用響應(yīng)性聚合物復(fù)合膠束為模板制備大介孔空心硅球

賀 歡，許艷玲，馬如江，史林啟

(南開大學(xué)高分子化學(xué)研究所，功能高分子材料教育部重點實驗室，天津300071)

用響應(yīng)性聚合物復(fù)合膠束為模板制備大介孔空心硅球

賀 歡，許艷玲，馬如江，史林啟

(南開大學(xué)高分子化學(xué)研究所，功能高分子材料教育部重點實驗室，天津300071)

利用響應(yīng)性聚合物聚(乙二醇-b-N-異丙基丙烯酰胺)(PEG114-b-PNIPAm130)和聚(N-異丙基丙烯酰胺-b-4-乙烯基吡啶)(PNIPAm106-b-P4VP102)在水溶液中自組裝形成核－殼型復(fù)合膠束，并以其為單一軟模版，以四甲氧基硅烷(TMOS)為前軀體，溫和條件下，一步法制備得到了形態(tài)、尺寸可控的介孔空心硅球。這種介孔空心硅球具有大的比表面積(1 018.11 m2/g)和介孔尺寸(12.1 nm)。研究了交聯(lián)劑、灼燒及不同pH值對所得空心硅球形態(tài)、尺寸等的影響。最后以牛血清蛋白為模型蛋白，研究了介孔硅球?qū)Υ蠓肿拥奈侥芰Α?/p>

復(fù)合膠束;介孔;空心硅球

1 前言

因為介孔空心納米結(jié)構(gòu)具有低密度、高比表面積、有序的介孔結(jié)構(gòu)、可調(diào)的孔徑和孔容，越來越多地受到化學(xué)家和材料學(xué)家們的關(guān)注?？招慕榭准{米材料可廣泛應(yīng)用于載體系統(tǒng)［1－2］、過濾系統(tǒng)［3］、(光)催化［4］和分離體系［5］等。介孔空心納米硅球具有價廉、質(zhì)輕、無毒、制備條件溫和及產(chǎn)物形態(tài)尺寸可控，易于表面修飾，化學(xué)和熱穩(wěn)定性高［6］等多種優(yōu)點，因而更受青睞。

制備介孔空心硅球最常見的方法為雙模版法［7］，即利用一種物質(zhì)如聚苯乙烯微球、Pluronic F127膠束［8］、碳酸鈣微球、金屬微球等為空心結(jié)構(gòu)模版，以十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)自組裝體為介孔結(jié)構(gòu)模版，使硅前驅(qū)體進(jìn)行水解縮合，最后采用灼燒或者溶劑萃取等方法除去模版［9］。這種用小分子為模版得到的介孔孔徑一般在5.0 nm左右，從而對材料的潛在應(yīng)用造成了限制［10］。因為孔徑大于10 nm的介孔空心材料可以吸附蛋白、抗生素等眾多大分子客體，所以在生物醫(yī)藥領(lǐng)域引起了更廣泛的關(guān)注。已有課題組報道了關(guān)于大介孔空心材料的制備方法［11－13］。如利用乙烯基官能團(tuán)橋連的有機(jī)硅氧烷為前驅(qū)體，Pluronic F127為模版，1，3，5-三甲基苯為增孔劑(Swelling Agent)，制備了孔徑為14.7 nm的超大介孔材料(Mesoporous Organosilicas with Ultra-Large Pores)。但是，前面提到的制備大介孔空心硅球的方法或者制備過程復(fù)雜，需要各種有機(jī)添加劑(配合使用致孔劑或者增孔劑以獲得不同尺寸的孔徑)，或者反應(yīng)條件要求苛刻(如強(qiáng)酸、強(qiáng)堿)，或者所得到的形態(tài)和尺寸不易控制，實驗成本高，不易產(chǎn)業(yè)化，因而難以廣泛應(yīng)用。為了解決這一問題，我們組［14］利用溫度敏感型復(fù)合膠束為單一軟模版，在無外加添加劑的情況下，一步法制備了形態(tài)可控的大介孔空心硅球。該實驗條件溫和，環(huán)境友好，操作簡便。本文將進(jìn)一步詳細(xì)地討論聚合物膠束的形成，硅烷化，以及不同pH值下對形成介孔空心材料的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和孔尺寸等性質(zhì)的影響。

