CN109771666B

CN109771666B - 一种柔性介孔有机硅纳米棒及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN109771666B
Application number: CN201910237517.5A
Authority: CN
Inventors: 滕兆刚; 陈昆; 苏晓丹; 汪联辉; 冯志浩
Original assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2019-03-27
Filing date: 2019-03-27
Publication date: 2022-02-15
Anticipated expiration: 2039-03-27
Also published as: CN109771666A

Abstract

本发明公开了一种柔性介孔有机硅纳米棒及其制备方法和应用，该柔性介孔有机硅纳米棒其具有棒状的形貌、皱缩的表面、较大的内部空腔以及介孔孔道，制备时采用金纳米棒作为内核，通过碱性溶液的刻蚀获得柔性介孔有机氧化硅壳层，骨架中同时含有有机氧化硅与无机氧化硅。该柔性介孔有机硅纳米棒的制备工艺过程简单，成品具有更低的杨氏模量和更高的细胞吞噬效率，在药物递送，纳米医学成像等领域具有巨大的应用潜力。

Description

一种柔性介孔有机硅纳米棒及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于介孔氧化硅材料领域，具体涉及一种柔性介孔有机硅纳米棒及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，柔性纳米颗粒因其独特的生物学特性，包括长的体内循环时间和高的细胞摄取效率，在生物医学领域获得了越来越多的关注。和球形纳米颗粒相比，非球形纳米颗粒在热力学上性质更不稳定，所以现阶段报道的柔性纳米颗粒大多是球形或者是准球形的，而单一的形貌不利于对柔性纳米颗粒在生物-纳米系统中的影响与作用作进一步的探索；另外，过去报道的柔性纳米颗粒大多不具备介孔结构，这限制了纳米颗粒对客体诊疗分子的装载，不利于柔性纳米粒在生物医学领域得到进一步应用。

到目前为止，非球形的柔性介孔纳米颗粒的制备与开发仍未见报道，对于这类纳米颗粒的制备依然是一件具有挑战性的工作。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种柔性介孔有机硅纳米棒，其内部有较大的空腔，壳层具有丰富的介孔结构，细胞吞噬实验表明，这种柔性介孔有机硅纳米棒的柔性特征有利于提高细胞吞噬效率，这不仅为非球形柔性纳米颗粒的设计提供了一种重要的参考方法，也为将来制备具有更高细胞吞噬效率的纳米载体提供了更多的思路，具有重要的指导意义。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种柔性介孔有机硅纳米棒，其具有棒状的形貌以及皱缩的表面，其骨架为核-壳结构、包括金纳米棒核心及柔性介孔有机氧化硅壳层，在核心与壳层之间为空腔结构，壳层上具有丰富的介孔孔道。

进一步地，在柔性介孔有机氧化硅外壳中掺杂无机二氧化硅。

进一步地，柔性介孔有机氧化硅壳层的厚度为30～80 nm。

进一步地，在柔性介孔有机氧化硅壳层上的介孔孔道的孔径为2～3 nm。

一种柔性介孔有机硅纳米棒的制备方法，具体包括如下步骤

步骤S1、采用晶种诱导生长法合成金纳米棒；

步骤S2、将表面活性剂溶于含有氨水、乙醇、水和步骤S1制备的金纳米棒溶液的混合溶液中，得到混合溶液A，在10～50℃温度条件下、边搅拌边将正硅酸四乙酯、1,2-二(三乙氧基硅基)乙烷加入到混合溶液A中，反应3～24 h，生成乳红色的溶液B；

步骤S3、将步骤S2所得的溶液B依次经过离心、乙醇清洗和聚乙烯亚胺的水溶液清洗后分散到碱性溶液中，而后置于摇床，在常温下放置0.1～1 h，得到分散液A；

步骤S4、将步骤S3所得的分散液A依次经过离心和水洗后转移至50～150 μL浓盐酸和100～200 mL乙醇的混合溶液中，在40～60℃的条件下加热1～120 h以去除表面活性剂，最终得到一种柔性介孔有机硅纳米棒。

进一步地，步骤S1中搅拌条件为300～1200 rpm，制得的金纳米棒的长径比为2~10。

进一步地，步骤S2中的正硅酸四乙酯、1,2-二(三乙氧基硅基)乙烷、表面活性剂、水、乙醇和金元素的摩尔比为1：（1.5～3.0）：（0.5～6.5）：（5000～12000）：（800～1000）：（0.2～1.5），氨水中所含NH₃的质量百分浓度为25~28%。

进一步地，步骤S2中的表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵。

进一步地，步骤S3中，聚乙烯亚胺的浓度为0.1~5 mg/mL，碱性溶液采用氢氧化钠，所述分散液A的浓度为5~25 mg/mL。

本发明公开的柔性介孔有机硅纳米棒可应用在药物递送，纳米医学成像等领域。

本发明的有益效果是：

1、本发明以金纳米棒作为模板，采用正硅酸四乙酯、1.2-二(三乙氧基硅基)乙烷以及金纳米棒作为前驱体，在醇水溶剂下合成刚性的介孔有机硅纳米棒，并通过碱溶液刻蚀的方法制得柔性介孔有机氧化硅纳米棒，过程中对设备要求低、成本低廉、环境友好；

