單分散介孔納米載體合成及表征

王淑梅，龔俊波, 李少華*，董偉兵，谷慧科，馮　飛

(1. 天津市化工設(shè)計院，天津 300193； 2.天津大學(xué)天津市現(xiàn)代藥物傳遞及功能高效化重點實驗室，天津 300072；3.天津南玻工程，天津 300072)

介孔二氧化硅納米載體是一種具有高比表面積，大孔容，形貌和粒徑可控的新型無機(jī)生物材料。近年來在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用研究受到了廣泛關(guān)注，特別是作為藥物傳遞系統(tǒng)可以實現(xiàn)藥物的靶向釋放，有利于提高藥效，降低藥物的毒副作用，已經(jīng)成為藥劑學(xué)、生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)和材料學(xué)等眾多學(xué)科研究熱點[1]。

目前，合成介孔二氧化硅納米載體的方法主要是利用離子型表面活性劑[2]如CTAB等為模板劑，在堿性條件下對氧化鐵[3-4]、納米金[5]和聚苯乙烯[6]等進(jìn)行包裹修飾，在其外表面形成介孔二氧化硅層。但是，應(yīng)用這種工藝形成的介孔二氧化硅層的孔徑通常在2 nm左右，限制了它在大分子藥物傳遞方面的應(yīng)用。為克服這一缺陷，科學(xué)工作者開發(fā)了擴(kuò)孔劑，利用刻蝕等方法來增大孔徑，但該法在一定程度上會破壞介孔結(jié)構(gòu)的連續(xù)性[7-8]且增加工藝復(fù)雜性。

隨后，開發(fā)出了嵌段共聚物結(jié)構(gòu)的非離子表面活性劑，酸性條件下依靠其自組裝特性作為模板導(dǎo)向合成孔徑在5 nm以上的球形介孔載體[9-10]，經(jīng)S0I0途徑表面活性劑與前驅(qū)體不存在強(qiáng)的靜電作用，所以可形成較厚的孔壁，較大的孔徑和較高的熱穩(wěn)定性[11]。但該工藝合成出的介孔載體尺寸通常在2 μm以上，容易被免疫系統(tǒng)識別為外源物質(zhì)排出，從而限制了其在藥物傳遞方面的應(yīng)用。并且由于在酸性條件下，硅前驅(qū)體易于凝膠化線性交聯(lián)，所以目前利用非離子表面活性劑嵌段共聚物合成的介孔二氧化硅載體的分散性能并不達(dá)到預(yù)期目標(biāo)[12]且合成周期較長。

本研究通過加入小粒徑的二氧化硅納米粒子作為生長核，酸性條件下以非離子表面活性劑作為模板劑導(dǎo)向合成球形介孔二氧化硅納米載體，利用磷酸鹽誘導(dǎo)快速沉淀分離，通過煅燒除去表面活性劑后得到形貌規(guī)整的單分散性介孔二氧化硅納米載體。

1　試驗部分

1.1　試劑和儀器

正硅酸乙酯(TEOS，高純試劑，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司)；非離子表面活性劑嵌段共聚物P123 (Mr=5 800，Aldrich)；氨水(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%)，無水乙醇(EtOH)，均為分析純，購自天津江天化工技術(shù)有限公司產(chǎn)品；鹽酸(標(biāo)準(zhǔn)溶液，CHCl=1.001 6 moL/L，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所)；磷酸鹽緩沖液(0.1 mol/L，pH=8.4，實驗室自制)；超純水(Thermo Scientific Barnstead TII超純水處理系統(tǒng))。

高速離心機(jī)(德國Sigma公司3-18K型)；pH計(梅特勒-托利多公司SevenMulti型)；冷凍干燥機(jī)(美國Labconco公司Freezone2.5 L型)；電子天平(賽托利斯公司CP225D型)；多功能酶標(biāo)儀(美國分子儀器公司SpectraMax M2e)；動態(tài)光散射納米粒徑分析儀(美國布魯克海文儀器公司90Plus/BI-MAS型)。

1.2　試驗過程

1.2.1制備生長核

通過改進(jìn)St?ber法[13-14]制備小粒徑納米粒子。將無水乙醇與超純水以10∶1( 體積比)混合均勻。取8.4 g正硅酸乙酯加入200 mL上述溶液中，劇烈攪拌5 min后迅速加入2 mL氨水并用錫箔密封，繼續(xù)劇烈攪拌10 min后控制溫度在30 ℃緩慢攪拌條件下反應(yīng)4 h。通過高速冷凍離心機(jī)(12 000 r/min)分離出納米核。再分別用無水乙醇和水洗滌沉淀，并通過超聲和漩渦振蕩等手段輔助洗滌過程除去雜質(zhì)。如此循環(huán)處理5次，得到的沉淀在冷凍干燥機(jī)中干燥備用。

