近红外响应金纳米棒胶囊用于高效货物封装与释放

《Small》：NIR-Responsive Gold Nanorod Capsules for Efficient Cargo Encapsulation and Release

　　

： 基于金纳米颗粒的囊泡状纳米结构因其可调谐的等离子体性质而成为极具吸引力的药物递送平台；然而，同时实现高效货物封装、稳健的水相稳定性以及可控的近红外（NIR）触发释放仍然具有挑战性。本文中，研究人员通过溶质诱导相分离策略，利用迷你金纳米棒（mini-Au NRs）和小分子两亲性六乙二醇（EG6）配体，制备了水分散性且近红外响应的金纳米棒胶囊（Au NrCs）。得益于其紧凑的尺寸和可调谐的纵向局域表面等离子体共振（L-LSPR），mini-Au NRs能够在亚200 nm纳米胶囊内组装，同时保持近红外响应性。在胶囊形成过程中，纳米颗粒和DNA货物通过液-液相分离被同步封装并浓缩于胶囊内部，实现了约90%的DNA封装效率以及超过1000倍的富集。此外，氨基封端的EG6配体能够使Au NrCs在组装后与双环氧聚乙二醇（diepoxy-PEG）交联，从而提升其水相稳定性和分散性。所得到的Au NrCs在低功率810 nm近红外LED照射下，通过胶囊解组装实现了高效的货物释放（数分钟内释放率>95%），凸显了等离子体纳米胶囊在相对温和的近红外LED照射条件下实现外部控制递送的潜力。这些结果建立了一个集浓度辅助货物封装、增强水相稳定性以及可控近红外触发释放在一体的等离子体纳米载体平台，为未来的药物递送应用奠定了基础。

论文解读

一、研究背景与意义

在先进药物递送系统（DDS）领域，同时实现受控的纳米尺度尺寸、高效的货物装载以及外部可控释放，始终是核心挑战之一，尤其是对于核酸治疗药物的递送而言。与许多小分子药物不同，核酸是高度亲水、带多聚阴离子的大分子，本质上难以以高装载量被纳入纳米载体。现有的装载策略通常依赖分子间相互作用，例如与阳离子载体的静电复合或吸附于纳米材料表面，虽然能够通过局部富集促进装载，但往往装载容量有限，且载体与货物之间的强相互作用可能阻碍货物的高效释放。因此，开发一种不依赖强载体-货物相互作用、能够实现高效物理富集和封装核酸治疗药物的替代策略，具有重要的研究价值。

囊泡状纳米结构因其空心三维内部空间能够实现货物的物理封装和保护，同时具有比表面装载策略更大的装载容量潜力，而被视为极具吸引力的DDS平台。然而，亚200 nm纳米胶囊通常被认为更适合系统药物递送，因其能够在延长血液循环时间和减少非特异性清除之间取得良好平衡，但其制备过程中对尺寸的精确控制以及高效货物装载仍具挑战。此外，传统有机囊泡系统（如脂质体）虽具有良好的生物相容性和广泛的药物递送适用性，但多数系统主要依赖对生物环境的被动响应（如pH、氧化还原条件），对外部施加刺激的响应性往往有限。因此，能够实现按需控制货物释放的外部触发释放系统日益受到关注。

在无机纳米材料中，金纳米颗粒（Au NPs）因其高生物相容性、可调谐的光学性质和高效的光热响应性，成为构建光响应囊泡状DDS平台极具吸引力的构筑单元。特别是基于金纳米棒（Au NRs）的组装体，凭借近红外（NIR）光更深的组织穿透力和更低的光毒性，其NIR响应性货物释放能力受到越来越多的关注。然而，现有系统的货物装载通常依赖常规方法，即在预制或形成中的纳米载体内纳入货物分子，而未在胶囊形成过程中进行主动浓缩，难以实现对高度亲水生物大分子（如核酸）的高装载量。此外，大多数已报道的NIR响应Au NR递送系统依赖高功率激光照射，且主要面向光热治疗设计。因此，能够在相对温和的NIR照射条件下同时实现高效货物封装和可控释放的等离子体囊泡纳米载体，对于生物医学递送应用仍具有高度需求。

