介孔二氧化硅纳米粒子在生物吸附、酶固定、传递载体方面的应用

介孔二氧化硅纳米粒子在生物吸附、酶固定、传递载体方面的应用

介孔二氧化硅纳米粒子（MSNS)为在治疗、药品和诊断中的广泛应用，提供了一种非侵入性（无创）和生物相容性的传输平台。创建智能，刺激响应的系统，在局部的微妙变化的蜂窝环境都可能产生许多目前的药物/基因/ DNA / RNA的传递问题的长期解决方案。此外，MSNs已经被证明在支持酶固定方面有很大的前途，使酶保留他们自己的活动，为在生物催化和能源方面的广泛应用提供了很大的潜力。本文提供了一个全面的总结，在过去十年取得的进展，以及关于MSNs的可能应用作为生物大分子储存和传递的纳米容器。我们讨论了一些关于在MSNs中生物大分子的吸附和释放的重要影响因素，以及这种纳米材料的细胞毒性方面的审查。审查还强调了一些有前途的工作，即利用介孔二氧化硅纳米粒子的酶固定性。 1.介绍

在过去几十年的深入研究和发展集中在发现新的治疗方法。不幸的是，许多新药物是很难直接管理的，由于其在生物系统中的降解性。随着纳米颗粒作为载体的使用，药物的毒性和副作用可以大大的降低，并且药物分子可以通过内吞作用转成不同的细胞。这是与往往被采用仅仅通过大细胞（例如，巨噬细胞）或留在外面的靶细胞的微粒进行对比。多种不同的纳米材料，例如双层氢氧化物（LDH）、脂质体和聚合物纳米粒子，已经被视为是生物大分子的控制和有针对性释放的传输工具。

介孔二氧化硅纳米粒子（MSNs）形成另一组重要的无机运载系统。他们是理想的候选材料，是由于其形貌可控，有序结构和孔隙度，高水品的生物相容性以及以功能化。自从在1992年发现了MCM-41s，新介孔二氧化硅材料的合成取得了快速的发展。MSNs最著名和共同家族包括MCM- n,SBA-n（圣巴巴拉的无定形二氧化硅），MSU-n（密歇根州立大学二氧化硅），KIT-1（韩国技术研究所），IBN（生物工程与纳米技术研究所）和FDU-n（复旦大学）。每个家族都有自己独特的优点和缺点，并已成功地使用在各种应用中。这些应用包括药物输送，催化剂载体，蛋白质吸附分离，细胞成像，细胞标记，酶吸附和固定。此外，介孔氧化硅材料可以与其他纳米材料一起合成，创造新的纳米复合材料，开辟了广阔的应用前景。功能化硅材料的准备，使得其成为生物用途和催化方面的理想候选材料。此外，作为多孔结构，他们展现出了高比表面积，大孔体积和有序的网络孔道。介孔二氧化硅的这些性能允许药物或生物大分子的高负载，改善控制的装载和释放动力学，以及高的生物相容性，因为他们很容易被化学修饰。

在过去的几年里对于介孔二氧化硅的合成以及其应用有许多优秀的评论。然

而，在过去的5年，在介孔二氧化硅中，随着指数的增加的研究，重要的是去提供一个简洁和严格审查的最新进展。本次审查将侧重于一些突出的主题，如蛋白质吸附，药物输送，脱氧核糖核酸/中/疫苗传输和酶固定，包括使用复合磁性材料作为一种酶纳米二氧化硅载体。我们总结了一些在MSNs领域的重要进展，生物医学应用和酶固定分别为表1和表2。本次审查将提供一个深入了解不同类型的生物分子，能够使用MSNs传递，和重要的影响因素封装或吸附的生物分子和

他们的释放机制。此外，MSNs材料的细胞毒性的重要方面被讨论。 2.介孔二氧化硅纳米粒子（MSNs） 2.1 MSNs的介绍

许多生物医学领域，一个理想的传递系统应该能够传递化学或生物分子到靶位以控制方式。理想的控制传递系统的先决条件是：（1）生物相容性和生物降解性，（2）控制货物的释放，（3）控制负载和靶向疗法的释放，（4）零过早释放，（5）刺激的反应。用所有的这些特性和功能，很难找到一个理想的材料传输系统。为此，各种传输系统已经被设计和开发。聚合物纳米粒子，树枝状，和脂质体都进行了作为智能材料测试，获得一个理想的控制传输系统。几种药物传递系统已测试零过早释放，但在大多数情况下，货物分子包埋在聚合物的基质中或无机粒子会在几小时之内泄漏，是由于聚合物基体的扩散或降解。为了克服这种泄漏问题，最近调查了一些纳米粒子为基础的系统，包括介孔二氧化硅纳米粒子（MSNs）。自从Mobil’s这种材料之后，许多关于MCM - 41型材料的合成的文章被发表。但是，蔡等人。第一次报道了MSN的MCM-41型的形貌控制和颗粒大小的影响因素。他们通过在极低的表面活性剂浓度和基本的PH条件的强烈搅拌下，合成了纳米球（110nm），亚微米尺寸的棒和微米尺寸的扁圆形。此外，他们提出了一个形成介孔二氧化硅纳米粒子具有不同的形状和大小的详细机制。他们的结论是，合成的MCM-41型的材料包括核和自组装二氧化硅前体在碱性条件下存在的模板。通过催化剂使用的类型来确定颗粒的相貌，例如，氨水导致了一个棒状形态，而氢氧化钠形成了短而小的尺寸的胶束，制备成颗粒球。

至今，许多药物被研究在MSNs中的吸附和释放（表1）。然而由于小孔径的MCM型材料，分子大小可纳入并且加载进孔内有限的2-3nm。因此，大分子如蛋白质、酶、基因都不能被使用。通过改变PH值，温度和表面活性剂的类型，许多拥有不同尺寸，形状，形貌的介孔材料已经被成功的合成了。最近，Nazar 和他的同事报道一种合成SBA-15型纳米棒的策略，具有小颗粒尺寸（300-600纳米长）和大孔（6纳米），使用一种非常稀的溶液制备的，在P123与所有其他关于SBA-15报告的相比较。他们发现，由于在低浓度的模板和轻度酸性条件下，与早期报告的不同形貌相比，粒子的粒径更小。Kim等人，第一次制备了SBA-15型纳米微球，其平均直径为500-600纳米，使用丙酮P104为模板，正硅酸甲酯最为硅的前躯体。这是特别重要的SBA - 15型材料表现出较高的热稳定性和化学稳定性比MCM - 41型二氧化硅。韩等人，合成的介孔二氧化硅纳米粒子，具有三维立方结构和大的孔径，通过使用具有高表面活性和疏脂性的阳离子氟碳表面活性剂。使用不同的表面活性剂模板和甲苯（底）作为孔隙肿胀剂，他们合成的粒子具有不同孔径大小和有序结构（ibn-1到ibn-5）。他们能够扩大孔径20纳米。

另一个非常独特的三维立体结构（Id3d)MSNs的MCM-48类型已经由许多研究人员合成了。具有一个开放网络结构的优点，它提供了方便且直接进入主体分子。然而，合成的MSNs的这些类型需要耗费一些时间的水热处理。此外，大于1mm的大粒径尺寸使得他们不能吸收，作为药物传递载体。许多研究人员，正在

试图减小颗粒大小，同时保持单分散的纳米粒子。 Schu-macher等人，在室温下已经制备了这些类型的颗粒，用小于1mm的颗粒尺寸，但是它仍然没有使用，为基于细胞的蛋白和基因的传递。

