CN112939626A

CN112939626A - 一种形貌可控的二氧化硅纳米阵列及其制备方法和应用

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Publication number: CN112939626A
Application number: CN202110194900.4A
Authority: CN
Inventors: 李晓民; 王文兴; 于泓跃; 陈良
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2021-02-22
Filing date: 2021-02-22
Publication date: 2021-06-11
Anticipated expiration: 2041-02-22
Also published as: CN112939626B

Abstract

本发明属于纳米材料技术领域，具体为一种形貌可控的二氧化硅纳米阵列及其制备方法和应用。本发明提供的二氧化硅纳米阵列，其阵列高度为8‑46 nm，分布密度为210‑3100/μm²。该纳米阵列的制备是采用油/水双相的单胶束外延生长方法，以CTAB为结构导向剂，TEOS为前驱体，NaOH为催化剂，在基片表面形成硅纳米阵列；基片可以是玻璃片、硅片、玻璃棒、玻璃管、微流控芯片等。二氧化硅纳米阵列可赋予基底粗糙的表面结构，增强基底与肿瘤细胞与该生物界面之间的相互作用。与光滑硅层修饰的基底相比，细胞粘附能力显著提高。由表面生长二氧化硅纳米阵列的玻璃棒和玻璃管嵌套组成的装置，可用于全血中分离肿瘤细胞。

Description

一种形貌可控的二氧化硅纳米阵列及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种具有形貌可控的二氧化硅纳米阵列及其制备方法和应用。

背景技术

纳米-生物相互作用受到基底的表面结构的影响，但现有的一些方法(如化学蚀刻工艺、电化学沉积、化学气相沉积)，其加工过程往往比较复杂，且难以在纳米尺度精确调控表面结构。

与光滑界面相比，具有纳米形貌界面的基底如纳米阵列、纳米纤维等与细胞的相互作用方式不同。已有研究表明，表面纳米结构可以显著增加基底与细胞(如纳米级微绒毛、丝状伪足、表面受体等)之间的接触频率，从而提高细胞的的粘附效率。

因此，提供一种简单的生长方法来生长可控纳米形貌的二氧化硅纳米阵列，具有重要的科研和应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备方便、形貌可控的二氧化硅纳米阵列及其制备方法和应用。

本发明提供的二氧化硅纳米阵列，其表面形貌参数可调，具体包括高度为8-46nm，分布密度为210-3100 /μm²。

本发明提供的二氧化硅纳米阵列的制备方法，采用油/水双相的单胶束外延生长方法，以十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为结构导向剂，正硅酸四乙酯(TEOS)为前驱体，氢氧化钠（NaOH）为催化剂，将基片置于水相中，进行硅纳米阵列的表面包裹，具体步骤为：

（1）依次将十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、氢氧化钠溶解在水中，获得澄清溶液，控制温度为50-70℃；

（2）加入基片，继续50-70 ℃搅拌；

（3）加入环己烷和正硅酸四乙酯(TEOS)的混合溶液；

（4）控制温度为50 ~ 70 ℃，反应36-48 h小时；

（5）反应结束后，取出基片，洗涤，得到在基片上生长的二氧化硅纳米阵列层。

本发明中，所述基片选自玻璃片、硅片、玻璃管、玻璃棒、微流控芯片等。当基片采用玻璃管时，二氧化硅纳米阵列可以生长在玻璃管的外壁和内壁。

步骤（1）中，控制十六烷基三甲基溴化铵浓度为0.01 -2 wt.%；控制NaOH浓度为0.005 -0.01 wt.%。

步骤（3）中，控制环己烷、TEOS和水的体积比为6 : 1-2 : 15-25。

在本发明的油/水双相体系中，二氧化硅纳米阵列表面形貌的形成过程为：

（1）油/表面活性剂/低聚物半乳状胶束在油/水界面形成，然后由于界面能最低而被驱入底水相形成球状胶束；由于球形胶束与底物之间的范德华力相互作用，球形胶束倾向于沉积在底物表面；胶束不断地沉积、组装并紧密地堆积在基质上；

（2）在反应的早期阶段，有大量的硅酸盐寡聚物和CTAB表面活性剂水溶液，可诱发硅酸盐寡聚物的沉积衬底上均匀形成与垂直中孔平介孔二氧化硅层；

（3）随着介孔二氧化硅层的生长，水相中的表面活性剂和硅酸盐低聚物逐渐被消耗；随着表面活性剂浓度的降低，胶束中的油含量也随之降低；这意味着油对胶束的膨胀作用减弱，从而导致介孔的收缩和孔径的减小；

（4）当水相中表面活性剂和硅酸盐低聚物的浓度降低到一定水平时，介孔二氧化硅层的生长方式由均相沉积模式转变为外延生长模式；由于亲水-疏水相互作用，CTAB/低聚物倾向于聚集在预形成的中间通道周围，这进一步导致纳米尖刺的形成。

