随着纳米药物递送、肿瘤靶向治疗及刺激响应型载体技术的发展，如何提高药物载体的负载能力、减少药物在非目标环境中的提前释放，并实现特定条件下的可控释放，已成为功能化纳米材料研究的重要方向。
传统小分子药物在实际应用过程中可能面临水溶性不足、体内分布缺乏选择性、循环过程中提前释放以及药物暴露相关毒性等问题。通过将药物分子负载于具有多孔结构和环境响应特性的纳米材料中，可以为调节药物释放行为提供新的研究思路。
沸石咪唑酯骨架材料-8（Zeolitic Imidazolate Framework-8，ZIF-8）是一类由Zn²⁺与2-甲基咪唑配位构筑的金属有机框架材料（Metal–Organic Frameworks，MOFs）。ZIF-8具有可设计的颗粒尺寸、较高的孔隙率以及酸性条件下易发生结构分解等特点，在药物递送研究中受到广关注。
阿霉素（Doxorubicin，DOX）是一种常见的蒽环类抗肿瘤药物，具有芳香共轭结构及可参与多种分子间相互作用的官能团。DOX既可以作为药物递送研究的模型分子，也可以通过其自身荧光特性辅助开展细胞摄取和药物分布分析。
DOX的装载方式是影响ZIF-8载药量、药物分布状态、颗粒稳定性及释放曲线的重要因素之一。
不同装载策略可能改变DOX与ZIF-8骨架之间的相互作用，以及药物在颗粒内部或表面的分布，从而影响初始突释、持续释放及酸性环境下的药物释放表现。
一、ZIF-8的结构特点及其作为DOX载体的优势
ZIF-8由锌离子和2-甲基咪唑配体形成具有周期性结构的三维框架。其拓扑结构具有笼状孔腔及相对狭窄的孔口，为研究药物与多孔框架之间的相互作用提供了结构基础。
ZIF-8的典型晶体孔口尺寸约为0.34 nm，而内部孔腔尺寸约为1.1–1.2 nm。由于DOX分子尺寸通常大于ZIF-8的名义孔口尺寸，因此不能简单地认为DOX能够自由通过完整晶态ZIF-8的孔口进入内部孔腔。
在实际研究中，DOX的负载可能涉及外表面吸附、晶体缺陷、框架动态变化、原位生长包埋以及颗粒间孔隙等多种机制。
ZIF-8用于DOX递送的主要特点
ZIF-8在酸性条件下可能发生Zn–咪唑配位键解离及框架结构破坏，因此被广用于研究pH响应性药物释放。
不过，ZIF-8的稳定性并不只由pH决定。磷酸盐、蛋白质、离子强度及其他配位物质也可能影响框架结构和锌离子释放行为。
因此，在实际药物释放研究中，需要结合缓冲液组成及材料结构变化综合分析释放机制。
二、DOX装载方式的主要类型及作用机制
DOX装载方式通常可以分为后合成装载、原位包封以及复合功能化装载三类。
2.1 后合成吸附法：操作相对简便，但受孔口和表面性质限制
后合成吸附法通常先制备ZIF-8颗粒，再将其与DOX溶液接触，使药物通过吸附或其他相互作用与载体结合。
这一方法具有操作流程相对简便、药物与晶体合成过程相互影响较少等特点。
DOX与ZIF-8之间可能存在静电相互作用、氢键、表面配位及其他非共价作用。
但由于DOX分子尺寸与ZIF-8孔口尺寸不匹配，后合成装载不一定意味着DOX真正进入完整晶态的内部孔腔。
在部分体系中，药物可能主要分布于颗粒外表面、晶体缺陷或非理想结构区域。
这种装载方式可能带来较快的初始释放，尤其当DOX主要通过相对较弱的表面相互作用固定时。
2.2 原位包封法：利用框架生长过程实现药物包埋
原位包封通常是在ZIF-8形成过程中引入DOX，使药物参与或伴随框架的成核、生长与组装过程。
与后合成吸附不同，原位包封不完全依赖药物通过已有孔口扩散进入框架，因此对于尺寸较大的药物分子具有一定研究优势。
在适宜条件下，DOX可能被包埋在晶体内部、缺陷区域或晶体聚集结构中。
原位包封有望提高部分配方的药物负载量，并减少表面药物导致的初始突释。
然而，DOX的存在也可能改变ZIF-8晶体成核与生长过程，使颗粒尺寸、结晶性及形貌发生变化。
因此，原位包封不必然具有更高载药量或更缓慢的释放速率，需要通过实验验证。
2.3 复合功能化装载：通过外层结构调节释放行为
复合功能化装载通常是在DOX-ZIF-8体系基础上进一步引入聚合物、脂质、蛋白质或其他功能层。
外层结构可能改善颗粒的水相分散性，减少药物在储存或中性环境中的提前释放，并调节药物向外部介质扩散的速度。
例如，聚合物包覆层可能形成额外的扩散屏障，而酸敏感功能层则有望在特定条件下改变药物释放行为。
但包覆层也可能增加颗粒尺寸、降低药物质量分数或影响细胞摄取。
因此，复合功能化需要综合考虑载药量、释放速度、胶体稳定性及生物学功能。
三、不同装载方式对ZIF-8载药量的影响
载药量是评价DOX-ZIF-8递送体系的重要指标，但不同文献对载药量的定义和计算方式可能存在差异。
