中空鉍材料的制備及藥物體外釋放的研究

徐英之，吳風收 ，王 凱*，2

1. 武漢工程大學化工與制藥學院，湖北 武漢 430205；2. 湖北大學化學化工學院，湖北 武漢 430061

過去的幾年中，中空納米結構［1］的材料因其特殊的孔道結構，而獲得了廣泛的關注。其中其較窄的禁帶寬度2.75 eV，較大特征吸收波長，較高的可見光轉化效率，可控調節的形貌［2-4］，而在光催化［5-7］、選 擇 性 氧 化［8-9］、降 解 污 染 物［10-11］、CO2轉換［12］、腫瘤治療［13］等方面都有良好的應用。

與相同尺寸的納米材料相比，中空納米鉍材料具有較大的比表面積、可修飾的表面、可控的孔徑以及高的生物相容性被廣泛的應用于醫藥領域。如Shi 課題組［14］就在中空介孔的二氧化硅結構上表面功能化，將其孔道作為藥物封存運輸的通道，達到了同時對親水/疏水藥物的雙重負載，并實現了對布洛芬等疏水藥物和阿霉素等親水藥物的高效雙負載與控制性釋放。又如Li 等［15］通過溶劑熱法合成制備具有中空結構的Bi2Se3海綿狀材料，經過體內外的研究，發現其具有多種生物治療和成像功能，其既可以在單獨的光熱治療中顯示較高的抗腫瘤療效，材料所具有的中空結構和高表面積也使其對阿霉素藥物裝載能力高達600%，并且顯示出對pH 和光照刺激的雙敏感性響應行為，充分發揮光熱治療與高負載化藥的腫瘤抑制協同效應，并在三模態高對比度成像（包括X 射線計算機斷層成像、多光譜光聲學斷層成像和紅外熱成像）方面表現出優異的性能。

為了進一步研究關于鎢酸鉍中空納米材料作為載藥體系在不同pH 環境下控制藥物釋放的功能應用，我們在前人的研究基礎上，改進了鎢酸鉍中空材料的制備條件，并將其體外應用于鹽酸阿霉素（doxorubicin hydrochloride，DOX）的藥物負載與釋放方面，為其體內的胃腸道緩控釋應用奠定一定的理論研究基礎。

1 實驗部分

1.1 主要藥品和儀器

藥品：DOX（上海阿拉丁生化有限公司）；五水合硝酸鉍（bismuth nitrate pentahydrate，BNP）、鎢酸鈉、聚乙烯吡咯烷酮（polyvinyl pyrrdidone，PVP）（國藥集團化學試劑有限公司）。

儀器：EVO-MA15LS 掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM，德國卡爾蔡司）；HT-7700透射電鏡（transmission electron microscope，TEM，日本日立公司）；D2-PHASER X 射線粉末衍射儀（X-ray diffractometer，XRD，德國布魯克公司）；TU-1901 雙光束紫外可見分光光度計（Ultraviolet，UV，北京普析公司）。

1.2 中空鎢酸鉍納米材料的制備與功能化

在鎢酸鉍材料的制備方法基礎上［16］，對于原料及溶劑等方面做了相應的改進。精確量取鉍原料BNP（0.048 5 g）溶于10 mL 醇-水-乙酸溶液（體積比為1∶4∶1），再加入0.5 g PVP 粉末，超聲攪拌直至完全溶解成為溶液A。隨即將溶液A 分散至100 mL 無水乙醇中，攪拌20 min 后，加入10 mL 的0.015 mol 的鎢酸鈉水溶液B，繼續攪拌30 min 后，把混合溶液轉移到有聚四氟乙烯內膽的不銹鋼反應釜中，將反應釜裝入程序控溫烘箱中，并控制兩階段溫升程序，第一階段80 ℃維持4 h，第二階段100 ℃維持6 h。待升溫程序結束后，等反應釜自然冷卻至室溫。并靜置沉淀一段時間，待溶液中大部分白色膠狀顆粒物都下沉至底部。濾出大部分白色固體，并離心分離，取下層白色固體，真空干燥箱60 ℃過夜烘干，得到最后的中空納米鉍材料（hollow nanobismuth material，HNBS）。

1.3 藥物釋放實驗

將等量的負載DOX 的HNBS 顆粒置于透析袋中，并且加入10 mL 的不同pH 的磷酸緩沖鹽溶液（phosphate buffer solution，PBS）中。在量取50 mL緩沖溶液于燒杯中，將上述透析袋放置其中，在室溫下磁力輕微攪拌，每間隔2 h 離心收集上層清液，并且不斷補充新的PBS 緩沖溶液，上清液離心通過紫外可見光譜標定的標準質量濃度曲線計算釋放的DOX 的含量。實驗過程分別是在pH=5.0，7.5 的PBS 緩沖溶液中進行的。

通過以下公式可以計算材料對藥物的負載量：

Drug releasing capacity=mDOXinsuspenatant/minit；minit是指開始時加入的DOX 的質量，mDOXinsuspenatant是指上清液中DOX 的質量。

2 結果與討論

2.1 催化劑表征

2.1.1 樣品電鏡分析 圖1 的鎢酸鉍材料的透射電鏡則進一步顯示，在材料深色邊界處與淺色中心處有明顯區別，這證明了制備的材料具有明顯的中空結構，中間大致呈現20～30 nm 的孔狀結構，壁厚大致6～10 nm 左右。圖2 為制備的鎢酸鉍中空材料的掃描電鏡圖片。由圖1，2 可知：制備的材料主要呈現單分散的中空球狀顆粒，粒徑大約為40～50 nm，大小均一，形態規整。并且，沒有檢測到其他形貌，結果表明通過這種方法可以制備大量中空孔狀鉍顆粒材料。

