绪 论

　　1.1. 研究背景

　　1.1.1. 世界难题-癌症

　　作为人类的十大难题之一，癌症是目前致死率极高的疾病。联合国卫生组织调查显示，由恶性肿瘤每年引起的死亡人数超过1000万。现阶段，恶性肿瘤的主要治疗手段有手术切除、化疗以及放疗1。其中，手术切除是首选的治疗方案。然而，大多数肿瘤患者被发现时已经是中晚期，通常伴有病灶转移及扩散的迹象，或者原病灶部位由于手术难度已经无法切除。因此，药物化疗和放疗在癌症治疗方面就显得尤其重要。以多种方式开发多种载体实现药物的高效运载是当今癌症治疗的研究热点。

　　传统的药物化疗主要有静脉注射和口服两种方式。然而，由于大部分抗癌药物水溶性差，难以大量在体液中溶解，因而很难达到在体内治疗所需的浓度;另一方面，药物小分子在到达肿瘤组织之前，要经过与蛋白结合、体内代谢、及排泄等步骤，有的药物以及药物载体由于生物相容性差等原因，极容易被人体自身的免疫系统所识别进而清除，并不能够顺利地到达肿瘤部位，最终只有极微量的药物小分子能够到达病灶部位。再者，抗癌药物对于体细胞也有很强的毒性，静脉注射使药物遍布全身，不仅降低治疗效果，也伴随着很强的毒副作用。因此，开发能够靶向肿瘤组织，能够实现在体内较长时间的保留和循环，并针对肿瘤细胞进行定时、定量的给药的药物载体成为抗癌研究的热点。

　　1.1.2. 靶向给药系统

　　靶向给药系统(Targeting drug deliver system)的概念最早由 Paul Ehrlich 提出。即将药物传递至到特定靶器官或细胞。肿瘤的靶向主要分为两种：被动靶向与主动靶向。被动靶向主要利用了肿瘤组织的 EPR 效应2,3也称增强渗透滞留效应。在人体内正常的组织中，微血管的内皮间隙比较的致密，大部分的脂质颗粒和大分子颗粒不容易穿透血管壁。相反的，肿瘤组织中血管壁间隙较大，且淋巴回流缺失，导致大分子类物质具有选择性的高通透性和长滞留性。具有比较好的 EPR 效应的纳米粒子尺寸集中在 50-200nm。虽然 EPR 效应能够赋予材料在肿瘤区域富集的能力，但这种方式在某些情况下效率比较低下。主动靶向以肿瘤组织的特异微环境为靶点。例如，由于肿瘤细胞过于旺盛的代谢，其进行无氧呼吸会产生较多的乳酸累积在肿瘤组织，使肿瘤环境呈弱酸性，pH 在5.5-6.5之间，而正常组织的生理 pH大约在7-7.4之间。也可以通过肿瘤细胞表面过度表达的受体与配体之间相互作用来实现的主动靶向。相应的配体分子有转铁蛋白、甘露糖、单抗以及叶酸等。此外，许多肿瘤组织会过度表达某些特定的酶，例如基质金属蛋白酶(MMP)。相对于被动靶向，主动靶向更加可控，也更精准，能够更加有效地实现治疗效果。两者结合，能够使药物载体的靶向效果大大提高，已成为癌症治疗研究的热点。

　　1.1.3. 纳米载药体系的优势

　　以下缺点：很难控制特定时间段的给药量、疏水性药物的利用率较低、药物缺乏靶向性等等4。与之相比，纳米载药体系中的药物可以通过扩散或者聚合物缓慢溶解的方式达到控释的目的。经过精心设计的纳米载药体系有很多优越性，可以很大程度克服传统载药体系的缺点。纳米载药体系具体有以下几点优势：

