单分散介孔纳米载体合成及表征

王淑梅，龚俊波, 李少华*，董伟兵，谷慧科，冯　飞

(1. 天津市化工设计院，天津 300193； 2.天津大学天津市现代药物传递及功能高效化重点实验室，天津 300072；3.天津南玻工程，天津 300072)

介孔二氧化硅纳米载体是一种具有高比表面积，大孔容，形貌和粒径可控的新型无机生物材料。近年来在生物医药领域的应用研究受到了广泛关注，特别是作为药物传递系统可以实现药物的靶向释放，有利于提高药效，降低药物的毒副作用，已经成为药剂学、生命科学、医学和材料学等众多学科研究热点[1]。

目前，合成介孔二氧化硅纳米载体的方法主要是利用离子型表面活性剂[2]如CTAB等为模板剂，在碱性条件下对氧化铁[3-4]、纳米金[5]和聚苯乙烯[6]等进行包裹修饰，在其外表面形成介孔二氧化硅层。但是，应用这种工艺形成的介孔二氧化硅层的孔径通常在2 nm左右，限制了它在大分子药物传递方面的应用。为克服这一缺陷，科学工作者开发了扩孔剂，利用刻蚀等方法来增大孔径，但该法在一定程度上会破坏介孔结构的连续性[7-8]且增加工艺复杂性。

随后，开发出了嵌段共聚物结构的非离子表面活性剂，酸性条件下依靠其自组装特性作为模板导向合成孔径在5 nm以上的球形介孔载体[9-10]，经S0I0途径表面活性剂与前驱体不存在强的静电作用，所以可形成较厚的孔壁，较大的孔径和较高的热稳定性[11]。但该工艺合成出的介孔载体尺寸通常在2 μm以上，容易被免疫系统识别为外源物质排出，从而限制了其在药物传递方面的应用。并且由于在酸性条件下，硅前驱体易于凝胶化线性交联，所以目前利用非离子表面活性剂嵌段共聚物合成的介孔二氧化硅载体的分散性能并不达到预期目标[12]且合成周期较长。

本研究通过加入小粒径的二氧化硅纳米粒子作为生长核，酸性条件下以非离子表面活性剂作为模板剂导向合成球形介孔二氧化硅纳米载体，利用磷酸盐诱导快速沉淀分离，通过煅烧除去表面活性剂后得到形貌规整的单分散性介孔二氧化硅纳米载体。

1　试验部分

1.1　试剂和仪器

正硅酸乙酯(TEOS，高纯试剂，天津市科密欧化学试剂有限公司)；非离子表面活性剂嵌段共聚物P123 (Mr=5 800，Aldrich)；氨水(质量分数为25%)，无水乙醇(EtOH)，均为分析纯，购自天津江天化工技术有限公司产品；盐酸(标准溶液，CHCl=1.001 6 moL/L，天津市光复精细化工研究所)；磷酸盐缓冲液(0.1 mol/L，pH=8.4，实验室自制)；超纯水(Thermo Scientific Barnstead TII超纯水处理系统)。

高速离心机(德国Sigma公司3-18K型)；pH计(梅特勒-托利多公司SevenMulti型)；冷冻干燥机(美国Labconco公司Freezone2.5 L型)；电子天平(赛托利斯公司CP225D型)；多功能酶标仪(美国分子仪器公司SpectraMax M2e)；动态光散射纳米粒径分析仪(美国布鲁克海文仪器公司90Plus/BI-MAS型)。

1.2　试验过程

1.2.1制备生长核

通过改进Stöber法[13-14]制备小粒径纳米粒子。将无水乙醇与超纯水以10∶1( 体积比)混合均匀。取8.4 g正硅酸乙酯加入200 mL上述溶液中，剧烈搅拌5 min后迅速加入2 mL氨水并用锡箔密封，继续剧烈搅拌10 min后控制温度在30 ℃缓慢搅拌条件下反应4 h。通过高速冷冻离心机(12 000 r/min)分离出纳米核。再分别用无水乙醇和水洗涤沉淀，并通过超声和漩涡振荡等手段辅助洗涤过程除去杂质。如此循环处理5次，得到的沉淀在冷冻干燥机中干燥备用。

1.2.2合成介孔纳米载体

将1.16 g P123 ，0.5 g KCl溶于100 mL纯水中，用盐酸调节pH=2.4，另将0.3 g生长核振荡超声分散在10 mL pH=2.4的HCl溶液中，分散均匀后加入到上述表面活性剂溶液中，30 ℃下磁力搅拌30 min后加入2.2 g TEOS, 最终n(P123)/n(TEOS)=0.02，继续缓慢搅拌4 h。然后用磷酸盐缓冲液诱导沉淀，用醇水溶液洗涤沉淀物，真空干燥后，在550 ℃下程序控温煅烧6 h除去表面活性剂，得到介孔纳米载体MSN-1。

