CN102381715B

CN102381715B - 一种大孔壁笼形二氧化硅空心球及其制备方法

Info

Publication number: CN102381715B
Application number: CN 201010271644
Authority: CN
Inventors: 陈雨; 陈航榕; 施剑林; 王楠
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date: 2010-09-03
Filing date: 2010-09-03
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2030-09-03
Also published as: CN102381715A

Abstract

本发明涉及一种大孔壁笼形二氧化硅空心球及其制备方法。所述二氧化硅空心球的球壁上具有介孔结构，所述介孔的孔径为2.5～11nm。本发明首先通过溶胶-凝胶法加表面活性剂导向法合成出高度分散、粒径均一的实心核/介孔壳SiO₂球；再通过简单的碱/酸性溶液中后处理方法巧妙地除去SiO₂球中的实心核而保持外壳介孔层完整，得到大孔壁笼形SiO₂空心球。本发明的合成方法简单易行、无任何污染、产量高、成本低、效率高、极易工业化生产；所制得的具有大孔壁的笼形SiO₂结构在大分子药物的传输、DNA和siRNA的装载和传输、催化、微反应器、吸附、分离、色谱等领域具有广泛的应用前景。

Description

一种大孔壁笼形二氧化硅空心球及其制备方法

技术领域

本发明属于微孔/介孔/大孔分子筛纳米材料技术领域，涉及一种大孔壁笼形介孔二氧化硅空心球及其制备方法。

背景技术

根据国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)规定，具有孔结构的材料分为微孔材料(孔径小于2nm)、介孔材料(孔径介于2nm和50nm之间)和大孔材料(孔径大于50nm)。自从1992年MCM-41型介孔SiO₂分子筛被Mobil公司的科学家合成出以来(Nature 1992，359，(6397)，710-712.)，介孔SiO₂材料由于具有高的比表面积、大的孔容、均一的孔道结构，在化工催化、医药、纳米生物技术等领域显示出广阔的应用前景。在各种形貌的介孔SiO₂材料中，球形介孔SiO₂在纳米生物技术领域显示出广阔的应用前景。特别是空心介孔SiO₂纳米粒子，是最有实用价值的载体之一，可以广泛应用于催化、吸附、分离和药物的靶向输运等领域。空心介孔SiO₂纳米颗粒具有以下优点：(1)介孔壳层具有高的比表面积、大的孔容和均一的孔径分布；(2)大的空心部分具有高的物质担载量，可以担载药物、DNA和各种催化剂等；(3)易于改性的表面硅羟基容易整合其它的功能无机纳米粒子或者有机分子，得到多功能的杂化复合物。

然而，目前的合成工艺得到的空心SiO₂纳米颗粒的孔径较小，一股分布在2-5nm。因此，对于一些大分子物质，如siRNA、DNA和生物酶等，由于孔径大小的限制，很难进入介孔的孔道和空腔部分。因此，开发新的合成工艺得到具有相对较大孔径结构的笼形SiO₂纳米粒子(孔径大于5nm)在固定和传输大分子物质等领域具有重要的意义。然而，利用传统的造孔方法很难得到大孔笼形的SiO₂纳米粒子。传统合成球形介孔纳米粒子使用的表面活性剂，如阳离子表面活性剂(C₁₆TAB)，由于具有较短的碳链，在除去表面活性剂后得到的孔较小(2-3nm)。另一方面，长碳链的表面活性剂如嵌段共聚物P123或者F127，可以得到相对较大的孔径，但是却不易形成球形，这样不规则的形貌极大地限制了其在体内的应用。

