微流控合成pH响应性ZIF-67纳米颗粒封装曲妥珠单抗用于靶向药物递送
主要作者与研究机构
本研究由Mina Naderi、Ataallah Soltani Goharrizi、Hongkai Wu、Mahmood Barani和Ataallah Kamyabi共同完成。第一作者Mina Naderi来自伊朗克尔曼沙希德·巴霍纳尔大学工程学院化学工程系，通讯作者Ataallah Soltani Goharrizi同样隶属于该系；Hongkai Wu来自中国香港科技大学化学系；Mahmood Barani来自伊朗布什尔波斯湾大学纳米与生物技术学院化学系。该研究成果发表于Elsevier旗下的胶体与界面科学期刊《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》，文章于2025年2月10日投稿，3月19日修回，4月7日接受，4月9日在线发表，收录于该期刊第718卷，文献编号136881。
研究学术背景
本研究属于纳米医学与靶向药物递送领域的交叉研究方向，具体涉及金属有机框架（Metal-Organic Framework, MOF）纳米材料的微流控合成及其在抗肿瘤药物递送中的应用。癌症治疗中，高选择性地杀灭肿瘤细胞对于实现有效且可耐受的治疗至关重要。曲妥珠单抗（trastuzumab）是一种人源化IgG1单克隆抗体，是HER2阳性乳腺癌以及其他HER2阳性癌症（如肺癌和胃癌）标准治疗方案的核心药物之一。然而，该药物成本极其高昂，且存在心脏毒性等严重不良反应风险。因此，如何减少药物浪费、提高肿瘤部位的药物富集并降低对正常组织的毒副作用，成为该领域亟待解决的关键问题。
肿瘤细胞具有独特的反向pH梯度（reverse pH gradient）特征：正常细胞的胞外pH值约为7.2至7.4，而癌细胞由于代谢异常，其胞外pH值降低至6.5至7.1，胞内pH值则高于7.4。这种酸性微环境为pH响应型药物递送系统的设计提供了理想的生物学基础。ZIF-67是一种由钴离子与2-甲基咪唑配位形成的金属有机框架纳米材料，具有高孔隙率、低细胞毒性以及在中性和碱性条件下稳定而在酸性环境中降解的特性。此外，ZIF-67的前驱体均为水溶性物质，使得以水作为绿色溶剂进行合成成为可能，从而避免了传统药物合成中有毒有机溶剂的使用问题。然而，传统的大体积混合合成方法往往导致纳米颗粒尺寸分布高度不均，限制了其在药物递送中的一致性和可控性。微流控合成技术通过流体动力学聚焦实现精确的混合控制，可以制备出单分散、性质高度均一的纳米颗粒。基于以上背景，本研究旨在首次采用微流控方法，以水为溶剂，同时实现ZIF-67纳米颗粒的合成与曲妥珠单抗的原位封装，并系统考察其pH响应性药物释放行为及相应的释放动力学模型。
研究详细工作流程
本研究的工作流程主要包括微流控芯片的设计与制造、ZIF-67纳米颗粒的微流控合成与药物封装、纳米颗粒的表征以及体外药物释放研究四个核心环节。
在微流控芯片的设计与制造阶段，研究团队首先采用SolidWorks 2020软件设计了基于分裂-重组（split-and-recombine, SAR）几何结构的微通道，通道尺寸为200微米×500微米。通过3D打印技术制作初级模具，并使用全氟辛基三氯硅烷蒸气对硅片表面进行疏水化处理，以防止聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane, PDMS）弹性体在成型过程中的粘附。PDMS预聚物与固化剂以10:1的质量比混合后进行成型。为了获得最强且最稳定的两层PDMS键合，研究团队系统比较了多种键合方法，包括不同PDMS比例（10:1、12:1、15:1和20:1）、新鲜与非新鲜PDMS的使用、空气等离子体处理以及己烷添加等条件。结果表明，空气等离子体处理对键合强度无显著影响，20:1比例的键合强度明显较弱，而添加己烷虽然改善了PDMS表面的润湿性但键合质量不可接受。最终确定的最佳键合方案为：使用非新鲜PDMS以10:1比例成型，采用半固化法在83摄氏度电烤箱上层加热17分钟，随后将样品置于80摄氏度热板上，每隔10至30分钟手动按压2至4次。通过该方法制备的微反应器能够承受2 mL/h的流速持续2.5小时。此外，为应对微反应器内部高压可能导致的泄漏风险，研究团队在两层PDMS之间的间隙处额外涂覆了PDMS凝胶作为安全密封层。
