CN104003404A - 一种多孔二氧化硅纳米粒子的制备方法及其用途 - Google Patents

Abstract

一种生物兼容并可生物降解的多孔二氧化硅纳米粒子的制备方法，通过多孔碳酸钙纳米粒子为模板一步法合成，用作模板的多孔碳酸钙纳米粒子内部掺杂有明胶或淀粉等生物分子，除去模板之后该生物分子会留在多孔二氧化硅纳米粒子的内部。在生物环境中制备的多孔二氧化硅纳米粒子具有生物相容性和生物可降解性。本发明得到的二氧化硅纳米粒子分散性好，具有丰富的纳米孔隙，可作为一种抗癌药物载体应用于生物医药领域。

Description

一种多孔二氧化硅纳米粒子的制备方法及其用途

技术领域

本发明涉及一种多孔二氧化硅纳米粒子的制备方法及其用途，特别涉及一种生物兼容并可生物降解的多孔二氧化硅纳米粒子的制备方法及其用途。

背景技术

介孔二氧化硅纳米粒子是指直径为几百纳米，并且内部具有10纳米以内的多孔结构的纳米材料。该纳米粒子以球形为主，也可以是椭圆形、短棒型或空壳结构。该纳米粒子因结构稳定，生物相容性好，并且内部具有丰富的多孔结构，因而常常被用作药物或者其它生物分子的载体应用于生物医药领域。

目前制备介孔二氧化硅纳米粒子通用的方法是表面活性剂介导的溶胶凝胶法。即正硅酸乙酯在高浓度的表面活性剂(如十六烷基三甲基溴化铵)的溶液中通过自组装并水解生成。然后通过高温煅烧或者酸醇混合溶液除去表面活性剂。该方法不仅使用大量的表面活性剂而增加成本，而且为了除去表面活性剂而使用苛刻的条件。

另外，因为二氧化硅的刚性结构和化学惰性，该材料通常认为在生物环境中难以降解。例如，唐芳琼等人分别研究了介孔二氧化硅纳米粒子在不同溶液中的降解行为(Fang-Qiong Tang,et al.,In Vitro Degradation Behavior of SilicaNanoparticles Under Physiological Conditions,Journal of Nanoscience andNanotechnology,Vol.12,6346–6354,2012)，结果表明介孔结构的二氧化硅纳米粒子在缓冲溶液中难以被降解，而在牛血清蛋白溶液中30天以上会发生缓慢的降解。而在实际应用中，二氧化硅纳米粒子长期在体内堆积，很容易引起排异反应。

基于上述原因，本发明提出了一种无需表面活性剂，制备生物兼容并可生物降解的多孔二氧化硅纳米粒子的制备方法，并负载抗癌药物应用于肿瘤治疗等生物医药领域。

发明内容

本发明在于提供一种生物兼容并可生物降解的多孔二氧化硅纳米粒子的制备方法，通过多孔碳酸钙纳米粒子为模板一步法合成，用作模板的多孔碳酸钙纳米粒子内部掺杂有明胶或淀粉等生物分子，除去模板之后该生物分子会留在多孔二氧化硅纳米粒子的内部。

本发明的多孔二氧化硅纳米粒子在生物环境中制备，具有生物相容性和生物可降解性。且分散性好，具有丰富的纳米孔隙，可作为一种抗癌药物载体应用于生物医药领域。

为达上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种多孔二氧化硅纳米粒子的制备方法，包括以下步骤：

(a)制备掺杂有生物分子的碳酸钙纳米粒子；

(b)在步骤(a)制得的碳酸钙纳米粒子表面水解生成二氧化硅；

(c)除去碳酸钙模板，获得多孔二氧化硅纳米粒子。

对于本发明，所述制备方法中，步骤(a)通过一锅法制备。

优选地，步骤(a)过程为：将生物分子、碳酸钠、氯化钙水溶液共混，搅拌至析出白色沉淀，分离洗涤。其中搅拌优选为快速搅拌；分离可使用常规的分离方法，如离心分离、过滤分离等分离方法，优选为离心分离。

