CN106587078A - 一种介孔二氧化硅纳米粒子的制备方法 - Google Patents
一种介孔二氧化硅纳米粒子的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种介孔二氧化硅纳米粒子的制备方法,将一定比例的乙醇和蒸馏水混合后作为溶剂,然后加入三乙醇胺作为碱和螯合剂、加入十六烷基三甲基氯化铵作为模板剂,然后加热至25‑80℃,2‑3 min内加入正硅酸乙酯,搅拌反应0.5‑6 h,待反应液冷却至室温后,将所得产物固液分离,用水和乙醇洗涤,除掉模板,然后用蒸馏水和无水乙醇各洗涤多次,最后将所得的介孔二氧化硅纳米粒颗分散于25 mL水中,形成胶体,该胶体稳定性高、可生物降解、能应用于生物医药领域,本发明制备方法合成工艺简单、操作容易、重复性好、原料廉价易得,制得的介孔二氧化硅纳米球呈单分散、形貌可控,比表面积大。
Description
技术领域
本发明属于生物医药技术领域,具体涉及一种介孔二氧化硅纳米粒子的制备方法。
背景技术
药物控缓释载体材料以用药量小、作用时间长、靶向作用好等特点受到了广泛的关注,目前随着复合药物载体材料和经皮给药装置研究的发展,控缓释材料在临床治疗中的应用必将更加广泛。
自从1992年,Kerse等首次合成了MCM-41型介孔分子筛以来,介孔材料在化学工业、生物技术、吸附分离、催化等领域便得到了广泛的应用。介孔材料具有规则的介孔孔道和均一可调的孔径、较大的比表面积和孔容、较好的热稳定性、易修饰、生物相容性高等优点,尤其常常被用作药物或者其他生物分子的载体被应用于生物医药领域。
其中,在介孔材料中,介孔二氧化硅由于具有结构稳定、孔径可调、易修饰等特点,是缓控释载体的理想材料之一。目前,介孔二氧化硅纳米材料的制备方法主要有溶胶-凝胶法、水热合成法、室温合成法、微波合成法、沉淀法以及非水体系合成法等。尽管合成介孔二氧化硅纳米粒子的方法有很多,但粒子的尺寸设计是细胞追踪和纳米药物载体颗粒系统的一个重要参数,纳米粒子的粒径能影响细胞摄取的机制和纳米粒子通过组织的渗透能力,但如何获得尺寸和形貌可控且药物载药和缓释性能优良的纳米粒子,仍然是一项艰巨的挑战。因此,探索合成优良形貌且尺寸可控的介孔二氧化硅纳米球的方法是非常有必要的。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题,本发明提供了一种可控的介孔二氧化硅纳米粒子的制备方法,通过二氧化硅前驱体在碱性及表面活性剂存在的条件下水解,再经固液分离、除模板、洗涤、最后获得介孔二氧化硅纳米粒子。
本发明采用技术方案具体如下:
一种介孔二氧化硅纳米粒子的制备方法,包括以下步骤:
(1)取体积比为5-8:1的蒸馏水和乙醇,混合均匀后加入表面活性剂,室温搅拌混匀,得到混合溶液A,混合溶液A中表面活性剂的浓度为0.015-0.06g/mL;然后加入三乙醇胺,继续搅拌至混合均匀,得到混合溶液B;
(2)将混合溶液B加热至25-80℃,在2-3min内加入二氧化硅前驱体,搅拌反应0.5-6h;待反应液自然冷却至室温后,固液分离,将所得固体分别用蒸馏水和乙醇洗涤多次;所述二氧化硅前驱体、三乙醇胺和表面活性剂的摩尔比为1:1-5:0.14-0.54;
(3)将步骤(2)所得固体置于去模板溶剂中,50-70℃下回流2-3次,每次回流2-4h,回流结束后分别用水和乙醇洗涤多次,固液分离,最后得到介孔二氧化硅纳米粒子;所述的去模板溶剂为NH3·NO3-乙醇溶液或盐酸-乙醇溶液。
步骤(1)中,所述的蒸馏水和乙醇的体积比为6.8:1。
