CN107236981A - 介孔二氧化硅/二氧化钛纳米管阵列复合材料的制备方法 - Google Patents
介孔二氧化硅/二氧化钛纳米管阵列复合材料的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种介孔二氧化硅纳米粒子/二氧化钛纳米管阵列新型复合材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：1）以钛片为阳极，阳极氧化制备二氧化钛纳米管阵列；2）用溶胶‑凝胶法制备介孔二氧化硅纳米粒子；3）然后将步骤1）的阳极氧化后的二氧化钛纳米管阵列置于步骤2）制得的介孔二氧化硅纳米粒子的分散液中水热反应，在二氧化钛纳米管阵列的表面修饰上介孔二氧化硅纳米粒子。本发明的特点在于：介孔二氧化硅纳米颗粒深入二氧化钛纳米管阵列内部，结合强度高，复合载体具有较好的稳定性；复合材料具有良好的生物活性，可负载一些药物分子，作为药物缓释的载体。
Description
技术领域
本发明属于药物缓释载体和骨修复生物材料领域，具体涉及一种制备介孔二氧化硅纳米粒子/二氧化钛纳米管阵列新型复合材料的方法。
背景技术
具备良好生物学特性的内置物材料已经在骨科手术中得到了广泛应用。对于内置材料来说，良好的生物相容性是首要条件。钛和钛合金具有优秀的机械力学性能、耐腐蚀性和良好的生物相容性，被广泛应用于骨科和口腔科等。但由于其植入人体后与骨组织难以形成较为牢固的骨键合，因此仍无法完全满足临床的需要。
在钛金属内置物表面构建二氧化钛纳米管阵列，不仅可以有效提高钛金属内置物的生物相容性，促进内置物与骨界面整合，而且，由于具有独特的中空结构、纳米管径以及表面易功能化等特点，二氧化钛纳米管已成为极具吸引力的新型药物载体，广泛应用于局部药物传输体系。
介孔二氧化硅纳米粒子的大小和形状便于调控，高孔容和比表面积允许高药物负载量，灵活的平台和广阔的进一步功能化的可能性使其可以应用于靶向药物释放和控制药物释放。此外，其表面还可以进行细节处理规避不必要的生物相互作用，促进生物利用度和细胞吸收从而免于免疫系统的监督。这将实现根据需要量身定做载体的药代动力学释放曲线，提高生物利用度，实现靶向给药，从而增强治疗效果。因此，这种介孔材料被认为是制备药物载体的良好材料。
发明内容
本发明的目的在于利用水热法的原理，提供一种新的制备介孔二氧化硅/二氧化钛纳米管阵列的新型复合材料的方法，制备一种药物缓释载体和骨修复生物材料。其特征在于：以经过预处理的钛片为阳极，以铂片为阴极，通过阳极氧化法在甘油/水体系的电解质溶液中于钛片表面形成二氧化钛纳米管阵列。将二氧化钛纳米管阵列置于介孔二氧化硅纳米粒子分散液中，并通过水热法在二氧化钛纳米管阵列表面上修饰介孔二氧化硅纳米粒子，形成一种新型的介孔二氧化硅纳米粒子/二氧化钛纳米管阵列复合材料。
本发明的目的是这样实现的，所述的介孔二氧化硅纳米粒子/二氧化钛纳米管阵列新型复合材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：1）以钛片为阳极，阳极氧化制备二氧化钛纳米管阵列；2）用溶胶-凝胶法制备介孔二氧化硅纳米粒子；3）然后将步骤1）的阳极氧化后的二氧化钛纳米管阵列置于步骤2）制得的介孔二氧化硅纳米粒子的分散液中水热反应，在二氧化钛纳米管阵列的表面修饰上介孔二氧化硅纳米粒子。
上述步骤1）的阳极氧化制备二氧化钛纳米管阵列的方法为：以钛片为阳极，铂片为阴极，在含氟的甘油/水体系的电解质溶液中，以30~70V电解电压，电解液温度为20~50℃条件下阳极氧化2~24h。
上述步骤2）的介孔二氧化硅纳米粒子的溶胶-凝胶法制备方法为：以烷基三甲基溴化铵为模板剂，正硅酸乙酯为硅源，氨水调节pH值，搅拌2~4h，过滤、干燥获得白色固体，白色固体为煅烧前的介孔二氧化硅纳米粒子，取白色固体置于马弗炉中，以1~3℃/min的升温速率升至500~600℃保温4~6h，即得煅烧后的介孔二氧化硅纳米粒子。