优选地，所述生物分子为明胶、淀粉、壳聚糖或海藻酸钠中的1种或2种以上的混合。

对于本发明，所述制备方法中，步骤(b)的过程为：将步骤(a)中得到的粒子再分散到含有正硅酸乙酯的乙醇溶液中吸附，然后分离，再分散到乙醇、水、氨水的混合溶液中反应，分离洗涤。分离可使用常规的分离方法，如离心分离、过滤分离等分离方法，优选为离心分离。

对于本发明，所述制备方法中，步骤(c)的过程为：步骤(b)得到的粒子分散到EDTA溶液中，除去碳酸钙模板粒子。

本发明以碳酸钙纳米粒子为模板制备得到具有丰富的纳米孔隙并掺杂有生物分子的多孔二氧化硅纳米粒子，其为生物相容且可生物降解的纳米粒子。

对于本发明，所述制备方法中，优选包括以下步骤：

(a)将生物分子、碳酸钠、氯化钙溶液共混，快速搅拌，离心洗涤；

(b)将步骤(a)中得到的粒子再分散到含有正硅酸乙酯的溶液中吸附，离心后，加入氨水、乙醇混合溶液，使正硅酸乙酯在多孔碳酸钙表面水解生成二氧化硅；

(c)将步骤(b)中得到的粒子用去离子水洗涤三次，加入到含有乙二胺四乙酸二钠(EDTA)的溶液中，混合搅拌除去碳酸钙模板，获得多孔二氧化硅纳米粒子。

本发明所用的原料物质的量不作特别限定限定，只要不是极端条件，物质的量的差异对产物形态影响不大。

本发明的目的之一还在于提供本发明所述的多孔二氧化硅纳米粒子由于分散性好，具有丰富的纳米孔隙，可作为抗癌药物载体或细胞标记等应用于生物医药领域。

根据本发明的方法制备孔二氧化硅纳米粒子具有如下优点：

(1)方法简单：制备多孔二氧化硅纳米粒子所用的纳米碳酸钙模板，为一步法快速合成，除碳酸钙模板的方法也是通过简单且温和的条件实现，避免了传统的表面活性剂介导的溶胶凝胶法复杂的反应步骤和苛刻的除模板条件。

(2)制备多孔二氧化硅纳米粒子所用的原材料都是廉价的常用化学试剂，大大降低了材料的制备成本。

(3)制备多孔二氧化硅纳米粒子所用的原材料都也是FDA批准的常用食品及药物原材料，因而在临床前研究中可以大大降低生物安全问题。

(4)制备的多孔二氧化硅纳米粒子因有明胶等生物分子的掺杂，因而该材料具有一定的可生物降解性质。

附图说明

图1明胶分子掺杂的多孔二氧化硅纳米粒子制备示意图及用于抗癌药物的装载于释放；

图2是实施例1制备的明胶掺杂多孔二氧化硅纳米粒子局部断层的扫描电镜图像；

图3实施例1制备的明胶掺杂多孔二氧化硅纳米粒子的扫描电镜图像；

图4是实施例1制备的明胶掺杂多孔二氧化硅纳米粒子的透射电子显微镜图像及其元素分布分析；

图5是实施例1制备的明胶掺杂多孔二氧化硅纳米粒子在37℃环境中，在缓冲溶液里不同时间降解后的透射电子显微镜图片；

图6是绿色荧光染料FITC标记的实施例1制备的明胶掺杂多孔二氧化硅纳米粒子以及该材料与MCF-7细胞共培养5天以后的的激光共聚焦图像；

图7是实施例1制备的明胶掺杂的多孔二氧化硅纳米粒子对MCF-7细胞毒性的研究；

图8是实施例1制备的多孔二氧化硅纳米粒子吸附抗癌药物阿霉素之后的透射电子显微镜图像，以及该材料不同时间内与MCF-7细胞共同孵育后对该细胞形态的影响；

图9是不同剂量的上述包裹有阿霉素的纳米粒子对MCF-7细胞的活性影响；

图10是实施例2制备的多孔二氧化硅纳米粒子的透射电镜图像；

图11是实施例2制备的多孔二氧化硅纳米粒子的扫描电镜图像；

图12是实施例2制备的多孔二氧化硅纳米粒子吸附不同量的阿霉素照片，及表面电势变化；

图13是不同剂量的包裹有阿霉素的淀粉掺杂的多孔二氧化硅纳米粒子对MCF-7细胞的活性影响；

图14是上述制备的包裹有阿霉素的淀粉掺杂的多孔二氧化硅纳米粒子对小鼠肝癌的抑瘤效果。

具体实施方式

为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅用于帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