通常需要区分药物负载量（Drug Loading Content，DLC）和包封效率（Encapsulation Efficiency，EE）。
其中，DLC反映载药颗粒中药物的质量占比，EE反映初始投料中成功负载的药物比例。
在比较不同装载方式时，必须明确载药量的计算基准，否则容易出现数值不可直接比较的问题。
文献案例：不同装载策略的载药表现
为什么原位包封有时能够获得更高载药量？
与后合成吸附相比，原位包封能够利用框架生长过程将DOX纳入颗粒结构，减少药物必须通过狭窄孔口扩散的限制。
特别是对于具有较大分子尺寸的DOX，原位包封可能增加其进入颗粒内部的机会。
2016年发表于 Journal of the American Chemical Society 的研究提出了一锅法MOF合成与目标分子包封策略，证明大尺寸药物分子可以在ZIF晶体形成过程中被包埋，并且可以通过合成条件调节载药量。
此外，分级多孔结构也可能显著影响药物负载性能。
一项发表于 International Journal of Pharmaceutics 的研究通过喷雾干燥构建分级多孔ZIF-8，在形成材料的同时包封DOX。该研究报告的载药率和包封效率均为79%，并观察到同步包封样品相较于同类材料溶剂吸附样品具有明显的载药优势。
这些结果说明，载药能力不仅取决于ZIF-8本身的孔隙率，还与药物进入框架的方式及颗粒形成路径密切相关。
四、DOX装载方式对释放曲线的影响
DOX释放曲线能够反映药物从载体中进入外部介质的动态过程。
不同装载方式可能改变药物的空间分布、结合强度及扩散路径，因此可能形成不同的释放动力学特征。
4.1 后合成吸附：可能出现较明显的初始释放
对于以表面吸附为主的DOX-ZIF-8体系，部分药物可能分布在颗粒外表面或容易接触释放介质的位置。
当载药颗粒进入释放介质后，这部分DOX可能较快脱附，形成初始突释。
随后，结合较强或分布于较深层结构中的药物逐步释放，曲线斜率可能减小。
不过，是否出现明显突释仍取决于吸附强度、药物分布及释放介质条件。
4.2 原位包封：可能形成更复杂的多阶段释放
原位包封的DOX可能分布于晶体内部或框架生长过程中形成的包埋区域。
在部分体系中，DOX需要经历框架结构变化或更长的扩散路径才能释放，因此初始释放可能相对缓慢。
当ZIF-8在酸性条件下发生结构分解时，内部药物可能快速进入外部介质，导致释放曲线斜率增加。
这类释放行为可能呈现多阶段特征，而不一定符合简单的一级释放动力学模型。
4.3 表面包覆：增加扩散屏障并调节释放速率
在DOX-ZIF-8外部引入聚合物包覆层后，药物释放可能同时受到框架分解与外层扩散阻力影响。
例如，PAA包覆层可以改变药物从ZIF-8进入释放介质的过程，在部分条件下减少初始突释。
但包覆层的作用也可能随着pH变化而改变，因此其释放行为需要结合外层结构稳定性进行解释。
五、不同pH条件下的DOX释放曲线对比
ZIF-8受关注的特点之一是其酸性响应性。
在中性环境下，部分ZIF-8载药体系能够保持相对较低的药物释放速率；在酸性环境中，框架可能逐步分解，促进DOX释放。
以下结合公开研究数据展示这一特征。
从上述研究可以看出，在pH 4.0条件下，DOX释放表现出较明显的阶段性变化。
其中，酸性环境下第1小时的累积释放约为37.6%，第15小时增加至83.4%，第30小时达到约84.7%。
相比之下，在pH 7.4条件下，该体系在第5小时和第20小时的累积释放分别约为7.0%和22.5%。
这些结果说明，ZIF-8结构在不同pH条件下的稳定性差异，能够显著影响DOX释放行为。
需要注意，pH 4.0更接近较强酸性的细胞内囊泡环境，不能直接等同于所有实体肿瘤组织的细胞外pH。
六、聚合物包覆对DOX释放曲线的调节作用
除了药物装载方式，ZIF-8颗粒外部是否具有功能化包覆层，也会影响DOX释放行为。
以聚丙烯酸（PAA）包覆为例，PAA能够在ZIF-8表面形成额外的界面层，从而影响药物向外部介质扩散。
2021年发表于 RSC Advances 的研究比较了ZIF-8–DOX与ZIF-8–DOX@PAA两种载药体系。
在pH 7.4条件下，PAA包覆样品表现出更低的DOX释放比例；在pH 4.0条件下，两种材料均表现出较明显的酸响应释放行为。
这一结果说明，聚合物包覆层并不是完全阻止药物释放，而是通过调节药物扩散与载体结构变化，使释放过程更具可控性。
对于需要降低中性环境下药物提前释放的体系，可以考虑适当的表面功能化策略。
但应注意，聚合物包覆会增加载体总质量，因此在计算DLC时可能出现药物质量分数下降的情况，即使实际保留的DOX总量并未减少。
