP中的大空腔的尺寸以及二氧化硅壁上的小孔的尺寸，这赋予HSNP所需的通道，可能是连通小孔，到达大内腔的形式。

为了使用HSNPs作为药物载体，DOX被装入HSNPs-OH（DOX-HSNPs-OH，图2a）。DOX-HSNP-OH的药物载量和包封率分别为23.5%和47.7wt％。载药量为由于纳米颗粒的增加，比以往的研究要高6。图10显示了三种材料的HSNPs的DOX释放曲线。HSNPs-OH在1天内释放了大部分药物(填充循环，◉)，比传统聚合物药物载体的释放速度更快。，导致控制持续药物释放的能力有限。为了降低释放速率，用胺基修饰了HSNPS-OH表面，用APTMS交换了HSNPS-OH的羟基(-OH)和胺基(-NH2)(图2b)。经表面改性后，其尺寸为85.9(7.1nm)，表面电荷为-4.2(2.2mV)，胺改性的HSNPS-OH(DOXHSNPS-NH2)载药量为21.6%，包封率为42.3wt%。由于DOX羧基与HSNPNH 2胺基的离子相互作用，DOX-HSNPs-NH2的DOX释放略慢于DOXHSNPs-OH(图10，▲；2)。

通过将二COOH-PEG与HSNPs-NH2偶联制备了聚乙二醇化的HSNP（HSNPs-PEG，图2c）。酰胺反应后形成键（OdC-N-H），在FT-IR光谱中得到证实（图6a）。聚乙二醇化的大小HSNPs为91.3plusmn;8.1 nm，表面电荷为-1.3plusmn;3.2 mV，这是由于附着了中性的PEG分子。DOX-HSNPS-PEG的载药量为19.5%，包封率为38.7wt%。药物载药量和截留效率低是由于存在PEG分子的存在。值得注意的是，由于PEG分子在小孔壁上的孔径减小，DOX-HSNPs-PEG吸收的DOX的释放速率显著降低（图10，填充方；■）。另外，早期从HSNPs-PEG的释放不明显。具体来说，特别是在第一天， MSNPs的释放速率(2.2956 ln%/d)几乎是HSNPs-PEG(0.2270 ln%/d)的10倍，并伴随着早期的突发释放(表1中)此外，HSNPs-PEG表现出接近零级的动力学，释放速率为0.0636Ln％/天，小于HSNP（0.1040 Ln％/天）和HSNPs-NH2（0.1051 Ln％/天）。因此，HSNPs-PEG证明了通过表面改性实现卓越的缓释特性处理。因

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