雷婧诗（综述）， 王佐林（审校）

（上海牙组织修复与再生工程技术研究中心，同济大学口腔医学院，同济大学附属口腔医院口腔种植科，上海 200072）

生物体内的蛋白质具有酶催化、信号转导、基因调节等功能，并且在细胞生存和细胞程序性死亡中起重要作用[1]。蛋白质药物作为一种多功能生物治疗药物，不仅具有较高的生物活性，而且有很好的生物特异性[2-3]。然而，由于蛋白质脆弱的三级结构，大多数自然形态的蛋白质具有不稳定性、体内半衰期短等缺点。人们通过设计蛋白缓释载体可以有效解决上述问题。蛋白缓释制剂不仅能够稳定蛋白质药物的生物特性，还可以进行蛋白质药物的靶向递送，降低获得治疗效果所需的蛋白质浓度[4]，提供持续的蛋白质释放，避免了反复注射、口服等引起的不良反应[5]。近年来，多种纳米蛋白载体得到了广泛研究[6-11]。然而，由于载体本身的生物毒性、制备过程对蛋白质结构的影响、突释及不完全释放等问题，至今尚无临床可用的蛋白缓释制剂出现。

人们通过研究自然界的生物矿物材料（贝壳、牙齿和骨骼等）在纳米尺度上的合成机制和相关结构等，合成了仿生纳米材料。这类材料因生产成本低、生物相容性好、形貌丰富及生物体内降解速率可调的优点，在生物医药领域备受关注[12]。此外，研究发现，仿生纳米材料中存在的孔结构（连续材料中存在的有限空间或空腔[13]）使材料具有出色的热学性能、化学性能、比表面积和可调节的亲/疏水性等特点，并且是引起骨形成的重要因素[14]。

多孔仿生纳米材料主要包括二氧化硅、磷酸钙和碳酸钙，它们作为蛋白缓释制剂的相关研究较多，均表现出良好的应用前景[12]。关于这3种材料在蛋白缓释制剂中应用的文章多着重介绍其中一种材料，综合归纳并比较三者在蛋白缓释制剂中应用的文章较为少见。本文主要介绍二氧化硅、磷酸钙和碳酸钙3种多孔仿生纳米材料，总结并比较它们的材料特性、生物学特性，以及其在生物蛋白缓释领域应用的优点、局限性和研究现状。

1 二氧化硅

生物体内的硅元素多以二氧化硅的形式存在，通常处于非晶形态，不易断裂，且在不降低强度的情况下能保持优秀的可塑性[15-16]。因此，二氧化硅在生物领域备受关注。其中，介孔（也称中孔，孔径2～50 nm）二氧化硅材料在蛋白负载系统中有着不可或缺的地位。蛋白质药物在介孔二氧化硅通道内的装载受很多因素影响，其中介孔通道的尺寸与分子负载能力息息相关。Katiyar等[17]的研究表明，材料孔径较小时，尺寸较小的蛋白质溶菌酶（lysozyme,LYS）负载能力远高于尺寸较大的牛血清白蛋白（bovine serum albumin,BSA）；孔径较大时，2种蛋白质的负载能力相当。有学者利用超大孔径的介孔二氧化硅纳米颗粒（extra-large pore mesoporous silica nanoparticles,XL-MSNs）成功负载细胞因子白细胞介素-4（interleukin-4，IL-4），体内及体外实验均显示，XL-MSNs可以显著保护IL-4的生物活性，并且具有一定的靶向作用，能成功诱导M2型巨噬细胞的极化作用；而无XL-MSNs保护的IL-4，其活性迅速丧失，无法诱导极化作用[18]。然而，随着材料孔径的不断增加，孔的有序性和结构稳定性均降低，孔径越大的材料，制备效率越低。此外，蛋白质活性改变、制备效率低及缓释过程复杂等问题使二氧化硅材料难以真正地应用于实际生产和实践中。

2 磷酸钙类

磷酸钙类矿物是脊椎动物钙化组织的主要无机成分[19-20]，主要包括羟基磷灰石、碳羟基磷灰石、氟磷灰石、磷酸三钙、磷酸八钙、透钙磷石、一水合磷酸二氢钙、缺钙磷灰石和无定形磷灰石等[12]。多孔磷酸钙材料在生物蛋白控释领域有着巨大的潜能[21]。Zhang等[22]通过阳离子表面活性剂成功制备了介孔羟基磷灰石，并通过调节缓冲液的pH来研究蛋白质的吸附和释放行为，结果显示，BSA的负载量随着pH的升高而降低，而其在酸性环境中的释放持续时间比在中性环境中更长。此外，结晶度、比表面积对磷酸钙类材料的蛋白质负载能力产生重要影响。研究表明，高比表面积、低结晶度的羟基磷灰石纳米颗粒比同样比表面积，但结晶度更高的颗粒表现出更好的蛋白质负载能力[23]。在多孔磷酸钙纳米颗粒中负载骨相关生长因子的研究较为深入。研究发现，骨形态发生蛋白-2（bone morphogenetic protein-2,BMP-2）主要通过3种功能基团（-OH、-NH2和-COO-）与羟基磷灰石反应[24]。然而，磷酸钙的蛋白缓释制剂技术仍不成熟，蛋白分子与磷酸钙类材料之间的相互作用机制未确定。生物大分子与磷酸钙类材料之间作用导致的蛋白活性变化、蛋白变性等问题仍未解决。