　　A，控制释放

　　纳米载药体系给研究者提供了一种剂量优化、时间可调的传送高毒性药物(其中包括DNA和病毒载体)的方法。药物的释放行为决定于体系本身的性质，通过选择合适的纳米粒子载体，可以优化药物的释放行为。另外，纳米技术本身又告诉我们如何从原子的层次上调控材料的性质，从而获得具有高度可控的释放速率的新型材料。

　　B，靶向传递

　　纳米载药体系能够在不影响正常组织功能的同时，有选择性地将药物运送到人体的特定部位。一些外部信号(比如磁场、超声及光照等)已经用于协助载药纳米粒子靶向至肿瘤组织，一些生物活性分子如叶酸、RGD以及抗体等则在药物的靶向和传递过程中起着极为重要的作用。这种具有局部靶向性的药物运送体系不仅极大降低了药物的毒性，也提高了所载药物的治疗效果。

　　C，提高药物的溶解度

　　纳米载体可以传送多种类别的药物分子，特别是传送各种不易分散于组织内的强疏水性药物。比如，一般来说，由具有两亲性的聚合物自组装成的纳米胶束都具有一个外壳(亲水性)和一个内核(疏水性)。具有内核具有疏水性，可以用来包裹疏水性药物分子，外壳具有亲水性，可以帮助胶束分散在组织水溶液的环境中。借助这样两亲性的胶束，我们可以向肿瘤组织传送远高于其实际溶解度的疏水性的药物5,6。

　　D，提高药物在体内的循环时间和系统分布

　　纳米药物载体可以大大提高药物分子在人体内的循环时间。同时，药物载体最终在体内的清除极大程度上依赖于药物载体粒子的大小。一般来说，较大的载体粒子倾向于被系统更快的清除。人体内的巨噬细胞可以清除尺寸在微米级的粒子，而一般组织的细胞能够摄入纳米级的粒子。有研究表明，组织吸收100 nm纳米粒子的速度比1 μm和10 μm的粒子分别要快2.5 倍和6倍7,8， 也有报道表明粒子的大小直接的影响着粒子进入细胞的方式。这为我们调控载体粒子在细胞内的命运提供了一种新方法，也提供了一种新的将药物分子靶向到细胞器的思路。除能提高粒子的循环时间外，纳米级别的载体粒子表现出比大颗粒更好的系统分布。有体内实验表明，大颗粒更容易聚集于肝、脾而非靶向部位，而纳米粒子则更容易被其他的组织细胞所吸收9。

　　E，可以将药物顺利导入细胞内

　　直接将药物导入细胞内既可以减小药物毒性又可以提高药物的单位疗效。纳米级别载体可以非常容易的穿透细胞膜。载药纳米粒子能否进入细胞主要决定于粒子的尺寸和靶向的目的部位。一般来讲，能穿透细胞膜的尺寸上限为500 nm。另外，纳米材料被细胞内吞的效果还决定于材料是否被活化以及对细胞器(比如细胞核，线粒体)的靶向能力。纳米粒子进入细胞的另一种方式是通过扩散，从细胞外浓度较高的地方扩散至细胞内浓度较低的地方。

　　F，克服各种系统屏障

　　在药物传送过程中，较小尺寸的纳米粒子有助于克服各种系统屏障。通常来说，口服是最理想的给药方式。但是该方式对于绝大部分的药物来说是不适用的。这主要是因为药物会在胃酸性条件下降解，并且药物很难穿过胃肠屏障。聚合物纳米粒子能够保护药物不被降解，并且可以协助药物分子穿透胃肠粘膜。在药物的传送过程中，另外一个不可避免的壁垒是血脑屏障，众多的药物止步于这个壁垒，因此，治疗脑部疾病的关键是克服血脑屏障。研究表明，尺寸在100 nm以下的聚合物纳米粒子能够有效穿透血脑屏障10,11。