2 實驗

2.1 材料

單羥基聚乙二醇(PEG114-OH)、N-異丙基丙烯酰胺(NIPAm)、4-乙烯基吡啶(4VP)、四甲氧基硅烷(TMOS))、1，2-雙(2-碘代乙氧基)乙烷(BIEE)均購自Aldrich。使用前經(jīng)過簡單的處理:PEG114-OH在真空烘箱中過夜烘干除去水分;NIPAm在正己烷中重結(jié)晶，在真空烘箱中干燥;4VP經(jīng)CaH2干燥后減壓蒸餾純化。3(2-二甲氨基乙基)胺 (Me6TREN)根據(jù)文獻(xiàn)方法［15］合成。氯化亞銅(CuCl)由亞硫酸鈉(Na2SO3)還原氯化銅(CuCl2)得到。其他試劑均為分析純，所有實驗都采用超純水(18.2 MΩ)。

2.2 合成步驟

嵌段共聚物PEG114-b-PNIPAm130和PNIPAm106-b-P4VP102通過原子轉(zhuǎn)移自由基聚合(ATRP)方法合成，具體步 驟 參 見 文 獻(xiàn)［14－15］。 合 成 嵌 段 共 聚 物 PEG114-b-PNIPAm130采用的原料比例為:大分子引發(fā)劑PEG-Br/單體NIPAm/催化劑 CuCl/配體 MeTREN6=1/130/1/1.2(物質(zhì)的量比)，以水和N，N-二甲基甲酰胺(DMF)為混合溶劑，在氮氣保護(hù)的條件下反應(yīng)4 h。合成嵌段共聚物PNIPAm106-b-P4VP102采用的原料比例為:大分子引發(fā)劑 PNIPAm-Cl/單體4VP/催化劑CuCl/配體4，4'-聯(lián)吡啶=1/100/2/2(物質(zhì)的量比)，以丁酮和異丙醇為混合溶劑，在氮氣保護(hù)的條件下反應(yīng)8 h。

2.3 大介孔空心硅球的制備

將兩種聚合物溶液按不同比例加入到反應(yīng)瓶中，室溫下攪拌1 h，混合均勻，加熱至45℃并繼續(xù)攪拌2 h，加入一定量的交聯(lián)劑BIEE(物質(zhì)的量為4VP單元的30%)反應(yīng)12 h。然后，加入一定量的硅前軀體TMOS，攪拌24 h，最后停止攪拌并恒溫陳化48 h。反應(yīng)結(jié)束后，將樣品產(chǎn)物裝瓶，并在4℃冰箱中放置1 d。經(jīng)離心并用水和乙醇分別洗3次后在真空烘箱中干燥待測。

2.4 蛋白吸附實驗

首先將BSA蛋白配置成2 mg/mL的tri-HCl緩沖溶液(pH 7.4)。取不同比例的大介孔空心硅球各5 mg，分別分散在5 mL BSA溶液中。搖床在100 r/min，25℃下攪拌12 h。反應(yīng)結(jié)束后離心處理并取上層清液測試。

2.5 表征方法

嵌段聚合物的組成和結(jié)構(gòu)用凝膠滲透色譜法(GPC)和1H核磁共振(1HMNR)確定。利用動態(tài)光散射表征了各個階段粒子的尺寸及分布。利用透射電鏡(120 kV)觀察了大介孔空心硅球的形態(tài)和結(jié)構(gòu)。大介孔空心納米雜化硅球的組成和含量可以用熱失重分析得到。最后，為了檢測樣品的比表面積、孔容及孔徑，使用氮氣吸附、脫附技術(shù)，并采用 Brunauer-Emmett-Teller(BET)方程進(jìn)行比表面積測試及Barrett-Joyner-Halenda(BJH)介孔徑分布分析孔容、孔隙。

3 結(jié)果與討論

圖1 以響應(yīng)性聚合物膠束為模板制備大介孔空心硅球Fig.1 Formation of large-pore mesoporous hollow silica nano-capsule(LMHSN)templated by responsive polymeric micelles

