樹枝狀介孔二氧化硅藥物遞送系統(tǒng)的制備綜合實驗設(shè)計

趙旭波 張攀科

[摘? ? ? ? ? ?要]? 通過水解法準備了一種樹枝狀介孔二氧化硅藥物遞送系統(tǒng)，并通過透射電子顯微鏡對其形貌進行了表征。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 樹枝狀介孔二氧化硅;藥物遞送系統(tǒng);綜合實驗

[中圖分類號]? TQ460? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2021）40-0122-02

從20世紀70年代以來，藥物遞送系統(tǒng)讓多種療法從不可能變成了可能，一次次讓老藥再次煥發(fā)青春。藥物遞送系統(tǒng)是一種通過化學作用或物理作用將藥物固定在具有一定特殊形貌的化學載體上，在某種狀態(tài)下能釋放所負載藥物的系統(tǒng)。2007年，藥物遞送系統(tǒng)的全球市場份額已經(jīng)達到了660億美元，在藥物化學領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應用。藥物遞送系統(tǒng)一般分為無機藥物遞送系統(tǒng)和有機藥物遞送系統(tǒng)[1-3]。因為樹枝狀介孔二氧化硅無機納米材料具有良好的生物相容性，大的比表面積及大的孔徑分布，通常其可作為一種優(yōu)良的藥物載體。樹枝狀介孔二氧化硅無機納米材料的合成，取決于硅酸脂類單體、表面活性劑、結(jié)構(gòu)導向劑及水解催化劑的選擇，涉及無機合成化學、分離過程化學及物理化學等學科知識。筆者結(jié)合在藥物遞送系統(tǒng)制備及應用領(lǐng)域所取得的經(jīng)驗，經(jīng)反復篩選優(yōu)化，設(shè)計了一種容易制備、操作簡單，并且尺寸及孔徑分布合理的樹枝狀介孔二氧化硅無機藥物遞送系統(tǒng)。該藥物遞送系統(tǒng)的實驗設(shè)計體現(xiàn)了藥物遞送系統(tǒng)設(shè)計的制備→分離→結(jié)構(gòu)表征的特點，不僅可以使學生掌握一般無機藥物遞送系統(tǒng)制備技能和結(jié)構(gòu)表征方法，還能提高學生面向需求解決實際問題的能力。

一、實驗部分

（一）實驗目的

1.了解制備過程中的硅酸脂類單體的選擇。

2.了解表面活性劑和結(jié)構(gòu)導向劑的作用。

3.掌握離心分離固液體系、真空干燥及透射電子顯微鏡樣品制備的基本操作。

4.掌握透射電子顯微鏡表征納米材料形貌和尺寸的方法。

（二）實驗原理

以正硅酸乙酯和1，2-二（三乙氧基硅烷）-乙烷作為硅源，以水楊酸鈉作為結(jié)構(gòu)導向劑，以十六烷基三甲基溴化銨作為介孔模板，以三乙醇胺作為水解催化劑來制備樹枝狀介孔二氧化硅無機納米藥物遞送系統(tǒng)。正硅酸乙酯和1，2-二（三乙氧基硅烷）-乙烷在三乙醇胺催化下的水解反應化學方程式為：（C2H5O）4Si+（C2H5O）6Si2→SiO2+H2O。正硅酸乙酯和1，2-二（三乙氧基硅烷）-乙烷能在堿性條件下水解得到二氧化硅，在水解的過程中十六烷基三甲基溴化銨作為介孔模板起到調(diào)節(jié)孔徑的作用。再經(jīng)鹽酸的甲醇溶液處理可得到孔徑均一的樹枝狀介孔二氧化硅納米球。

（三）儀器與試劑

1.儀器。天平，量筒，移液槍，機械攪拌器，500 mL三口圓底燒瓶，200 mL燒杯，油浴鍋，離心機，離心管，超聲波清洗機，真空干燥機，漏斗和JEM-1400Flash透射電子顯微鏡。

