考虑到天然材料的优势，研究人员多年来一直在寻找一种无毒的、具有良好生物相容性的、生物可再生的天然材料来替代合成材料。天然高分子微球因其生物相容性、来源丰富、可生物降解等优点而受到人们的广泛关注［6］。在天然高分子材料中，纤维素微球（cellulose microsphere，CM）因其具有高孔隙率、粒径小、亲水性、生物相容性、多羟基、改性潜力大等优点而在生物医学材料领域被广泛研究应用［7-9］。药物可通过CM在胃肠道进行释放，并且CM可通过整个消化系统而不被消化［10］。改性后的功能化CM也曾被用作口服药物载体［11］。但天然CM的载药率较低，因此，有必要通过一些简单的反应来修饰CM，设计出一种具有更高载药量的功能化CM。
金属有机框架材料是金属与有机配体配位形成的有限二次结构单元［12-13］。在金属有机框架材料中，沸石型咪唑骨架材料8（zeolitic imidazole framework 8，ZIF-8）是一种很有前景的药物载体。ZIF-8具有生物相容性、无毒的金属有机框架材料，由锌离子和2-甲基咪唑酸盐组成。它结合了沸石和金属有机框架材料的理想特性，包括高孔隙率、优异的热稳定性和机械稳定性、对碱性水和有机溶剂的高耐受性，以及优异的化学稳定性［14-16］。结合5-FU的分子结构，CM可以通过氢键与5-FU结合在一起。与CM相比，ZIF-8与5-FU结合可以通过静电相互作用、范德华力、配位键、芳香环间π-π堆积作用等相互作用提高载药量［17］。ZIF-8在生理条件下是稳定的，但在低pH的肿瘤部位会分解［18］，因此可通过pH值的变化改变ZIF-8的存在形式，进而对5-FU进行控制释放。
本研究采用原位法获得的ZIF-8/纤维素复合微球（ZIF-8@CM）作为新的载体对5-FU进行控制释放。通过扫描电子显微术（scanning electron microscopy，SEM）、能量色散X射线分析法（energy-dispersion X-ray analysis，EDX）、傅里叶变换红外光谱法（Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR）、X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）、X射线光电子能谱法（X-ray photoelectron spectroscopy，XPS）和热重法（thermogravimetry，TG）对ZIF-8@CM样品的理化性质进行了表征。它们在不同pH值的磷酸缓冲溶液（phosphoric acid buffer solution，PBS）中的体外释放性能以及对细胞的无毒性使ZIF-8@CM作为pH响应型5-FU的载体具有很大的潜力。本研究为设计一种5-FU的新型载体提供了思路。
1 实验部分
1.1 实验材料
棉短绒（ɑ-纤维素的质量分数>95%，用于制备CM）来源于湖北化纤集团有限公司（湖北，襄阳），其黏均相对分子量（MV）为12.5×104。2-甲基咪唑、六水合硝酸锌、甲醇（分析级，用于制备ZIF-8），氯化钠、氯化钾、磷酸二氢钾、十二水磷酸氢二钠（分析级，用于制备PBS）均购于国药化学试剂有限公司（中国，上海）。5-FU（质量分数>99%）购自Sigma Aldrich（美国）。
1.2 ZIF-8@CM的制备
采用溶胶-凝胶法制备了CM［19］。通过原位法制备ZIF-8@CM：在三颈烧瓶中将1.2 g六水合硝酸锌溶解于20 mL甲醇中，并向其中加入3 g CM（湿重）。然后在50 ℃下搅拌1 h，向充分分散的混合物中加入20 mL 2-甲基咪唑（2.64 g）的甲醇溶液。将混合物磁搅拌2 h，在室温下继续反应8 h，形成ZIF-8@CM复合材料。最后通过乙醇和去离子水对其清洗3次形成ZIF-8@CM。
1.3 ZIF-8@CM对5-FU的负载