表1 装载到介孔二氧化硅的不同类型的药物

化学成分 改性 吸附机理 释放机理 泰克索 未改 通过孔径的从不同的孔大小和溶剂径大小扩散 的类型扩散 布洛芬 不同表面活浸渍 扩散 性剂 布洛芬 未改 浸渍 从不同的孔径大小扩散 布洛芬 -NH2官能浸渍 扩散 化 万古霉素 巯基官能化浸渍 添加还原剂 和环糊精上限 材料 FSM 参考 40 MCM-41 MCM-41 MCM-41 MCM-41 80 13 80 61 MCM-41 庆大霉素 MCM-41 抗菌剂 SBA-15 SBA-15 MCM-48 SBA-15 庆大霉素 阿莫西林 MCM-41 MCM-41 MCM-41 SBA-15 and 扩散 依靠颗粒的物理形态 红霉素 从立方结构扩散 红霉素 疏水组附件 浸渍 功能化的表面通过扩散来释放 阿司匹林 不同的功能浸渍 扩散：没有化方法 明显的不同 布洛芬 添加的不同简单的浸渍 通过毛孔和亲水基团经表面官能团合成后移植 扩散 阿仑膦酸钠 氨基官能化 简单浸渍 在SBA-15案例中的扩散-溶解一共聚物/二氧化硅复合粒子 室温下含有二氧化硅的离子液体 未改 有序大孔SBA-15 未改 浸渍 通过共聚物127 基体扩散 形状和形貌128 的驱使释放 129 130 13 63 浸渍 浸渍 在不同PH值得溶液中 浸渍 131 81 67 阶动力学 MSN type II 导入植物细三乙二醇官基因用启动闸门开度触54 胞的基因 能化 子修饰为了发器以备用附加到来打开门，MSN-II 以便释放核 酸进入细胞 MCM-41 喜树碱 氨基和磷酸简单浸渍 扩散 64 酯官能化 中空介孔二荧光素异硫氨基官能化 简单浸渍 扩散 132 氧化硅纳米氰酸酯 粒子 SBA-15 L-色氨酸 未改 简单浸渍 扩散 66 MCM-41 阿替洛尔 羟基磷灰石简单浸渍 缓慢扩散是133 /二氧化硅由于复合材复合材料 料（HA/MCM-41) 布洛芬 MCM-41 不同颗粒 简单浸渍 依靠形貌和37 功能组 SBA-15 牛血清白蛋水凝胶封装 涂层在低的PH驱使释123 白 PH值中处放 理后加载 MCM-41 细胞色素 未改 扩散/大孔 通过细胞膜134 吸收 MCM-41 牛血清白蛋聚乙二醇 简单浸渍 通过亲水性77 白 聚合物扩散 MCM-41 Paclitexel -NH2 简单浸渍 依靠细胞摄79 取能源 MCM-41 DNA/基因 聚乙烯胺 简单浸渍 受体介导的135 释放 SBA-15 阿仑膦酸钠 -NH2 简单浸渍 扩散/功能72 化的程度 MSN 酸性橙-II 三甲胺（正简单浸渍 PH控制释136 电） 放 MSN 罗丹明-B α-CD 简单浸渍 酶反应 60 MCM-41 维生素-B2 -NH2 简单浸渍 PH值响应 62 具有超大孔蛋白质分离 未改 由于大孔径 分子筛 137 隙尺寸的MSN MCM-41 钙 用脂质双层简单浸渍 释放依赖于138 包覆 PH值 MSN DNA 新型双表面扩散/大孔NONE 47 活性剂体系 径 介孔二氧化硅胶体（CMS) MSN MCM-41 生物素与亲巯基官能化 共价键 和素 布洛芬 藏红 O 双模板技术 简单浸渍 附上糖涂金简单浸渍 纳米粒子 酶反应 139 MCM-41 Paclitacxe用金纳米粒简单浸渍 l 子包覆 MSN 阿仑膦酸钠 羟基磷灰石简单浸渍 溶解-扩散85 和共聚物的控制 涂层 MCM-41 布洛芬 含有硅的磁简单浸渍 溶解-扩散141 性纳米粒子控制 用共聚物包覆 MCM-41 环磷酸泉甘 硼酸官能化 简单浸渍 葡萄糖反应 82 PMOs 四环素 形貌控制 简单浸渍 分散 33 SBA-15 尼莫地平 未改 液相移植 分散 142 MNP(Mechan碘化丙啶 用瓜环官能合成后移植 PH值响应84 ised 化 释放 nanoparticles made of MSNs) 中空MSNs 碘化丙啶 α-CD和有合成后移植 PH值响应126 机连接器 释放 MNP 名改性β- Azobanzene共聚物 光控 143 CD ，罗丹明 官能化 B MSNs 香豆素 Azobanzene共聚物 光诱导 83 540A 官能化 最近，Kim等人，发表了非常详细和复杂的MCM-48类型的合成过程，MCM-48是用粒径尺寸在50-70纳米之间，孔径为2.3-3.3纳米，和非常高的比表面积约

2-1

为1250mg的球形单分散纳米粒子合成的。合成进行了，通过修改施托贝尔方法，使用丙酮F127去控制颗粒的尺寸，并且用烷基链表面活性剂去控制孔结构。他们也研究了搅拌速率、表面活性剂的浓度、及热处理后的颗粒尺寸、孔隙体积、表面积和孔直径。到目前为止，这是唯一一篇关于MSNs的单分散性的MCM-48类型的报告。这可能是非常有用的，在药物传递领域，如高表面积、粒径小、以及有序和独特的三维结构，使得他们在生物分子的吸附方面是理想的。比较不同类型的可控形貌的介孔结构和生物分子在吸附和解吸的影响之间的研究尚未有进行。

另一类新的MSNs是中空介孔二氧化硅纳米微粒。由于其低密度、大比表面

扩散 140 照片和PH122 值响应（双机制） 光诱导 86

积、明确界定的墙结构，他们可以用于各种应用，包括药物输送。我们首先合成PMO空心球用可调的壁厚使用一种新型的双模板方法。碳氟化合物和表面活性剂被使用作为双模板并且1,2-二（三甲氧基硅）乙烷被用来作为混合硅前躯体。 之后，表面功能化空心球与不同的终端群体如–SH,–NH2,–CN,–C=C和苯被合成。不同官能团的破坏性影响，关于空心球的结构被确认为进一步功能化。然后我们用这些新颖的颗粒传递四环素。四环素的吸附增加了，通过添加乙烯基

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（相对其他功能团体如–SH,–NH2和–CN）在二氧化硅表面。

