CN106726621A - 一种Janus纳米颗粒及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种Janus纳米颗粒及其制备方法，属于牙科修复领域。通过调控Janus纳米复合材料不同化学组成分区的分区面积、化学组成、颗粒粒径分布、双键基团数目等因素，制备疏水侧具有可聚合不饱和双键的纳米尺度Janus材料。本发明通过在纳米颗粒表面引入分别与油、水两相相容性好的基团，在油水界面形成“动态”Janus结构，得到单层排列的纳米颗粒。进一步通过选区域化学反应改性，得到“稳定”结构的Janus纳米颗粒。本发明在乳液界面利用动态键赋予纳米颗粒临时性的Janus两亲特性，帮助其以单层形式排布于乳液界面，获得稳定的Pickering乳液。分区保护之后可进一步分区修饰，制备得到Janus纳米颗粒。该纳米颗粒在界面的吸附能较高，不容易发生旋转，能够在乳液界面单层分布。

Description

一种Janus纳米颗粒及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种Janus纳米颗粒及其制备方法，属于牙科修复领域。

背景技术

自1991年法国de Gennes在诺贝尔颁奖演讲中，首次用Janus一词表述同一颗粒两面具有不同的化学组成性质，并预测Janus颗粒类似双亲性分子可在液/液界面自组装。deGennes充满启发性的演说引发了Janus颗粒的研究热潮。表面同时具有双重性质(亲水/疏水)的Janus微米或纳米颗粒赋予微米或纳米颗粒两种不同甚至相反(极性/非极性，正电荷/负电荷等)的性质。目前，Janus材料种类日益丰富，其特殊性质和诱人应用前景不断展现。表面具有不同化学分区的Janus材料因其特殊的结构和性能已成为材料科学研究热点。这类具有双亲特征的Janus材料是解决界面问题的理想材料。Janus纳米材料由于其具有大的比表面积，并且可将亲水成分和疏水成分在其表面实现稳定分区，能够有效提高修复填充材料与牙体组织间界面稳定性，提高粘接强度。

目前，随着Janus颗粒制备方法的日益丰富，Janus颗粒的应用研究也越来越受到关注，成为近来改性领域的研究热点。但是，因为纳米颗粒容易聚集，且在油水界面由于其小尺寸导致难以稳定不转动，纳米尺度Janus材料的难以实现合成。

进一步，利用其基于两亲性的界面增容作用，将Janus纳米颗粒作为界面粘接剂应用于生物医用材料领域的牙科修复填充材料。目前，口腔颌面部粘接修复体系中亲水组分和疏水组分混溶后体系的稳定性是研究难点。目前常用的稳定剂是HEMA，这种分子既包含亲水基团又包含疏水基团，疏水基团含有的碳碳双键可以与粘接剂中的疏水单体结合，但是它存在细胞毒性和易溶解的问题，大大影响了粘接系统的稳定性。Janus纳米颗粒具有极强的界面增容能力，能够解决亲水组分和疏水组分混合后体系不稳定的问题，而且通过使用生物惰性颗粒作为Janus主体材料，能够解决HEMA的细胞毒性问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有纳米尺度Janus材料难以合成的问题，提供一种Janus纳米颗粒及其制备方法。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

Janus纳米颗粒，主体是二氧化硅纳米颗粒，一侧半球带有氨基基团，一侧半球带有碳碳双键基团；白色粉末状；无毒；呈尺寸均一球状，大小5-200nm左右；

Janus纳米颗粒的制备方法，具体步骤如下：

1)制备生物惰性的二氧化硅纳米颗粒；

2)制备表面氨基改性的二氧化硅纳米颗粒；

3)使用Pickering乳液法，对其表面进行选区改性和选择性化学修饰，制备Janus纳米颗粒；将步骤二得到的氨基改性的二氧化硅纳米颗粒分散在水和石蜡的混合体系中；搅拌使得纳米生物颗粒在石蜡/水界面单层分布；冷却得到纳米颗粒/石蜡复合球；对纳米颗粒/石蜡复合球的裸露表面进行刻蚀露出新鲜表面，再用含双键的硅烷偶联剂改性；然后洗涤除去石蜡，即得到Janus纳米颗粒；

步骤3)所述的搅拌时间为10-60分钟；

步骤3)所述的洗涤除去石蜡时所用溶剂包括四氢呋喃、正己烷、二氯甲烷和乙醇；优选乙醇；洗涤除去石蜡时需搅拌，搅拌时间为1-24小时；

所述含双键的硅烷偶联剂包括A-171(乙烯基三甲氧基硅烷)，γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷MTPMS，A-151(乙烯基三乙氧基硅烷)，KH-560(3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷)。