所述的水热反应制备二氧化钛纳米管阵列表面修饰介孔二氧化硅纳米粒子的步骤是：将阳极氧化处理后的二氧化钛纳米管阵列置于用煅烧后的介孔二氧化硅纳米粒子与水制成的分散液中，于70~100℃时下水热反应4~6h，制得二氧化钛纳米管阵列表面修饰介孔二氧化硅纳米粒子；或将阳极氧化的二氧化钛纳米管阵列置于用煅烧前的介孔二氧化硅纳米粒子与水制成的分散液中，于70~100℃时下水热反应4~6h，然后用蒸馏水淋洗获得钛基体，然后将钛基体，以1~3℃/min的升温速率升至500~600℃保温4~6h，随炉降温，即得在二氧化钛纳米管阵列表面修饰了介孔二氧化硅纳米粒子的复合材料。
上述含氟的甘油/水体系的电解质溶液采用含氟化铵0.20~0.60 wt% 的甘油/水体系的电解质溶液，所述的甘油/水体系中的甘油与水的质量比是9:1。
上述氨水调节的pH值范围为9~10。
本发明上述的复合材料的制备方法制得介孔二氧化硅纳米粒子/二氧化钛纳米管阵列新型复合材料。
具体地说，本发明采用的技术方案具体步骤如下：
1）钛片预处理：将钛片打磨至光滑，并在HF和 HNO3的混合酸溶液中刻蚀10~30s，用蒸馏水淋洗，50℃烘干。
2）二氧化钛纳米管阵列的制备：以预处理好的钛片为阳极，铂片为阴极，在含氟化铵0.20~0.60 wt% 的甘油/水体系的电解质溶液中进行阳极氧化2~24h，氧化电压为30~70V，电解液温度为20~50℃即得二氧化钛纳米管阵列。
3）介孔二氧化硅纳米粒子的制备：以烷基三甲基溴化铵为模板剂，正硅酸乙酯为硅源，氨水调节pH值，过滤，干燥后的白色固体为煅烧前的介孔二氧化硅纳米粒子，取部分置于马弗炉中，以1~3℃/min的升温速率升至500~600℃保温4~6h，然后随炉冷却，即得煅烧后的介孔二氧化硅纳米粒子。
4）水热制备：将阳极氧化的钛基体置于含煅烧后的介孔二氧化硅纳米粒子的分散液中进行水热反应，然后取出钛基体，用蒸馏水淋洗，烘干即得复合材料；或将阳极氧化的钛基体置于含煅烧前的介孔二氧化硅纳米粒子的分散液中进行水热反应，然后取出钛基体，用蒸馏水淋洗，烘干，以1~3℃/min的升温速率升至500~600℃保温4~6h，然后随炉冷却，即得复合材料。
本发明所述的水热制备反应步骤中，是将阳极氧化处理后的钛基体置于分散液中，在70~100℃温度下水热4~6h。其中分散液是指分别将煅烧前后的介孔二氧化硅纳米粒子分散在蒸馏水中。
本发明采用上述方案得到的复合材料具有以下特点：介孔二氧化硅纳米颗粒深入二氧化钛纳米管阵列内部，结合强度高，复合载体具有较好的稳定性；介孔二氧化硅/二氧化硅纳米管阵列复合材料，具有良好的生物活性，有利于骨细胞的生长和黏附，从而获得生理骨整合；介孔二氧化硅修饰在二氧化钛纳米管阵列上，可负载生物活性分子如蛋白质、酶、肽等，进一步改善骨整合，也可以负载一些药物分子，作为药物缓释的载体；介孔二氧化硅表面还可以进行细节处理规避不必要的生物相互作用，促进生物利用度和细胞吸收从而免于免疫系统的监督；介孔二氧化硅可以进一步功能化使复合材料可以应用于刺激-响应控制药物释放。
附图说明
图1为本发明具体实施例1中阳极氧化得到的二氧化钛纳米管阵列的扫描电镜图。
图2为本发明具体实施例1中二氧化钛纳米管阵列经水热在水热条件下沉积介孔二氧化硅纳米粒子的扫描电镜图。
图3a为本发明具体实施例2中二氧化钛纳米管阵列经水热在水热条件下沉积介孔二氧化硅纳米粒子的表面微观形貌图。
图3b为本发明具体实施例2中二氧化钛纳米管阵列经水热在水热条件下沉积介孔二氧化硅纳米粒子的截面的微观形貌图。
具体实施方式
实施例1
以钛金属为基底，用金相砂纸打磨至光滑，于丙酮中超声清洗并在4wt%HF-5mol/LHNO3的混合酸溶液中刻蚀，用蒸馏水淋洗并超声，50℃烘干获得处理好的钛片。以预处理好的钛片为阳极，铂片为阴极，以0.50wt%NH4+10wt%H2O+丙三醇为电解质溶液，其中甘油（丙三醇）与水的质量比是9:1，在60V电压下阳极氧化24h后，取出，用蒸馏水淋洗，空气中晾干，即得二氧化钛纳米管阵列，微观形貌图如图1所示，纳米管排列紧密，规整，管径约为210nm。
将5.60mmol十二烷基三甲基溴化铵溶解于122ml蒸馏水中，再加入8g25wt% NH3·H2O，搅拌10min。边搅拌边加入10.0g 正硅酸乙酯(TEOS)，再搅拌4h，过滤，蒸馏水洗，110℃下干燥12h，得到白色固体，于540℃下焙烧6h即得介孔二氧化硅纳米粒子。
称取一定量的介孔二氧化硅纳米粒子，加入一定量的蒸馏水配置成浓度为0.6×10-3（wt%）的分散液，将二氧化钛纳米管阵列——钛基体置于上述分散液中于85℃条件下水热反应5h，取出二氧化钛纳米管阵列——钛基体，用蒸馏水淋洗，50℃烘干，其表面形貌如图2所示，表面覆盖了一层介孔二氧化硅纳米粒子。