配制质量浓度为100 mg·L-1的5-FU溶液：称取0.025 0 mg 5-FU，溶解于少量去离子水中，并转移至250 mL的容量瓶中，定容至刻度线。通过吸附法将5-FU加载到ZIF-8@CM中：向250 mL 5-FU溶液中加入2 g（湿重）ZIF-8@CM，在37 ℃，100 r·min-1的条件下进行磁力搅拌，并对ZIF-8@CM中5-FU的负载形式进行研究。将5-FU 加载到ZIF-8@CM后的材料命名为ZIF-8@CM-5-FU。磁力搅拌24 h后，用紫外分光光度计于265 nm下测定上清液的质量浓度，并根据式（1）计算载药量［20］：
[Qe=ρ0-ρem×V] （1）
Qe（mg·g-1）、ρ0（mg·L-1）、ρe（mg·L-1）、V（L）、m（干重，g）分别表示ZIF-8@CM的载药量、5-FU的初始质量浓度、5-FU的最终质量浓度、5-FU溶液的体积、ZIF-8@CM的质量。
1.4 测试和表征
微球样品在-60 ℃下真空冷冻干燥48 h后对其进行以下表征。利用SEM（JSM-5510LV，日本）对微球的形态和结构特性进行了研究。元素成分采用EDX（JSM-5510LV，日本）分析。采用FTIR（model 1600，Perkin-Elmer Co）和XPS（Kratos，U.K.）测定了样品的官能团和化学键结构。利用Co Kα辐射，在2θ（5°~50°）下、293 K条件下，用XRD（D8-Advance，Bruker）确定了CM、ZIF-8@CM和ZIF-8@CM-5-FU的晶体结构。采用美国TA仪器公司的高分辨率热重分析仪在氮气气氛下对30 mg样品进行TG分析（系统温度设置为室温至600 ℃，升温速率为10 ℃·min-1）。
1.5 吸附实验
将CM（0.005~0.025 g，干重）和ZIF-8@CM （0.005~0.030 g，干重）分别加入含有50 mL 5-FU溶液（100 mg·L-1）的锥形瓶中，在25 ℃下，以150 r·min-1的转速振荡12 h，进行批量吸附实验，通过计算其吸附量和吸附率得到最佳剂量。
在等温吸附中：将相同质量的ZIF-8@CM（0.01 g，干重）分别加入至50 mL初始质量浓度为20、40、60、80、100和120 mg·L-1的5-FU溶液中，并在25、35和45 ℃下以150 r·min-1的转速振荡吸附12 h，并计算其吸附量。
在动力学研究中：取250 mL质量浓度为100 mg·L-1的5-FU溶液，加入0.05 g（干重）ZIF-8@CM于25 ℃下以150 r·min-1磁力搅拌。分别在0、5、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100、120、150 min下取1.0 mL 5-FU溶液，用分光光度法测定其质量浓度，并计算其吸附量。
1.6 体外释放研究
在药物释放研究中，首先配制PBS，将7.92 g的氯化钠、0.203 6 g的氯化钾、0.242 3 g的磷酸二氢钾以及3.51 g的十二水磷酸氢二钠用800 mL去离子水溶解，并用盐酸（3 mol·L-1）调节pH至7.4和5.0，最后定容至1 L。精确称量3 g（湿重）ZIF-8@CM-5-FU悬浮在透析袋中。透析袋分别转移到400 mL pH为5.0和pH为7.4的PBS中，在37 ℃，100 r·min-1的条件下进行磁力搅拌透析。在指定时间提取相同体积（1.0 mL）的溶液，并加入相同体积的配制好的PBS溶液。在265 nm波长处用分光光度法测定溶液中5-FU的累计释放量。每个时间点连续取样3次，利用3次取样测定后的平均值对释放机理进行分析［21-23］。用式（2）计算ZIF-8@CM-5-FU中5-FU的累计释放率［24］：
累计释放率=[ρiV+ρi-1Vtm×100%] （2）
ρi、Vt、V、m分别代表各时刻5-FU的质量浓度、样品体积（1.0 mL）、系统体积、5-FU的总质量。
基于5-FU释放数据，利用Korsmeyer-Peppas方程对ZIF-8@CM-5-FU上5-FU的释放动力学进行研究：
[mtm∞=ktn] （3）
