金 雪，王啟聞，胡天楠，徐 桑，胡奇達，周 峻，湯谷平，胡秀榮

改性蒙脫石構(gòu)建多功能載藥體系的研究

金 雪1，王啟聞1，胡天楠1，徐 桑1，胡奇達1，周 峻1，湯谷平1，胡秀榮2

(1.浙江大學化學生物和藥物研究所，浙江杭州310028;2.浙江大學化學系分析測試中心，浙江杭州310028)

目的：構(gòu)建以蒙脫石為骨架，將藥物插層于蒙脫石中，用聚陽離子材料包裹于外層，制成藥物緩釋和基因輸送體系。方法：將阿霉素(Dox)插層入蒙脫石層間，用聚乙烯亞胺(PEI)包裹載藥蒙脫石外層，使之具有正電荷。用X射線粉末衍射(XRD)、傅里葉紅外光譜(FT-IR)和熱重分析(TGA)等方法對聚合物進行化學表征;粒度分析和掃描電鏡對聚合物進行形態(tài)學觀察;進行了體外藥物釋放實驗;通過凝膠電泳阻滯實驗對體系的DNA結(jié)合能力進行了測定;在COS-7和SKOV3兩種細胞株上進行了細胞毒性實驗;進行了PEI-蒙脫石對胃粘膜保護的體內(nèi)實驗。結(jié)果：粉末衍射、傅里葉紅外光譜和熱重實驗表明阿霉素插層于蒙脫石層間，導致蒙脫石層間距增加至31.3?。在1 560 cm-1和2 850 cm-1處出現(xiàn)PEI特征峰，1 350 cm-1處出現(xiàn)Dox特征峰，表明體系含有PEI和Dox兩種物質(zhì)。粒度分析和掃描電鏡表明顆粒直徑約為600 nm，表面電荷約為30 mV;體外釋藥結(jié)果說明體系在72 h內(nèi)體系藥物釋放穩(wěn)定，藥物濃度在6×10-4至8×10-4mg/ml;凝膠電泳阻滯實驗證明，在PEI/Dox/MMT：DNA質(zhì)量比為20∶1時體系能夠基本完全結(jié)合DNA;MTT實驗證明，在COS-7和SKOV3兩種細胞上，改性蒙脫石在實驗濃度范圍內(nèi)，細胞的存活率皆超過80%;體內(nèi)實驗證明，0.3μg劑量的PEI-蒙脫石對于胃粘膜具有良好的保護能力。結(jié)論：構(gòu)建了功能化的蒙脫石載藥體系。

http:∥www.journals.zju.edu.cn/med

多柔比星/類似物和衍生物;蒙脫石;阿霉素;聚乙烯亞胺;緩釋

［JZhejiang Univ(Medical Sci)，2012，41(6):631-638.］

胃癌是當今社會發(fā)病率較高的癌癥之一。因胃癌而死亡的人數(shù)在全球各種癌癥死亡人數(shù)中名列第二。胃癌涉及一個胃部粘膜從正常到胃炎狀態(tài)的轉(zhuǎn)化過程，這一過程往往會導致胃癌的發(fā)生。一些致癌因子在感染初期往往引起淺表性胃炎，進而引發(fā)和促進腫瘤的形成［1］。因此，如果能在治療胃部腫瘤的同時對病灶部位的潰瘍和炎癥同時進行治療對于胃癌的治療有相當程度的促進作用［1］。

蒙脫石是天然的鋁硅酸鹽層狀粘土礦物，具有特殊的片層結(jié)構(gòu)和不均勻的電荷分布，可利用自身的片層結(jié)構(gòu)負載藥物，通過靜電作用發(fā)生陽離子交換從而將藥物插層于片層之間，將藥物運載到治療部位后再進行緩慢釋放，從而可有效保證治療部位的藥物濃度。目前，蒙脫石作為藥物緩釋材料已有大量文獻報道。Pongjanyakul等［2］將尼古丁插于蒙脫石層間，證明此種混合結(jié)構(gòu)可有效增加尼古丁的熱穩(wěn)定性，并且通過調(diào)節(jié)pH值可有效控制尼古丁的釋放速度。Joshi等［3］利用蒙脫石負載馬來酸噻嗎心安，在模擬的胃液和腸液環(huán)境中釋放藥物，證明蒙脫石可作為有效的長效緩釋載體材料。另外，Joshi等［3］利用蒙脫石負載維生素B1，也取得了滿意的結(jié)果。

