CN102151547A - 一种利用介孔材料控制吸储释放客体分子的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用介孔材料控制吸储释放客体分子的方法，该方法包括以下步骤：(1)制备介孔材料，保留介孔材料合成原粉中的模板剂胶束；(2)将步骤(1)制得的介孔材料在高温下吸附客体分子后，室温储存；(3)使用时升高温度，介孔材料释放客体分子。本发明通过温度控制调变胶束的柔软性来开关纳米空间以吸附和释放客体分子，实现特定温度控制下的储存和释放；本发明减少焙烧去除模板剂的步骤，减少对环境的污染，降低了成本；本发明可用于客体分子携带、药物给药、微观环境改善等复杂体系；本发明采用MCM-48介孔分子筛合成原粉353K吸附NO后在模拟胃液的酸性溶液中最多能够释放出38.13μmol·g-1的NO。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种介孔材料，尤其涉及的是一种利用介孔材料控制吸储释放客体分子的方法。
背景技术
有序介孔材料是以表面活性剂形成的超分子结构为模板，利用溶胶-凝胶、乳化或微乳等物理化学过程，通过有机物和无机物之间的界面定向导引作用组装形成的一类孔径在约1.5nm至约30nm之间、分布窄并且具有规则孔道结构的无机多孔材料。在材料制备的水热合成过程中，有机模板剂的疏水基团受水分子排斥而聚集形成“胶核”，相应的亲水基团则排列在外表以组成胶束来导向形成介孔结构。通常需要通过焙烧或溶剂抽提过程去除合成原粉材料中的表面活性剂以得到介孔分子筛。这不仅消耗能源、增加了污染因素，也提高了产品的成本，因此亟需新技术利用这些组装在孔道里的模板剂胶束。
利用介孔分子筛原粉中的胶束作为载体涂布-分散活性组分的方法已有记载。原粉样品里孔道中胶束的存在是个独特的资源，胶束本身以及胶束与硅壁之间的细微缝隙能够促成金属盐在熔融状态下通过毛细浸润等途径被高分散，焙烧后转换成氧化物纳米粒子并在吸附/催化过程里发挥出优良的性能；介孔材料原粉中孔道里的胶束还可以被利用来作为支撑体分散、涂布有机胺，形成“管中织网”复合吸附材料，制备得到高效吸附二氧化碳的有机胺-介孔复合材料。以往，在这些高分散主客体新材料的制备中，模板剂胶束最终都必须除去或作为基底固载吸附活性物质，本身对吸附和固载的客体分子并无“开关”制约效应。
以两个具有代表性的客体分子一氧化氮(NO)和薄荷醇做简单说明：薄荷醇(5-甲基-2-异丙基-环己醇)，俗称薄荷脑，有4对旋光异构体，其中左旋(L)-薄荷醇具有薄荷香气并有清凉的作用，可以用作烟草香料、牙膏、香水、饮料和糖果等的赋香剂。卷烟中添加薄荷醇可以产生清凉感觉，降低吸食者对卷烟刺激气味的感觉，还能刺激中枢神经系统，并使呼吸感到通畅。通常，卷烟通过将薄荷醇的酒精溶液直接喷加于烟丝、加在滤嘴中和加在包装材料中等三种方式来添加薄荷醇。但是，薄荷醇易于挥发，实际清凉效果由此受到影响。
一氧化氮(NO)在较低浓度时对于生命体是必须的，能够调节生命体中多种至关重要的机能。NO分子能够轻松地穿过细胞膜，在心脏系统、神经系统以及免疫系统中调节血管舒张、血压、神经传递、抑制血小板聚集黏附于内皮细胞和松弛平滑肌细胞等方面具有独特的作用，能够在人体内部充当信号分子。体内NO缺乏会导致一系列疾病如高血压、动脉硬化、冠心病以及动脉血栓等发生。此外，NO分子还具有明显的杀菌作用，能够治疗胃部及十二指肠溃疡，且杀菌性能与靶标位置处NO释放量直接相关。最近，将携带有外源性NO的物质引入到人体中，用以治疗缺乏NO而引起的疾病成为一种新的技术需求。传统携带NO物质在吸附NO之前需要预先活化以排除水分子干扰、而且需要存储在严格无水条件下，严重地影响其实际应用。
发明内容
发明目的：本发明提供了一种利用介孔材料控制吸储释放客体分子的方法，通过介孔材料中的模板剂胶束的温度开关效应实现对客体分子吸储-释放的控制。
技术方案：本发明包括以下步骤：(1)制备介孔材料，保留介孔材料合成原粉中的模板剂胶束；
