以纳米晶硅为基础的pH调控药物输送的荧光多功能载体

1、 以纳米晶硅为基础的pH调控药物输送的荧光多功能载体摘要 一个核-壳结构的多功能载体，以纳米晶硅（ncSi）为核心，而水溶性嵌段共聚物为壳，基于聚（甲基丙烯酸）（PMAA）为内壳和聚乙二醇（MPEG）为外壳（ncSi-MPM）合成了药物输送。所得ncSi-MPM的形态，组成，和性质可通过全面的多种特征分析，包括1H核磁共振光谱，红外光谱，光电子能谱，透射电子显微镜，动态光散射和荧光光谱分析来确定。在模拟生理环境下，所得ncSi-MPM纳米载体的尺寸介于40110nm。阿霉素（DOX）药物模型的负载效率约为6.1-7.4（质量）（对于ncSi-MPM来说）和药物的释放由pH值控制。细胞毒性研究表

2、明,负载阿霉素的ncSi-MPM对海拉细胞表现出较高的抗癌活性。ncSi-MPM的溶血百分比（<2）在安全值的范围内。荧光成像研究表明，纳米载体可以作为一个在细胞水平上跟踪。整合上述的功能部件，可能会导致ncSi-MPM成为一种很有前途的药物输送多功能载体以及生物医学应用。关键字：纳米晶硅；细胞毒性；控释；药物输送简介：自1990发光纳米晶硅(ncSi)年被Canham1发现以来,已报道许多提供完美的控制纳米晶体的大小和光致发光波长的合成方法,这些方法包括气相激光热解2、表面活性剂/溶剂辅助合成3、微波辅助合成4和多孔硅蚀刻5。近年来，ncSi由于其毒性低6,7，已被证明是特别有吸引力的

3、，这使得它成为日渐壮大的一类“绿色”的纳米材料8-10。对于体内使用,作为其他发光材料的替代品ncSi可能是一个有吸引力的化学替代生物荧光成像,如有毒的量子点包含Cd离子11。此外，ncSi具有是可调相关大小光学性质12，近红外荧光13，高发光效率14和预期的生物相容性的优点，这激发了属性的设计和ncSi功能应用于发光的标识10，生物医学成像13,14和药物输送9,15,15等领域。独立式的ncSi通过高温处理水合硅酸玻璃和随后氢氟酸（HF）刻蚀具有H-终止表面10复合ncSi/SiO2合成的。该H-终止的ncSi很容易被氧化，并且失去其电子和光学性质17。此外，裸ncSi在普通溶剂中是疏水的

4、，而不是分散的，这对其进一步应用研究14是不利的。ncSi表面的功能已成为保持这些特性的关键步骤。对ncSi表面的功能化已经进行了许多研究，如使用微波辅助方17、紫外线照射18-20和热的反应21-23。然而,要注意ncSi表面上的有机集团可以增加毒性。Ruizendaal 等人的研究表明,氨基化的ncSi表现出细胞毒性而类似物没有酸封端的羧基24。已经有一些研究小组报道了羧酸的功能化。水溶性聚（丙烯酸）终止的ncSi首先在2004年由E. Ruckenstein等人被用作体外生物成像荧光生物染色标签14。迈克尔·j·水手等人也展示了一种新型的可生物降解葡聚糖多孔硅纳米涂层

5、在体内细胞成像9。最近，该研究组在介孔硅上改性10 - 十一碳烯酸，获得一种新的药物载体15。在这项工作中，我们利用核-壳结构合成多功能纳米载体（ncSi-MPM），并ncSi担当为核和水溶性嵌段共聚物为壳，其组成为聚（甲基丙烯酸）（PMMA）在壳内，而用于药物输送的聚乙烯乙二醇（MPEG）在壳外。综合特征表明,ncSi-MPM被成功地合成。阿霉素(DOX),一个典型的抗癌药物,被选为模型药物,以评估ncSi-MPM在不同pH值载药量和释药特性。体外细胞的细胞毒性和溶血检测ncSi-MPM的生物相容性进行评估，并用Hela细胞对ncSi-MPM负载DOX的细胞毒性影响也进行了研究。实验部分试剂

