CN103521753B - 一种核壳结构材料及其制备方法与应用 - Google Patents

一种核壳结构材料及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种核壳结构材料及其制备方法与应用。该具有核壳结构的材料，也即SiO2AuNPs，由壳和核组成；构成壳的材料为金；构成核的材料为二氧化硅；壳与核之间通过所述带氨基的表面活性剂相连；其中，带氨基的表面活性剂与核之间通过硅氧键或物理吸附作用相连，与壳之间通过正负静电作用力相连；所述核位于所述壳的中心，且被所述壳全包围。二氧化硅核的粒径为80-800nm，壳的厚度为0-20nm。该SiO2AuNPs核壳材料与细胞共培养，不仅对细胞无毒，还能在一定程度上促进细胞的生长。

Description

一种核壳结构材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及一种核壳结构材料及其制备方法与应用。
背景技术
由于金纳米粒子制备简单、性质稳定、生物相容性好及特殊的光电性质等优点，在生物医学体系有诸多应用。但是目前大量文献报道认为纳米金颗粒对许多细胞是有毒的，其中包括Hela细胞，因此已被用于治疗癌细胞。本发明发现将纳米金颗粒固定在固体球上形成核壳结构材料时，能够促进细胞的生长，而且没有毒性作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种核壳结构材料及其制备方法与应用。
本发明提供的具有核壳结构的材料，也即SiO2AuNPs，由壳和核组成；
构成所述壳的材料为金；
构成所述核的材料为二氧化硅；
所述壳与核之间通过带氨基的表面活性剂相连；
其中，所述带氨基的表面活性剂与核之间通过硅氧键或物理吸附作用相连，与壳之间通过正负静电作用力相连；
所述核位于所述壳的中心，且被所述壳全包围。
上述材料中，所述核的粒径为80-800nm；
所述壳的厚度为0-20nm，且所述壳的厚度不为0；
所述带氨基的表面活性剂选自（3-巯基丙基）三甲氧基硅烷、（3-巯基丙基）三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、辛基三甲氧基硅烷、(3-氨丙基)三乙氧基硅烷、(3-氨丙基)三甲氧基硅烷和N,N-二（氨基乙基酰甲基乙基）十八烷基胺（简称C18N3）中的至少一种；
所述核壳结构的材料亦为按照如下方法制备而得的产品。
本发明提供的制备前述核壳结构的材料（也即SiO2AuNPs）的方法，包括如下步骤：
1）将氨基修饰的SiO2溶液溶于金溶胶中搅拌过夜后，离心收集沉淀，再将所得沉淀溶于水中，得到SiO2AuNPs金种溶液；
2）在pH值为9-10的条件下，将步骤1）所得SiO2AuNPs金种溶液、金种生长剂的水溶液、保护剂和还原剂混合进行还原反应，得到所述材料。
上述方法的步骤1）中，所述氨基修饰的SiO2溶液中，溶剂为乙醇；
所述金溶胶中，金的摩尔浓度为0-60mM，具体为48.6mM；
金的粒径为1-5nm；
所述氨基修饰的SiO2溶液与金溶胶的体积比为0-0.08：1，具体为0.05：1，且所述氨基修饰的SiO2溶液的体积不为0；
所述步骤2）中，保护剂选自PVP-K30、聚乙二醇和柠檬酸钠中的至少一种；其中，所述聚乙二醇的相对分子质量为200-900；
还原剂选自甲醛、硼氢化钠和盐酸羟胺中的至少一种；
所述SiO2AuNPs金种溶液、金种生长剂的水溶液、保护剂和还原剂的体积比为0-5：0-50：0-60：0-40，具体为1：10：0.02：0.01、1：25：0.04：0.025、1：40：0.06：0.04、1：10-40：0.02-0.06：0.04-0.04、1：10-25：0.02-0.04：0.01-0.025、1：25-40：0.04-0.06：0.025-0.04；其中，所述SiO2AuNPs金种溶液、金种生长剂的水溶液、保护剂和还原剂的用量均不为0；
所述还原反应步骤中，温度为室温，反应时间为8-24小时，具体为12小时。
另外，所述步骤1）中，SiO2的乙醇溶液参照文献Stober,W.;Fink,A..ControlledGrowthofMonodisperseSilicaSpheresintheMicronSizeRange.J.ColloidInterfaceSci.1968,26,62-69提供的方法制得；
该方法具体包括如下步骤：