实施例2
以钛金属为基底，用金相砂纸打磨至光滑，于丙酮中超声清洗并在4wt%HF-5mol/LHNO3的混合酸溶液中刻蚀，用蒸馏水淋洗并超声，50℃烘干。以预处理好的钛片为阳极，铂片为阴极，以0.50wt%NH4F+10wt%H2O+丙三醇为电解质溶液，其中甘油（丙三醇）与水的质量比是9:1，在60V电压下阳极氧化24h后，取出，用蒸馏水淋洗，空气中晾干，即得二氧化钛纳米管阵列，微观形貌图如图1所示，纳米管排列紧密，规整，管径约为210nm。
将5.60mmol十六烷基三甲基溴化铵溶解于122ml蒸馏水中，再加入8g 25wt%NH3·H2O，搅拌10min。边搅拌边加入10.0g 正硅酸乙酯(TEOS)，再搅拌4h，过滤，蒸馏水洗，110℃下干燥12h，得到白色固体，即得为煅烧前的介孔二氧化硅纳米粒子。
称取一定量的煅烧前的介孔二氧化硅纳米粒子，加入一定量的蒸馏水配置成浓度为2.0×10-3（wt%）的分散液，将二氧化钛纳米管阵列——钛基体置于上述分散液中于85℃条件下水热反应5h，取出二氧化钛纳米管阵列——钛基体，用蒸馏水淋洗，50℃烘干，以1℃/min的升温速率升至540℃保温6h，然后随炉冷却，即得复合材料。其表面形貌如图3a所示，表面覆盖了一层介孔二氧化硅纳米粒子，从其截面的图3b可以看出，介孔二氧化硅纳米粒子已深入纳米管内部。
上述的具体实施方式是对本发明申请的进一步详细说明，但本发明权利要求保护的范围并不局限于实施方式中所描述的范围，凡采用同效变形等的技术方案，均落在本发明权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种介孔二氧化硅纳米粒子/二氧化钛纳米管阵列新型复合材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：1）以钛片为阳极，阳极氧化制备二氧化钛纳米管阵列；2）用溶胶-凝胶法制备介孔二氧化硅纳米粒子；3）然后将步骤1）的阳极氧化后的二氧化钛纳米管阵列置于步骤2）制得的介孔二氧化硅纳米粒子的分散液中水热反应，在二氧化钛纳米管阵列的表面修饰上介孔二氧化硅纳米粒子。
2.如权利要求1所述的复合材料的制备方法，其特征在于步骤1）的阳极氧化制备二氧化钛纳米管阵列的方法为：以钛片为阳极，铂片为阴极，在含氟的甘油/水体系的电解质溶液中，以30~70V电解电压，电解液温度为20~50℃条件下阳极氧化2~24h。
3.如权利要求1所述的复合材料的制备方法，其特征在于步骤2）的介孔二氧化硅纳米粒子的溶胶-凝胶法制备方法为：以烷基三甲基溴化铵为模板剂，正硅酸乙酯为硅源，氨水调节pH值，搅拌2~4h，过滤、干燥获得白色固体，白色固体为煅烧前的介孔二氧化硅纳米粒子，取白色固体置于马弗炉中，以1~3℃/min的升温速率升至500~600℃保温4~6h，即得煅烧后的介孔二氧化硅纳米粒子。
4.如权利要求3所述的复合材料的制备方法，其特征在于所述的水热反应制备二氧化钛纳米管阵列表面修饰介孔二氧化硅纳米粒子的步骤是：将阳极氧化处理后的二氧化钛纳米管阵列置于用煅烧后的介孔二氧化硅纳米粒子与水制成的分散液中，于70~100℃时下水热反应4~6h，制得二氧化钛纳米管阵列表面修饰介孔二氧化硅纳米粒子；或将阳极氧化的二氧化钛纳米管阵列置于用煅烧前的介孔二氧化硅纳米粒子与水制成的分散液中，于70~100℃时下水热反应4~6h，然后用蒸馏水淋洗获得钛基体，然后将钛基体，以1~3℃/min的升温速率升至500~600℃保温4~6h，随炉降温，即得在二氧化钛纳米管阵列表面修饰了介孔二氧化硅纳米粒子的复合材料。
5.如权利要求2所述的复合材料的制备方法，其特征在于含氟的甘油/水体系的电解质溶液采用含氟化铵0.20~0.60 wt% 的甘油/水体系的电解质溶液，所述的甘油/水体系中的甘油与水的质量比是9:1。
6.如权利要求3所述的复合材料的制备方法，其特征在于氨水调节的pH值范围为9~10。
7.权利要求1-6任一所述的复合材料的制备方法制得介孔二氧化硅纳米粒子/二氧化钛纳米管阵列新型复合材料。
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