磁性介孔二氧化硅的合成及其在肿瘤治疗中的应用

赵惠丰，康瑞芳，朱孜璇，田启威，2，杨仕平*

（1.上海师范大学化学与材料科学学院，上海 200234；2.上海健康医学院上海市分子影像学重点实验室，上海 201318）

0 引言

癌症是一种威胁人类健康的多因素疾病，许多类型的癌症具有高死亡率和高复发率的特点，这促使人们开发更先进的治疗方法，其中纳米技术是一种具有良好应用前景的治疗方法，因此也发展出了许多纳米材料［1］.在过去的几十年里，纳米球技术发展迅速，生物相容性好、低毒和稳定度高的纳米球已被广泛研究.其中磁性四氧化三铁（Fe3O4）纳米球在光热治疗（PTT）、化学动力学治疗（CDT）等方面具有潜在的应用前景.由于Fe3O4纳米粒子具有磁性，当它们裸露时，高磁性相互作用容易使它们产生聚集.此外，在生物介质中，它们很容易被氧化形成其他相［2］.近年来，人们采用了许多方法来克服这些限制，其中在Fe3O4纳米颗粒表面覆盖生物相容性材料被认为是最有效的方法.通常的做法是在磁Fe3O4的表面形成一层或多层特定的材料来保护它们［3］.在众多包覆材料中，介孔二氧化硅（SiO2）具有高度的生物相容性、低毒、化学稳定性和易得性等特点.在进入人体后，磁性介孔SiO2纳米球（MAG-MSNs）表面的硅羟基会逐渐被水解，最终被降解成对人体无毒的硅酸排出体外［4］.MAG-MSNs不仅避免了Fe3O4的缺点，而且结合了Fe3O4和介孔SiO2的优点，因此具有核壳结构的MAG-MSNs引起了研究者们的广泛关注［5］.

1 MAG-MSNs的结构与特点

制备核壳结构通常先合成顺磁性的纳米晶型Fe3O4，再在得到的Fe3O4纳米颗粒上制备出一层介孔SiO2覆盖层，一般硅源来自正硅酸乙酯（TEOS）［2］.如图1所示，所得的MAG-MSNs的介孔SiO2壳呈现独特的双层结构：内部为无孔层，外部为介孔层，孔径分布在1.8～3.0 nm.此外，由于Fe3O4在808 nm处有明显紫外吸收，因此MAG-MSNs既可以作为PTT的肿瘤治疗纳米材料，也可以通过CDT治疗肿瘤.

图1 将载体钒酸铋中的铕离子（Eu3+）嵌入到磁性介孔SiO2纳米粒子（Fe3O4@mSiO2/BiVO4∶Eu3+）的合成工艺［6］

2 MAG-MSNs的制备方法

MAG-MSNs的制备一般采用两步法：第一步首先合成Fe3O4内核；第二步在其外包裹介孔SiO2.目前，国内外制备Fe3O4的方法有很多，不同方法制备出来的Fe3O4纳米粒子的性能和适用范围大不相同.根据文献报道制备Fe3O4纳米粒子的方法主要有5种，它们是：1）共沉淀法.共沉淀法制备往往是在惰性气体的保护下，通过在室温或者较高温度下的碱性水溶液中，利用Fe2+/Fe3+的共沉淀来合成磁性纳米粒子.2）热分解法.热分解法以高沸点有机溶剂作为稳定剂，热分解金属有机前驱体来制备Fe3O4.3）水热法.水热法一般是在高压釜里，采用水溶液为反应介质，使通常难溶或不溶的物质溶解、反应并结晶，从而得到理想的纳米颗粒产物.这种制备方法所需的原料廉价，反应简单，制备出的粒子纯度高、分散性好、晶型好，具有一定的普适性.如图2所示，LIU等［7］通过使用柠檬酸三钠作为稳定剂的水热法制备直径约为160 nm的水分散性Fe3O4纳米核.4）溶剂热法.与水热法相似，用有机溶剂替换水作为反应介质，得到纳米颗粒产物.5）微乳液法.微乳液法通常是在油包水或水包油样的“微反应装置”中进行的颗粒成核和生长.

图2 用不同初始物质的量浓度的氯化铁（FeCl3）合成的Fe3O4颗粒的扫描电镜（TEM）图像.

