CN101121519A - 具有内核的中空二氧化硅亚微米球及其制备方法和用途 - Google Patents

Abstract

本发明属于纳米材料技术领域，特别涉及具有内核的中空二氧化硅亚微米球及其制备方法和用途。在醇体系中，氨水催化下硅酸酯和硅烷偶联剂共同水解得到杂化二氧化硅亚微米球；用氢氟酸水溶液处理该杂化二氧化硅亚微米球的溶胶，得到具有内核的中空二氧化硅亚微米球。该球形亚微米球粒径在100～1000nm之间，壳厚度在20～200nm之间，在中空腔内有一粒径为50～600nm的可移动的球形二氧化硅内核；该亚微米球具有平均孔径为3～10nm的介孔结构，比表面积为140～500m²/g。能够作为治疗性药物的缓释载体；及用于构建光子晶体，作为化学反应微反应器，储能材料、催化剂载体材料等。本发明的方法过程简单，生产周期短。

Description

具有内核的中空二氧化硅亚微米球及其制备方法和用途

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，特别涉及具有内核的中空二氧化硅亚微米球及其制备方法和用途。

背景技术

近年来，1～1000纳米的中空纳微米球受到广泛关注。这种中空材料具有一般纳微米材料不具备的性能，如高比表面积、低密度、中空结构等，因而有许多新的用途，可广泛应用于催化、光学器件、生物医药和医学等领域。其中，中空二氧化硅已成功应用于作为药物缓释的载体，化学反应的微反应器，储能载体材料，催化剂载体材料，电子纸用轻质复合载体材料等。

相对于一般纳微米球的制备而言，中空纳微米球的制备难度较大，很难用一般的合成技术直接得到。目前，已报道的制备中空纳微米球的方法主要有：自组装技术，模板技术，喷嘴反应器技术，乳液/相分离技术等。这些方法中，有些方法如模板法、自组装法需要使用一种球形模板，通过层层包覆或凝胶-溶胶的方法，在模板上包覆二氧化硅层，再通过煅烧或溶剂溶解的方法去除模板，得到中空二氧化硅。这种方法理论上简单直观，但是操作中有很大的局限性。比如壳层的厚度及均一度控制较难，模板的去除可能导致壳层的结构破坏，且工艺过程繁琐，耗时长。[F Caruso，RA Caruso，H Mohwald.Science，1998，282，1111]喷嘴反应器方法制备的中空纳米材料过程简单，具有普适性，但是需要一种专门设计的含有喷嘴雾化器高温炉的装置，其造价非常昂贵，且难以做到均匀[G L Messing，S C Zhang，G V Jayanthi.J.Am.Chem.Soc.，1993，76，2707]。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种具有内核的中空二氧化硅亚微米球，该亚微米球的粒径分布窄(单分散度＜3％)，外壳厚度和内核大小均匀，粒径、内核大小和外壳厚度均可按需求尺寸较好控制。另外，该亚微米球具有介孔结构。

本发明的另一目的在于提供一种具有内核的中空二氧化硅亚微米球的制备方法，该方法不需要模板，不需要特殊设备，操作简单，成本低，制备过程温和，生产周期短。

本发明的再一目的在于提供具有内核的中空二氧化硅亚微米球作为药物缓释载体方面的用途；以及所述具有内核的中空二氧化硅亚微米球可用于构建光子晶体，作为化学反应的微反应器，储能、催化剂载体等方面。由于中空二氧化硅中内核的存在，应用于作为药物缓释的载体，化学反应的微反应器，储能载体材料，催化剂载体材料时，可以更好的抓住或者控制装入的药物、催化剂等材料，由于中空，可以控制材料的密度，可以做成轻质球，作为电子纸用轻质复合载体材料。