表2、酶固定在各种介孔二氧化硅材料中的总结 介孔二氧化酶 负载 硅和相关孔Mg g-1 径 MCM-41 P6mm 细胞色素 c(牛3.8-5.8 40 ? 心脏)（30 ?） MCM-41 P6mm 木瓜（番木瓜乳0.5-4.9 40 ? 胶）（36 ?） MCM-41 P6mm 胰蛋白酶（牛胰）3.8-4.7 40 ? （38 ?） MCM-41 P6mm 过氧化酶（46 ?） 0.4 40 ? MCM-41P6mm 青霉素酰化酶23%重量 33.2 ? （PA） FSM-16 89 ? 辣根过氧化酶183 (HRP) MCM-41 P6mm 辣根过氧化酶147 66 ? (HRP) SBA-15 92 ? 辣根过氧化酶24 (HRP) MCM-41 P6mm 胰蛋白酶（牛胰） 90%的胰35 ? 蛋白酶被固定 MCM-48 24 ? 胰蛋白酶（牛胰） SBA-15 56 ? 胰蛋白酶（牛胰） SBA-15 75 ? 粗脂肪酶 (Newlase F) MCM-41 P6mm α-胰凝乳蛋白170 36-41 ? 酶40 x40x50 ? MCM-41 P6mm 胰蛋白酶 45 ? No 固定化酶活年份 参性 考 直接固定与共价偶联相比具有更高的活性 1996 165 1996 165 1996 165 1996 165 2000 189 2000 190 2000 190 2000 190 2001 191 1 2 3 4 5 6 7 2001 191 2001 191 比粗酶高2002 114 50-300% 激活胰蛋白2003 192 酶具有较高活性 5μmol 固定化胰蛋2003 193 g-1 白酶有类似的活性作为一种天然胰蛋白酶 8 HMS 40.4 ? 血红蛋白（Hb） (分子量：64500) 固定化血红蛋2004 194 白保留其活性和表现出卓越的性能作为一个生物传感器 9 HMS 40.4 ? 肌红蛋白（Mb） 10 11 氨基官能化介孔泡沫细胞（AF-MCFs）170-340 ? MCM-41 47 ? SBA-15 88 ? 甲基化SBA-15 79 ? KIT-6 84 ? 甲基化KIT-6 77 ? SBA-16 102 ? 甲基化SBA-16 88 ? FDU-12 104 ? 甲基化FDU-12 97 ? 无定型二氧化硅279 ? KIT-6 67-72 ? SBA-15 62-71 ? 葡萄糖氧化酶210 （Gox）(分子量：33000) 南极假丝酵母脂肪酶 B 南极假丝酵母脂肪酶 B 南极假丝酵母脂肪酶 B 南极假丝酵母脂肪酶 B 南极假丝酵母脂肪酶 B 南极假丝酵母脂肪酶 B 南极假丝酵母脂肪酶 B 南极假丝酵母脂肪酶 B 南极假丝酵母脂肪酶 B 南极假丝酵母脂肪酶 B 青霉素酰化酶(PGA）（70x50x55 ?） 青霉素酰化酶(PGA）（70x50x55 ?） 猪胃蛋白酶 10 44 23 37 35 5 30 28 37 45 固定化肌红2004 195 蛋白表现出卓越的性能作为生物传感器 较高的催化2005 78 活性和热稳定性 酶固定在甲基化的样品中具有较高的活性 2008 196 2008 196 2008 196 2008 196 2008 196 2008 196 2008 196 2008 196 2008 196 2008 196 酶固定在较2008 174 大孔径的支架中有较高的特殊活性 2008 174 12 13 SBA-15 67 ? 117.4 高的催化活2008 197 性与游离酶相似 14 15 16 APTES官能化SBA-15 SBA-15 60.7埃米 PMO:BTMS-氨基 89.0埃米 PMO:BTES-苯42.2埃米 PMO:BTES-联苯 36.0埃米 亲水性球形为氧化硅 亲水性球形为氧化硅 FSM-16 27 ? FSM-7 70 ? 青霉素酰化酶 溶菌酶 溶菌酶 溶菌酶 溶菌酶 68 75a -- 50a 75a 2008 181 2009 119 保留73%游离态形式的2009 119 活性 2009 119 2009 119 与游离酶相似特殊活性 特殊的活性增加2.5倍比游离酶 与游离酶相比具有更高的活性 2010 198 2010 198 热如绒毛的脂肪1.3 酶 热如绒毛的脂肪0.77 酶 脂肪酶（布拉克须鲷） 脂肪酶（布拉克须鲷） BSA(牛血清白蛋白) 纤维素酶（里氏木酶） BSA(牛血清白蛋白) 纤维素酶（里氏木酶） BSA(牛血清白蛋白) 纤维素酶（里氏木酶） 7.5a 13.0b 36.14 10.35 17 2010 199 2010 199 2009 112 2009 112 2009 112 2009 112 2010 182 2010 182 18 19 FDU-12 Fm3m 280 ? FDU-12 Fm3m 280 ? 氨基- FDU 12 Fm3m 254? 氨基- FDU 12 Fm3m 254? 官能化-FDU 12c Fm3m 官能化-FDU 12c Fm3m 132.57 21.80 50.9d 18.19d 乙烯基-FDU 12显示了最高的活性，在包里80%游离态酶活性的情况下 用VTES-SBA-15的固定酶有最高的活性比游离酶高2倍 20 SBA-15 97.1 ? APTES-SBA 15 99.3 ? 戊二醛-SBA 15 MPTMS-SBA 15 97.1 ? PTMS-SBA 15 青霉素酰化酶 青霉素酰化酶 青霉素酰化酶 青霉素酰化酶 青霉素酰化酶 89.8% 95.9% 94.1% 85.8% 97.2% 2004 172 2004 172 2004 172 2004 172 2004 172 95.0 ? VTES-SBA 15 青霉素酰化酶 100% 2004 172 102 ? COOH-SBA 102 青霉素酰化酶 84.2% 2004 172 ? 21 SBA 15 猪胰脂肪酶Max：926 Max：414U/g 2009 200 （PPL）（46x26 x11 ?） SBA 15 66 ? 猪胰脂肪酶177 36% 2010 201 （PPL） 二甲基-SBA 猪胰脂肪酶178 43% 2010 201 15 66 ? （PPL） 22 二异丙基猪胰脂肪酶193 72% 2010 201 -SBA 15 66 ? （PPL） 二异丙基猪胰脂肪酶208 61% 2010 201 -SBA 15 66 ? （PPL） 23 片折叠介孔来自分离嗜热脂30-60 保留游离酶2010 202 二氧化硅肪的丙氨酸消旋50%的活性，（FSM）40-85 酶 提高热稳定? 性 a吸附是在PH值为7的条件下产生的并且这个单元是大量吸附/（mmol g-1）。b这个吸附单元是“mg/100 mg FSM”。c官能化FDU-12包括：氨基，乙烯基，巯基和苯基（有机硅烷）。d乙烯基-FDU的吸附量。 最近，刘等人，报告了用平均颗粒尺寸为150nm（图1）合成了multishelled中空纳米微粒。Multi-shelled球体能够被有效的用来去吸附在每个外壳的不同化学分子。释放每个生物分子能够被调谐，使用不同厚度的壳。此外，这些粒子显示了非常高的亲和力对布洛芬（448mg.g-1），是由于其低密度、高比表面积的原因。QDs（量子点）和布洛芬被成功的加载到壳中。布洛芬分子的释放是缓慢的且持续的。

图1 示意图说明了多层介孔二氧化硅空心球的合成

除了上述提到的MSNs体系之外，许多团体正在研究新型核壳粒子的制备和表征。这种类型的系统是具有一个多空壳和一个核心功能的黄壳纳米颗粒。我们合成的单分散黄壳纳米粒子，用介孔二氧化硅纳米粒子作为核心并且用可调厚度作为一个孔壳（图2)。有趣的是，我们观察到了一个独特的三步布洛芬释放过程从纳米颗粒中。

2.2 在MSNs中理化参数对生物分子的吸附和释放的影响

表1总结了药物、基因、蛋白质和核酸已经被使用、装载、或连接到MSN材料中。在MSNs中对于生物分子的吸附和释放有四个主要的影响因素。 2.2.1颗粒尺寸和相貌

Monzano等人，研究了粒径在布洛芬的释放和装载中的影响。他们使用了MCM-41型颗粒，这种颗粒的尺寸范围为490-770nm。他们的结论是，用较小的球形颗粒，在控制药物释放方面取得了成就。然而，对于不规则形状的微米尺寸的颗粒，药物释放的非常缓慢。此外，他们还表明球形颗粒是很好的候选材料，对于控制药物的释放比不规则形状的。曲等人，也显示在卡托普利的吸附方面MSN形状的影响。他们的结论是，卡托普利的吸附是更高的在棒状颗粒中比球形颗粒。后来，桥和他的同事产生了螺旋杆像MSNs一样，具有一个高的有序结构。他们发表了详细的机制，对于合成这些一维棒状的像颗粒一样的类型，展示了能够控制阿司匹林的释放。

图2具有介孔壳的蛋黄-壳结构的制备过程（顶图）。蛋黄-壳的合成材料是使用球径为260nm的二氧

化硅作为核心。a)SEM图，b)TEM图。

2.2.2孔径尺寸和形貌

孔径空隙大小是最重要的影响因素之一，主体分子的选择性吸附和释放，包括蛋白质，基因，核酸，来自MSNs的抗生素；有许多的研究强调了这些影响。Hate等人，在1999年，首次报告了孔径的影响，溶剂的影响关于装载和抗癌药物紫杉醇的释放。Vallet-Regi 和他同事的进一步研究表明，孔径的大小作为一个重要的因素决定了生物分子的吸附和释放。还有证据表明，孔径能够有效的改变装载和释放。