圖1為制備大孔空心硅球的示意圖，本項研究利用PNIPAm在32℃發(fā)生親疏水相轉(zhuǎn)變的溫敏性，將PEG114-b-PNIPAm130和PNIPAm106-b-P4VP1022種嵌段共聚物水溶液升溫至PNIPAm的低臨界溶劑溫度(LCST)以上時，在弱酸性條件下，PNIPAm由親水變?yōu)槭杷?，PEG和P4VP鏈段保持親水狀態(tài)，形成以PNIPAm鏈段為核，以PEG/P4VP鏈段為混合殼層的復(fù)合膠束。其中混和殼層中的P4VP鏈段因部分質(zhì)子化而帶有正電，這有利于帶負(fù)電的硅前軀體的吸附和沉積。并且P4VP對TMOS仿生礦化還具有催化作用［16－17］。混和殼層中的PEG鏈段在水中始終具有良好的溶解性，不僅能夠有效地避免納米硅球之間的聚集，而且能夠在硅烷水解沉積過程中，起到大介孔模版的作用。當(dāng)溫度降至LCST以下時，PNIPAm核由疏水變?yōu)橛H水。PNIPAm106-b-P4VP102由于P4VP鏈段與SiO2存在靜電相互作用穩(wěn)定在納米硅球內(nèi)部。而PEG114-b-PNIPAm130嵌段則發(fā)生溶脹，從納米硅球逐漸逃逸出來，形成大介孔空心硅球。

3.1 復(fù)合膠束自組裝

圖2所示為聚合物溫度敏感性的表征。其低臨界溶解溫度(LCST)約為35℃。由于2種聚合物中的PNIPAm鏈分子量相當(dāng)，在其LCST以上，2種PNIPAm鏈同時發(fā)生相轉(zhuǎn)變并聚集形成膠束核，而PEG和P4VP分布在PNIPAm核周圍形成膠束的混合殼。從曲線可以看出，復(fù)合膠束的透過率在45℃以上開始趨于平穩(wěn)，這說明復(fù)合膠束的形態(tài)和結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定。因而我們選擇在此溫度進(jìn)行硅氧烷的水解及沉積。從動態(tài)光散射(圖2)中可見，復(fù)合膠束的分散度均一，尺寸約為190 nm。并且我們可以通過改變嵌段聚合物分子量的大小，來調(diào)控復(fù)合膠束的尺寸，從而調(diào)節(jié)所得到的介孔空心硅球的空腔大小。

圖2 復(fù)合膠束最低臨界溫度的表征Fig.2 Thermo-sensitivity of the block copolymer complex micelles under the condition of w/w=1∶1，0.2 g/L and pH 4.0

3.2 介孔空心硅球形態(tài)表征

圖3 不同階段下粒子尺寸與分布:a)PEG114-b-PNIPAm130/PNIPAm106-b-P4VP102復(fù)合膠束，b)復(fù)合膠束@BIEE，c)復(fù)合膠束@SiO2_45℃，d)復(fù)合膠束@SiO2_25℃Fig.3 Size and distribution of particles at different stages:a)PEG-b-PNIPAm/PNIPAm106-b-P4VP102complex micelles，b)complex micelle@BIEE，c)complex micelle@SiO2_45℃，d)complex micelle@SiO225℃

圖3所示為不同階段下粒子尺寸與分布。當(dāng)混合溶液被加熱到45℃以后，復(fù)合膠束形成，其粒徑為190 nm(圖3a)。加入交聯(lián)劑BIEE后，復(fù)合膠束粒徑進(jìn)一步增加到240 nm(圖3b)，可能是由于P4VP被季銨化后剛性大大增加，導(dǎo)致其向外伸展，從而引起粒子的流體力學(xué)直徑增加。加入TMOS后，體系的粒徑明顯增加，約至460 nm(圖3c)。這是由于硅氧烷水解后在膠束表面形成SiO2層導(dǎo)致粒子尺寸增加所致。當(dāng)溫度下降到25℃，產(chǎn)品經(jīng)過離心處理后測得粒子的尺寸為350 nm左右(圖3d)，這可能是由于PEG-b-PNIPAm逃逸以及硅球收縮導(dǎo)致尺寸下降造成的。

