介孔硅納米涂層制備及其載藥性能

郭莉，陳明，孫爭(zhēng)光，李草，陳學(xué)琴，江兵兵

(湖北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430062)

介孔硅納米涂層制備及其載藥性能

郭莉，陳明，孫爭(zhēng)光，李草，陳學(xué)琴，江兵兵

(湖北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430062)

層層自組裝(LBL)技術(shù)可以通過(guò)改變組裝的構(gòu)筑單元及組裝層數(shù)調(diào)控多層膜表面的物理、化學(xué)性質(zhì).使用層層自組裝技術(shù)對(duì)生物材料表面進(jìn)行改性，構(gòu)筑納米粒子復(fù)合涂層引入藥物，可改善材料表面的生物相容性和功能特性.采用十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)為模板，通過(guò)正硅酸四乙酯(TEOS)的溶膠-凝膠法(Sol-gel)制得介孔硅(MSN)；再將帶負(fù)電MSN與帶正電聚二烯丙基二甲基氯化銨(PDDA)交替組裝，得到了介孔硅納米涂層.研究了多層膜的層層自組裝形成，并考察了涂層的載藥性能；通過(guò)在介孔硅納米涂層上表面引入PDDA-衍生層(覆蓋層)，增強(qiáng)了涂層中的藥物的緩釋特性.這種具有緩釋功能的多層膜有望應(yīng)用于醫(yī)學(xué)臨床.

層層自組裝；介孔硅；載藥涂層；緩釋

0 引言

層層自組裝技術(shù)(LBL)在過(guò)去的25年內(nèi)被廣泛運(yùn)用于生物醫(yī)學(xué)涂層領(lǐng)域.這主要是由于制備LBL涂層的選材廣泛，LBL膜的性能可以通過(guò)改變組裝的構(gòu)筑單元精確調(diào)控[1-2].其中，以3D載體作為涂層基材制備復(fù)合型結(jié)構(gòu)涂層，因其組裝基元選擇豐富、對(duì)涂層性能的調(diào)控精確、規(guī)整，得到了廣泛研究和關(guān)注[3-6].而在眾多的3D載體中，介孔硅球納米粒子(MSN)具有有序的孔道結(jié)構(gòu)和超大的比表面積，通過(guò)MSN的納米孔道，能吸附大量的藥物，因而成為生物材料涂層技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[7-9].然而，如何利用MSN的介孔及與藥物之間的靜電/氫鍵等相互作用，將藥物分子引入載藥涂層，并利用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)包封藥物的緩釋和可控釋放，仍是3D載體涂層技術(shù)的難點(diǎn).

圖1 介孔硅納米涂層制備示意圖

本文中采用CTAB為模板，以TEOS為原料，利用TEOS水解反應(yīng)，通過(guò)Sol-gel法成功合成介孔結(jié)構(gòu)的MSN.再以MSN為組裝材料，與PDDA自組裝，制備MSN納米涂層.涂層的制備示意圖如圖1所示：首先將玻璃片用酸進(jìn)行處理，隨后將其交替浸入聚陽(yáng)離子PDDA溶液，聚陰離子PSS溶液中，得到PDDA/PSS薄膜；交替浸潤(rùn)到負(fù)電納米粒子MSN與PDDA中得到MSN/ PDDA薄膜；在此基礎(chǔ)上繼續(xù)組裝不同的聚電解質(zhì)得到覆蓋層PDDA-OH/AA /PDDA-g-SA/PSS,最終得到含有覆蓋層的MSN納米涂層.隨后，我們研究了MSN與PDDA的組裝行為及其載藥性能；并引入隔離層，使其達(dá)到藥物緩釋的效果.這種涂層技術(shù)，方法簡(jiǎn)單，易于調(diào)控，具有潛在的臨床醫(yī)用價(jià)值.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.3 PDDA-OH和PDDA-g-SA的制備 取PDDA的水溶液去離子水中，測(cè)得其pH為弱酸性.將PDDA水溶液通過(guò)717強(qiáng)堿陰離子交換樹(shù)脂反復(fù)交換，使聚合物得到充分交換，交換后測(cè)得pH值穩(wěn)定在強(qiáng)堿性之后將得到的PDDA-OH溶液.將SA溶于乙醇中，逐滴滴入等摩爾量的PDDA-OH水溶液中，50 ℃反應(yīng)8 h，之后在乙醇中透析，得到PDDA-g-SA，即PDDA-derivative (capping-layer).