式（3）中：mt、m∞、k、n分别表示ZIF-8@CM-5-FU从起始时间到t时间的5-FU累计释放量、ZIF-8@CM-5-FU中5-FU的总释放量、速率常数和释放指数。释放指数n与药物的释放机制有关：当n≤0.5时，ZIF-8@CM-5-FU对5-FU的释放遵循Fickian扩散；当0.5<n≤0.8时，ZIF-8@CM-5-FU对5-FU的释放由5-FU的扩散与外部的刺激共同作用引起；当0.8<n<1时，ZIF-8@CM-5-FU对5-FU的释放主要由外部的刺激引起。
1.7 细胞毒性测试
采用3-（4,5 -二甲基噻唑-2-基）-3,5-二苯基溴化四唑溴化物［3-（4,5-dimethylthiazol-2-yl）-3,5-diphenyltetrazolium bromide，MTT］检测ZIF-8@CM和ZIF-8@CM-5-FU对A549细胞的毒性。在37 ℃，CO2体积分数为6%条件下，利用细胞培养基（含有5 mL胎牛血清和45 mL细胞培养基）对A549细胞进行培养［25］。然后A549细胞以每孔104个细胞的密度在96孔板中接种24 h，将MTT溶液加入至200 μL 的细胞培养基中，并在37 ℃条件下培养4 h。向培养液中加入不同质量浓度（0、50、100、150和200 μg·mL-1）的ZIF-8@CM和ZIF-8@CM-5-FU过夜，最后在570 nm波长处通过培养基读卡器测定细胞浓度。每种给药浓度接种到3个孔中，MTT试验进行2次，结果取平均值。
2 结果与讨论
2.1 形态与结构表征
图1展示了CM、ZIF-8@CM和ZIF-8@CM-5-FU的SEM图。所有样品均表现出良好的球形和立体三维结构，微球粒径在500~600 μm之间。CM、ZIF-8@CM和ZIF-8@CM-5-FU均为微孔结构，这是因为在溶胶-凝胶过程中，纤维素溶液的凝胶化和再生引发了相分离导致孔隙的形成［26］。CM的多孔结构有利于化学反应和药物传递，CM内部连通的孔隙为ZIF-8的生长提供了良好的环境。
CM的孔壁均匀致密，内部孔隙结构光滑，不存在其他固体［图1（b）］。由于CM的CO-和ZIF-8的Zn2+的螯合作用，ZIF-8晶体在CM孔壁上原位生长，均匀分散，形成ZIF-8@CM［图1（e）］［27］。相较于光滑的CM孔隙，在图1（e）和图1（h）中，观察到ZIF-8@CM的孔隙表面出现了均匀的菱形颗粒。这些颗粒聚集在一起，在CM孔隙表面大量堆积，这表明ZIF-8晶体已经大量产生。
CM、ZIF-8@CM和ZIF-8@CM-5-FU的EDX分析如图1（c，f，i）所示。图1（c）中只发现了碳和氧2种元素，它们的存在可以归结为纤维素。经过水热反应，将ZIF-8与CM复合在一起，在ZIF-8@CM样品的EDX中发现了2种新元素（氮和锌）。ZIF-8@CM复合微球锌元素含量较高（质量分数可达19.56%），其锌与氮的原子个数比与ZIF-8相似。加载5-FU后，样品ZIF-8@CM-5-FU的EDX仍然含有碳、氧、氮和锌4种元素。同时，出现了1个新的元素（氟），碳与氧元素原子个数比与ZIF-8@CM中的不同。与CM相比，图1（f，i）中的碳与氧元素含量仍然较高，这是因为三者都是以纤维素为基础的。结合SEM和EDX结果，可以得出ZIF-8@CM和ZIF-8@CM-5-FU的载体材料均为纤维素，CM孔隙中的固体为ZIF-8，ZIF-8在CM上生长良好，并且5-FU在ZIF-8@CM上加载成功。
