介孔鏤空生物玻璃微球調(diào)控及形成機(jī)制

， ，，，

(浙江理工大學(xué)，a.材料與紡織學(xué)院；b.科技與藝術(shù)學(xué)院，杭州 310018)

0 引 言

生物活性玻璃是無(wú)機(jī)活性材料的一個(gè)重要分支，主要成分以SiO2和CaO為基礎(chǔ)，是一種特殊組成和結(jié)構(gòu)的硅酸鹽玻璃材料[1-2]。自20世紀(jì)70年代初利用熔融法成功制備了生物玻璃45S5以來(lái)[3]，生物玻璃已成為材料學(xué)、醫(yī)學(xué)以及生物化學(xué)等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[4-7]。生物玻璃具有良好的生物相容性，對(duì)人體無(wú)毒副作用；能夠促進(jìn)骨細(xì)胞增殖，修復(fù)缺損的骨組織，對(duì)骨形成具有誘導(dǎo)作用；隨著骨組織的生長(zhǎng)，生物玻璃在體內(nèi)也不斷降解成正常的代謝產(chǎn)物排出體外，具有生物降解性；生物玻璃組分可調(diào)，可以摻入Fe、Na、Zn等其他元素復(fù)合應(yīng)用。

隨著納米技術(shù)的發(fā)展，具有新型結(jié)構(gòu)的生物玻璃材料逐漸引起了研究者的注意。Liu等[8]以聚丙烯酸PAA為模板，成功制備了中空生物玻璃，其在模擬體液環(huán)境下具有良好的生物活性，可應(yīng)用于骨修復(fù)治療。Wang等[9]以三嵌段共聚物P123為基礎(chǔ)，采用一步法合成功能化多級(jí)復(fù)合孔生物活性玻璃，具有很好的載藥性能。Duan等[10]通過(guò)水熱合成法制備中空介孔生物玻璃球(HMBG)，并研究了HMBG、MCM-41及SBA-15對(duì)納米鋁粒子的裝載效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：MCM-41、SBA-15載藥率分別為14%和8%，而HMBG載藥率達(dá)到39.24%，是介孔生物玻璃MCM-41、SBA-15的3～4倍。與傳統(tǒng)的生物玻璃材料相比，介孔鏤空型生物玻璃不僅具有良好的生物活性、生物降解性和生物相容性，而且還具有介孔孔道以及明顯的內(nèi)部空腔結(jié)構(gòu)，具有高比表面積，大的孔容；其表面活位性點(diǎn)多，流動(dòng)性好[11-12]，可作為裝載抗癌藥物(阿霉素)[13-14]、生物大分子(多肽、DNA、RNA)[15-16]等的載體材料，應(yīng)用于藥物運(yùn)輸、藥物緩釋及骨修復(fù)等領(lǐng)域。

本文以陽(yáng)離子表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)為軟模板劑，通過(guò)熔融-凝膠法并控制生物玻璃組分的摩爾比來(lái)制備介孔鏤空生物玻璃球。進(jìn)一步利用EDS、XRD、FE-SEM、TEM等測(cè)試方法對(duì)介孔鏤空生物玻璃的形貌及組成成分進(jìn)行測(cè)試表征，考察了模板劑CTAB添加量的多少對(duì)介孔鏤空生物玻璃球空腔尺寸及孔徑排布的影響。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)藥劑

十六烷基三甲基溴化銨(Cetyltrimethylammonium bromide，CTAB，分析純)；無(wú)水乙醇(Absolute ethyl alcohol，EtOH，分析純)；去離子水(Deionized water，DW)；氨水(NH3·H2O，分析純，濃度為33%)；正硅酸乙酯(Tetraorthosilicate，TEOS，分析純)；磷酸三乙酯(Triethylphosphate，TEP，分析純)；四水硝酸鈣(Ca(NO3)2·4H2O，CaNT，分析純)。