　　G，高的比表面

　　众所周知，材料尺寸的减小会导致比表面积的增加。这个道理同样也适用于纳米药物载体。

　　1.2.基于介孔硅的释药系统

　　1.2.1.关于介孔硅的简介

　　介孔材料中被研究的最为广泛的是M41S系列的介孔硅纳米材料(其结构如图1所示)。1992年，mobil公司首先以十六烷基三甲基溴化胺(CTAB)为模板，结合溶胶凝胶法合成了代号为MCM-41的有序介孔材料。它的合成方法简单，可重复性好，并且具有粒径、孔径大小及孔壁组成和性质均可调节等特点。MCM-41型的介孔硅的孔道呈现六方结构，平行排列，这种独特的结构决定了介孔硅材料具有比表面积大(900-1500 cm2g-1)、孔容积大(0.5-1.5 cm3g-1)的特点。2004年，Victor Lin等首先观察到真核细胞在吞噬介孔硅纳米颗粒(mesoporous silica nanoparticle, MSN)之后没有表现出明显的细胞毒性。后来的科学研究证实细胞对硅球纳米颗粒(MSN)的吞噬能力是由介孔硅纳米颗粒(MSN)的粒径大小12、表面的化学性质13(如表面电势、化学基团)等因素决定的。由于硅材料的表面富含-OH活性基团，因此，介孔硅纳米颗粒(MSN)的表面可以极容易的进行特定的生物及化学修饰，从而顺利实现介孔硅材料的特异性的功能化。因此，介孔硅纳米颗粒被广泛应用于构建具有特定功能的药物控释系统。

　　1.2.2.介孔硅“纳米阀”概念的提出

　　一个理想的药物载体需要能够有效的包裹药物分子，使药物分子在到达靶向组织前没有任何的药物损失。也就是说，要求药物载体能够实现“零提前释放”的特性。因此，设计刺激响应型的介孔硅纳米载药控释系统成为癌症治疗研究热点。2003年“纳米阀”(gatekeeper)的概念是由Victor Lin小组提出的，我们可以方便的利用硅纳米粒子表面的“纳米阀”将药物分子封堵在硅纳米粒子的孔道内部14。其结构如图2所示。

　　根据控制纳米阀开关的方式，我们可以将纳米阀门分为酸敏感阀门，温敏感阀门，酶敏感阀门及光控阀门等多类。下文以举例的方式简要介绍几种敏感阀门。

　　纳米阀门研究现状

　　1.3.1.酸敏感阀门

　　Peng等研究人员巧妙地利用进行了羧基修饰的金纳米粒子作为纳米阀，通过静电相互作用力将其固定在有2, 4, 8, 10-四氧杂螺[5.5]十一烷-3, 9-二丙胺修饰的介孔硅材料的表面16。如图3所示，在酸性条件下，2, 4, 8, 10-四氧杂螺[5.5]十一烷-3, 9-二丙胺被水解，介孔纳米阀打开，孔硅内的药物分子被释放出来。

　　Faheem Muhammad等研究人员将氧化锌量子点(ZnO)作为纳米阀，并利用化学反应将其直接键合在介孔硅表面，制备了pH敏感的介孔硅纳米药物控释系统17。在肿瘤组织的微酸性环境下，氧化锌量子点可以溶解，并释放抗癌药物，而且氧化锌量子点被溶解后的锌离子(Zn2+)本身具有细胞毒性，因此，该纳米载药系统可以有效的提高癌症治疗效果。这类利用无机纳米粒子作为“纳米阀”的介孔硅药物控释系统能够有效实现“零提前释放”，并且对外界刺激快速响应，从而释放内部包裹的药物分子，达到所期望的治疗效果。

　　Kim等18将聚乙烯亚胺(PEI)键合在介孔硅纳米粒子的表面，并以PEI为轴承，将β-环糊精(β-CD)通过主客体相互作用组装在分子轴承PEI上，形成PEI/β-CD复合物纳米阀门(如图4)。由于β-CD与PEI之间的主客体作用力具有pH敏感性，在碱性环境下稳定;而在酸性条件下， PEI分子链上的氨基质子化使得PEI的亲水性增强，二者之间的主客体作用力消失，从而使β-CD脱离PEI分子轴承，介孔硅纳米粒子的孔道被打开，药物分子得到释放。

