金屬-有機框架材料在藥物傳輸系統(tǒng)中的應用

1、文獻綜述 專業(yè)：化學工程與技術 姓名：蘇方方 學號：3金屬-有機框架材料在藥物傳輸系統(tǒng)中的應用摘要：近年來，金屬-有機骨架材料(MOFs)作為一種新型多孔材料，由于具有晶體的有序結構、可調孔道尺寸、高比表面積、結構新穎并且具有潛在的優(yōu)良性能等特點，越來越引起人們的關注。MOFs 材料經(jīng)常被用在催化、氣體分離、藥物傳輸、影像和傳感、光電子和能量儲存等領域。本文以金屬-有機框架在藥物傳輸系統(tǒng)方面的應用為重點進行綜述，并對其未來的研究加以展望。關鍵詞：金屬-有機骨架材料(MOFs)、藥物傳輸、應用金屬-有機框架( MOFs) 是指由金屬離子/團簇與具有一定剛性的有機配體分子所形成的一維、 二維或三維

2、等多孔晶態(tài)化合物 。由于 MOFs 的孔道?？稍诿摮淇腕w溶劑分子后保持穩(wěn)定， 在 MOFs 材料的研究初期，將研究的重點主要集中在氣體吸附和對分子的自組裝過程的研究; 隨著對MOFs 研究的深入，研究的重點逐漸由氣體吸附擴展到磁學、光學、分離科學、催化及藥物傳送等熱點研究領域。目前， 制約藥物傳遞系統(tǒng)發(fā)展的困難之一就是載藥量低， 而 MOFs 由于具有高度的多孔性和其內部的親水親油基團，而實現(xiàn)較高的載藥量。此外，MOFs 可在非常廣的范圍內選擇不同金屬離子與各種有機配體進行絡合，因此，將其用于藥物載體時，可根據(jù)藥物的性質，設計出具有不同孔道結構和化學特性的金屬有機骨架。這種材料與這種材料與其

3、他載體相比，除具有載藥量高外，還具有種類多樣性、 結構可設計性與可調控性等優(yōu)點。1、 MOFs材料的基本特性MOFs又名配位聚合物或雜合化合物，是利用有機配體與金屬離子間的金屬配體的絡合作用自組裝形成的具有超分子微孔網(wǎng)絡結構的類沸石（有機沸石類似物）材料。1.1多孔性MOFs 大多數(shù)都具有永久性的孔隙，孔徑約3.8-28.8nm，較小孔直徑的Cu2( PZDC )2( DPYG)與典型的沸石的直徑相當，大孔直徑的代表性 MOFs是Zn4O( TPDC)。通過選擇適宜結構和形狀的有機配體就可以控制合成的 MOFs 孔的結構和大小，從而控制骨架的孔隙率和比表面積，得到適合于不同應用要求的多孔材料。

4、1.2 有較大的比表面積藥物的載藥過程主要由載體的吸附性決定，表面積是吸附藥物總量的決定性因素。表面積大的載體利于容納大量藥物并可選擇性的包裹高劑量或低劑量的藥物。報道合成的晶體 Zn4O( BTB )2(MOF-177),比表面積4.5103 m2g 1，有超大空隙，能鍵合多環(huán)有機大分子。新一代多孔、大比表面積的 MOFs 將會有效提高載藥量，給現(xiàn)代載藥系統(tǒng)帶來新的方向。1.3 具有不飽和金屬配位點MOFs 在制備過程中，由于空間位阻等原因，金屬離子除了與大的有機配體配位以外，還會結合一些小的溶劑分子來滿足其配位數(shù)的要求，如水、乙醇、甲醇、DMF 等。另外，這些小分子有時還以弱相互作用( 多