1.2 介孔鏤空生物玻璃微球的制備

以十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)為軟模板劑，正硅酸乙酯(TEOS)為硅源，磷酸三乙酯(TEP)為磷源，四水硝酸鈣(CaNT)為鈣源制備介孔鏤空生物玻璃微球，其中硅源、磷源、鈣源的摩爾比分別為80∶5∶15。首先，常溫條件下將一定量的CTAB溶于78 mL無(wú)水乙醇和165 mL去離子水混合溶液中，攪拌均勻至澄清后，加入3 mL氨水，磁力攪拌2 h后再加入2.79 g正硅酸乙酯(TEOS)，攪拌2 h，得到有白色沉淀生成的溶液。然后，加入0.30 g磷酸三乙酯(TEP)，攪拌2 h至完全混合均勻后，加入0.59 g四水硝酸鈣(CaNT)，持續(xù)攪拌4 h，得到白色溶膠混合液。然后，將其進(jìn)行離心處理，用無(wú)水乙醇、去離子水洗滌，重復(fù)離心清洗3次后，在70 ℃條件下干燥12 h。將得到白色粉末置于馬氟爐中以5 ℃/min的升溫速率于600 ℃煅燒8 h，完全去除模板劑，即得介孔鏤空生物玻璃微球。在制備過(guò)程中，通過(guò)調(diào)控CTAB的添加量，來(lái)考察對(duì)微球粒徑及孔徑的影響。相對(duì)應(yīng)的溶液組成如表1所示。

表1 樣品和相應(yīng)的溶液組成

1.3 表征及性能測(cè)試

1.3.1 X射線粉末衍射儀(XRD)

采用粉末法，在放射源為Cu靶Kα射線，工作電壓電流分別為45 kV、45 mA條件下，以0.02°的掃描步長(zhǎng)，在2θ=10°～80°掃描范圍內(nèi)利用D8 discover型X射線粉末衍射儀(布魯克AXS有限公司，德國(guó))對(duì)樣品的晶體結(jié)構(gòu)和組成進(jìn)行進(jìn)行廣角晶體結(jié)構(gòu)分析(WAXRD)。

1.3.2 傅里葉紅外光譜(FT-IR)

采用溴化鉀壓片法，在瑪瑙研缽中以1∶100的配比加入適量樣品和溴化鉀，進(jìn)行充分研磨，用壓片機(jī)壓成透明或半透明的薄片，利用Nicolet 5700型傅立葉紅外光譜儀(熱電公司，美國(guó))對(duì)樣品的化學(xué)組成成分進(jìn)行掃描測(cè)試，掃描范圍4000～400 cm-1，掃描若干次。

1.3.3 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)和能譜分析(EDS)

取適量待測(cè)樣品超聲分散在溶劑無(wú)水乙醇中，分散均勻后，用毛細(xì)管吸取少量分散液滴在干凈的硅片上；然后用導(dǎo)電膠粘貼在樣品臺(tái)上，置于紅外燈下干燥數(shù)小時(shí)。在加速電壓為3 kV條件下，利用HITACHI S-4800型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(日立公司，日本)對(duì)樣品的表面形貌及粒徑尺寸進(jìn)行測(cè)試分析。在加速電壓為10 kV條件下，利用附帶的電子能譜儀進(jìn)行測(cè)試分析對(duì)樣品的元素組成進(jìn)行測(cè)試分析。

1.3.4 透射電子顯微鏡(TEM)

取適量待測(cè)樣品超聲分散在溶劑無(wú)水乙醇中，用毛細(xì)管吸取分散好的溶液滴在銅網(wǎng)上，然后將其放在紅外燈下干燥數(shù)小時(shí)。在200 kV加速電壓條件下，通過(guò)日本JEOL-2100型透射電子顯微鏡(電子公司，日本)對(duì)樣品的微觀結(jié)構(gòu)形貌進(jìn)行測(cè)試分析。

