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基于Ugi多组分反应的海藻酸酰胺衍生物改性二氧化硅纳米粒子的制备

2016-08-11颜慧琼陈秀琼李嘉诚冯玉红伍剑博史载峰王向辉

高等学校化学学报 2016年5期
关键词:两亲性

颜慧琼, 陈秀琼, 李嘉诚, 冯玉红, 伍剑博,林 强, 史载峰, 王向辉

(1. 海南师范大学化学化工学院, 海口 571158; 2. 海南大学材料与化工学院, 海口 570228)



基于Ugi多组分反应的海藻酸酰胺衍生物改性二氧化硅纳米粒子的制备

颜慧琼1, 陈秀琼1, 李嘉诚2, 冯玉红2, 伍剑博2,林强1, 史载峰1, 王向辉1

(1. 海南师范大学化学化工学院, 海口 571158; 2. 海南大学材料与化工学院, 海口 570228)

摘要采用海藻酸酰胺衍生物通过Ugi多组分反应制备了新颖的聚合物-二氧化硅(Oct-Alg-SiO2)纳米粒子. 通过氢核磁共振波谱(1H NMR)和X射线光电子能谱(XPS)对Oct-Alg-SiO2的结构和表面元素组分进行了表征. 采用透射电子显微镜(TEM)、 Zeta电位和激光粒度分析仪对Oct-Alg-SiO2的形貌、 粒径和胶体性能进行了探索. 结果表明, 海藻酸酰胺衍生物共价接枝到氨基二氧化硅(SiO2-NH2)纳米粒子的表面, 提高了其平均直径, 调控了其Zeta电位, 在水介质中能够表现出良好的分散稳定性. 以10%的液体石蜡为油相, 采用Oct-Alg-SiO2制备了Pickering乳液. 在油水界面能够形成液滴粒径为5.7 μm的稳定Pickering乳液. 随着水相pH值的增大, 乳液体积分数增大, 稳定性增强. 细胞相容性实验结果表明, Oct-Alg-SiO2纳米粒子具有极好的生物相容性.

关键词Ugi多组分反应; 二氧化硅纳米粒子; 两亲性; Pickering乳液; 海藻酸酰胺衍生物

二氧化硅(SiO2)在体液中能够形成羟基磷灰石, 是生物矿化和形成硬组织不可或缺的成分[1]. 由于其具有良好的生物相容性、 低毒性、 高比表面积和吸附性[2], 在生物医药、 生物医学成像和组织工程等领域具有广泛的应用前景, 成为生物材料领域的研究热点[3~5].

采用Stöber[6]方法制备的SiO2纳米粒子表面存在大量羟基, 其亲水性较强, 比表面积较大, 颗粒间静电排斥力和VanderWaals力较弱, 在水溶液或体液中容易受高离子强度和血清蛋白的影响而发生聚集, 限制了其在胶体界面化学和生物医学材料方面的应用. 通过对SiO2纳米粒子进行表面改性, 可以提高纳米粒子的分散稳定性. 文献[7~9]报道了两亲性聚合物刷可有效改善SiO2纳米粒的表面润湿性, 提高其分散稳定性和乳化性能, 其改性方法主要包括原位聚合法和表面接枝法[10~13]. 然而以两亲性海藻酸衍生物为改性剂, 采用Ugi多组分反应改性SiO2纳米粒子的报道较少[14]. 我们近期的研究表明,Ugi反应是一种高原子经济性和高产率的多组分反应[15].

海藻酸及其衍生物是一类理想的无机纳米粒子稳定剂, 具有独特的生物相容性和非免疫性.Kodiyan等[16]报道了海藻酸分子接枝到金纳米粒子上可显著减少其与生物分子(如血浆蛋白)的非特异性作用, 提高分散稳定性, 可用作靶向药物载体. 以两亲性海藻酸衍生物改性的SiO2纳米粒子自身具有一定的乳化性能, 可用来制备Pickering乳液, 这对于医药开发具有积极的促进作用.

为了提高SiO2纳米粒子的分散稳定性, 本文以两亲性的海藻酸辛酰胺(Oct-Alg)为改性剂, 采用Ugi多组分反应制备了一种新颖的海藻酸衍生物改性SiO2纳米粒子. 对其结构和表面元素组成及其形貌、 粒径和胶体性能进行了表征. 本文将海藻酸盐的生物活性和SiO2纳米粒子的胶体特性结合起来, 旨在拓宽其在生物学领域的应用范围, 为新型生物材料的开发与应用提供思路.

