SiO2气凝胶的制备，性能及在生命医学中的应用

雷　津，宋　丹，王利华

(天津生物工程职业技术学院，天津　300462)



SiO2气凝胶的制备，性能及在生命医学中的应用

雷津，宋丹，王利华

(天津生物工程职业技术学院，天津300462)

二氧化硅气凝胶具有独特的理化性质和生物相容性，使其成为生命医学领域基础研究的重要选择之一。阐述了二氧化硅气凝胶的制备工艺、机理及影响因素，分析了二氧化硅气凝胶的微观结构对其性能的影响，综述了二氧化硅气凝胶在药物输送系统、生物催化剂和生物传感器等方面的应用及研究现状，最后展望了二氧化硅气凝胶在生命医学领域中的应用前景。

二氧化硅气凝胶；制备；性能；生命医学；应用

二氧化硅气凝胶是以气体为分散介质，二氧化硅胶体粒子聚结而成的一种超低密度纳米非晶态固体介孔材料。二氧化硅气凝胶具有三维网络结构，内部孔洞交错联通，使其具有高孔隙率、高比表面积、超低密度的等优点和独特的热学、声学、光学等性质[1-4]，被称之为“改变世界的材料”。因此，该材料在基础研究和应用研究等多领域有广阔的应用前景和研究价值。此外，生物相容性和生物降解性的优点使其可广泛应用于生命科学领域。

本文首先介绍了二氧化硅气凝胶制备工艺、反应机理及其影响因素，其次分析了微观结构与性能之间的关系。概述了二氧化硅气凝胶在药物输送系统、生物催化剂和生物传感等的应用和研究现状，最后对其在生命科学领域的应用进行了展望。

1　二氧化硅气凝胶的制备

当前，二氧化硅气凝胶的制备工艺包括溶胶-凝胶法(Kister法)、焚烧法和化学沉淀法等。其中由于溶胶-凝胶法便于调控二氧化硅气凝胶的三维骨架结构，成为了研究的热点。

1.1溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法制备过程如图1所示：首先将硅源、溶剂和水等原料按照配比混合均匀，在酸催化剂和碱催化剂的作用下，硅源物质水解形成凝胶溶液。经老化过程，硅凝胶溶液进一步缩聚和脱水形成无机长链网状结构，之后通过表面改性过程和干燥步骤获得三维网状结构的二氧化硅气凝胶[1-2]。

在制备过程中，凝胶的合成、老化和干燥步骤是工艺的关键。凝胶的合成直接决定了凝胶的结构形态，对产品的性能有直接的影响。硅源的性质是凝胶质量的重要因素。典型的硅源有无机硅盐类(水玻璃、硅溶胶等)、有机硅化合物(正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、聚硅氧烷等)、金属醇盐类[1]。与无机硅盐类做原料相比，有机硅化合物更易制备高纯度的二氧化硅气凝胶。酮类和醇类是主要的溶剂。一般情况下，凝胶的制备会在水溶液中进行。然而，由于离子液体作为溶剂具有模板效应、结构导向(孔径及结构调节)、催化及化学控制剂及可回收循环利用等优势[5-8]，众多学者以咪唑盐[C6mim][BF4][5]、1-丁基-3-甲基咪唑-四氟硼酸盐[C4mim][BF4][7]、1-己基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐[C6mim][PF6][8]等离子液体作为溶剂通过溶胶-凝胶法制备了不同性能的二氧化硅气凝胶，并对其进行了结构和性能表征。典型的催化剂则是无机酸或碱，如盐酸、氢氟酸、氨水等。催化剂的选择决定了凝胶形成的时间和凝胶网络结构。

图1　溶胶-凝胶法制备二氧化硅气凝胶工艺流程Table 1　Process flow of silica aerogel prepared by sol-gel method

老化是指凝胶网络结构初步形成后的一定时间内，母液中的小颗粒溶解缩聚于大颗粒表面，从而进一步强化凝胶网络结构的过程[1-2]。老化过程可以调整孔径结构，优化孔径分布，强化凝胶网络的强度、硬度和密度。老化过程中若更换溶剂或在母液中添加其他改性物质，可改变二氧化硅气凝胶的性质，如增加亲水性、憎水性、调整机械强度或韧性等[1-2]。老化过程在产品制备过程中承上启下，对产品的性能有着重要影响。