6、和材料 三氯硅烷(HSiCl3的，99）和二甲基氨基吡啶（(DMAP，99）（Sigma Aldrich）。聚乙二醇单甲醚（MPEG，M，N1900）阿尔法Aesar和在甲苯中的水通过共沸蒸馏脱水，用冷乙醚沉淀，过滤，用乙醚洗涤，并真空干燥。1 - 乙基-3 - （3 - 二甲基氨基丙基）碳化二亚胺盐酸盐（EDC·HCl的），购自上海吉尔生化试剂有限公司（中国）。癸烷（C10H22，98），氢氟酸（HF，40），丙酮（C3H6O，99.5）和乙醇（C2H5OH，99.7），天津光复化学试剂有限公司提供（中国）。甲基丙烯酸（MAA）和N，N-二甲基甲酰胺（DMF）中（天津化学试剂有限公

7、司中国）均为分析纯，超过CaH2搅拌过夜，并在减压下蒸去溶剂后使用。阿霉素盐酸盐(DOX)从北京华丰联合技术(中国)有限公司购得。所有这些试剂均为分析纯。从Millipore（贝德福德，MA，USA）去离子（D.I.）水制备。独立式ncSi氢化物终止的合成 纳米晶硅是由热诱导歧化反应25制备，ncSi /二氧化硅复合材料由前期工作10所描述的方法获得。将得到的褐色ncSi/SiO2复合材料在玛瑙研钵中用杵进行机械研磨，获得精细的粉末。一个具有代表性的刻蚀过程涉及转移400毫克ncSi/SiO2的粉末到一个中加入6mL DI水，12毫升乙醇，和20毫升40的HF（水溶液）混合物的特氟隆的烧杯中。

8、将该混合物搅拌2小时以刻蚀SiO2基质，并逐渐减小ncSi的大小。疏水性的，氢化物终止独立的ncSi从水溶液到30毫升的癸烷中萃取分离。ncSi与甲基丙烯酸氢加成反应 在癸烷中含有氢化物终止的ncSi被转移到一个烧瓶中，并加入4.5mL的甲基丙烯酸。混合物保持在氮气下，并通过重复冷冻 - 解冻-排气循环三次进行脱气。然后将反应溶液加热至170缓慢搅拌下过夜。然后将混合物冷却并离心分离出上层清液和白色沉淀。倾出上清液，将沉淀物分散到去离子水中，并在去离子水中进行48小时透析（截留分子量为12KDa）。将沉淀物在30的真空下干燥，及表示ncSi-MAA1。通过以下相同的过程方式获得ncSi-MAA

9、2，但使用6.8mL甲基丙烯酸代替。生成的聚（甲基丙烯酸）终止ncSi是白色固体，在水中具有良好的分散性。ncSi-PMAA与聚乙二醇单甲醚的酯化反应聚乙二醇单甲醚（MPEG，2.0 g）悬浮在10毫升无水DMF中，并加入EDC.HCl（100mg）和DMAP（20mg），并在室温下搅拌5小时。接着,将50mgncSi-MAA1或5.0mL含有ncSi-MAA2无水DMF逐滴加入到反应混合物中。将该溶液在0和室温下搅拌各2小时和48小时。最后，产品在去离子水中透析48小时（截留分子量为12KDa），并在真空中干燥。所得的产品分别记为ncSi-MPM1和ncSi-MPM2。制备ncSi-MPM这

10、条路线如图1所示。表征 傅里叶变换红外光谱（FTIR）在Nicolet NEXUS 670 FTIR光谱仪（拉姆齐，MA，USA）上KBr压片获得。样品的质子核磁共振光谱在25°C时使用四甲基硅烷为内标液和二甲基亚砜（d6）为溶剂，被记录在布鲁克AVANCE600兆赫光谱仪（Rheinstetten，德国）上。X射线光电子能谱（XPS）使用单色的Al Ka X射线进行的一个K-表面分析（赛默飞世尔科技公司 ，美国）。样品的形态的由一个TECNAI-G2-F30透射型电子显微镜（TEM）（FEI，USA）记录，而用于TEM的测量样本由一滴乙醇溶液碳包覆的铜网浇铸而成的。ncSi和所产生