本发明的目的是通过下面技术方案实现的：

采用凝胶-溶胶法，在醇体系中，氨水催化下，使用硅酸酯和硅烷偶联剂共同水解得到杂化二氧化硅亚微米球；该杂化二氧化硅亚微米球的溶胶用氢氟酸处理即得到具有内核的中空二氧化硅亚微米球。通过改变氨水催化剂，硅酸酯，硅烷偶联剂的量，可较好控制所得杂化二氧化硅亚微米球的粒径，并最终控制具有内核中空二氧化硅亚微米球的粒径，内核大小和外壳尺寸。

本发明的具有内核的中空二氧化硅亚微米球为球形，该亚微米球粒径均一，其粒径范围在100～1000nm之间，在亚微米球的中空腔内有一粒径可为50～600nm之间的大小均匀的可移动的球形二氧化硅内核，该亚微米球的外壳厚度可在20～200nm之间，厚度均匀。由氮气吸附分析该亚微米球具有介孔结构，介孔的平均孔径为3～10nm，该亚微米球的比表面积为140～500m²/g；由粒度仪测得该亚微米球的粒径分布窄，其单分散度＜3％。

本发明的具有内核的中空二氧化硅亚微米球的制备方法包括以下步骤：

(1)用有机溶剂配制氨水混合溶液，再分别配制硅酸酯和硅烷偶联剂的醇溶液，其中，氨水的摩尔浓度为0.05～10mol/L，硅酸酯的摩尔浓度为0.02～2mol/L，硅烷偶联剂的摩尔浓度为1×10^-4～2×10^-2mol/L；

(2)以氨水溶液、硅酸酯醇溶液或硅烷偶联剂醇溶液任意一溶液的体积份数为标准。以步骤(1)配制的氨水混合溶液100～200体积份数、硅酸酯醇溶液20～40体积份数和硅烷偶联剂醇溶液5～20体积份数计，将1/8～1/2体积份数的硅酸酯醇溶液加入到氨水混合溶液中，进行水解反应1～30分钟，得到球形二氧化硅内核；将硅烷偶联剂醇溶液和硅酸酯醇溶液双注加入到上述含有球形二氧化硅内核的混合反应溶液中，在球形二氧化硅内核上继续反应生成有机无机杂化二氧化硅中间层，直至将全部硅酸酯醇溶液滴加到反应混合溶液中，保持温度20～40度，水解反应3～48小时，得到含有球形二氧化硅内核、有机无机杂化二氧化硅中间层和二氧化硅外壳的杂化二氧化硅亚微米球的溶胶；

(3)将氢氟酸水溶液加入到步骤(2)得到的质量百分比浓度为0.5～20％的杂化二氧化硅亚微米球的溶胶中，氢氟酸摩尔浓度为1×10^-3～5×10^-1mol/L，搅拌反应1～30分钟，腐蚀掉有机无机杂化二氧化硅中间层，离心分离，所得沉淀真空干燥后，即得到具有内核的中空二氧化硅亚微米球。

所述的醇溶液中的醇是甲醇、乙醇、正丙醇等或它们的任意混合物。

所述的有机溶剂为甲醇、乙醇、正丙醇、丙酮、乙腈等或它们的任意混合物。

所述的硅酸酯分子式是Si(OR)₄，其中R为-C_nH_2n+1，n＝1～5。优选是正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、正硅酸丙酯、正硅酸丁酯或它们的任意混合物。

所述的硅烷偶联剂分子式是Y(CH₂)nSiX₃，其中Y是苯基、乙烯基、环氧基、氨基或巯基有机官能团；X是甲氧基、乙氧基、乙酰氧基或卤素等；n＝1～6。优选是三甲氧硅丙基乙二胺、γ-氨基丙基三甲氧基硅烷、γ-氨基丙基三乙氧基硅烷、苯胺甲基三乙氧基硅烷、β-(3，4-环氧环己基)乙基三甲氧基硅烷、γ-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、γ-巯基丙基三甲氧基硅烷、γ-巯基丙基三乙氧基硅烷或它们的任意混合物。