（1）将正硅酸乙酯（TEOS）和无水乙醇按一定比例混合搅拌15min，形成A液；
（2）将氨水、去离子水和无水乙醇按一定比例混合搅拌5min，形成B液；
（3）室温下，将A液滴加到快速搅拌的B液中，搅拌过夜即得。
氨基修饰的SiO2溶液按照包括如下步骤的方法制备而得：
将SiO2的乙醇溶液和带氨基的表面活性剂混合搅拌过夜，离心收集沉淀后分散于乙醇中，得到氨基修饰的SiO2溶液。
该方法中，所述SiO2的乙醇溶液中，SiO2和乙醇的质量比为0-5：100，且SiO2的质量不为0，具体为2：100；
所述带氨基的分子结合剂与SiO2的乙醇溶液的体积比为0-0.01：1，且所述带氨基的分子结合剂的体积不为0。
所述步骤2）中，所用金溶胶可参照文献T.Liu,J.A.Tang,L.Jiang,TheenhancementeffectofgoldnanoparticlesasasurfacemodifieronDNAsensorsensitivity.Biochem.Biophys.Res.Commun.313(2004)3提供的方法制备而得，也即是按照包括如下步骤的方法制备而得：
（1）在20mL去离子水中加入85μL质量分数2%的氯金酸水溶液，64.5μL质量分数2%的柠檬酸钠水溶液，搅拌混匀；
（2）将2.85mg硼氢化钠溶于0.75mL去离子水中，剧烈搅拌下，快速加到上述步骤（1）的溶液中，室温反应30min后即可得到所需金溶胶。
所述步骤2）中，所用金种生长剂的水溶液可按照文献(ShiW.;SahooY.;SwihartM.andPrasadP.GoldNanoshellsonPolystyreneCoresforControlofSurfacePlasmonResonance.Langmuir,2005,21,1610-1617)提供的方法制备而得，该方法具体包括如下步骤：
（1）称取0.05g碳酸钾溶于185mL去离子水搅拌15min，得到碳酸钾的水溶液；
（2）室温下将15mL5mM的氯金酸水溶液加到上述步骤（1）所得碳酸钾的水溶液中，继续搅拌，溶液逐渐由黄色变为无色后将其放置于暗处沉积至少24h而得。
此外，上述本发明提供的具有核壳结构的材料（也即SiO2AuNPs）在制备促进小鼠成纤维细胞或宫颈癌细胞生长的产品中的应用，也属于本发明的保护范围。其中，所述小鼠成纤维细胞为NIH/3T3细胞；所述宫颈癌细胞为Hela细胞。
促进细胞生长包括：将所述具有核壳结构的材料与所述小鼠成纤维细胞或宫颈癌细胞共同培养。
本发明提供的SiO2AuNPs核壳材料是由金壳和二氧化硅核组成的一种球形分层纳米复合颗粒。本发明发现将纳米金颗粒固定在直径为80～800nm的二氧化硅球上形成SiO2AuNPs核壳结构时，能够促进Hela细胞的生长。实验结果表明，对于相同覆盖度的SiO2AuNPs，G1和G2随着摩尔浓度增加，Hela细胞的活性呈增加趋势；G3当摩尔浓度增加到9.3nM时，细胞活性最大，随后随着浓度增加，活性稍有下降。对于同一浓度的三种SiO2AuNPs，随着硅球上的AuNPs增多，Hela细胞的增值率增加。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的200nmSiO2AuNPs核壳材料的扫描电镜图片。
图2为本发明实施例3制备的G1核壳材料的扫描电镜图片。
图3为本发明实施例4制备的G2核壳材料的扫描电镜图片。
图4为本发明实施例5制备的G3核壳材料的扫描电镜图片。
图5为本发明实施例2-4三种500nmSiO2AuNPs核壳材料对Hela细胞的活性影响曲线。
图6为本发明实施例2-4三种500nmSiO2AuNPs核壳材料对小鼠成纤维细胞NIH/3T3的活性影响曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。
下述实施例所用宫颈癌细胞株（Hela）和小鼠成纤维细胞（NIH/3T3）购自美国模式培养物保藏所（AmericanTypeCultureCollection,ATCC）。
下述实施例中所用金溶胶均按照文献T.Liu,J.A.Tang,L.Jiang,TheenhancementeffectofgoldnanoparticlesasasurfacemodifieronDNAsensorsensitivity.Biochem.Biophys.Res.Commun.313(2004)3提供的方法制备得到，具体包括如下步骤：