最近，很多人的兴趣转向合成有序的MSNs具有大孔径（10-30nm）。大孔径尺寸是有利的，特别是在蛋白质和核酸吸附方面，由于其尺寸的关系。Fan等人，是第一个制备有序的介孔材料，这种材料具备30nm左右的超大孔径。Qiu和他

的同事，最近合成了具有相互关联的渠道结构的超大孔径的MSNs。这些颗粒也显示了良好的蛋白质分离能力。Botella等人，报告了另一个发现，使用一个双表面活性剂和低的合成温度下制备了20nm孔径的单分散的MSNs。他们观察到，增强了质粒核酸的吸附能力，这是由于大孔径的缘故，并且报道了迄今取得的最

-1

高核酸含量的硅基材料（0.07μg DNA m）。 蛋白质可以与介孔材料相关联，通过三个相互作用：物理吸附、封装和化学结合。许多不同的蛋白质已经成功的吸附在介孔硅材料的表面。孔径也是一个主要的影响因素，对于负荷蛋白质进入介孔二氧化硅网络。小孔径导致了大多数蛋白质停留在表面，因此不能通过孔径出现在内部大的表面积上。他已经表明，大量的蛋白质能够容易且快速的吸附和释放，在大孔径的硅材料上例如MCFs。 此外，孔的大小能提供额外的优势，包括大小选择性的分离蛋白质的解决方案。Katiyar and Pinto 能够证明这个用SBA-15材料，使用两个不同蛋白质溶菌酶和牛血清蛋白质（BSA）。通过使用共焦激光扫描显微镜，他们表明较小的蛋白质溶解酶被吸附进SBA-15的孔中，并且较大的BSA停留在孔的外部而不是内部。此外，这也表明MSNs能用于蛋白质的分离。Qiao和他的同事合成了MCM-41型MSNs，用磁性Fe3O4去生产磁性硅纳米微粒。使用所生产的磁性纳米复合材料作为吸附剂，他们表现出选择性的分离细胞色素C，来自一个牛血清蛋白双组分溶液，并且细胞色素C具有一个磁场。

如前所述，为在体内传递限制硅材料的孔径是一个主要的障碍，为生物大分子的负载，然而已经有一些研究表明，RNA和DNA能成功的纳入硅材料中。这些RNA/DNA片段或碎片一般是小尺寸的，这是由于材料的小孔径。然而，他已经被证明是成功的。Torney和他的同事研究的DNA吸附和传递是一个很好的例子。他们表明通过使用硅材料作为传递工具，用孔径为3nm的DNA吸附MSNs是很容易提取的，通过植物细胞壁和健康的叶子。Solberg and Landry报道了，具有769和2000的碱基对长度的DNA被吸附进入介孔二氧化硅的各种孔径。 2.2.3 表面积

在介孔材料中，表面积也有一个重要的影响，关于货物分子的负载和释放。他已经得到了很好的解释，随着表面积的增加，吸附活性点数的增加，吸附的分子数也增加。这也被证明了阿仑膦酸钠在相同条件下的例子。在另一研究中，表面积在布洛芬的吸附中只有一点点影响。不幸的是，文献的量称这个是没有意义的。

2.2.4 MSNs的表面化学和功能化

MSNs的表面功能化是一个典型的证明，使用一锅合成（共缩聚），合成后（嫁接），和PMOs(周期性介孔有机二氧化硅）合成法。研究者们观察到官能化的程度依赖于共缩聚剂的浓度、分子大小、以及亲水/疏水性。此外，颗粒的形状也依赖于共缩聚剂被使用的类型。例如，一个疏水性的共缩聚剂导致了小而圆的颗粒形成，而疏水性这导致了棒状颗粒的形成。然而一锅合成法也有许多的缺点。例如，结构的有序程度降低随着共缩聚剂浓度的增加，较高的浓度也会导致孔径的减小。

另一个方法是去在二氧化硅的表面附加所需的官能团，这也就是所谓合成后的嫁接法，即表面活性剂的去除之后，有机官能团被添加。这种方法提供了选择性的有点，即介孔二氧化硅基体的选择性涂层是更好控制和优化的。然而他也可能导致非均匀的表面涂层。这是因为硅羟基表面上比那些内部空隙壁更容易得到。

表面功能化也是一个重要的因素在控制生物分子的吸附和释放方面。例如，具有氨基团的MSNs的表面功能化显示了释放率与氨基团的数量有直接的关系。许多研究已经进行了实现控制和刺激做出反应的药物传递体系，使用MSNs的功能化。对于为什么官能团化很重要有许多的原因，但它主要是进行分子负载的增加和去改善内在颗粒与分子之间的关系，例如增加粘结剂的稳定性及提高生物相容性。其他例子包括目标和控制药物的释放。例如在MSNs表面使用氨基酸团和烷基链使药物吸附的数量增加。此性能最近已经被利用去建造刺激反应的药物传递系统。

一个最有前途的关于MSNs的官能团化被Mel等人报道了。在那里他们被嫁接到介孔二氧化硅的外表面，使用作为合成MSNs，以便于他们能够达到更高的吸附选择性和特殊性。经紫外线照射（310nm），香豆素二聚体在硅表面关闭了门。随后在250nm的紫外光照射下导致了香豆素二聚体的崩溃，因此释放加载与孔内加载复合。

许多研究表明，通过静电键合表面功能化提高了蛋白质的吸附能力。使用氨基酸团，二硫键粘合或引进硫醇有显著的提高许多药物的吸附性能（表1）。氨基二氧化硅也是应用最广泛的官能团之一，在蛋白质的固定和结合方面。许多研究表明，氨基官能化能给材料一个整体的净正电荷，从而提高与生物分子的静电键合。官能化材料与没有官能化或原始的相比，展示了可以大大提高生物吸附能力。

2.3 在MSNs中生物分子的吸附和释放的其他影响因素

其中一个重要的影响因素，蛋白质在介孔二氧化硅表面的吸附数量是PH值在吸附时的影响。使用硅材料的作为吸附剂的各种研究已经表明，出现了蛋白质的最大吸附或者接近蛋白质的等电位点。例如肌红蛋白、细胞色素C（cyt c）和牛血清蛋白已被证明具有很高的的吸附能力，在PH值等于或小于蛋白质的等电位点的材料上。这个是由蛋白质和MSNs之间的相互作用引起的。因为排斥力，材料表面蛋白质的吸附与在溶液中的蛋白质的分离之间是在最小的等电位点。 MSNs已经被使用来重现许多聚合物结构已取得控制以及货物分子释放的的预测。Rosenholme等人，最近介孔二氧化硅已经被涂层用聚乙烯亚胺（PEI），这也证明了使用荧光组分去追踪细胞中的MSNs。他们发现，官能化的MSNs与没有官能化的颗粒相比是五倍多的进入HeLa细胞。PEI官能化颗粒是稳定的，无毒的，并且进一步用于附加其他生物分子，例如叶酸和荧光染料。

引用文献上显示，MSNs的通用性和有效性不仅仅作为一个载体为主体分子的释放和吸附，而且作为获取有效的表面化学的一个合适手段。与此相反，对于MSN在药物传递过程中关于结构与活性的关系研究表明，表面官能化对于释放

和吸附不是一直有影响的。他们发现，来自MSN提供的，关于水杨酸的吸附和释放，表面氨基团的最小影响。因此在优化过程中，去考虑其他的因素是有必要的，例如孔径、孔体积、表面积和MSN的形状。上述关于吸附和释放的影响因素研究表明，孔径、表面积、形状和表面区域以及表面官能化所有的对于来自MSNs中的释放和吸附都是由贡献的。

通过在二氧化硅上形成一个涂层，它也可能增加MSNs表面的DNA的负载，同时有一个药物负载进入孔径内部。这样也能有效的增加材料的生物相容性并能提高其吸收进入细胞。例如，涂层的各种PEI的分子量在介孔材料的表面能够增加DNA和siDNA的吸附数量。这中涂层可以改善药物紫杉醇的传递，作为聚合物涂层的正电荷，允许颗粒和容易的转染进入细胞内。这种PEI涂层也已经证明siDNA的传递进入哺乳动物的细胞是有效的。