2.試劑。正硅酸乙酯和1，2-二（三乙氧基硅烷）-乙烷購自上海阿拉丁試劑公司，水楊酸鈉購自北京華豐聯(lián)博科技有限公司，十六烷基三甲基溴化銨，鹽酸和甲醇購于國藥集團化學試劑有限公司。此外，本實驗中所使用的水均為超純水。

（四）實驗步驟

1.乳液的形成。將0.068 g的三乙醇胺、0.380 g的十六烷基三甲基溴化銨和0.168 g的水楊酸鈉分散于盛裝有25 mL超純水的三口圓底燒瓶中，將該三口圓底燒瓶安裝于機械攪拌器當中，油浴加熱至80 ℃，在該條件下攪拌乳化1小時。在該步中應注意不能使用磁力攪拌，筆者多次實驗發(fā)現(xiàn)經(jīng)磁力攪拌因乳化不完全得不到預想的產(chǎn)品。

2.樹枝狀介孔二氧化硅藥物遞送系統(tǒng)的合成。分別將4 mL的硅酸乙酯和6 mL的1，2-二（三乙氧基硅烷）-乙烷加入上述的三口圓底燒瓶中，在80℃下劇烈攪拌反應2小時，在反應過程中，體系逐漸變成乳白色。反應結(jié)束后，離心分離，超純水洗滌，干燥保存。在該步中應注意硅酸乙酯和1，2-二（三乙氧基硅烷）-乙烷應采用滴液漏斗滴加的方式加入反應體系中，溫度應嚴格控制在80℃。

3.將2 g白色產(chǎn)品分散于9 mL的鹽酸和100 mL的甲醇溶液中，在60 ℃下攪拌反應2小時去除模板劑，反應結(jié)束后，離心分離，超純水洗滌，干燥保存?zhèn)溆?。在該步中應注意必須徹底水洗至中性，若有甲醇殘留，會嚴重影響下一步的透射電子顯微鏡制樣，甲醇會溶解銅網(wǎng)上的有機膜，導致透射電鏡測試失敗。

4.透射電子顯微鏡樣品的制備。取0.001 g二氧化硅產(chǎn)品分散于2 mL的乙醇中，超聲5分鐘輔助分散。將分散好的二氧化硅水分散液滴加于覆有碳膜的銅網(wǎng)上，真空干燥1小時后，方可送樣進行透射電子顯微鏡表征。在該步制樣過程中應注意不能損壞銅網(wǎng)，嚴格按照JEM-1400Flash透射電子顯微鏡制樣要求規(guī)范操作制樣。

二、結(jié)果討論

腫瘤組織與正常組織相比，瘤細胞排列更紊亂，細胞間隙明顯。這一腫瘤組織特點為納米級藥物遞送系統(tǒng)的輸運提供了通道。據(jù)文獻報道，粒徑在200納米以下的藥物遞送系統(tǒng)通過增強的滲透滯留效應進入腫瘤組織，實現(xiàn)遞送藥物的目的。二氧化硅基抗腫瘤藥物遞送系統(tǒng)源于其良好的生物相容性，大的比表面積及合適的孔徑分布近年來受到了學術(shù)及藥業(yè)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。樹枝狀二氧化硅納米球不僅具有豐富的孔道結(jié)構(gòu)，而且擁有大的比表面積。這些特點不僅為活性藥物的負載提供了可能的錨定位置，還增加了錨定數(shù)量。本綜合實驗利用正硅酸乙酯和1，2-二（三乙氧基硅烷）-乙烷在三乙醇胺作用下的水解，以水楊酸鈉作為結(jié)構(gòu)導向劑和十六烷基三甲基溴化銨作為介孔模板，制得粒徑在200納米以內(nèi)和孔道結(jié)構(gòu)豐富的樹枝狀介孔二氧化硅納米球。