11、产品的尺寸分布，是通过使用BI-200SM（布鲁克海文，美国）在90的角检测的仪器来进行动态光散射（DLS）测定。吸收光谱使用浦西UV-1810可见分光光度计（北京，中国）测出。RF-5301PC荧光光谱仪（日本岛津公司）上记录的荧光光谱的激发波长和发射波长在365和548-550纳米。荧光图像是用荧光显微镜（奥林巴斯，日本）采集到的。细胞图像由激光扫描共聚焦显微镜获得（LCSM，ZEISS，LSM 510元，德国）。药物在体外加载和释放通常情况下，DOX加载到ncSi-MPM纳米载体如下：，在0.9NaCl水溶液（300g/mL的）中，15mg的ncSi-MPM与5mL的DOX溶液混合。使该

12、混合物放置在黑暗室温条件下24小时，直至在溶液中DOX的浓度稳定。然后将悬浮液在10万r/min和25下离心10分钟。为了去除游离的DOX，我们进一步用0.9NaCl水溶液冲洗DOX加载的ncSi-MPM三次。然后将得到的DOX加载ncSi-MPM完全溶解在2mL的KOH（1.0M）10分钟，接着加入2mL用于中和的HCl（1.0M）15。该悬浮液在10万r / min离心10分钟，收集上层澄清溶液。DOX的浓度由紫外 - 可见吸收光谱在233 nm处测定。所有的实验进行测定三次。DOX的加载量（LC）和包封率（EE）是通过下面的等式计算的：在体外，通过透析法对DOX的释放曲线进行评价。首先，

13、一个透析袋（截留分子量3500 Da）被5mLDOX加载ncSi-MPM缓冲溶液（3.0毫克/mL）填充，并浸泡在50mL的0.05M不同pH值的缓冲溶液中，并放在37±1水浴中轻轻摇动在一个预定的时间进行取样并测量释放到透析袋外的DOX。为了计算的DOX释放的量随时间的变化，用525g / mL的DOX溶液在不同的缓冲溶液构建了两个校准曲线。得到的释放量由式所描述20。以上释放实验进行了三次测试。mt-act是在时间t,DOX释放的实际量，Ct是时间t下药物浓度在紫外光谱仪上测得的释放流体，是在预定的时间间隔采样的体积，V是释放流体的总体积。细胞培养 所提供的子宫颈癌细胞株（Hel

14、a细胞）来自上海本草研究所生物保藏中心，并保持在含有10胎牛血清（FBS），100 U/ ml青霉素，100g/ mL链霉素的RPMI 1640培养基中，温度在37下并含有5CO2的潮湿气氛中。 体外细胞毒性研究采用MTT分析法对细胞毒性的自由和DOX加载的ncSi-MPM纳米载体的进行了评估。将细胞（1×104细胞/孔）接种到96孔板中，并分别培养24 h。然后，自由的ncSi-MPM，DOX加载的NCSI-MPM和不同浓度游离的DOX增加。在37下培养48小时后，除去培养基，并加入20L的MTT试剂（稀释于培养基中，0.5毫克/毫升）。培养育4小时后，MTT /介质小心地除去和D

15、MSO（150L）加入到各孔中用于溶解甲腊晶体。着色溶液的吸光度，在570 nm处用酶标仪（Bio-Rad公司，IMARK）测定。所有的实验都进行三次。体外溶血试验ncSi-MPM纳米载体的体外溶血测定对血液相容性进行评价。新鲜的人体血液中含乙二胺四乙酸（EDTA）稳定剂，由甘肃省血液中心（中国）免费提供。首先，2mL的血液试样中加入4mL的无菌等渗的PBS，然后在3000转/分钟离心10分钟将血清从人类红血的细胞（HRBCs）除去，进一步在4mL无菌等渗的PBS溶液中洗涤HRBCs五次，这个步骤重复5次以上，以确保除去任何释放出来血红蛋白27。在最后一次洗涤后，将纯化的血液稀释至20mL无菌

