硅藻土特性、提純及在生物醫藥領域中的應用

張育新，戴興健，張臣智，張欣芳，易志宇，杜智嵐，周權

重慶大學 材料科學與工程學院,重慶 400044

引 言

生物技術的最新進展加速了新藥的發現和開發，有60%以上的生物技術成果應用到制藥行業，并不斷在新藥開發和傳統醫藥的改造上取得長足的進展[1]。傳統藥物治療中使用的許多藥物，由于較差的物理化學性質導致其在生理pH下溶解度低、穩定性差、靶向性差的副作用和高毒性，造成了其在醫藥領域的局限性。使用納米技術可大大改善各種疾病的治療形式和診斷效率，能最大限度地發揮藥物的藥理作用，在藥物制造方面也展現出其獨特的優勢[2-3]。在過去的幾十年里，納米技術從納米顆粒和微載體到可植入設備的發展對藥物遞送、組織工程、生物傳感、生物成像等生物醫學研究的各個領域都產生了巨大的影響。與基于納米技術合成方法的人工合成材料相比，許多生物體能產生自然優化的層次結構，效率更高，成本更低廉。因此，在生物納米技術和微系統制造方面，尋求天然來源的物質作為環境友好的醫藥功能材料具有巨大的潛力。

硅藻土是億萬年前硅藻遺骸形成的生物成因硅質沉積巖，被譽為“孕育生命的海底草原”。全球硅藻土資源儲量共計9.2億t，遠景儲量35.73億t，廣泛分布在120多個國家[4-5]。據USGS報道，我國的硅藻土資源儲量豐富，2018年硅藻土生產總量約占世界總量的15.56%，位居世界第三和亞洲首位,主要分布于東北地區、東部沿海、四川攀西以及云南省的東部和西南部。中國資源礦產報告顯示，截至2017年，我國已探明硅藻土資源儲量約為5.13億t。我國硅藻土資源以中低品位為主，優質資源占總儲量不足10%，僅有吉林長白馬鞍山礦、西大坡礦和云南騰沖縣觀音塘礦的硅藻殼體含量在85%以上、非晶態SiO2的含量在80%以上。硅藻土雖然在我國屬于優勢非金屬礦資源，但是優質硅藻土特別是一級硅藻土資源緊缺，亟需開拓其應用領域，提高硅藻土的附加價值[6]。

硅藻土有別于其他傳統的三維多孔材料，硅藻土擁有獨特的納米至微米尺度的高重復性三維多孔結構，輕質、優異的機械強度，高比表面積、熱穩定性和極低的密度等特性，作為一種廉價易得的生物硅礦物廣泛應用于工業、農業、能源、建材、環境領域[7-11]。隨著研究的深入，硅藻土多孔結構能保持治療藥物的無定形，這對提高親脂藥物的溶解性和滲透性至關重要。硅藻土極具耐酸耐熱特性，優異的生物相容性，無毒副作用，其得天獨厚的中空多孔微膠囊結構提供了更大的表面積，使其具有高的載藥量，成為開發納米藥物載體的理想選擇。硅藻土表面活性SiO2組分可以作為接枝點位進行多種生物醫藥功能化，可以有效克服傳統藥物的局限性，用于藥物靶向遞送、止血材料研發和組織工程等。硅藻土獨特的結構也啟發了新型納米結構材料的設計和生產，利用其光子等特性應用于各種醫學治療，例如生物傳感和微機器人，拓展了硅藻土在生物醫學應用方面的研究。

1 硅藻土理化性能、提純及表面改性

1.1 硅藻土理化特性

硅藻土作為古老單細胞硅藻的數百萬年生物遺骸的產物，延續了硅藻殼體的天然納米結構。硅藻土的微孔結構具備有序性，如圖1所示，其外觀形貌有圓盤狀、直鏈狀、羽狀、針狀等，每一種硅藻都有其獨特的表面特征[12]。表面具有各種特定的特征，例如尖刺、孔、脊和刺[13]。硅藻土的孔徑從微米到納米尺度，小孔孔徑為20～50 nm，大孔孔徑為100～300 nm，孔隙率高達90%。目前已知存在2×105種硅藻，構成了105～106種三維硅藻土殼體[14]。一般而言，純凈硅藻土一般為白色，由于鐵、錳及有機質的影響而呈灰色、黃色、褐色等。硅藻土的堆密度0.34～0.65 g/cm3，比表面積40～65 m2/g，孔半徑20～200 nm，孔體積0.45～0.98 cm3/g，熔點在100～165 ℃，煅燒中在450～650 ℃失去羥基水和有機物，850 ℃煅燒成方石英結構，1 050 ℃煅燒成莫來石結構[15]。吸水率是自身體積的2～4倍，是熱、電、聲的不良導體。硅藻土本身主要由不定形二氧化硅組成，化學穩定性高，除溶于氫氟酸以外，不溶于任何強酸，但能溶于強堿溶液。硅藻土表面豐富的Si-OH使得硅藻土表面呈弱酸性，同時硅羥基在水溶液中會離解出H+，使得硅藻土在較寬的范圍內呈現負電性[16]。硅藻土表面官能團和反應位點在界面反應中起著關鍵性作用，不僅控制著表面電荷和表面酸位、溶解性以及親/疏水性等，同時還是表面接枝及配位與交換反應的主要活性位點，對第二相的表面吸附、負載及后續生長等物理化學過程產生重要的影響，從而強烈影響著硅藻土表面改性及應用性能[17]。