另一方面，传统的合成介孔SiO₂空心球的方法包括各种软/硬模板法，如PS球、Fe₃O₄纳米粒子、微乳液、表面活性剂等被用来作为空心部分的模板(J.Mater.Chem.2008，18，(23)，2733-2738；Microporous Mesoporous Mat.2008，112，(1-3)，147-152.)。合成工艺包括在各种软/硬模板上沉积上介孔SiO₂壳层后，通过煅烧、萃取等方法除去模板，得到介孔SiO₂空心球。然而，上述这些方法步骤繁琐、合成条件苛刻、煅烧除去有机模板时(如PS球等)会产生大量的有害气体、且得到的空心球团聚现象严重，这极大地限制了介孔SiO₂空心球的实际应用。特别是作为载体用于药物的传输，团聚现象是必须要克服的缺点，因为据报道团聚后的纳米粒子极容易被人体的物理屏障堵塞，从而不能把治疗用的药物传输到靶向部位。因此急需要开发一种新的技术得到粒径/孔径可控、高度分散的介孔SiO₂空心纳米结构。

鉴于以上合成具有规整孔道结构的SiO₂空心球存在的缺点，以及得到大孔径的笼形SiO₂纳米颗粒的需求，本发明采用表面活性剂造孔加上碱/酸腐蚀扩孔的方法，两步法得到了高度分散、粒径均一可调、且具有大孔壁的笼形SiO₂纳米颗粒。本发明合成工艺简单易行、无任何污染、产量高、成本低、效率高、易工业化生产，具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种大孔壁笼形二氧化硅颗粒及其制备方法，为传输大分子物质，如siRNA、DNA和生物酶等，提供良好的载体。

为解决以上技术问题，本发明提供了一种大孔壁笼形二氧化硅空心球，其特征在于，所述二氧化硅空心球的球壁上具有介孔结构，所述介孔的孔径为2.5～11nm。

优选的，所述介孔的孔径为7～11nm。

所述二氧化硅空心球的球壁上具有墨水瓶形孔道结构。

所述二氧化硅空心球的直径为50-1000nm，其球壁的厚度为20-200nm；所述二氧化硅空心球的比表面积范围为100-600m²/g，其孔容范围0.3-1.0cm³/g。

本发明还提供了一种制备上述大孔壁笼形二氧化硅空心球的方法，包括以下步骤：

1)先采用溶胶凝胶法合成实心SiO₂球，再将硅源和有机硅烷偶联剂包覆于所述实心SiO₂球的表面，得到具有实心核-介孔壳结构的SiO₂球；

2)将步骤1中所述具有实心核-介孔壳结构的SiO₂球均匀分散于pH值为8.0-13的碱溶液或pH值为1.0-5.0的酸溶液中，于25℃～250℃下反应，收集产物；

3)将步骤2所得产物依次经洗涤、干燥、煅烧除去有机硅烷偶联剂后，得到大孔壁笼形二氧化硅空心球。

所述步骤1中，先用传统的溶胶-凝胶方法，合成单分散的实心SiO₂粒子。再利用硅源与有机硅烷偶联剂(造孔剂)的共缩聚反应，在所述实心SiO₂粒子的表面包覆上一层介孔SiO₂层，得到高度分散的具有实心核-介孔壳的SiO₂球，该SiO₂球的壳层厚度以及内核大小均可以通过控制起始溶剂(乙醇和水)的用量进行调整。本发明中所得的实心核-介孔壳的SiO₂球的粒径在50-1000nm范围内可调。

步骤1中，所述溶胶-凝胶法，包括步骤：将无水乙醇、水和氨水按(22～46)∶(3～6.5)∶1的体积比于20～40℃下混合均匀，然后加入体积为所述氨水体积1.4～2.4倍的硅源，搅拌形成溶液，即可得到实心SiO₂球。所述氨水的质量浓度为25-28％。

步骤1中，所述将硅源和有机硅烷偶联剂包覆于所述实心SiO₂球的表面，包括步骤：将体积为所述氨水体积1.1～2.1倍的硅源和体积为所述氨水体积0.6～1倍的有机硅烷偶联剂混合均匀，然后加入到步骤1所得溶液中，搅拌1～4h，收集产物，即为具有实心核-介孔壳结构的SiO₂球。

较佳的，所述硅源选自正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、正硅酸丙酯或正硅酸丁酯；所述有机硅烷偶联剂选自十二烷基三甲氧基硅烷、十六烷基三甲氧基硅烷或十八烷基三甲氧基硅烷。