1实验部分

1.1试剂与仪器

海藻酸钠(C.P.级)、 正硅酸乙酯(TEOS,A.R.级)、 3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES, 纯度99%)和浓氨水(NH4OH, 质量分数25%~28%)购于Aladdin公司; 无水乙醇(Ethanol,A.R.级)和液体石蜡(A.R.级)购于广州化学试剂厂; 良伊格尔(DEME)培养基和地塞米松购于美国Gibco公司; 胎牛血清(FBS)购于杭州四季青生物制品有限公司; 甲醛(A.R.级)、 环己基异腈(纯度98%)和其它试剂均购于Sigma-Aldrich公司.

400MHz型核磁共振波谱仪(瑞士Bruker公司);AXIS-UTLTRA(DLD)型多功能X射线光电子能谱(英国Kratos公司);JEM2100型高分辨透射电子显微镜(日本JEOL光学电子公司); ZetasizerNanoS90型激光粒度仪和Zeta电位分析仪(英国Malvern公司);DMRX型光学显微镜(德国Leica公司);CO2细胞培养箱(美国Sheylab公司);MK3型酶标仪(芬兰Labsystem公司).

1.2氨基二氧化硅(SiO2-NH2)的制备

采用Stöber法并结合文献[17]方法制备SiO2-NH2纳米粒子. 将6mLTEOS加入到8mLNH4OH和120mL乙醇的混合溶液中, 于35 ℃恒温搅拌24h. 然后将2.0mLAPTES快速滴加到反应液中, 于35 ℃高速搅拌过夜. 反应液经多次离心, 用乙醇洗涤后, 加入去离子水稀释至250mL得到浓度为0.1mol/L的SiO2-NH2纳米粒子悬浮液.

1.3海藻酸酰胺衍生物接枝二氧化硅纳米粒子(Oct-Alg-SiO2)的制备

采用Ugi四组分缩合反应制备海藻酸酰胺衍生物接枝的二氧化硅(Oct-Alg-SiO2)纳米粒子, 制备过程如Scheme1所示. 所使用的海藻酸辛酰胺(Oct-Alg)可通过文献[18]的方法制得, 其取代度为0.27. 准确称取100mgOct-Alg, 溶于10mL去离子水中, 再加入10mLSiO2-NH2纳米粒子悬浮液, 用0.5mol/L盐酸溶液调节pH值至3.6. 然后依次将30mg甲醛和125mg环己基异腈加入上述混合溶液中, 在35 ℃恒速搅拌反应24h. 最后将反应液装入透析袋(CutOff, Mw=3500)中透析3d, 所得悬浮液经旋蒸浓缩至10mL得到0.1mol/L的Oct-Alg-SiO2纳米粒子悬浮液.

Scheme 1 Schematic illustration of the preparation of Oct-Alg-SiO2

1.4Oct-Alg-SiO2纳米粒子的表征

Oct-Alg-SiO2纳米粒子悬浮液冷冻干燥后得到干燥的样品, 以D2O为溶剂, 采用1HNMR确定Oct-Alg-SiO2的分子结构, 再通过XPS测定Oct-Alg-SiO2纳米粒子表面的元素组成. 在加速电压为200kV下采用透射电子显微镜观察Oct-Alg-SiO2纳米粒子的形貌, 用1.2NanoMeasurer软件测量颗粒尺寸. 采用Malvern激光粒度和Zeta电位分析仪分别测定Oct-Alg-SiO2纳米粒子悬浮液的水动力学粒径和Zeta电位; 为了验证Oct-Alg-SiO2纳米粒子的乳化性能, 以1.0mL液体石蜡为油相, 5.0mLOct-Alg-SiO2纳米粒子悬浮液和4.0mL去离子水为水相制备Pickering乳液, 采用光学显微镜观测Pickering乳液的液滴大小和形貌. 采用HCl和NaCl溶液调节水相pH值, 制备出水相pH值分别为2.51, 4.30, 6.42, 8.97和11.07的Pickering乳液, 以室温静置48h后的乳液体积分数作为考察Pickering乳液稳定性的指标, 研究不同水相pH值对Pickering乳液稳定性的影响.