圖1 (a～j)幾種海洋硅藻的掃描電子顯微鏡圖像。比例尺=10 μm[12]

1.2 硅藻土提純

由于所處地域和老化條件不同，硅藻土原礦中會包含Al2O3、Fe2O3、CaCO3、CaO、Na2O、MgO和有機質等其他成分，可能會干擾生物醫藥應用所需的硅藻土的性質，并且工廠在開采、研磨或煅燒(400～900 ℃)除去低品位硅藻土雜質的過程中，難免會破壞硅藻土完整的生物硅結構[18]。對于生物醫學應用，既去除原礦中的雜質，又保留硅藻土微膠囊結構是至關重要的。因此，需要對開采的硅藻土原礦礦物進行處理，以去除這些雜質，并將硅藻土凈化成具有這些應用所需品質的材料。硅藻土提純常采用的方法有擦洗法、浮選法、焙燒法、酸浸法及聯合提純法[19]。擦洗法是在硅藻土顆粒磨細后利用水流與礦粒之間的剪切力，使硅藻土外殼雜質得到有效去除，且擦洗次數越多，效果越好，但成本較高且難以獲得高品位硅藻土。浮選法雖在硅藻土提純中應用較少，卻能改善硅藻土原礦與脈石礦物因粒度較細而存在的相互夾雜包裹現象，使硅藻土原礦與脈石礦物得到良好的分散。高瑩等人采用反浮選法對吉林臨江Ⅲ級硅藻土進行提純試驗研究，將SiO2含量由74.58%提高至79.38%，回收率為42.74%，成本較高但還是難以得到較高品質的硅藻土[20]。焙燒法凈化可以燃燒雜質，因此需要在高溫下煅燒原始硅藻土，過程簡單且能有效除去有機雜質。然而硅藻土的煅燒會導致硅藻土結晶塊的燒結，當焙燒溫度繼續升高到1 150 ℃后，硅藻土的微孔結構基本消失并產生具有毒性的結晶二氧化硅，不適合生物醫藥應用[21]。其次，可以通過酸浸法將硅藻土原礦中的某些可溶性雜質選擇性地溶解從而提高硅藻土純度，并且優化孔隙結構，并且恰當的酸用量不會破壞硅藻土自身結構。但存在用酸量和洗滌用水量較大，因此成本較高且廢酸容易造成環境污染。Goren等人探索了酸浸法去除原硅藻土中的雜質，使硅藻土更適于安全的生物醫藥應用，但存在酸處理耗時長、酸對設備腐蝕嚴重等缺點[22]。可見單一的提純方法有利有弊，實踐中往往采用兩種或兩種以上聯合的方法，常用的提純方法有擦洗—酸浸提純法、超聲—堿浸提純法、擦洗—酸浸—焙燒法等。孫林等人將超聲預處理和水熱法與傳統的酸浸—焙燒工藝相結合，純化后低品位硅藻土SiO2含量由76.68%提升至94.95%，高品位硅藻土SiO2含量可由83.03%提升至97.12%，回收率可達73.12%，其結構性質也得到了很大的提升[23]。采取粉碎機粉碎硅藻土后使用硫酸和過氧化氫配制的食人魚刻蝕液和鹽酸對硅藻土進行提純從而產生生物官能化[24-25]。該方法具有凈化簡單、環境友好、快速處理等優點，為生物醫學應用的新型生物工程納米結構材料提供了思路，被廣泛采用。提高硅藻土純度，確保硅藻土結構的完整性，才能滿足生物醫藥領域對硅藻土的應用要求。

