CN102107131A - 生物基锆盐纳米颗粒材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种生物基锆盐纳米颗粒材料的制备方法。一元核苷酸锆纳米颗粒材料的制备方法是将一元核苷酸二钠溶解在十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）配制成的悬浮溶液，滴加入ZrCl₄，搅拌、离心后弃去上清液，经洗涤沉淀，干燥后即。卵磷脂锆纳米颗粒材料的制备方法是将卵磷脂分散悬浮于高纯水中配制成悬浮溶液后，滴加入ZrCl₄，搅拌、离心后弃去上清液，经洗涤沉淀，干燥后可得。本发明反应条件温和、步骤简便、快捷的技术的工艺步骤简单、且材料制备条件温和。

Description

生物基锆盐纳米颗粒材料的制备方法

技术领域

本发明属于材料科学领域，具体涉及一种生物基锆盐纳米颗粒的制备方法。

背景技术

在生物传感与印迹、复合催化剂、药物传递及缓释、纳米诊疗和蛋白组学等现代生物与医学技术中，无机杂化纳米功能材料如氧化锆、磷酸锆、磷酸氢锆以及磷脂锆等具有广泛的应用价值。锆盐纳米材料对蛋白质、核酸等生物组分显示了一定的兼容性、适应性；同时具有比表面积大、化学活泼性低、机械强度适中等优点。此外，通过与电离型（或疏水型）基团嫁接和配位，这些功能材料很容易进行表面改性，在实际的应用技术中展示较好的亲疏水、表面电荷等性能。

在现有的材料制备过程中，锆盐纳米粒子的合成选用非生物基配体，缺乏蛋白质组分的选择性识别因子。因此，在蛋白质工程技术的应用中，受分子大小、表面电荷和亲、疏水性等限制对材料表面有极高的性能要求。

核酸产品中丰富的生物碱构型（腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶）和长度不一的磷脂键（单核苷酸、二核苷酸和三核苷酸）为设计生物基锆盐纳米颗粒材料提供了广泛的配体类型。因此，在蛋白质（酶、生物医药）工程应用中，材料表面更加具有生物适应性。 卵磷脂为常见的一类生物材料，在蛋白质工程技术应用中具有广泛的应用价值。极性头构型具有多样性，同时非极性尾的碳链长短和饱和度均不同。利用不同卵磷脂产品（如大豆和蛋黄卵磷脂）能够构建丰富的脂质体颗粒（微包裹、微泡沫、微胶束和微晶），然而脂质体的分离和纯化技术一直困扰着研究人员。

现有的锆盐材料制备技术采用水热合成和模板反应法。以上方法具有以下的不足：首先水热法在高温高压条件下制得材料物质，成型条件受介质体系、温度和压力、升、降温速率等影响。材料尺度的均一性差、不易控制；模板反应技术是通过溶液相或固相在载体表面进行反应，材料形成后通过灼烧工艺除去载体材料，灼烧温度一般高达550 °C。由于无机锆盐中的生物基配体耐热性能差，其构型、结构完整性随温度条件发生变性、价键断裂等变化，因此通过传统的制备技术不能够合成这类生物基锆盐的材料。

 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种反应条件温和、步骤简便、快捷的生物基锆盐纳米颗粒材料的制备方法。

为解决上述问题，本发明采用的方案是：

（1）    一元核苷酸锆纳米颗粒材料的制备方法：将十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）溶于高纯水中配制成悬浮溶液，离心后弃去不溶物，得溶液A，将一元核苷酸二钠溶解在溶液A中得溶液B，在冰水浴下保存备用，按一元核苷酸二钠与ZrCl₄的物质的量之比为2:1，将ZrCl₄加入溶液B中，在4 °C条件下高速搅拌24小时，得到半透明悬浮溶液，离心后弃去上清液，再分别用水和乙醇洗涤沉淀，在4 oC下真空干燥3天得到一元核苷酸锆纳米颗粒材料。