圖1 HNBS 的TEM 圖：（a）低倍率，（b）高倍率Fig.1 TEM micrographs of HNBS：（a）low magnification，（b）high magnification

圖2 HNBS 的掃描電鏡圖：（a）高倍率，（b）低倍率Fig.2 SEM micrographs of HNBS：（a）high magnification，（b）low magnification

2.1.2 制備材料結構及性質分析 為了進一步對材料的結構進行分析，采用XRD 對樣品結構進行分析。由圖3 可知，樣品在27.84°、49.95°均出現了Bi2WO6的2 個特征衍射峰，和文獻提供［16］的中空納米球Bi2WO6衍射圖完全一致，并無其他晶相衍射峰存在。說明形成了Bi2WO6中空材料，且材料在49.95°處顯示較寬的峰形，由Scherrer 公式可知，這是材料具有較小粒徑的一個特征。

圖3 HNBS 的XRD 粉末衍射圖Fig.3 XRD pattern of HNBS

2.1.3 制備材料的負載性能分析 使用鎢酸鉍材料選用DOX 作為載藥模型，評價藥物傳遞系統的性能好壞。通過中空材料HNBS 和HNBS-DOX 的熱重曲線研究（圖4），兩者在100～180 ℃區間內有重量損失但相差并不明顯，可能是材料中結合水造成的；而在200～400 ℃的區間內有明顯的質量損失相差明顯，這主要是因為中空材料中DOX 分子（熔程201～205 ℃）在高溫下發生了相態的變化。說明了HNBS 材料確實可以負載相應的DOX 分子。在500 ℃的高溫下，整個體系也只有9%的質量損失，說明載藥體系具有一定的熱穩定性。本次實驗制備的材料的熱重結果說明，這個材料在高效藥物負載方面具有一定應用前景。

圖4 負載和未負載DOX 藥物的中空材料體系熱重曲線Fig.4 TG curves of HNBS-DOX system before and after loading DOX

2.1.4 鎢酸鉍材料的藥物負載與釋放測定 實驗選用DOX 作為載藥模型來評價藥物傳遞系統的性能的好壞。HNBS 具有典型中空特征，也許這一特征決定了藥物在負載與選擇性釋放方面發揮了巨大的作用。

由圖5 中結果顯示，DOX 作為模型藥物時，在HNBS 中負載量以質量分數來計可以達到55.72%。在藥物負載過程結束后，DOX 的特征吸收峰有明顯的降低，暗示著部分DOX 分子已經載入到HNBS 中。同樣圖4 中的熱重的對比結果也佐證了這一觀點。

圖5 DOX 負載前后的吸光度變化Fig.5 Absorption variations of material before and after DOX loading

圖6 顯示了在不同pH 值的PBS 緩沖溶液中HNBS-DOX 體系48 h 內的釋放行為，藥物大多在前12 h 內釋放相對較快，然后以更平緩的方式釋放，直到實驗結束。為了模擬人體正常組織的弱堿性環境和腫瘤弱酸性環境，選擇了pH=7.5 和pH=5.0 作為進一步探討在不同的pH 環境下，DOX的響應性釋放行為。正如圖5 顯示的那樣，DOX在弱堿性環境下釋放行為變得平緩，先前負載的藥物中在48 h 內只有大約14%釋放了出來。而在酸性條件下，先前負載的藥物中在最初的12 h 內有大約31%釋放出來。而48 h后，釋放出43%。類似于這樣的pH 響應性釋放行為初步估計可以用來減小藥物在血管中滲漏，避免在輸送過程中的釋放而最終達到在腫瘤細胞中有效富集并大量釋放的作用。這種緩釋性行為對于那些需要先高劑量而后穩定劑量達到抑制DOX 不良反應的臨床病例是有用的。因此，可以合理推斷這種材料可以用作藥物的載體，作為一種新劑型使用。

圖6 DOX 在不同pH 溶液中釋放曲線Fig.6 DOX release curves in solutions with different pH values

3 結 論

本文在前人基礎上改進并制備了具有中空形貌的納米Bi2WO6材料并將其首次應用到DOX 的負載與釋放。中空的孔狀結構的限制作用為模型藥物客體分子從空心孔道擴散進出提供了位點，從而影響了其在不同pH 溶液中的緩釋行為。

由UV 光譜分析可知，DOX 在中空納米鉍材料中的負載能力以質量分數來計可以達到55.72%，體外的釋放試驗表明，HNBS-DOX 體系具有一定的緩釋特性，pH=7.5 時，只有14%的藥物釋放出來，而pH=5 時，藥物釋放量增加到43%，實驗結果再次表明HNBS-DOX 體系在酸性條件下緩釋效果優于弱堿性環境條件，說明中空結孔道結構的限制作用確實會影響DOX 在不同pH 溶液中的緩釋行為。與正常的組織和血液相比，腫瘤部位環境的pH 相對較低，約為pH=5.5～6.0，而瘤細胞內環境的pH 值，約為pH=4.5～5.0。這樣的響應行為可以盡量避免載體在體內輸送過程中的藥物釋放，從而保證藥物的靶向性，提高藥物在瘤細胞內的快速、大量的積聚與釋放。

本文利用水熱法，在較低濃度的原料濃度下，通過控制溶劑配比，制備了具有中空結構的納米鉍材料，作為DOX 的載體，可以具有較高的DOX藥物的負載量，負載后藥物的釋放是pH 可控的，內部中空的結構能保證其準確的運輸以及在腫瘤細胞內的酸性環境中大量的積聚釋放。因此，這種中空納米材料在治療癌癥方面的靶向給藥系統具有一定的潛在應用。