干燥步骤直接关系二氧化硅气凝胶产品的性能和质量。由于二氧化硅气凝胶的孔径为纳米级，干燥过程中，孔隙内液体会产生巨大的张力，易破坏产品的三维网络结构。目前，主流的干燥方法有：超临近干燥法、冷冻干燥法和常压干燥法[1-2]。超临界流体无气液界面，因此超临近干燥法可以最大限度的保存二氧化硅气凝胶的网络结构。冷冻干燥法通过低温环境将溶剂的气液界面转变为气固界面，从而消除孔隙中溶剂的张力，进而保存产品的三维结构。但是溶剂结晶也会在一定程度上破坏产品的孔径结构。常压干燥法原理简单，但无法消除溶剂张力的影响。从产品性能和质量角度考虑，超临近干燥法最具竞争优势。

1.2焚烧法

焚烧法是硅化合物在氢气氛围下燃烧得到氧化硅残留物即二氧化硅气凝胶的方法。以四氯化硅为例，其反应方程式为式如下：

SiCl4+2H2+O2=SiO2+4HCl

候贵华[9]以3%的盐酸多次浸泡稻壳，干燥后在540 ℃下加热煅烧4 h制备成白色粒状二氧化硅气凝胶。周小春等[10]采用相似方法从稻壳中获得了纯度99%以上的非晶态二氧化硅气凝胶。该方法制备的二氧化硅气凝胶易含杂质，结构不稳定，遇水易坍塌。因此，该方法仍需进一步的完善和改进。

与其他制备方法(如沉淀法、球磨法等)相比，溶胶-凝胶法已经实现了工业化。

2　二氧化硅气凝胶的性能

二氧化硅气凝胶的性能参数如表1所示。纳米级孔隙和网络多孔结构是二氧化硅气凝胶特性的根源。由于其平均孔径约为20 nm，孔隙内部的气体分子无法自由流动，与二氧化硅气凝胶呈相对固定状态。此时，气相无法参与热对流，而气体的热导率很低，因而二氧化硅气凝胶可呈现极佳的绝热性能[1-2,11]。值得注意的是，二氧化硅具有优良的生物相容性、组织相容性和生物降解性[3,12]。二氧化硅气凝胶的独特性能为其在基础研究和应用研究领域的广泛使用提供了可能性。

表1　二氧化硅气凝胶和单晶硅特性对比Table 1　The characteristics comparison of silica aerogel and monocrystalline silicon

a：采用密度为0.1 g/cm3的二氧化硅气凝胶测定得出。

3　二氧化硅气凝胶在生命科学领域中的应用

3.1靶向药物、药物缓释及药物输送系统

药物输送系统是一种给药新概念，具有用药少，作用高，毒副作用小的特点，其设计难点在于药物释放机制的多样性[13]。二氧化硅气凝胶具有高比表面积、高孔隙率、可调控的孔径结构和孔径分布及生物相容性等特点。此外，它还可以增加低溶解度药物的生物利用度，同时提高其稳定性和释放动力学，甚至具有选择靶向性[3,13]。因此，二氧化硅气凝胶已被广泛用于药物(包括药物、酶、氨基酸和蛋白质等)输送系统的研究。目前，研究重点包括二氧化硅气凝胶的合成、药物负载方法、吸附负载与药物释放等[14]。

Rajanna等[15]采用矿物油乳化法以稻草灰为原料制备了二氧化硅气凝胶微粒，对其负载不溶性药物(布洛芬和丁香酚)后，探讨了其释放动力学。研究表明，单位重量的二氧化硅气凝胶微粒可分别负载0.87 g布洛芬或8.133 g丁香酚。释放动力学则表明释放吸附的无定型布洛芬需要30 min，而释放丁香酚则需要17天。Smirnova等[16]分别研究了负载酮洛芬和灰黄霉素的二氧化硅气凝胶的释放动力学，发现吸附在亲水性二氧化硅气凝胶表面的药物比相应的结晶态药物溶解更快。Guenther等[17]则将微溶药物地蒽酚与二氧化硅气凝胶结合制备成亲水性软膏。模拟实验表明，与石蜡药膏相比，二氧化硅气凝胶软膏的药物通量和药效时间分别增加了约25%和44%。Veres等[18]则探讨了负载低水溶性药物(布洛芬、酮洛芬和三氟柳)的混基气凝胶的释放动力学和溶出曲线。结果表明三种药物的生物利用率均得到很大的提高。