图1明胶分子掺杂的多孔二氧化硅纳米粒子制备示意图及用于抗癌药物的装载于释放。

实施例1

(1)制备明胶掺杂的具有多孔结构的碳酸钙纳米粒子

取200mg明胶溶于50℃100mL水溶液中，然后加入147.02mgCaCl₂·2H₂O溶解。另取105.99mg NaCO₃溶于100mL水溶液中。于室温并快速搅拌的条件下将碳酸钠水溶液加入到含明胶的氯化钙水溶液中，搅拌6小时后离心洗涤3次，干燥备用。

(2)制备明胶掺杂的多孔结构的二氧化硅纳米粒子

取100mg上述制备的明胶掺杂的碳酸钙纳米粒子，加入2mL50％正硅酸乙酯/乙醇溶液(体积比)吸附过夜。离心洗涤，除去没有吸附的正硅酸乙酯，然后将此碳酸钙转移到50mL圆底烧瓶中，加入6mL乙醇、2.5mL氨水以及2.5mL水搅拌反应过夜。将反应后的碳酸钙离心洗涤3次，加入6mL EDTA除去碳酸钙，此过程重复3次，确保除去碳酸钙，最后离心洗涤3次，将所得明胶掺杂的多孔二氧化硅纳米粒子分散在水溶液中备用。

图2是本实施例制备的明胶掺杂多孔二氧化硅纳米粒子局部断层的扫描电镜图像；图3是本实施例制备的明胶掺杂多孔二氧化硅纳米粒子的扫描电镜图像；表明了内部具有丰富的多孔结构；图4是本实施例制备的明胶掺杂多孔二氧化硅纳米粒子的透射电子显微镜图像及其元素分布分析，可明显看到来自二氧化硅的硅元素分布，以及来自明胶的氮元素分布，表明材料是由二氧化硅和明胶组分组成；图5是本实施例制备的明胶掺杂多孔二氧化硅纳米粒子在37℃环境中，在缓冲溶液里不同时间降解后的透射电子显微镜图片，表明该材料在上述条件下12天以后会被降解掉。

(3)制备荧光分子FITC标记的多孔二氧化硅纳米粒子

将100mg上述制备的多孔二氧化硅纳米粒子分散于10ml乙醇、2.3ml水、1.87ml氨水溶液中混合搅拌均匀后，加入150μL(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷。反应12h后分别用乙醇及去离子水洗涤，干燥。然后取30mg分散于10ml碳酸钠缓冲溶液中(ph＝10.2)，加入800μL FITC的DMF溶液(2g/L)，反应24h，用乙醇洗涤4次。

图6是绿色荧光染料FITC标记的本实施例制备的明胶掺杂多孔二氧化硅纳米粒子以及该材料与MCF-7细胞共培养5天以后的的激光共聚焦图像，表明该材料会很容易被细胞内吞；图7是本实施例制备的明胶掺杂的多孔二氧化硅纳米粒子对MCF-7细胞毒性的研究，证明该材料有良好的细胞相容性；图8是本实施例制备的多孔二氧化硅纳米粒子吸附抗癌药物阿霉素之后的透射电子显微镜图像，以及该材料不同时间内与MCF-7细胞共同孵育后对该细胞形态的影响。可以看出8天以后，由于阿霉素在细胞内缓慢释放，引起了细胞毒性，最终导致细胞凋亡；图9是不同剂量的上述包裹有阿霉素的纳米粒子对MCF-7细胞的活性影响，可以证明该粒子装载阿霉素后在体外条件下对MCF-7细胞有明显的细胞毒性，是一种潜在的抗癌药物载体。