16、等渗PBS。在此，HRBCs保温去离子水和PBS中分别作为阳性和阴性对照。然后与0.2mL稀释HRBCs悬浮液混合的有：（一）0.8mL去离子水作为阳性对照;（二）0.8mLPBS作为阴性对照;（三）0.8mL浓度为6.25，31.25，156.25，312.5，和625g / mL的ncSi-MPM。所有的样品管，保持在静态室温条件下3小时。最后，将混合物在3000 r / min下离心10分钟，上清液在576 nm处吸光率的值通过使用紫外 - 可见吸收光谱测定。根据下面的公式计算出HRBCs溶血的百分比细胞吸收研究ncSi-MPM纳米载体的细胞吸收，用激光扫描共聚焦显微镜（LSCM，ZEI

17、SS，LSM 510Meta，德国）对活的Hela细胞成像。在一个典型的过程，Hela细胞（1×104细胞/孔）接种于6孔板中并在37培养过夜。之后，游离的DOX，DOX加载载ncSi-MPM1，DOX加载ncSi-MPM2（5克DOX/毫升），空白ncSi-MPM1和空白ncSi-MPM2分别添加上述培养的Hela细胞。进一步保温2小时后，细胞用PBS清洗3次，以除去死细胞和吸附于细胞膜外表面上的ncSi-MPM纳米载体，ncSi-MPM纳米载体在激发波长为488 nm的吸收是可视的。一个用于进一步了解ncSi-MPM纳米载体的细胞吸收定量测定如下：2×106 Hela细

18、胞接种在10厘米的培养皿中，并如上所述进行培养。将细胞用胰蛋白酶消化，然后离心分离，洗涤三次。被干燥过夜后，用1毫升70的硝酸通过在90下加热3小时消化细胞，并加入0.1毫升高氯酸另外再加热一个半小时。消化的样品稀释至5毫升的纯净水，NCSI-MPM纳米载体在Hela细胞中的的质量是通过与电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）（瓦里安-MPX VTSTA，USA）检测硅的浓度。结果与讨论ncSi-MPM纳米载体的合成与结构表征 ncSi-MPM纳米载体的的反应图解如图1中所示。首先，氢终止ncSi通过高温处理水合硅酸玻璃和随后的HF刻蚀ncSi/SiO2复合材料10，29而得到的。氢终止

19、ncSi（图2A-a）中的FTIR光谱表明，在约660，900，和2100 cm-1处的特征峰对应于Si-H的振动。此外，在2800左右和2900 cm-1处观察两个强峰与从癸烷溶剂衍生的基团中亚甲基的伸缩振动对应。此外，高分辨率的透射电子显微镜（HRTEM）图像（图5A）显示晶格边缘特征，指出ncSi的直径为2-5纳米，而进一步的DLS分析（图6A）表明ncSi的平均直径为约2.67纳米。该H-终止ncSi是疏水性的，不溶于生物医学应用中所使用的普通溶剂。为了分散，ncSi的表面进一步涂覆通过热引发的氢化硅烷化的甲基丙烯酸（MAA）。在ncSi-MAA1和ncSi-MAA2（图2A，B，C）

20、红外光谱的基础上，出现两个新的特征峰在1266和1456 cm-1处出现两个新的特征峰，这表明出现了一个新的Si-C键。此外，红外光谱表明，在约2100 cm-1处出现非常弱的Si-H振动，并且有明显的证据显示在约1700 cm-1处羧基的C = O伸缩振动出现，表明ncSi和MAA之间成功反应。虽然ncSi-MAA的亲水性改善了， ncSi-MAA的表面上的-COOH在生理条件下可能是游离的，这可能会破坏血液中的蛋白质的状态从而导致沉积。为了改进生物相容性，末端羟基的聚乙二醇单甲醚（MPEG）是通过酯键激活下的DMAP和EDC.HCl与ncSi-MAA的表面上暴露的羧基共轭。在ncSi-MP

21、M1和ncSi-MPM2纳米载体的FTIR光谱的基础上（图2A-D，E），约1723cm-1和1759 cm-1处的两个吸收峰对应的酯基，表明MPEG成功的共轭到ncSi-MAA表面上。此外，在DMSO（D6）（图2B）所合成的ncSi-MPM2的1H NMR谱表明共振由于所述Si-C键在0.8 - 1.1 ppm的（a），以及MPEG单元在3.32-3.50（二重峰）30的共振，后者是由于酯的MPEG-PMAA（3.96 ppm的（c）和4.33（四重峰）的亚甲基的质子共振。此外，0.83-1.23 ppm的（e）的和1.53-1.82 ppm的（f）共振被分配到的甲基质子和聚甲基丙烯酸31