1.3 硅藻土表面改性

硅藻土表面易于修飾，并根據功能使用者的要求，它們可以被專門設計來控制藥物通過孔洞的釋放，對硅藻土的孔徑進行調控，控制藥物釋放緩慢而延長釋放時間，給病人提供保護[26]。硅藻土可以被無機修飾，轉變為一種潛在的藥物持續釋放工具。氧化石墨烯與硅藻土通過靜電吸附或硅藻土表面與氧化石墨烯薄片之間的共價鍵合形成的納米雜化復合物已經有很多報道。在氧化石墨烯的作用下，硅藻土的載藥量增加，藥物分子與氧化石墨烯層之間的相互作用得到改善[27]。氧化石墨烯修飾硅藻土能提供持續的藥物釋放，已證明是非常有效的藥物遞送應用。相較來說，生物分子通過非共價結合(物理吸附及弱相互作用)和共價結合(功能單體通過化學鍵與硅藻土基體相互連接)，就功能化的穩定性和再現性而言，生物分子與硅藻土表面的共價結合優于非共價結合。因此，利用硅藻土表面的活性硅羥基(SiOH)可輕易地和-NH2、-COOH、-SH和-CHO等反應性基團功能化，用于如酶、蛋白質、抗體、多肽、DNA、核酸適配體等生物分子偶聯[28]。Barianaetal等人使用在硅藻土表面功能化含有不同疏水性和親水性基團的有機基團，成功地改變了硅藻土對兩種模型藥物的載藥量和體外釋藥性能[29]。結果表明，與未修飾的硅藻土相比，親水修飾表面(3-氨丙基三乙氧基硅烷、3-縮水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷和2-羧乙基膦酸)提高了疏水藥物的載藥量，延長了藥物釋放時間；相反，疏水修飾表面(16-膦酰基十六烷酸、甲氧基聚乙二醇和十八烷基三氯硅烷)的載藥量更低，釋放速度更快。疏水表面(16-膦酰基十六烷酸)有利于提高載藥量和緩釋量，而親水修飾(3-氨丙基三乙氧基硅烷和2-羧乙基膦酸)則能降低載藥量和縮短釋藥時間。Cicco等利用硅烷偶聯劑的表面活性官能團接枝四甲基哌啶氮氧化物(TEMPO)，通過硅烷偶聯劑與硅藻土表面的硅羥基發生縮合反應進而接枝于硅藻土表面，研究了TEMPO功能化硅藻土繼承了環丙沙星給藥和抗氧化特性，已被證明是一種適合成纖維細胞和成骨細胞的材料[30]。Aw等人[31]用兩種有機硅烷對硅藻土進行表面改性提供有機表面親水和疏水性能(圖2)，調整硅藻土表面功能來實現不同治療條件下所需的藥物負載和釋放特性，特別是親水性功能化增加了載藥量，延長了藥物的釋放時間。疏水修飾則形成了低負載量和藥物快速釋放。不難看出，對硅藻土表面功能化是一種獨特的控制藥物從介孔體系中釋放的方法，可以調整其載藥量和釋放特性，從而設計更靈活的生物醫藥系統，優化治療性能，提高其醫學應用價值。

圖2 硅藻土結構及其親疏水化學成分的表面修飾:吲哚美辛作為模型藥物[31]

2 硅藻土基微納米結構的細胞毒性評價

參考國際標準化組織(International Standards Organization，ISO)10993和國家標準GB/T 16886的要求，評價材料的生物相容性遵循生物安全性和生物功能性兩個原則，既要求生物材料具有很低的毒性，同時要求生物材料在特定的應用中能夠恰當地激發機體相應的功能。美國食品和藥物管理局已批準硅藻土為一種安全的生產食品和藥品，并且被國際癌癥研究機構分為人類致癌物的第三類，即“不對人類有致癌性”[32]。Santos等人于2013年首次描述了用于口服給藥應用的硅藻土輸送美沙拉胺和潑尼松兩種胃腸道疾病處方藥在結腸癌細胞(Caco-2/HT-29)中的體外細胞毒性，基于三磷酸腺苷(ATP)活性的細胞活力測定顯示，硅藻土微膠囊對結腸癌細胞的低毒性(1 000 g/mL,24 h)，證實了硅藻土給藥應用的安全性，能夠作為口服藥物的滲透增強劑，低毒性、增強滲透性和延長藥物釋放特性，使硅藻土成為治療胃腸道疾病的有前途的材料[33, 34]。其次，Rea等人采用采用MTT比色法測定硅藻土對表皮樣癌細胞(H1355)的體外細胞毒性，MTT檢測結果表明，在300 μg/mL的硅藻土納米粉體作用72 h后，H1355細胞的活力仍未受到影響，從而證實了硅藻土作為納米藥物載體的安全性[35]。

圖3 MTT法評價硅藻土的細胞毒性。20、100、200和300 μg/mL硅藻土在37 ℃下處理H1355細胞24、48和72 h后細胞活力的變化。數據代表平均值±標準差(n=3)。細胞存活率以活細胞百分比表示，與無納米顆粒作為對照培養的細胞(100%)相比[35]

