雷婧詩(shī)（綜述）， 王佐林（審校）

（上海牙組織修復(fù)與再生工程技術(shù)研究中心，同濟(jì)大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院，同濟(jì)大學(xué)附屬口腔醫(yī)院口腔種植科，上海 200072）

生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)具有酶催化、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、基因調(diào)節(jié)等功能，并且在細(xì)胞生存和細(xì)胞程序性死亡中起重要作用[1]。蛋白質(zhì)藥物作為一種多功能生物治療藥物，不僅具有較高的生物活性，而且有很好的生物特異性[2-3]。然而，由于蛋白質(zhì)脆弱的三級(jí)結(jié)構(gòu)，大多數(shù)自然形態(tài)的蛋白質(zhì)具有不穩(wěn)定性、體內(nèi)半衰期短等缺點(diǎn)。人們通過(guò)設(shè)計(jì)蛋白緩釋載體可以有效解決上述問(wèn)題。蛋白緩釋制劑不僅能夠穩(wěn)定蛋白質(zhì)藥物的生物特性，還可以進(jìn)行蛋白質(zhì)藥物的靶向遞送，降低獲得治療效果所需的蛋白質(zhì)濃度[4]，提供持續(xù)的蛋白質(zhì)釋放，避免了反復(fù)注射、口服等引起的不良反應(yīng)[5]。近年來(lái)，多種納米蛋白載體得到了廣泛研究[6-11]。然而，由于載體本身的生物毒性、制備過(guò)程對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響、突釋及不完全釋放等問(wèn)題，至今尚無(wú)臨床可用的蛋白緩釋制劑出現(xiàn)。

人們通過(guò)研究自然界的生物礦物材料（貝殼、牙齒和骨骼等）在納米尺度上的合成機(jī)制和相關(guān)結(jié)構(gòu)等，合成了仿生納米材料。這類(lèi)材料因生產(chǎn)成本低、生物相容性好、形貌豐富及生物體內(nèi)降解速率可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，在生物醫(yī)藥領(lǐng)域備受關(guān)注[12]。此外，研究發(fā)現(xiàn)，仿生納米材料中存在的孔結(jié)構(gòu)（連續(xù)材料中存在的有限空間或空腔[13]）使材料具有出色的熱學(xué)性能、化學(xué)性能、比表面積和可調(diào)節(jié)的親/疏水性等特點(diǎn)，并且是引起骨形成的重要因素[14]。

多孔仿生納米材料主要包括二氧化硅、磷酸鈣和碳酸鈣，它們作為蛋白緩釋制劑的相關(guān)研究較多，均表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景[12]。關(guān)于這3種材料在蛋白緩釋制劑中應(yīng)用的文章多著重介紹其中一種材料，綜合歸納并比較三者在蛋白緩釋制劑中應(yīng)用的文章較為少見(jiàn)。本文主要介紹二氧化硅、磷酸鈣和碳酸鈣3種多孔仿生納米材料，總結(jié)并比較它們的材料特性、生物學(xué)特性，以及其在生物蛋白緩釋領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)、局限性和研究現(xiàn)狀。

1 二氧化硅

生物體內(nèi)的硅元素多以二氧化硅的形式存在，通常處于非晶形態(tài)，不易斷裂，且在不降低強(qiáng)度的情況下能保持優(yōu)秀的可塑性[15-16]。因此，二氧化硅在生物領(lǐng)域備受關(guān)注。其中，介孔（也稱(chēng)中孔，孔徑2～50 nm）二氧化硅材料在蛋白負(fù)載系統(tǒng)中有著不可或缺的地位。蛋白質(zhì)藥物在介孔二氧化硅通道內(nèi)的裝載受很多因素影響，其中介孔通道的尺寸與分子負(fù)載能力息息相關(guān)。Katiyar等[17]的研究表明，材料孔徑較小時(shí)，尺寸較小的蛋白質(zhì)溶菌酶（lysozyme,LYS）負(fù)載能力遠(yuǎn)高于尺寸較大的牛血清白蛋白（bovine serum albumin,BSA）；孔徑較大時(shí)，2種蛋白質(zhì)的負(fù)載能力相當(dāng)。有學(xué)者利用超大孔徑的介孔二氧化硅納米顆粒（extra-large pore mesoporous silica nanoparticles,XL-MSNs）成功負(fù)載細(xì)胞因子白細(xì)胞介素-4（interleukin-4，IL-4），體內(nèi)及體外實(shí)驗(yàn)均顯示，XL-MSNs可以顯著保護(hù)IL-4的生物活性，并且具有一定的靶向作用，能成功誘導(dǎo)M2型巨噬細(xì)胞的極化作用；而無(wú)XL-MSNs保護(hù)的IL-4，其活性迅速喪失，無(wú)法誘導(dǎo)極化作用[18]。然而，隨著材料孔徑的不斷增加，孔的有序性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性均降低，孔徑越大的材料，制備效率越低。此外，蛋白質(zhì)活性改變、制備效率低及緩釋過(guò)程復(fù)雜等問(wèn)題使二氧化硅材料難以真正地應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)和實(shí)踐中。