利用高分子聚合物和藥物對蒙脫石進行修飾也是一種重要的方法，高分子聚合物本身可在一定程度上改進蒙脫土的溶解性和分散性。Huang等［5］用聚二甲基二烯丙基氯乙酰胺對蒙脫土插層改性。Dong等［6］構(gòu)建了紫杉醇-聚乳酸/MMT口服藥物體系。

本研究的目的是將抗癌藥物阿霉素負載于蒙脫石層間，并利用聚乙烯亞胺改進蒙脫石顆粒的電負性，從而能夠負載DNA，最終形成能同時運載DNA和藥物的輸送體系，使其具有藥物緩釋和粘膜保護修復的多功能載藥體系，為構(gòu)建能同時負載治療基因和抗腫瘤藥物且具有胃粘膜保護和修復作用的載藥體系打下基礎(chǔ)。

1 材料與方法

材料鈉基蒙脫石(montmorillonite，MMT)，鹽酸阿霉素(Doxorubicin，Dox)，支鏈狀聚乙烯亞胺(ployethylenimine，PEI，分子量為 1 200 Da)，甲基噻唑基四唑(methylthiazolyltetrazolium，MTT)，均購自 Sigma-Aldrich公司。Hochest 33342購自碧云天生物科技研究所。COS-7，SKOV3細胞由浙江大學醫(yī)學院免疫學研究所提供。其它實驗試劑均為分析純。

1.1 材料的合成

1.1.1 鹽酸阿霉素/蒙脫石(Dox/MMT)的合成 稱取0.5 g Dox溶解于20 ml純凈水中，1 g MMT溶解于純凈水中制備成20 ml懸浮液，將上述兩種溶液混合于50 ml圓底燒瓶，室溫下攪拌過夜，反應液3 000 r/min離心后棄去上清液，蒸餾水洗滌3遍后冷凍干燥2 d，得到產(chǎn)物。

1.1.2 聚乙烯亞胺/鹽酸阿霉素/蒙脫石(PEI/Dox/MMT)的合成 稱取0.3 g聚乙烯亞胺溶解于10 ml純凈水中，加入0.5 g Dox/MMT，在避光，N2保護和室溫條件下攪拌2 h，反應液3 000 r/min離心后棄去上清液，蒸餾水洗滌3遍后冷凍干燥2 d，得到產(chǎn)物。見圖1。

圖1 DNA/PEI/Dox/MMT體系合成路線示意圖Fig.1 Synthesis of DNA/PEI/Dox/MMT system

1.2 材料的理化表征

1.2.1 粉末X射線衍射分析 100 mg左右樣品研磨成粉狀，在粉末衍射儀D/Max-2550Pc(日本理學)上測定，按2θ 角從0.5°到30°進行掃描，0.5 s/步，每步掃描 0.02°。

1.2.2 熱重分析 稱取10 mg左右干燥的樣品，SDTQ600綜合熱分析儀(美國TA公司)對樣品進行熱失重分析。在空氣環(huán)境中從室溫升至810℃，升溫速率為10℃/min。

1.2.3 傅里葉紅外光譜分析 1 mg左右的樣品與10～100倍的溴化鉀(KBr)在瑪瑙研缽中混合，充分研磨，取適量用壓片機壓片后裝入紅外光譜儀進行測量，480～4000 cm-1波長掃描。

1.2.4 粒度和表面電勢測定 將樣品配成濃度約為0.5 mg·ml-1的溶液，取適量加入比色皿，在 Mastersizer-2000型激光衍射粒度分析儀上測定粒度和電荷分布。

1.2.5 掃描電鏡觀測 將樣品用PBS稀釋為懸浮液，取少量溶液滴硅片上，待溶液晾干后，樣品在FE-SEM，JEOL JSM-7400F(Japan)電鏡下觀測。