本发明中，在先滴加硅酸酯醇溶液到氨水混合溶液中水解生成球形二氧化硅内核后，再双注滴加硅烷偶联剂醇溶液和硅酸酯醇溶液到反应混合溶液中共同水解在二氧化硅内核上生成有机无机杂化二氧化硅中间层，继续将硅酸酯醇溶液滴加到反应混合溶液中水解生成二氧化硅外壳层。往该杂化二氧化硅亚微米球的溶胶中滴加一定量的氢氟酸，由于该杂化二氧化硅亚微米球的中间层是由硅烷偶联剂和硅酸酯共水解生成的有机无机杂化二氧化硅骨架结构，其结构较为松散，氢氟酸有选择的最先腐蚀该中间杂化层，即加入的氢氟酸腐蚀只腐蚀掉中间杂化层，得到具有内核的中空二氧化硅亚微米球。该具有内核的中空二氧化硅亚微米球表现出良好的单分散性，其单分散度＜3％。

本发明的具有内核的中空二氧化硅亚微米球能够作为治疗性药物的缓释载体，具有较好的药物缓释效果。采用浸泡扩散的方法使药物负载到中空二氧化硅外壳与内核之间的空腔，需要时药物通过外壳介孔释放到环境中。本发明的具有内核的中空二氧化硅亚微米球的载药量达亚微米球质量的20～30％，药物缓释可达数天。所述的治疗性药物可为头孢拉定，阿霉素，布洛芬，紫杉醇，多烯紫杉醇等。

本发明的具有内核的中空二氧化硅亚微米球在构建光子晶体，作为化学反应的微反应器，储能材料、催化剂载体等方面也具有广阔应用前景。

本发明的方法得到的具有内核的中空二氧化硅亚微米球如附图1所示。本发明方法操作简单，成本低，生产周期短，易于推广。本发明的方法与常规模板法制备中空二氧化硅亚微球相比显著不同的是，通过本发明制备的具有内核的中空二氧化硅亚微米球具有可移动内核，外形规整，具有介孔结构，制备不需要任何模板，不用大型仪器，因而制备成本低，适合大规模生产。

附图说明

图1.本发明实施例1所得的具有内核的中空二氧化硅亚微米球的透射电子显微镜照片。

图2.本发明实施例5头孢拉定药物控制释放曲线。

具体实施方式

实施例1：

第一步：采用溶胶-凝胶法制备杂化二氧化硅亚微米球。

分别配制氨水，正硅酸乙酯和三甲氧硅丙基乙二胺的乙醇溶液100体积份，20体积份和5体积份；氨水、正硅酸乙酯和三甲氧硅丙基乙二胺的摩尔浓度分别为0.05mol/L、0.5mol/L和7×10^-4mol/L。

将5体积份正硅酸乙酯乙醇溶液逐滴滴加到磁力搅拌的氨水乙醇混合溶液中，进行水解反应10分钟，得到球形二氧化硅内核后，将上述三甲氧硅丙基乙二胺乙醇溶液和正硅酸乙酯乙醇溶液双注加入到上述反应混合溶液中，在球形二氧化硅内核上继续反应生成有机无机杂化二氧化硅中间层，直至将全部硅酸酯醇溶液滴加到反应混合溶液中，水解生成二氧化硅外壳层；保持温度30度，水解反应3小时，即得到粒径为260nm的含有球形二氧化硅内核、有机无机杂化二氧化硅中间层和二氧化硅外壳的杂化二氧化硅亚微米球的溶胶。

第二步：制备具有内核的中空二氧化硅中空亚微米球

往质量百分比浓度为10％的上述杂化二氧化硅亚微米球的溶胶中逐滴滴加氢氟酸水溶液，氢氟酸摩尔浓度为1×10^-2mol/L，搅拌反应10分钟，腐蚀掉有机无机杂化二氧化硅中间层，离心分离，所得沉淀真空干燥后，即得到具有内核的中空二氧化硅亚微米球。

