CN102295926A

CN102295926A - 一种荧光介孔氧化硅纳米材料及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN102295926A
Application number: CN2011101004538A
Authority: CN
Inventors: 何前军; 施剑林
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date: 2011-04-21
Filing date: 2011-04-21
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2031-04-21
Also published as: CN102295926B

Abstract

本发明公开了一种荧光介孔氧化硅纳米材料及其制备方法和应用。所述材料的特征是在介孔氧化硅的骨架中镶嵌有硅团簇或硅量子点形成的富硅微区。所述材料的制备方法包括：将水溶性表面活性剂和水解催化剂加入水中，在4～60℃下搅拌使其完全溶解；向体系中加入缺氧型硅酸酯，继续搅拌1～48小时，离心、洗涤、干燥；在惰性气氛或真空条件下，煅烧得到的前躯体材料。因本发明制备的荧光介孔氧化硅纳米材料具有较好的分散性、较均一的纳米尺寸和可调的孔径及可调的发光性能，因此，本发明的荧光介孔氧化硅纳米材料集多孔结构和荧光性能于一体，具有药物装载与输运和同步荧光成像的双重功能，在疾病的同步诊断与治疗中将具有潜在的应用价值。

Description

一种荧光介孔氧化硅纳米材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种荧光介孔氧化硅纳米材料及其制备方法和应用，属于介孔纳米材料技术领域。

背景技术

癌症和心血管疾病是威胁人类生命和健康的两个最重大的疾病。关于心血管疾病和癌症等重大疾病的防治已经成为我国公共卫生工作的战略重点，关于它们的早期检测、诊断与治疗具有非常重大的意义。借助纳米技术，构建一种集影像诊断、药物输运与治疗于一体的多功能纳米结构材料，为心血管疾病和癌症等重大疾病的同步诊断与治疗开辟了一条新途径。

耦合介孔氧化硅的药物输运功能和有机荧光染料或荧光量子点的光学成像功能的双功能纳米结构有望应用于重大疾病的同步诊断与治疗，因而引起了材料化学与生物医用等领域的广泛关注。最近的研究进展表明：(1)有机稀土络合物或有机荧光染料分子可以单分散的共价连接于介孔氧化硅的介孔孔道内壁，避免了荧光淬灭、提高了荧光效率[有序介孔二氧化硅基荧光纳米材料及其制备方法CN101525533；J.Mater.Chem.2009，19，3395～3403；J.Phys.Chem.C 2010，114，12505～12510.]，然而有机荧光染料分子容易脱落，在一定程度上限制了其应用；(2)通过包裹或连接的方式，还可以将荧光量子点或纳米粒与介孔氧化硅进行整合[Adv.Funct.Mater.2010，20，1166～1172；J.Phys.Chem.B 2003，107，11575～11578.]，但是对于常见的含重金属离子的荧光量子点存在因重金属离子泄漏产生的生物安全性问题[Nano Lett.2004，4，11～18；Toxicol.Appl.Pharmacol.2009，238，280～288.]；(3)CN101864308A公开了一种稀土离子掺杂的介孔氧化硅发光材料及其制备方法，CN1583948A公开了一种采用混合烧结的方式，制备了一种介孔二氧化硅/锰硅酸锌复合荧光粉体。然而采用上述制备方法只能得到微米级的粉体，因而限制了其在生物医用领域的应用；(4)此外，多孔硅纳米材料被认为是一种生物安全的、能集药物输运与光学成像于一体的双功能纳米结构材料，然而多孔硅纳米结构的制备一般采用的是先电化学腐蚀、然后超声剥离或机械粉碎的复杂工艺方法[Nature Mater.2009，8，331～336；Nature Nanotechnol.2008，3，151～157.]。这种方法最大的缺陷是制备出来的多孔硅纳米结构的形貌和尺寸都很难控制、产量比较低，因而严重影响了其实际生产和应用。相对而言，介孔氧化硅的制备工艺更简单，形貌和尺寸很容易控制，产量也非常高[J.Mater.Chem.2009，19，6498～6503.]。

因此，寻找一种简便而高效的合成途径来整合硅量子点的优异的荧光性能和介孔氧化硅的优异的药物输运性能及其方便的合成方法，从而构建一种生物安全的、集药物输运与光学成像于一体的氧化硅基双功能纳米结构材料，在疾病的同步诊断与治疗中将具有更大的实际应用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种生物安全的、介孔骨架发光的、集药物输运与光学成像于一体的荧光介孔氧化硅纳米材料及其制备方法和应用，以克服上述现有技术中的缺陷，实现细胞内的药物输运与同步荧光成像，为疾病的同步诊断与治疗提供重要支持。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明提供的荧光介孔氧化硅纳米材料，其特征在于：在介孔氧化硅的骨架中镶嵌有硅团簇或硅量子点形成的富硅微区。