（1）在20mL去离子水中加入85μL质量分数2%的氯金酸水溶液，64.5μL质量分数2%的柠檬酸钠水溶液，搅拌混匀；
（2）将2.85mg硼氢化钠溶于0.75mL去离子水中，剧烈搅拌下，快速加到上述步骤（1）的溶液中，室温反应30min后即可得到所需金溶胶。
所用金种生长剂的水溶液均按照文献(ShiW.;SahooY.;SwihartM.andPrasadP.GoldNanoshellsonPolystyreneCoresforControlofSurfacePlasmonResonance.Langmuir,2005,21,1610-1617)提供的方法制备得到，该方法具体包括如下步骤：
（1）称取0.05g碳酸钾溶于185mL去离子水搅拌15min，得到碳酸钾的水溶液；
（2）室温下将15mL5mM的氯金酸水溶液加到上述步骤（1）所得碳酸钾的水溶液中，继续搅拌，溶液逐渐由黄色变为无色后将其放置于暗处沉积24h而得。
实施例1、200nmSiO2AuNPs核壳材料的制备
1）首先制备SiO2的乙醇溶液：
根据Stober法，将正硅酸乙酯（TEOS）、质量百分浓度为25%的氨水、水、无水乙醇按照体积比1：0.67：1.2：16.6称量后，先将正硅酸乙酯和一半体积的无水乙醇混合搅拌15min，形成A液后；将氨水、去离子水和一半体积的无水乙醇混合搅拌15min，形成B液后，于室温，将A液滴加到快速搅拌的B液中，搅拌过夜，得到SiO2的乙醇溶液；
其中，SiO2的粒径为200nm，SiO2和无水乙醇的质量比为2：100；
再制备氨基改性的SiO2乙醇溶液：
然后按照3-氨丙基三甲氧基硅烷（APTES）和SiO2的乙醇溶液体积比为0.01：1向所得SiO2的乙醇溶液中加入APTES混合搅拌过夜，多次离心，每次均收集沉淀后重新分散到乙醇中，得到的氨基改性的SiO2乙醇溶液。
2）将步骤1）所得氨基改性的改性SiO2乙醇溶液1mL与20mL金的摩尔浓度为48.6mM、粒径为3.5nm的金溶胶混合，慢速搅拌30min，离心收集沉淀重新分散到4mL水中，得到200nmSiO2AuNPs金种溶液。
3）将1mL步骤2）所得SiO2AuNPs金种溶液和10mL金种生长剂的水溶液混合，加氨水调节pH值至9-10，20μL保护剂PVP-K30，10μL甲醛作为还原剂，缓慢搅拌于室温下进行还原反应12小时，得到本发明提供的具有核壳结构的材料SiO2AuNPs核壳颗粒。
该SiO2AuNPs核壳颗粒的扫描电镜照片如图1所示。由图可知，该材料由壳、核和带氨基的表面活性剂组成；
构成壳的材料为金；
构成核的材料为二氧化硅；
壳与核之间通过表面活性剂APTES相连；
其中，APTES与核之间通过硅氧键相连，与壳之间通过正负静电作用力相连；
核位于壳的中心，且被壳全包围。
核的粒径为200nm；壳的厚度为4nm。
实施例2、350nmSiO2AuNPs核壳材料的制备
1）同实施例1步骤1），仅将步骤1）中正硅酸乙酯（TEOS）、氨水、水、无水乙醇的体积比替换为1：0.67：1.34：16.6，得到SiO2粒径为350nm的乙醇溶液；后续步骤与步骤1）相同，仅将APTES替换为C18N3，得到氨基改性的乙醇溶液；
步骤2）和3）与实施例1相同，仅将步骤2）所用氨基改性的乙醇溶液替换为该实施例步骤1）所得氨基改性的乙醇溶液即可，得到本发明提供的具有核壳结构的材料SiO2AuNPs核壳颗粒。
该材料的结构与实施例1相同，区别仅在核与壳之间通过表面活性剂C18N3相连，C18N3与核之间通过物理吸附作用相连，与壳之间通过正负静电作用力相连；SiO2的粒径为350nm，壳的厚度为6nm。
实施例3、500nmSiO2AuNPs核壳材料G1的制备
1）同实施例1步骤1），仅将步骤1）中正硅酸乙酯（TEOS）、氨水、水、无水乙醇的体积比替换为1：1：1.8：16.6，得到SiO2粒径为500nm的乙醇溶液；后续步骤与步骤1）相同，得到氨基改性的乙醇溶液；
步骤2）和3）与实施例1相同，仅将步骤2）所用氨基改性的乙醇溶液替换为该实施例步骤1）所得氨基改性的乙醇溶液即可，得到本发明提供的具有核壳结构的材料SiO2AuNPs核壳颗粒（命名为G1）。
该材料的结构与实施例1相同，扫描电镜照片如图2所示，区别仅在SiO2的粒径为500nm，壳的厚度为4nm。
实施例4、500nmSiO2AuNPs核壳材料G2的制备
1）和2）同实施例3的步骤1）和2）。
