納米介孔二氧化硅的制備和修飾研究

張 雷，史 銳，康廷國(guó)，鄒長(zhǎng)鑫

(遼寧中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，遼寧 大連116600)

納米介孔二氧化硅的制備和修飾研究

張 雷，史 銳，康廷國(guó)*，鄒長(zhǎng)鑫

(遼寧中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，遼寧 大連116600)

以十六烷基三甲基溴化銨(CATB)為模板劑、正硅酸乙酯(TEOS)為硅源，采用化學(xué)沉淀法制備納米介孔二氧化硅；通過(guò)氨基硅烷偶聯(lián)劑和巰基硅烷偶聯(lián)劑(1∶1)的共同作用，在無(wú)水體系中制備氨基和巰基共同修飾的納米介孔二氧化硅，并通過(guò)掃描電鏡、X-射線衍射儀和傅立葉變換紅外光譜儀對(duì)修飾前后的納米介孔二氧化硅進(jìn)行表征。結(jié)果表明，納米介孔二氧化硅粒子形態(tài)均一，平均粒徑在100 nm左右，分散性良好；修飾后的納米介孔二氧化硅粒子形貌及分散性依然良好，平均粒徑在150 nm左右。該研究為納米介孔二氧化硅載藥體系的研究提供了新思路和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

納米介孔二氧化硅；氨基；巰基；修飾；載藥體系

藥物控制遞送系統(tǒng)(controlled drug-delivery systems，DDSs)廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥材料領(lǐng)域，可以在一定程度上控制藥物的釋放速率、釋放時(shí)間，能夠在特定部位進(jìn)行靶向性釋放[1]。納米介孔二氧化硅(mesoporous silica nanoparticles，MSNs)毒性低，在體內(nèi)、體外均有良好的生物相容性，兼具介孔材料和納米材料的雙重特征，具有更好的化學(xué)和生物穩(wěn)定性[2-4]。研究表明，粒徑小于200 nm的MSNs粒子在肝臟不易被吞噬細(xì)胞清除掉而且還能在血液中達(dá)到長(zhǎng)循環(huán)的效果，相對(duì)于其它無(wú)孔的納米粒子，MSNs不論是孔道內(nèi)還是粒子表面都可以吸附其它分子[5]。吸附了抗癌藥物的MSNs載藥體系提高了單獨(dú)使用抗癌藥的選擇性和抗癌活性。MSNs表面存在大量的Si-OH，可以對(duì)其進(jìn)行材料表面和孔道雙重修飾[6]。在孔道附近修飾上類似于“鎖頭”的客體分子，作為藥物釋放開關(guān)，不需外界誘導(dǎo)，藥物便能有效可控地到達(dá)指定部位[7-8]。作者以十六烷基三甲基溴化銨(CATB)為模板劑、正硅酸乙酯(TEOS)為硅源，采用化學(xué)沉淀法制備MSNs；通過(guò)氨基硅烷偶聯(lián)劑和巰基硅烷偶聯(lián)劑(1∶1)的共同作用，在無(wú)水體系中制備氨基和巰基共同修飾的MSNs，并通過(guò)掃描電鏡、X-射線衍射儀和傅立葉變換紅外光譜儀對(duì)修飾前后的MSNs進(jìn)行表征。以期為MSNs藥物載體在生物醫(yī)藥領(lǐng)域中的應(yīng)用拓寬思路。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

正硅酸乙酯(TEOS)、 十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)、氨基硅烷偶聯(lián)劑(APTES)、巰基硅烷偶聯(lián)劑(MPTMS)、氨水、無(wú)水乙醇均為分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；蒸餾水，自制。

SX2-12-12D型馬弗爐，上海和呈儀器制造有限公司；DZF-6020型真空干燥箱，北京中科博達(dá)儀器科技有限公司；SHB-Ⅲ型真空抽濾機(jī)，上海羌強(qiáng)實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司；JJ-1型電動(dòng)攪拌器，常州潤(rùn)華電器有限公司；FTIR-650型傅立葉變換紅外光譜儀，廣州科曉科學(xué)儀器有限公司；SNE-4500M型掃描電子顯微鏡，深圳方特科技有限公司；TD-3500型X-射線衍射儀，丹東通達(dá)科技有限公司。

1.2 MSNs的制備

將CTAB與蒸餾水按1∶500混合，室溫下勻速攪拌；待CTAB完全溶解后，加入適量氨水；逐滴加入TEOS，攪拌2 h；再逐滴加入2 mL TEOS，繼續(xù)攪拌3 h，反應(yīng)結(jié)束后產(chǎn)生白色沉淀，室溫靜置；用大量蒸餾水洗滌后抽濾，于60 ℃烘箱中烘干，得到白色粉末；置于馬弗爐中焙燒去除模板劑，即得MSNs。