　　另外，Martínez-Mañez 等研究人员成功的将二胺环氧丙基硅烷衍生物((EtO)3Si-CH2CH2-CH2(NHCH2CH2)2NH2)修饰在介孔硅纳米粒子的表面，构建了离子响应型的介孔硅药物控释系统19。如图5所示，在酸性条件下，(EtO)3Si-CH2CH2-CH2(NHCH2CH2)2NH2结构中的氨基发生质子化，由于静电排斥作用，分子链张开，从而将介孔硅的孔道堵住;在碱性条件下，氨基去质子化，分子链间的静电排斥作用消失，分子链收拢使得纳米阀门打开，成功实现药物分子的释放。之后，Hong等科研人员将聚丙烯酸(PAA)大分子修饰在介孔硅材料的表面，利用类似的原理制备了pH敏感型的硅球纳米药物载体20。

　　1.3.2.温敏感阀门

　　Hong等研究人员将具有温敏性大分子聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)键合在硅球纳米粒子的表面，高温下，PNIPAAm分子链收缩成功达到封堵介孔硅纳米粒子孔道的目的，当温度降到PNIPAAm分子链的相转变温度(LCST)以下时，PNIPAAm分子链伸展，从而实现介孔硅孔道阀门的开启，释放药物分子21(图6)。

　　Lin Jun组的研究人员巧妙构建了温敏型复合纳米粒子用于载药和检测22。见图，他们在四氧化三铁纳米粒子表面利用CTAB的模板作用引入中空介孔硅层，浸入硝酸钆和硝酸铕溶液，500℃下高温煅烧，形成Gd2O3Eu3+晶粒。在纳米粒子内部光引发聚合，从而引入具有温度敏感的PNIPAAm凝胶，当环境温度在PNIPAAm的相转变温度(LCST)以下时，PNIPAAm分子链伸展达到封堵介孔硅孔道的目的;当环境温度降到PNIPAAm分子链收缩达到封堵介孔硅孔道的目的。合成的复合纳米粒子能够实现在一定温度下释药的同时，在可见光照射下发出红色荧光并且具有很好的MRI造影效果，实现了造影，示踪和释药的三重功能。

　　1.3.3.酶敏感阀门

　　Andreas Heise小组和Martínez-Mañez小组分别通过分子链的自组装作用形成介孔硅的纳米阀，构建了酶响应性的硅基药物控释系统。如图8所示，Andreas Heise等研究人员在介孔硅表面修饰一段尾端带，有Fmoc基团的三肽，利用Fmoc基团的π-π堆叠形成纳米阀，将介孔硅的孔道堵住23。嗜热菌蛋白酶可特异性切断多肽序列，从而将Fmoc脱除打开阀门。Martínez-Mañez小组则是将一段较长的多肽序列键合在介孔硅的表面，由于多肽链的自组装形成纳米阀。在蛋白酶的作用下，多肽序列被水解，从而使纳米阀打开。此外，Martínez-Mañez等又利用类似的原理将聚多糖修饰在介孔硅表面形成纳米阀，构建了酶响应型的介孔硅药物控释系统。

　　1.3.4.光控阀门

　　在众多的外部刺激条件下，光控作用可以被认为是一种清洁可控的刺激，并且光控刺激响应往往能够实现可逆操作，不产生副产物。常用的制备光敏感的微胶囊的方法是引入光敏感性有机染料，例如，偶氮类化合物和卟啉类化合物等。2004年，Tao等首先利用偶氮类染料刚果红(CR)成功制备了具有光敏感性的自组装微胶囊。在光照下，偶氮类染料刚果红(CR)能够逐渐从微胶囊囊壁中脱离，使得微胶囊的渗透性增加，从而使微胶囊内部包裹的药物分子得到释放24。