应用：用Janus纳米颗粒替代粘接剂中HEMA或加入至无HEMA粘接剂中，能够稳定粘接剂并提高粘接耐久性；

有益效果

1、本发明在乳液界面利用动态键赋予纳米颗粒临时性的Janus两亲特性，帮助其以单层形式排布于乳液界面，获得稳定的Pickering乳液。分区保护之后可进一步分区修饰，制备得到Janus纳米颗粒。该纳米颗粒在界面的吸附能较高，不容易发生旋转，能够在乳液界面单层分布。

2、本发明通过在纳米颗粒表面引入分别与油、水两相相容性好的基团，在油水界面形成“动态”Janus结构，得到单层排列的纳米颗粒。进一步通过选区域化学反应改性，得到“稳定”结构的Janus纳米颗粒。通过精确调控Janus纳米复合材料不同化学组成分区的分区面积、化学组成、颗粒粒径分布、双键基团数目等重要影响因素，制备疏水侧具有可聚合不饱和双键的纳米尺度Janus材料。以合成的Janus纳米颗粒替代HEMA(目前广泛使用的稳定粘接剂中亲水成分和疏水成分的材料)，应用于填充树脂与牙体界面粘接，解决目前HEMA的问题(亲水性过强，粘接界面易水解破坏，细胞毒性明显)，构筑长效稳定的粘接层，提高粘接材料耐久性。

3、本发明制备方法简单易行，适合大规模制备生产，制备工艺简单，便于实现开发具有自主知识产权的国产粘接剂的制备，优化粘接剂性能。

4、本发明制备方法制备的Janus纳米球外观形态完整均匀，呈典型球形，具有典型的核壳结构，粒径可控，为5-200nm左右，尺寸可控。

5.将本发明制备的Janus纳米颗粒加入至无HEMA粘接剂中后能显著提高粘接性能(P<0.05)，差异显著。将本发明制备的Janus纳米颗粒作为主要成分配制Janus粘接剂同含HEMA的粘接剂相比，能显著提高粘接强度，差异显著(P<0.05)。

附图说明

图1为Janus纳米颗粒金吸附后TEM图；

图2为Janus纳米颗粒和HEMA作用于3T3细胞后细胞生长状态图，同HEMA相比，Janus纳米颗粒明显降低HEMA的细胞毒性；

图3为Janus纳米颗粒稳定粘接剂中亲水组分和疏水组分效果图；左图为使用Janus纳米颗粒后形成稳定的体系，右图不含Janus纳米颗粒；

图4为粘接测试实验流程示意图

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

Janus纳米颗粒，主体是二氧化硅，一侧半球带有氨基基团，一侧半球带有碳碳双键；尺寸大小约为100nm左右，呈均一球状，如图1所示；白的粉末状；无毒性，如图2所示；能够稳定粘接剂中水/油两相，不出现相分离，如图3所示。

Janus纳米颗粒制备，具体步骤如下：

1)制备生物惰性的直径为100nm左右的二氧化硅纳米颗粒；

2)制备表面氨基改性的二氧化硅纳米颗粒，使用APTMS改性，改性温度76℃；

3)使用Pickering乳液法，对其表面进行选区改性和选择性化学修饰，制备Janus纳米颗粒；

将步骤二得到的表面氨基改性的二氧化硅纳米颗粒分散在水和石蜡的混合体系中；氨基改性的二氧化硅纳米颗粒、水、石蜡质量比为为1:100:20；搅拌15分钟使得纳米颗粒在石蜡/水界面单层分布，反应温度70℃；随后室温冷却得到纳米颗粒/石蜡复合球；采用氟化胺对纳米颗粒/石蜡复合球的裸露表面进行刻蚀露出新鲜表面，再用3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷改性；然后正己烷洗涤除去石蜡，即得到Janus纳米颗粒；