3.2生物催化剂

二氧化硅气凝胶得生物相容性可保证负载脂肪酶催化剂的生物活性，而其巨大的比表面积、高孔隙率和吸附性可在一定程度上强化其反应动力学，因此二氧化硅气凝胶极其适用于生物催化剂领域。

EI Rassy 等[19]制备了负载洋葱伯克霍氏德菌(一种假单胞菌)脂肪酶的二氧化硅气凝胶催化剂，并探讨了溶胶-凝胶法制备过程中洋葱伯克霍氏德菌脂肪酶的模板效应，为制备和优化二氧化硅气凝胶负载脂肪酶催化剂的性能提供了理论依据和实验基础。Barbosa等[20]探讨了负载洋葱伯克霍氏德菌脂肪酶的二氧化硅气凝胶催化剂在植物油水解工业中的应用潜力。Kharrat等[21]通过物理吸附法将米根霉脂肪酶固定于二氧化硅气凝胶上。研究发现与自由米根霉脂肪酶相比，固定化米根霉脂肪酶在高温和宽pH范围内的稳定性显著增加。在非水溶液体系正丁基油酸酯合成过程中发现，固定化米根霉脂肪酶循环使用12次无显著性催化活性的降低。Orcaire O等[22]分别将洋葱伯克霍氏德菌和南极念珠菌封装于二氧化硅气凝胶毡内，并成功用于葵花籽油通过酯交换反应制备生物柴油。当葵花籽油和乙酸乙酯摩尔比为1:3时，两种催化剂的转化率分别达到56%和75%。

3.3生物传感器

生物传感器以固定化生物敏感材料(如酶、抗体、抗原、核酸、微生物、细胞组织等)作为识别元件，通过适当的理化转化器(如氧电管、光敏管、场效应管等)捕捉目标物与识别元件之间的生物活性差异并将其差异转化为可定量传输和处理的电信号，从而快速获得被测物信息的检测仪器[1, 3-4]。生物传感器具有选择性高、分析速度快、准确度高和操作简便的优点[4]。生物敏感材料的固定载体是保证生物传感器性能稳定的关键，其重点是同时保证生物敏感材料的活性及其与载体的固定强度。二氧化硅气凝胶因其特殊结构和理化性质成为当前生物敏感材料固定载体的最佳选择之一。二氧化硅气凝胶为载体的生物传感器主要用于环境识别、化验及采集等领域[1,4]。

Power等[23]将大肠埃希氏菌和绿色荧光蛋白(来自水母)固定于二氧化硅气凝胶的三维网状骨架结构内，从而制备成环境噬菌体检测生物传感器。当环境中的噬菌体聚合酶启动子吸附到气凝胶表面后，绿色荧光蛋白就会发光，由此可检测甚至量化环境中噬菌体浓度。Whelen等[24]通过甲烷化处理阵列纳米多孔硅，与高选择性受体分子结合后制备成生物传感器。该生物传感器与革兰氏阴性菌中的内毒素作用后，可通过测定阵列纳米多孔硅折射率的变化快速检测及鉴定环境中的病原体。Sani等[25]在室温近中性pH下将酪氨酸酶通过溶胶-凝胶法固定于二氧化硅气凝胶三维网状结构内，并制备成生物传感器。结果表明该生物传感器可在3 h内去除水溶液中90%的苯酚，且具有重复实用性。Li等[26]将掺杂四硫富瓦烯二氧化硅气凝胶作为载体制备了复合型葡萄糖生物传感器。葡萄糖浓度在1.0×10-2～5.0×10-2mmol/L范围内具有良好的线性关系，且其检出限为5.0×10-3mmol/L。