1.5Oct-Alg-SiO2纳米粒子的细胞相容性评价

按照生物学评价标准(GB/T166886), 采用L929 细胞检测Oct-Alg-SiO2纳米粒子的细胞毒性. 在DEME培养基中添加10%FBS、 0.1μmol/L地塞米松、 50μmol/L维生素C、l0mmol/Lβ-甘油酸钠、 100U/mL青霉素和100U/mL链霉素作为细胞培养基来接种L929 细胞. 以 4×104Cell/mL的细胞密度接种入96孔培养板中. 分别将25, 50, 100和200μg/mL的Oct-Alg-SiO2纳米粒子加入培养板中作为测试组, 以未添加纳米粒子的细胞组作为对照组, 每组平行培养3孔. 将培养板置于5%CO2的37 ℃培养箱内培养3d, 用MTT法测定细胞活力[19].

2结果与讨论

2.1Oct-Alg-SiO2纳米粒子的制备与表征

Oct-Alg-SiO2纳米粒子的合成包含3个过程(Scheme2): (1)SiO2-NH2的制备; (2) 海藻酸钠的酰胺化; (3)Ugi多组分反应合成Oct-Alg-SiO2纳米粒子.Oct-Alg-SiO2纳米粒子的分子结构和表面元素组成通过1HNMR谱(图1)和XPS谱(图2)验证.

Scheme 2 Synthetic routes of Oct-Alg-SiO2

Fig.1 1H NMR spectrum of Oct-Alg-SiO2

Fig.2 XPS spectrum of Oct-Alg-SiO2

由图2可见海藻酸衍生物的基本特征峰, 如1068.2eV处的Na1s峰、 529.5eV处的O1s峰、 494.2eV处的NaKLL(俄歇谱峰)、 283.6eV处的C1s峰和397.4eV处的N1s峰. 此外, 在100.0eV左右出现了Si2p峰. 该峰是由99.2和104.7eV处的2个较弱的峰组成的(见图2插图), 它们分别归属为Si—Si和Si—OH的键合作用[20]. 以上结果表明,Oct-Alg-SiO2纳米粒子的表面被Oct-Alg覆盖, 采用Ugi多组分反应对SiO2颗粒表面改性是可行的.

Fig.3 TEM image(A), size distribution derived from the TEM image(B), hydrodynamic diameter distribution(C) and zeta potential distribution(D) of Oct-Alg-SiO2

2.2Oct-Alg-SiO2纳米粒子的胶体性能

SiO2纳米粒子的表面改性会改变其胶体性能, 如颗粒形貌、 粒径和Zeta电位等[17]. 图3为Oct-Alg-SiO2纳米粒子的TEM照片、 粒径、 水动力学粒径和Zeta电位分布图.SiO2纳米粒子、SiO2-NH2纳米粒子和Oct-Alg-SiO2纳米粒子的胶体特性值列于表1. 采用Stöber法制备的纳米SiO2粒径较小, 颗粒因含有大量羟基而亲水性较强, 其Zeta电位值为-20.2mV, 所产生的静电排斥力不足以抗拒颗粒间的团聚, 因此在水溶液中容易聚集. 由于SiO2纳米粒子所含有的羟基官能团与海藻酸盐较难发生反应, 采用常规的酯化改性方法效果不佳, 因此SiO2的氨基化成为了一种可行的方法来提高其活性. 经APTES改性后的SiO2颗粒表面含有大量氨基, 其Zeta电位由原来的-20.2mV变为13.9mV, 而且其粒径也有所增加, 但是在水溶液中的稳定性较差[18], 因此需进一步改性来提高其分散稳定性.

Table 1 Characteristics of silica nanoparticles

a.AveragediameterderivedfromtheTEMimageviatheNanoMeasurersoftware; b.PDI:polydispersityindex.