步骤(1)中,所述的表面活性剂为十六烷基三甲基氯化铵或十六烷基三甲基溴化铵。优选地,所述的表面活性剂为十六烷基三甲基氯化铵,其摩尔用量为TEOS/CTAC=1:0.14-0.54,如实施例中加入1.454mL正硅酸乙酯时,加入表面活性剂的量为0.28g、0.56g、1.12g等,另一方面,表面活性剂过低过高均会影响纳米粒子的团聚,当表面活性剂过低时,粒子表面只有少量的表面活性剂吸附在其表面,在其空白位置上易形成搭桥效应,引起颗粒团聚,粒径增加,当表面活性剂浓度过高时,一方面会引起溶液粘度增大,胶粒移动困难,已成核的胶粒易于聚集,形成大颗粒,另一方面过量的表面活性剂之间产生桥联作用,使纳米晶粒互相聚集长大,故控制混合溶液A中表面活性剂的浓度为0.015~0.06g/mL。
所述的去模板溶剂为盐酸-乙醇溶液,所述的盐酸-乙醇溶液由体积比为9:1的乙醇和浓盐酸(37%)混合而成。
本发明所述的二氧化硅前驱体为能够水解获得二氧化硅的物质,典型但非限制性地选自正硅酸乙酯、正硅酸丙酯、正硅酸异丙酯中的一种或至少两种的混合物。优选地,所述的二氧化硅前驱体为正硅酸乙酯(TEOS)。
所述的固液分离方式为离心分离或过滤分离。
将步骤(3)所得的介孔二氧化硅纳米粒子分散于水中,形成溶胶后进行保存。
本发明二氧化硅前驱体的水解在三乙醇胺(TEA)调节的碱性环境中进行,所述碱性催化剂的加入有利于二氧化硅前驱体的水解,所述正硅酸乙酯与三乙醇胺的摩尔比为1:1-5,如1:1、1:2、1:3、1:4、1:5等。摩尔比不同时,制备得到的介孔二氧化硅纳米粒子的粒径不同,粒径随TEA比例的增加,粒径增大,可在100-200nm以内的范围调节。
二氧化硅前驱体的水解温度为25-80℃,如25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80等,水解时间不同,制备得到的介孔二氧化硅纳米粒子的粒径不同,在室温条件下,不利于碱的水解。
二氧化硅前驱体的水解时间为30-360min,如30min、60min、120min、240min、360min等。所水解的时间不同,制备得到的介孔二氧化硅纳米粒子的粒径不同,一般随反应时间的增大,粒径增大,可在100-200nm以内的范围调节。
水解过程中,持续进行搅拌,步骤(2)中搅拌的速度为500-2000rpm,如600、700、800、900、1000、1100、1200、1300、1400、1500、1600、1700、1800、1900等。
由上可知,本发明通过二氧化硅前驱体在碱性条件下的水解、缩合作用合成介孔二氧化硅纳米粒子。本发明提供的合成介孔二氧化硅纳米粒子的合成方法简单,反应条件温和,原料易得,且本发明提供了不同工艺条件下介孔二氧化硅纳米粒子的制备方法,可制得不同粒径的介孔二氧化硅纳米粒子,本发明可以制备出具有规则孔道的蠕虫状的介孔二氧化硅纳米粒子,孔径可调,具有丰富的孔隙结构,具有良好的生物相容性和生物可降解性,可应用于生物医药方面,如药物的装载与运输,修饰后可用于荧光标记、诊断等领域,能够作为一种抗癌药物载体应用于生物领域。
与现有技术相比,本发明技术具有以下显著优点:
(1)本发明用三乙醇胺不仅代替了氢氧化钠或氨水,且三乙醇胺可用作硅酸盐的螯合剂,本发明制成的介孔二氧化硅纳米球,粒径小且分布狭窄、分散性好、稳定,并呈现一个均匀的球形形状与蠕虫状的孔;
(2)本发明合成工艺简单、操作容易、重复性好、低毒、生物相容性好、制得的介孔二氧化硅纳米球呈单分散、形貌可控,比表面积大,且修饰后的介孔二氧化硅可用于纳米载药体系、荧光标记等;
(3)除模板采用的方法较简单,避免了传统的工艺煅烧除模板或或耗时长等缺点,采用该方法模板除的很彻底。
附图说明
图1为本发明实施例1中的所得介孔二氧化硅纳米粒子的TEM图。