应用：用Janus纳米颗粒替代HEMA中加入至粘接剂中，能够明显提高粘接剂粘接强度，如表1所示。

表1加入实施例1Janus纳米颗粒后G-bond粘接剂粘接强度

具体粘接强度测试方法如图4所示：将Janus纳米颗粒加入至粘接剂中，振荡混匀，取外科门诊新近拔除的人下颌第三磨牙，牙冠完整无龋坏。表面清洁后常温下储存于1％氯胺T溶液中，3个月内使用。用金刚砂车针在水冷却下垂直于牙齿长轴去除牙冠周围及咬合面釉质，暴露浅层牙本质，体视显微镜下检查确认釉质已去净。用220目砂纸湿打磨形成牙本质平面，超声清洗1分钟，然后用600目砂纸湿性打磨牙本质表面1分钟形成玷污层。涂布粘接剂，光固化，粘接剂固化后设计进行微拉伸粘接强度测试者使用Clearfil AP-X树脂形成4mm高树脂冠，储存于37℃的蒸馏水中，恒温水浴24小时后用自凝树脂包埋牙齿，垂直于粘接界面切割成截面约1.0mm×1.0mm的条状试样。用千分尺测量每个条状试样截面的长度和宽度，计算粘接面积S(mm²)，然后将试样两端用氰基丙烯酸粘接剂(Bisco，USA)固定在微拉伸测试仪的试样台上，长轴与试样台平行，使粘接面位于试样台正中且无氰基丙烯酸粘接剂污染。启动测试仪，速度(Crosshead speed)设为1mm/min，直到样本断裂，记录断裂时拉力峰值F(N)，计算微拉伸粘接强度μTBS(MPa)计算公式：MTBS＝F/S。实验结果统计学分析：使用SPSS13.0软件进行统计，比较两组间粘接强度差别。结果表明加入Janus纳米颗粒能够明显提高牙本质粘接强度(P<0.05)。

实施例2

Janus纳米颗粒，主体是二氧化硅，一侧半球带有氨基基团，一侧半球带有碳碳双键；白的粉末状；无毒；尺寸大小约为50nm左右，呈均一球状；

Janus纳米颗粒制备，具体步骤如下：

1)制备生物惰性的直径为50nm左右的二氧化硅纳米颗粒；

2)制备表面氨基改性的二氧化硅纳米颗粒，使用APTMS改性，改性温度76℃；

3)使用Pickering乳液法，对其表面进行选区改性和选择性化学修饰，制备Janus纳米颗粒；将步骤二得到的氨基改性的二氧化硅纳米颗粒分散在水和石蜡的混合体系中；氨基改性的二氧化硅纳米颗粒、水、石蜡的质量比为1:600:10，反应温度70℃；搅拌15分钟使得纳米生物颗粒在石蜡/水界面单层分布；冷却至室温得到纳米生物颗粒/石蜡复合球；采用氟化胺对纳米生物颗粒/石蜡复合球的裸露表面进行刻蚀露出新鲜表面，再用3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷改性；然后正己烷洗涤除去石蜡，即得到Janus纳米颗粒；

应用：用Janus纳米颗粒替代HEMA加入至粘接剂中，能够明显增强粘接剂粘接强度(P<0.05)，如表2所示。

表2加入实施例2Janus纳米颗粒后G-bond粘接剂粘接强度

将Janus纳米颗粒加入至粘接剂中，振荡混匀，取外科门诊新近拔除的人下颌第三磨牙，牙冠完整无龋坏。表面清洁后常温下储存于1％氯胺T溶液中，3个月内使用。用金刚砂车针在水冷却下垂直于牙齿长轴去除牙冠周围及咬合面釉质，暴露浅层牙本质，体视显微镜下检查确认釉质已去净。用220目砂纸湿打磨形成牙本质平面，超声清洗1分钟，然后用600目砂纸湿性打磨牙本质表面1分钟形成玷污层。涂布粘接剂，光固化，粘接剂固化后设计进行微拉伸粘接强度测试者使用Clearfil AP-X树脂形成4mm高树脂冠，储存于37℃的蒸馏水中，恒温水浴24小时后用自凝树脂包埋牙齿，垂直于粘接界面切割成截面约1.0mm×1.0mm的条状试样。用千分尺测量每个条状试样截面的长度和宽度，计算粘接面积S(mm²)，然后将试样两端用氰基丙烯酸粘接剂(Bisco，USA)固定在微拉伸测试仪的试样台上，长轴与试样台平行，使粘接面位于试样台正中且无氰基丙烯酸粘接剂污染。启动测试仪，速度(Crosshead speed)设为1mm/min，直到样本断裂，记录断裂时拉力峰值F(N)，计算微拉伸粘接强度μTBS(MPa)计算公式：MTBS＝F/S。实验结果统计学分析：使用SPSS13.0软件进行统计，比较两组间粘接强度差别。结果表明加入Janus纳米颗粒能够明显提高牙本质粘接强度(P<0.05)。