步骤2利用酸溶液或碱溶液的腐蚀作用在室温或水热条件下，巧妙地去除所述实心核-介孔壳的SiO₂球中的实心核，形成空腔；在实心核被除去的同时，壁上的Si-O-Si键在碱/酸性条件下部分发生断裂，会在壁上产生一些小孔，随着碱/酸处理时间的延长，这些小孔逐渐融合，最后与表面活性剂导向得到的介孔融合，扩大介孔的孔径，得到大孔壁结构。所述介孔孔径的大小可以根据水热处理的时间和酸/碱溶液的pH值及用量进行合理地控制。

步骤2中，在室温或水热条件下能使Si-O-Si键发生断裂的碱溶液或酸溶液均适用，如氨水、Na₂CO₃溶液、NaOH溶液、尿素溶液、NaHCO₃溶液、NaH₂PO₄溶液、Na₂HPO₄溶液、KH₂PO₄溶液、K₂HPO₄溶液、Na₃PO₄溶液或K₃PO₄溶液。所述碱溶液均为碱的水溶液。

较佳的，所述酸溶液为氟化氢(HF)的水溶液。

较佳的，步骤2中，所述于25℃～250℃下反应优选为于40℃～200℃的水热条件下进行水热反应0.5～200h，最优选为于80℃～150℃的水热条件下进行水热反应0.5～24h。

步骤3为产物的后处理过程。其中，所述干燥可采用常规的干燥条件，如在空气中100℃下烘6小时；所述煅烧除去有机硅烷偶联剂可采用常规的煅烧条件，如于500～600℃下煅烧2～10h。

本发明的上述方法利用表面活性剂导向加上碱/酸后处理扩孔的组合，可以合成出具有良好分散性、粒径可控、孔径可控且壁上具有大孔结构的笼形SiO₂空心球，其组成为SiO₂，空心球的直径在50-1000nm范围内可调，空心球球壁上的介孔孔径在2.5-11nm范围内可调。

本发明克服了现有技术中合成介孔SiO₂空心纳米结构过程中存在的步骤繁琐、条件苛刻、团聚现象严重和易产生环境污染等问题，并解决了合成大孔结构的笼形SiO₂粒子的技术困难。本发明的制备工艺简单易行、无任何污染、产量高、成本低、效率高，得到的大孔壁笼形SiO₂颗粒分散性好、比表面积高、孔容大、孔径分布均一可调，有利于大分子药物以及功能纳米颗粒在其中的高效担载，是极具应用前景的药物、基因、生物酶和催化剂载体之一，在药物传输和化工催化等领域显示出广阔的应用前景，特别是对于包覆和传输大的分子，如DNA、siRNA等具有独特的优势。

附图说明

图1是实施例1得到的具有大孔壁的笼形SiO₂空心球的透射电镜图。

图2是实施例1得到的具有大孔壁的笼形SiO₂空心球的扫描电镜图。

图3是实施例2得到的具有大孔壁的笼形SiO₂空心球的透射电镜图。

图4是实施例2得到的具有大孔壁的笼形SiO₂空心球的扫描电镜图。

图5是实施例1和实施例2得到的具有大孔壁的笼形SiO₂空心球的N₂吸附-脱附等温曲线。

图6是实施例1和实施例2得到的具有大孔壁的笼形SiO₂空心球的孔径分布图。

图7是实施例3-5中得到的具有大孔壁的笼形SiO₂空心球的N₂吸附-脱附等温曲线。

图8是实施例3-5中得到的具有大孔壁的笼形SiO₂空心球的孔径分布曲线。

图9是实施例6中血红蛋白在大孔笼型SiO₂颗粒上担载时担载量随时间的变化曲线。

图10本发明的制备方法的工艺流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步阐述本发明，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。

实施例1

将71.4mL无水乙醇、10mL去离子水和3.14mL的氨水(质量浓度为25-28％)混合，在30℃的条件下搅拌30min；快速加入6mL正硅酸乙酯，磁性搅拌1h；将5mL正硅酸乙酯和2mL十八烷基三甲氧基硅烷均匀混合后，迅速加入上述溶液，磁性搅拌1h，产物离心后得到高度分散的实心核/介孔壳SiO₂球。离心后的产物分散0.6mol/L的Na₂CO₃溶液中。将分散好的溶胶在80℃条件下搅拌4h。产物离心后用去离子水洗涤3次，100℃干燥6h后在550℃条件下煅烧6h除去表面活性剂，得到的具有大孔壁的笼形SiO₂粒子。