22、的亚甲基基团中。这些结果表明，成功地合成了ncSi-MPM纳米载体。 ncSi-MPM纳米载体的组成由XPS光谱仪进一步了解获得。通过监控,所述Si，C和O的配位环境（如图3），ncSi-MPM的组成证据由光谱提供。观察多个硅的2P 光电效应（光电发射)对应的硅原子结合到C（硅-C，102.5 EV）和Si原子的结合O（103.3或103.7eV）的（图3a，d）。在约289.0eV或289.1eV独特的高结合能（BE）（图3b）（图3e）是MAA羧酸基的特征，表明PMAA成功接枝到ncSi表面。此外，ncSi-MPM C 1s区域的XPS谱图在286.5eV（图3b和e）具有宽的发射中心，这

23、是由于MPEG的醚键产生的。此外，多个O 1s的光电效应（光电发射)也得到了相应的一个-OH（532.7 eV）键合和一个C-O-C = O键（图3c和f）（533.8或533.9eV）的，这也证实了MPEG的存在。因此，FTIR，1H NMR和XPS光谱技术都表示PMAA-MPEG聚合物成功的嫁接到ncSi表面上。ncSi-MPM纳米载体的性质室温下ncSi和ncSi-MPM的紫外 - 可见吸收光谱和荧光（PL）光谱如图4所示。在图4A中，NCSI（图4A-a），NCSI MPM1（图4A-b）和NCSI-MPM2（图4A-c）的吸收光谱在280 - 500nm有一个宽的吸收的区域，主要是源

24、于的NCSI核心。此外，PL的NCSI在整个合成路线中被保留下来。插图照片（图4A），显示了NCSI在癸烷溶液强的红光发射，NCSI MPM1 NCSI-MPM2在UV光下（365 nm）的固体粉末。此外，荧光NCSI-MPM在365nm处激发（图4B）时，其在约550nm处显示出发射峰。与NCSI-MPM1（图4B-b）比较，NCSI-MPM2（图4B-c）的PL峰有一个轻微的蓝移，这是由于NCSI-MPM壳的折射率（NCSI-MPM壳严重的溶胀和收缩32）。纳米药物载体的大小对于它们在血液循环命运和达到治疗效果33,34在体内分布是非常重要的。在20-200纳米的范围内纳米载体的尺寸可避免

25、肾过滤，导致在血液中停留时间延长，这允许更有效地靶向病变组织9。所制备的NCSI-MPM的大小和形态，在图5中通过TEM示出。在图5B和C，NCSI MPM1和NCSI-MPM2似乎是球形颗粒，粒径分布分别是在40-55nm和45-95nm的范围内。在高倍率的NCSI-MPM1的（图5D）TEM图像中，可以看出聚合物壳的表面。NCSI药物载体的核在标准TEM图像中没有观察到（图5B，C），而且嵌入NCSI-MPM纳米载体内的NCSI数目也不清楚。NCSI-MPM纳米载体的粒度分布，通过DLS（图6）进一步说明。NCSI MPM1和NCSI-MPM2在水中的尺寸分布范围分别是从49.553.7n

26、m和57.9至107.2nm。NCSI-MPM1和NCSI MPM2的平均粒径分别为51.3和83.1nm（图6B，C）。pH值对NCSI-MPM纳米载体的粒度分布影响进行了研究（图6D）。在pH5.0由于PMAA（PKA= 5.有5）较强的氢键，纳米载体表现出明显肿胀。在pH 7.4，PMAA链上的-COOH基团逐渐被解离，从而削弱了PMAA链上的氢键，与那些pH值在5.0相比，导致在10nm较大尺寸的纳米载体。载药和释放 NCSI-MPM作为抗癌药物传递载体的可行性进行评估，我们研究了载药量（LC），包封率（EE）和在模拟生理条件（pH值7.4）及酸性环境（pH5.0）（图7）下体外释放行