陳西廣教授團隊研究了殼聚糖改性硅藻土制得復合氣凝膠(CDDs-TBA)，使用不同濃度氣凝膠(10、5、2.5、1.25、0.625 mg/mL)提取液與L929細胞孵育，當孵育時間從24 h延長到72 h時，所有測試濃度的細胞存活率高于94%[36]。類似地，楊鶴等人通過冷凍干燥和離子交聯聯用的方法制備了一系列摻雜氨基化硅藻土的復合止血海綿CS/SA/ADia，CS/SA/ADia與浸提液共培養的L929細胞可以健康存活，幾乎不存在細胞壞死/凋亡的現象，說明制備的硅藻土基止血海綿不影響組織細胞生長和增殖，不會對其形態產生不利影響，具有良好的細胞相容性[37]。與人造多孔結構相比，由于硅藻土在生理pH值下的溶解率較低。在此背景下，Voelker等人[38]進行了體內生物分布研究，評估了組織損傷是否由生物硅藻土結構引起。裸鼠單次靜脈注射后，沒有小鼠表現出任何明顯的急性組織損傷癥狀，主要器官大腦、心臟、腎臟、肝臟、肺或尾巴沒有出現任何異常，表明硅藻土良好的生物相容性。水螅是研究新型納米材料在全生物水平上的影響和毒理學效應的一個有價值的系統，水螅體對環境中的有機和無機污染物都高度敏感，在大多數污染情況下會導致生長延遲、形態改變、誘導凋亡，甚至基因表達改變。Monica等將淡水無脊椎動物刺胞水螅作為體內試驗模型系統暴露于改性硅藻土納米顆粒在其培養基中長期孵育，從生存力和遺傳角度研究了水螅的攝取和毒理學效應。高濃度的硅藻土改性納米顆粒(最高可達3.5 g/L)不會影響水螅的形態和生長速度，從動物、細胞和分子水平,包括形態學、生長速率、凋亡率和遺傳分析清楚地證明了硅藻土的生物安全性[39]。醫藥工業必須專注于提高硅藻土基藥物的生物利用度，需要通過更多的動物模型試驗來實現，這必將為治療致命疾病鋪平道路。

3 硅藻土用于藥物遞送

藥物/制藥工業面臨的主要挑戰是將有效濃縮的治療制劑輸送到人體的病變組織，同時對健康組織產生最小的副作用。Morse等人在2000年發現硅藻生物產生的硅藻土表現出納米結構的遺傳控制精度，首次提出利用硅藻土的生物結構來構建新材料的想法[40]。硅藻土的三維多孔結構被認為是其他生物醫藥功能微納結構生長的極有價值的天然模板，這些結構是現有制備方法無法制備的，成就了硅藻土在生物醫藥領域優異的治療性釋放特性，使硅藻土成為藥物傳遞領域的理想材料，并且硅藻土的生物相容性和細胞吸收能力、控制載藥與釋放的特性可以通過表面修飾來提高。近年來硅藻土在藥物遞送領域的應用日益增多。

3.1 口服給藥硅藻土載體

口服給藥是最常見的給藥途徑，通常限于小分子藥物，因為更復雜的藥物很容易在胃消化中降解。藥物半衰期短，需要持續調控，這反過來又增加了錯過藥物劑量的可能性，導致患者依從性差。持續給藥可以改變給藥過程，并產生提供藥物效益，例如，一次或多次給藥的可控給藥。Losic等首次驗證了硅藻土作為載藥載體在口服給藥中的應用，硅藻土對疏水性小分子吲哚美辛的載藥量為22%。藥物在硅藻土表面吸附，在6 h內出現了快速釋放，然后因為硅藻土微孔結構及內部空腔的結構，藥物緩慢持續釋放超過兩周[41]。

圖4 硅藻土載藥釋放機制[41]