该颗粒占用到溶酶体的细胞，此处的siDNA被释放。质粒DNA也被负载在PEI涂层的MSNs上且有效的传递进入细胞。介孔二氧化硅纳米颗粒已被用于药物传递载体，此处药物分子能够被吸附，在介孔和siDNA结合表面。它显示了改善的吸附和细胞的减少（图3）。

图3 药物负载的原理和吸收机制以及siRNA涂覆的介孔二氧化硅

许多新的疫苗只是用病毒的片段与全抗原相比，介孔二氧化硅可用于保护和抗原的传递到达靶细胞。很少的研究表明，介孔二氧化硅作为好的佐剂，结果可以增加疫苗的有效性。 Mercuri和他的同事证明了，SBA-15负载具有一种16.5kDa的重组蛋白int1β来自大肠杆菌，能够保护小鼠抵制来自珊瑚蛇类的蛇毒。与传统的佐剂相比，结果表明抗体的反应是远高于目前可以用的。复合材料例如共聚物(PLGA)涂层MCM-41也显示了主要促进接种疫苗的使用是有效的。 3.MSNs的毒性

由于不同结构的介孔材料和不同合成方法，故研究生物相容性是一个挑战，因为它往往是困难的去创建一个生理条件，不管在体内还是在体外。在相对较低的剂量时，二氧化硅纳米颗粒是无毒的，但是成为高剂量时就有毒，并会诱导细胞损伤。早期的细胞毒性实验表明，与固体硅微粒相比较，MCM-41被认为是毒性较低的。最近许多研究都集中在介孔二氧化硅的细胞毒性，其中许多人得出结论是表面官能化的类别对于材料的毒性有一个直接的影响。体外研究表明，介孔二氧化硅与各种细胞株的相互作用是如何扩展的。其中包括3T3内皮细胞、人结肠癌细胞(Caco-2)、胶质瘤细胞、间充质干细胞和癌细胞。

一些文章报道了尺寸对细胞毒性的影响。在人单核树突状细胞中，存在一个尺寸效应，较大的微米级二氧化硅颗粒（2.5纳米）是具有高的毒性与较小亚微米（270nm)尺寸的介孔二氧化硅相比，这种介孔二氧化硅在高剂量时的毒性比低剂量时高。这种尺寸效应也能够被观察到，在使用非晶硅颗粒在人类血管内皮细胞中。低于20nm的二氧化硅的毒性比尺寸为104和335纳米的二氧化硅颗粒的高。这些大颗粒展示了小的毒性作用。在亚微米范围低于500nm的颗粒是可取的，因为他们很容易获得，细胞通过内吞作用且能够被看到局部的细胞的溶酶体。

剂量也是一个需要加以确定的重要因素。研究者表明，有一个剂量效应，如MSNs在低溶度时，相对是无毒的。在COS-7和MDA-MB-468细胞的研究表明，发现在低溶度低于25mg mL-1，有非常小的毒性。在这一水平上，颗粒开始显示出一些毒性。

合成方法的使用也能够扮演一些部分在毒性方面，已经被He和他的同事所证明，当他们测试了使用CTAB、氚核（Triton）和十二烷基苯磺酸钠（SDBS）在MCF-7细胞上合成不同的MCM-41类型的颗粒时。他们发现毒性的顺序由大到小是CTAB>SDBS>Triton。然而，当它达到功效时，CTAB MSNs表现出最好。此外，颗粒的形状的影响似乎没有多大的效果，对于在A375黑色素瘤细胞的毒性，使用球形MSNs(直径100纳米),短杆（240纳米长），长杆（480纳米长）。 介孔二氧化硅在溶血活性的影响是重要的，为了去了解材料与血液的相互作用。在 Lin and Haynes的研究中，他们发现尺寸，孔径和用量对溶血性细胞的活性有重要的影响。他们报告说具有有序结构的MSNs减少了这些细胞的活性与小尺寸的实心无孔颗粒相比，这是由于减少了硅团在表面的数量。然而这个也可以克服，随着聚乙二醇（PEG）涂料的增加，这也能增加其活性。溶血性实验最近已经测试了用中空介孔二氧化硅。再次，在低剂量（达到1600μg ml-1）时这些中空介孔二氧化硅最细胞的活性没有影响。He等人，获得了类似的结果，聚乙二醇化MSNs极大的影响了非特殊性血清的结合，并展示了有显著的减少溶血率与非聚乙二醇化MSNs相比。

MSN颗粒在体内的测试迄今只是在有限的小型啮齿动物，例如大鼠和小鼠。Hudson和他的同事测试了三个主要二氧化硅纳米颗粒类型：MCM-41/SBA-15和MCF的生物相容性。他们使用许多不同的部位注射如静脉注射、腹腔和皮下。全身生物相容性的如此纳米颗粒被怀疑会导致静脉注射的小鼠迅速死亡并且有些死亡是由于腹腔注射引起的。皮下注射是相对安全的，没有动物的死亡。然而，

剂量率是十分高的0.17g kg-1对于鼠群和1.2g kg-1对于小鼠，并且MSN纳米颗粒是没有官能化的。MSNs的剂量在40mg kg-1进入到尾基，PEI涂层的MSNs在小鼠内没有明显的毒性影响。在体内和体外的测试的不同是因为出现在身体中的细胞类型不同。而测试的这一类细胞，身体有一些防御机制，能够对抗异物的进入。二氧化硅颗粒的生物相容性已经展示了在小鼠中有使用荧光标记的二氧化硅颗粒。在一次证明，剂量率保持在较低水平20mg kg-1且这些颗粒从体内被清除通过肾脏系统。

虽然有许多的研究对于MSNs在体内的行为，但是没有研究展示MSNs在不同器官中能够消除和分散。最近Souris等人，显示了MSNs的肝胆排泄。他们使用具有不通电荷密度的带正电的MSNs做研究。使用在体内和体外荧光成像和电感耦合等离子体质谱法。他们解释了来自肝的MSNs的清除行为。他们准备了两个不同类型的带正电荷的MSNs，MSN-NH2-ICG（吲哚菁绿）具有ζ电位为+34.4mV，在生理学的PH值为7.4和 MSN-TA-ICG 具有ζ电位为17.6mV。这个结果显示了， MSN-NH2-ICG 能够迅速吸收和消除通过肝而MSN-TA-ICG 具有高的吸收并保留在肝上。值得注意的是，电荷的类型和密度能够被使用作为一个技术，去控制在体内的停留时间。 4.刺激反应MSNs的吸附、控制和靶传递

传统的传递系统是基于聚合物和其他类型的无机材料不具有刺激的反应。特别是高分子（聚合物）体系，总有危险在到达作用部位之前就是过早释放载物分子。许多刺激反应体系试图去克服被建立系统的缺点，使用MSNs作为载体为目标细胞。这些系统主要是通过化学触发值活性化了，例如PH值、酶、功能组别、温度或者光子去达到理想的控制以及在所需部位预测生物分子的释放（表1)。

4.1 PH值反应系统

PH值是最广泛使用的生物控制物去触发药物的释放，因为PH值在人体和生物细胞中是众所周知的，并且在PH值基础上很容易去锁定一个特定的器官。在过去的几年里，许多以MSNs为基础的PH值反应系统已经被研发去释放各种类型的分子，如药物、染料及其他化学基团。