1.4 MSN納米涂層的制備 將石英玻璃片浸入雙氧水/濃硫酸溶液中(體積比1∶3)中，70 ℃下加熱2 h， 然后用去離子水反復(fù)清洗，得到清潔后的玻璃片.MSN與PDDA采用經(jīng)典的交替浸泡法[10].首先將處理后的玻璃片浸入到PDDA水溶液中(5 mg/mL，pH=7.4 PBS)，隨后浸入到大量的去離子水中，氮?dú)獯蹈?；之后浸入到PSS水溶液中(5 mg/mL，pH=7.4 PBS)，大量去離子水清洗.重復(fù)上述操作，可得到(PDDA/PSS)3PDDA涂層，隨后浸入到MSN水溶液中(5 mg/mL，pH=7.4 PBS)，重復(fù)操作可得到(PDDA/PSS)3(PDDA/MSN)5.

1.5 覆蓋層(PDDA-OH/AA /PDDA-g-SA/PSS)2的制備 (PDDA-OH/AA /PDDA-g-SA/PSS)2納米涂層的制備方法采用靜電自組裝法，所有物質(zhì)均配置成5 mg/mL.首先將玻璃片浸入到PDDA-OH水溶液中(5 mg/mL)，清洗；之后浸入到AA(5 mg/mL)水溶液中10 min，并在AA水溶液中添加2%的光引發(fā)劑HMPF,經(jīng)紫外照射30 min后，取出玻璃片，經(jīng)大量水沖洗5 min；再浸入PDDA-g-SA水溶液中(5 mg/mL)，大量去離子水清洗，之后再浸入到PSS水溶液中(5 mg/mL).重復(fù)上述操作，可得(PDDA-OH/AA /PDDA-g-SA/PSS)2納米涂層.

1.6 含有覆蓋層的MSN納米涂層的制備 參考1.3，先制備含有(PDDA/PSS)3(PDDA/MSN)5涂層的玻璃片，依據(jù)1.4節(jié)所述，將樣片依次放入到PDDA-OH，AA溶液，紫外燈引發(fā)反應(yīng)后，再浸入PDDA-g-SA和PSS溶液，重復(fù)操作，最后獲得(PDDA/PSS)3(PDDA/MSN)5(PDDA-OH/AA /PDDA-g-SA/PSS)2納米涂層.

1.7 MSN的表征 采用動(dòng)態(tài)光散射(DLS)對(duì)MSN的分布進(jìn)行表征；采用透射電鏡對(duì)MSN的形貌進(jìn)行表征；采用BET對(duì)MSN的比表面積進(jìn)行表征.

1.8 MSN納米涂層的表征 采用掃描電鏡對(duì)MSN納米涂層的形貌進(jìn)行表征.

1.9 覆蓋層的表征 采用接觸角儀器對(duì)納米涂層進(jìn)行接觸角檢測(cè)：用微量進(jìn)樣器吸取微量蒸餾水，垂直懸空滴加在納米涂層表面.

1.10 MSN納米涂層的載藥性能 考察不同層數(shù)MSN納米涂層載藥量：將所制備納米涂層(PDDA/PSS)3(PDDA/MSN)n(n=1, 3, 5)，以及對(duì)照組(PDDA/PSS)8浸入到FITC-慶大霉素溶液20 min(2.5 mg/mL，pH=5.4)；隨后取出在去離子水中清洗5 min，空氣吹干.然后將玻璃片浸入到3%的稀硝酸溶液中，超聲并過(guò)夜，將藥物解離出來(lái).載藥量采用紫外分光光度計(jì)進(jìn)行檢測(cè).考察不同pH條件下MSN納米涂層的載藥性能：配置3種不同pH的FITC-慶大霉素溶液(2.5 mg/mL，pH=3.4; 2.5 mg/mL，pH=5.4; 2.5 mg/mL，pH=7.4).藥物負(fù)載、釋放及檢測(cè)同上.