所得到的具有内核的中空二氧化硅亚微米球的透射电镜照片如图1所示。由图1可见所制备的具有内核的中空二氧化硅亚微米球的粒径均匀，单分散度＜3％，粒径为260nm，内核大小为110nm，外壳厚度为50nm。所制备的具内核中空二氧化硅具有介孔结构和较高的氮气吸附量，介孔平均孔径为7.33nm，比表面积为149.70m²/g。

该具有内核的中空二氧化硅亚微米球可用于药物缓释及作为储能材料。

实施例2：

第一步：采用溶胶-凝胶法制备杂化二氧化硅亚微米球。

用甲醇和乙腈的混合溶剂配制氨水混合溶液160体积份，分别配制正硅酸甲酯和三甲氧硅丙基乙二胺的甲醇溶液30体积份和10体积份；氨水、正硅酸甲酯和三甲氧硅丙基乙二胺的摩尔浓度分别为1.5mol/L、0.02mol/L和1×10^-3mol/L。

将15体积份的正硅酸甲酯甲醇溶液逐滴滴加到磁力搅拌的氨水、甲醇和乙腈的混合溶液中，进行水解反应5分钟，得到球形二氧化硅内核；随后，将上述三甲氧硅丙基乙二胺甲醇溶液和正硅酸甲酯甲醇溶液双注加入到上述反应混合溶液中，在球形二氧化硅内核上继续反应生成有机无机杂化二氧化硅中间层，将全部硅酸酯醇溶液滴加到反应混合溶液中，保持温度30度，水解反应12小时，即得到粒径为180nm的含有球形二氧化硅内核、有机无机杂化二氧化硅中间层和二氧化硅外壳的杂化二氧化硅亚微米球的溶胶。

第二步：制备具内核中空二氧化硅中空亚微米球

往质量百分比浓度为20％的上述杂化二氧化硅亚微米球的溶胶中逐滴滴加氢氟酸水溶液，氢氟酸摩尔浓度为3×10^-2mol/L，搅拌反应5分钟，腐蚀掉有机无机杂化二氧化硅中间层，离心分离，所得沉淀真空干燥后，即得到具内核中空二氧化硅亚微米球。

所得到的具有内核的中空二氧化硅亚微米球的粒径均匀，单分散度＜3％，粒径为180nm，内核大小为60nm，外壳厚度为20nm；介孔的平均孔径为4nm，比表面积为400m²/g。

该具有内核的中空二氧化硅亚微米球可用于构建光子晶体。

实施例3

第一步：采用溶胶-凝胶法制备杂化二氧化硅亚微米球。

用丙酮和丙醇的混合溶液配制氨水混合溶液200体积份，配制正硅酸乙酯和正硅酸丙酯的丙醇混合溶液40体积份和γ-氨基丙基三甲氧基硅烷的丙醇溶液20体积份；氨水、正硅酸乙酯和正硅酸丙酯、γ-氨基丙基三甲氧基硅烷的摩尔浓度分别为6.5mol/L、1.5mol/L和1.5×10^-3mol/L。

将18体积份的正硅酸乙酯和正硅酸丙酯的丙醇混合溶液逐滴滴加到磁力搅拌的氨水、丙酮和丙醇的混合溶液中，进行水解反应25分钟，得到球形二氧化硅内核后，将上述γ-氨基丙基三甲氧基硅烷丙醇溶液和正硅酸乙酯和正硅酸丙酯的丙醇混合溶液双注加入到反应混合溶液中，在球形二氧化硅内核上继续反应生成有机无机杂化二氧化硅中间层，将全部硅酸酯醇溶液滴加到反应混合溶液中，保持温度30度，反应36小时，即得到粒径为940nm的含有球形二氧化硅内核、有机无机杂化二氧化硅中间层和二氧化硅外壳的杂化二氧化硅亚微米球的溶胶。

第二步：制备具有内核的中空二氧化硅中空亚微米球

往质量百分比浓度为5％的上述杂化二氧化硅亚微米球的溶胶中逐滴滴加氢氟酸水溶液，氢氟酸摩尔浓度为2×10^-1mol/L，搅拌反应20分钟，腐蚀掉有机无机杂化二氧化硅中间层，离心分离，所得沉淀真空干燥后，即得到具有内核的中空二氧化硅亚微米球。

