多孔材料,特别是沸石颗粒的出现,开辟了纳米医学领域前所未有的假定研究途径。具有晶内介孔的沸石是低骨架密度的硅铝酸盐,具有规则的多孔结构和复杂的通道。它们独特的理化和生理参数需要对其分类、制造平台、细胞/大分子相互作用,并且面临着巨大的应用前景。就生物安全和纳米毒理学而言,一旦沸石纳米颗粒暴露于生物介质中的生物大分子,了解沸石-生物界面是至关重要的问题。下文,特别阐明了沸石纳米颗粒与纤维蛋白原和淀粉样蛋白β的相互作用,赋予它们新的生物学特性的重要性。

一、沸石颗粒简介

当前,多孔材料有望解决一些全球关注的问题,包括能源需求的增加以及对工业污染物的更严格的环境批准、消耗资源和改善健康的需要。这些多孔材料的物理和化学容量是一个吸引点,因为一旦暴露于固体表面与体表面,就会表现出不同的局部原子环境。因此,更多数量的表面原子,或者更确切地说,多孔固体的比表面积增加将导致更高的材料反应性和相关应用中更高的功效。为此目的使用了三种策略,以帮助减小致密固体的尺寸,生成具有开孔结构的大部分颗粒,

根据国际纯粹与应用化学联盟(IUPAC),多孔结构根据孔径分为三类:孔径达2nm的微孔结构,含有孔径为2-50nm的介孔材料和孔径大于50nm的大孔固体。根据它们的结构和组成特征,微孔和中孔类别中的每一个都进一步分为多孔材料的亚家族。

粒子本身的大小可能是另一个分类因素。一般而言,至少在一个维度上尺寸高达100nm的颗粒被认为是纳米尺寸的多孔固体,其可能仅包含微孔和中孔范围。最近开发的尺寸不超过15nm的晶体被称为超小纳米颗粒。具有均匀、周期性孔结构的多孔固体被称为有序多孔材料。具有周期性结构的多孔颗粒越来越受到关注,因为它们可以构成小分子传感、分离、存储和转化的假定工具。特别是,沸石广泛用于与催化、吸附、离子交换等相关的不同工业领域。由于有关沸石纳米颗粒合成和应用的大量出版物及其在生物学和医学领域的不断扩大,本综述的目的是总结不同类别沸石多孔纳米材料的近期生物医学应用。

沸石是一类具有有序多孔结构的矿物,具有主要在自然界中发现的微孔范围。从化学成分的角度来看,沸石由结晶金属氧化物组成,其结构单元由一个四面体原子(例如,Si、P、Al、Ti、B、Ga、Ge、Fe等)与四个或两个氧结合而成原子,其中每个氧连接到两个四面体原子。这些多孔结构的一般化学式可用下式表示:

沸石颗粒的生物医学应用-国投盛世

二、生物安全和细胞毒性

最早将天然沸石纳米颗粒用于人体的时间可以追溯到1920年代后期,当时完成了一系列由古巴质量控制局认证的史无前例的转化和临床实验。这项庞大而持久的研究包括基本的体外实验以及随后的转化和临床试验,其中包括胃肠道(GI)轨道被食物中毒感染的急性腹泻参与者,旨在调查该药物的安全性和药理功效用于腹泻的Entrex天然沸石及其拟议的作用机制。

关于生物材料工程领域沸石NPs平台的多种制造方法,以及基于沸石NPs生物相容性的科学出版物的数量,值得了解细胞毒性和生物相容性评估方法,这些方法构成任何之前的关键步骤临床干预。尽管最近在沸石纳米颗粒的制造方法、功能化和生物医学应用方面取得了进展,但其毒性的确切机制仍不清楚。关于它们在各种生物医学应用中的益处,似乎有必要评估这些分子筛的细胞毒性。与其他介孔NPs相比,很少有研究报告沸石NPs的生理毒性。具体来说,这些多孔材料的生物安全性似乎受到一些结构特征的影响,包括但不限于外表面积、孔径、表面电荷、官能团和结晶度。

沸石颗粒的生物医学应用-国投盛世

在最近的文献中,一些研究人员对沸石NP对大量尚未得到充分研究的细胞系的细胞毒性影响表示担忧。为此,合成了一系列具有不同形状、大小、剂量和表面组成的150种不同的纳米沸石,并通过体外研究,它们对人宫颈癌(HeLa)细胞的剂量/时间依赖性/非依赖性细胞毒性是通过探索坏死或凋亡途径的细胞死亡来定量和定性评估。他们实验的主要结论强调了具有球形形态的“纯二氧化硅纳米沸石硅沸石-1”的无毒,而其他含氧化铝的纳米沸石的毒性与氧化铝含量呈非线性相关。此外,据收集,与具有球形形态的纳米沸石相比,具有立方形态的纳米沸石对HeLa细胞的毒性更大。

鉴于与其他介孔纳米材料相比具有独特的结构和有利的理化优势,例如更低的细胞毒性、更高的有效载荷能力以及提高的细胞内靶向特异性和功效,沸石纳米颗粒因其改善的生物相容性和可调节的生物分子传递能力而受到认可。沸石包括广泛的生物医学应用,例如用作止泻剂、抗肿瘤佐剂、抗菌剂、MRI造影剂、它们在骨形成研究中的应用、阿尔茨海默病的发展及其血液透析、药物输送和牙科应用。