1.11 含有覆蓋層的MSN納米涂層的緩釋性能 將載上慶大霉素的(PDDA/PSS)3(PDDA/MSN)5(PDDA-OH/AA/PDDA-g-SA/PSS)n納米涂層置于裝有2 mL pH=7.4的PBS溶液的離心管中，室溫下緩釋?zhuān)扛粢欢螘r(shí)間取出1 mL緩釋后的溶液，再補(bǔ)加1 mL新的PBS溶液.緩釋間隔為0、2、5、10、15、30、45、60、90、120 min.

2 結(jié)果與討論

2.1 MSN的分布及形貌 如表1所示，經(jīng)動(dòng)態(tài)光散射表征MSN的粒徑為150 nm左右，電位約為-40mV.通過(guò)透射電鏡圖片圖2可以看出，MSN呈現(xiàn)球形結(jié)構(gòu)，其平均尺寸約為140 nm，與動(dòng)態(tài)光散射的檢測(cè)結(jié)果接近.從高清倍率圖片中，觀察MSN為多孔結(jié)構(gòu).通過(guò)BET(圖3)對(duì)MSN進(jìn)行表征，MSN的孔徑約為2.6 nm，其中MSN的比表面積經(jīng)檢測(cè)約為980 m2/g.

表1 MSN粒徑，電位，比表面積和孔徑的表征

圖2 MSN的透射電鏡圖

圖4 (PDDA/PSS)3(PDDA/MSN)n納米涂層的掃描電鏡圖(n=0,1,5)

2.2 MSN納米涂層的制備 由于所得到的MSN帶負(fù)電，可以與聚陽(yáng)離子PDDA進(jìn)行層層自組裝.將已制備的MSN用pH=7.4的PBS分散進(jìn)行調(diào)節(jié)，與PDDA交替沉積，得到MSN納米涂層.圖4為不同同層數(shù)MSN納米涂層的掃描電鏡圖，圖中MSN約為140 nm左右，組裝一層MSN時(shí)就覆蓋了平面的50%，部分MSN有團(tuán)聚現(xiàn)象(圖4中)；而隨著組裝的進(jìn)行，5個(gè)雙層后玻璃片上的MSN幾乎已滿屏覆蓋，并成梯度的堆疊在一起(圖4右一)；而對(duì)照組(圖4左一)顯示均較為光滑，說(shuō)明大量的MSN在組裝過(guò)程中與PSS自組裝.

2.3 覆蓋層(PDDA-OH/AA /PDDA-g-SA/PSS)2的制備 覆蓋層的制備采用靜電自組裝法，對(duì)所得到的納米涂層進(jìn)行相關(guān)測(cè)試表征.表2和圖5為納米涂層接觸角測(cè)試結(jié)果.由表可知組裝一層PDDA-OH，接觸角儀器顯示薄膜的接觸角為33°，利用AA表面的羧基與PDDA的羥基之間的反應(yīng)可得到一層AA.我們使用紫外光對(duì)表層的AA進(jìn)行光照，可以使AA的雙鍵打進(jìn)而交聯(lián).此時(shí)的納米涂層變得更加致密，交聯(lián)后的接觸角經(jīng)檢測(cè)為25°，利用交聯(lián)后的表面與PDDA-g-SA在水中繼續(xù)組裝，可以得到PDDA-g-SA，其接觸角為68°，其接觸角相對(duì)之前有了很大的提高，接觸角測(cè)試組裝第二層，其接觸角變化趨勢(shì)與第一層相似，在組裝二層PDDA-g-SA，其接觸角仍為65°，證明納米涂層在層層組裝.

表2 (PDDA-OH/AA /PDDA-g-SA/PSS)n的接觸角表征(n=1, n=2)

圖5 覆蓋層接觸角的表征

圖6 (PDDA/PSS)3(PDDA/MSN)n納米涂層的載藥(n=1,3,5)

2.4 MSN納米涂層的載藥性能 如圖6所示，改變MSN組裝層數(shù)可以改變MSN納米涂層的載藥性能，在pH=3.4條件下，1層，3層，5層MSN的載藥量分別為0.2，1.0，1.25 μg/cm2，實(shí)驗(yàn)表明隨著層數(shù)增加載藥量提高.載藥量與組裝層數(shù)不是完全線性關(guān)系，這可能是因?yàn)榻M裝微球量并不一定與組裝層數(shù)成正比，有時(shí)會(huì)成其他函數(shù)關(guān)系的緣故[3,4].在不同pH下進(jìn)行載藥，溶液酸性對(duì)MSN納米涂層載藥量的有較大影響，由圖7可知，隨著pH的降低，載藥量呈明顯增高趨勢(shì).MSN納米涂層在pH為3.4、5.4、7.4下的載藥量分別為1.25、0.78、0.58 μg/cm2，MSN納米涂層在pH=3.4時(shí)的載藥量是pH=7.4條件下的2倍.這可能是因?yàn)榈蚿H下，MSN納米涂層中聚電解質(zhì)PDDA溶脹，原本被大分子封閉的硅球孔道被打開(kāi)，藥物被吸入MSN中，載藥量提高.

