树枝状介孔二氧化硅药物递送系统的制备综合实验设计

赵旭波 张攀科

[摘           要]  通过水解法准备了一种树枝状介孔二氧化硅药物递送系统，并通过透射电子显微镜对其形貌进行了表征。

[关    键   词]  树枝状介孔二氧化硅;药物递送系统;综合实验

[中图分类号]  TQ460                  [文献标志码]  A                  [文章编号]  2096-0603（2021）40-0122-02

从20世纪70年代以来，药物递送系统让多种疗法从不可能变成了可能，一次次让老药再次焕发青春。药物递送系统是一种通过化学作用或物理作用将药物固定在具有一定特殊形貌的化学载体上，在某种状态下能释放所负载药物的系统。2007年，药物递送系统的全球市场份额已经达到了660亿美元，在药物化学领域内得到了广泛的应用。药物递送系统一般分为无机药物递送系统和有机药物递送系统[1-3]。因为树枝状介孔二氧化硅无机纳米材料具有良好的生物相容性，大的比表面积及大的孔径分布，通常其可作为一种优良的药物载体。树枝状介孔二氧化硅无机纳米材料的合成，取决于硅酸脂类单体、表面活性剂、结构导向剂及水解催化剂的选择，涉及无机合成化学、分离过程化学及物理化学等学科知识。笔者结合在药物递送系统制备及应用领域所取得的经验，经反复筛选优化，设计了一种容易制备、操作简单，并且尺寸及孔径分布合理的树枝状介孔二氧化硅无机药物递送系统。该药物递送系统的实验设计体现了药物递送系统设计的制备→分离→结构表征的特点，不仅可以使学生掌握一般无机药物递送系统制备技能和结构表征方法，还能提高学生面向需求解决实际问题的能力。

一、实验部分

（一）实验目的

1.了解制备过程中的硅酸脂类单体的选择。

2.了解表面活性剂和结构导向剂的作用。

3.掌握离心分离固液体系、真空干燥及透射电子显微镜样品制备的基本操作。

4.掌握透射电子显微镜表征纳米材料形貌和尺寸的方法。

（二）实验原理

以正硅酸乙酯和1，2-二（三乙氧基硅烷）-乙烷作为硅源，以水杨酸钠作为结构导向剂，以十六烷基三甲基溴化铵作为介孔模板，以三乙醇胺作为水解催化剂来制备树枝状介孔二氧化硅无机纳米药物递送系统。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应化学方程式为：（C2H5O）4Si+（C2H5O）6Si2→SiO2+H2O。正硅酸乙酯和1，2-二（三乙氧基硅烷）-乙烷能在碱性条件下水解得到二氧化硅，在水解的过程中十六烷基三甲基溴化铵作为介孔模板起到调节孔径的作用。再经盐酸的甲醇溶液处理可得到孔径均一的树枝状介孔二氧化硅纳米球。

（三）仪器与试剂

1.仪器。天平，量筒，移液枪，机械搅拌器，500 mL三口圆底烧瓶，200 mL烧杯，油浴锅，离心机，离心管，超声波清洗机，真空干燥机，漏斗和JEM-1400Flash透射电子显微镜。

2.试剂。正硅酸乙酯和1，2-二（三乙氧基硅烷）-乙烷购自上海阿拉丁试剂公司，水杨酸钠购自北京华丰联博科技有限公司，十六烷基三甲基溴化铵，盐酸和甲醇购于国药集团化学试剂有限公司。此外，本实验中所使用的水均为超纯水。

（四）实验步骤

1.乳液的形成。将0.068 g的三乙醇胺、0.380 g的十六烷基三甲基溴化铵和0.168 g的水杨酸钠分散于盛装有25 mL超纯水的三口圆底烧瓶中，将该三口圆底烧瓶安装于机械搅拌器当中，油浴加热至80 ℃，在该条件下搅拌乳化1小时。在该步中应注意不能使用磁力搅拌，笔者多次实验发现经磁力搅拌因乳化不完全得不到预想的产品。

2.树枝狀介孔二氧化硅药物递送系统的合成。分别将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圆底烧瓶中，在80℃下剧烈搅拌反应2小时，在反应过程中，体系逐渐变成乳白色。反应结束后，离心分离，超纯水洗涤，干燥保存。在该步中应注意硅酸乙酯和1，2-二（三乙氧基硅烷）-乙烷应采用滴液漏斗滴加的方式加入反应体系中，温度应严格控制在80℃。

3.将2 g白色产品分散于9 mL的盐酸和100 mL的甲醇溶液中，在60 ℃下搅拌反应2小时去除模板剂，反应结束后，离心分离，超纯水洗涤，干燥保存备用。在该步中应注意必须彻底水洗至中性，若有甲醇残留，会严重影响下一步的透射电子显微镜制样，甲醇会溶解铜网上的有机膜，导致透射电镜测试失败。