所得到的具有内核的中空二氧化硅亚微米球的粒径均匀，单分散度＜3％，粒径为940nm，内核大小为530nm，外壳厚度为80nm；介孔的平均孔径为10nm，比表面积为300m²/g。

该具有内核的中空二氧化硅亚微米球可用于作为化学反应的微反应器。

实施例4

第一步：采用溶胶-凝胶法制备杂化二氧化硅亚微米球。

用乙醇和乙腈的混合溶液配制氨水混合溶液150体积份，配制正硅酸乙酯和正硅酸甲酯的乙醇混合溶液30体积份和γ-氨基丙基三甲氧基硅烷和γ-巯基丙基三乙氧基硅烷的乙醇溶液13体积份；氨水、正硅酸乙酯和正硅酸丙酯、γ-氨基丙基三甲氧基硅烷和γ-巯基丙基三乙氧基硅烷的摩尔浓度分别为6.5mol/L、1.5mol/L和1.5×10^-3mol/L。

将10体积份的正硅酸乙酯和正硅酸丙酯的丙醇混合溶液逐滴滴加到磁力搅拌的氨水、乙醇和乙腈的混合溶液中，进行水解反应25分钟，得到球形二氧化硅内核后，将上述γ-氨基丙基三甲氧基硅烷和γ-巯基丙基三乙氧基硅烷乙醇溶液和正硅酸乙酯和正硅酸丙酯的乙醇混合溶液双注加入到反应混合溶液中，在球形二氧化硅内核上继续反应生成有机无机杂化二氧化硅中间层，将全部硅酸酯醇溶液滴加到反应混合溶液中，保持温度30度，反应36小时，即得到粒径为540nm的含有球形二氧化硅内核、有机无机杂化二氧化硅中间层和二氧化硅外壳的杂化二氧化硅亚微米球的溶胶。

第二步：制备具有内核的中空二氧化硅中空亚微米球

往质量百分比浓度为5％的上述杂化二氧化硅亚微米球的溶胶中逐滴滴加氢氟酸水溶液，氢氟酸摩尔浓度为5×10^-1mol/L，搅拌反应20分钟，腐蚀掉有机无机杂化二氧化硅中间层，离心分离，所得沉淀真空干燥后，即得到具有内核的中空二氧化硅亚微米球。

所得到的具有内核的中空二氧化硅亚微米球的粒径均匀，单分散度＜3％，粒径为540nm，内核大小为130nm，外壳厚度为80nm；介孔的平均孔径为10nm，比表面积为300m²/g。

该具有内核的中空二氧化硅亚微米球可用于作为化学反应的微反应器。

实施例5：

称取实施例1的具有内核的中空二氧化硅亚微米球20mg，浸泡在质量浓度为1％的头孢拉定水溶液中数天。

将该具有内核的中空二氧化硅亚微米球离心，水洗。60℃真空干燥，得到载药具有内核的中空二氧化硅亚微米球干粉。

将此载药后具有内核的中空二氧化硅亚微米球干粉置于孔径为10,000Da的透析带中，透析带中装有1ml中性磷酸缓冲液，两端封口后浸泡在同种中性磷酸缓冲液中，室温搅拌。每隔一段时间取2ml透析带外缓冲液用紫外可见分光光度计测定261nm处紫外吸收值。根据中性pH条件下头孢拉定校正曲线C(ug/ml)＝(A+0.10819)/0.01944计算一定时间下药物从该具有内核的中空二氧化硅亚微米球中的释放速度与释放量。

所得到的头孢拉定药物累计释放曲线如图2所示。由图2可见，头孢拉定在80小时内有连续的药物释放能力。由校正曲线计算得到该具有内核的中空二氧化硅的载药量为20％(质量比)。

Claims (10)