圖7 (PDDA/PSS)3(PDDA/MSN)5納米涂層在不同pH下的載藥

圖8 不同覆蓋層下(PDDA/PSS)3 (PDDA/MSN)5 (PDDA-OH/AA /PDDA-g-SA/PSS)n的藥物釋放(n=0,1,3)

2.5 含有覆蓋層的MSN納米涂層的緩釋性能 如圖8所示，添加覆蓋層后的MSN納米涂層，藥物緩釋時(shí)間更長(zhǎng)，釋放量也有少量提升.組裝1層覆蓋層后，8 min后累計(jì)釋放藥物總藥量的50%.組裝3層覆蓋層，可以發(fā)現(xiàn)釋放總時(shí)間可以長(zhǎng)達(dá)半小時(shí).在釋放過(guò)程中，未加覆蓋層薄膜的存在短期爆釋?zhuān)砑痈采w層的藥物釋放趨于平緩.這說(shuō)明覆蓋層在藥物釋放過(guò)程起到了一定的緩釋作用.這是由于，該多層膜一方面由PDDA-g-SA的疏水作用減緩藥物釋放，另一方面覆蓋層中的AA層經(jīng)交聯(lián)變得更加致密可以對(duì)硅球的孔道進(jìn)行封堵，藥物的釋放得到了緩釋.

3 結(jié)論

本工作成功制備了介孔結(jié)構(gòu)的MSN和含有MSN的載藥涂層.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，MSN為多孔的球形結(jié)構(gòu)；MSN與聚電解質(zhì)PDDA進(jìn)行納米涂層組裝，隨著MSN層數(shù)增加涂層不斷增厚.利用MSN的介孔性能，能吸附慶大霉素-FITC到MSN涂層中；覆蓋層的引入，MSN納米涂層的藥物釋放具有緩釋效果.此類(lèi)多層膜在藥物涂層領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值.

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(責(zé)任編輯 胡小洋)

Fabrication and drug loading capacity of mesoporous-silica-particle -based multilayered coatings

GUO Li, CHEN Ming, SUN Zhengguang, LI Cao, CHEN Xueqin, JIANG Bingbing

(Faculty of Materials Science & Engineering，Hubei University, Wuhan 430062，China)

Layer-by-layer assembly (LBL) technology can control and endow the surface of multilayer films special physical and chemical properties by changing the building compounds and the numbers of layer. Using LBL technology, nanoparticles-embedded multilayer films with incorporated drugs can be deposited onto the surface of biomaterials, which enhances material biocompatibility and functionality.Mesoporous silica particles (MSN) were synthesized through sol-gel method of tetraethyl orthosilicate(TEOS) with hexadecyl trimethyl ammonium bromide(CTAB) as templet. MSN-embedded multilayer films were then built via alternative assembly of negatively-charged MSN and positively-charged poly(dimethyl-diallylammonium chloride) (PDDA). The LBL assembly formation of the MSN and PDDA were investigated and the drug loading capacities of the films were also determined. By introducing PDDA-derivative layers (cover layers) on the uppermost surface of MSN-embedded multilayer film, the drug sustained property was significantly improved. The developed multilayer films with sustained release property have great potential in clinic medical treatment.

layer-by-layer; mesoporous silica particles; drug-loaded coating; sustained release

2016-06-19

國(guó)家自然科學(xué)基金(51523060)和湖北省自然科學(xué)基金(2015CFB522)資助

郭莉(1993-)，女，碩士生；陳學(xué)琴，通信作者，博士，講師，從事生物醫(yī)用高分子材料及能源材料研究，E-mail：chenxueqin@hubu.edu.cn

1000-2375(2017)02-0147-05

O631.1+1;TQ630.1

A

10.3969/j.issn.1000-2375.2017.02.008