唾液酸修饰的棒状介孔二氧化硅纳米颗粒：设计、制备与应用前景

摘要

介孔二氧化硅纳米颗粒（Mesoporous silica nanoparticles, MSNs）因其良好的生物相容性、高比表面积、规则孔道结构和易于功能化的表面化学，近年来广泛应用于药物递送、分子成像及生物传感等领域。相较于球形MSNs，棒状MSNs（rod-like MSNs, rMSNs）具有更高的细胞摄取效率和更强的肿瘤穿透能力。为了进一步提升其靶向性及生物功能，可通过表面修饰实现特异性识别。唾液酸（Sialic acid, SA）是一类末端含9碳骨架的羧酸性糖类，广泛存在于哺乳动物细胞膜糖链的末端，参与多种细胞识别和跨膜信号过程。本文综述了SA修饰棒状MSNs的设计策略、制备方法、结构表征以及在肿瘤靶向药物递送和成像中的应用，展示其在纳米医学领域的巨大潜力。

一、引言

纳米技术在生物医学领域的迅猛发展催生出大量具有智能响应和主动靶向功能的纳米载体。介孔二氧化硅因其稳定性高、结构可调、易于官能化而成为具代表性的纳米平台材料之一。在众多结构形式中，棒状介孔二氧化硅（rMSNs）因其较高的纵横比、更强的细胞摄取动力学以及优异的肿瘤组织穿透能力而受到广泛关注

然而，仅凭物理特性还难以实现肿瘤细胞的选择性识别。近年来，唾液酸因其在肿瘤细胞过表达的识别受体（如Siglecs、lectins）中的独特作用，被广泛用于靶向修饰。本研究方向提出了一种新型的功能化纳米平台——唾液酸修饰棒状介孔二氧化硅（SA-rMSNs），其兼具形态调控与分子识别优势，为肿瘤靶向递药、成像与治疗提供了有力工具。

二、SA-rMSNs的设计理念与修饰原理

2.1 棒状介孔结构的优势

高纵横比结构：相比球形MSNs，rMSNs的棒状结构具有更大的接触面积和更优的细胞膜贴附能力；

增强的细胞摄取：研究表明，细胞对高纵横比纳米载体具有更快的内吞效率；

改善的生物分布：rMSNs在体内具有更强的穿透力，可提高肿瘤组织的累积浓度。

2.2 唾液酸的靶向机制

靶向Siglecs、lectins等受体：肿瘤细胞表面广泛表达Siglec-1、Siglec-9、CD22等唾液酸结合受体，SA可作为其天然配体进行识别；

增强细胞识别与结合：通过唾液酸修饰的表面，纳米粒子更易被肿瘤细胞内吞；

降低免疫清除：SA还可模拟细胞表面糖基化模式，延长纳米粒子的体内循环时间。

三、SA-rMSNs的制备策略

3.1 棒状MSNs的合成

通常采用溶胶-凝胶法或水热法，在以CTAB（十六烷基三甲基溴化铵）为模板剂、TEOS（四乙氧基硅烷）为硅源的条件下，通过控制反应参数可调控粒子形貌。常用调控参数包括：

氨水浓度：调节碱性介质促进棒状形成；

反应温度/时间：延长反应时间有助于晶体生长方向一致性；

助剂选择：如Tris/HCl、P123等助剂有助于调控孔径与形貌。

3.2 表面功能化与唾液酸修饰

表面修饰通常分为两步：

（1）氨基化处理

利用APTES（3-氨丙基三乙氧基硅烷）在硅表面引入—NH₂基团，构建生物偶联位点；

（2）唾液酸偶联

通过EDC/NHS活化或戊二醛交联等方法将唾液酸的羧基与氨基反应，形成稳定的酰胺键连接。

可选反应路线包括：

EDC/NHS活化SA → 与rMSNs-NH₂共轭；

预先修饰SA-PEG → 与rMSNs共价连接，提高稳定性与可控释放性；

引入刺激响应连接（如pH、酶敏、GSH响应）以实现可控释放。

四、结构表征与性能评估

4.1 表征手段

项目 方法 指标或现象

形貌 TEM/SEM 长棒状结构，粒径~100–300 nm

孔径分析 BET/BJH 比表面积高（600–1000 m²/g），孔径约2–5 nm

成分分析 FTIR, XPS 显示C=O, -NH, Si–O–Si等特征峰

热重分析 TGA SA修饰量变化反映修饰成功与否

ζ电位 Zetasizer SA修饰后表面电荷负移（更负）

荧光标记 FITC-RMSNs/SA-Cy5等 可视化成像及细胞摄取分析

4.2 药物负载与释放

常用药物：多柔比星（DOX）、紫杉醇（PTX）、顺铂、siRNA等；

药物装载方式：物理吸附或共价键结合；

控释行为：模拟肿瘤微环境（pH 5.0, GSH高浓度）下药物释放加快。

五、生物应用实例

5.1 肿瘤靶向递药系统

研究表明，SA-rMSNs在乳腺癌（如MDA-MB-231）和肝癌细胞（如HepG2）中具有优异的靶向摄取性能。通过流式细胞仪和共聚焦显微镜观察，SA修饰组粒子进入细胞比例显著高于未修饰组。

5.2 成像与示踪

将荧光染料（如FITC、Cy5.5）或MRI/CT造影剂（如Gd³⁺、Au纳米粒子）共装载至SA-rMSNs中，可实现对粒子体内分布的实时监测，为治疗提供依据。

5.3 联合治疗平台

SA-rMSNs还可搭载多功能因子（如PDT光敏剂、热敏材料等），实现药物+光疗、药物+基因等多模式治疗，提升治疗协同效果并克服多药耐药性。

六、挑战与展望

尽管SA-rMSNs具有显著优势，但在深入研究和临床转化过程中仍面临如下挑战：

合成工艺的可重复性与规模化：高纵横比MSNs形貌控制在批量生产中存在难度；

体内代谢路径不明确：需进一步研究其在体内的长期毒性与清除机制；

唾液酸配体的稳定性：在体液中易被酶降解，可能影响靶向效率；

响应控制：构建能响应肿瘤微环境的智能释放系统仍是关键方向。

未来，结合DNA纳米技术、可降解有机硅材料以及AI辅助药物设计，有望进一步推动SA-rMSNs向更智能、更高效、更可控的方向发展。

结语

唾液酸修饰的棒状介孔二氧化硅纳米颗粒通过融合结构优势（rMSNs）与分子识别功能（SA），在靶向性、细胞摄取能力与载药效率方面表现出优异性能。其在癌症治疗、成像及诊疗一体化中的应用前景广阔，为发展新一代功能型纳米平台提供了重要研究基础。