3.4其他领域

由于二氧化硅气凝胶具有生物相容性、低密度和适中的机械强度等特点，使其在人造器官替代材料、杀菌剂等领域有着应用潜力。

He等[12]系统探讨了二氧化硅材料的生物降解性、细胞毒性、血液相容性、药代动力学和组织相容性，并构建了靶向纳米抗癌药物输送载体。Yin等[27]的研究表明二氧化硅气凝胶具有血小板，血浆，和血管内皮细胞的生物相容性，具有血液可植入装置的应用潜力。然而，表面性质的改变可能会导致生物相容性的变化。Ayers等[28]制备了脱乙酰壳聚糖-二氧化硅杂化气凝胶，探讨了其用于心血管装置的可能性。却意外发现该材料可导致溶血现象。Ge等[29]研究了二氧化硅气凝胶/聚己内酯复合材料作为骨组织替代材料的可行性。Bernik等[30]和Pierre[1]研究汇总了二氧化硅气凝胶在杀菌剂，除草剂和杀虫剂应用潜力。

4　结论与展望

近年来，众多学者针对二氧化硅气凝胶的制备、改性及其在生命医药领域进行了很多有意义探索和研究，使得其制备工艺得到优化、性能更加优越、应用更佳广泛。但客观而言，二氧化硅气凝胶在生命科学领域从基础研究到实践应用还有一些问题需要解决。例如，提高二氧化硅气凝胶骨架的强度、提高活性物质的固定强度和保证其生物活性以及相关的理论及机理研究等。

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二氧化硅气凝胶在生命科学领域的研究是当前科技研究的热点之一。随着科技的发展和进步，二氧化硅气凝胶必将在医药(靶向药物、药物缓释及药物输送系统)、生物催化(生物催化剂、生物催化剂载体)、检测(生物传感器、环境检测、基因检测)及生物替代材料等领域展现更好的前景和优势。

[1]Pierre A C, Rigacci A. Aerogels Handbook[M]. Springer New York, 2011: 21-45.

[2]Dorcheh A S, Abbasi M H. Silica aerogel: synthesis, properties and characterization[J]. J Mater Process Techol., 2008, 199(1): 10-26.

[3]Stergar J, Maver U. Review of aerogel-based materials in biomedical applications[J]. J Sol-Gel Sci Technol, 2016, 77(3):738-752.

[4]李华, 霍丽, 吴乌云高娃. 二氧化硅气凝胶制备条件的选择[J].广州化工, 2012,40(3):14-16.

[5]徐飞,于春玲,戴洪义. 咪唑盐型离子液体[Cnmim][x] 在 SiO2气凝胶制备过程中的应用进展[J]. 硅酸盐通报, 2011, 30(1): 111-115.

[6]徐飞. 常压制备疏水性SiO2气凝胶的研究[D]. 大连:大连工业大学, 2011.

[7]Wu C M, Lin S Y, Chen H L. Structure of a monolithic silica aerogel prepared from a short-chain ionic liquid[J]. Micropor Mesopor Mater[J], 2012, 156: 189-195.

[8]Wu C M, Lin S Y. Close Packing Existence of Short-Chain Ionic Liquid Confined in the Nanopore of Silica Ionogel[J]. J Phys Chem C, 2015, 119(22): 12335-12344

[9]侯贵华. 稻壳裂解制备SiO2气凝胶的研究[J]. 无机材料学报,2003(02):407-412.

[10]周小春,许亚平,钟路平. 从稻壳中获得二氧化硅气凝胶的研究[J]. 无机盐工业,2007(12):39-41.

[11]Avnir D, Coradin T, Lev O, et al. Recent bio-applications of sol-gel materials[J]. J Mater Chem, 2006, 16(11): 1013-1030.

[12]He Q, Shi J, Chen F, et al. An anticancer drug delivery system based on surfactant-templated mesoporous silica nanoparticles[J]. Biomaterials, 2010, 31(12): 3335-3346.

[13]Siepmann, Juergen, Ronald A. et al. Fundamentals and applications of controlled release drug delivery[M]. Science & Business Media, 2011:135-139.

[14]Ulker Z, Erkey C. An emerging platform for drug delivery: Aerogel based systems[J]. J Control Release, 2014, 177: 51-63.

[15]Rajanna S K, Kumar D, Vinjamur M, et al. Silica aerogel microparticles from rice husk ash for drug delivery[J]. Ind Eng Chem Res, 2015, 54(3): 949-956.