实施例3

Janus纳米颗粒，主体是二氧化硅，一侧半球带有氨基基团，一侧半球带有碳碳双键；白的粉末状；无毒；尺寸大小约为10nm左右，呈均一球状；

Janus纳米颗粒制备，具体步骤如下：

1)制备生物惰性的直径为10nm左右的二氧化硅纳米颗粒；

2)制备表面氨基改性的二氧化硅纳米颗粒，使用APTMS改性，改性温度76℃；

3)使用Pickering乳液法，对其表面进行选区改性和选择性化学修饰，制备Janus纳米颗粒；将步骤二得到的氨基改性的二氧化硅纳米颗粒分散在水和石蜡的混合体系中；氨基改性的二氧化硅纳米颗粒、水、石蜡的质量比为1:300:20；搅拌15分钟使得纳米生物颗粒在石蜡/水界面单层分布，反应温度70℃；冷却至室温得到纳米生物颗粒/石蜡复合球；采用氟化胺对纳米生物颗粒/石蜡复合球的裸露表面进行刻蚀露出新鲜表面，再用3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷改性；然后正己烷洗涤除去石蜡，即得到Janus纳米颗粒；

应用：用Janus纳米颗粒替代HEMA加入至粘接剂中，能够增强粘接剂粘接强度(P<0.05)，如表3所示。

表3加入实施例3Janus纳米颗粒后G-bond粘接剂粘接强度

将Janus纳米颗粒加入至粘接剂中，振荡混匀，取外科门诊新近拔除的人下颌第三磨牙，牙冠完整无龋坏。表面清洁后常温下储存于1％氯胺T溶液中，3个月内使用。用金刚砂车针在水冷却下垂直于牙齿长轴去除牙冠周围及咬合面釉质，暴露浅层牙本质，体视显微镜下检查确认釉质已去净。用220目砂纸湿打磨形成牙本质平面，超声清洗1分钟，然后用600目砂纸湿性打磨牙本质表面1分钟形成玷污层。涂布粘接剂，光固化，粘接剂固化后设计进行微拉伸粘接强度测试者使用Clearfil AP-X树脂形成4mm高树脂冠，储存于37℃的蒸馏水中，恒温水浴24小时后用自凝树脂包埋牙齿，垂直于粘接界面切割成截面约1.0mm×1.0mm的条状试样。用千分尺测量每个条状试样截面的长度和宽度，计算粘接面积S(mm²)，然后将试样两端用氰基丙烯酸粘接剂(Bisco，USA)固定在微拉伸测试仪的试样台上，长轴与试样台平行，使粘接面位于试样台正中且无氰基丙烯酸粘接剂污染。启动测试仪，速度(Crosshead speed)设为1mm/min，直到样本断裂，记录断裂时拉力峰值F(N)，计算微拉伸粘接强度μTBS(MPa)计算公式：MTBS＝F/S。实验结果统计学分析：使用SPSS13.0软件进行统计，比较两组间粘接强度差别。结果表明加入Janus纳米颗粒能够明显提高牙本质粘接强度(P<0.05)。

实施例4

Janus纳米颗粒，主体是二氧化硅，一侧半球带有氨基基团，一侧半球带有碳碳双键；白的粉末状；无毒；尺寸大小约为5nm左右，呈均一球状；

Janus纳米颗粒制备，具体步骤如下：

1)制备生物惰性的直径为5nm左右的二氧化硅纳米颗粒；

2)制备表面氨基改性的二氧化硅纳米颗粒，使用APTMS改性，改性温度76℃；

3)使用Pickering乳液法，对其表面进行选区改性和选择性化学修饰，制备Janus纳米颗粒；将步骤二得到的氨基改性的二氧化硅纳米颗粒分散在水和石蜡的混合体系中；氨基改性的二氧化硅纳米颗粒、水、石蜡的质量比为1:300:20；搅拌15分钟使得纳米生物颗粒在石蜡/水界面单层分布，反应温度70℃；冷却至室温得到纳米生物颗粒/石蜡复合球；采用氟化胺对纳米生物颗粒/石蜡复合球的裸露表面进行刻蚀露出新鲜表面，再用3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷改性；然后正己烷洗涤除去石蜡，即得到Janus纳米颗粒；