图2为本发明实施例6中所得的介孔二氧化硅纳米粒子的TEM图。
图3为本发明实施例8中所得的介孔二氧化硅纳米粒子的TEM图。
图4为本发明实施例1中的所得介孔二氧化硅纳米粒子的粒径分布图。
具体实施方式
实施例1
(1)取16mL蒸馏水和2.35mL乙醇一起倒入100mL带塞子的密封圆底烧瓶中,然后加入0.56g十六烷基三甲基氯化铵(CTAC),室温下磁力搅拌10min,使溶液充分混合;
(2)然后在步骤(1)制得的混合溶液中加入2.6mL三乙醇胺,继续搅拌15min,直至三乙醇胺完全溶解;
(3)将上述溶液加热至60℃,然后在2-3min内加入1.454mL正硅酸乙酯,继续搅拌2h;
(4)待反应溶液冷却至室温后,将所得产物进行离心分离,所得固体用蒸馏水和乙醇各洗涤多次;
(5)去除模板:将步骤(4)所得的固体置于45mL乙醇和5mL盐酸(37%,体积分数)组成的混合溶液中,60℃下回流两次,每次回流2h。回流结束后用水和乙醇分别洗涤多次,离心分离,最后所得到的介孔二氧化硅纳米粒子,分散于25mL水中,形成介孔二氧化硅纳米粒子胶体,进行保存。
图1为本发明实施例1中所得的介孔二氧化硅纳米粒子的TEM图。TEM分析:采用美国JEOL JEM-2100F型透射电子显微镜观察样品的形貌特征、粒度大小及分散情况。从图1可知,本发明制备的介孔二氧化硅纳米球,为大小均匀的球形粒子,其粒径在80nm左右(DLS:150nm),分散指数为0.080。DLS分析的粒径要比TEM分析的粒径大,这是因为两种仪器采用了不同的表征原理。DLS分析的是粒子分散在水中的水合粒径的大小,而TEM分析的是纳米粒子干燥后的粒子大小,因此会出现两种表征手段所测得的粒径不一样。制备的介孔二氧化硅纳米粒子保持高度有序特性,孔径分布较为狭窄,其BET比表面积为1545.1m2/g,平均孔径为1.92nm。
图4为本发明实施例1中的所得介孔二氧化硅纳米粒子的粒径分布图。DLS分析:采用马尔文纳米激光粒度仪ZS90观察纳米粒子的粒径分布情况,可从图中看出具有相对窄的颗粒分布。
实施例2
制备介孔二氧化硅纳米粒子的制备方法与实施例1相同,不同点在于,TEA的加入量为0.87mL,控制TEOS/TEA的摩尔比为1:1。
采用与实施例1相同的方法对本实施例所制备的介孔二氧化硅纳米粒子进行粒度测试。经粒度分析仪测试,所得介孔二氧化硅纳米粒子平均粒径为200.6nm,粒径呈正态分布,粒径分散指数0.199,在此条件下合成的介孔二氧化硅纳米粒子的粒径有点偏大,有可能是纳米粒子团聚所导致。
实施例3
制备介孔二氧化硅纳米粒子的制备方法与实施例1相同,不同点在于,TEA的加入量为1.74mL,控制TEOS/TEA的摩尔比为1:2。
采用与实施例1相同的方法对本实施例所制备的介孔二氧化硅纳米粒子进行粒度测试。经粒度分析仪测试,所得介孔二氧化硅纳米粒子平均粒径为150.8nm,粒径呈正态分布,粒径分散指数为0.108。
实施例4
制备介孔二氧化硅纳米粒子的制备方法与实施例1相同,不同点在于,TEA的加入量为3.48mL,控制TEOS/TEA的摩尔比为1:4。
采用与实施例1相同的方法对本实施例所制备的介孔二氧化硅纳米粒子进行粒度测试。经粒度分析仪测试,所得介孔二氧化硅纳米粒子平均粒径为182.8nm,粒径呈正态分布,粒径分散指数为0.17。
实施例5
制备介孔二氧化硅纳米粒子的制备方法与实施例1相同,不同点在于,TEA的加入量为4.35mL,控制TEOS/TEA的摩尔比为1:5。
采用与实施例1相同的方法对本实施例所制备的介孔二氧化硅纳米粒子进行粒度测试。经粒度分析仪测试,所得介孔二氧化硅纳米粒子平均粒径为197.6nm,粒径呈正态分布,粒径分散指数为0.184。
实施例6