　　另外，偶氮苯分子具有(Azo)在紫外光照射或者高温的条件下可以从反式结构变成顺式结构，而在可见光照射或者低温条件下又能从顺式结构变回反式结构的特点，我们组25利用偶氮苯的这种性质成功制备了一种具有光敏感性的微胶囊药物载体。我们分别合成了有偶氮苯修饰的聚丙烯酸(PAA-C12-Azo)和α-环糊精(α-CD)修饰的葡聚糖(CMD-g-α-CD)，然后将α-CD与偶氮苯之间的主客体相互作用作为驱动力，通过层层自组装技术得到了具有光敏性的微胶囊药物载体。如图9所示，在紫外光照射的条件下，呈反式结构的偶氮苯分子链变成顺式结构，破坏掉了α-CD与偶氮苯之间的主客体相互作用，偶氮苯分子从α-CD中脱离，微胶囊囊壁发生降解，使膜间的模型药物分子α-CD-罗丹明B(α-CD-RhB)被成功地释放出来。另外，Li Cao等26合成了经过卟啉修饰的聚天冬氨酸(PASP-g-APP)并将其与一种带有正电的天然多糖-壳聚糖进行层层自组装，构建了具有光敏感性的微胶囊。如图10所示，在光照的条件下，卟啉被激发释放出具有强氧化能力的活性氧自由基(ROS)，将囊壁结构中存在的的聚电解质分子链打断，从而使微胶囊发生降解，这个过程伴同时随着内部包裹的模型药物的释放。

　　2009年，Kim等研究人员利用含有光敏感的硝基苄基酯基团的烷烃分子为连接纽带，将β-环糊精键合至介孔硅纳米粒子的表面，实现介孔硅孔道的关闭，构建了具有光敏感性的β-环糊精纳米阀门-介孔硅药物控释系统。在波长为515 nm的光照射下，硝基苄基酯基团发生光解反应，从烷烃分子中脱离出来，连接纽带断裂，致使β-环糊精脱落，从而打开了介孔硅的孔道阀门，释放药物分子。

　　Victor Lin小组利用硫代十二烷基-四乙二醇酯-二甲基苄基乙基硝基溴化铵(TUNA)修饰金纳米粒子从而使其带上正电荷，然后通过静电相互作用吸附在带有负电的介孔硅的表面，将介孔硅的孔堵住，构建了具有光敏感性的介孔硅药物控释系统27。在365nm光照的条件下，TUNA分子链断裂，二甲基苄基乙基硝基溴化胺基团从金纳米粒子表面脱落下来，导致金纳米粒子电荷反转。由于静电排斥作用，无机纳米阀门打开，从而释放包裹在内部的药物分子。

　　Zhao Yanli组在2012年利用具有光热响应的偶氮苯和α-CD分子设计合成了一种简单，高效，生物相容性好并且能够进行远程控制的硅球纳米粒子(图11)28。首先，他们将三唑-乙烯醇-偶氮苯利用化学反应键合到硅球纳米粒子表面，然后利用主客体相互作用将α-CD套到上述合成的分子链上，最后，在分子链的末端，利用点击反应键合上萘环作为塞子。其中，萘环上修饰两个磺酸基以增强分子链的亲水性和生物相容性。开始时，偶氮苯处于反式结构，α-CD处在偶氮苯处，硅球纳米粒子处于一种开孔状态;当用365nm的紫外光时，偶氮苯变为顺式结构，从而使α-CD移动到三唑/乙烯醇处，将硅球孔道堵住。一旦用可见光照射或者升温时，偶氮苯回复到反式结构，硅球再次处于开孔状态。于是，通过控制光照和温度，使得α-CD在分子链上来回运动，从而实现硅球孔道的张开和闭合，达到控制药物分子释放的目的，具有很高的应用价值。