1.3.5 氮?dú)馕矫摳綔y(cè)試

將樣品在烘箱內(nèi)干燥24 h后，置于ASAP2020型物理吸附儀(麥克公司，美國(guó))上，以220 ℃溫度真空脫氣5 h，然后在77 K條件下，以液氮為吸附介質(zhì)，對(duì)樣品的比表面積和孔徑分布進(jìn)行測(cè)試表征[17]。

2 結(jié)果與討論

2.1 介孔鏤空生物玻璃微球的結(jié)構(gòu)和形貌分析

介孔鏤空生物玻璃的各組分元素分析如圖1所示。由圖1可知，在0.54、1.76、1.98 keV及3.72 keV處出現(xiàn)了明顯的特征衍射峰，相對(duì)應(yīng)的分別為O元素，Si元素，P元素和Ca元素，表明生物玻璃的主要成分Si、Ca和P元素已經(jīng)負(fù)載，即該微球表面殼層為由SiO2-CaO-P2O5三組分構(gòu)成的生物玻璃。

圖1 介孔鏤空生物玻璃微球的能譜分析圖

圖2和圖3分別為介孔鏤空生物玻璃微球的紅外光譜圖和X射線衍射圖。由圖2可知，譜圖中出現(xiàn)了硅基納米材料特征峰，在468 cm-1處的峰是Si—O—Si對(duì)稱(chēng)彎曲振動(dòng)峰，796 cm-1處是Si—O對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)峰、1082 cm-1處是Si—O—Si不對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)峰。在605 cm-1附近的峰是P—O的彎曲振動(dòng)峰。這些都是生物玻璃的特征峰吸收峰，說(shuō)明制備樣品符合生物玻璃內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。由圖3可知，在2θ=22°～25°的低衍射角區(qū)出現(xiàn)了一個(gè)饅頭峰，隨后衍射強(qiáng)度逐漸衰減平滑，沒(méi)有出現(xiàn)晶體的特征峰，表明所制備的復(fù)合粒子的表層為非晶態(tài)，即在有機(jī)成分CTAB的表面已成功包覆無(wú)機(jī)成分。

圖2 介孔鏤空生物玻璃微球的紅外光譜圖

圖3 介孔鏤空生物玻璃微球的X射線衍射圖

介孔鏤空生物玻璃微球的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FESEM)和透射電鏡圖(TEM)分別如圖4和圖5所示。從圖4可以看出，介孔鏤空生物活性玻璃微球的外觀形貌為表面光滑的球體，粒徑均一，無(wú)明顯團(tuán)聚現(xiàn)象，分散性良好。如圖5所示，制備所得的生物活性玻璃微球呈明顯的核-殼結(jié)構(gòu)，其中中腔由實(shí)體部分的SiO2和煅燒去除模板劑后留下的蠕蟲(chóng)狀微孔，呈鏤空狀；殼層為密度較高的生物活性玻璃。當(dāng)其他合成條件不變，模板劑CTAB的添加量分別為0.20 、0.40 g和0.50 g時(shí)，樣品MHBG1、MHBG2和MHBG3的平均粒徑分別為283.30、232.80 nm和180.30 nm。由此表明，隨著CTAB添加量的增加，樣品粒徑逐漸減小，且球形規(guī)則，分散均勻。