所述的介孔孔径在2～30nm范围内可调。

所述的富硅微区的尺寸在0～10nm范围内可调，但不包含零点。

本发明所述的荧光介孔氧化硅纳米材料的制备方法，包括如下具体步骤：

a)将水溶性表面活性剂和水解催化剂加入水中，在4～60℃(优选20～40℃)下搅拌使其完全溶解，水溶性表面活性剂的浓度控制在其临界胶束浓度之上；

b)向体系中加入缺氧型硅酸酯，继续搅拌1～48小时(优选2～6小时)，离心、洗涤、干燥，得到一种缺氧型介孔氧化硅前躯体材料，其中：缺氧型硅酸酯与催化剂的摩尔比为1000∶1～1∶20(优选10∶1～1∶20)，缺氧型硅酸酯的摩尔浓度为0.05～2mol/L(优选0.1～0.5mol/L)；

c)在惰性气氛或真空条件下，煅烧步骤b)得到的缺氧型介孔氧化硅前躯体材料，煅烧温度为300～1000℃(优选600～1000℃)，升温速率为1～50℃/分钟(优选2～25℃/分钟)，保温时间为0.5～6小时(优选2～6小时)。

所述的水溶性表面活性剂可以是阳离子型、阴离子型或非离子型水溶性表面活性剂。

所述的阳离子型水溶性表面活性剂优选十二烷基三甲基溴化铵(DTAB)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)或十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)。

所述的阴离子型水溶性表面活性剂优选十二烷基苯磺酸钠(SDBS)或十二烷基磺酸钠(SDS)。

所述的非离子型水溶性表面活性剂优选聚醚多元醇P123、聚乙二醇辛基苯基醚(Triton X-100)、聚氧乙烯山梨醇酐单油酸酯(Tween 80)、乙基苯基聚乙二醇(Nonidet P-40)或聚醚类表面活性剂(如：P105、P104、P103、P85、P84、P75、P65、P38、F127、F108、F98、F88、F87、F77、F68、F38、L122、L121、L101、L92、L81、L72、L65、L64、L63、L62、L61、L44、L43、L42、L35或L31)。

所述的水解催化剂优选盐酸、硝酸、硫酸、磷酸、氯化钠、氢氧化钠、氢氧化钾、氨水、氟化铵、四丙基氢氧化铵、三乙醇胺、磷酸盐缓冲溶液或醋酸盐缓冲溶液。

所述的缺氧型硅酸酯优选三乙氧基硅烷或三甲氧基硅烷。

所述的洗涤推荐为用乙醇超声洗涤。

所述的干燥推荐为冷冻干燥。

所述的惰性气氛推荐为氮气或氩气气氛。

因本发明制备的荧光介孔氧化硅纳米材料具有较好的分散性、较均一的纳米尺寸和可调的孔径(2～30nm)；介孔氧化硅的骨架中镶嵌有富硅微区，通过调控煅烧条件可调控富硅微区的尺寸，从而调控其发光性能；因此，本发明的荧光介孔氧化硅纳米材料集多孔结构和荧光性能于一体，具有药物装载与输运和同步荧光成像的双重功能：既可以通过原位装载药物或后担载药物的方式，装载并传输药物进细胞；也可以通过原位控制富硅微区的硅形态和尺寸来调控荧光介孔氧化硅纳米结构的光学性能，可作为药物的载体材料和荧光成像诊断材料，在疾病的同步诊断与治疗中将具有潜在的应用价值。

与掺杂和混合烧结等制备方法相比，本发明采用在氧化硅骨架中原位形成发光中心的方法，制备的荧光介孔氧化硅纳米材料具有如下优点：具有纳米尺寸；荧光性能可调。与其它含重金属离子的荧光量子点或纳米粒相比，本发明制备的荧光介孔氧化硅纳米材料具有更好的生物安全性。与多孔硅纳米材料相比，本发明制备的荧光介孔氧化硅纳米材料具有如下优点：制备工艺更简单；具有均一的球形形貌和纳米尺寸；产量更高；适合规模化生产要求。

本发明中所述的表面活性剂在《表面活性剂大全》(Michael Ash，Irene Ash著；王绳武，罗惠萍摘译，上海科学技术文献出版社，1988，ISBN号：78051321**/TQ423)中均可以查到。