实施例2

(1)制备淀粉掺杂的具有多孔结构的碳酸钙纳米粒子

取200mg可溶淀粉溶于100mL沸水中，然后加入147.02mgCaCl₂·2H₂O溶解。另取105.99mg NaCO₃溶于100mL水溶液中。快速搅拌的条件下将碳酸钠水溶液加入氯化钙水溶液中，搅拌6小时后离心洗涤3次，乙醇干燥备用

(2)制备淀粉掺杂的多孔结构的二氧化硅纳米粒子

取100mg上述制备的淀粉掺杂的碳酸钙纳米粒子，加入2mL50％正硅酸乙酯/乙醇溶液(体积比)吸附过夜。离心洗涤，除去没有吸附的正硅酸乙酯，然后将此碳酸钙转移到50mL圆底烧瓶中，搅拌的条件下加入6mL乙醇、2.5mL氨水以及2.5mL水，反应过夜。将反应后的碳酸钙离心洗涤3次，加入6mL EDTA除去碳酸钙，此过程重复3次，确保除去碳酸钙，最后离心洗涤3次将所得淀粉掺杂的多孔二氧化硅纳米粒子分散在水溶液中备用。

图10、图11分别是本实施例制备的多孔二氧化硅纳米粒子的透射电镜图像和扫描电镜图像，表明同样方法制备的淀粉掺杂的多孔二氧化硅纳米粒子具有类似的多孔结构；图12是本实施例制备的多孔二氧化硅纳米粒子吸附不同量的阿霉素照片，及表面电势变化，表明其对阿霉素具有很好的装载效率；图13是不同剂量的包裹有阿霉素的淀粉掺杂的多孔二氧化硅纳米粒子对MCF-7细胞的活性影响，可以证明该粒子装载阿霉素后在体外条件下对MCF-7细胞有明显的细胞毒性，是一种潜在的抗癌药物载体；图14是上述制备的包裹有阿霉素的淀粉掺杂的多孔二氧化硅纳米粒子对小鼠肝癌的抑瘤效果，与隐性对照及阳性对照组相比，该载药纳米粒子对小鼠肝癌具有明显的抑瘤率。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (9)

1.一种多孔二氧化硅纳米粒子的制备方法，包括以下步骤：

(a)制备掺杂有生物分子的碳酸钙纳米粒子；

(b)在步骤(a)制得的碳酸钙纳米粒子表面水解生成二氧化硅；

(c)除去碳酸钙模板，获得多孔二氧化硅纳米粒子。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(a)通过一锅法制备。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(a)过程为：将生物分子、碳酸钠、氯化钙水溶液共混，搅拌至析出白色沉淀，分离洗涤。

4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述生物分子为明胶、淀粉、壳聚糖或海藻酸钠中的1种或2种以上的混合。

5.根据权利要求1-4任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(b)的过程为：将步骤(a)中得到的粒子再分散到含有正硅酸乙酯的乙醇溶液中吸附，然后分离，再分散到乙醇、水、氨水的混合溶液中反应，分离洗涤。

6.根据权利要求1-5任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(c)的过程为：步骤(b)得到的粒子分散到EDTA溶液中，除去碳酸钙模板粒子。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a)将生物分子、碳酸钠、氯化钙溶液共混，快速搅拌，离心洗涤；

(b)将步骤(a)中得到的粒子再分散到含有正硅酸乙酯的溶液中吸附，离心后，加入氨水、乙醇混合溶液，使正硅酸乙酯在多孔碳酸钙表面水解生成二氧化硅；

(c)将步骤(b)中得到的粒子用去离子水洗涤三次，加入到含有乙二胺四乙酸二钠(EDTA)的溶液中，混合搅拌除去碳酸钙模板，获得多孔二氧化硅纳米粒子。

8.一种权利要求1-7任一项所述的多孔二氧化硅纳米粒子在医药领域的用途。

9.根据权利要求8所述的用途，其特征在于，所述多孔二氧化硅纳米粒子作为抗癌药物载体或细胞标记。