（2）    卵磷脂锆纳米颗粒材料的制备方法：将卵磷脂分散悬浮于高纯水中配制成悬浮溶液，高速离心后，上清液在冰水浴条件下保存备用，按卵磷脂与ZrCl₄的物质的量之比为2:1，将ZrCl₄加入上述上清液中，在4 °C条件下高速搅拌24小时，得到半透明悬浮溶液，离心后弃去上清液，再分别用水和乙醇洗涤沉淀，在4 oC下真空干燥得到卵磷脂锆纳米颗粒材料。

生物组分如核苷酸、核酸、卵磷脂对锆离子（IV）有很强的配位能力，能够用于制备组成和性能稳定的功能材料。纳晶材料具有稳定的光吸收、导电特性，另外保持了配体结构的完整性。核苷酸和卵磷脂的生物组分为电负性表面特征，选择合适的阳离子表面活性剂可用于生物基锆盐纳米功能材料的制备。利用材料中配体对蛋白质组分的天然适应性和识别特性，生物基锆盐杂化新型材料在蛋白质工程技术中预计有更加广泛的应用前景。

   基于以上的分析和讨论，本发明设计和制备了一系列的单核苷酸和卵磷脂的无机锆盐纳米功能材料。通过溶液悬浮技术在温和反应条件下获得以上的功能材料。在核苷酸锆的纳米材料制备中，采用了十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）作为悬浮剂。由于卵磷脂为两性的表面活性剂，锆盐纳米材料的制备过程中无需要辅助悬浮剂。卵磷脂对锆离子进行杂化，可以制得结构、形态稳定的纳米颗粒材料；同时很好地保留了脂质体载体的特性。这类材料显示良好的分散特性，同时通过简单的分离、纯化技术得到纳米材料及其脂质体产品。

本发明利用表面活性剂溶液悬浮技术，成功应用于制备系列无机、有机杂化的新型锆盐功能纳米材料，其特点是：（1）技术的工艺步骤简单、且材料制备条件温和。（2）与现有非生物基配体锆盐纳米材料相比，结构多样化的一元核苷酸与锆离子形成了表面特性（氢键受、供体，立体选择性）丰富的功能纳米材料（结构示意图见图2，透射电镜图附图3），在蛋白质工程技术应用中有更好的适应性。（3）多种卵磷脂为合成不同疏水性表面的锆盐纳米材料提供了可行性，（结构示意图见图4，透射电镜图见图5），由于载体材料的机械强度提高，有利于分离和纯化与蛋白质形成的脂质体颗粒。

附图说明

图1为表面活性剂CTAB浓度与锆盐颗粒材料的粒径分布关系图。

图2为一元核苷酸锆纳米颗粒材料的结构示意图。

图3为一元核苷酸锆纳米颗粒材料的透射电镜图（悬浮剂浓度0.1%；(a) 腺苷一元磷酸锆、(b) 鸟苷一元磷酸锆、(c) 胞苷一元磷酸锆、和 (d) 尿苷一元磷酸锆。）。

图4为卵磷脂锆纳米颗粒材料的结构示意图。

图5为卵磷脂锆纳米颗粒材料的透射电镜图（(a) 大豆卵磷脂锆、和 (b) 蛋黄卵磷脂锆）。

具体实施方式透射电镜图。

实施例1-4为一元核苷酸锆纳米颗粒材料的制备方法，实施例5、6为卵磷脂锆纳米颗粒材料的制备方法。

实施例1

准确称量十六烷基三甲基溴化铵(CTAB) 0.0、0.03、0.06、0.1、0.3 和0.5 克溶于100毫升高纯水中，在4 °C条件下高速搅拌 (8000 r/min)，配成系列浓度（w/w，%）分别为 0.00、0.03、0.06、0.1、0.3和0.5%悬浮溶液。高速离心(12000 r/min) 20分钟后，弃去不溶物备用，得溶液A；

准确称量78.24毫克腺苷一元磷酸 (AMP)的二钠盐溶解在悬浮溶液A中得溶液B，在冰水浴下保存备用；按AMPNa₂与ZrCl₄的物质的量之比为2:1，缓慢、逐滴滴加氯化锆（ZrCl₄，23.30毫克）到溶液B中，控制滴加过程在10分钟内完成；在4 °C高速搅拌下反应24小时，形成半透明悬浮溶液；悬浮液经高速离心20分钟，弃去上清液；分别用水和乙醇洗涤沉淀3次，得到最终的纳米颗粒产物；在4 oC下真空干燥3天，称量计算产率，并观察产物粒径，CTAB浓度与锆盐颗粒材料的粒径分布关系图如图1所示。