1.2.2合成介孔納米載體

將1.16 g P123 ，0.5 g KCl溶于100 mL純水中，用鹽酸調(diào)節(jié)pH=2.4，另將0.3 g生長核振蕩超聲分散在10 mL pH=2.4的HCl溶液中，分散均勻后加入到上述表面活性劑溶液中，30 ℃下磁力攪拌30 min后加入2.2 g TEOS, 最終n(P123)/n(TEOS)=0.02，繼續(xù)緩慢攪拌4 h。然后用磷酸鹽緩沖液誘導(dǎo)沉淀，用醇水溶液洗滌沉淀物，真空干燥后，在550 ℃下程序控溫煅燒6 h除去表面活性劑，得到介孔納米載體MSN-1。

不加入生長核，其他條件不變，制備載體材料MSN-2。

2　結(jié)果與討論

2.1　生長核的制備

根據(jù)初級均相成核機(jī)理，通過調(diào)節(jié)飽和度使體系爆發(fā)成核形成大量的均勻微核，減小硅酸前驅(qū)體聚合生長的速度，得到小粒徑且均勻的生長核。通過納米激光粒度儀檢測粒徑變化，結(jié)果見圖1。

圖1　a)，b)，c)分別為TEOS加入量4.2，8.4和10.5 g時生長核DLS結(jié)果；d)為TEOS加入量8.4 g時TEM圖Fig.1　DLS results of growth nucleus at different amounts of TEOS: a) 4.2 g, b) 8.4 g, c) 10.5 g; d) TEM image of growth nucleus when adding 8.4 g TEOS

圖1結(jié)果顯示，當(dāng)TEOS的起始加入量約為8.4 g時較容易獲得SiO2單分散粒子。當(dāng)減小起始加入量(加入4.2 g TEOS)降低飽和度時，雖然可以減小粒徑，但后續(xù)分離困難，即使高速離心機(jī)在較高轉(zhuǎn)速(約20 000 r/min)也難以分離。而增大起始加入量(10.5 g TEOS)會使粒子粒徑增大變得不均勻且分散性下降。

因此反應(yīng)體系中加入約8.4 g TEOS時，可以在常溫30 ℃下簡單快速的得到粒徑約為105.1 nm的單分散生長核。

2.2　表征介孔納米載體

二氧化硅的等電點約為pH=2，在pH=2.4的體系中二氧化硅前驅(qū)體和生長核表面帶負(fù)電荷，而P123的親水PEO嵌段吸附質(zhì)子帶正電荷，因此P123膠束的表面帶正電荷，通過靜電作用力膠束不斷吸附在生長核表面。隨著TEOS不斷水解，硅酸物種又在膠束表面聚集生長縮合，逐漸在生長核表面形成一層有機(jī)無機(jī)復(fù)合體。通過在體系中加入磷酸鹽緩沖液，可破壞粒子表面的雙電層穩(wěn)定狀態(tài)，誘導(dǎo)納米粒子快速沉淀(約10 min)。通過濾膜除去嚴(yán)重聚結(jié)的沉淀，離心得到的產(chǎn)品，快速用乙醇和純水交替洗滌去除表面的硅酸物種、膠束和其他離子，盡量減少納米粒子間的聚結(jié)。

對樣品MSN-1進(jìn)行動態(tài)光散射檢測，結(jié)果如圖2所示，樣品有效粒徑(Def)為183.0 nm，分散指數(shù)(PDI)為0.076。由圖3 中MSN-1的SEM照片(場發(fā)射掃描電子顯微鏡Nanosem 430，低真空模式)所得粒徑與動態(tài)光散射信息基本一致，球形納米載體的粒徑均一，約在180 nm，分散均勻，具有良好的形貌。

圖2　MSN-1的DLS結(jié)果Fig.2　DLS results of MSN-1

圖3　MSN-1的SEM圖Fig.3　SEM image of MSN-1

圖4為 MSN-1 的TEM照片(場發(fā)射透射電子顯微鏡Tecnai G2 F20，200 kV)。從圖4可以看到在生長核的外圍有一層厚度約為30 nm的介孔二氧化硅層。進(jìn)一步增加TEOS的用量并不能增加介孔二氧化硅層的厚度，并且會破壞粒子良好的球形形貌。

圖4　MSN-1的TEM圖Fig.4　TEM image of MSN-1

圖5所示為煅燒后MSN-1的XRD圖譜(X射線衍射儀D/MAX-2500， 三狹縫小角測角儀，0.5～10.0°)。1.1～1.2°處的衍射峰說明多孔結(jié)構(gòu)具有一定的有序性。對照樣品的氮氣吸附平衡等溫線(吸附分析儀Tristar3000，樣品300 ℃下脫水處理)，圖6呈現(xiàn)了IV型吸附平衡等溫線，在較低相對壓力下主要發(fā)生單分子層吸附，隨后是多層吸附，直至足以發(fā)生毛細(xì)管凝聚。且在相對壓力0.4～0.9出現(xiàn)H2型遲滯環(huán)，表明材料具有墨水瓶狀介孔孔道，利用BJH法計算孔徑分布得孔徑約5.5 nm，BET法計算表面積和孔容積分別為158.6 m2/g和0.22 cm3/g。