3 碳酸钙类

虾、蟹等节肢动物表面坚硬骨骼（外骨骼）的主要成分为生物碳酸钙。 碳酸钙作为蛋白质缓释载体，具有诸多优点。碳酸钙有一定的pH敏感性，弱酸性微环境可以触发生物分子缓释[25]。通过仿生合成或层层自组装等方法可以合成具有良好生物学性能的碳酸钙矿物。Sukhorukov等[26]制备出了高比表面积的多孔球形碳酸钙微粒，为负载生物大分子提供了条件，结果显示，通过调节吸附过程中的pH，可以调节在碳酸钙微粒内部及吸附在微粒表面的蛋白质含量。Petrov等[27]在制备碳酸钙纳米颗粒的同时引入蛋白质，使蛋白质与碳酸钙共沉淀，大大增加了碳酸钙中蛋白质的负载率。碳酸钙的控释系统经常与磷酸钙系统混合使用，或者作为核-壳载药微球中的核心材料。然而，目前有关碳酸钙蛋白缓释制剂的研究较少，同样存在蛋白质活性的保持、突释和不完全释放等问题。

4 3种材料的比较

多孔纳米二氧化硅、磷酸钙和碳酸钙材料均在蛋白缓释制剂领域表现出巨大的应用前景。不同材料在生物活性、生物降解性及蛋白缓释制剂领域有不同的优点和局限性。3种材料都具有良好的比表面积和丰富的孔径范围，并且通过改变其制备方式均能对材料的物理特性进行调控，实现蛋白质的有效负载缓释。介孔二氧化硅材料丰富可调的介孔结构可以有效负载不同分子量的生物蛋白，然而，孔径越大的二氧化硅，其生产效率越低[28]。介孔二氧化硅的制备方法较复杂，文献中多采用先制备均匀稳定的介孔结构，再将其与蛋白质制剂混合进行负载的方法[17-18]。磷酸钙除了利用表面活性剂的方法制备[22]，还可以在制备过程中加入蛋白质制剂与磷酸钙共沉淀的方法制备[29]，过程更简单且制备效率更高。碳酸钙也可以使用共沉淀方法制备蛋白缓释制剂[27]。此外，还可以通过模拟生物体内的仿生矿化或层层组装的制备方式[26]，使其生物学性能更加优异。溶液pH、离子浓度、材料的组成、结晶度等均会对材料的生物学性能产生不同的影响[12]。因此，有学者利用材料的不同特点，将多种材料混合来获得更好的生物学性能。Maruyama等[30]在羟基磷灰石中引入碳酸钙微球，有效地改善了磷灰石的降解性能。

虽然这些材料均表现出良好的材料特性、生物学性能，有望在蛋白缓释领域中得到广泛应用，但材料与蛋白制剂的作用机制尚不明确。如今面临的主要问题为制备过程中的界面张力、冷冻干燥对蛋白质活性的影响；缓释过程对蛋白质药物稳定性的影响；蛋白质药物的突释问题；蛋白质药物的不完全释放问题等。这些问题相对独立却也相互制约，极大地限制了这些材料的应用，迫切需要人们进一步深入研究并解决，以实现蛋白质的有效负载和缓释。

综上所述，蛋白质制剂为现代医学疾病治疗提供了新的思路。随着蛋白质制剂的研究不断深入，仍有许多问题未能解决。多孔仿生纳米材料拥有可调的比表面积和孔径，并且生物相容性良好，体内降解过程中产生的危害较小，是蛋白缓释制剂的研究热点。多孔仿生纳米材料（二氧化硅、磷酸钙及碳酸钙）表现出良好的蛋白缓释能力，多项研究均证实其作为体内蛋白缓释制剂有广阔的应用前景。然而，在这些材料应用于临床之前还面临着几个主要问题：蛋白突释、蛋白活性保持、不完全释放及制备工艺复杂。随着蛋白质与材料之间反应机制的研究深入，对材料性质的不断调控和优化，蛋白活性保存、缓释等问题不断被解决，多孔纳米二氧化硅、磷酸钙及碳酸钙在蛋白缓释制剂领域将会有广阔的应用前景。