反應后所得產(chǎn)品經(jīng)干燥后為白色固體粉末，產(chǎn)率在80%以上。經(jīng)JEM-1400Flash透射電子顯微鏡表征后發(fā)現(xiàn)，其形貌成樹枝狀球形形貌，粒徑在150納米左右。該粒徑有利于該樹枝狀二氧化硅無機納米藥物遞送系統(tǒng)通過腫瘤滯留滲透效應富集于腫瘤組織，實現(xiàn)藥物遞送的目的。此外，該樹枝狀二氧化硅納米球具有豐富的介孔結(jié)構(gòu)，其孔徑范圍在10～20納米之間。該孔徑不僅為活性藥物的負載提供了可能的錨定位置，還增加了錨定數(shù)量。另外，在透射電子顯微鏡圖片中發(fā)現(xiàn)該樹枝狀介孔二氧化硅納米球粒徑均一，無明顯團聚。以上這些優(yōu)點證實該樹枝狀介孔二氧化硅納米球?？梢宰鳛樾阅軆?yōu)異的抗腫瘤藥物遞送系統(tǒng)。

在制備過程中，硅酸乙酯與1，2-二（三乙氧基硅烷）-乙烷的比例控制是一個關(guān)鍵點。兩者比例過高會得到大尺寸的樹枝狀介孔二氧化硅無機納米材料，其粒徑將會超過500納米;若兩者比例過低，會得到團聚體。兩者優(yōu)化體積比為2比3。十六烷基三甲基溴化銨和三乙醇胺的用量控制是又一個關(guān)鍵點。十六烷基三甲基溴化銨用量過少無法得到介孔，三乙醇胺用量過少無法形成樹枝狀結(jié)構(gòu)，故而十六烷基三甲基溴化銨和三乙醇胺的用量必須嚴格控制，優(yōu)化用量，十六烷基三甲基溴化銨為0.380 mg，水楊酸鈉為0.168 g。

在本實驗中，筆者選擇十六烷基三甲基溴化銨作為介孔模板來制備該樹枝狀的介孔二氧化硅納米球。實際上可以為學生提供多種的表面活性劑，如陰離子聚丙烯酰胺、十二烷基苯磺酸鈉、脂肪醇硫酸酯鹽、脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯醚何嵌段共聚物。表面活性劑的選擇為介孔二氧化硅納米球介孔的控制提供了更多的可能，有助于激發(fā)學生的科研興趣，最終提高學生的創(chuàng)新能力。

本綜合實驗設(shè)計介紹的樹枝狀介孔二氧化硅藥物遞送系統(tǒng)的制備及形貌結(jié)構(gòu)表征源于前沿科學研究，通過該綜合實驗強化了學生對離心分離、機械攪拌及真空干燥等化學實驗基本操作的訓練，確保學生掌握無機材料的合成原理，且突出了前沿交叉性。該實驗所用試劑和儀器簡單易得、內(nèi)容新穎，實驗結(jié)果重現(xiàn)性好。該實驗能加深學生對催化劑的用量、硅源單體選擇、硅酸酯類水解等相關(guān)知識的理解，還能強化學生的實驗技能，提高學生的科研興趣，最終提高學生的創(chuàng)新能力。此外，該實驗產(chǎn)率高，能增強學生的獲得感和成就感，有利于吸引學生進一步思考與該實驗相關(guān)的基礎(chǔ)問題。該綜合性實驗不僅適應于化學相關(guān)專業(yè)實驗教學，還適應于藥學、藥劑、材料和基礎(chǔ)醫(yī)學等專業(yè)的實驗教學。

參考文獻：

[1]季帆，曾愷，張坤，等.Fe3O4磁性納米粒子的PEG修飾劑的合成與性能[J].高分子學報，2016（12）：1704-1709.

[2]張瀅，劉梁，王庭宏，等.pH敏感納米凝膠的制備及其在siRNA轉(zhuǎn)染中的應用[J].高分子學報，2017（7）：1150-1157.

[3]邱文秀，程翰，張先正，等.刺激響應型多肽的研究及其在腫瘤診療中的應用[J].高分子學報，2018（1）：32-44.

編輯 栗國花