制备介孔二氧化硅纳米粒子的制备方法与实施例1相同,不同点在于,加入表面活性剂的质量为0.28g,控制TEOS/TEA的摩尔比为1:0.14。
采用与实施例1相同的方法对本实施例所制备的介孔二氧化硅纳米粒子进行粒度测试。经粒度分析仪测试,所得介孔二氧化硅纳米粒子平均粒径为234.3nm,粒径呈正态分布,粒径分散指数为0.1。
图2为本发明实施例6中所得的介孔二氧化硅纳米粒子的TEM图。由图2可知,本发明制备的介孔二氧化硅纳米粒,粒径在120nm左右,粒径大小相对均一。制备的介孔二氧化硅纳米粒子保持高度有序特性,孔径分布较为狭窄,其BET比表面积为1316.3m2/g,平均孔径为2.67nm。
实施例7
制备介孔二氧化硅纳米粒子的制备方法与实施例1相同,不同点在于,加入表面活性剂的质量为1.12g,控制TEOS/TEA的摩尔比为1:0.54。
采用与实施例1相同的方法对本实施例所制备的介孔二氧化硅纳米粒子进行粒度测试。经粒度分析仪测试,所得介孔二氧化硅纳米粒子平均粒径为284.9nm,粒径呈正态分布,粒径分散指数为0.414。
实施例8
将0.25g十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)溶解在120mL超纯水中和0.875mLNaOH(2.0M)溶液中,保持温度为80℃,溶液搅拌1h,随后加入1.25mL正硅酸四乙酯,80℃搅拌6h,其他步骤与实施例1相同。
采用与实施例1相同的方法对本实施例所制备的介孔二氧化硅纳米粒子进行粒度测试。经粒度分析仪测试,所得介孔二氧化硅纳米粒子平均粒径为341.5nm,粒径呈正态分布,粒径分散指数为0.230。
图3为本发明实施例8中所得的介孔二氧化硅纳米粒子的TEM图。由图3可知,本发明制备的介孔二氧化硅纳米粒,粒径大小较不均一,粒径分布较广。其BET比表面积为821.6m2/g,平均孔径为4.32nm。
以下对介孔二氧化硅纳米粒子的粒径变化因素进行考察,结果如表1-4所示:
表1:粒径随TEOS/TEA比值的变化
TEOS/TEA | 粒径/(nm) | PDI |
1:1 | 200.6 | 0.199 |
1:2 | 150.8 | 0.108 |
1:3 | 180.4 | 0.087 |
1:4 | 182.8 | 0.174 |
1:5 | 197.6 | 0.184 |
表2:粒径随反应温度的变化
反应温度 | 粒径/(nm) | PDI |
25℃ | 258.1 | 0.332 |
60℃ | 180.4 | 0.087 |
80℃ | 185.7 | 0.101 |
表3:粒径随反应时间的变化
反应时间 | 粒径/(nm) | PDI |
30min | 172.5 | 0.129 |
60min | 178.4 | 0.109 |
2h | 180.4 | 0.087 |
4h | 195.5 | 0.162 |
6h | 199.2 | 0.195 |
表4:粒径随表面活性剂浓度的变化
CTAC | 粒径/(nm) | PDI |
0.14 | 234.3 | 0.200 |
0.27 | 180.4 | 0.087 |
0.54 | 284.9 | 0.414 |
表5、6、7分别为本发明实施例1、6、8中样品的稳定性分析。DLS分析:采用英国马尔文激光粒度仪(Zetasizer Nano ZS90)观察样品的粒径、分散指数以及稳定性分析。从表5、6、7可观察到不同实施例中样品的稳定情况,可见在透射电镜下纳米粒子小于100nm时稳定性是最好的,此方法合成的纳米粒子呈胶体溶液,可在室温下至少保存半年及以上。
表1.样品稳定性分析