在二氧化硅纳米阵列表面形貌的形成过程中，可通过调节胶束的大小来调节胶束在衬底上的分布密度；胶束尺寸越大，胶束、介孔和纳米阵列的分布密度越低。

在二氧化硅纳米阵列表面形貌的形成过程中，油/表面活性剂/低聚物胶束的大小与表面活性剂CTAB的浓度密切相关。随着CTAB浓度的增加，胶束的尺寸减小，导致胶束和介孔分布密度增大，最终形成分布密度更高的二氧化硅纳米阵列。

因此，本发明中，通过调节CTAB的浓度，可以很好地控制二氧化硅纳米阵列在基底上的分布密度。随着CTAB浓度的逐渐增加，二氧化硅纳米阵列的密度增大。

具体地，控制CTAB浓度从0.25 wt.%增加到1.0 wt.%，二氧化硅纳米阵列（尖刺）分布密度迅速增加，从210个纳米刺/μm²增加到2550个纳米刺/μm²；相邻二氧化硅纳米峰之间的平均距离迅速从21 nm减小到11 nm；CTAB浓度从1.0 wt.%进一步增加到2.0 wt.%，二氧化硅纳米阵列的分布密度可以增加到高达3100纳米刺/μm²，相邻二氧化硅纳米峰之间的平均距离减小到5 nm。当CTAB浓度大于2.0 wt.%时，二氧化硅纳米阵列的分布密度趋于饱和（约为~3000纳米峰值/μm²）。

本发明步骤（4）中：

（1）在前6 h，衬底表面形成一层孔径为6 nm、孔壁厚度为2 nm的介孔二氧化硅；

（2）随着反应时间延长至18 h，介孔直径减小至约3 nm，孔壁厚度增大至7 nm；

（3）进一步反应42 h后，形成直径约6 nm、长度约32 nm的二氧化硅纳米阵列。

本发明制备的表面形貌精确可控的二氧化硅纳米阵列，能够增强肿瘤细胞和基底之间的相互作用。因此，可以将其用于制备从全血中分离肿瘤细胞的装置。

在人乳腺癌细胞系MCF-7作为细胞捕获的模型中，孵育45分钟后可达到最大的细胞捕获效率。具有均匀二氧化硅纳米阵列的基片表面的细胞捕获效率可以达到81%，比抗光滑氧化硅修饰的玻璃片的细胞捕捉效率高近40倍。

特别地，对于基片为玻璃棒和玻璃管时，生长了二氧化硅纳米阵列的玻璃棒和玻璃管，可嵌套组合成一个简单的肿瘤细胞分离装置。

测试肿瘤细胞分离装置的性能，将荧光标记的人乳腺癌细胞系MCF-7细胞(10000细胞/mL)加入缓冲液中，以不同的流速(0.1-5 mL/min)流经分离装置。然后对分离装置中捕获的细胞和溶液中剩余的细胞进行计数。肿瘤细胞捕获效率随着流速的增加而降低。在0.1 ~ 0.25 mL/min的流速下，平均捕获效率超过50%，当流速增加到1.0 mL/min时，平均捕集效率迅速下降到20%以下。在0.25 mL/min的流速下，当细胞浓度低至10个细胞/mL时，捕获效率仍然在60%以上。

将不同数量的MCF-7肿瘤细胞加入到5 ml全血中，并流经该细胞分离装置，当细胞浓度为10 -1000个细胞/mL时，以0.25 mL/min的流速循环一个周期后，肿瘤细胞捕获效率仍保持在50%以上。

多次循环过程，癌细胞捕获效率可以进一步提高到90 %以上。

附图说明

图1为平板衬底上制造二氧化硅纳米阵列的示意图像。

图2为本发明制备的硅片上二氧化硅纳米阵列的俯视图的扫描电镜图像。

图3为本发明制备的硅片上二氧化硅纳米阵列的截面的扫描电镜图像。

图4为0.5 wt.%浓度的CTAB制备的硅片上二氧化硅纳米阵列的扫描电镜图像。

图5为硅片上涂覆二氧化硅纳米阵列层后的光学照片图像。

图6为二氧化硅纳米阵列修饰玻璃棒的扫描电镜图像。

图7为玻璃棒上涂覆二氧化硅纳米阵列层后的光学照片图像.