附图说明

图1是本发明所述的荧光介孔氧化硅纳米材料的微观结构示意图，图中：1表示富硅微区，2表示氧化硅骨架，3表示介孔结构。

图2是实施例1制备的荧光介孔氧化硅纳米材料“SIC-600”样品的透射电镜照片。

图3是实施例1制备的荧光介孔氧化硅纳米材料“SIC-600”样品的扫描电镜照片。

图4是实施例1制备的荧光介孔氧化硅纳米材料“SIC-900”样品的高分辨透射电镜照片，图中：1表示富硅微区，2表示氧化硅骨架，3表示介孔结构。

图5是实施例1制备的荧光介孔氧化硅纳米材料“SIC-800”样品的高分辨透射电镜照片。

图6是实施例1制备的荧光介孔氧化硅纳米材料的荧光光谱图。

图7是实施例2制备的装载阿霉素药物的荧光介孔氧化硅纳米材料在MCF-7乳腺癌细胞内的药物释放和荧光成像照片，其中：a代表纳米材料，b代表阿霉素药物。

图8是实施例2制备的装载阿霉素药物的荧光介孔氧化硅纳米材料对MCF-7乳腺癌细胞的毒性表征。

具体实施方法

下面结合实施例对本发明做进一步详细、完整地说明，但并不限制本发明的内容。

实施例1

在氩气保护下，将0.17mmol P123和50mmol氯化钠一起加入80mL盐酸水溶液(2mol/L)中，在25℃下搅拌使其完全溶解；加入10mmol三乙氧基硅烷，继续搅拌1小时后离心，用乙醇超声洗涤三次，然后分散在水中冷冻干燥，制得的冻干粉样品标记为“SIC-1”。将SIC-1冻干粉分成四份置于氮气气氛炉中，分别在500℃、600℃、700℃和900℃下煅烧2小时，制得的四个样品分别标记为“SIC-500”、“SIC-600”、“SIC-700”和“SIC-900”。

图2是本实施例制备的“SIC-600”样品的透射电镜照片，图3是本实施例制备的“SIC-600”样品的扫描电镜照片。由图2和图3可见：本发明方法制备的氧化硅材料具有明显的介孔结构、良好的分散性和较均一的纳米尺寸(平均粒径约200nm)。图4是本实施例制备的“SIC-900”样品的高分辨透射电镜照片，由图4所示的晶格条纹可见：在介孔氧化硅的骨架中镶嵌有尺寸约2～5nm的富硅微区。图5是本实施例制备的“SIC-800”样品的高分辨透射电镜照片，由图5所示的晶格条纹可见：在介孔氧化硅的骨架中镶嵌有尺寸约1nm的富硅微区。结合图4和图5可推知：在相同煅烧时间下，随着煅烧温度的提高，将会使镶嵌在介孔氧化硅骨架中的富硅微区的尺寸增大。

图6是本实施例制备的四个样品：“SIC-500”、“SIC-600”、“SIC-700”和“SIC-900”的荧光光谱图，由图6可见：“SIC-500”、“SIC-600”、“SIC-700”和“SIC-900”四个样品具有不同的荧光发光特性，表明通过调控煅烧条件可调控所制得的荧光介孔氧化硅纳米材料的荧光性能。

实施例2

取实施例1制备的“SIC-600”样品20mg，在真空条件和120℃下干燥12小时，然后在真空条件下冷却至室温。

加入5mL 10mg/mL的阿霉素的乙醇溶液，在室温下浸渍1小时后离心、真空干燥，制得装载阿霉素的荧光纳米材料，标记为“DOXSIC-600”。

将上述的DOXSIC-600纳米材料与MCF-7乳腺癌细胞进行共培养，然后用磷酸盐生理盐水洗涤细胞，最后在荧光共聚焦显微镜下对细胞进行观察并拍照。拍照结果表明纳米材料能够被MCF-7乳腺癌细胞大量摄取，并在细胞内释放阿霉素药物，同时能够荧光成像(如图7所示)。

使用CCK-8试剂盒(可市购得到)检测培养三天后细胞的存活率，结果显示MCF-7乳腺癌细胞具有较低的细胞存活率(如图8所示)，表明制备的载阿霉素的荧光介孔氧化硅纳米材料DOXSIC-600具有较好的抗癌作用。