产物腺苷一元磷酸锆

物质参数：结构式 Zr(AMP)₂，元素组成 C₂₀H₂₄N₁₀O₁₄P₂Zr₁，分子量 781.64，产率 65%，颜色 无色，元素分析 (%) C 26.10、H 3.44、N 6.78、λ_max 257 nm、RAIR (cm^-1)：υ_P-O-C 1014、υ_P=O 1132 和1163、υ_C-O-C 1330、β_-OH (戊糖环) 1420、υ_C=N 1604_w 和 υ1692 _vs，不溶于水、甲醇、乙醇、丙酮等极性溶剂，微溶于N, N-二甲基甲酰胺（DMF）和二甲基亚砜（DMSO）。

材料学参数（在0.1%CTAB悬浮剂中制备）：x-射线粉末衍射吸收峰5°（宽、强吸收），BET比表面及322m²/g，孔体积0.23cm³/g，孔径2.6-2.7nm，孔壁厚度2.0nm，粒径58.3 ± 6.8nm。

实施例2

准确称量十六烷基三甲基溴化铵(CTAB) 0.0、0.03、0.06、0.1、0.3 和0.5 克溶于100毫升高纯水中，在4 °C条件下高速搅拌 (8000 r/min)，配成系列浓度（w/w，%）分别为 0.00、0.03、0.06、0.1、0.3和0.5%悬浮溶液。高速离心(12000 r/min) 20分钟后，弃去不溶物备用，得溶液A；

准确称量81.44毫克鸟苷一元磷酸（GMP）的二钠盐溶解在悬浮溶液A中得溶液B，在冰水浴下保存备用；按GMPNa₂与ZrCl₄的物质的量之比为2:1，缓慢、逐滴滴加氯化锆（ZrCl₄，23.30毫克）到溶液B中，控制滴加过程在10分钟内完成；在4 °C高速搅拌下反应24小时，形成半透明悬浮溶液；悬浮液经高速离心20分钟，弃去上清液；分别用水和乙醇洗涤沉淀3次，得到最终的纳米颗粒产物；在4 oC下真空干燥3天，称量计算产率，并观察产物粒径。

产物鸟苷一元磷酸锆

物质参数：结构式 Zr(GMP)₂，元素组成 C₂₀H₂₄N₁₀O₁₆P₂Zr₁，分子量 813.64，产率 68%，颜色 无色；元素分析 (x-射线光电子能谱，%) C_1s 29.52、N_1s 17.21、O_1s 31.46、P_2p 7.61、Zr_3d 11.21；λ_max 252 nm，RAIR (cm^-1)：υ_P-O-C 1020、υ_P=O 1114 和1163、υ_C-O-C 1272、β_-OH (戊糖环) 1460、υ_C=N 1610_w 和 υ1639 _vs 和1692 _vs；不溶于水、甲醇、丙酮等极性溶剂，微溶于N, N-二甲基甲酰胺（DMF）。

材料学参数（在0.1%CTAB悬浮剂中制备）：x-射线粉末衍射吸收峰5°（宽、强吸收），BET比表面及318m²/g，孔体积0.22cm³/g，孔径2.6-2.7nm，孔壁厚度2.0nm，粒径60.8 ± 11.1nm。

实施例3

准确称量十六烷基三甲基溴化铵(CTAB) 0.0、0.03、0.06、0.1、0.3 和0.5 克溶于100毫升高纯水中，在4 °C条件下高速搅拌 (8000 r/min)，配成系列浓度（w/w，%）分别为 0.00、0.03、0.06、0.1、0.3和0.5%悬浮溶液。高速离心(12000 r/min) 20分钟后，弃去不溶物备用，得溶液A；