4.透射电子显微镜样品的制备。取0.001 g二氧化硅产品分散于2 mL的乙醇中，超声5分钟辅助分散。将分散好的二氧化硅水分散液滴加于覆有碳膜的铜网上，真空干燥1小时后，方可送样进行透射电子显微镜表征。在该步制样过程中应注意不能损坏铜网，严格按照JEM-1400Flash透射电子显微镜制样要求规范操作制样。

二、结果讨论

肿瘤组织与正常组织相比，瘤细胞排列更紊乱，细胞间隙明显。这一肿瘤组织特点为纳米级药物递送系统的输运提供了通道。据文献报道，粒径在200纳米以下的药物递送系统通过增强的渗透滞留效应进入肿瘤组织，实现递送药物的目的。二氧化硅基抗肿瘤药物递送系统源于其良好的生物相容性，大的比表面积及合适的孔径分布近年来受到了学术及药业领域的广泛关注。树枝状二氧化硅纳米球不仅具有丰富的孔道结构，而且拥有大的比表面积。这些特点不仅为活性药物的负载提供了可能的锚定位置，还增加了锚定数量。本综合实验利用正硅酸乙酯和1，2-二（三乙氧基硅烷）-乙烷在三乙醇胺作用下的水解，以水杨酸钠作为结构导向剂和十六烷基三甲基溴化铵作为介孔模板，制得粒径在200纳米以内和孔道结构丰富的树枝状介孔二氧化硅纳米球。

反应后所得产品经干燥后为白色固体粉末，产率在80%以上。经JEM-1400Flash透射电子显微镜表征后发现，其形貌成树枝状球形形貌，粒径在150纳米左右。该粒径有利于该树枝状二氧化硅无机纳米药物递送系统通过肿瘤滞留渗透效应富集于肿瘤组织，实现药物递送的目的。此外，该树枝状二氧化硅纳米球具有丰富的介孔结构，其孔径范围在10～20纳米之间。该孔径不仅为活性药物的负载提供了可能的锚定位置，还增加了锚定数量。另外，在透射电子显微镜图片中发现该树枝状介孔二氧化硅纳米球粒径均一，无明显团聚。以上这些优点证实该树枝状介孔二氧化硅纳米球粒可以作为性能优异的抗肿瘤药物递送系统。

在制备过程中，硅酸乙酯与1，2-二（三乙氧基硅烷）-乙烷的比例控制是一个关键点。两者比例过高会得到大尺寸的树枝状介孔二氧化硅无机纳米材料，其粒径将会超过500纳米;若两者比例过低，会得到团聚体。两者优化体积比为2比3。十六烷基三甲基溴化铵和三乙醇胺的用量控制是又一个关键点。十六烷基三甲基溴化铵用量过少无法得到介孔，三乙醇胺用量过少无法形成树枝状结构，故而十六烷基三甲基溴化铵和三乙醇胺的用量必须严格控制，优化用量，十六烷基三甲基溴化铵为0.380 mg，水杨酸钠为0.168 g。

在本实验中，笔者选择十六烷基三甲基溴化铵作为介孔模板来制备该树枝状的介孔二氧化硅纳米球。实际上可以为学生提供多种的表面活性剂，如阴离子聚丙烯酰胺、十二烷基苯磺酸钠、脂肪醇硫酸酯盐、脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯醚何嵌段共聚物。表面活性劑的选择为介孔二氧化硅纳米球介孔的控制提供了更多的可能，有助于激发学生的科研兴趣，最终提高学生的创新能力。

本综合实验设计介绍的树枝状介孔二氧化硅药物递送系统的制备及形貌结构表征源于前沿科学研究，通过该综合实验强化了学生对离心分离、机械搅拌及真空干燥等化学实验基本操作的训练，确保学生掌握无机材料的合成原理，且突出了前沿交叉性。该实验所用试剂和仪器简单易得、内容新颖，实验结果重现性好。该实验能加深学生对催化剂的用量、硅源单体选择、硅酸酯类水解等相关知识的理解，还能强化学生的实验技能，提高学生的科研兴趣，最终提高学生的创新能力。此外，该实验产率高，能增强学生的获得感和成就感，有利于吸引学生进一步思考与该实验相关的基础问题。该综合性实验不仅适应于化学相关专业实验教学，还适应于药学、药剂、材料和基础医学等专业的实验教学。

参考文献：

[1]季帆，曾恺，张坤，等.Fe3O4磁性纳米粒子的PEG修饰剂的合成与性能[J].高分子学报，2016（12）：1704-1709.

[2]张滢，刘梁，王庭宏，等.pH敏感纳米凝胶的制备及其在siRNA转染中的应用[J].高分子学报，2017（7）：1150-1157.

[3]邱文秀，程翰，张先正，等.刺激响应型多肽的研究及其在肿瘤诊疗中的应用[J].高分子学报，2018（1）：32-44.

编辑 栗国花