1.2.6 凝膠電泳阻滯實驗 稱取250 mg瓊脂糖(Agarose Gel)，加入TAE×1電泳緩沖液25 ml，微波加熱2 min至溶化，冷卻到約 60℃，加入1μl溴化乙啶(EB)母液，混勻后灌膠至透明板中，插入梳子，靜置約30 min待其凝固。凝固后拔掉梳子，浸沒于電泳槽的TAE×1電泳緩沖液中，待用。將不同比例的樣品懸浮液與0.5 μg DNA 混合，37℃ 下反應 30 min，在100 mV電壓下電泳40 min。

1.2.7 體外藥物釋放實驗 將20 mg樣品溶于20 ml pH 7.4的PBS緩沖液中，于搖床上以37℃ 80 r/min 的轉(zhuǎn)速孵育，分別在 6、12、24、48、72 h時取樣5 ml，以3 000 r/min離心收集上清液，沉淀加入5 ml PBS后倒回原溶液，使其總體積仍為20 ml。樣品中阿霉素含量使用高效液相色譜儀(HPLC)以標準曲線法測定。流動相組成為水∶乙腈∶甲酸 =70∶30∶0.05，流速1 ml·min-1，檢測波長為495 nm。

1.3 材料的生物學表征

1.3.1 細胞毒性試驗 將細胞接種到 96孔板上，1.0 ×104細胞/孔，加入 200 μl含 10%小牛血清的1640培養(yǎng)液。培養(yǎng)16 h后，吸去培養(yǎng)液。依次加入不同質(zhì)量樣品PBS溶液，每種濃度為3復孔，向每孔加入無血清1640培養(yǎng)液至體積為200μl。孵育4 h。吸去培養(yǎng)液，每孔加入90μl無血清1640培養(yǎng)液和10μl的 5 mg/ml 3-(4，5-二甲基噻唑-2)-2，5-二苯基四氮唑溴鹽(3-(4，5-Dimethylthiazol-2-yl)-2，5-diphenyltetrazoliumbromide，MTT)，37℃孵育3 h。翻板法棄去液體，每孔加入100μl DMSO，震蕩器上震蕩10 min，酶標儀測定570 nm處OD值，進而計算細胞存活率。

細胞存活率的計算式:

細胞存活率=(樣品OD平均值-陽性O(shè)D平均值)/(空白組OD平均值-陽性O(shè)D平均值)×100%。

1.3.2 體外細胞內(nèi)藥物釋放實驗 將細胞接種到鋪有蓋玻片的24孔板上，4.0×104細胞/孔，加入500μl含10%小牛血清1640培養(yǎng)液。培養(yǎng)24 h后，吸去培養(yǎng)液。依次加入20μg樣品PBS溶液，向每孔加入無血清1640培養(yǎng)液至體積為500μl。37℃ 5%CO2條件下分別孵育4、12、24、48 h。吸去培養(yǎng)液，PBS 洗滌 3 次，4%甲醛固定 10 min，0.25μg/ml Hoechst對細胞和進行染色10 min，洗滌3次，取出蓋玻片倒置于滴有甘油的載玻片上，于倒置熒光顯微鏡下進行觀察。

1.3.3 胃粘膜保護體內(nèi)實驗 24只體重約為20 g的實驗用KR小鼠隨機分成4組，每組6只。劑量分布:(A)0.1 ml 70%乙醇在第0、2、4天，3次空腹胃內(nèi)灌注，于第6天空腹灌胃無水乙醇0.1 ml后，間隔1 h斷頸處死。(B)MMT和0.1 ml 70%乙醇混合液分別于第0、2、4天，3次空腹胃內(nèi)灌注，于第6天空腹灌胃MMT和0.1 ml無水乙醇混合溶液后，間隔1 h斷頸處死(不同組別小鼠灌胃MMT的劑量分別為 0.1、0.3、0.6 mg)。(C)0.1 ml 70% 乙醇在0、2、4天，3次空腹胃內(nèi)灌注，1 h后進行MMT溶液灌胃，于第6天空腹灌胃無水乙醇0.1 ml后，1h后進行MMT溶液灌胃，間隔1 h斷頸處死(不同組別小鼠灌胃MMT的劑量分別為 0.1、0.3、0.6 mg)。(D)空白對照，正常小鼠。小鼠處死后開腹取出全胃，浸泡于福爾馬林溶液中，送樣進行組織切片觀察。