Ugi反应是放热反应, 反应条件温和, 通常在加入异腈后数分钟内即可完成[21]. 由于总反应只生成一分子水副产物, 所以该反应具有较高的原子经济性和反应产率[15]. 采用Ugi反应制备的Oct-Alg-SiO2粒径进一步增大, Zeta电位值由13.9mV变为-31.6mV. 海藻酸衍生物赋予了SiO2-NH2纳米粒子较高的电负性, 这从另一方面验证了改性的成功性. 值得注意的是Oct-Alg-SiO2纳米粒子Zeta电位的绝对值大于30mV, 能够稳定地分散在水介质中[22]. 从图3(A)的TEM照片也可以看出,Oct-Alg-SiO2纳米粒子能够较好地分散在水溶液中. 对比图3(B)和(C)以及表1, 可以发现, 由TEM照片统计的粒径明显小于相应的水动力学粒径. 这是因为水动力学粒径通常反映的是实物粒径和水化层厚度的加和, 除此之外接枝在Oct-Alg-SiO2颗粒上的Oct-Alg由于分子的刚性结构使其分子链在水溶液中向外伸展, 增加了水化层的厚度, 这也充分说明Oct-Alg-SiO2颗粒表面接枝了Oct-Alg.

Pickering乳液是一种以固体活性微粒作乳化剂, 由2种互不相溶的液相组成的热力学不稳定分散体系. 固体微粒间的双电层排斥、 范德华引力和毛细管力等物理作用力对其在界面的吸附和稳定乳液起着主导作用[23]. 前期的工作已经证实, 两亲性海藻酸衍生物可以协同活化SiO2纳米粒子得到稳定的Pickering乳液[24]. 本文以10%的液体石蜡为油相, 在去离子水中通过高速搅拌辅助超声的方法制得Pickering乳液, 结果如图4所示. 乳化前, 由于Oct-Alg-SiO2纳米粒子的水动力学粒径为215.7nm, 其水溶液呈淡蓝色光泽, 而且该水溶液放置7d后, 色泽未变, 底部未出现沉淀; 乳化后,Pickering乳液呈乳白色. 由于乳液液滴的聚并, 融合, 平衡时乳液出现了相分离, 稳定后的乳液呈现乳液相和水相两相, 通过乳液相体积的变化可以说明乳液稳定性的变化[25]. 室温静置48h和室温静置7d后的乳液, 乳液相体积变化不明显, 说明经改性后的SiO2纳米粒子具有较好的稳定性. 由于不相容的两相界面处易形成稳定的Pickering乳液[26,27], 为此, 取室温静置48h(平衡后)后油水界面处乳液置于载玻片上观察其形貌, 从其光学显微镜照片可以看出, 乳液液滴形貌规整, 分散较为均匀, 粒径平均大小为5.7μm, 说明Oct-Alg-SiO2纳米粒子具有良好的乳化稳定性. 表明通过Ugi反应制备的Oct-Alg-SiO2纳米粒子既含有亲水主链又含有疏水侧链, 表现出了类似Janus粒子的两亲性能.

Fig.4 Micrographs of the Pickering emulsions stabilized by Oct-Alg-SiO2 (A) Before emulsification; (B, C) 48 h after emulsification; (D) 7 d after emulsification.

然而海藻酸盐由于含有大量的羟基和羧基基团, 对溶液pH值较为敏感. 采用Ugi反应制备的Oct-Alg-SiO2纳米粒子表面接枝了海藻酸衍生物, 因此调控水相pH值能够改变Oct-Alg-SiO2纳米粒子表面电荷密度与分布, 进而影响乳液的稳定性[28]. 由于Oct-Alg-SiO2纳米粒子表面存在带负电的羧基基团, 当水相pH值由2.51增大到11.07时, 其表面所带负电荷会逐步增多, 使其Zeta电位绝对值增大(图5). 随着水相pH值的增大, 乳液中液滴Zeta电位增大, 液滴与液滴之间静电排斥作用力增强, 所形成乳液的稳定性增强, 乳液体积分数增大.

2.3Oct-Alg-SiO2纳米粒子的细胞相容性

Fig.5 Effect of pH value on the zeta potential and volume fraction of the Pickering emulsion

采用酶标仪分别检测了测试组和对照组在570nm处的吸光度值, 细胞的存活率(%)为测试组和对照组在570nm处的吸光度值的比值. 结果显示, 分别加入25, 50和100μg/mLOct-Alg-SiO2纳米粒子孵化3d后的细胞存活率均高于95%, 表现出良好的细胞相容性. 而200μg/mL的Oct-Alg-SiO2纳米粒子由于其浓度过高, 可能会妨碍细胞的正常生长, 但孵化3d后细胞的存活率依然高达80%, 说明Oct-Alg-SiO2纳米粒子具有极好的生物相容性, 能够广泛地应用于生物学领域.