(2)将步骤(1)制得的介孔材料在高温下吸附客体分子后，室温储存；
(3)使用时升高温度，介孔材料释放客体分子。
申请人在研究中发现，介孔分子筛原粉材料中的胶束具有温控开关效应：在较高温度下这些胶束是柔软的并允许客体分子穿越通过进入内部，犹如“开门”，但是当降到常温或者常温以下，这些胶束丧失柔性变得僵直而不让客体分子通过，犹如“关门”。虽然从原理上讲，环境的pH值、温度、光强度和湿度等均可以作为外部刺激源触发载体材料将所携带的客体分子释放出来。但是温度开关作为简单易行的方式具有巨大的应用前景，它的原理在于原粉里的胶束其柔软性受温度控制，形成可关启的门户。一般来说，只要能够被介孔分子筛合成原粉所吸附的客体分子，都有可能被温控缓释。
所述介孔材料是具有六方相(p6mm)或立方相(Ia3d)结构的硅基介孔分子筛，所述模板剂胶束在介孔材料的孔道内丝状分布，模板剂胶束和硅壁之间存在亚纳米间隙。本发明中介孔分子筛在合成原粉时，全部保留着模板剂胶束，在高温时胶束呈现柔性，允许客体分子穿越进入内部而被吸附固定，高温吸附时客体分子易于被吸附分散在胶束纳米空间内，常温时胶束的刚直性不允许客体分子脱附，形成便于常温下储存运输客体分子的功能材料，工作温度时客体分子则能够被大量释放，并通过升高温度的控制实现可控的缓释所携带的客体分子，可以将客体分子在一定条件下储存释放，运输至指定位置处。
所述模板剂为表面活性剂，选自十六烷基三甲基溴化铵和十六烷基氯化吡啶中的一种。
在实际使用时，在吸附过程中通过提高吸附温度调变胶束纳米空间大小，携载更多的客体分子。原粉材料在较高温度(如353K、373K等)吸附客体分子后在室温下敞口储存，因温度较低使得胶束失去柔性而锁住纳米空间，不让客体分子脱附逃逸。只有在重新达到较高温度而胶束变得柔软时，客体分子才会被从原粉材料中释放。在给药系统或烟草添加剂等应用方面，原粉在较高温度吸附指定化合物，室温储存，在使用温度(310K左右)时缓释放出。
有益效果：本发明相比现有技术具有以下优点，本发明通过温度控制调变胶束的柔软性来开关纳米空间以吸附和释放客体分子，实现特定温度控制下的储存和释放；本发明减少焙烧去除模板剂的步骤，减少对环境的污染，降低了成本，充分发挥了模板剂的作用；本发明可用于客体分子携带、药物给药、微观环境改善等复杂体系；本发明采用MCM-48介孔分子筛合成原粉353K吸附NO后在模拟胃液的酸性溶液中最多能够释放出38.13μmol·g-1的NO。
附图说明
图1是实施例2中不同温度吸附NO的原粉MCM-41材料当天在pH值为1.2的HCl溶液中的NO释放曲线图；
图2是实施例2中不同温度吸附NO的原粉MCM-41材料储存14天后在pH值为1.2的HCl溶液中的NO释放曲线图；
图3是实施例3中不同温度吸附NO的原粉MCM-48样品在酸液中NO释放曲线图；
图4是实施例4中不同温度吸附NO的原粉MC样品在酸液中NO释放曲线图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：3gSiO2与1.5gNaOH在333K下溶于45g蒸馏水中得到溶液A，4.5g十六烷基三甲基溴化胺(CTAB)溶于25g蒸馏水中得到溶液B。待全部溶解后，冷却至303K，将溶液B缓慢滴加入溶液A中。随后，2M的盐酸调节体系pH值至9。所得混合物303K搅拌6h，403K陈化72h，过滤，洗涤室温晾干得到白色MCM-41原粉。
将0.4gMCM-41原粉置于0.2g薄荷醇上方在353K至413K处理12h，再敞口放置1个月后测定薄荷醇释放量。采用气相色谱-质谱分析(GC-MS)技术测定了介孔材料原粉在不同温度吸附、低温储存一定时间后又在特定温度释放客体分子的性能。
称取一定量经过室温敞口体系放置1个月的预吸附薄荷醇后样品，放入顶空瓶中，不同温度下平衡一段时间后，使用GC-MS检测薄荷醇的相对浓度。其中以373K制备的样品其释放薄荷醇量最多。表1为40mg不同制备温度的吸附薄荷醇样品在333K释放薄荷醇能力，循环实验中各样品的释放薄荷醇量均有所下降，但是373K制备样品下降缓慢。表2为5mg制备温度为373K的吸附薄荷醇样品在不同温度释放薄荷醇能力，同一样品在不同温度下释放薄荷醇速率也不一样，温度越高释放越快。