2 磷酸鈣類(lèi)

磷酸鈣類(lèi)礦物是脊椎動(dòng)物鈣化組織的主要無(wú)機(jī)成分[19-20]，主要包括羥基磷灰石、碳羥基磷灰石、氟磷灰石、磷酸三鈣、磷酸八鈣、透鈣磷石、一水合磷酸二氫鈣、缺鈣磷灰石和無(wú)定形磷灰石等[12]。多孔磷酸鈣材料在生物蛋白控釋領(lǐng)域有著巨大的潛能[21]。Zhang等[22]通過(guò)陽(yáng)離子表面活性劑成功制備了介孔羥基磷灰石，并通過(guò)調(diào)節(jié)緩沖液的pH來(lái)研究蛋白質(zhì)的吸附和釋放行為，結(jié)果顯示，BSA的負(fù)載量隨著pH的升高而降低，而其在酸性環(huán)境中的釋放持續(xù)時(shí)間比在中性環(huán)境中更長(zhǎng)。此外，結(jié)晶度、比表面積對(duì)磷酸鈣類(lèi)材料的蛋白質(zhì)負(fù)載能力產(chǎn)生重要影響。研究表明，高比表面積、低結(jié)晶度的羥基磷灰石納米顆粒比同樣比表面積，但結(jié)晶度更高的顆粒表現(xiàn)出更好的蛋白質(zhì)負(fù)載能力[23]。在多孔磷酸鈣納米顆粒中負(fù)載骨相關(guān)生長(zhǎng)因子的研究較為深入。研究發(fā)現(xiàn)，骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2（bone morphogenetic protein-2,BMP-2）主要通過(guò)3種功能基團(tuán)（-OH、-NH2和-COO-）與羥基磷灰石反應(yīng)[24]。然而，磷酸鈣的蛋白緩釋制劑技術(shù)仍不成熟，蛋白分子與磷酸鈣類(lèi)材料之間的相互作用機(jī)制未確定。生物大分子與磷酸鈣類(lèi)材料之間作用導(dǎo)致的蛋白活性變化、蛋白變性等問(wèn)題仍未解決。

3 碳酸鈣類(lèi)

蝦、蟹等節(jié)肢動(dòng)物表面堅(jiān)硬骨骼（外骨骼）的主要成分為生物碳酸鈣。 碳酸鈣作為蛋白質(zhì)緩釋載體，具有諸多優(yōu)點(diǎn)。碳酸鈣有一定的pH敏感性，弱酸性微環(huán)境可以觸發(fā)生物分子緩釋[25]。通過(guò)仿生合成或?qū)訉幼越M裝等方法可以合成具有良好生物學(xué)性能的碳酸鈣礦物。Sukhorukov等[26]制備出了高比表面積的多孔球形碳酸鈣微粒，為負(fù)載生物大分子提供了條件，結(jié)果顯示，通過(guò)調(diào)節(jié)吸附過(guò)程中的pH，可以調(diào)節(jié)在碳酸鈣微粒內(nèi)部及吸附在微粒表面的蛋白質(zhì)含量。Petrov等[27]在制備碳酸鈣納米顆粒的同時(shí)引入蛋白質(zhì)，使蛋白質(zhì)與碳酸鈣共沉淀，大大增加了碳酸鈣中蛋白質(zhì)的負(fù)載率。碳酸鈣的控釋系統(tǒng)經(jīng)常與磷酸鈣系統(tǒng)混合使用，或者作為核-殼載藥微球中的核心材料。然而，目前有關(guān)碳酸鈣蛋白緩釋制劑的研究較少，同樣存在蛋白質(zhì)活性的保持、突釋和不完全釋放等問(wèn)題。