圖4 不同粒徑的介孔鏤空生物玻璃球的場(chǎng)發(fā)射電鏡圖

圖5 不同粒徑的介孔鏤空生物玻璃球的透射電鏡圖

圖6為介孔鏤空生物玻璃微球的孔徑分布曲線圖。從圖6可以明顯看出，制備的介孔鏤空生物玻璃微球的整體孔徑主要集中在大尺寸范圍，以大孔形式存在，分布均勻；在小尺寸區(qū)域有少量的孔徑存在，主要以微孔形式存在。當(dāng)其他合成條件不變，模板劑CTAB的添加量分別為0.20、0.40 g和0.50 g時(shí)，樣品MHBG1、MHBG2和MHBG3的比表面積分別為88.88、128.99 m2/g和167.43 m2/g；平均孔徑為14.83、19.21 nm和24.41 nm；孔容為0.33、0.62 cm3/g和0.90 cm3/g。實(shí)驗(yàn)表明，改變模板劑CTAB添加量對(duì)生物玻璃微球的比表面積及孔徑大小有顯著的影響，介孔鏤空生物玻璃微球的比表面積和孔徑尺寸隨著CTAB添加量的增大而增大。制備的介孔鏤空生物玻璃微球具有大的比表面積以及良好的介孔結(jié)構(gòu)，可以作為合成多殼層結(jié)構(gòu)納米粒子的基礎(chǔ)，也可以作為載體材料負(fù)載輸送藥物、生物大分子等應(yīng)用于生物醫(yī)藥等領(lǐng)域。

圖6 介孔鏤空生物玻璃球的孔徑分布曲線

2.2 介孔鏤空生物玻璃微球形成機(jī)理分析

介孔鏤空生物玻璃微球的制備原理如圖7所示。首先，將帶正電的陽(yáng)離子表面活性劑溴化十六烷基三甲銨(CTAB)溶于無(wú)水乙醇、去離子水混合溶液中形成膠束，通過(guò)自組裝形成球狀囊泡。利用氨水進(jìn)行調(diào)節(jié)混合溶液pH值，使混合溶液pH>3.7，加入硅源，使得正硅酸乙酯(TEOS)在氨水催化作用下水解縮合形成SiO2納米粒子，其表面的硅羥基(Si—OH)帶負(fù)電荷，由于靜電吸附作用，SiO2吸附到CTAB膠束表面發(fā)生聚合交聯(lián)形成混合相。然后，再添加一定量的磷源、鈣源，在界面區(qū)域通過(guò)靜電自組裝包覆在微球表面，形成CTAB@BG復(fù)合微球。最后，通過(guò)離心水洗，烘干煅燒完全移除模板劑，得到介孔鏤空生物玻璃微球。同時(shí)，可以通過(guò)改變軟模板劑CTAB的添加量來(lái)調(diào)控生物活性玻璃微球的粒徑及孔徑尺寸。

圖7 介孔鏤空生物玻璃微球的制備原理

3 結(jié) 論

以CTAB為軟模板劑，結(jié)合溶膠-凝膠法，通過(guò)控制生物玻璃組分的摩爾比來(lái)制備介孔鏤空生物玻璃微。制備的介孔鏤空生物玻璃微球微觀形貌特征為核-殼結(jié)構(gòu)，其核呈中腔鏤空狀、殼層為含介孔孔道的生物玻璃，且其組分可調(diào)、粒徑尺寸可控。主要研究結(jié)論如下：

a) 通過(guò)以陽(yáng)離子表面活性劑溴化十六烷基三甲銨(CTAB)為模板劑，利用改進(jìn)的溶膠-凝膠制備方法，CTAB膠束通過(guò)協(xié)調(diào)自組裝形成球狀囊泡，加入硅源、鈣源和磷源發(fā)生聚合交聯(lián)形成生物玻璃微球，然后離心水洗，煅燒烘干去除模板劑，得到介孔鏤空生物玻璃微球。

b) 利用TG、EDS、XRD、FE-SEM、TEM以及氮?dú)馕?脫附等對(duì)介孔鏤空生物玻璃微球的結(jié)構(gòu)組成、微觀形貌及性能進(jìn)行表征分析。研究發(fā)現(xiàn)，所制備的樣品為中腔鏤空狀、殼層為蠕蟲(chóng)狀孔道，粒徑均一，比表面積大，表面光滑，分散性良好，殼層成功包覆SiO2-CaO-P2O5三組分的介孔鏤空生物玻璃微球。

c) 通過(guò)改變模板劑CTAB的添加量，對(duì)所得樣品的粒徑大小及孔徑尺寸產(chǎn)生一定影響。隨著CTAB添加量的增加，所制備樣品的粒徑逐漸減小，孔徑逐漸增大，表面積及介孔孔道也逐漸增大。

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