2 結(jié)果

2.1 材料的理化表征

2.1.1 粉末X射線衍射分析 如圖2A所示，MMT晶胞之間的間距一般約為12?，藥物分子進入MMT層間會造成層間距的改變，因而改性MMT的層間距變化直接反應了插層分子的進入以及層間排列情況。實驗證明，Dox/MMT的層間距增加至31.3?，說明經(jīng)過陽離子交換過程Dox有效進入MMT層間。

2.1.2 熱重分析 圖2B是PEI/Dox/MMT和MMT的熱重分析曲線，其中 MMT在 80～100℃和600～750℃出現(xiàn)了顯著的質(zhì)量損失，前者主要是來自表面和層間吸附水的蒸發(fā)，后者則是MMT結(jié)構(gòu)中羥基反應帶來的質(zhì)量損失。PEI/Dox/MMT在80～100℃、200～400℃、450～550℃和600-750℃出現(xiàn)四個明顯的質(zhì)量損失，其中200～400℃、450～550℃的熱量損失分別由Dox和PEI的氧化分解引起，MMT吸附水的蒸發(fā)導致了80～100℃溫度范圍內(nèi)的質(zhì)量損失，600～750℃范圍內(nèi)的質(zhì)量損失主要由MMT上羥基的反應引起。

2.1.3 傅里葉紅外光譜分析 由圖2C可以看出，PEI/Dox/MMT在 1 560 cm-1和 2 850 cm-1處出現(xiàn)PEI特征峰，1 350 cm-1處出現(xiàn)Dox特征峰，說明體系含有PEI和Dox兩種物質(zhì)。

2.1.4 粒度和表面電勢測定 表面電勢測定結(jié)果顯示(表1)，經(jīng)過PEI的修飾，材料的表面電勢由中性增加至正電性，這為材料結(jié)合DNA提供了客觀條件。同時對比粒徑分析可發(fā)現(xiàn)，材料表面電勢的增加可有效提高材料于溶液中的分散性，這也使得材料被細胞吞噬的可能性顯著增加。

表1 PEI/Dox/MMT和MMT的粒徑和表面電勢Table 1 Size andζ-potential of PEI/Dox/MMT and MMT

2.1.5 掃描電鏡觀察 圖2D為 PEI/Dox/MMT的掃描電鏡照片，由照片可以發(fā)現(xiàn)作為天然礦物的改性材料，MTT的性狀為連片狀物質(zhì)，分散性較差(左圖)。而經(jīng)過藥物Dox插層并用PEI表面包裹后，材料的分散性增強，盡管PEI/Dox/MMT的粒徑分布并不均勻，仍有不同程度的聚集，但是其顆粒直徑一般在600 nm左右，適宜于細胞的吞噬(右圖)。

2.1.6 凝膠電泳阻滯實驗 PEI/Dox/MMT能夠與DNA結(jié)合形成PEI/Dox/MMT/DNA共聚物。圖3A是PEI/Dox/MMT濃縮DNA的凝膠電泳阻滯實驗結(jié)果。圖中從左到右各泳道對應的PEI/Dox/MMT與DNA的質(zhì)量比分別是:5、10、15、20、25、30、35 及空白對照。從實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，PEI/Dox/MMT在質(zhì)量比約在20時可以完全阻滯DNA的遷移。

圖2 PEI/Dox/MMT的物理表征Fig.2 Physical charateration of PEI/Dox/MMT

2.1.7 體外藥物釋放實驗 圖3B是 PEI/Dox/MMT在pH 7.4的緩沖溶液中藥物阿霉素的釋放曲線，由圖可知，阿霉素Dox在72 h內(nèi)保持恒定的釋放濃度，濃度在6×10-4至8×10-4mg/ml，說明藥物插層入蒙脫石層間并包裹聚乙烯亞胺PEI后，藥物的釋放沒有出現(xiàn)“暴釋”，達到了緩釋效果。

2.2 材料的生物學表征

2.2.1 細胞毒性試驗 圖4是MTT法測定PEI/Dox/MMT和MMT兩種材料與非洲綠猴SV40轉(zhuǎn)化的腎細胞COS-7和腫瘤細胞(人卵巢癌細胞SKOV3)細胞株孵育4 h的細胞毒性的實驗結(jié)果。由圖可知，天然礦物MMT在兩種細胞上的IC50值分別約為50μg/ml(COS-7)和25μg/ml(SKOV3)，經(jīng)過低分子量的PEI包裹后，在試驗濃度范圍內(nèi)所有細胞都能獲得80%以上的存活率，在4 h內(nèi)PEI/Dox/MMT材料的細胞毒性降低。