针对上述问题，研究人员基于此前建立的溶质诱导相分离策略，利用mini-Au NRs和两亲性EG6配体制备了水分散性、NIR响应的金纳米棒胶囊（Au NrCs）。该研究发表于《Small》期刊。

二、主要关键技术方法

研究人员采用的主要关键技术方法包括：一，种子生长法合成不同长径比（AR）的mini-Au NRs，通过调控硝酸银浓度和种子量实现纵向局域表面等离子体共振（L-LSPR）从可见光到近红外区域的可调谐；二，溶质诱导相分离自组装策略，利用两亲性EG6配体修饰的mini-Au NRs在可与水混溶的有机溶剂（如THF、二氧六环）中形成空心胶囊结构；三，表面交联稳定化处理，通过氨基封端EG6配体与双环氧聚乙二醇（diepoxy-PEG）的环氧开环反应实现颗粒间共价交联，使胶囊在水相中保持结构完整；四，多种表征手段联用，包括动态光散射（DLS）、紫外-可见-近红外消光光谱、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）、冷冻透射电子显微镜（cryo-TEM）、冷冻电子断层扫描（cryo-ET）以及小角X射线散射（SAXS），对胶囊结构、光学性质和NIR响应行为进行系统表征。

三、研究结果

2.1 不同长径比mini-Au NRs的合成

研究人员通过种子形成、二次生长和各向异性生长的三步法合成了mini-Au NRs。通过调控AgNO₃浓度和种子量，成功获得了长度9至28 nm、AR从1.5至5.0的系列mini-Au NRs，各样品尺寸分布窄。消光光谱显示L-LSPR峰从可见光到近红外区域以约40 nm间隔系统调谐，证明了对光学性质的精确控制，为后续界面自组装提供了合适的构筑单元。

2.2 mini-Au NRs自组装形成胶囊

研究人员通过DLS测量发现组装体平均水合直径约180 nm，表明溶液中形成了纳米尺度组装结构。消光光谱显示组装后横向和纵向LSPR带均发生红移，表明相邻纳米棒间距离减小产生了等离子体耦合。HAADF-STEM、SEM和TEM图像证实形成了具有空心内部结构的球形胶囊，平均直径98.7 ± 19.0 nm。cryo-TEM观察排除了干燥过程可能产生的结构假象，确认了溶液中稳定胶囊结构的存在。STEM观察显示mini-Au NRs在胶囊表面密集随机排列，多种颗粒间构型共存。三次独立制备实验展现出几乎相同的消光光谱、尺寸分布和形貌，证明了制备策略的高度可重复性。此外，六种不同AR的mini-Au NRs均成功组装为胶囊结构，表明可通过调控构筑单元AR实现Au NrCs光学性质从可见光到近红外区域的灵活设计。

2.3 Au NrCs的货物封装

研究人员以不同尺寸的金纳米球（Au NSs）和银纳米球（Ag NSs）作为模型货物，通过SEM、TEM和EDX元素映射证实了纳米颗粒货物被封装于胶囊内部，且封装行为主要由配体控制的亲疏水性决定，而非颗粒尺寸。以FAM标记DNA为分子模型货物，荧光定量分析表明超过90%的DNA与Au NrCs结合，胶囊解组装后约88%的DNA可被回收，证明高效的DNA封装能力。通过TEM统计分析封装Au NSs数量，估算富集因子约为1700倍；基于柠檬酸盐浓度和胶囊几何结构的估算也支持超过1000倍的富集因子。由于封装使用了25 μm DNA溶液，胶囊内部DNA浓度估计可达数十毫摩尔量级，表明Au NrCs能够在无需依赖强静电载体-货物相互作用的情况下高效富集亲水性分子货物。