圖5　MSN-1的XRD圖譜Fig.5　XRD pattern of MSN-1

圖6　氮氣吸附脫附等溫線和孔徑分布曲線Fig.6　Nitrogen sorption-desorption isotherms and pore size distribution curves

未加入生長核得到的樣品MSN-2具有“洋蔥狀”[15]形貌結(jié)構(gòu)，如圖7所示，從TEM圖中可以看到它具有更加有序的介孔孔道[16]，但其粒徑不均勻，分布較寬，難以控制。DLS圖表明其平均粒徑為149.2 nm，PDI為0.293。粒子之間的交聯(lián)生長使得其分散性下降，難以得到單分散的納米載體。

圖7　MSN-2的TEM圖和DLS分布圖Fig.7　TEM image and DLS distribution of MSN-2

3　結(jié)論

通過在材料形成過程中加入105 nm的生長核(類似晶核)可以獲得具有單分散性的球形納米載體，具有雙納米結(jié)構(gòu)，即納米級粒徑和納米級介孔結(jié)構(gòu)。通過磷酸鹽緩沖液誘導(dǎo)沉淀克服了傳統(tǒng)水熱法耗時耗能的缺點，可以簡單快速的收集納米粒子，有效縮短反應(yīng)時間降低分離能耗。其良好的分散性和較小的粒徑在藥物載體方面具有潛在的應(yīng)用價值。但是介孔二氧化硅納米材料真正使用前必須全面深入了解其包括毒性、降解性等在體內(nèi)的一系列生物相容性問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]XU W,GAO Q, XU Y,etal.SBA-15 tablet coated with HPMCP for pH-sensitive drug release system[J].Acta Chimica Sinica,2008,66(14):1 658-1 662

[2]AHMED M E,MOHAMED W K,MOHAMED A I,etal.Synthesis of double mesoporous core-shell silica nanospheres with radially oriented mesopores via one-templating step using anionic surfactant[J].Chemical Communications,2010,46:6 482-6 484

[3]DENG Y,QI D,DENG C,etal.Superparamagnetic high-magnetization microspheres with an Fe3O4@SiO2core and perpendicularly aligned mesoporous SiO2shell for removal of microcystins[J].Journal of the American Chemical Society,2007,130:28-29

[4]GUO X,DENG Y,GU D,etal.Synthesis and microwave absorption of uniform hematite nanoparticles and their core-shell mesoporous silica nanocomposites[J].Journal of Materials Chemistry,2009,19:6 706-6 712

[5]GORELIKOV I,MATSUURA N.Single-Step coating of mesoporous silica on cetyltrimethyl ammonium bromide-capped nanoparticles[J].Nano Letters,2007,8:369-373

[6]CAO S,JIN X,YUAN X,etal.A facile method for the preparation of monodisperse hollow silica spheres with controlled shell thickness[J].Journal of Polymer Science Part A:Polymer Chemistry,2010,48:1 332-1 338

[7]MIZUTANI M,YAMADA M,YANO K.Pore-Expansion of monodisperse mesoporous silica spheres by a novel surfactant exchange method[J].Chemical Communications,2007:1 172-1 174

[8]YANO K,NISHI T.A novel route to highly monodispersed mesoporous silica spheres consisting of nano-sized particles[J].Microporous and Mesoporous Materials,2012,158:257-263

[9]FU G,LI G,NEOH K G,etal.Hollow polymeric nanostructures-synthesis,morphology and function[J].Progress in Polymer Science,2011,36:127-167

[11]LIU L,ZHANG G,DONG J.Application of surfactants in synthesis of mesoporous molecular sieves[J].Speciality Petrochemicals,2004(2):4-8

[12]HAN Y,YING J.Generalized fluorocarbon-surfactant-mediated synthesis of nanoparticles with various mesoporous structures[J].Angewandte Chemie,2005,117:292-296

[13]BOURGEAT-LAMI E,LANG J.Encapsulation of inorganic particles by dispersion polymerization in polar media:1.Silica nanoparticles encapsulated by polystyrene[J].Journal of Colloid and Interface Science,1998,197:293-308

[14]ST?BER W,FINK A,BOHN E.Controlled growth of monodisperse silica spheres in the micron size range[J].Journal of Colloid and Interface Science,1968,26:62-69

[15]HOSSAIN K Z,SAYARI A.Synthesis of onion-like mesoporous silica from sodium silicate in the presence of α,ω-diamine surfactant[J].Microporous and Mesoporous Materials,2008,114:387-394

[16]WEI H,HAN L,SHI L,etal.Synthesis of monodisperse silica microspheres with solid core and mesopore shell[J].Chemical Journal of Chinese Universities,2011,32:503-507