应用：用Janus纳米颗粒替代HEMA制备实验用粘接剂，能够增强粘接剂粘接强度(P<0.05)，如表4所示。

表4加入实施例4Janus粘接剂和HEMA粘接剂粘接强度

将Janus纳米颗粒和HEMA分别和TEGDMA、CQ、无机填料、丙酮、水等按比例混合，分别制备两种实验用粘接剂，振荡混匀，取外科门诊新近拔除的人下颌第三磨牙，牙冠完整无龋坏。表面清洁后常温下储存于1％氯胺T溶液中，3个月内使用。用金刚砂车针在水冷却下垂直于牙齿长轴去除牙冠周围及咬合面釉质，暴露浅层牙本质，体视显微镜下检查确认釉质已去净。用220目砂纸湿打磨形成牙本质平面，超声清洗1分钟，然后用600目砂纸湿性打磨牙本质表面1分钟形成玷污层。分别涂布Janus粘接剂和HEMA粘接剂，光固化，粘接剂固化后设计进行微拉伸粘接强度测试者使用Clearfil AP-X树脂形成4mm高树脂冠，储存于37℃的蒸馏水中，恒温水浴24小时后用自凝树脂包埋牙齿，垂直于粘接界面切割成截面约1.0mm×1.0mm的条状试样。用千分尺测量每个条状试样截面的长度和宽度，计算粘接面积S(mm²)，然后将试样两端用氰基丙烯酸粘接剂(Bisco，USA)固定在微拉伸测试仪的试样台上，长轴与试样台平行，使粘接面位于试样台正中且无氰基丙烯酸粘接剂污染。启动测试仪，速度(Crosshead speed)设为1mm/min，直到样本断裂，记录断裂时拉力峰值F(N)，计算微拉伸粘接强度μTBS(MPa)计算公式：MTBS＝F/S。实验结果统计学分析：使用SPSS13.0软件进行统计，比较两组间粘接强度差异。结果表明和HEMA粘接剂相比，加入Janus粘接剂能够明显提高牙本质粘接强度(P<0.05)。

本发明的原理为以纳米生物颗粒作为主体，对颗粒双侧进行分区改性，使其分别含亲水基团和疏水基团，如图1所示，从图中可以看到，只有一侧吸附了金颗粒，则纳米球双侧具有不同的性能。便于其能够稳定粘接体系中亲水组分和疏水组分。

通过调整原材料投料比，可以调整制备出纳米生物颗粒的粒径。

本发明原理是利用Janus纳米粒子稳定界面的作用，将其引入粘接剂中，形成稳定的粘接剂体系并稳定粘接界面。

Claims (7)

1.Janus纳米颗粒，其特征在于：主体是二氧化硅纳米颗粒，一侧半球带有氨基基团，一侧半球带有碳碳双键基团；白色粉末状；无毒；呈尺寸均一球状，大小5-200nm左右。

2.Janus纳米颗粒的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)制备生物惰性的二氧化硅纳米颗粒；

2)制备表面氨基改性的二氧化硅纳米颗粒；

3)使用Pickering乳液法，对其表面进行选区改性和选择性化学修饰，制备Janus纳米颗粒；将步骤二得到的氨基改性的二氧化硅纳米颗粒分散在水和石蜡的混合体系中；搅拌使得纳米颗粒在石蜡/水界面单层分布；冷却得到纳米颗粒/石蜡复合球；对纳米颗粒/石蜡复合球的裸露表面进行刻蚀露出新鲜表面，再用含双键的硅烷偶联剂改性；然后洗涤除去石蜡，即得到Janus纳米颗粒。

3.如权利要求2所述的Janus纳米颗粒的制备方法，其特征在于：步骤3)所述的搅拌时间为10-60分钟。

4.如权利要求2所述的Janus纳米颗粒的制备方法，其特征在于：步骤3)所述的洗涤除去石蜡时所用溶剂包括四氢呋喃、正己烷、二氯甲烷和乙醇；洗涤除去石蜡时需搅拌，搅拌时间为1-24小时。

5.如权利要求4所述的Janus纳米颗粒的制备方法，其特征在于：步骤3)所述的洗涤除去石蜡时所用溶剂为乙醇。

6.如权利要求2所述的Janus纳米颗粒的制备方法，其特征在于：步骤3)所述含双键的硅烷偶联剂包括：乙烯基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷或3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷。

7.如权利要求1所述的Janus纳米颗粒或权利要求2所述的Janus纳米颗粒的制备方法，其特征在于：用Janus纳米颗粒替代粘接剂中HEMA或加入至无HEMA的粘接剂中。