合成的CM、ZIF-8@CM、ZIF-8@CM-5-FU和ZIF-8的XRD图谱如图2所示。由于CM、ZIF-8@CM和ZIF-8@CM-5-FU的主体材料均为纤维素，所以CM、ZIF-8@CM和ZIF-8@CM-5-FU的总体趋势一致。2θ=12.03°、20.04°、21.44°的衍射峰分别对应Ⅱ型纤维素的（110）、（110）、（200）的晶面衍射（图2）［28］。与CM相比，图2中的ZIF-8@CM和ZIF-8@CM-5-FU的峰数更多。其中2θ=7.371°、10.402°、12.780°、14.760°、16.455°、18.005°、24.604°和26.767°的衍射峰分别对应于ZIF-8的（011）、（002）、（112）、（022）、（013）、（222）、（233）和（134）的晶面衍射，与ZIF-8的XRD图谱中的峰相对应。ZIF-8@CM和ZIF-8@CM-5-FU的XRD图有典型的ZIF-8的衍射峰，结晶度高，衍射峰明显，与文献报道的纯ZIF-8一致［29］，证明ZIF-8成功负载到CM上。
<G:\武汉工程大学\2024\第1期\郭远哲-2.tif>[5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
2θ / （°）][相对强度][ZIF-8@CM-5-FU][ZIF-8@CM][CM][ZIF-8][7.371][10.402][12.780][14.760][18.005][16.455][24.604][26.767]
图2 不同CMs的XRD谱图
Fig. 2 XRD patterns of different CMs
此外，ZIF-8@CM-5-FU的XRD图谱与ZIF-8@CM的XRD图谱相似，说明即使5-FU被固定在多孔的ZIF-8@CM中，ZIF-8的晶体结构和物理化学性质也保持稳定。在2θ＜20°时，ZIF-8@CM的峰值强度降低是由于ZIF-8@CM-5-FU的晶孔中存在5-FU分子造成的。同时，图2中未观察到5-FU分子的衍射峰，说明ZIF-8@CM-5-FU中没有5-FU晶体。
为了进一步证明ZIF-8成功在ZIF-8@CM上的生成以及5-FU在ZIF-8@CM上的成功加载，对CM、ZIF-8@CM和ZIF-8@CM-5-FU的FTIR光谱进行了研究，如图3所示。三者的主体都是纤维素，CM、ZIF-8@CM和ZIF-8@CM-5-FU的FTIR光谱的整体趋势大致相同。在ZIF-8@CM的FTIR光谱中，3 200~3 550 cm-1宽而强的波段表现为O-H与N-H的拉伸振动［30］。也正因为有N-H的存在，相较于图3中的CM，ZIF-8@CM和ZIF-8@
CM-5-FU在此处的峰位有些许偏移。2 886.18 cm-1处的吸收峰可归因于脂肪族C-H链，1 644.33 cm-1处的吸收峰为C-O的轴向变形，1 587.69 cm-1处的吸收峰为C=N的拉伸振动，1 350~1 500 cm-1为咪唑环的拉伸振动，1 431.74 cm-1处的峰值为咪唑环的拉伸或弯曲振动。752.12 cm-1和671.69 cm-1处的吸收峰为咪唑环的面外弯曲振动，691~900 cm-1处的吸收峰为-OH基团的面外弯曲振动。423.67 cm-1处的吸收峰与Zn-N拉伸有关［31］。
在图3中可从ZIF-8@CM-5-FU上观察到5-FU的几个波段，在1 738.72、1 611.49、1 233.11 cm-1的特征峰分别属于5-FU中的C=O、C=C和C-N基团的拉伸振动［32］。通过FTIR光谱进一步证实了5-FU已成功封装在ZIF-8@CM中。
<G:\武汉工程大学\2024\第1期\郭远哲-3.tif>[相对吸光强度][4 000 3 600 3 200 2 800 2 400 2 000 1 600 1 200 800 400
σ / cm-1][ZIF-8@CM-5-FU][ZIF-8@CM][CM][2 886.18][3 448.43][3 442.68][3 490.29][1 738.72][1 611.49][1 233.11][897.40][423.27][752.12][671.69][1 587.69][1 644.33][1 431.74]
图3 不同CMs的FTIR光谱
Fig. 3 FTIR spectra of different CMs