本实施例中得到的SiO₂粒子的透射电镜图如图1所示，由图中可以看出粒子的粒径为400nm，具有规整的球形形貌、均一的粒径和高度的分散性。其中壳层具有大孔结构(孔径大约为11nm)，内部为空心部分。其扫描电镜图如图2所示，可以直观地显示出规整的球形形貌和高度的分散性。说明在碱性条件下处理后球形形貌可以得到较好的保持。

实施例2

将142.8mL无水乙醇、20mL去离子水和3.14mL的氨水(质量浓度为25-28％)混合，在30℃的条件下搅拌30min；快速加入6mL正硅酸乙酯，磁性搅拌1h；将5mL正硅酸乙酯和3mL十八烷基三甲氧基硅烷均匀混合后，迅速加入上述溶液，磁性搅拌1h，产物离心后得到高度分散的实心核/介孔壳SiO₂球。离心后的产物分散在0.6mol/L的Na₂CO₃溶液中。将分散好的溶胶在80℃条件下搅拌4h。产物离心后用去离子水洗涤3次，100℃干燥6h后在550℃条件下煅烧6h除去表面活性剂。

本实施例中得到的SiO₂粒子的透射电镜图如图3所示，由图中可以看出笼形SiO₂粒子的粒径为200nm，说明该大孔SiO₂球可以通过改变起始溶剂的量控制粒径的大小。TEM结构并且直观地显示规整的球形形貌和高度的分散性。其扫描电镜图如图4所示，直观地显示出规整的球形形貌和高度的分散性。说明在200nm的核/壳SiO₂结构在碱性条件下处理后球形形貌可以得到较好的保持。与实施例1相比，说明通过扩大溶剂的量可以调节所得产物粒径的大小。

图5是实施例1和实施例2得到的具有大孔壁的笼形SiO₂空心球的N₂吸附-脱附等温曲线。结果表明材料具有高的比表面积100±50m²/g和孔容0.3±0.5cm³/g，大的滞后环表明材料具有大的空腔结构和墨水瓶形孔道结构。

图6是实施例1和实施例2得到的具有大孔壁的笼形SiO₂空心球的孔径分布图。结果表明粒径为400nm和200nm的笼形粒子具有均一的孔径，其孔径分别为11nm和7nm，和TEM观察到的结果一致。N₂吸附的结果也进一步证明通过表面活性剂导向加碱/酸腐蚀的方法可以得到大孔SiO₂空心结构。

实施例3

按照实施例1的合成工艺先得到实心核/介孔壳SiO₂球。产物离心后分散在0.6mol/L的Na₂CO₃溶液中并在80℃处理0.5h。后续处理同实施例1。

实施例4

按照实施例1的合成工艺先得到实心核/介孔壳SiO₂球。产物离心后分散在0.6mol/L的Na₂CO₃溶液中并在80℃处理1.5h。后续处理同实施例1。

实施例5

按照实施例1的合成工艺先得到实心核/介孔壳SiO₂球。产物离心后分散在0.6mol/L的Na₂CO₃溶液中并在80℃处理2.5h。后续处理同实施例1。

上述实施例3-5中得到的具有大孔壁的笼形SiO₂空心球的粒径为400nm，其N₂吸附-脱附等温曲线如图7所示。从图7中可以看出材料具有高的比表面积和孔容，滞后环逐渐增大说明孔径随着碱处理时间的延长逐渐增加。图8是上述实施例3-5中得到的具有大孔壁的笼形SiO₂空心球的孔径分布曲线，结果表明随着碱处理时间的延长，孔径逐渐增加。

实施例6

按照实施例1的合成工艺先得到实心核/介孔壳SiO₂球。产物离心后分散在pH值＝2.5的氢氟酸的水溶液中，并在150℃的水热条件下进行水热反应24h。后续处理同实施例1。