Milovic等首次應用固體自乳化磷脂懸浮液(SSEPS)在介孔硅藻土中生成固化口服藥物，硅藻土的高度有序多孔體系對制備的SSEPS中卡馬西平的釋放速率有很大影響[42]。吸附在硅藻土上的SSEPS比純藥物、物理混合物和固體分散乙醇具有更高的溶解速率。以硅藻土為固體載體的SSEPS已成為一種提高低水溶性藥物溶出率的新方法，具有提高藥物治療效果和成本效益的潛力，并為晚期治療提供了新的策略。Jelena通過將硅藻土均勻懸浮在硫酸鋁水溶液常溫攪拌進行無機功能化。布洛芬被吸附在功能化硅藻土上，載藥量達201 mg/g，釋放時間延長。在抑制大鼠疼痛方面，與硅藻土復合或物理混合都比同等劑量的布洛芬更有效[43]。化學修飾硅藻土表面的可能性為改善藥物的裝載及釋放特性開辟了道路。Vasani等人通過表面引發原子自由基聚合(ATRP)將熱響應性低聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯共聚物接枝在其表面，從而獲得了改性硅藻土微膠囊，實現了抑菌劑左氧氟沙星的可控藥物遞送[44]。Sherouk于2021年利用殼聚糖鏈對硅藻土結構進行功能化改性，以增強其作為藥物載體的技術可行性和生物相容性，殼聚糖在復合材料中的比例可控制對布洛芬的釋放速率。CS/D復合材料具有強負載能力(562.6 mg/g)以及優異的釋放特性，可延長至約200 h，在胃液(pH=1.2)和腸液(pH=7.4)中最大釋放率分別為91.5%和97.3%[45]。舌下給藥途徑是克服吞咽困難、黏膜粘連等口服給藥困難的重要給藥途徑。在2018年，López-Cebral等人報道了β-殼聚糖膜中加入硅藻土制成復合材料，從而實現了舌下應用藥物的傳遞[46]。隨著配方中硅藻土百分比的增加，新材料的潤濕性增加，促進細胞黏附的表面能值也較高。與純β-殼聚糖膜相比，硅藻土修飾的β-殼聚糖膜具有更高的負載能力、更長的持續時間和更高的劑量釋放。硅藻土對細胞的低毒作用證實了硅藻土作為來源廣泛、廉價、生態友好的藥物傳遞材料的潛力。在硅藻土上進行的每一項研究都鼓勵了納米技術和生物醫學部門的重大變革的可能性。新型載藥載體有望在不久的將來根據其適用性開發出不同的表面功能。

圖5 硅藻土微膠囊功能化(a)和熱響應聚合物接枝硅藻土的藥物釋放過程(b)[44]

3.2 硅藻土靶向微載體用于藥物遞送

在過去的20年中，硅藻土被越來越多的人認為是一種有前途的生物材料工具，用于藥物遞送應用。硅藻土基藥物膠囊已經顯示出一種雙相模式，既有爆發性也有延長性的釋放，這些結果為生物模板給藥帶來了巨大的希望。硅藻土基藥物載體的修飾已經被廣泛探索，表1列舉了一系列功能化的硅藻土藥物載體及其作用。將功能化硅藻土納入生物活性支架會通過將硅藻土集中輸送到損傷部位而顯著增強局部輸送，可以結合支架來補充藥物本身的反應或提供對細胞微環境的刺激，因此在提供雙重釋放治療效果方面非常有益。常見的功能化包括表面有機硅烷化、磁性涂層、抗體等方法，可以提高載藥效率、持續和可控的藥物釋放能力，以及靶向給藥潛力。

表1 功能化硅藻土載藥在藥物傳遞中的應用

基于位點特異性受體介導的藥物傳遞方法，Martucci等人以小干擾RNA(siRNA)和B細胞淋巴瘤/白血病-2基因(Bcl-2)修飾硅藻土。利用表面免疫球蛋白B細胞受體高變區識別的獨特型特異性肽，確保淋巴瘤細胞特異性靶向。修飾后的硅藻土無細胞毒性，并通過實時定量聚合酶鏈反應和免疫印跡分析評估其下調基因表達的有效性[50]。由此觀察到的基因沉默具有重要的生物學意義，并為淋巴瘤的個性化治療開辟了新的可能性。早在2008年，Townley等人報道了硅藻土與不同抗體的復合，使用抗體的氨基或糖基與硅藻土表面結合，證明了硅藻土給藥系統在免疫沉淀分析中的潛在應用[52]。Ruggiero等人強調了功能化和尺寸小的硅藻土納米顆粒可以很好地內化表皮樣癌細胞的細胞質中。為此，作者對硅藻土進行了粉碎和超聲波處理，使其尺寸減小到納米級，然后用有機硅烷和四甲基羅丹明異硫氰酸酯作為可追蹤物質進行功能化。這些納米顆粒的共聚焦顯微鏡成像顯示，它們能很好地內化到表皮樣癌細胞的細胞質中，增強硅藻土在抗癌遞送應用中的潛力[53]。2017年，Grommersch等報道了一種NO釋放分子S-亞硝基-N-乙酰青霉胺(SNAP)修飾的硅藻土。化學發光定量法證實了SNAP-DE材料可在24 h內維持NO釋放的能力。在金黃色葡萄球菌上測試時，SNAP-DE顯示出抗菌活性，對金黃色葡萄球菌的殺滅率為92.95%。此外，對3T3小鼠成纖維細胞的體外細胞毒性試驗表明，SNAP-DE對哺乳動物細胞無毒性，使其成為一種有前景的生物醫學應用材料[54]。繼Losic和同事報道了多巴胺鐵氧化物(DOPA/Fe3O4)復合物對硅藻土的磁性功能化藥物遞送后，2013年Todd和他的同事報道了磁導硅藻土的制造，將人血清白蛋白(HSA)包覆的氧化鐵納米顆粒(IONPs)負載到硅藻土上，使其具有磁性，當磁場作用于腫瘤部位時，觀察到明顯的腫瘤保留改善。將zw800-IONP-DTMs靜脈注射于4T1異種移植瘤1 h后，試驗表明在磁處理組感興趣區域分析中有特異性腫瘤聚集。在解剖腫瘤的體外熒光成像后，IONP-DTMs在磁處理動物體內的積累量增加了6.4倍[55]。這些結果表明磁性導向硅藻土微載體在藥物遞送應用中的潛在用途，可通過磁性引導來實現靶向藥物遞送。