2.2.2 體外細胞內(nèi)藥物釋放實驗 圖5是PEI/Dox/MMT聚合物在COS-7細胞株內(nèi)的藥物釋放照片，由圖可知PEI/Dox/MMT顯示出一定的藥物緩釋效果，4 h時基本無阿霉素擴散入細胞內(nèi)，12 h～24 h細胞內(nèi)能夠維持相當量的藥物濃度，在48 h后細胞內(nèi)阿霉素的濃度逐漸降低，但仍舊能夠觀察到藥物的存在，表明PEI/Dox/MMT體系在細胞內(nèi)部也能有效地提供藥物的緩釋功能。

圖3 PEI/Dox/MMT與質(zhì)粒DNA結(jié)合能力及藥物的釋放曲線Fig.3 DNA and Drug Delivery Properties of PEI/Dox/MMT

2.2.3 胃粘膜保護體內(nèi)實驗 表2為胃粘膜保護體內(nèi)實驗結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)PEI/MMT在一定的濃度下能夠有效地保護小鼠胃粘膜避免乙醇的損傷，低劑量的PEI/MMT無法對胃粘膜起到保護作用，過高劑量的PEI/MMT灌胃會造成小鼠腸道阻塞進而導致小鼠死亡。圖6為小鼠胃粘膜組織切片圖像，對照正常胃部(C)可以發(fā)現(xiàn)，受到乙醇損傷的胃粘膜(B)厚度明顯減小，細胞分布疏松，而經(jīng)MMT保護的胃粘膜(A)基本正常。其中(D)、(E)和(F)為(A)、(B)和(C)的局部放大照片。

表2 胃粘膜保護體內(nèi)實驗結(jié)果Table 2 Result of gastric mucosa protected experiment

圖4 PEI/Dox/MMT和MMT在COS-7(A)和SKOV3(B)細胞株上的細胞毒性實驗Fig.4 MTT assay of PEI/Dox/MMT and MMT in COS-7(A)and SKOV3(B)

3 討論

蒙脫石本身是已經(jīng)納入藥典的的成藥。蒙脫石散在70年代被法國博福-益普生制藥集團研制為成藥“思密達”。目前已成功用于多種疾病如成人、兒童的慢性腹瀉和多種消化道疾病如食管炎、胃炎、應激性結(jié)腸病等。我國先聲藥業(yè)也推出了國家四類新藥:“必奇”品牌的蒙脫石散。我國具有豐富的蒙脫石資源，但是就醫(yī)藥領(lǐng)域而言，蒙脫石的進一步加工利用仍為空白，多數(shù)研究也僅止步于簡單的藥物負載，故本文對蒙脫石作為藥物載體的研究具有相當?shù)睦碚撘饬x和應用前景。

圖5 PEI/Dox/MMT在COS-7細胞內(nèi)的體外藥物釋放實驗Fig.5 In vivo drug release of PEI/Dox/MMT in COS-7 cell lines

用非病毒性陽離子材料修飾蒙脫石目前尚未見報道，本研究用分子量為1200的聚乙烯亞胺通過靜電作用結(jié)合于用阿霉素插層的蒙脫石上，制成“層-層包裹”的模型結(jié)構(gòu)(圖1)。

在合成過程中，本實驗調(diào)控和優(yōu)化了陽離子材料的比例，聚乙烯亞胺與DOXMTT的電荷比為5∶1，而過量的聚陽離子材料通過洗滌去除。與天然蒙脫土相比，經(jīng)過陽離子材料修飾的PEI-DOX-MTT聚合物的分散度明顯提高，這從掃描電鏡的照片中得到了有效的證實，且聚合物的粒徑基本保持在500～700 nm左右，表面電荷在30 mV左右，為有效的結(jié)合 DNA或siRNA提供了可能。