1.3 氨基與巰基共同修飾的MSNs的制備

稱取300.0 mg MSNs分散在含有氨基硅烷偶聯(lián)劑與巰基硅烷偶聯(lián)劑(1∶1)的30.0 mL無(wú)水甲苯的三頸瓶中，均勻超聲，80 ℃水浴攪拌12 h，冷卻，真空抽濾，無(wú)水乙醇洗滌2次，于60 ℃真空干燥箱中干燥，即得氨基與巰基共同修飾的MSNs。

1.4 結(jié)構(gòu)表征

用掃描電鏡(SEM)直接觀察修飾前后MSNs粒子形貌，估算其平均粒徑及粒徑分布。通過(guò)紅外光譜(FTIR)分析產(chǎn)物是否制備成功，并能直觀反映氨基與巰基是否同時(shí)被修飾在MSNs上。通過(guò)X-射線衍射(XRD)圖譜分析，獲得粒子形態(tài)等信息。

2 結(jié)果與討論

2.1 SEM分析(圖1)

圖1 MSNs修飾前(a、b)后(c、d)的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM images of MSNs before(a，b) and after(c，d) modification

從圖1可以看到，(1)修飾前的MSNs幾乎都是球狀，外形輪廓比較光滑，均一性良好，平均粒徑在100 nm左右，有少許團(tuán)聚現(xiàn)象發(fā)生，可能是由于焙燒除模板后二氧化硅表面大量的Si-OH發(fā)生自縮聚所致。(2)修飾后的MSNs外形輪廓變得較為粗糙，顆粒有些變大，平均粒徑在150 nm左右，粒子之間已經(jīng)開始團(tuán)聚，有的甚至團(tuán)聚成大顆粒，表明MSNs經(jīng)過(guò)氨基與巰基修飾后，化學(xué)反應(yīng)活性位點(diǎn)增加，表面極性增大，彼此之間易發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生團(tuán)聚，證明氨基與巰基已成功地修飾到MSNs表面。

2.2 XRD分析(圖2)

從圖2可以看出，(1)修飾前的MSNs在2.5°左右有一個(gè)較強(qiáng)的衍射峰，對(duì)應(yīng)于(100)面，是六方結(jié)構(gòu)介孔材料最主要的特征峰，該衍射峰較強(qiáng)，表明所合成的材料有序度較高；在4°～5°之間有2個(gè)較弱的(100)和(200)衍射峰。這些峰的位置與六方晶格衍射峰的位置吻合，表明所制備的MSNs具有MCM-41納米介孔材料結(jié)構(gòu)的特征。(2)修飾后的MSNs在2.3°左右出現(xiàn)了特征峰，說(shuō)明MSNs材料表面修飾的氨基和巰基官能團(tuán)基本上沒(méi)有破壞介孔材料的孔道結(jié)構(gòu)，但其峰強(qiáng)度均有不同程度的下降，說(shuō)明MSNs材料經(jīng)過(guò)氨基和巰基官能團(tuán)的修飾，其有序度有所下降。

2.3 FTIR分析(圖3)

從圖3可以看出，(1)修飾前的MSNs在1 087 cm-1處的吸收峰是明顯的Si-O-Si的對(duì)稱伸縮振動(dòng)和非對(duì)稱伸縮振動(dòng)；1 633 cm-1和3 367 cm-1處是Si-OH的特征吸收峰；2 933 cm-1處的吸收峰是少量的表面活性劑的甲基和亞甲基的雜質(zhì)峰，說(shuō)明焙燒過(guò)程中模板劑還未完全除掉。(2)修飾后的MSNs在1 087 cm-1處是Si-O-Si的特征吸收峰，1 633 cm-1處為Si-OH的特征吸收峰，峰強(qiáng)度減弱說(shuō)明硅羥基與硅烷偶聯(lián)劑嫁接較多；2 578 cm-1處為巰基S-H的伸縮振動(dòng)峰；1 580 cm-1處為氨基的彎曲振動(dòng)特征吸收峰；3 436 cm-1和3 370 cm-1處出現(xiàn)了伯胺的雙峰。表明成功制備了氨基與巰基共同修飾的MSNs。