图4（a）显示了CM、ZIF-8@CM和ZIF-8@ CM-5-FU的XPS全谱。CM中只有O 1s和C 1s两个峰，284.8 eV和286.3 eV的峰分别为C-C和C-O-C。ZIF-8@CM和ZIF-8@CM-5-FU均出现了2个新峰（398 eV和1 021 eV），分别对应于N 1s和Zn 2p［图4（d）］［33］。ZIF-8@CM和ZIF-8@CM-5-FU在398.2 eV时的N 1s谱峰为C-N键和C=N键［图4（c）］。与CM相比，恰巧只多了在ZIF-8@CM中ZIF-8所含有的2种元素（N和Zn），证明了ZIF-8@CM的成功合成。由于所得的材料中只有5-FU中含有F元素，具有F的元素峰，图4（a）显示了ZIF-8@CM-5-FU在总光谱686 eV下有1个特别小的峰（F 1s），与5-FU中的C-F相对应［图4（b）］，这也说明了5-FU在ZIF-8@CM上加载成功。
药物载体在使用前需要经过高温处理，因此需要分析CM和ZIF-8@CM的热稳定性［34］。CM、ZIF-8@CM和ZIF-8@CM-5-FU的TG曲线见图5。三者在50~275 ℃的温度范围内有很长的稳定期，说明CM、ZIF-8@CM和ZIF-8@CM-5-FU都具有较高的热稳定性。CM和ZIF-8@CM在315 ℃开始失重，说明CM和ZIF-8@CM在315 ℃下具有热稳定性。CM在低温范围内热分解失重较小，主要是因为自由水的蒸发［35］。而ZIF-8@CM-5-FU在275 ℃开始失重，可能是因为ZIF-8框架中的药物分子的烃链热解。当温度达到315 ℃时，三者均有明显的失重现象。所有样品的失重率均在70%以上。在300~375 ℃范围内，ZIF-8的质量损失显著，这可能与咪唑酸盐分子有机部分的降解有关。CM和ZIF-8@CM都损失了70%以上，但ZIF-8@CM的最终残留物比CM多，这可能是由于ZIF-8的无机部分热分解，直到氧化锌形成［36］。ZIF-8@CM的高热稳定性也证明了ZIF-8@CM适合作为5-FU的药物载体。
<G:\武汉工程大学\2024\第1期\郭远哲-5.tif>[30 120 210 300 390 480 570
t / ℃][110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
][质量残留率 / %][CM
ZIF-8@CM
ZIF-8@CM-5-FU]
图5 不同CMs的TG曲线
Fig. 5 TG curves of different CMs
2.2 ZIF-8@CM对5-FU吸附等温线和动力学
表1为CM和ZIF-8@CM对5-FU溶液吸附效果的比较。CM对5-FU的吸附性能很弱，仅为2.84 mg·g-1，因此有必要对其进行改性。ZIF-8@CM对5-FU的吸附性能明显优于CM。吸附量达到74.10 mg·g-1。考虑到其良好的吸附能力和吸附效率，以0.002 5 g（干重）ZIF-8@CM和50 mL 5-FU（100 mg·L-1）溶液为参比。
表1 CM和ZIF-8@CM的载药量
Tab. 1 Adsorption capacity of the CM and ZIF-8@CM
[样品 ρ0 / （mg·L-1） ρe / （mg·L-1） Qe / （mg·g-1） CM 100.00 98.51 2.84 ZIF-8@CM 100.00 60.96 74.10 ]
5-FU在ZIF-8@CM上的吸附动力学如图6（a）所示。用下列方程对5-FU在ZIF-8@CM上的吸附进行分析：
[Qt=Qe(ek1t-1)/ek1t] （4）
[Qt=Qe2k2t/(1+Qek2t)] （5）
k1和k2分别代表非线性准一级动力学模型（min-1）和非线性准二级动力学模型（g·mg-1·min-1）的速率常数。图6（a）为准一阶和准二阶吸附动力学模型的拟合曲线。5-FU在ZIF-8@CM上的吸附速率在前30 min内较快，120 min后达到吸附平衡，平衡时最大吸附量Qm为74.10 mg·g-1。拟合的动力学参数列于表2中。准二阶模型的R2高于其他模型，说明吸附行为主要受化学吸附的控制［37］。