圖6 活體成像結果(上排)，與MRI數據相關，在附磁鐵的腫瘤中觀察到明顯更多的熒光信號，(下排)解剖腫瘤的體外成像，與對照組相比，在被磁鐵吸附的腫瘤中，硅藻土的積累量增加了6.4倍[55]

Delalat等人為了克服抗體在有機溶劑中的變性問題，將藥物以脂質體或膠束的形式負載在帶正電荷的納米膠囊中，然后吸附在帶負電荷的硅藻土表面。釋放研究表明，在培養基中釋放的有效藥物劑量超過規定要求，表明有殺死目標細胞的潛力。體外試驗證明了載藥硅藻土選擇性殺死神經母細胞瘤細胞，而對照細胞在體外仍保持高度活性，對神經母細胞瘤細胞(2天后只有10%存活)的特異性細胞毒性，以B淋巴瘤細胞作為對照(2 d后95%存活)。在神經母細胞瘤的皮下小鼠異種移植模型中，使用硅藻土治療可致使腫瘤生長退化。這些數據表明，硅藻土可用于靶向地將低水溶性抗癌藥物輸送到腫瘤部位[38]。Maher等人報道了硅藻土到單質硅的鎂熱還原過程[56]，這個過程將材料的比表面積提高了13倍，柔紅霉素體外研究結果顯示其釋放時間延長且持續時間長達30 d，可用于預防增殖性玻璃體視網膜病變。此外，與硅藻土相比，硅單質體表現出更高的生物降解性。在磷酸緩沖鹽溶液緩沖液中，同樣的時間后，20%的硅單質體被溶解，而降解的硅藻土不到1%。臨床給藥上，一個好的藥物載體系統應該溶解或降解為無毒成分，硅藻土轉化為生物可降解的微載體表明其作為藥物傳遞載體的潛質[57]。

硅藻土被認為是合成二氧化硅的優質替代品，有望成為一種強大而穩定的藥物傳遞載體。無論是口服或植入藥物，以上研究證實了這種特殊物質的藥物傳遞能力。然而，硅藻土是由無定形二氧化硅組成，在生物流體中生物降解性很差，這導致硅藻土顆粒在生物體內的積累，特別是在器官反復給藥的情況下。如何將硅藻土轉化為生物可降解的微載體作為下一代智能給藥系統，具有進一步探索的潛力。此外，大量系統給藥的靶向給藥系統在達到目標前被吞噬系統清除，增加了帶來意外急性或慢性毒性的可能性[58]。更多的研究需要回答硅藻土作為一種新的藥物載體用于臨床應用的生物學問題，如療效，使用動物和臨床前模型的體內條件下的生物相容性。這些試驗不僅將證明硅藻土的巨大潛力，而且還將拓寬硅藻土的醫藥應用范圍。