在ZIF-67纳米颗粒的合成与药物封装阶段，研究团队将1 mL曲妥珠单抗药物溶液加入10 mL容量瓶中，加入2-甲基咪唑并溶解后用无菌水稀释至30 mM；另配制18 mM的硝酸钴溶液。两种溶液分别装入5 mL注射器中，通过LSP02–1B注射泵以1 mL/h的流速注入预热至40摄氏度的微流控芯片。反应器流出液收集于离心管中，先后在12,000 rpm和14,000 rpm条件下离心各1小时，上清液用于未封装药物的定量分析，沉淀物用于后续体外释放研究。作为对照，研究团队还在相同条件下合成了不含药物的ZIF-67纳米颗粒，以评估药物负载对颗粒尺寸的影响。基于混合时间公式τmix ≈ w²/(9d)×(1/(1+1/r)²)的估算，其中通道宽度w约为283微米，扩散常数d为10⁻⁹ m²/s，流量比r等于1，该微流控平台的混合时间约为5.6秒。
在纳米颗粒表征方面，研究团队采用了多种分析手段。傅里叶变换红外光谱（Fourier-transform infrared spectroscopy, FTIR）在350–4000 cm⁻¹波数范围内检测样品的分子结构和化学相互作用，所用仪器为Bruker Vertex 70 Hyperion 1000光谱仪。透射电子显微镜（transmission electron microscopy, TEM）和扫描电子显微镜（scanning electron microscopy, SEM）分别用于分析颗粒的形貌、尺寸和结构；能量色散X射线光谱（energy-dispersive X-ray spectroscopy, EDS或EDX）用于确定元素组成。Zeta电位测量使用Brookhaven Instruments的Zeta Plus设备评估胶体稳定性。
在体外药物释放研究方面，研究团队采用透析袋法（dialysis bag method）进行。将3 mL纳米颗粒悬浮液置于透析袋中，浸入30 mL磷酸盐缓冲液中，分别在pH 7.4和pH 6.5两个条件下于37摄氏度恒温摇床中以100 rpm振荡孵育。在预定时间点（1、5、12、24、48和72小时）取出3 mL释放介质，并补充等量新鲜缓冲液以维持恒定体积。释放样品采用紫外-可见光谱法在180–450 nm范围内进行吸光度测定，根据标准曲线计算药物浓度。药物封装效率通过公式EE% = (游离药物总量 − 未封装药物量)/游离药物总量进行计算。此外，研究团队采用十种不同的动力学方程（包括Higuchi、Weibull、Korsmeyer-Peppas、Peppas-Sahlin、Hixson-Crowell、零级、一级、Sigmoidal、Gompertz和Kopcha模型）对药物释放数据进行拟合，以确定最合适的释放动力学模型。
主要研究结果与分析
FTIR光谱分析证实了ZIF-67的成功合成。无药纳米颗粒在426 cm⁻¹处显示出Co-N键的特征吸收峰，673、746和825 cm⁻¹处的峰对应于2-甲基咪唑环的面外弯曲振动，1099 cm⁻¹处的峰归属于咪唑环的面内弯曲振动，而1479 cm⁻¹处则体现了C–N伸缩振动。载药后，在1173、1670和3626 cm⁻¹处出现了分别归属于C–OH中C–O伸缩振动、C═O伸缩振动和O–H伸缩振动的新峰，这些峰与曲妥珠单抗分子中的官能团相匹配，表明药物成功负载至纳米颗粒中。由于曲妥珠单抗分子结构复杂，FTIR中药物与ZIF-67的碳、氮、氢键振动峰存在重叠，但上述特征峰的出现仍为药物封装提供了明确的化学证据。