Kim和他的同事研究了，环糊精和PEI混合使用去实现在酸性环境中的释放。客体分子被第一次加载进入毛孔，然后环糊精（CD）/PEI包合物附着在MSNs表面。由于笨重的这些化合物货物被保护，直到聚合物准轮烷破裂。在酸性条件下，这个CD复合物能够被打破，从而释放货物。Zink和他的同事最近报道了，一个有前途的PH值操作，机械化，纳米颗粒为基础的系统在酸性环境下，准确的控制释放到溶解酶和细胞中。他们修饰了氨基官能化的MSNs，用南瓜形状的葫芦形成一个PH值依靠与二氧化硅的复合。在较低的PH水平下，开关像机械颗粒一样打开且释放碘化丙啶（PI），这个开关在较高的PH水平下关闭。 另一个例子是，Zink和她的同事展示了一个类似于释放行动的类别可以被实现，使用环糊精衍生物作为PH反应的连接（图4）。以维生素B2的传递为基础的PH值也被实现，使用氨基官能化纳米门。许多努力致力于以PH值为基础

的系统，该系统是在酸性条件下释放货物，这是因为PH值为弱酸性条件下，适用在溶解酶和癌细胞内。然而，这些系统也没有能够被使用，为常规药物传输，中性PH值也是同等重要的对于药物传输进入小肠。有极少数的例子显示在中性PH值条件下释放。Kawi和他的同事使聚丙烯酸涂层在MSNs上，在生理PH值得条件下去实现蛋白质的释放。因此，以MSN为基础的研究缺乏传统目标，例如结肠、小肠和肝。这将是有趣的，去看这些新的纳米颗粒在这些人体器官中的影响。

图4 PH值的设计依赖于以MSNs为基础的系统，通过改变取代基；酸碱反应能被很好的微调并且碘化丙啶

的释放可以被控制

4.2 酶反应系统

Zink和他的同事开发出一种双卡口系统，特别是肝酯酶，在这种酶的增加的情况下，释放货物（图5）。其他的例子，如别丁亲和素控制MSNs作为一种蛋白酶反应和以酶反应系统为基础的乳糖涂层MSNs使得这些系统灵活，因为他可以利用许多酶。此外，Park等人制备了α-淀粉酶和脂肪酶反应MSNs使用b-CD顶盖。

最近，陈等人，制备了温度和酶反应的MSN为基础的支架。这些纳米阀门可以同时应对外界刺激，温度和内部刺激，例如脱氧核糖核酸酶I，这种酶使得他们成为理想化对于细胞的传递。抗癌药物例如喜树碱和氟尿苷被成功的加载并释放用上面提到的触发器。上述的例子表明这些系统对于药物和基因传递的能力。迄今只有几个以MSNs为基础的酶反应的例子。此外，也米有报道过这些系统在体内或体外的性能。

图5 以MSNs为基础的酶反应单元顶系统

4.3 化学触发反应系统

林和他的同事报道了许多系统，以MSNs的MCM-41类别为基础的生物分子的零过早释放。他们工作的一个经典的例子是MSNs用CdS纳米颗粒覆盖，去实现在酰胺上的释放。他们发现，CdS纳米颗粒涂层充当了一个生物分子释放的守门员。一种万古霉抗生素被成功的加载和释放，依靠二硫键的裂解程度。最近，他们报道了一种磁性纳米颗粒涂层MSNs（纳米棒）系统，用零过早释放。他们使用超顺磁性氧化铁纳米粒子代替CdS纳米颗粒做为涂层材料显示了，释放是减少的通过过氧化剂。

最近的一个例子，一个刺激反应的介孔二氧化硅为基础的传递系统是葡萄糖

反应传递的胰岛素。正如在图7中所显示的，葡萄糖改性胰岛素蛋白(G-ins）被固定到胺丙基官能化介孔二氧化硅的外表面。

糖类，例如葡萄糖，能够触发蛋白质的释放，他可以释放环磷酸腺苷（AMP）在细胞中。然后cAMP激活钙离子在胰腺的β细胞中，因此释放胰岛素。结果表明，胰岛素在体内和体外的释放都是良好的。这个系统也有潜力可以被用于糖尿病患者，遭受相关的胰岛素释放细胞问题。

图6 以介孔二氧化硅纳米棒为基础的控制超顺磁性铁氧体纳米粒子的刺激响应传输系统（磁性MSNs）

4.4 热反应系统

温度敏感的聚合物用于许多药物的传递系统，这是由于他们的独特性能如超过一定的温度他们就具有膨胀的能力以及低于一定温度就会收缩。这些系统能够被使用于生物体系去实现必要的刺激反应。聚氮-异聚丙烯酰胺（PNIPAm）（能够用于生物分子的传递）是众所周知的对于温度反应特性和涂层的双键功能化二氧化硅微球通过自由基共聚。最近，Chung等人制备了相似的复合颗粒，使用芳香官能团移植到MSN表面，其次通过可逆加成-断裂链转移自由基聚合（RAFT）。更

重要的是，他们发现在PNIAm中温度反应的构象变化导致了二氧化硅结构的改变。这个策略可以被使用去制备以MSN为基础的刺激响应的纳米阀门，药物能够被加载进入多孔结构并在一定温度下释放。使用新型的W/O皮克林乳液为基础的技术以及固体硅胶作为稳定剂，张等人制备了温度响应混合胶囊，这种胶囊是由PNIPAm和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）组成。布洛芬释放复合颗粒是通过聚合物的温度和厚度控制的。一个有趣的系统是最近设计的，用介孔二氧化硅网络和假旋转烷去包含锌-氧化铁纳米粒子。在交流磁场内（热能）打开分子的大门去传递药物。

图7基于MSN的胰岛素传输的葡萄糖反应

图8 来自复合微粒的阿仑膦酸钠的缓释

4.5 聚合物涂覆MSNs

最近，许多研究探讨了MSNs的聚合物涂层，因为其在药物传递、基因传递和其他生物医学领域的应用非常广泛。硅基无机纳米颗粒的涂层用可生物降解的聚合物，例如聚甲基丙烯酸甲酯（PMM），聚苯乙烯和聚乳酸（PLA）已经被广泛应用。这样的涂层提供了许多优势与没有涂层的纳米颗粒相比，像控制和缓释，对PH值得刺激响应，酶和光子或光。

在过去许多方法已经被制定，在介孔支架上涂一层聚合物，包括自由基聚合，可逆加成-断裂链转移（RAFT），乳液聚合和固体油在水乳化中（S/O/W)。Shi等人，研制了羟基磷灰石(HA)聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）包覆复合微粒为了控制生物磷酸酯的释放在以S/O/W方法为添加剂的基础上。他们发现涂层的介孔二氧化硅具有阻挡层，例如聚合物能有效的减少药物或生物分子的突发释放，与没有涂层的纳米粒子相比。有趣的是，涂层颗粒与没有涂层的相比毒性是少的，并且展示了阿仑膦酸钠缓释超过了一个月。这是有个有趣的方法，第一次在介孔

-1

二氧化硅上涂上一层HA去保护生物分子，然后使用SW/O乳化方法去涂覆PLGA，因为它表明了突发释放的减少。

黄等人进行了一项类似的研究，他们使用了相同的方法（S/O/W）在磁性介孔二氧化硅球上涂覆PLGA。复合颗粒是几个微米大小，并且显示了在模拟条件下有效地减少了布洛芬的突发释放。这种方法的一个缺点是，如大小，形状和药物的释放这些不同制定变量的影响是了解的甚少的。为了克服这个问题，高等人报道了一个新型的方法有效地涂覆几层聚合物去得到一个PH响应释放布洛芬。聚甲基丙烯酸-CO-乙烯基三乙氧基（PMV）成功的涂覆到了介孔二氧化硅上，通过自由基聚合方法（图9）。其结果表明，涂覆在介孔二氧化硅上的聚合物颗粒尺寸没有太多的改变。这些复合纳米颗粒显示了PH响应布洛芬的释放。最近Ho等人制备了PLGA涂层复合微粒，使用一种新型的双同心超声波雾化法法，为DNA首要提升接种。这种方法的主要优势是它制备的颗粒尺寸小。结果表明使用这种新型的技术，形成的微粒可以达到6微米。由于其颗粒的尺寸并不能被用于细胞药物的传递。