不加入生长核，其他条件不变，制备载体材料MSN-2。

2　结果与讨论

2.1　生长核的制备

根据初级均相成核机理，通过调节饱和度使体系爆发成核形成大量的均匀微核，减小硅酸前驱体聚合生长的速度，得到小粒径且均匀的生长核。通过纳米激光粒度仪检测粒径变化，结果见图1。

图1　a)，b)，c)分别为TEOS加入量4.2，8.4和10.5 g时生长核DLS结果；d)为TEOS加入量8.4 g时TEM图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

图1结果显示，当TEOS的起始加入量约为8.4 g时较容易获得SiO2单分散粒子。当减小起始加入量(加入4.2 g TEOS)降低饱和度时，虽然可以减小粒径，但后续分离困难，即使高速离心机在较高转速(约20 000 r/min)也难以分离。而增大起始加入量(10.5 g TEOS)会使粒子粒径增大变得不均匀且分散性下降。

因此反应体系中加入约8.4 g TEOS时，可以在常温30 ℃下简单快速的得到粒径约为105.1 nm的单分散生长核。

2.2　表征介孔纳米载体

二氧化硅的等电点约为pH=2，在pH=2.4的体系中二氧化硅前驱体和生长核表面带负电荷，而P123的亲水PEO嵌段吸附质子带正电荷，因此P123胶束的表面带正电荷，通过静电作用力胶束不断吸附在生长核表面。随着TEOS不断水解，硅酸物种又在胶束表面聚集生长缩合，逐渐在生长核表面形成一层有机无机复合体。通过在体系中加入磷酸盐缓冲液，可破坏粒子表面的双电层稳定状态，诱导纳米粒子快速沉淀(约10 min)。通过滤膜除去严重聚结的沉淀，离心得到的产品，快速用乙醇和纯水交替洗涤去除表面的硅酸物种、胶束和其他离子，尽量减少纳米粒子间的聚结。

对样品MSN-1进行动态光散射检测，结果如图2所示，样品有效粒径(Def)为183.0 nm，分散指数(PDI)为0.076。由图3 中MSN-1的SEM照片(场发射扫描电子显微镜Nanosem 430，低真空模式)所得粒径与动态光散射信息基本一致，球形纳米载体的粒径均一，约在180 nm，分散均匀，具有良好的形貌。

图2　MSN-1的DLS结果Fig.2　DLS results of MSN-1

图3　MSN-1的SEM图Fig.3　SEM image of MSN-1

图4为 MSN-1 的TEM照片(场发射透射电子显微镜Tecnai G2 F20，200 kV)。从图4可以看到在生长核的外围有一层厚度约为30 nm的介孔二氧化硅层。进一步增加TEOS的用量并不能增加介孔二氧化硅层的厚度，并且会破坏粒子良好的球形形貌。

图4　MSN-1的TEM图Fig.4　TEM image of MSN-1

图5所示为煅烧后MSN-1的XRD图谱(X射线衍射仪D/MAX-2500， 三狭缝小角测角仪，0.5～10.0°)。1.1～1.2°处的衍射峰说明多孔结构具有一定的有序性。对照样品的氮气吸附平衡等温线(吸附分析仪Tristar3000，样品300 ℃下脱水处理)，图6呈现了IV型吸附平衡等温线，在较低相对压力下主要发生单分子层吸附，随后是多层吸附，直至足以发生毛细管凝聚。且在相对压力0.4～0.9出现H2型迟滞环，表明材料具有墨水瓶状介孔孔道，利用BJH法计算孔径分布得孔径约5.5 nm，BET法计算表面积和孔容积分别为158.6 m2/g和0.22 cm3/g。

图5　MSN-1的XRD图谱Fig.5　XRD pattern of MSN-1

图6　氮气吸附脱附等温线和孔径分布曲线Fig.6　Nitrogen sorption-desorption isotherms and pore size distribution curves

未加入生长核得到的样品MSN-2具有“洋葱状”[15]形貌结构，如图7所示，从TEM图中可以看到它具有更加有序的介孔孔道[16]，但其粒径不均匀，分布较宽，难以控制。DLS图表明其平均粒径为149.2 nm，PDI为0.293。粒子之间的交联生长使得其分散性下降，难以得到单分散的纳米载体。

图7　MSN-2的TEM图和DLS分布图Fig.7　TEM image and DLS distribution of MSN-2

3　结论

通过在材料形成过程中加入105 nm的生长核(类似晶核)可以获得具有单分散性的球形纳米载体，具有双纳米结构，即纳米级粒径和纳米级介孔结构。通过磷酸盐缓冲液诱导沉淀克服了传统水热法耗时耗能的缺点，可以简单快速的收集纳米粒子，有效缩短反应时间降低分离能耗。其良好的分散性和较小的粒径在药物载体方面具有潜在的应用价值。但是介孔二氧化硅纳米材料真正使用前必须全面深入了解其包括毒性、降解性等在体内的一系列生物相容性问题。

参考文献：

[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]STÖBER 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