2.4 Au NrCs表面交联实现水相稳定分散

研究人员发现未交联的Au NrCs转移至水相后迅速解组装为单个纳米棒。为解决这一问题，引入了氨基封端EG6配体（EG6-NH₂），利用氨基与双环氧PEG在有机溶剂中通过亲核开环反应形成共价β-羟基胺键，实现颗粒间交联。通过优化EG6-NH₂配体比例，确定30%为最佳组成。对照实验证实使用无反应性羟基封端PEG时胶囊在水中解组装，证明共价交联对维持水相中胶囊结构至关重要。交联后的Au NrCs在水中保留了与THF中相似的消光光谱特征和尺寸分布，TEM和cryo-ET三维重构确认了空心球形壳结构在水相中的保持。在PBS、含10% FBS的DMEM细胞培养基和FBS等生物相关条件下，胶囊结构基本保持完整，为未来生物学研究提供了基础。

2.5 Au NrCs的近红外响应行为

研究人员使用810 nm NIR LED（120 mW cm^?2）照射Au NrCs，温度在2分钟内迅速升至约37-38°C，随后逐渐达到约43°C的稳态，表明高效光热转换。照射后L-LSPR峰从810-850 nm蓝移至约770 nm，DLS显示尺寸分布显著变宽，PDI从0.124增至0.346，TEM观察证实部分解组装和侧向平行排列纳米棒组装体的形成。对照实验表明45°C水浴加热30分钟不足以诱导结构变化，证明观察到的结构改变源于相邻纳米棒间等离子体耦合产生的局部光热效应。结构响应具有明确的功率依赖性：低于70 mW cm^?2时胶囊保持囊泡结构，95 mW cm^?2时出现部分破坏，更高强度下发生明显塌缩。SAXS测量证实了分散状态下NIR诱导的结构塌缩，排除了TEM制样干燥过程产生假象的可能性。

2.6 NIR触发的货物释放

研究人员以封装Ag NSs的Au NrCs进行NIR照射实验，消光光谱显示照射后L-LSPR峰明显蓝移，同时出现Ag NSs在约400 nm的特征吸收峰，TEM观察证实胶囊结构塌缩并释放封装纳米颗粒。以FAM标记DNA为分子货物进行定量释放实验，照射样品在5分钟内荧光强度迅速增加后趋于平台，释放效率约97%；未照射对照组几乎无泄漏，45°C水浴30分钟仅释放约8%的DNA。由球形Au NPs组成的对照胶囊在810 nm处吸收可忽略，照射30分钟后仍保持胶囊结构且DNA释放可忽略，证明Au NRs的LSPR吸收是结构塌缩和货物释放的关键。此外，25°C下24小时仅约6%的DNA泄漏，表明Au NrCs在非刺激条件下具有良好的结构稳定性。

四、总结讨论与研究结论

该研究通过溶质诱导相分离策略，利用mini-Au NRs和两亲性EG6配体成功开发了水分散性、NIR响应的Au NrCs。通过调控Au NR的长径比，胶囊的光学响应可从可见光到近红外区域系统调节。所得空心纳米胶囊在形成过程中实现了纳米颗粒和分子货物的高效封装与富集。表面交联处理显著改善了Au NrCs的水相稳定性和分散性，克服了此前报道系统在水相中不稳定的局限。Au NrCs在低功率810 nm NIR LED照射下通过胶囊解组装实现了高效的货物释放，展示了等离子体纳米胶囊在相对温和NIR LED照射条件下实现外部控制递送的潜力。

研究结论指出，虽然本工作采用的辐照度低于许多已报道的具有生物相容性的激光触发药物释放系统，但仍需进一步研究评估Au NrCs的生物安全性，特别是Au NRs周围局部光热损伤问题。该工作将此前建立的浓度辅助封装策略扩展至水分散性等离子体纳米胶囊，通过整合水相稳定化与可控NIR触发货物释放，解决了已报道等离子体纳米载体的关键局限性，为未来外部控制递送应用提供了有前景的基础。