图9 以PMV为外壳的介孔二氧化硅的新型合成策略

然而，这是第一次报道小的复合MSN-PLGA微粒。此外，他们先是了一个高达98%的显著的装置效率，这些颗粒是均匀的尺寸大小和形状，且展示了在很长一段时间是零释放。然而，这种技术是不可再生的，也有一些因素很难控制，例如颗粒大小和厚度在大规模上。

自由基聚合，可逆加成-断裂链转移（RAFT），和乳化聚合可以用来形成各种特殊目标和特殊细胞传递系统使用MSNs。然而，由图9可知，聚合物涂覆在介孔二氧化硅上之后药物被加载，导致没有药物加载进入孔内与像S/O/W这样的方法相比。在许多最近的方法中，药物在装在进入孔之前去涂覆聚合物，并且聚合物是涂覆在他们上面的。后者受到水溶性分子泄露进入连续相，导致没有药物加载。因此，有必要去开发一个系统，能够提供高负载的效率和对目标的有效功能化涂覆双重优势。 5.酶的固定

与化学合成路线相比，酶的生物过程的主要优点是高选择性和收率。这些过程已经被广泛使用在许多行业，例如丙烯酸铵的生产，和去除废水中的重金属元素。在食品行业它们也被用于从淀粉中合成果糖，在制药行业中生产6-氨基青霉烷酸（APA）。这些过程的主要障碍对于工业化的可行性是酶的生产成本高。

未绑定（游离）酶通常有低大的热稳定性，有机溶剂，酸或碱并且它们恢复是很困难的。此外，生产的费用使得它减少了选择，作为工业催化剂与其他化学催化剂相比。此外，酶有高度的控制区域，立体和基底的特异性。普通的酶反应在非常温和的条件下进行。提高酶的稳定性和可重用性是非常可取的。最终，这将有助于降低生产成本。去提高酶稳定性的技术包括酶固定，酶修饰，蛋白质工程和介质工程。酶固定可以在表面附加一种酶或内部一种固体载体的孔隙。 酶固定可以通过物理或化学吸附到固相支架上，并且通过物理诱捕或封装在聚合物网络内。吸附是一个简单且便宜的方法，然而酶泄露确是一个问题。诱捕或封装是一个好的方法，去阻止酶和恶劣环境之间的直接接触，然而这些方法有大量传递的限制和低酶负载缺点。

广泛的酶已经被固定到不同的介孔二氧化硅材料上（表2）。本文将总结酶固定到介孔二氧化硅材料上的研究。

5.1 介孔二氧化硅材料作为酶固定的支架介质

Balkus等人，报告了溶菌酶固定用MCM-41 基质。这项研究突出了二氧化硅孔径对封装酶的重要性。但是，MCM-41不能够封装尺寸大于40kDa的生物分子。另一方面，具有大孔径（5-30纳米）的SBA-15为封装各种较大的蛋白质打开了广阔的可能性。然而，SBA-15材料（孔径尺寸为6.8nm）展示了较大蛋白质的小的吸附量例如牛血清白蛋白。Sun等人，通过扩大传统SBA-15的孔径，能够去进行高加速溶菌酶的吸附。他们创造了13纳米的有序打孔孔径。酶的吸附在10分钟之后达到平衡，与传统的SBA-15几小时相比。他们也能够确定大多数溶菌酶是在孔内的。Liu等人，报道了二氧化硅空心球的制备，这种二氧化硅空心球具有高有序的六角介孔排列在壳体中，通过一个简单的水包油（异辛烷（TMP）/水）乳液模板法，在缓冲溶液（醋酸钠-醋酸缓冲溶液，PH=4.4）中存在(EO)20(PO)70(EO)20使用硅酸四甲酯作为硅源。介孔二氧化硅展示了一个高的吸附能力（达到536mg g-1）和非常迅速（5分钟之内达到平衡）的溶菌酶固定。更重要的是，它揭示了具有凹凸不平表面的介孔二氧化硅空心球，在吸附过程中，能够大大加速酶的吸附率。

Fan等人，成功的合成了孔径达到27nm的有序大孔立方介孔二氧化硅（FDU-12）。这些立方结构显示了更好的性能与孔堵塞的2维机构相比较。大孔径的主要优点是，能够高效的传递客体分子进入多孔网络内。FDU-12介孔二氧化硅材料无疑提供了广泛的应用，对于生物分子的封装。我们最近合成了有序官能化立体介孔二氧化硅，具有25.4nm大小的洞和10.5nm的入口（图10）。这些二氧化硅已经被用来研究大型纤维素酶的固定。我们发现约50%的酶成功加载进入孔内。

酶固定必须集中于实现酶高的稳定性。而稳定性又可以分为操作稳定性和贮藏稳定性。操作稳定性是指酶保持其活性的能力，而贮藏稳定性是与固定系统的性能相关联的，在避免酶释放方面。酶固定主要关注的是，超过时间的活性的损失。这个减少是有诸多因素造成的，孔径扩散的阻力，低衬底传质，瘫痪酶的活性部位和酶流动性的限制。

图10 氨基官能化的FDU-12材料非常大孔径的高分辨率的TEM和SEM图

5.2 在介孔二氧化硅上的酶活性

通过扩大孔径来改进二氧化硅的几何结构是哟中常用的方法，去尽量减少扩散阻力。孔径的大小不仅仅影响酶固定的程度，而且影响酶的活性。Liu等人，确定了与孔径，孔容和介孔材料的中间相和表面，孔径对固定化酶的活性有很大的影响。此外，加强酶和支架之间键的连接是有必要的。引入官能团进入支架材料表面，可以提高酶支架的内在联系和减少固定化酶的泄漏。

有趣的是，Lei等人有他们的研究表明，固定化酶在官能化的介孔二氧化硅中有一个双倍的活性与游离的酶相比。Chong等人证明了，具有乙烯基官能化的介孔二氧化硅支架与游离态的PGA相比，固定化青霉素酰化酶(PGA）高的活性。这些结构表明，固定化酶能够更好的表现，当酶被固定在右支架材料上时。 Park等人报道了，溶菌酶固定在不同的支架上：SBA-15和PMOs。他们制造了3中不同的PMOs，通过使用3种不同的前躯体：BTMS-氨基， BTES-苯，BTES-苯基。这项研究证实了溶液的PH在蛋白质吸附中的重大影响。在PH附近的pI，因为疏水性的二氧化硅能够达到一个最佳的负载量。在这个PH值下，静电斥力是所有的蛋白质影响中最小的，从而蛋白质能够被安排在一个更加紧凑的结构中。

介孔二氧化硅的一个杰出的性能是硅醇基团在他们的表面。这些硅羟基是有高活性的，因此可以被用来连接多个官能团在硅胶表面。表面改性能够增加酶和支架材料之间的亲和力。他已经被发现固定化酶活性的保留是有很强烈的影响，通过支架材料的化学结构。

图11 用“网鱼”的方法把酶封装到二氧化硅网络中

Chong等人研究了，固定青霉素酰化酶（PGA）到官能化的SBA-15内，像介孔二氧化硅材料。不同的有机硅烷进行官能化：3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES），3-疏丙基三甲氧基硅烷（MPTMS），苯基三甲氧基硅烷（PTMS），乙烯基三乙氧基硅烷（VTES），和4--(triethodysilyl)丁腈（TSBN）。此外，他们改性了APTES-SBA-15用交联剂戊二醇。大多数的官能化样品有较高的PGA吸附量与没有官能化的二氧化硅相比。他们发现乙烯基官能化二氧化硅是非常有效的功能对于PGA的吸附和稳定性。

乙烯基官能化的二氧化硅能使酶保持稳定的构象结构，和活性部位的灵活流动。因此，固定化酶保持了一个高的活性。许多研究者已经使用戊二醛去交联胺丙基官能化的MSNs为了固定PGA。结果表明，共价键的相互作用能够提高固定化PGA的稳定性。

