把空心结构做到极致！张锁江院士/王丹等人实现药物分三阶段有序释放！

Glenn

2020-09-14

具有中空多壳结构(HoMSs)的新兴功能材料可提供充足的质量负载能力，并有利于质量传输，从而在太阳能电池、锂离子电池、光催化等领域获得广泛应用。更重要的是，HoMSs有一个独特的结构，有多个空腔和多级多孔壳，这很好地优化了质量传输和暴露的有效面。

最近研究表明，在物质通过壳层扩散的过程中，HoMSs具有严格遵循时间和空间顺序的独特质量传输特性。

理想的抗菌系统需要满足以下要求:

1)以抑菌处理或杀菌所需的浓度将抗生素快速释放到环境中；

2)长时间保持该浓度以防止细菌再生；

3)外来病原体的自动检测和保留抗生素的自反应释放。

在这种情况下，可以预测，使用HoMSs作为抗菌剂的药物载体将显示出一些意想不到的优势。

成果简介

有鉴于此，中国科学院过程工程研究所张锁江院士、王丹研究员等人受活细胞中不同传输形式的启发，详细研究了HoMS中的物质传输过程，设计并制备了TiO₂中空多壳结构，实现了三阶段的药物有序释放。

第一作者：Decai Zhao

通讯作者：张锁江院士，王丹研究员

通讯单位：中国科学院过程工程研究所

研究亮点：

1）设计并制备了TiO₂中空多壳结构；

2）将MIT负载进中空多壳结构中，研究其药物释放过程；

3）提出了三阶段的药物有序释放原理。

研究人员在将抗菌剂甲基异噻唑啉酮(MIT)作为模型分子引入HoMS后，发现在一个系统中有三个顺序释放阶段，即突发释放、持续释放和刺激响应释放。同时，HoMS系统提供了一个智能响应释放机制，可以由环境变化触发。上述发现为智能纳米材料的设计提供了一条新途径。

 图1. HoMS空间调控药物释放示意图。

01. 合成MIT–TiO₂–HoMS

通过调节金属离子的吸附条件，通过顺序模板法制备了不同壳数的TiO₂–HoMS，然后通过典型的载药过程加载MIT。透射电子显微镜(TEM)图像(图2a)显示制备了具有不同壳数的各种样品。

基于对每个样品的100多个TiO₂–HoMS样品颗粒的统计分析，TiO₂空心球和双壳(2s-)和三壳(3s-)TiO₂–HoMS样品的平均尺寸估计分别为726±47nm、642±30nm和583±35nm，具有尺寸分布较窄。MIT-3s-TiO₂–HoMS的TEM-EDX图谱显示，硫均匀分布在TiO₂–HoMS的外壳上，表明药物负载均匀(图2c，d)。

02. HoMS中的MIT分析吸附

在不同的MIT加载时间后，收集傅里叶变换红外光谱（FTIR）(图2e)，以研究MIT和TiO₂–HoMS之间的相互作用。MIT-3s-TiO₂–HoMS在714、1418、1618和1640cm^-1处的FTIR谱峰可分别归因于MIT中的C-S(拉伸)、CH₃(弯曲)、C=C和C=O(拉伸)(图2e)。有趣的是，随着载药期的延长，观察到C=O拉伸带红移，表明在MIT加载期间有不同的吸附模式(图2f)。

图2. 负载MIT后TiO₂–HoMS的表征。

如热重分析和差热分析结果(图3a-e)所示，通过二氧化钛空心球和2s-和3s-TiO₂–HoMS的MIT的热释放发生在三个阶段。

1）第一阶段发生在约50℃，重量损失约5%，并伴随着吸热过程，这对应于水在该MIT-TiO₂系统中的蒸发。

2）第二阶段在70–150℃范围内，这对应于负载在HoMS外壳外部的MIT和外壳之间空腔中的MIT的解吸。

3）第三个阶段发生在150℃之后，与通过氢键与TiO₂–HoMS壳层牢固结合的少量MIT的解析有关。

值得注意的是，纯MIT的差热分析曲线的第二个峰在150℃，而在MIT分别被加载到TiO₂空心球和2s-和3s-TiO₂–HoMS之后，峰温度分别下降到126、127和130℃(图3f)。