七、不同装载方式的综合性能比较
从药物递送体系设计角度来看，后合成吸附、原位包封和复合功能化装载各有优势。
|
评价指标 |
后合成吸附 |
原位包封 |
复合功能化装载 |
|---|---|---|---|
|
制备流程 |
相对简便 |
需控制晶体生长 |
步骤相对较多 |
|
载药量 |
受表面和孔道可接近性限制 |
部分体系可实现较高负载 |
取决于核心装载方式 |
|
药物分布 |
可能偏向表面和缺陷区域 |
可能实现内部包埋 |
可结合内部包埋与外层调控 |
|
初始突释 |
部分体系较明显 |
可能降低 |
可通过包覆层进一步调节 |
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酸性响应 |
受ZIF-8分解影响 |
受框架分解和药物分布共同影响 |
同时受外层结构影响 |
|
工艺重复性 |
较易建立 |
对合成条件较敏感 |
需要多步骤质量控制 |
表中为典型技术特征的定性比较，不代表所有ZIF-8配方的必然结果。
八、DOX-ZIF-8释放动力学的分析方法
释放曲线不仅能够反映药物释放快慢，还可以辅助分析不同装载方式的作用机制。
常见释放动力学模型包括零级模型、一级模型、Higuchi模型和Korsmeyer–Peppas模型。
|
动力学模型 |
数学表达式 |
主要研究意义 |
|---|---|---|
|
零级模型 |
\(M_t=M_0+k_0t\) |
分析近似恒速释放过程 |
|
一级模型 |
\(\ln(1-F)=-k_1t\) |
分析部分浓度依赖型释放 |
|
Higuchi模型 |
\(M_t=k_H\sqrt{t}\) |
分析特定假设下的扩散控制过程 |
|
Korsmeyer–Peppas模型 |
\(F=kt^n\) |
通过经验指数辅助判断释放行为 |
其中，\(F\)通常表示归一化累积释放比例，\(t\)表示时间。
需要注意，ZIF-8在酸性环境中可能发生结构分解，因此其释放行为往往不完全符合传统惰性聚合物载体的扩散模型。
在存在明显多阶段释放或框架崩解的情况下，可以考虑分段拟合或采用其他经验动力学模型，但不能仅凭较高的拟合优度确定唯一释放机制。
九、DOX装载方式对ZIF-8颗粒形貌与稳定性的影响
DOX装载不仅影响载药量，还可能改变ZIF-8颗粒的形成与结构稳定性。
对于后合成吸附法，若装载条件相对温和，ZIF-8通常有机会保留原有晶态结构，但溶剂、pH和处理时间仍可能引起结构变化。
对于原位包封法，DOX可能影响Zn²⁺与2-甲基咪唑的配位组装过程，进而改变晶体成核速度、颗粒尺寸和终形貌。
此外，DOX装载量较高时，部分体系可能出现颗粒聚集、结晶性变化或药物在外表面富集等现象。
因此，需要同时评价药物负载性能和颗粒结构完整性，避免单纯追求高载药量而忽略材料稳定性。
十、DOX-ZIF-8载药体系的实验设计与表征
为了系统比较不同装载方式对载药量和释放曲线的影响，可以设计三类材料进行平行研究。
关键表征技术
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表征方法 |
主要用途 |
|---|---|
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XRD/PXRD |
判断ZIF-8晶体结构是否保持 |
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SEM/TEM |
观察颗粒尺寸、形貌及结构变化 |
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DLS |
测定水合粒径和粒径分布 |
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BET及气体吸附 |
评价比表面积和孔结构变化 |
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FTIR |
辅助分析DOX与ZIF-8之间的相互作用 |
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UV-Vis/HPLC |
定量分析DOX负载量及释放量 |
|
荧光光谱 |
辅助研究DOX分布及释放行为 |
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ICP-OES/ICP-MS |
测定Zn释放，辅助判断框架分解 |