而在Fe3O4纳米颗粒外包裹介孔SiO2外壳的制备方法通常有2种：1）一种是基于制备介孔SiO2壳的Stöber方法，首先将TEOS分子碱化水解，然后将水解的前驱体与模板（CTAB）通过静电相互作用共同组装成复合胶束.随后，复合胶束由于水解前驱体的缩合而从溶液中聚集、沉淀，形成纳米级低聚物.最后，这些纳米低聚物沉积在磁性颗粒上，形成有序的介孔结构硅层.早期由于制备方法不成熟，合成的多孔SiO2的孔道基本上是杂乱无序的.直到20世纪末，Mobi公司的KRESGE等［8］首次利用“模板法”对空间的限制作用，合成了孔道结构有序的M41S系列介孔氧化硅材料.2）另一种是微乳法，由互不相溶的液体形成的热力学稳定分散体系，制备磁性复合纳米粒子.通过改变反应体系中表面活性剂、油相和水相的比例，可以改变粒子的形貌和大小［9］.在反应体系中，表面活性剂的亲水和疏水基团既能溶解和分散纳米粒子，又能够很好地阻止纳米粒子的团聚［10］.如图3所示，ASGARI等［11］通过反相微乳液法合成了单分散MAG-MSNs的核壳结构.相较第一种制备介孔SiO2外壳的方法，具有工艺简单、操作方便的特点，因此使用率更高.

图3 用改进的反相微乳液法合成介孔二氧化硅包裹四氧化三铁（Fe3O4@mSiO2）纳米粒子的示意图［11］

3 MAG-MSN在肿瘤治疗中的应用

3.1 CDT

CDT作为一种新兴的肿瘤治疗方法，利用特定价态离子（如铁离子等）与肿瘤组织内高浓度的过氧化氢（H2O2）发生芬顿反应，产生强氧化性的羟基自由基（·OH）消除肿瘤，具有独特的肿瘤微环境响应性，近年来引起广泛关注.MAG-MSNs内核的磁性Fe3O4纳米粒子具有良好的芬顿反应性能，因此被广泛用于生物医学领域.研宄表明：Fe3O4释放的Fe2+/Fe3+可诱导芬顿反应，催化细胞代谢产生的H2O2形成一种高毒性、强活性的·OH，从而导致肿瘤细胞死亡［2］.作为一种新型的癌症治疗方式，利用内源性化学能触发芬顿型反应的优势，通过对肿瘤酸性和高浓度H2O2微环境的反应，显示出较好的治疗效果和良好的生物安全性和肿瘤特异性.因此，通过芬顿反应产生具有强氧化性的·OH已经成为新型抗癌策略的有效手段［12］.

如图4所示，SUN等［13］报道了一种介孔SiO2与Fe3O4和抗坏血酸棕榈酯（PA）复合，作为放大肿瘤氧化治疗的新型纳米芬顿反应器Fe3O4@SiO2-PA.其具有良好的分散性、稳定性、均匀性，以及一致的光谱特性.通过实验结果表明，Fe3O4@SiO2-PA成功进入了癌细胞，在酸性肿瘤微环境中，PA可通过金属蛋白酶催化生成H2O2，而Fe2+作为催化剂可将H2O2还原为剧毒的·OH.通过活性氧（ROS）的产生，从而触发DNA损伤，导致丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）和磷脂酰肌醇激酶/丝氨酸/苏氨酸激酶（PI3K/AKT）通路的功能障碍，诱导细胞凋亡，显著抑制HeLa细胞和体外3D肿瘤球体的生长.结果表明：Fe3O4@SiO2-PA通过触发增强的氧化损伤和调节多个信号通路来抑制体内外HeLa细胞的生长，在体内表现出较少的副作用和良好的生物相容性，具有潜在的临床应用前景.

图4 Fe3O4@SiO2-PA的合理设计和所提出的信号通路的示意图

3.2 PTT

PTT是指在近红外光的照射下光热试剂的温度会升高，从而产生局部高温杀死肿瘤细胞.PTT的效果取决于光热材料的性能，主要通过光热转换效率评价.PTT是将具有较高光热作用的材料注入体内，利用组织对近红外光具有低吸收率和高透过率这一特点，通过外界激发光的照射下将光能转化为热能从而杀死肿瘤细胞的一种治疗手段.激光照射的光热纳米制剂产生的热量可以准确地定向到癌细胞，这大大减少了对周围健康细胞和组织的潜在损害［14］.