27、为。通常情况下，DOX加载到NCSI-MPM纳米载体是在0.9NaCl水溶液中进行的。NCSI-MPM1的LC分别为6.1±0.21和7.4±0.32，而EE分别为61±2.1和74±3.2。NCSI-MPM相对高的负载量被归因于表面的水溶性嵌段共聚物。PMAA-MPEG外壳提供了大量的-COOH基团与DOX分子35中的-OH和-NH2基团形成强氢键。在pH 7.4下进行了一个空白释放实验，游离DOX溶液与等量的药物反应。在缺乏NCSI-MPM的情况下，游离DOX在4小时内快速释放（初始加载的量75），这表明透析膜对DOX释放起的作用微不足道。DOX加载

28、NCSI-MPM在第一阶段中（最多1小时）显示出较快的释放，其次是一种持续释放期间（至55小时），然后在pH值5.0和7.4达到了平稳。DOX从NCSI-MPM初始突发释放可能是由于简单的物理吸附，DOX从NCSI-MPM的缓释可以归因于DOX分子和PMAA-MPEG聚合物壳之间的强氢键。此外，从DOX加载NCSI-MPM的DOX的释放曲线由pH值和NCSI-MPM的壳结构的厚度影响。如上所讨论的，PMAA的pKa为5.5，而NCSI-MPM具有pH依赖性的肿胀/收缩过渡机制33。肿胀的状态可能会破坏PMAA-DOX复合物的键，并提高药物的释放。与此相反，收缩状态可能会阻碍药物的释放。例如，在

29、pH = 5.0时，从NCSI-MPM1和NCSI MPM2的DOX初始突发释放分别是初始加载量的8.1和9.0的。DOX的缓释（在55小时内达到平稳）和释放的量分别为24.3和27.3。在pH值7.4，从NCSI-MPM1和NCSI-MPM2的释放量（23.6和24.3）在第一个小时更多和55h内缓释（加载初始量的43.1和56.1），分别达到了平稳。很显然，NCSI-MPM壳结构越厚则更多的药物可被加载和释放。在图7中的游离DOX释放曲线相比，我们发现，DOX在两种类型的NCSI-MPM材料中释放行为不同，表明释放不仅仅是一个简单的扩散控制机制。在每个NCSI-MPM材料中最明显的药物释放

30、速率的变化，表明传递矩阵内存在着两个相互关联的过程。一方面，水分散性壳NCSI上的药物可能通过具有良好的NCSI-MPM的表面进入周围的水环境。另一方面，被困在PMAA的内壳中的致密的固体区域的装载药物表现出较慢的释放行为，因为由内壳阻碍。体外细胞毒性我们评价了NCSI-MPM纳米载体细胞的毒性，因为水溶性壳PMAA-MPEG与NCSI表面的共轭是有机溶液条件下进行36的。NCSI-MPM1，NCSI-MPM2，DOX加载NCSI MPM1，DOX加载NCSI-MPM2和DOX Hela细胞的体外细胞毒性的评价（图8）。正如图8A所示，NCSI MPM1和NCSI-MPM2空纳米载体表现出类似

31、的生物相容性，并在2.0-128g / mL的24小时后，对Hela细胞具有低细胞毒性。与这些结果相反，在相同的浓度范围内，这两种类型的DOX加载NCSI-MPM纳米载体对Hela细胞表现出更高的细胞毒性。此外，DOX加载NCSI-MPM1细胞毒性平均下降27.3，而NCSI-MPM2低于21.9与所有所有测试浓度的游离DOX。的DOX加载NCSI-MPM纳米载体较低的毒性可能是由于DOX在纳米载体的部分释放。血液相容性检测在生理条件血液相容性的药物载体的评估是使用红色血液溶血试验,这也作为一个模型来评估细胞膜毒性37,38。根据之前的报道39进行溶血试验。此试验的结果表明，NCSI-MPM样品在实验浓度范围内（5，25,125，250，和500g /mL）目视观察没有可见的溶血作用。从暴露3小时后的两个NCSI-MPM材料的HRBCs的照片图9中所示，可以看出，即使在高浓度为500g /mL的，N