在条件允许时，可以将DOX释放量与Zn释放量进行关联分析，判断药物释放是否与ZIF-8结构分解同步发生。
释放实验的变量控制
建议在比较不同装载方式时，重点控制以下因素：
-
药物投料与定量： 明确DOX初始投料、终载药量及游离药物去除程度。
-
颗粒性质： 记录粒径、形貌、结晶性及分散状态。
-
释放介质： 控制pH、缓冲液类型、离子强度及温度。
-
取样方法： 明确取样体积、补液方式及累积释放率计算方法。
-
分析方法： 验证DOX在不同pH和缓冲体系中的定量准确性。
特别需要注意，磷酸盐缓冲液可能与ZIF-8中的锌发生相互作用，因此使用PBS开展释放实验时，应避免将全部结构变化简单归因于酸性环境。
十一、DOX装载方式优化中的关键技术问题
药物负载量越高，是否意味着递送效果越好？
不一定。
较高载药量能够提高单位载体质量中的药物比例，但如果药物主要富集于颗粒表面，可能增加初始突释风险。
此外，过高的DOX负载量还可能改变颗粒结晶性、胶体稳定性及释放行为。
因此，载药量需要与药物保留能力、释放控制和细胞实验结果联合评价。
释放速度越慢，是否越有利于治疗？
也不一定。
对于需要在特定细胞内环境中快速释放药物的体系，过慢的释放可能降低有效药物暴露。
理想的递送体系应尽可能减少非目标环境中的提前释放，同时在目标条件下实现适当的药物释放。
酸性释放率高，是否代表具有肿瘤靶向性？
不能直接这样判断。
酸响应释放说明材料对特定环境刺激具有响应能力，但并不等同于肿瘤组织选择性富集。
实际靶向效果还受到颗粒尺寸、表面性质、给药途径、血液循环行为及细胞摄取等因素影响。
此外，DOX及ZIF-8相关体系还需要评估锌离子释放、载体降解产物及细胞毒性，才能进一步判断其生物医学应用潜力。
十二、总结与展望
DOX装载方式是影响ZIF-8药物递送性能的重要因素之一。
后合成吸附法具有操作相对简便的特点，但药物负载可能受到孔口尺寸和表面结合位点的限制。
原位包封法能够利用ZIF-8晶体生长过程实现药物包埋，在部分研究体系中有助于提高载药量并改变药物释放路径。
复合功能化装载则可以通过外层聚合物或其他功能组分进一步调节药物扩散、颗粒分散性和酸性响应行为。
公开研究表明，不同DOX-ZIF-8体系在载药能力和释放动力学方面存在明显差异。其差异不仅来源于装载方式，还受到材料孔结构、颗粒尺寸、药物分布及释放介质条件的共同影响。
因此，DOX-ZIF-8配方优化的核心并不是单纯提高载药量或延长释放时间，而是在药物负载、颗粒稳定性、非目标环境药物保留和目标环境有效释放之间建立合理平衡。
未来，随着分级多孔MOF设计、原位包封技术、表面功能化和多尺度表征方法的发展，DOX-ZIF-8体系有望实现更加精细的药物装载和释放调控，为刺激响应型纳米药物递送平台的研究提供更多技术思路。
参考文献
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Zheng H., et al. One-pot Synthesis of Metal–Organic Frameworks with Encapsulated Target Molecules and Their Applications for Controlled Drug Delivery. Journal of the American Chemical Society, 2016.
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pH-triggered degradation and release of doxorubicin from zeolitic imidazolate framework-8 (ZIF8) decorated with polyacrylic acid. RSC Advances, 2021.
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Spray drying-assisted construction of hierarchically porous ZIF-8 for controlled release of doxorubicin.
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Recent developments on zinc(II) metal–organic framework nanocarriers for physiological pH-responsive drug delivery.