理想的PTT试剂不仅能吸收近红外，而且具有较高的光热转换效率.最早研究的光热纳米制剂有金纳米材料，后来又有Fe3O4和硫化铜（CuS）等光热试剂［15］.但纯净的Fe3O4纳米颗粒由于其磁性而容易团聚.它们在化学性质上也不稳定，很容易在空气中被氧化，如果在Fe3O4外包裹了一层SiO2形成复合纳米粒子［16］，就能克服这些缺点.Fe3O4纳米粒子在更宽的范围内吸收光线，具有更高的生物安全性.因此，Fe3O4纳米粒子有可能成为下一代具有研究前景的光热剂.如图5所示，DAI等［17］将化学治疗和PTT集成到磁性靶向阿霉素（DOX）负载的Fe3O4@SiO2纳米颗粒（Fe3O4@SiO2@DOX）系统中.磁性Fe3O4@SiO2纳米复合材料在近红外照射下表现出良好的光热效应.用808 nm近红外激光照射10 min，即可将系统温度从室温提高到55℃，有效地诱导了体外癌细胞的凋亡.Fe3O4@SiO2@DOX纳米微球在A549肺癌细胞的体外实验中显示出良好的抗肿瘤作用.仅含0.5 μg·mL-1DOX的Fe3O4@SiO2@DOX孵育15 min，对A549肺癌细胞的杀伤率为81.3%.

图5 合成SiO2包覆磁性Fe3O4纳米粒子作为DOX载体和光敏剂，以增强化学治疗/PTT的协同效应

3.3 CDT和PTT联合治疗

PTT使用光热剂来消融癌细胞，用近红外照射来提高肿瘤周围的局部温度，与紫外光和可见光相比，近红外光可以穿透深层组织［18］.与磁热疗法相比，PTT更方便、更安全.芬顿反应是提高细胞内ROS水平的一种有效途径，其利用Fe2+/Fe3+催化细胞代谢产生H2O2，从而形成高毒性强氧化性的·OH，最终导致细胞凋亡.同时，芬顿反应克服了光动力治疗过程中组织穿透性不足的缺陷［19］.在研究过程中发现，将CDT与PTT联合所产生的治疗效果会比单一治疗方法产生的效果更显著.

如图6所示，DONG等［20］通过简单地将超小的铁基纳米颗粒和天然葡萄糖氧化酶（GOx）沉积到树枝状介孔SiO2硅球的大介孔（约13 nm）中，设计了一种新型的磁性靶向纳米平台，用于近红外光增强CDT功效.在这种结构中，GOx可以有效地消耗肿瘤细胞中的葡萄糖，以诱导pH值的降低，并产生相当量的H2O2，这两者都促进后续的芬顿反应.这些超小的铁基纳米颗粒不仅作为有效的芬顿催化剂降解肿瘤内增加的H2O2，产生高毒性的·OH，而且在用808 nm近红外光照射时表现出高的光热效率.重要的是，所产生的温度可以显著加速芬顿反应过程，从而实现PTT与CDT联合增强治疗效果的目的.

图6 光热肿瘤消融和808 nm激光照射增强CDT治疗癌症的方案

4 结论与展望

在肿瘤的诊疗应用材料中，许多复合纳米颗粒可以用于多功能诊疗平台，但大多数尚未实现临床应用，而Fe3O4纳米颗粒已被美国食品药品监督管理局（FDA）批准可用于临床.磁性Fe3O4纳米粒子的独特磁学性质，赋予其在生物医学领域更多复合应用，而介孔SiO2硅纳米颗粒则具备良好的材料特性及生物相容性［21］.因此，将Fe3O4纳米颗粒与介孔SiO2材料制备成MAG-MSNs复合材料，Fe3O4纳米颗粒的稳定性较差和水溶性较弱的问题也能得到较好的解决［22］，同时可以将不同的治疗性能集中于单个颗粒中［1］.作为一种新型纳米复合材料，MAG-MSNs由于其无毒、高生物相容性以及独特的磁性和光热性质受到广泛关注，在CDT和PTT上显示出了巨大的应用前景.尽管核壳型MAG-MSNs已经具有良好的研究成果，但要进一步扩大和优化核壳型MAG-MSNs的应用，仍有一些关键的问题需要解决.相信随着核壳结构MAG-MSNs的深入研究，这类材料将在未来显示出更广阔的实际应用前景［23］.