时间 | 0d | 7d | 15d | 30d | 45d | 60d | 90d | 180d |
粒径(nm) | 150 | 152 | 149 | 155 | 160 | 170 | 185 | 230 |
PDI | 0.080 | 0.085 | 0.090 | 0.095 | 0.100 | 0.121 | 0.145 | 0.218 |
表2.样品稳定性分析
时间 | 0d | 7d | 15d | 30d | 45d | 60d | 90d | 180d |
粒径(nm) | 234.3 | 245.2 | 278.2 | 300 | 340 | 360 | 380 | 400 |
PDI | 0.100 | 0.125 | 0.147 | 0.195 | 0.325 | 0.385 | 0.425 | 0.485 |
表3.样品稳定性分析
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种介孔二氧化硅纳米粒子的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)取体积比为5-8:1的蒸馏水和乙醇,混合均匀后加入表面活性剂,室温搅拌混匀,得到混合溶液A,混合溶液A中表面活性剂的浓度为0.015-0.06g/mL;然后加入三乙醇胺,继续搅拌至混合均匀,得到混合溶液B;
(2)将混合溶液B加热至25-80℃,在2-3min内加入二氧化硅前驱体,搅拌反应0.5-6h;待反应液自然冷却至室温后,固液分离,将所得固体分别用蒸馏水和乙醇洗涤多次;所述二氧化硅前驱体、三乙醇胺和表面活性剂的摩尔比为1:1-5:0.14-0.54;
(3)将步骤(2)所得固体置于去模板溶剂中,50-70℃下回流2-3次,每次回流2-4h,回流结束后分别用水和乙醇洗涤多次,固液分离,最后得到介孔二氧化硅纳米粒子;所述的去模板溶剂为NH3·NO3-乙醇溶液或盐酸-乙醇溶液。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:步骤(1)中,所述的蒸馏水和乙醇的体积比为6.8:1。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:步骤(1)中,所述的表面活性剂为十六烷基三甲基氯化铵或十六烷基三甲基溴化铵。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述的去模板溶剂为盐酸-乙醇溶液,所述的盐酸-乙醇溶液由体积比为9:1的乙醇和浓盐酸混合而成。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述的二氧化硅前驱体为正硅酸乙酯、正硅酸丙酯、正硅酸异丙酯中的一种或至少两种的混合物。
6.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于:所述的二氧化硅前驱体为正硅酸乙酯。
7.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:步骤(2)中搅拌的速度为500-2000rpm。
8.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述的固液分离方式为离心分离或过滤分离。
9.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:将步骤(3)所得的介孔二氧化硅纳米粒子分散于水中,形成溶胶后进行保存。
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