5-FU在ZIF-8@CM上加载的吸附等温线如图6（b，c，d）所示。采用Langmuir和Freundlich等温模型研究了ZIF-8@CM在5-FU上的加载行为和机理［38］。Langmuir模型表明负载物只能在ZIF-8@CM表面进行单层负载。Freundlich模型表明负载物可以在ZIF-8@CM表面形成多层负载。Langmuir等温方程：
[Qe=QmKLρe/(1+KLρe)] （6）
式（6）中：KL（L·mg-1）和Qm（mg·g-1）分别为Langmuir负载常数和载体的最大装载能力［20］。
Freundlich等温方程：
[Qe=KFρe1/nF] （7）
式（7）中：nF和KF（mg-1）为Freundlich负载常数［20］。表3明确了Langmuir和Freundlich的参数和相关系数，从表3可知Langmuir等温模型的R2更高，因而5-FU在ZIF-8@CM中的吸附为单层加载［39］。
2.3 体外释放研究
为了验证ZIF-8@CM是否适合作为5-FU的控释底物平台，在37 ℃条件下研究了不同pH下的累积释放曲线，图7为不同pH（pH=5.0，pH=7.4）下ZIF-8@CM-5-FU对5-FU的累积释放曲线。ZIF-8@CM-5-FU可以在不同pH值（pH=5.0，pH=7.4）的PBS中连续释放5-FU。ZIF-8在中性pH下是稳定的，在酸性pH下由于金属离子与配体的配位解离，其骨架在酸性pH下崩解，为药物在此酸性pH下的释放提供了机会［40］。图7中，ZIF-8@CM在pH=7.4时可以释放，累积释放量没有显著增加。健康细胞的pH值在7.4左右，在此pH范围内，药物释放的量更少，因此药物在ZIF-8的框架内保持完整，对健康细胞的影响最小。ZIF-8在酸性pH下解离，在该pH范围内药物释放应比生理pH下更明显。如图7所示，5-FU的累积释放量显著增加，且5-FU的释放速度比中性pH下的药物释放更快。在酸性PBS溶液（pH=5.0）中释放600 min后，ZIF-8@CM-5-FU释放63.4%的5-FU。而ZIF-8@CM-5-FU在中性PBS溶液（pH=7.4）中释放缓慢，600 min后仅释放37.6%的5-FU。结果表明，5-FU的释放受介质pH值的控制。其在酸性pH下易于释放，在中性pH下可保存在ZIF-8骨架中。ZIF-8@CM-5-FU的pH响应释放特性可减少药物在体内循环中的早期释放。由于肿瘤部位的酸性微环境，特异性释放药物有利于体内的肿瘤抑制。因此，ZIF-8@CM可作为治疗癌症的潜在5-FU载体，并可通过改变pH值控制5-FU的释放。表4总结了Korsmeyer-Peppas模型的计算参数，由于释放指数n小于0.5，5-FU的释放符合Fickian扩散。
<G:\武汉工程大学\2024\第1期\郭远哲-7.tif>[0 100 200 300 400 500 600 700
t / min][70
60
50
40
30
20
10][累计释放率 / %][pH=5.0
pH=7.4
Korsmeyer模型（pH=7.4）
Korsmeyer模型（pH=5.0）]
图7 ZIF-8@CM在不同pH值下5-FU体外释放谱图
Fig. 7 In-vitro 5-FU release profile from ZIF-8@CM at
different pH values
表4 Korsmeyer-Peppas拟合模型的平衡参数
Tab. 4 Equilibrium parameters of Korsmeyer-Peppas
fitting models
[pH k n R2 7.4 4.960 0.068 2 0.998 1 5.0 2.705 0.199 3 0.939 7 ]
2.4 ZIF-8@CM和ZIF-8@CM-5-FU的体外细胞毒性试验