4 硅藻土基止血材料

不可控出血是創傷患者死亡的首要原因，每年有6 000萬人遭受嚴重創傷，不可控出血死亡率高達10%[59-60]。無機材料如介孔二氧化硅、沸石、高嶺土等具有止血效果好、安全性好、使用方便等優點，在創傷急救中表現出明顯的止血優勢，但是組織熱損傷和異物反應等副作用限制了其發展[61]。硅藻土具有獨特的孔結構、高的比表面積、可調節的孔徑、熱穩定性、化學惰性和優異的生物相容性，與沸石和黏土類止血材料相比，硅藻土的層次性多孔結構使其具有較大的比表面積和孔隙度，使其能夠快速吸收血漿，并與紅細胞、血小板等血液成分產生強烈的界面效應[62-63]。基于這一發現，馮超等人于2020年以多巴胺為交聯劑，采用堿沉淀法和叔丁醇置換法制備了一種殼聚糖/硅藻土氣凝膠。殼聚糖/硅藻土氣凝膠具有良好的生物相容性和納米至微米級的多級多孔結構，可通過叔丁醇濃度進行控制。30%叔丁醇置換氣凝膠具有最大的比表面積(74.441 m2/g)、吸水量(316.83±2.04%)和優異的體外凝血性能(凝血時間70 s)，且在大鼠出血模型中凝血時間最短、失血量最低。氣凝膠與血液之間具有很強的界面效應，能夠促進紅細胞聚集、血小板黏附、活化，激活血液固有凝血途徑，加速血液凝固[36]。因為遺傳或慢性疾病，患有凝血病如血友病或糖尿病的患者血液不能有效凝固，因此控制表面超血親性是特別重要的[64]。Haeshin等人報道了硅藻土的超親水性甚至超血親性可以顯著激活內在通路，加速血液凝固[63]。不幸的是，未經任何修飾的硅藻土由于高密度硅醇陰離子與紅細胞膜之間強烈的界面相互作用而具有較差的生物相容性。同時，由于與組織創面缺乏粘連，硅藻土容易被創面處血壓高的血流分散，導致止血失敗。馮超等人通過氧化自聚合的方法在硅藻土表面修飾一層薄薄的聚多巴胺。聚多巴胺涂層可以改變硅藻土的界面特性，改善血小板和紅細胞的黏附。在裝載一種將纖維蛋白原轉化為纖維蛋白形成血凝塊的蛋白質凝血酶后得到DA-diatom-T復合材料，該材料表現出強大的多種止血作用，包括組織黏附、血小板激活、纖維蛋白網絡原位快速激活和傷口物理屏障的形成[65]。

圖7 DA-diatom-T的設計，凝固工藝，自然凝固過程[65]

單一的止血粉末具有穿過傷口進入人體引發不穩定血栓的安全問題。馮超等人進而進行了深入的研究，提出以殼聚糖、多巴胺和硅藻土為原料，采用堿化沉淀法制備了多功能殼聚糖/多巴胺硅藻土復合微球(CDDs)。CDDs的直徑約為15 mm，可避免小顆粒隨血流擴散到正常血管的潛在栓塞風險[66]。并且制備了以羥丁基殼聚糖和烷基化殼聚糖分別與硅藻土為基質的復合海綿，用于止血。硅藻土的加入使得原有海綿能夠激活固有凝血通路，加速凝血效果。同時，硅藻土的加入增加了復合海綿的孔隙率。結合殼聚糖的引流作用，使復合海綿內部結構與血液充分接觸，止血更快。體外凝血試驗表明，硅藻土基復合海綿能提供較強的界面效應，誘導紅細胞吸收聚集，激活凝血級聯反應，加速血液凝固[67-68]。硅藻土結構可以濃縮凝血因子促進凝血反應發生，其表面的豐富硅羥基能夠促進內源性凝血，在體內和體外均顯示出優秀的止血效果。遺憾的是，目前尚缺乏制備具有良好生物相容性和止血性能的硅藻土基止血材料的更多研究。只有依據生物體內外出血機制，經過材料學、醫學、藥劑學等多學科交叉，才能將更多的基礎研究轉化為臨床使用，造福生物醫學事業。

5 基于硅藻土的其他生物醫藥應用

硅在骨形成和維持、改善成骨細胞功能和誘導礦化等方面發揮著重要作用。通常，骨變形和長骨異常與硅缺乏有關。硅藻土是硅藻骨架的天然沉積物，是一種廉價而豐富的生物硅來源。Alvarez等以硅藻土為硅源，研究硅取代羥基磷灰石涂層對成骨細胞樣SaOs-2細胞系的影響。體外研究表明，與合成二氧化硅制備的涂層相比，硅取代羥基磷灰石涂層顯著促進成骨細胞增殖和活性[69]。Hertz等人利用助熔劑煅燒硅藻土制備多孔SiO2和SiO2/TiO2單體，發現僅含SiO2的樣品被證明對骨組織工程具有生物相容性[70]。Le等人研究了硅藻土顆粒作為骨組織工程硅供體材料的潛力，提純的硅藻土微顆粒(MPs)和納米顆粒(NPs)顯示有限或無細胞毒性作用。硅藻土釋硅動力學表現為先快速釋硅，后隨孵育時間增加釋硅速率降低。特別是在最初的4 d里，硅的釋放值從最終值的87%到92%不等[71]。Tamburaci等人使用硅藻土作為增強劑克服聚合物與骨力學不相容的情況，用于硬組織工程以幫助骨再生[72-74]。以硅藻土和殼聚糖為材料制備了一種新型的骨組織再生膜，結果表明，硅藻土的加入提高了膜的表面粗糙度、溶脹能力和拉伸模量。加入10%硅藻土的殼聚糖復合膜比不含硅藻土的殼聚糖復合膜的楊氏模量提高了約52%。另外間接提取法可獲得較高的細胞活力。體外細胞增殖和堿性磷酸酶活性測試結果表明，硅藻土的加入顯著提高了殼聚糖膜培養Saos-2的細胞的堿性磷酸酶活性。該新型硅藻土復合膜具有較好的生物相容性，可作為骨組織工程應用的支架材料，具有較強的物理化學性能和生物活性。細胞毒性、增殖、堿性磷酸酶活性、骨鈣素生產和生物礦化的體外研究，證明了天然硅藻土顆粒在骨再生中的前景。在成骨培養基中，硅藻土納米復合支架未表現出任何細胞毒性作用，并增強了表面礦化。因此，在硬組織工程應用中，硅藻土是一種潛在的用于納米復合材料的增強材料。