2、利用本发明公开的方法制备的柔性介孔有机硅纳米棒相比于未刻蚀前，具有皱缩的表面，内部有空腔，并具颗粒本身具有更低的杨氏模量；

3、该种柔性介孔有机硅纳米棒具有棒状的形貌和均一的尺寸，粒子之间无团聚，具有良好的极性溶剂分散性能和生物相容性，细胞吞噬实验表明，该柔性介孔有机硅纳米棒相比于刻蚀之前的刚性介孔有机硅纳米棒，具有更高的细胞吞噬效率；

4、该柔性介孔有机硅纳米棒外壳上具有丰富的介孔孔道，有利于药物等小分子在介孔壳层两侧的传输。

附图说明

图1为实施例1制得的金纳米棒的透射电镜照片及其紫外-可见光光谱图；

图2a~2c为实施例1制得的刚性介孔有机硅纳米棒的扫描电镜照片；图2d~2f为实施例1制得的柔性介孔有机硅纳米棒的扫描电镜照片；图2g~2l为实施例1制得的柔性介孔有机硅纳米棒的高倍透射电子显微镜照片及其元素成像照片；比例尺均为100 nm。

图3a与3b分别为实施例1制得的刚性介孔有机硅纳米棒和柔性介孔有机硅纳米棒的原子力显微镜照片，比例尺为200 nm，图3c为实施例1制得的刚性介孔有机硅纳米棒和柔性介孔有机硅纳米棒的杨氏模量的测试结果对比图；

图4为实施例1制得的柔性介孔有机硅纳米棒被击碎后的高倍扫描电镜显微镜照片（比例尺为50 nm）；

图5为实施例1制得的柔性介孔有机硅纳米棒的氮气吸附等温曲线；

图6为实施例1制得的柔性介孔有机硅纳米棒的孔径分布图；

图7a为实施例1制得的刚性介孔有机硅纳米棒和柔性介孔有机硅纳米棒的细胞吞噬效果流式测试对比图；图7b为实施例1制得的刚性介孔有机硅纳米棒和柔性介孔有机硅纳米棒的细胞吞噬激光共聚焦对比图（比例尺为25 μm）。

具体实施方式

为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。

需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本发明的部分较佳实施例。本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例，相反地，提供这些实施例的目的是为了技术人员能对本发明公开内容的理解更加透彻全面。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例都应看作是本发明的简单变型，都在本发明的保护范围内。

实施例1、柔性介孔有机硅纳米棒的制备

步骤S1、金纳米棒的制备采用晶种诱导生长法，具体制备方案如下：

（1）合成纳米金种溶液：全部合成实验在水浴锅中完成，将水浴温度控制在30℃；首先将配好的0.01 M的硼氢化钠（0.0189 g溶于50 mL容量瓶）置于冰水域中备用；将反应瓶放入30～32℃的水浴锅中，依次加入磁子、氯金酸（0.25 mL，0.01 M）、十六烷基三甲基溴化铵（10 mL，0.1 M），搅拌，最后加入还原剂硼氢化钠（0.6 mL，0.1 M）；搅拌三分钟，静置0.5 h，此时反应液为褐色；

（2）合成纳米金棒—纳米金种的生长：全部合成实验在水浴锅中完成，将水浴温度控制在32～35℃；将十六烷基三甲基溴化铵（9.0 g）、油酸钠（1.234 g）、水（475 mL）于反应瓶中混合，反应瓶放入32～35℃的水浴锅中，依次加入磁子、氯金酸（25 mL，0.01 M）和一定量的硝酸银（14.4 mL，0.01 M），再加入盐酸（3.6 mL，1M）；接着加入抗坏血酸（0.8 mL，0.1M），用来还原氯金酸，最后加入步骤1合成的纳米金种溶液（200 μL），待溶液混合均匀后，在32～35℃水浴锅中静置8～12 h；反应瓶中的溶液由无色逐渐变为红色；之后，8000～10000rpm/min、20～40 min离心去除上层多余的十六烷基三甲基溴化铵溶液；水洗2次最后定容至10 mL 水中，超声混合均匀，如图1所示，得到金棒纳米颗粒，金棒长度为110～130 nm，直径为15～25 nm，金纳米棒径向局域表面等离子共振吸收峰位置为1070 nm。

步骤S2、将0.08 g 十六烷基三甲基溴化铵溶于0.5 mL氨水、15 mL乙醇、37.5 mL水和10 mL步骤S1制备的金纳米棒溶液的混合溶液中，得到混合溶液A，在35℃温度条件、1100 rpm的搅拌条件下，将0.1 mL正硅酸四乙酯、0.1 mL1,2-二(三乙氧基硅基)乙烷以及0.01 mL 3-氨丙基三乙氧基硅烷的混合物溶液加入到混合溶液A中，反应24 h，生成乳红色的溶液B；