此外，根据Speil理论，吸热的相对值可以通过对差热分析曲线积分，然后归一化为MIT的质量来计算(图3g)。对于MIT、MIT-TiO₂空心球和MIT-2s-TiO₂-HoMS和MIT-3s-TiO₂-HoMS，相对值分别为65.28、43.01、43.38和43.57 kJ·mg^-1。可以注意到，在将MIT加载到HoMS之后，分子释放需要较小的驱动力。对于TiO₂空心球和2s-和3s-TiO₂-HoMS，MIT的负载能力分别为0.2274、0.3000和0.3292(以二氧化钛的重量为标准)。

这一结果表明，在单个空心颗粒中增大表面积有助于药物吸附。在这种情况下，壳层数量的增加提高了负载药物的能力，证明HoMS是大量负载的一个很好的候选者。

值得注意的是，当使用SBA-15作为载体时，在标准化为SiO₂的重量之后，比使用TiO₂作为载体获得的值高(图3h). 然而，由于3s-TiO₂-HoMS的有效表面积大得多，3s-TiO₂-HoMS的比表面积负载能力(图3i)出人意料地比SBA-15高46.5倍。因此，基于Freundlich模型，MIT在TiO₂-HoMS上的吸附可视为多分子层吸附。

图3. MIT分子在HoMS中的吸附、解吸和扩散。

03. 有序药物释放

以抗菌MIT的释放为模型，通过紫外-可见分光光度计（UV-Vis）跟踪物质释放表现。MIT的释放过程大致分为三个阶段(图4a)。在MIT-载体复合物进入溶液后，在第一阶段(约4h)观察到药物浓度快速增加，这被称为突发释放。随后，质量释放速度减慢，在第二阶段，MIT浓度保持稳定，这就是所谓的持续释放。2s和3s-TiO₂–HoMS和SBA-15都有能力在第二阶段保持浓度(图4a)。值得注意的是，当携带相同的药物量时，当我们不断地将细菌引入系统时，发现3s-TiO₂-HOMs在抑制大肠杆菌生长方面是最有效的，甚至在432 h后也能抑制细菌生长(图4b)。所呈现的荧光图像显示，在第10天，对于MIT、MIT负载的TiO₂空心球、MIT-2s-TiO₂-HOMS、MIT-3s-TiO₂-HOMS和MIT-SBA-15，细菌存活率分别为66%、58%、33%、0%和11%(图4c)。

有趣的是，这种刺激反应释放，即顺序释放的第三阶段，是HoMS系统的一个独特特征。在MIT的浓度稳定在约60 ppm(略高于最小抑制浓度(MIC))且各种样品的总药物量相同后，向溶液中加入细菌以研究响应释放性能。2s-和3s-TiO₂-HoMS和SBA-15均表现出响应释放性能，即在MIT浓度快速下降后，平衡逐渐恢复。3s-TiO₂–HoMS在所有样品中表现出最佳的恢复性能，并在添加细菌14轮后保持了超过最低抑菌浓度的浓度。

令人印象深刻的是，不同样品的恢复过程是不同的。在加入相同数量的细菌的情况下，3s-HoMS显示出比2s-HoMS(17.3%)更小的下降(9.8%)(图4f)，表明在刺激条件下，保留在3s-HoMS中的MIT分子更容易释放。相比之下，负载了MIT的TiO₂空心球和MIT不显示响应释放的能力(图4e)。负载MIT的SBA-15具有良好的缓释性能，然而，其响应释放不如3s-TiO₂-HoMS。SBA-15在添加细菌后显示出18.1%的最大下降(图4f)，并且它在恢复阶段甚至在20h后也不能达到初始浓度。

 图4. MIT释放和抗菌性能。

小结

总之，成功合成了TiO₂–HoMS样品，并将其用作智能药物载体。通过使用抗菌剂MIT作为模型分子，获得了极好的持续释放表现。在相同条件下，MIT-3s-HoMS系统的相应抗菌持续时间，比不含HoMS的纯MIT系统长近8倍。HoMS中相对隔离的空腔和分级孔，导致空间中不同的化学和物理环境，引起各种形式的药物负载和暂时有序的药物释放。同时，系统存在一种智能且有效的刺激反应释放。在HoMS体系中，由三个释放阶段组成的顺序释放，为未来智能纳米材料的设计提供了一条途径。

参考文献：

Decai Zhao, et al. Sequential drug release via chemical diffusion and physical barriers enabled by hollow multishelled structures, Nature Communications, 2020.

DOI: 10.1038/s41467-020-18177-2

https://www.nature.com/articles/s41467-020-18177-2