3）同实施例1步骤3），仅将金种生长剂的水溶液的体积用量替换为25mL，甲醛的体积用量替换为25μL，保护剂PVP的体积用量替换为40μL，得到本发明提供的具有核壳结构的材料SiO2AuNPs核壳颗粒（命名为G2）。
该材料的结构与实施例1相同，扫描电镜照片如图3所示，区别仅在SiO2的粒径为500nm，壳的厚度为10nm。
实施例5、500nmSiO2AuNPs核壳材料G3的制备
1）和2）同实施例3的步骤1）和2）。
3）同实施例1步骤3），仅将金种生长剂的水溶液的体积用量替换为40mL，甲醛的体积用量替换为40μL，保护剂PVP的体积用量替换为60μL，得到本发明提供的具有核壳结构的材料SiO2AuNPs核壳颗粒（命名为G3）。
该材料的结构与实施例1相同，扫描电镜照片如图4所示，区别仅在SiO2的粒径为500nm，壳的厚度为20nm。
实施例6、SiO2Au核壳材料与Hela细胞共培养
1）将实施例2、3、4制备的G1、G2、G3核壳材料分别溶于超纯水中配成6个不同的摩尔浓度，即1.9nM、4.7nM、9.3nM、18.7nM、37.3nM、56nM。在加入细胞前，紫外灯下灭菌1h。
2）取指数生长期的Hela细胞于96孔板中种板。设置5个空白组，5个对照组，每个SiO2AuNPs浓度设置5个复孔。每孔细胞密度为1*104个，每孔加100μL含10%新生牛血清（NCS）的DMEM血清，在37℃5%二氧化碳培养箱中过夜培养使细胞贴壁。然后每孔加样品10μL，继续培养24h。
3）吸取旧培养基，用PBS溶液洗两遍，每孔加90μL含10%新生牛血清（NCS）的DMEM血清、10μLCCK-8溶液，于5%二氧化碳培养箱中孵育1h。然后用酶标仪在450nm处测试每个孔的吸光度（即OD值）。
根据下面公式评估细胞的相对活性。可知增值率可达100%～200%。
Cellactivity(%)=(ODsample-OD-)/(OD+-OD-)
其中，OD-是只加含10%NCS的DMEM培养基的吸光值；
OD+是加了Hela细胞和含10%NCS的DMEM培养基而没有加样品的吸光值。
所得Hela细胞活性曲线如图5所示。
由图可知，对于同种500nmSiO2AuNPs，G1和G2随着摩尔浓度增加，Hela细胞的活性呈增加趋势；G3当摩尔浓度增加到9.3nM时，细胞活性最大，随后随着浓度增加，活性稍有下降。对于同一浓度的三种SiO2AuNPs，随着硅球上的AuNPs增多，Hela细胞的增值率增加。
实施例7、SiO2Au核壳材料与NIH/3T3细胞共培养
1)、2）和3）同实施例6的步骤1)、2）和3），仅将Hela细胞替换为NIH/3T3细胞。
所得NIH/3T3细胞活性曲线如图6所示。
由图可知，对于同种500nmSiO2AuNPs，随着摩尔浓度增加，NIH/3T3细胞的活性呈增加趋势，对于同一浓度的三种SiO2AuNPs，G3对细胞的增殖作用最好。

Claims (3)

1.具有核壳结构的材料在制备促进小鼠成纤维细胞或宫颈癌细胞生长的产品中的应用；
所述具有核壳结构的材料，由壳、核和带氨基的表面活性剂组成；
构成所述壳的材料为金；
构成所述核的材料为二氧化硅；
所述壳与核之间通过所述带氨基的表面活性剂相连；
其中，所述带氨基的表面活性剂与核之间通过硅氧键或物理吸附作用相连，与壳之间通过正负静电作用力相连；
所述核的粒径为200-500nm；
所述壳的厚度为0-20nm，且所述壳的厚度不为0；
所述带氨基的表面活性剂选自(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷、(3-巯基丙基)三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、辛基三甲氧基硅烷、(3-氨丙基)三乙氧基硅烷、(3-氨丙基)三甲氧基硅烷和N,N-二(氨基乙基酰甲基乙基)十八烷基胺中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述小鼠成纤维细胞为NIH/3T3细胞；
所述宫颈癌细胞为Hela细胞。
3.根据权利要求1或2所述的应用，其特征在于：所述促进小鼠成纤维细胞或宫颈癌细胞生长包括：将所述具有核壳结构的材料与所述小鼠成纤维细胞或宫颈癌细胞共同培养。
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