[16]Smirnova I, Suttiruengwong S, Arlt W. Feasibility study of hydrophilic and hydrophobic silica aerogels as drug delivery systems[J]. J Non-Cryst Solids, 2004, 350: 54-60.[17]Guenther U, Smirnova I, Neubert R H H. Hydrophilic silica aerogels as dermal drug delivery systems-Dithranol as a model drug[J]. Eur J Pharm Biopharm, 2008, 69(3): 935-942.

[18]Veres P, López-Periago A M, Lázár I, et al. Hybrid aerogel preparations as drug delivery matrices for low water-solubility drugs[J]. Int J Pharm, 2015, 496(2): 360-370.

[19]El Rassy H, Maury S, Buisson P, et al. Hydrophobic silica aerogel-lipase biocatalysts-Possible interactions between the enzyme and the gel[J]. J Non-Cryst Solids, 2004,350:23-30.

[20]Barbosa A S, Silva M A O, Carvalho N B, et al. Immobilization of lipase by encapsulation in silica aerogel[J]. Quim Nova, 2014, 37(6): 969-976.

[21]Kharrat N, Ali Y B, Marzouk S, et al. Immobilization of Rhizopus oryzae lipase on silica aerogels by adsorption: comparison with the free enzyme[J]. Process Biochem, 2011, 46(5):1083-1089.

[22]Orcaire O, Buisson P, Pierre AC. Application of silica aerogel encapsulated lipases in the synthesis of biodiesel by transesterification reactions[J]. J Mol Catal B: Enzym 2006,42:106-113.

[23]Power M, Hosticka B, Black E, et al. Aerogels as biosensors, viral particle detection by bacteria immobilized on large pore aerogel [J]. J. Non-Cryst Solids, 2001, 285: 303-308

[24]Whelan J. Smart bandages diagnose wound infection[J]. Drug Discov Today, 2002, 7(1): 9-10

[25]Sani S, Muhid MNM, Hamdan H. Design, synthesis and activity study of tyrosinase encapsulated silica aerogel (TESA) biosensor for phenol removal in aqueous solution[J]. J Sol-Gel Sci Technol, 2011,59:7-18.

[26]Li X H, Xian Y, Min H, et al. Biosensor Based on TTF@ SiO2Nanoparticles as Electron Transfer Mediator for the Determination of Glucose [J]. Chem Res Chinese U, 2006, 22(4):474-478

[27]Yin W, Venkitachalam S M, Jarrett E, et al. Biocompatibility of surfactant-templated polyurea-nanoencapsulated macroporous silica aerogels with plasma platelets and endothelial cells[J]. J Biomed Mater Res A, 2010, 92(4):1431-1439.

[28]Michael R A, Arlon J H. Synthesis and properties of chitosan-silica hybrid aerogels[J]. J. Non-Cryst. Solids, 2001, 85: 123-127.

[29]Ge J, Li M, Zhang Q, et al. Silica Aerogel Improves the Biocompatibility in a Poly-Caprolactone Composite Used as a Tissue Engineering Scaffold[J]. Int J Polym Sci, 2013.

[30]Bernik DL. Silicon based materials for drug delivery devices and implants[J]. Recent Pat Nanotech, 2007(1):186-192.

Research Progress on Preparation, Property and Biomedical and Pharmaceutical Application of Silica Aerogel

LEIJin,SONGDan,WANGLi-hua

(Tianjin Vocational College of Bioengineering, Tianjin 300462, China)

The silica aerogel has special physicochemical property and biocompatibility which makes it to be one of important choices in the field of biomedicine and pharmaceutical basic research field. The preparation process with the mechanism and influence factors of silica aerogel were briefly introduced. The effect of silica aerogel microstructure on properties was investigated. The application and research progress of silica aerogel were reviewed from the aspects of drug delivery system, biocatalysts, biosensor, and so on. The applcation prospects of the silica aerogel on biomedicine and pharmaceutical were proposed.

silica aerogel; preparation; property; biomedicine and pharmaceutical; application

雷津(1965-)，女，副教授，主要从事化工原理、制药工程及药物化学等研究。

王利华(1960-)，男，副主任药剂师，主要从事化工制药等研究。

TQ127.2

A

1001-9677(2016)018-0027-04