3结论

以两亲性的Oct-Alg为改性剂, 采用Ugi多组分反应制得了新颖的Oct-Alg-SiO2纳米粒子, 其分子结构和元素组成通过1HNMR和XPS得到验证.TEM、 激光粒度和Zeta电位分析结果表明,Ugi反应使SiO2纳米粒子粒径增大, 而且海藻酸衍生物赋予了SiO2纳米粒子较高的电负性,Oct-Alg-SiO2纳米粒子Zeta电位绝对值大于30mV, 能够稳定地分散在水溶液中. 通过高速搅拌辅助超声的方法制得的Pickering乳液在油水界面处可观察到稳定的Pickering乳液, 并且乳液液滴形貌规整、 分散较为均匀, 粒径平均大小为5.7μm. 随着水相pH值的增大, 乳液体积分数增大, 稳定性增强. 细胞相容性实验结果表明,Oct-Alg-SiO2纳米粒子具有极好的生物相容性, 能够广泛地应用于生物学领域.

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(Ed.:V,Z)

†SupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(Nos.21366010, 21566009)andtheKeyProjectsintheHainanProvincialScience&TechnologyProgram,China(No.ZDXM2014037).

doi:10.7503/cjcu20150831

收稿日期:2015-10-30.网络出版日期: 2016-04-21.

基金项目:国家自然科学基金 (批准号: 21366010, 21566009)和海南省重点科技计划项目(批准号: ZDXM2014037)资助.

中图分类号O631.3; O621.25+9.4

文献标志码A

SynthesisofAmidicAlginateDerivativesModifiedSilicaNanoparticlesviaUgiMulticomponentReaction†

YANHuiqiong1,CHENXiuqiong1,LIJiacheng2*,FENGYuhong2,WUJianbo2,LINQiang1*,SHIZaifeng1,WANGXianghui1

(1. College of Chemistry and Chemical Engineering, Hainan Normal University, Haikou 571158, China;2. College of Materials and Chemical Engineering, Hainan University, Haikou 570228, China)

AbstractTo wider applications of silica(SiO2) nanoparticles, the Ugi multicomponent reaction was proposed to prepare the novel polymers-silica(Oct-Alg-SiO2) nanoparticles using amidic alginate derivatives. The structure and surface elemental composition of Oct-Alg-SiO2 were confirmed by1H Nuclear Magnetic Resonance(1H NMR) spectrometer and X-ray photoelectron spectroscopy(XPS). Additionally, the morpho-logy, size and colloid stability of Oct-Alg-SiO2 were also investigated via transmission electron microscope(TEM), zeta potential and laser particle size analyzer. The characterization of the materials revealed that Oct-Alg-SiO2 nanoparticles were successfully fabricated via the Ugi reaction. The amidic alginate derivatives were covalently bonded onto the surface of amino-functionalized silica(SiO2-NH2) nanoparticles, increasing their average diameter and tuning their zeta potential, which could exhibit good dispersion stability performance in the aqueous media. The Pickering emulsions were prepared by Oct-Alg-SiO2 using 10% liquid paraffin as the oil phase. It is worth noting that the stable Pickering emulsions with an average size of 5.7 μm could form between the oil-water interfaces. With the increase of pH value, the volume fraction of the emulsions increased and the stability of the emulsions also improved. The cytocompatibility experimental results showed that Oct-Alg-SiO2 nanoparticles possessed excellent biocompatibility. Oct-Alg-SiO2 nanoparticles combined excellent colloid stability performance of SiO2 nanoparticles and good biological properties of amidic alginate derivatives, possessing great potentials in biomedical applications.

KeywordsUgi multicomponent reaction; Silica nanoparticles; Amphipathic; Pickering emulsions; Amidic alginate derivatives

联系人简介: 林强, 男, 博士, 教授, 博士生导师, 主要从事精细化学品分子设计、 化工工艺、 有机合成和生物材料方面的研究.

E-mail:linqianggroup@163.com

李嘉诚, 男, 博士, 教授, 主要从事胶体界面化学方面的研究.E-mail:ljcfyh@263.net

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