5、為氫鍵) 的形式與有機配體結合。當合成的 MOFs 在高真空下加熱一段時間后，這些小分子就會從骨架中排出，金屬離子的配位就成不飽和狀態(tài)，有機配體也具有了結合其它分子的能力，整個骨架就具有了堿性和酸性位。因此，排空了小分子物質的 MOFs 就具有了催化或載藥等多種性能。1.4 結構的多樣性金屬離子和有機配體配位能力的多樣性決定了MOFs 的結構多樣性; MOFs 的結構還受到很多因素的影響，選擇不同的制備條件也可能會獲得不同結構的骨架; 因此，研究者們制備了各種各樣的拓撲結構的 MOFs，如立正方體形、磚壁形、金剛石形、石英形、梯狀、格子形等結構。從空間維數(shù)上看，MOFs以有一維、二維和三維結構

6、，其中以二維和三維結構居多。2、 MOFs 的制備羧酸以及含氮雜環(huán)配體與金屬離子的反應活性很高，因此， MOFs 的合成多采用一步法， 將金屬離子和有機配體自組裝即成。常用的 MOFs 合成方法有兩種: 擴散法和溶劑熱法。 2.1 擴散法擴散法是指將金屬鹽、 有機配體和溶劑按一定的比例混合成溶液置一小玻璃瓶中， 再將小瓶置一加入去質子化溶劑的大瓶中，封住大瓶口，靜置一段時間后即有晶體生成。該法的優(yōu)點是條件溫和、 操作簡單、 容易得到質量較高的晶體用于測定; 缺點是過程耗時較長。 2.2 溶劑熱法 溶劑熱法是指有機配體與金屬離子在溶劑中于適當?shù)臏囟群妥陨鷫毫ο掳l(fā)生的配位反應。該方法具有設備簡單、

7、 晶體生長完美等優(yōu)點，是近年來研究的熱點。此外還有表面活性劑法1 、 模板法2 、 離子液體熱、 微波和超聲波等方法。目前，絕大多數(shù)文獻還是采用溶劑熱法3 ，且多采用芳香羧酸， 如吡啶二羧酸、對苯二甲酸，或咪唑、 三氮唑等具有共軛結構的配體和過渡金屬( 主要為第一過渡金屬離子) 配位體進行合成。反應條件包括濃度、溫度、 pH 等對 MOFs的組成和結構有著重要的影響， 甚至可能在 MOFs 的形成過程中起到?jīng)Q定性的作用。3、MOFs 在載藥中的應用用作藥物載體的材料首先需要滿足其在機體內的低毒性，其次還要保證良好的生物兼容性。MOFs材料由于具有高的藥物負載量、生物兼容性以及功能多樣性，因此成

8、為可以廣泛應用的藥物載體。法國 Frey 研究小組4在2006年首次報道了 MIL-100 和 MIL-101作為藥物布洛芬載體的應用，每克MOFs 材料分別可以負載0.347g和1.376g布洛芬，兩者的負載量的差異主要是由于材料的孔尺寸不同導致的。MIL-101 具有更大的五邊形和六邊形的孔徑，因而更適合布洛芬分子的進入; 而 MIL-100的孔徑較小阻礙了藥物的進入。MIL-100的起始緩釋時間為2 h，完全緩釋時間為3d，而MIL-101為8 h和6 d，優(yōu)于MIL-100。但由于材料的金屬中心為鉻元素，因此限制了它的應用范圍，也許可以以MIL- 101( Fe) 作為替代，從而具有更

9、廣闊的應用前景。2008年，他們5還報道了MIL- 53( Cr，F(xiàn)e) 作為布洛芬藥物載體的應用，它們均可吸附 20% ( 質量分數(shù)) 布洛芬，表明負載藥物量與材料的金屬中心無關。在生理條件下，由于材料框架在高溫下的擴展性使得材料的孔徑與藥物間進行了最優(yōu)匹配與作用，因而不但滿足零級藥物釋放動力學，并且藥物的完全緩釋時間也長達3周，說明 MIL-53表現(xiàn)出了良好的藥物負載性能。多數(shù) MOFs 材料的尺寸均不符合使藥物在生物機體循環(huán)系統(tǒng)內更好的運輸?shù)囊螅?因此設計納米級 MOFs 材料既可以滿足以上需求，又可以提高藥物的藥代動力學性能。2010年,制成了無毒的納米范圍的 Fe-MIL-100和