1.一种具有内核的中空二氧化硅亚微米球，其特征是：该球形亚微米球粒径在100～1000nm之间，在亚微米球的中空腔内有一粒径为50～600nm的可移动的球形二氧化硅内核，该亚微米球的外壳厚度在20～200nm之间；该亚微米球具有介孔结构，介孔的平均孔径为3～10nm，该亚微米球的比表面积为140～500m²/g。

2.根据权利要求1所述的具有内核的中空二氧化硅亚微米球，其特征是：所述的亚微米球的单分散度＜3％。

3.一种根据权利要求1～2任一项所述的具有内核的中空二氧化硅亚微米球的制备方法，其特征是，该方法包括以下步骤：

(1)用有机溶剂配制氨水混合溶液，再分别配制硅酸酯和硅烷偶联剂的醇溶液，其中，氨水的摩尔浓度为0.05～10mol/L，硅酸酯的摩尔浓度为0.02～2mol/L，硅烷偶联剂的摩尔浓度为1×10^-4～2×10^-2mol/L；

(2)以步骤(1)配制的氨水混合溶液100～200体积份数、硅酸酯醇溶液20～40体积份数和硅烷偶联剂醇溶液5～20体积份数计，将1/8～1/2体积份数的硅酸酯醇溶液加入到氨水混合溶液中，进行水解反应，得到球形二氧化硅内核；将硅烷偶联剂醇溶液和硅酸酯醇溶液双注加入到上述含有球形二氧化硅内核的混合反应溶液中，在球形二氧化硅内核上继续反应生成有机无机杂化二氧化硅中间层，保持温度20～40度，水解反应，得到含有球形二氧化硅内核、有机无机杂化二氧化硅中间层和二氧化硅外壳的杂化二氧化硅亚微米球的溶胶；

(3)将氢氟酸水溶液加入到步骤(2)得到的杂化二氧化硅亚微米球的溶胶中，氢氟酸摩尔浓度为1×10^-3～5×10^-1mol/L，搅拌反应，腐蚀掉有机无机杂化二氧化硅中间层，离心分离，所得沉淀真空干燥后，即得到具有内核的中空二氧化硅亚微米球。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征是：所述的醇溶液中的醇是甲醇、乙醇、正丙醇或它们的任意混合物；

所述的有机溶剂为甲醇、乙醇、正丙醇、丙酮、乙腈或它们的任意混合物。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征是：所述的硅酸酯分子式是Si(OR)₄，其中R为-C_nH_2n+1，n＝1～5；

所述的硅烷偶联剂分子式是Y(CH₂)nSiX₃，其中Y是苯基、乙烯基、环氧基、氨基或巯基有机官能团；X是甲氧基、乙氧基、乙酰氧基或卤素；n＝1～6。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征是：所述的硅酸酯是正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、正硅酸丙酯、正硅酸丁酯或它们的任意混合物。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征是：所述的硅烷偶联剂是三甲氧硅丙基乙二胺、γ-氨基丙基三甲氧基硅烷、γ-氨基丙基三乙氧基硅烷、苯胺甲基三乙氧基硅烷、β-(3，4-环氧环己基)乙基三甲氧基硅烷、γ-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、γ-巯基丙基三甲氧基硅烷、γ-巯基丙基三乙氧基硅烷或它们的任意混合物。

8.根据权利要求3所述的方法，其特征是：所述的将氢氟酸水溶液加入到步骤(2)得到的杂化二氧化硅亚微米球的溶胶中，其杂化二氧化硅亚微米球的溶胶的质量百分比浓度为0.5～20％。

9.一种根据权利要求1～2任一项所述的具有内核的中空二氧化硅亚微米球的用途，其特征是：所述的具有内核的中空二氧化硅亚微米球能够作为治疗性药物的缓释载体；及用于构建光子晶体，作为化学反应微反应器，储能载体材料，催化剂载体材料，电子纸用轻质复合载体材料。

10.根据权利要求9所述的用途，其特征是：所述的治疗性药物是头孢拉定，阿霉素，布洛芬，紫杉醇或多烯紫杉醇。

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