表面形貌分析显示，无药ZIF-67纳米颗粒的平均直径约为75至80纳米，而载药后的平均直径增大至约200纳米。这一尺寸增加趋势与此前关于药物负载导致纳米颗粒膨胀的研究报道一致。值得强调的是，200纳米的尺寸仍处于被动靶向药物递送系统允许的尺寸范围内，有利于纳米颗粒在肿瘤部位的渗透和富集。EDX分析在载药纳米颗粒中检测到了氧和硫元素，这两种元素是曲妥珠单抗分子的重要组成成分，进一步证实了药物的成功封装；而检测到的硅和金元素则来自于样品沉积所用的基底材料。此外，研究还考察了纳米颗粒的储存稳定性：在防潮条件下储存一个月的样品尺寸变化极小，而在无温湿度控制的环境条件下储存六个月的样品则出现显著的结构破坏和尺寸增大，这与ZIF-67纳米颗粒的吸湿性密切相关。
Zeta电位测量结果显示，无药ZIF-67纳米颗粒的表面电荷为+38.40 mV，载药后降至+10.2 mV。药物封装后表面电荷的降低可归因于曲妥珠单抗分子在纳米颗粒表面的吸附或包覆。值得注意的是，+10.2 mV的表面电位恰好落在文献报道的增强细胞内吞作用的理想电荷范围（+10至+15 mV）之内，这对于纳米颗粒被癌细胞快速摄取具有重要的生物学意义。
药物封装效率的计算基于最大吸光度值0.3669（210 nm处）所对应的未封装药物浓度166.0174 ppm，以及初始药物总量1995 ppm，最终计算得到封装效率高达91.67%。这一数值显著高于许多传统方法制备的聚合物纳米颗粒体系，充分体现了微流控混合的高效性和均匀性在提高药物封装效率方面的优势。
体外释放研究揭示了显著的pH响应性释放行为。在中性pH 7.4条件下，曲妥珠单抗在72小时内的累积释放量不足50%，峰值释放浓度约为159至162 ppm，且释放峰值出现在约48至50小时。而在酸性pH 6.5条件下，相同时间内的累积释放量达到约78%，峰值释放浓度约为244至247 ppm。释放曲线表现出典型的初期突释特征，这主要归因于分布在纳米颗粒表面和边缘区域的药物快速扩散。在中性条件下，5至48小时之间呈现持续且显著的药物释放，随后趋于平台；而在酸性条件下，初始12小时内释放速率虽高于中性条件但仍相对有限，12至30小时之间出现大规模释放，随后逐渐减缓并在72小时达到峰值。释放动力学拟合结果表明，Weibull模型在两种pH条件下均给出了最佳的拟合效果，其指数参数b大于1，表明药物释放机制是复杂的，涉及扩散与聚合物基质降解或溶蚀的协同作用。在pH 7.4下，Weibull模型的参数m0为159，a为0.04727，b为1.786；在pH 6.5下，m0为244.43，a为0.04607，b为5.54。两种pH条件下模型拟合的误差平方和分别为0.90和0.99，表明模型具有较高的拟合精度。
研究结论与价值
本研究成功开发了一种基于PDMS微流控芯片的ZIF-67纳米颗粒合成与曲妥珠单抗原位封装平台，以水为绿色溶剂，封装效率达到91.67%。通过EDX、SEM和FTIR等多种表征手段，从元素组成、形貌结构到分子化学键层面全面证实了药物的成功封装。基于癌细胞特有的反向pH梯度特性，体外药物释放实验证实了ZIF-67纳米颗粒在生理pH条件下能够有效保留药物，而在肿瘤酸性微环境中实现靶向性的大量释放。Weibull动力学模型准确描述了这一复杂的释放行为。本研究不仅在纳米材料合成方法学上展示了微流控技术相对于传统体相混合方法的显著优势，即更高的单分散性、更均一的物理化学性质以及更高的药物封装效率，而且在癌症靶向治疗的应用层面提供了一种具有高度临床转化潜力的药物递送系统。
研究亮点
本研究的核心亮点包括：首次报道了以水为绿色溶剂，在微流控芯片中同时完成ZIF-67纳米颗粒合成与曲妥珠单抗封装的原位一体化方法；通过精心设计的芯片键合工艺，克服了PDMS微反应器在长时间高压操作下的稳定性难题；实现了高达91.67%的药物封装效率以及ZIF-67在酸性环境下的pH响应性靶向释放；通过系统的动力学模型筛选，明确了Weibull方程对释放数据的最佳拟合性，为理解ZIF-67基药物递送系统的释放机制提供了理论依据。此外，载药纳米颗粒+10.2 mV的表面电位恰好处于最优细胞内吞范围，进一步增强了其在靶向癌症治疗中的应用潜力。