药物载体的安全性能至关重要。考虑其安全性，有必要研究ZIF-8@CM和ZIF-8@CM-5-FU的细胞毒性［41］。用MTT法检测ZIF-8@CM和ZIF-8@CM-5-FU的细胞毒性。A549细胞暴露于不同质量浓度（0，50，100，150，200 μg·mL-1）的ZIF-8@CM和ZIF-8@CM-5-FU中24 h，细胞存活率如图8所示。细胞可以在含有ZIF-8@CM的环境中良好增殖,表明ZIF-8@CM具有良好的生物相容性。制备的ZIF-8@CM-5-FU为悬浊液，且ZIF-8@CM对5-FU的负载量为74.1 mg/g，因此实际在溶液中的5-FU含量较低，所以细胞在ZIF-8@CM-5-FU环境下亦增殖良好，细胞存活率达85%以上，并无明显的细胞毒性。
[140
120
100
80
60
40
20
0][细胞存活率 / %]<G:\武汉工程大学\2024\第1期\郭远哲-8.tif>[0 50 100 150 200
ρ / （μg·mL-1）][ZIF-8@CM
ZIF-8@CM-5-FU]
图8 细胞毒性试验结果
Fig. 8 Results of cytotoxicity test
2.5 材料设计及5-FU的加载与释放机理分析
材料设计及5-FU加载和释放机理如图9所示。首先，通过溶胶-凝胶法将初始纤维素转化为多孔微球，为药物载体的制备提供了原材料，多孔结构也为ZIF-8的生长提供了良好的环境。
ZIF-8在纤维素表面的生长可以用配位作用和静电作用两种机制解释［42-43］。溶液中的CM表面带负电荷，在CM中加入六水合硝酸锌的甲醇溶液时，Zn2+与CM表面的-O-或-OH基团发生配位作用，被静电作用吸附在纤维素基体表面。Zn2+经静电作用吸附在CM上，与2-甲基咪唑分子反应成核，在CM上成功生成ZIF-8晶体。纤维素表面出现了一些形核，表明ZIF-8晶体是在CM中生成的［44］。
ZIF-8@CM对5-FU的吸附机理主要包括3个方面：（1）从5-FU的结构式中可以看出，5-FU的结构中含有-NH，有助于与CM外表面的-OH基团相互作用形成氢键，这也是CM对5-FU具有微弱吸附能力的原因；（2）ZIF-8@CM为阳离子材料，其表面带正电荷，而5-FU为阴离子类药物，其结构易失氢，因此ZIF-8@CM可通过静电相互作用对5-FU进行负载；（3）由于ZIF-8@CM的咪唑环与5-FU之间存在π-π堆积作用，ZIF-8@CM通过与5-FU之间π-π堆积作用对其完成负载。由于外部环境中pH的变化，在生理环境pH下，ZIF-8可保持结构稳定，在酸性条件下，ZIF-8晶体结构会被破坏，从而让5-FU从ZIF-8@CM-5-FU中释放出来［40］。
3 结 论
本文提出了利用原位法将ZIF-8与CM结合得到ZIF-8@CM，并通过吸附将5-FU成功负载在ZIF-8@CM上的方法。研究表明，ZIF-8@CM-5-FU具有极好的生物相容性和较高的生理稳定性，是药物输送的理想载体。此外，通过SEM、EDX、FT-IR、XPS、XRD和TGA等测试对其进行了表征，在CM上成功原位生成了ZIF-8，并很好地保留了ZIF-8的良好特性，在ZIF-8@CM上也成功加载了5-FU。ZIF-8@CM对5-FU的负载量非常高，可达74.10 mg·g-1，远高于CM（Qe=2.84 mg·g-1）。通过在不同pH条件下的PBS对5-FU进行的释放，研究了5-FU在ZIF-8@CM上的释放机制。5-FU可以在微酸性pH下从ZIF-8@CM-5-FU中持续释放，在微酸性pH（pH=5.0）的PBS中释放速度要比在生理pH（pH=7.4）的PBS中快得多。ZIF-8@CM-5-FU可在微酸性pH下的PBS中连续释放5-FU 600 min，释放量达到63.4%，而在生理pH下释放量仅为37.6%。5-FU的释放遵循Fickian扩散机制。这表明ZIF-8@CM可实现在一定程度上对5-FU的控制释放。在细胞毒性实验中已证实ZIF-8@CM具有良好的生物相容性和极低的细胞毒性，是5-FU安全释放的合适载体。通过将CM与金属有机框架相结合，为设计一种5-FU的新型载体提供了思路。