得到的SiO₂粒子经透射电镜和扫描电镜检测，可以看出其粒子的粒径为400nm，具有规整的球形形貌、均一的粒径和高度的分散性；其壳层具有大孔结构(孔径大约为5nm)，内部为空心部分。说明在酸性条件下处理后球形形貌可以得到较好的保持。

实施例7

通过采用实施例1中得到的大孔笼型SiO₂粒子吸附大分子蛋白(血红蛋白)。首先将血红蛋白溶解在pH＝6的磷酸盐缓冲溶液中，配制成1.0mg/mL的蛋白质溶液。再将20mL(1.0mg/mL)的蛋白质溶液和40mg的大孔笼型SiO₂粒子混合(0.5w/w)，在25℃条件下搅拌。每隔一段时间，取出0.5mL溶液，将溶液在10000r/min的条件下离心3min，通过UV-vis光谱的分析方法测试担载情况。结果如图9所示，由图中可见大孔笼型SiO₂颗粒对血红蛋白有很快的吸附速率，这是由于很薄的壁和较大的孔共同作用的结果，这也进一步证明了利用大孔笼型SiO₂颗粒在包覆和传输大分子领域的应用前景。

上述实施例以及对比例制备的大孔笼形SiO₂结构材料的孔容和比表面积分别按照Barrett-Joyner-Halenda(BJH)和Brunauer-Emmett-Teller(BET)方法计算，孔径分布按照Barrett-Joyner-Halenda(BJH)方法计算。

Claims

1.一种制备大孔壁笼形二氧化硅空心球的方法，包括以下步骤：

2)将步骤1）中所述具有实心核-介孔壳结构的SiO₂球均匀分散于pH值为8.0～13.0的碱溶液或pH值为1.0～5.0的酸溶液中，于25℃～250℃下反应，收集产物；

3)将步骤2）所得产物经洗涤、干燥、煅烧除去有机硅烷偶联剂后，得到大孔壁笼形二氧化硅空心球；

所述二氧化硅空心球的球壁上具有介孔结构，所述介孔的孔径为2.5～11nm；所述二氧化硅空心球的球壁上具有墨水瓶形孔道结构；

所述溶胶-凝胶法，包括步骤：将无水乙醇、水和氨水按（22～46）：（3～6.5）：1的体积比于20～40℃下混合均匀，然后加入体积为所述氨水体积1.4～2.4倍的硅源，搅拌形成溶液，即可得到实心SiO₂球；

所述步骤1）中将硅源和有机硅烷偶联剂包覆于所述实心SiO₂球的表面，包括步骤：将体积为所述氨水体积1.1～2.1倍的硅源和体积为所述氨水体积0.6～1倍的有机硅烷偶联剂混合均匀，然后加入到步骤1所得溶液中，搅拌，收集产物得到具有实心核-介孔壳结构的SiO₂球。

2.如权利要求1所述的制备大孔壁笼形二氧化硅空心球的方法，其特征在于，步骤2）中所述碱溶液选自氨水、Na₂CO₃溶液、NaOH溶液、尿素溶液、NaHCO₃溶液、Na₂HPO₄溶液、K₂HPO₄溶液、Na₃PO₄溶液或K₃PO₄溶液。

3.如权利要求1所述的制备大孔壁笼形二氧化硅空心球的方法，其特征在于，步骤2）中所述酸溶液为氟化氢的水溶液。

4.如权利要求1所述的制备大孔壁笼形二氧化硅空心球的方法，其特征在于，步骤2）中所述反应于40℃～200℃的水热条件下进行。

5.如权利要求1所述的制备大孔壁笼形二氧化硅空心球的方法，其特征在于，所述硅源选自正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、正硅酸丙酯或正硅酸丁酯。

6.如权利要求5所述的制备大孔壁笼形二氧化硅空心球的方法，其特征在于，所述有机硅烷偶联剂选自十二烷基三甲氧基硅烷、十六烷基三甲氧基硅烷或十八烷基三甲氧基硅烷。