相反，一些研究者认为，酶使用交联剂通过共价键固定，例如戊二醇可能导致固定化酶活性的减少。键能够引起酶构象的改变，从而影响酶的灵活性和流动性去转换基板。在这种情况下，它最好使用非共价键，例如物理吸附，静电相互作用，疏水相互作用等等。PGA已经固定在用APTES官能化的SBA-15上面。有趣的是，SBA-15的微观秩序仍然能够保持固定化后的PGA。作者使用了一个嫁接的方法，对于氨基官能化的SBA-15，如共缩聚方法导致了无序结构。氨基官能化的PGA的装载量是68mg g-1。它在游离状态下可以保持73%的活性。

我们最近的研究显示，二氧化硅支架材料的有机官能化（氨基、乙烯、苯和巯基）对于酶固定和其活性的维持是很重要的。该官能化影响了蛋白质（牛血清白蛋白（BSA）和纤维素酶）的吸附量和酶的活性。乙烯基官能化的二氧化硅有一个充满希望的结果，这表明在酶的固定和酶活性方面与酶的稳定性一样有高的特性。乙烯基硅烷在二氧化硅表面引导疏水性，这增加了二氧化硅表面蛋白质（牛血清白蛋白和纤维素酶）的亲和力。乙烯基介孔二氧化硅能够保持酶的活性。相反，氨基官能化的介孔二氧化硅显示了，最高的吸附量与固定纤维素酶的低活性。氨基官能化引起了，介孔二氧化硅的胺端基和来之酶的活性部位的羧酸酶之间的静电相互作用。因此，固定化纤维素酶有一个低的活性。

上述方法在二氧化硅的表面去附加或固定酶面对了一个在生物条件下酶释放的挑战。固定酶的泄漏取决于酶和二氧化硅之间的键强度。杨等人，使用了一种不同的方法去固定酶（富马酸酶、胰蛋白酶、脂肪酶和PLE），采用一锅法合成方法。在这个过程中，酶被封装了，在有序二氧化硅的合成期间（图11），因此酶被包埋在介孔笼中，在形成合成的期间。作者声称所有固定酶有高的活性和稳定性，这种方法可能适用于其他类型酶的合成。然而，有一个必须谨慎的是，二氧化硅合成条件（PH值、化学物质等）的影响，这可能影响酶的活性。由于大孔径的MSNs的小孔径入口它们便容易堵塞。因此扩大孔径入口将导致在负载和大量传输时有所增加。从Magner组最新的报告中展示了，利用独特的金属酶相互作用，可达到酶的固定。这个组在镍--1，4，8，11-四-吖环四癸烷上固定用His6标记的蛋白质，嫁接到SBA-15介孔二氧化硅上。他们表明，蛋白质和支架的相互作用是通过镍来协调的。这是二价的镍和用His6标记的咪唑环之间的相互作用的一个结果。从他们的浸出研究中没有发现解吸。以前的报告表明，这种类型的相互作用有高稳定性，高酶活性和可重用性的优点。另一个酶固定的独特方法是，使用基于表面的点击化学路线。Bein等人，研究了胰蛋白酶的固定在介孔SBA-15材料中，使用“点击反应”。叠氮官能化介孔SBA-15与乙炔反应在铜催化1,3-偶极环加成反应来修饰胰蛋白酶。傅立叶变换红外光谱（FTIR）氮吸附和热分析（TGA）证实了胰蛋白酶的固定。固定化胰蛋白酶的结果表明酶活性和稳定性的保留。在实验条件下没有发现解吸。

6、结果与展望

在过去的十年中，有一个强烈的焦点集中在介孔二氧化硅纳米粒子为基础的系统的准确预测的传递。许多系统已经被设计，为目标癌细胞，具有一些非常有前途的结果。然而，只有有限的报告侧重于实际的制定参数，例如剂型，给药的途径，稳定性以及最终制定的存储，使用MSNs在生物系统中。尽管，MSN作为药物传递载体有很大的前途，但是也有一些关键的问题需要解决，即MSN在生物方面的有效利用。此外，MSN和生物界面（酶，细胞，受体，血脑屏障等）之间的生理相互作用需要仔细的注意。详细了解表面官能团以及在体内的影响在这个过程中是一个重要的组成部分。最近，He 等人展示了MCM-41能够被完全降解，在生理条件下，在15天在百万分之0.5的模拟体液中。他们在第一时间发现MSNs的三级降解行为，并且展示了它是大大依赖于初始溶度和MCM-41的比表面积。此外，最近的一项调查发现，以片剂剂型为基础的MSNs表明以某种形式溶解在模拟胃液流体中(SGF)，之前被没有被证明。这些最近的调查表明要从没有官能化的MSNs中释放，不仅仅依赖于药物从孔的扩散，而且依赖于二氧化硅纳米颗粒的溶解。因此，在体内的生物降解的发展和生物模型将会被高度的需求，为完全了解这些纳米颗粒的生物相容性。

使用MSNs作为一种稀释剂和填料被确定，当徐等人第一次报到使用SBA-15去做片剂。用这些类型的材料开启了一个全新的应用领域。片剂和胶囊是最灌泛使用的剂型之一，为了对人体提供治疗。这将是有趣的，看到介孔二氧化硅的孔径对人体器官的选择性。例如胃，小肠，结肠，直肠和大脑使用这些传统的传输系统。

正如前面章节所提到的，介孔二氧化硅存在许多生物用途。这些应用中的许多涉及使用介孔二氧化硅作为不同生物分子的传输控制工具和它们在身体中是如何积极采取行动的。然而，有一个限制，例如孔径，结果导致化学基团的尺寸被限制在一定的尺寸范围内。为了传送到细胞中，他已经表明，颗粒越小，越有利于细胞的有效摄取。大颗粒不能用于这些类型的应用。与此相反，这些大孔径颗粒能够被使用为了酶法工艺，对于诱捕和重用酶，从而降低成本。未来关于材料的合成将会更加直接的朝着制备和MSNs的高有序，小孔径，大孔径的评估。额外的大孔径（20-50纳米）将有助于固定更加广范围的酶和提高这些材料在各个领域的应用，包括生物分析，生物技术，生物处理，食品和环境系统。 应用例如药物，疫苗，核糖核酸和脱氧核糖核酸的传递，包括细胞毒性的测试，需要去确定对于各种应用和细胞系。目前有许多争论的报道，但是有一个普遍的共识是，MSNs是相对安全的，对于在低剂量和颗粒范围在50-400纳米的传递可以保证从细胞中最大限度的摄取。长期的毒性试验也必须履行确保其临床安全性。进一步的研究在溶解方面，二氧化硅是如何排除或者打破在身体中，也需要加以研究。然而，一旦这样做了，MSNs将成为杰出的生物应用候选材料。 MSNs的另一个伟大的特性是二氧化硅作为一种涂料为小颗粒，例如磁性粒子和量子点（QDs）对于他们自己来说，磁性粒子和量子点是有毒的，但是，具有一层二氧化硅涂层，使得它们更加生物相容性。由此产生的复合粒子是杰出的候选材料在体内成像例如磁共振成像。这是容易的，MSNs的表面能够官能化，允许一系列丰富的新颖应用在各个领域。具有挑战的目标是去跟踪这些纳米颗粒，不仅仅对部位的活动，而且是在其体内的分布和排泄。这将确保这些纳米颗

粒在人体内的长期安全性。

一个新的家族，磁性介孔二氧化硅已经被利用为了酶的固定，这表明了有前途的结果。然而，酶固定必须集中于实现酶的高稳定性。预计，固定化酶具有较高的酶活性和最低的酶解吸（浸出）。然而，文献引用是很不幸很有限的，在这个方面的进一步研究是有很高的价值的。

由于其独特的特点，MSNs也可以被用于其他行业，例如农药，它可以被用于农药的储存和传递用可预测的方式。MSN基于杀虫剂的包裹和传递可能有一些积极地环境影响，与减少非靶标昆虫的灭绝一样。在介孔二氧化硅合成的最新进展中，有生产各种材料，用非常大的孔径和独特的形态。最后，寻求智能纳米药物基于MSNs，其在体内和体外的详细测试是在最近的时代和将会在不久的将来最重要的一个研究领域之一。 参考文献

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