圖4所示為介孔空心硅球的透射電鏡照片。發(fā)現(xiàn)經(jīng)過離心洗滌處理后，復(fù)合膠束誘導(dǎo)的介孔空心硅球的尺寸和形態(tài)與洗滌處理前有明顯的差別。處理前(圖4a)，體系中存在膠束誘導(dǎo)的納米硅球、未沉積硅的聚合物膠束、TMOS以及部分反應(yīng)的硅烷寡聚物等，這造成了納米硅球的清晰形貌很難被觀察到，其粒徑較大約為300 nm。而經(jīng)過離心洗滌處理后(圖4b)，空心結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，納米硅球形貌清晰，粒徑較小，約為200 nm。透射電鏡照片中樣品的尺寸、形態(tài)與動態(tài)光散射結(jié)果相吻合。圖4c為不加交聯(lián)劑BIEE時，形成的LMHSN，可以看出其殼層較厚圖。原因可能是未加BIEE時的Zeta電位較高(約為16 mV，加入BIEE降低為13 mV)，能夠吸引更多的TMOS進(jìn)行水解和沉積。圖4d為LMHSN灼燒之后，硅球間的粘連現(xiàn)象減少，硅球分散度好，殼層變薄。這是由于LMHSN中聚合物被灼燒掉，除去了硅球間的有機(jī)交聯(lián)劑的緣故，當(dāng)硅球被重新分散時，展現(xiàn)了很好的分散度。圖4e，4f為pH 2.0下，不同聚合物所得的介孔空心硅球的透射電鏡照片。對比圖4b和圖4e，在pH 2.0和4.0條件下，介孔空心硅球的形態(tài)和結(jié)構(gòu)存在很大的差異。說明pH值對所形成的介孔空心硅球的形態(tài)和大小都有影響。究其原因，可能是pH值較低時，TMOS水解速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于沉積速率，需要陳化的時間較長。在相同的反應(yīng)時間下，TMOS沒有完全反應(yīng)到聚合物模版上，致使模版上硅的沉積量減少，殼層減薄，在制備電鏡樣品時，硅球塌陷［18］，形成如圖中的紡錘體結(jié)構(gòu)。而且在不同的聚合物膠束比例下(圖e 4/6，圖f 8/2)，都能夠形成規(guī)整的空心結(jié)構(gòu)。聚合物比例并不會對LMHSN的形貌造成太大的變化。同時，為了研究聚合物膠束在誘導(dǎo)硅烷水解及沉積過程中所起到的模板和催化作用，我們設(shè)計了一系列的對比試驗。實驗結(jié)果表明，在沒有聚合物膠束存在時，同樣的反應(yīng)條件(等量的BIEE，TMOS，相同反應(yīng)時間，反應(yīng)溫度和pH值)下，無法得到結(jié)構(gòu)規(guī)整的納米硅球。

圖4 介孔空心硅球的透射電鏡照片:a)處理前，b)處理后，c)不加BIEE，d)灼燒后，e)pH 2.0，PEG114-b-PNIPAm130/PNIPAm106-b-P4VP102(4/6)，f)pH 2.0，PEG114-b-PNIPAm130/PNIPAm106-b-P4VP102(8/2)Fig.4 TEM image of ultra-large-pore mesoporous hollow silica nanocapsule(LMHSN)before a)and after b)centrifugation and washing，c)complex micelle without BIEE，d)After calcination，e)pH 2.0，PEG114-b-PNIPAm130/PNIPAm106-b-P4VP102(4/6)，f)pH 2.0，PEG114-b-PNIPAm130/PNIPAm106-b-P4VP102(8/2)

3.3 介孔硅球性質(zhì)表征

圖5為不同制條件的介孔空心硅球的熱失重曲線。a，b為典型的干態(tài)聚合物熱失重曲線，熱分解溫度大約為400℃。而c是復(fù)合膠束負(fù)載SiO2后形成的介孔空心硅球的熱失重曲線?？梢钥闯?，雜化硅球中的無機(jī)SiO2含量高達(dá)60%。并且溫度升高到800℃時，依然顯示出良好的熱穩(wěn)定性。

介孔空心硅球的孔徑和比表面積等參數(shù)可以通過氮氣吸附、脫附實驗得到，結(jié)果如圖6所示。圖6中氮氣吸附、脫附等溫曲線均為IV型，由此可知我們所獲得的LMHSN屬于介孔材料。通過BET公式擬合后計算出，灼燒前(圖6a)材料的比表面積為265.8 m2/g，BHJ計算出孔容為1.64 cm3/g，孔尺寸分布為20～100 nm，孔徑為44 nm。這種介孔尺寸的形成，可能是由于雜化材料中復(fù)合膠束的存在，使空心結(jié)構(gòu)不是很明顯，而較大的介孔結(jié)構(gòu)則主要是硅納米顆粒之間聚集的結(jié)果。當(dāng)我們灼燒(圖6b)材料，材料的比表面積高達(dá)1 018 m2/g，孔容為0.94 cm3/g，介孔孔徑變?yōu)?2 nm。在相對壓強(qiáng)為0.5時，等溫吸附、脫附回線有明顯的升高現(xiàn)象，說明了空心結(jié)構(gòu)的存在。這是由于灼燒去掉了聚合物，減少了硅球間的粘連現(xiàn)象，使介孔空心硅球真實的性質(zhì)被檢測到。正如我們所預(yù)測的，以復(fù)合膠束為模版，SiO2只能沉積在P4VP鏈段上，而未沉積SiO2的PEG鏈段則可以自由地穿過硅層，當(dāng)PNIPAM鏈段溶解后，從介孔中逃逸出來，形成明顯的介孔和空心結(jié)構(gòu)。