4 3種材料的比較

多孔納米二氧化硅、磷酸鈣和碳酸鈣材料均在蛋白緩釋制劑領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。不同材料在生物活性、生物降解性及蛋白緩釋制劑領(lǐng)域有不同的優(yōu)點(diǎn)和局限性。3種材料都具有良好的比表面積和豐富的孔徑范圍，并且通過(guò)改變其制備方式均能對(duì)材料的物理特性進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)的有效負(fù)載緩釋。介孔二氧化硅材料豐富可調(diào)的介孔結(jié)構(gòu)可以有效負(fù)載不同分子量的生物蛋白，然而，孔徑越大的二氧化硅，其生產(chǎn)效率越低[28]。介孔二氧化硅的制備方法較復(fù)雜，文獻(xiàn)中多采用先制備均勻穩(wěn)定的介孔結(jié)構(gòu)，再將其與蛋白質(zhì)制劑混合進(jìn)行負(fù)載的方法[17-18]。磷酸鈣除了利用表面活性劑的方法制備[22]，還可以在制備過(guò)程中加入蛋白質(zhì)制劑與磷酸鈣共沉淀的方法制備[29]，過(guò)程更簡(jiǎn)單且制備效率更高。碳酸鈣也可以使用共沉淀方法制備蛋白緩釋制劑[27]。此外，還可以通過(guò)模擬生物體內(nèi)的仿生礦化或?qū)訉咏M裝的制備方式[26]，使其生物學(xué)性能更加優(yōu)異。溶液pH、離子濃度、材料的組成、結(jié)晶度等均會(huì)對(duì)材料的生物學(xué)性能產(chǎn)生不同的影響[12]。因此，有學(xué)者利用材料的不同特點(diǎn)，將多種材料混合來(lái)獲得更好的生物學(xué)性能。Maruyama等[30]在羥基磷灰石中引入碳酸鈣微球，有效地改善了磷灰石的降解性能。

雖然這些材料均表現(xiàn)出良好的材料特性、生物學(xué)性能，有望在蛋白緩釋領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，但材料與蛋白制劑的作用機(jī)制尚不明確。如今面臨的主要問(wèn)題為制備過(guò)程中的界面張力、冷凍干燥對(duì)蛋白質(zhì)活性的影響；緩釋過(guò)程對(duì)蛋白質(zhì)藥物穩(wěn)定性的影響；蛋白質(zhì)藥物的突釋問(wèn)題；蛋白質(zhì)藥物的不完全釋放問(wèn)題等。這些問(wèn)題相對(duì)獨(dú)立卻也相互制約，極大地限制了這些材料的應(yīng)用，迫切需要人們進(jìn)一步深入研究并解決，以實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)的有效負(fù)載和緩釋。

綜上所述，蛋白質(zhì)制劑為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)疾病治療提供了新的思路。隨著蛋白質(zhì)制劑的研究不斷深入，仍有許多問(wèn)題未能解決。多孔仿生納米材料擁有可調(diào)的比表面積和孔徑，并且生物相容性良好，體內(nèi)降解過(guò)程中產(chǎn)生的危害較小，是蛋白緩釋制劑的研究熱點(diǎn)。多孔仿生納米材料（二氧化硅、磷酸鈣及碳酸鈣）表現(xiàn)出良好的蛋白緩釋能力，多項(xiàng)研究均證實(shí)其作為體內(nèi)蛋白緩釋制劑有廣闊的應(yīng)用前景。然而，在這些材料應(yīng)用于臨床之前還面臨著幾個(gè)主要問(wèn)題：蛋白突釋、蛋白活性保持、不完全釋放及制備工藝復(fù)雜。隨著蛋白質(zhì)與材料之間反應(yīng)機(jī)制的研究深入，對(duì)材料性質(zhì)的不斷調(diào)控和優(yōu)化，蛋白活性保存、緩釋等問(wèn)題不斷被解決，多孔納米二氧化硅、磷酸鈣及碳酸鈣在蛋白緩釋制劑領(lǐng)域?qū)?huì)有廣闊的應(yīng)用前景。