准确称量73.43毫克胞苷一元磷酸（CMP）的二钠盐溶解在悬浮溶液A中得溶液B，在冰水浴下保存备用；按CMPNa₂与ZrCl₄的物质的量之比为2:1，缓慢、逐滴滴加氯化锆（ZrCl₄，23.30毫克）到溶液B中，控制滴加过程在10分钟内完成；在4 °C高速搅拌下反应24小时，形成半透明悬浮溶液；悬浮液经高速离心20分钟，弃去上清液；分别用水和乙醇洗涤沉淀3次，得到最终的纳米颗粒产物；在4 oC下真空干燥3天，称量计算产率，并观察产物粒径。

产物胞苷一元磷酸锆

物质参数：结构式 Zr(CMP)₂，元素组成 C₁₈H₂₄N₆O₁₆P₂Zr₁，分子量 733.59，产率 73%，颜色 无色；元素分析 (x-射线光电子能谱，%) C_1s 29.47、N_1s 11.46、O_1s 34.90、P_2p 8.44、Zr_3d 12.43；λ_max 280 nm、ν_P-O-C 999 cm^-1、ν_P=O 1170 cm^-1、ν_C=N 1592 cm^-1、ν_C-N-H 1720 cm^-1；不溶于水等极性溶剂，微溶于N, N-二甲基甲酰胺（DMF）和二甲基亚砜（DMSO）。

材料学参数（在0.1%CTAB悬浮剂中制备）：x-射线粉末衍射吸收峰5°（宽、强吸收），BET比表面及314m²/g，孔体积0.24cm³/g，孔径2.6-2.7nm，孔壁厚度2.0nm，粒径54.1 ± 31.6nm。

实施例4

准确称量十六烷基三甲基溴化铵(CTAB) 0.0、0.03、0.06、0.1、0.3 和0.5 克溶于100毫升高纯水中，在4 °C条件下高速搅拌 (8000 r/min)，配成系列浓度（w/w，%）分别为 0.00、0.03、0.06、0.1、0.3和0.5%悬浮溶液。高速离心(12000 r/min) 20分钟后，弃去不溶物备用，得溶液A；

准确称量73.63毫克尿苷一元磷酸（UMP）的二钠盐溶解在悬浮溶液A中得溶液B，在冰水浴下保存备用；按UMPNa₂与ZrCl₄的物质的量之比为2:1，缓慢、逐滴滴加氯化锆（ZrCl₄，23.30毫克）到溶液B中，控制滴加过程在10分钟内完成；在4 °C高速搅拌下反应24小时，形成半透明悬浮溶液；悬浮液经高速离心20分钟，弃去上清液；分别用水和乙醇洗涤沉淀3次，得到最终的纳米颗粒产物；在4 oC下真空干燥3天，称量计算产率，并观察产物粒径。

产物尿苷一元磷酸锆

物质参数：结构式 Zr(UMP)₂，元素组成 C₁₈H₂₂N₄O₁₈P₂Zr₁，分子量 735.56，产率 76%，颜色 无色；元素分析 (x-射线光电子能谱，%) C_1s 29.39、N_1s 7.62、O_1s 39.15、P_2p 8.42、Zr_3d 12.40；λ_max 265 nm，RAIR (cm^-1)：υ_P-O-C 1022、υ_P=O 1113 和1163、β_-OH (戊糖环) 1480、υ_C=N 1592_w 和 υ1705 _vs；微溶于N, N-二甲基甲酰胺（DMF）和二甲基亚砜（DMSO）。

材料学参数（在0.1%CTAB悬浮剂中制备）：x-射线粉末衍射吸收峰5°（宽、强吸收），BET比表面及312m²/g，孔体积0.21cm³/g，孔径2.6-2.7nm，孔壁厚度2.0nm，粒径63.9 ± 10.2nm，等电点 （IEP）3.0。

实施例5

准确称量62.85毫克蛋黄卵磷脂（EPC），分散悬浮在100毫升高纯水中，在4 °C条件下高速搅拌 (8000 r/min)，配成悬浮溶液。高速离心(12000 r/min) 20分钟后，上清液在冰水浴条件下保存备用；逐滴滴加23.30毫克ZrCl₄（EPC与ZrCl₄的物质的量之比为2:1）水溶液（100毫升）到上清液中，控制速率使滴入过程在10分钟内完成；在4 °C条件下高速搅拌24小时，得到半透明悬浮溶液；高速离心20分钟后弃去离心液；分别用水和乙醇洗涤沉淀3次；在4 oC下真空干燥，称量计算产率。