圖7為介孔空心硅球?qū)εＱ宓鞍追肿拥奈綄嶒?。Sample 1，2分別是以不同比例的聚合物復(fù)合膠束為模板制備的介孔空心硅球。結(jié)果表明，LMHSN對牛血清蛋白分子確有一定的吸附作用，并且不同的聚合物比例造成的吸附能力不同。Sample 1為PEG含量較少(3/7)的LMHSN，介孔孔徑較小，對牛血清蛋白分子的吸附較弱(328 mg/g)。Sample 2為PEG含量較多(7/3)的LMHSN，介孔孔徑較大，對牛血清蛋白分子的吸附較強(qiáng)(348 mg/g)。Sample 3是未加LMHSN的牛血清蛋白空白溶液，在經(jīng)過同樣的攪拌和離心處理后，去掉上清液測試的對比實驗。計算結(jié)果表明，對比試驗中，經(jīng)過相同的處理過程后，上清液中牛血清蛋白分子的濃度減少，下層溶液濃度增加，一部分原因是實驗的處理過程造成的。但是我們必須注意到，在pH 7.4時，LMHSN和牛血清蛋白分子表面都是帶負(fù)電荷的，由于靜電排斥作用，使LMHNS的吸附能力減弱。從這一點可見，所制備的LMHSN實際上具有很好的吸附能力。

圖7 LMHSN對牛血清蛋白分子的吸附實驗Fig.7 Adsorption of BSA by LMHSN

4 結(jié)論

利用2種嵌段聚合物PEG114-b-PNIPAm130和PNIPAm106-b-P4VP102的溫敏性，簡單有效地制備了復(fù)合膠束。并以聚合物復(fù)合膠束為軟模板，利用其表面所帶的正電荷誘導(dǎo)硅烷試劑的水解和沉積，成功地制備了大介孔空心硅球。詳細(xì)地討論了影響反應(yīng)結(jié)果的各項參數(shù)，和介孔硅球?qū)εＱ宓鞍追肿拥奈侥芰?。大介孔空心硅球具有較大的空腔，可以容納更多的物質(zhì)，例如藥物分子、治療性蛋白、大分子生物抗體等客體分子，并可為客體分子提供很好的保護(hù)屏障。這種核殼型介孔空心硅球在生物醫(yī)藥領(lǐng)域有望發(fā)揮其潛在的應(yīng)用價值。

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Responsive Block Copolymer Induced Large-Pore Mesoporous Hollow Silica Nanospheres

HE Huan，XU Yanling，MA Rujiang，SHI Linqi
(Key Laboratory of Functional Polymer Materials，Ministry of Education，Institute of Polymer Chemistry，Nankai University，Tianjin，300071，P.R.China)

Controllable large-pore mesoporous hollow silica nanospheres(LMHSN)with large surface area(1 018.11 m2/g)and mesoporous width(12.1 nm)was synthesized through a general method.Firstly，responsive block copolymers poly(ethylene glycol-b-N-isopropyl acrylamide)(PEG114-b-PNIPAm130)and poly(N-isopropyl acrylamide-b-4-vinyl pyridine)(PNIPAm106-b-P4VP102)self-assembled into core-shell complex micelles，followed by silicification of the shell with the addition of the silica precursor tetramethoxysilane(TMOS)under mild condition.Then，the effects of addition of crosslinker and different pH values on the structure and morphology of LMHSN were discussed.Finally，we studied the ability of the adsorption of macromeolecular by the LMHSN.

complex micelle;large-pore mesopore;hollow silica nanospheres

R318.08

A

1674－3962(2012)06－0043－06

2012－04－11

賀 歡，女，1987年生，碩士

史林啟，男，1963年生，教授，博士生導(dǎo)師