表140mg不同制备温度的吸附薄荷醇样品在333K释放薄荷醇能力
表25mg制备温度为373K的吸附薄荷醇样品在不同温度释放薄荷醇能力
实施例2：将实施例1中制得的白色MCM-41原粉在水蒸汽饱和后，在不同温度下(310K和353K)吸附NO。60mg原粉吸附含0.8μmolNO的NO-N2气体，N2吹扫1h以去除物理吸附NO。
所得样品酸致NO释放实验步骤如下：将样品加入到15ml pH值为1.2的HCl溶液中，310K吹扫4.5h，所释放NO量每30min用分光光度法检测一次。吸附NO样品在敞口体系中室温放置14天后，做酸致NO释放实验。所得样品在酸溶液里的NO释放量如图1、图2和表3所示，常温敞口储存14天后仍能够释放出生物相关量的NO。
表3吸附NO的原粉MCM-41样品在酸性溶液里的NO释放结果
实施例3：2.6gCTAB溶解在110g蒸馏水和50ml乙醇溶液中，完全溶解后加入12ml氨水。在450rpm搅拌10min后，加入3.4gTEOS，303K下继续搅拌24h。所得产物经过滤，洗涤室温晾干得到白色MCM-48原粉。
水蒸汽饱和后原粉MCM-48材料在不同温度下吸附NO(方法同实施例2)，[NO2 -]量测定是通过将样品在酸液中浸泡4.5h后，再将混合物在3000rpm下离心15min分离固体和液体，取10ml上层清液加入到40ml磺胺-盐酸萘乙二胺显色液中，静止放置15min，分光光度法测定[NO2 -]量。
如图3和表4所示，在酸性溶液里能够释放出大量的NO，其中353K吸附NO的MCM-48原粉样品的释放量达到38.13μmol·g-1。
表4不同温度吸附NO的原粉MCM-48样品在酸液中NO及[NO2 -]释放量
实施例4：0.96g十六烷基氯化吡啶(CPyCl)与0.25g苯酚溶于45.0g水中，在293K下加入4.25g硅酸四乙酯，搅拌30min后加入2g 65wt％HNO3，293K下继续搅拌24h后过滤，水洗，室温下阴干得到白色MC原粉，样品具有立方相Ia3d结构的对称性。水蒸汽饱和后原粉MC材料在不同温度下吸附NO。如图4和表5所示，310K与353K吸附的MC样品在酸液中同样能够释放出大量NO。
表5不同温度吸附NO的原粉MC样品在酸液中NO及[NO2 -]释放量
Claims (6)
1.一种利用介孔材料控制吸储释放客体分子的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)制备介孔材料，保留介孔材料合成原粉中的模板剂胶束；
(2)将步骤(1)制得的介孔材料在高温下吸附客体分子后，室温储存；
(3)使用时升高温度，介孔材料释放客体分子。
2.根据权利要求1所述的一种利用介孔材料控制吸储释放客体分子的方法，其特征在于：所述介孔材料是具有六方相或立方相结构的硅基介孔分子筛。
3.根据权利要求2所述的一种利用介孔材料控制吸储释放客体分子的方法，其特征在于：所述模板剂胶束在介孔材料的孔道内丝状分布，模板剂胶束和硅壁之间存在亚纳米间隙。
4.根据权利要求1所述的一种利用介孔材料控制吸储释放客体分子的方法，其特征在于：所述模板剂为表面活性剂，选自十六烷基三甲基溴化铵和十六烷基氯化吡啶中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种利用介孔材料控制吸储释放客体分子的方法，其特征在于，所述客体分子是薄荷醇，介孔材料在353K～413K吸附薄荷醇，室温下储存，使用时升高温度，介孔材料释放薄荷醇。
6.根据权利要求1所述的一种利用介孔材料控制吸储释放客体分子的方法，其特征在于，所述客体分子是一氧化氮，介孔材料在310K～373K吸附一氧化氮，室温下储存，使用时升高温度，介孔材料释放一氧化氮。
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