圖2 MSNs修飾前后的XRD圖譜Fig.2 XRD patterns of MSNs before and after modification

圖3 MSNs修飾前后的FTIR圖譜Fig.3 FTIR spectra of MSNs before and after modification

3 結(jié)論

以十六烷基三甲基溴化銨(CATB)為模板劑、正硅酸乙酯(TEOS)為硅源，采用化學(xué)沉淀法制備MSNs；通過(guò)氨基硅烷偶聯(lián)劑和巰基硅烷偶聯(lián)劑(1∶1)的共同作用，在無(wú)水體系中制備氨基和巰基共同修飾的MSNs，并通過(guò)掃描電鏡、X-射線衍射儀和傅立葉變換紅外光譜儀對(duì)修飾前后的MSNs進(jìn)行表征。結(jié)果表明，制備得到的MSNs粒子分散性較好，平均粒徑在 100 nm 左右，符合預(yù)期尺寸要求，可作為藥物載體。氨基和巰基共同修飾的MSNs粒徑和形貌依然完好，MSNs材料的孔道結(jié)構(gòu)沒(méi)有被破壞，只是有序度稍稍下降，分散性比較理性，顆粒之間可能會(huì)有團(tuán)聚，平均粒徑在150 nm左右，可作為良好的藥物載體。該研究為藥物載體的深入研究提供了新的思路和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

[1] VALLET-REGI M,BALAS F,ARCOS D.Mesoporous materials for drug delivery[J].Angewandte Chemie International Edition,2007,46(40):7548-7558.

[2] MO J B,HE L Z,MA B,et al.Tailoring particle size of mesoporous silica nanosystem to antagonize glioblastoma and overcome blood-brain barrier[J].ACS Applied Materials & Interfaces,2016,8(11):6811-6825.

[3] LI X Y,WU M Y,PAN L M,et al.Tumor vascular-targeted co-delivery of anti-angiogenesis and chemotherapeutic agents by mesoporous silica nanoparticle-based drug delivery system for synergetic therapy of tumor[J].International Journal of Nanomedicine,2016,11:93-105.

[4] DOADRIO A L,SANCHEZ-MONTERO J M,DOADRIO J C,et al.Mesoporous silica nanoparticles as a new carrier methodology in the controlled release of the active components in a polypill[J].European Journal of Pharmaceutical Sciences,2017,97:1-8.

[5] ZHAO Y,TREWYN B G,SLOWINGl I I,et al.Mesoporous silica nanoparticle-based double drug delivery system for glucose-responsive controlled release of insulin and cyclic AMP[J].Journal of the American Chemical Society,2009,131(24):8398-8400.

[6] MAI W X,MENG H.Mesoporous silica nanoparticles:a multifunctional nano therapeutic system[J].Integrative Biology:Quantitative Biosciences from Nano to Macro,2013,5(1):19-28.

[7] KONINTI R K,PALVAI S,SATPATHI S,et al.Loading of an anti-cancer drug into mesoporous silica nano-channels and its subsequent release to DNA[J].Nanoscale,2016,8(43):18436-18445.

[8] 費(fèi)海姆.基于介孔二氧化硅材料的新興納米醫(yī)藥平臺(tái)[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2012.

PreparationandModificationofMesoporousSilicaNanoparticles

ZHANG Lei,SHI Rui,KANG Ting-guo*,ZOU Chang-xin

(SchoolofPharmacy,LiaoningUniversityofTraditionalChineseMedicine,Dalian116600,China)

Using cetyltrimonium bromide(CATB) as a template,ethyl orthosilicate(TEOS) as a silicon source,we prepared mesoporous silica nanoparticles by a chemical precipitation method.Through combined action of amion silane coupling agent and mercapto silane coupling agent(1∶1),we prepared mesoporous silica nanoparticles modified with amino-group and mercapto-group simultaneously in anhydrous system.Moreover,we characterized their structures by scanning electron microscopy,X-ray diffractometer,and Fourier transform infrared spectrometer.Results indicated that mesoporous silica nanoparticles were homogeneous,the average particle size was about 100 nm,and the dispersibility was favorable.And modified mesoporous silica nanoparticles were still homogeneous,the average particle size was about 150 nm,and the dispersibility was still favorable.This study provides a new idea and experimental basis for the research of drug-loading system with mesoporous silica nanoparticles as carriers.

mesoporous silica nanoparticle;amino-group;mercapto-group;modification;drug-loading system

O613.72

A

1672-5425(2017)10-0037-03

遼寧省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2013020162)

2017-06-05

張雷(1989-)，男，遼寧丹東人，碩士研究生，研究方向：中藥新劑型，E-mail：zhanyL989@163.com；通訊作者：康廷國(guó)，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：kangtg@lnutcm.edu.cn。

10.3969/j.issn.1672-5425.2017.10.008

張雷，史銳，康廷國(guó)，等.納米介孔二氧化硅的制備和修飾研究[J].化學(xué)與生物工程，2017，34(10)：37-39.