硅藻土用于生物傳感的光學和光子特性是眾所周知的。De Stefano等人[75]研究表明，硅藻土可以作為合適的光學生物傳感器，具有顯著的靈敏度和多細節層次(LOD)。這些創新系統可作為表面增強拉曼(SERS)免疫分析檢測人血漿中白細胞介素8應用的有吸引力的替代品。Kamińska等人構建了金納米，將其集成到硅藻土基超靈敏表面增強拉曼光譜(SERS)免疫分析中，用于檢測人血液中的白細胞介素8(IL-8)[76]。硅藻土用于生產具有增強熒光光譜和成像特性的超靈敏免疫檢測生物傳感器，具有點對點的優勢，對生物傳感應用具有吸引力。硅藻土作為片上色譜基質具有流體特性，同時，硅藻土光子晶體效應能增強金屬納米粒子的等離子共振，可用于SERS生物傳感。電漿子納米顆粒裝飾的硅藻土生物傳感器可以從混合樣品中分離和檢測小分子，檢測靈敏度高達1 μg/g，比商用硅膠色譜板提高了10倍以上。在10 μg/g和5 μmol/L的LOD下實現了人血漿中苯乙胺和脫氧核糖核酸的多重傳感。[77]。這種利用電漿子硅藻土混合的簡易片上實驗室裝置證明了自身的成本效益和超敏感，具有多重傳感能力，將在復雜環境中的污染物和毒素以及篩選生物流體中的非法藥物監測方面發揮關鍵作用。對多孔介質微流體(如基于微流控紙的分析設備)不斷升級的研究興趣，催生了一種用于即時診斷和生物傳感的新生物醫學設備。Kong等人將硅藻土在400×30 μm的常規玻片上通過旋涂和膠帶剝離法制備，從復雜的生物流體樣品中分離小分子，并獲得具有高特異性的目標化學物質的表面增強拉曼散射光譜。由于硅藻土微流控通道的超小尺寸和硅藻土錐柱的光子晶體效應，當從拉曼染料混合樣品中檢測芘(1 μg/kg)和從人血漿中檢測可卡因(10 μg/kg)時，表現出前所未有的靈敏度，靈敏度可提高至十億分之一(μg/kg)水平[78]。這項開創性的工作證明了硅藻土用于新興的化學和生物醫學傳感微流控設備的獨特優勢，特別是在POC藥物篩選方面。

6 結論

硅藻土生物納米技術是一個新的跨學科領域，硅藻土作為合成多孔硅和其他人工材料的低成本替代品，為未來智能藥物制備的生物應用提供了巨大可能。硅藻土具備的獨特三維層次性多孔結構、高表面積、無毒副作用，易于表面化學改性以及高化學穩定性、特異性光學和光致發光特性，成就了其新型低成本的生物醫學應用材料的無限潛力。

預計在不久的將來，人們可以通過調整硅藻土獨特的表面性質來設計新的具有成本效益的生物醫藥系統，滿足在藥物醫藥商業化領域的巨大需求。盡管硅藻土已許可用于食品工業和農業，但在制藥工業和醫藥中作為添加劑和藥物載體的使用尚未獲得官方批準。因此，在研究硅藻土作為臨床應用所需的新型藥物給藥載體的生物反應方面，還有大量的工作要做，需要對硅藻土在體內動物模型上的長期安全性進行進一步的研究。目前也仍有許多未解之謎，如硅藻基因型與表型之間的關聯，硅藻土藻凸是如何形成的?生物硅如何形成硅藻土的形狀/大小或模式、遺傳特征?所有這些問題都需要研究人員的有效回答，以證明硅藻土作為高效生物醫藥應用系統的適用性。大量的體外和體內研究證明了硅藻土基復合材料的生物相容性和低細胞毒性，這種獨特的生物材料具有強大的生物醫學應用潛力。雖然目前對硅藻土在生物醫藥各個領域的研究并不完善，但在不遠的將來硅藻土醫藥應用的商業化可能終將成為現實。