另外，经实验证明：实施例1中的表面活性剂P123可以等同替换为水溶性阳离子型表面活性剂(如：十二烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基溴化铵或十六烷基三甲基氯化铵)或水溶性阴离子型表面活性剂(如：十二烷基苯磺酸钠或十二烷基磺酸钠)或其它水溶性非离子型表面活性剂(如：聚乙二醇辛基苯基醚、聚氧乙烯山梨醇酐单油酸酯、乙基苯基聚乙二醇或聚醚类表面活性剂)。实施例1中的水解催化剂盐酸可以等同替换为硝酸、硫酸、磷酸、氯化钠、氢氧化钠、氢氧化钾、氨水、氟化铵、四丙基氢氧化铵、三乙醇胺、磷酸盐缓冲溶液或醋酸盐缓冲溶液。实施例1中的缺氧型硅酸酯三乙氧基硅烷可以等同替换为三甲氧基硅烷。实施例1中的关于温度、时间、配比、浓度等工艺参数均可选择文中所述的相应范围内的点值进行操作。由于所有操作过程均与实施例1及实施例2所述相同，所以在此不再一一赘述。

本发明所述的荧光介孔氧化硅纳米材料的微观结构示意图如图1所示，图中的1表示富硅微区，2表示氧化硅骨架，3表示介孔结构。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制本发明，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims

1.一种荧光介孔氧化硅纳米材料，其特征在于：在介孔氧化硅的骨架中镶嵌有硅团簇或硅量子点形成的富硅微区。

2.根据权利要求1所述的荧光介孔氧化硅纳米材料，其特征在于：所述的介孔孔径在2～30nm范围内可调。

3.根据权利要求1所述的荧光介孔氧化硅纳米材料，其特征在于：所述的富硅微区的尺寸在0～10nm范围内可调，但不包含零点。

4.一种权利要求1所述的荧光介孔氧化硅纳米材料的制备方法，其特征在于，包括如下具体步骤：

a)将水溶性表面活性剂和水解催化剂加入水中，在4～60℃下搅拌使其完全溶解，水溶性表面活性剂的浓度控制在其临界胶束浓度之上；

b)向体系中加入缺氧型硅酸酯，继续搅拌1～48小时，离心、洗涤、干燥，得到一种缺氧型介孔氧化硅前躯体材料，其中：缺氧型硅酸酯与催化剂的摩尔比为1000∶1～1∶20，缺氧型硅酸酯的摩尔浓度为0.05～2mol/L；

c)在惰性气氛或真空条件下，煅烧步骤b)得到的缺氧型介孔氧化硅前躯体材料，煅烧温度为300～1000℃，升温速率为1～50℃/分钟，保温时间为0.5～6小时。

5.根据权利要求4所述的荧光介孔氧化硅纳米材料的制备方法，其特征在于：所述的水溶性表面活性剂是阳离子型、阴离子型或非离子型水溶性表面活性剂。

6.根据权利要求5所述的荧光介孔氧化硅纳米材料的制备方法，其特征在于：所述的阳离子型水溶性表面活性剂为十二烷基三甲基溴化铵(DTAB)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)或十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)。

7.根据权利要求5所述的荧光介孔氧化硅纳米材料的制备方法，其特征在于：所述的阴离子型水溶性表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠(SDBS)或十二烷基磺酸钠(SDS)。

8.根据权利要求5所述的荧光介孔氧化硅纳米材料的制备方法，其特征在于：所述的非离子型水溶性表面活性剂为聚醚多元醇P123、聚乙二醇辛基苯基醚(Triton X-100)、聚氧乙烯山梨醇酐单油酸酯(Tween 80)、乙基苯基聚乙二醇(Nonidet P-40)或聚醚类表面活性剂。

9.根据权利要求4所述的荧光介孔氧化硅纳米材料的制备方法，其特征在于：所述的水解催化剂为盐酸、硝酸、硫酸、磷酸、氯化钠、氢氧化钠、氢氧化钾、氨水、氟化铵、四丙基氢氧化铵、三乙醇胺、磷酸盐缓冲溶液或醋酸盐缓冲溶液。

10.根据权利要求4所述的荧光介孔氧化硅纳米材料的制备方法，其特征在于：所述的缺氧型硅酸酯为三乙氧基硅烷或三甲氧基硅烷。

11.根据权利要求4所述的荧光介孔氧化硅纳米材料的制备方法，其特征在于：所述的洗涤是用乙醇超声洗涤。

12.根据权利要求4所述的荧光介孔氧化硅纳米材料的制备方法，其特征在于：所述的干燥为冷冻干燥。

13.根据权利要求4所述的荧光介孔氧化硅纳米材料的制备方法，其特征在于：所述的惰性气氛为氮气或氩气气氛。

14.一种权利要求1所述的荧光介孔氧化硅纳米材料的应用，其特征在于：作为药物的载体材料。

15.一种权利要求1所述的荧光介孔氧化硅纳米材料的应用，其特征在于：作为荧光成像诊断材料。