10、Fe- MIL-101-NH2等一系列鐵羧酸化物合成的MOFs，并應用于載藥和成像6。在生物學應用方面，為防止粒子間的相互聚集，將納米范圍的 MOFs粒子用多種聚合物包衣( 如 PEG) 。Fe-MIL-100經(jīng)過體37、7d 孵化后發(fā)生降解。Fe- MIL-100 在雌性小鼠的體外急性毒性試驗中，最大劑量為 220 mgkg1 時表現(xiàn)為低毒。其低毒性為免疫和炎性反應伴有的可逆行的體重增加， 并可在注射 13 個月內自行恢復。兩親性抗腫瘤藥物白消安( Bu) 的載入是通過簡單的浸泡法，即將 Fe-MIL-100浸泡在飽和的藥物溶液中，其載藥量高達25% ，并可避免毒性有機溶劑在化療中的使用，從

11、而降到了小劑量藥物產(chǎn)生的肝毒性?？椎乐蟹肿訝顟B(tài)的白消安的活性與未包裹的相同。用相似的方法，F(xiàn)e-MIL-100也可作為齊多夫定( AZT-TP) 、西多福韋( CDV) 和多柔比星( Doxo) 的載體材料并因其分子具有海綿狀而達到高載藥量。MIL-53 由于孔徑比 AZT-TP 小， 易產(chǎn)生突釋現(xiàn)象， 而AZT-TP、CDV 和 doxo 在 Fe-MIL-100中的釋放有顯著改善。在體外抗 HIV 實驗中，與 200 nmolL 1 AZT 或AZT-TP 相比，包裹的 AZT-TP 表現(xiàn)出明顯的抗HIV 活性。在所有情況下，F(xiàn)e-MIL-100在載藥能力和控制藥物釋放能力方面勝過其他多孔

12、鐵羧酸類MOFs。2009年，將Fe-MIL-101-NH2 用于載藥和成像，粒子中氨基組份的存在允許生物相關組份產(chǎn)生共價鍵的連接7 。其將含有 NH2 基功能團的MIL-101( Fe) 納米粒子作為 ESCP( 順鉑的前藥) 前藥的載體，其最高載藥量達到 12.8% 。然而，這種納米粒子在37 的 PBS 緩沖液中不穩(wěn)定且降解過快，為控制藥物的釋放，在其外面包裹一層薄薄的硅層。由此，BODY 和 ESCP 的載藥粒子在37 的PBS 緩沖液中的半衰期分別降至 16、14 h，而未包衣的半衰期分別為2.5 h。體外細胞實驗表明其有效性與順鉑相同，對癌細胞 HT-29有一定的毒性。近年來，MO

13、Fs 在傳統(tǒng)的 MIL 系列基礎上，產(chǎn)生了多種新型結構。文獻8 用溶劑熱法制備3 個同分異構體的納米管網(wǎng)狀 MOFs 結構Mg3 ( H2O) 4( 5-aip) 2 ( 5-Haip) 2 4DMA，并將5-氟尿嘧啶( 5-FU) 和布洛芬( IBU) 作為模型藥物， 其載藥量分別為 21.06% 、16.49% 。體外釋放性試驗表明:載 5-FU 的載體在 6 h 內最初的快速釋放率為83.8% ，IBU 在 8 h 內的 釋放率為87.77% 。與MOFs( 如 MIL-53 和 MIL-1015c) 作為載體相比，具有更高的釋放速率。4、 展望金屬-有機框架作為一種新型的藥物載體， 在

14、生物醫(yī)藥領域有著廣闊的應用前景。但尚存一些不足: 如生物相容性的不確定性; 制備過程中采用有機溶劑易造成殘留; 有的釋藥過程存在突釋現(xiàn)象; 影響載藥量的因素較多( 包括粒子的孔徑、 表面積和孔體積等不能精確控制等) ; 與其他載體材料相比， 還處于起步階段，目前研究多集中在體外，在體內的研究還有待加強。參考文獻1 Taylor K， Jin A， Lin W Surfactant-assisted synthesis of nanoscale gadolinium metal-organic frameworks for potential multimodal imaging J .Ange

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