产物大豆卵磷脂锆

物质参数：结构式 Zr(SPC)₂Cl₄，元素组成 C₈₈H₁₇₂N₂O₁₆Cl₄P₂Zr₁，分子量 1809.32，产率 38%，颜色 无色或浅黄色；元素分析 (x-射线光电子能谱，%) C_1s 58.42、N_1s 1.55、O_1s 14.15、P_2p 3.42、Cl_2s 7.84、Zr_3d 5.04；λ_max 220 nm，ν_P-O-C 1016 cm^-1、ν_P=O 1166 cm^-1、ν_C-N-H 1716 cm^-1；不溶于水等极性溶剂，微溶于N, N-二甲基甲酰胺（DMF）和二甲基亚砜（DMSO），在氯仿中溶解度较大（0.15mg/ml）。

材料学参数：粒径6 ±1.2nm。

实施例6

准确称量157.63毫克大豆卵磷脂（SPC），分散悬浮在高纯水中，在4 °C条件下高速搅拌 (8000 r/min)，配成悬浮溶液。高速离心(12000 r/min) 20分钟后，上清液在冰水浴条件下保存备用；逐滴滴加23.30毫克ZrCl₄（SPC与ZrCl₄的物质的量之比为2:1）水溶液（100毫升）到上清液中，控制速率使滴入过程在10分钟内完成；在4 °C条件下高速搅拌24小时，得到半透明悬浮溶液；高速离心20分钟后弃去离心液；分别用水和乙醇洗涤沉淀3次；在4 oC下真空干燥，称量计算产率。

产物蛋黄卵磷脂锆

物质参数：结构式 Zr(EPC)₂Cl₄，元素组成C₂₀H₄₂N₂O₁₆Cl₄P₂Zr₁，分子量 861.54，产率 53%，颜色 无色或浅黄色；元素分析 (x-射线光电子能谱，%) C_1s 27.88、N_1s 3.25、O_1s 29.71、P_2p 7.19、Cl_2s 16.46、Zr_3d 10.59；λ_max 222 nm，ν_P-O-C 1006 cm^-1、ν_P=O 1168 cm^-1、ν_C-N-H 1710 cm^-1；不溶于极性溶剂，微溶于N, N-二甲基甲酰胺（DMF）和二甲基亚砜（DMSO）在氯仿中溶解度为0.08mg/ml。

材料学参数：粒径8 ±1.8nm

Claims (4)

1.一种生物基锆盐纳米颗粒材料的制备方法，其特征在于：将十六烷基三甲基溴化铵溶于高纯水中配制成悬浮溶液，离心后弃去不溶物，得溶液A，将一元核苷酸二钠溶解在溶液A中得溶液B，在冰水浴下保存备用，按一元核苷酸二钠与ZrCl₄的物质的量之比为2:1，将ZrCl₄加入溶液B中，在4 °C条件下高速搅拌24小时，得到半透明悬浮溶液，离心后弃去上清液，再分别用水和乙醇洗涤沉淀，在4 oC下真空干燥3天得到一元核苷酸锆纳米颗粒材料。

2.根据权利要求1所述的生物基锆盐纳米颗粒材料的制备方法，其特征在于：所述的一元核苷酸材料为腺苷一元磷酸 、鸟苷一元磷酸、胞苷一元磷酸或尿苷一元磷酸的二钠盐。

3.一种生物基锆盐纳米颗粒材料的制备方法，其特征在于：将卵磷脂分散于高纯水中配制成悬浮溶液，高速离心后，上清液在冰水浴条件下保存备用，按卵磷脂与ZrCl₄的物质的量之比为2:1，将ZrCl₄加入上述的上清液中，在4 °C条件下高速搅拌24小时，得到半透明悬浮溶液，离心后弃去上清液，再分别用水和乙醇洗涤沉淀，在4 oC下真空干燥得到卵磷脂锆纳米颗粒材料。

4.根据权利要求3所述的生物基锆盐纳米颗粒材料的制备方法，其特征在于：所述的卵磷脂为蛋黄卵磷脂或大豆卵磷脂。

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