在形成“層-層包裹”的模型結(jié)構(gòu)后，藥物分子的釋放需要經(jīng)過從蒙脫土層間釋放和從聚陽離子材料層中“滲出”的兩個釋放過程，在蒙脫石的臨床使用中，一般是通過口服途徑給藥，蒙脫石可以覆蓋于胃粘膜表面，尤其在病灶部位其可以“濃縮”，這樣在蒙脫石濃縮部位進行藥物釋放，就可以較好地提高藥物的局部濃度，達到藥物的靶向輸送。本研究中的體外釋放實驗和細胞內(nèi)釋放實驗均表明用低分子量的聚乙烯亞胺包裹后，藥物在12 h后才出現(xiàn)于細胞內(nèi)，并可以穩(wěn)定的釋放12 h。表面帶正電荷的聚乙烯亞胺可以有效的結(jié)合siRNA或DNA，由于其在聚合物的外層，故siRNA的作用將先于藥物，這為基因和藥物的“有序”釋放提供了可能。

圖6 PEI/MMT胃粘膜保護組織切片F(xiàn)ig.6 Photomicrograph of gaster damage model of a mouse

動物實驗顯示，用0.1 mg MTT劑量給藥，對小鼠的損傷模型未見有保護的功能，結(jié)合病理切片，酒精對小鼠的胃組織仍有較大的損傷，而過高劑量0.6 mg MTT，由于腸阻塞而使小鼠死亡，因此，本實驗使用0.2～0.4 mg的 MTT給藥，可以達到較好的胃組織保護效果。

4 結(jié)論

本實驗合成了PEI/Dox/MMT，并且通過一系列理化表征手段確定了其組成。Dox插層進入MMT層間，PEI的包裹使得Dox/MMT表面帶有正電荷，從而能夠進一步結(jié)合DNA;體外釋藥和胞內(nèi)釋藥實驗說明材料具有良好的藥物緩釋能力，體內(nèi)實驗說明PEI/MMT對胃粘膜具有良好的保護作用。

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Modified montmorillonite as multifunction gene and drug delivery system

JIN Xue1，WANG Qi-wen1，HU Tian-nan1，XU Sang1，HU Qi-da1，ZHOU Jun1，TANG Gu-ping1，HU Xiu-rong2
(1.Institute of Chemical Biology and Pharmaceutical Chemistry，Zhejiang University，Hangzhou 310028，China;2.Center of Analysis and Measurement，Zhejiang University，Hangzhou 310028，China)

Objective:To develop polyethylenimine-Doxorubicin-montmorillonite(PEI-Dox-MTT)as a novel multifunction delivery system.Methods:Dox was intercalated into montmorillonite，PEI covered to the surface of Dox/MMT to make the nano-particle.XRD，F(xiàn)T-IR and TGA were used to confirm chemical property of the nano-particle.SEM was used to observe the morphology.The capability of drug release was investigated by PBSbuffer solution(pH 7.4).The DNA binding ability of nano-particle was detected bygel electrophoresis retardation assay.The cell viability in COS-7 and SKOV3 cell lines was tested using MTT assay.The gastric mucosa protection was evaluated in vitro.Results:XRD image showed that Dox was intercalated into montmorillonite，inter space of which increased to 31.3 ?;the FT-IR spectra showed the vibration bands of PEI at 1 560 cm-1and 2 850 cm-1，the vibration band of Dox at 1 350 cm-1.Size analysis and SEM revealed that the size of nano-particle was600 nm，and the ζ-potential was30 mV.Drug release experiment explored that the nano-particle stably released drug in range of 6×10-4～8×10-4mg/ml within 72 h.MTT assay showed that the cell viability was over 80%in experiment condition in COS-7 and SKOV3 cell lines.0.3 mg PEI-MMT nano-particle was able to protect gastric mucosa from alcohol.Conclusion:Multifunction system of PEI/Dox/MMT has been prepared successfully.

Doxorubicin/analogs＆ derivatives;Doxorubicin/pharmacology;Montmorillonite(MMT);Dox;Polyethyleneimine(PEI);Control release

10.3785/j.issn.1008-9292.2012.06.005

R 730.54

A

1008-9292(2012)06-0631-08

2012-09-07

2012-10-08

國家自然科學基金項目資助項目(30970711，21074111).

金 雪(1988-)，女，碩士研究生，化學生物學專業(yè).

湯谷平(1961-)，男，博士，教授，博士生導師，主要從事生物材料、藥物的控制釋放和基因治療等;E-mail:huxiurong@zju.edu.cn

［責任編輯 張榮連］