步骤S3、将步骤S2所得的溶液B依次经过8000 rpm离心、乙醇清洗和1 mg/mL的聚乙烯亚胺水溶液清洗后分散到1 M的氢氧化钠溶液中，而后置于摇床，在常温下放置25min，得到分散液A；

步骤S4、将步骤S3所得的分散液A依次经过离心和水洗后转移至50～150 μL浓盐酸和100～200 mL乙醇的混合溶液中，在60℃的条件下加热120 h以去除表面活性剂，最终得到一种柔性介孔有机硅纳米棒。

如图2a~2c所示，经过步骤S2得到的刚性介孔有机硅纳米棒的长为152～172 nm，宽为81～91 nm，具有均一的棒状形貌和良好的分散性，表面有机硅层的分布相对均匀。

如图2d~2f所示，得到的柔性介孔有机硅纳米棒的硅层厚度为35～50 nm，，柔性介孔有机硅纳米棒表面发生明显的皱缩；图2g~2l为柔性介孔有机硅纳米棒的高倍透射电子显微镜明场与元素分布图像，元素分布图像显示硅、氧、碳元素主要分布在柔性介孔有机硅纳米棒皱缩的区域。

图3a与3b分别为实施例1制得的刚性介孔有机硅纳米棒和柔性介孔有机硅纳米棒的原子力显微镜照片（比例尺为200 nm），图3c为实施例1制得的刚性介孔有机硅纳米棒和柔性介孔有机硅纳米棒的杨氏模量的测试结果对比图，数据显示刚性介孔有机硅纳米棒的杨氏模量为361 MPa，柔性介孔有机硅纳米棒的杨氏模量为120 MPa，柔性介孔有机硅纳米棒相比于刚性介孔有机硅纳米棒更易于发生形变。

图4为柔性介孔有机硅纳米棒被击碎后的高倍扫描电镜显微镜照片（比例尺为50nm），经过显示，经过步骤S3、S4得到的柔性介孔有机硅纳米棒内部具有较大空腔。

图5为柔性介孔有机硅纳米棒的氮气吸脱曲线，曲线为典型的Ⅳ型吸附等温线，表示所制备的柔性介孔有机硅纳米棒具有丰富的介孔孔道和较大的比表面积。

图6为柔性介孔有机硅纳米棒的孔径分布图，结果显示柔性介孔有机硅纳米棒的平均孔径为2.4 nm。

图7a为实施例1制得的刚性介孔有机硅纳米棒和柔性介孔有机硅纳米棒的细胞吞噬效果流式测试对比图；图7b为实施例1制得的刚性介孔有机硅纳米棒和柔性介孔有机硅纳米棒的细胞吞噬激光共聚焦对比图（比例尺为25 μm）；图7a～7b显示，相比于刚性介孔有机硅纳米棒，柔性介孔有机硅纳米棒拥有更高的细胞吞噬效率。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。但是以上所述仅为本发明的具体实施例，本发明的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在不脱离本发明的技术方案下得出的其他实施方式均应涵盖在本发明的专利范围之中。

Claims

1.一种柔性介孔有机硅纳米棒，其特征在于，其具有棒状的形貌以及皱缩的表面，其骨架为核-壳结构、包括金纳米棒核心及柔性介孔有机氧化硅壳层，在核心与壳层之间为空腔结构，壳层上具有丰富的介孔孔道。

2.如权利要求1所述的一种柔性介孔有机硅纳米棒，其特征在于，在柔性介孔有机氧化硅外壳中掺杂无机二氧化硅。

3.如权利要求2所述的一种柔性介孔有机硅纳米棒，其特征在于，柔性介孔有机氧化硅壳层的厚度为30～80 nm。

4.如权利要求3所述的一种柔性介孔有机硅纳米棒，其特征在于，在柔性介孔有机氧化硅壳层上的介孔孔道的孔径为2～3 nm。

5.如权利要求4所述的一种柔性介孔有机硅纳米棒的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤S1、采用晶种诱导生长法合成金纳米棒；

6.如权利要求5所述的一种柔性介孔有机硅纳米棒的制备方法，其特征在于，步骤S2中搅拌条件为300～1200 rpm，制得的金纳米棒的长径比为2~10。

7.如权利要求5所述的一种柔性介孔有机硅纳米棒的制备方法，其特征在于，步骤S2中的正硅酸四乙酯、1,2-二(三乙氧基硅基)乙烷、表面活性剂、水、乙醇和金元素的摩尔比为1：（1.5～3.0）：（0.5～6.5）：（5000～12000）：（800～1000）：（0.2～1.5），氨水中所含NH₃的质量百分浓度为25~28%。

8.如权利要求5所述的一种柔性介孔有机硅纳米棒的制备方法，其特征在于，步骤S2中的表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵。

9.如权利要求5所述的一种柔性介孔有机硅纳米棒的制备方法，其特征在于，步骤S3中，聚乙烯亚胺的浓度为0.1~5 mg/mL，碱性溶液采用氢氧化钠，所述分散液A的浓度为5~25mg/mL。