POSS 在生物医药领域的应用研究进展

2023-03-10杨璐刘碧林罗婷

生物化工 2023年3期

杨璐，刘碧林，罗婷

（重庆化工职业学院，重庆 401228）

多面体低聚倍半硅氧烷（POSS）具有非常独特的分子结构特点，其分子结构核心为Si-O-Si 结构单元，由于Si-O 键能较大，因此具有良好的化学惰性和热力学稳定性。1955 年，BARRY 等[1]证实了其笼型多面体的硅-氧纳米结构。进入20 世纪90 年代后，由于其独特的无机-有机组成，引进不同活性有机基团POSS 成为了热点研究对象。

POSS 纳米粒子的独特无机-有机纳米结构，可在分子水平上对各种聚合物材料进行改性或对聚合物表面进行修饰，能使聚合物具有显著的热稳定性、机械稳定性及生物相容性，还可作为载体包封各种目标分子，改善目标分子的生物相容性。POSS 的特殊结构和性能使其在药物传递、生物医学等方面得到了广泛的应用[2]。

1 药物递送载体

POSS 不会诱导细胞凋亡或坏死，也不产生活性氧，生物相容性较好，是药物的理想载体材料。

1.1 分子印迹聚合物

分子印迹聚合物（MIPs）具有识别印迹分子的结合位点，对特定模板分子及其结构类似物具有特异性识别和选择性吸附功能，可应用于药物控制释放等。研究者发现，在MIPs 中以聚合或共掺杂方式引入POSS 后，卡培他滨（CAP）的载药量可达20.53%，在胃内的滞留时间可提到13.4 h，表现出良好的缓释效果[3]。

1.2 凝胶递送系统

以凝胶为基质的缓控释剂型在现代药学中应用广泛，对亲水性药物、疏水性药物等负载良好，并可方便灵活地通过消化道等多种途径给药，在胃滞留控释系统和凝胶骨架片等方面具有显著优势。

CHEN 等[4]用原位自由基冷冻聚合法将阳离子八氨基POSS（Oa-POSS）引入化学交联的阳离子聚甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯水凝胶中，数据显示，凝胶具有更紧密的网络结构，强度可达400 kPa；该课题组还将Oa-POSS 引入Ca2+交联的海藻酸钠聚N-异丙基丙烯酰胺凝胶中，改变凝胶网络的交联密度和交联方式后，对牛血清蛋白的包封率可达95%，在Tris-HCl 缓冲溶液中表现出明显的缓释效应。

1.3 基因递送系统

利用治疗性基因治疗严重疾病在近几十年里一直受到科研工作者的重点关注，外源性的正常基因在递送过程中受诸多生物膜屏障的影响，无法有效到达靶细胞并实现高表达。

GAO 等[5]通过“硫醇-烯”键合反应，合成了星形结构的POSS-功能肽，与pZNF580 质粒混合后得到双元基因复合物，再与具有EC 靶向配体和顺式乌头酰胺的阴离子聚合物通过静电吸附作用结合，获得三元基因复合物。该三元复合物具有EC 靶向配体、膜穿透、电荷逆转及核靶向等功能，并具有较高的生物相容性，在人脐静脉内皮细胞的增殖和迁移方面取得了较好的转染效果，在体内外表现出较高的新生血管化效果。

2 牙科纳米复合材料

POSS 在牙科纳米复合材料领域应用较多的是以共聚方式参与改善复合材料的粘合性、抗菌活性或机械性能。BURUJENY 等[6]将具有杀菌作用的官能团键合在疏水性POSS 后，再掺入牙科树脂配方修复系统，所获得的复合材料收缩应变和细胞相容性无显著变化，表现出吸水率低、机械强度的恶化最小的特性，对链球菌的抑菌率可达60%。

3 探针载体与成像剂

3.1 纳米荧光探针

由于POSS 刚性的结构与良好的稳定性，对易发生荧光淬灭的聚集诱导发射（AIE）活性物质进行修饰后，可改善其AIE 性质，作为灵敏的染料探针应用于低浓度物质的测定。ZHU 等[7]将8 个环化铱(Ⅲ)聚吡啶配合物接枝到POSS，制备的复合物在室温和低温玻璃溶液下表现出强烈的、长寿命的橙红色或红色荧光。且该复合物无细胞毒性，主要通过腔隙介导的内吞作用进入细胞，可作为细胞渗透生物成像探针应用。

3.2 成像剂

用功能化的POSS 对造影成像剂进行修饰可显著提高其成像能力。ZHOU 等[8]将环糊精附着的POSS纳米球用作主体分子，金刚烷修饰的大环Gd（Ⅲ）造影剂、cRGD 靶向配体和荧光探针用作客体分子，成功制备出纳米级的球形造影剂，能特异性结合恶性4T1 乳腺肿瘤中的αvβ3 整联蛋白，在肿瘤组织中提供了显著的荧光信号，可作为特定癌症分子MRI 和荧光成像的靶向成像剂。

4 组织工程支架材料

支架材料在组织工程中主要提供一个有利于细胞粘附、增殖、分化及生长的三维支架，要求具有较好的组织相容性、无毒、可降解，同时具有较好的力学强度等。

4.1 心血管支架材料

LIU 等[9]制备了异丁基封端的多肽POSS，并与PCL 通过静电纺丝法制备成电纺膜，发现含8%多肽的电纺膜生物相容性提高，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有明显的抗菌活性，可能具有应用于血管移植物或伤口愈合等领域的潜力。HUANG 等[10]为了改善纳米填料和基质之间的相容性，将聚L-乳酸链（PLLA）接枝到POSS 纳米颗粒上，所得纳米复合材料POSS-PLLA 600 的机械强度、热稳定性和生物相容性均有明显改善，可能是纳米颗粒形成多孔纤维纳米纤维支架后，能有效地促进细胞粘附和扩散。

4.2 人工气管骨架材料

脂肪族聚碳酸酯型聚氨酯（PCU）是已广泛应用于人体器官及医疗装置领域的重要高分子材料之一。TEOH 等[11]利用不可吸收的POSS-PCU 作为分叉气管支架骨架，将骨架浸入聚(ε-己内酯)脲聚氨酯（POSS-PCL）和碳酸氢钠的液体混合物中，形成可吸收的、多孔的泡沫状结构的内层和外层，将骨髓来源的间充质干细胞（bmMSC）和人气管支气管上皮细胞（HBECs）在分叉气管上进行培养，发现支架能成功支持bmMSC 和HBEC 附着和增殖，表现出良好的机械性能和细胞浸入，在儿科的气管置换等应用领域上具有明显的优势。