图8为二氧化硅纳米阵列修饰玻璃管的扫描电镜图像。

图9为玻璃管上涂覆二氧化硅纳米阵列层后的光学照片图像。

图10为2.0 wt.%浓度的CTAB制备的硅片上二氧化硅纳米阵列的扫描电镜图像。

图11为不同CTAB浓度（0.25, 0.5, 0.75, 1.0, 1.5, 2.0和2.5 wt.%）下制备的二氧化硅纳米阵列的分布密度和阵列高度统计图。

图12为带有微型三角棱镜的图像化硅片上涂覆二氧化硅纳米阵列层后的光学照片图像。

图13为细胞分离装置的加工及工作原理的示意图和该装置的光学照片。

图14为细胞分离装置对MCF-7细胞在不同流速下的分离效率。

图15为在细胞分离装置上捕获的MCF-7细胞的共聚焦显微镜（CLSM）图像。

图16为细胞分离装置对0.25 mL/min流速下不同浓度的MCF-7细胞的分离效率。

图17为细胞分离装置在全血中分离肿瘤细胞的示意图像。

图18为在0.25 mL/min的流速下，循环1圈及3圈后，细胞分离装置对全血中MCF-7细胞的分离效率。

具体实施方式

实施例1：

在硅片上生长二氧化硅纳米阵列：

（1）依次将0.5 wt.%的十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)与0.008 wt.%的氢氧化钠溶解在水中，获得澄清溶液，控制温度为60 ℃；

（2）加入硅片，继续60 ℃搅拌；

（3）加入环己烷和正硅酸四乙酯(TEOS)的混合溶液，控制环己烷、TEOS和水的体积比为6 : 1.5 : 10；

（4）控制温度为60 ℃，反应 48 h；

（5）反应结束后，取出硅片，洗涤。

得到在硅片上生长的二氧化硅纳米阵列层，二氧化硅纳米阵列（尖刺）分布密度为510个纳米刺/μm²，相邻二氧化硅纳米峰之间的平均距离为46 nm。如图4、图5所示。

实施例2：

在玻璃棒上生长二氧化硅纳米阵列：

（1）依次将2 wt.%的十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)与0.01 wt.%的氢氧化钠溶解在水中，获得澄清溶液，控制温度为60 ℃；

（2）加入玻璃棒，继续60 ℃搅拌；

（4）控制温度为60 ℃，反应 48 h；

（5）反应结束后，取出玻璃棒，洗涤，得到在玻璃棒上生长的二氧化硅纳米阵列层。如图6、图7所示。

实施例3：

在玻璃管上生长二氧化硅纳米阵列：

（2）加入玻璃管，继续60 ℃搅拌；

（4）控制温度为60 ℃，反应 48 h；

（5）反应结束后，取出玻璃管，洗涤，得到在玻璃管上生长的二氧化硅纳米阵列层。如图8、图9所示。

实施例4：

基于实施例2与实施例3中得到的在玻璃棒与管上生长的二氧化硅纳米阵列层，可嵌套组合成一个简单的肿瘤细胞分离装置。如图13所示。

将荧光标记的人乳腺癌细胞系MCF-7细胞(10000细胞/mL)加入缓冲液中，以0.25mL/min的流速流经分离装置。然后对分离装置中捕获的细胞和溶液中剩余的细胞进行计数。该流速下，肿瘤细胞的平均捕获效率约为50%。

三次循环过程，癌细胞捕获效率可以进一步提高到90 %。

Claims

1.一种形貌可控的二氧化硅纳米阵列的制备方法，其特征在于，采用油/水双相的单胶束外延生长方法，以CTAB为结构导向剂，TEOS为前驱体，NaOH为催化剂，将基片置于水相中，进行硅纳米阵列的表面包裹，具体步骤为：

（1）依次将CTAB、NaOH溶解在水中，获得澄清溶液，控制温度为50-70 ℃；

（2）加入基片，继续50-70 ℃搅拌；

（3）加入环己烷和TEOS的混合溶液；

（4）控制温度为50 ~ 70 ℃，反应36-48 h小时；

（5）反应结束后，取出基片，洗涤，得到在基片上生长的二氧化硅纳米阵列层；所述二氧化硅纳米阵列的高度为8-46 nm，分布密度为210-3100 /μm²。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述基片选自玻璃片、硅片、玻璃管、玻璃棒、微流控芯片；当基片采用玻璃管时，二氧化硅纳米阵列生长在玻璃管的外壁和内壁。

3. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，控制CTAB浓度为0.01 -2wt.%；控制NaOH浓度为0.005 -0.01 wt.%。

4. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，控制环己烷、TEOS和水的体积比为6 : 1-2 : 15-25。

5.根据权利要求1-4之一所述的制备方法，其特征在于，通过调节CTAB的浓度，控制二氧化硅纳米阵列在基底上的分布密度；随着CTAB浓度的逐渐增加，二氧化硅纳米阵列的密度相应逐渐增大。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，其特征在于，控制CTAB浓度从0.25wt.%增加到1.0 wt.%，二氧化硅纳米阵列分布密度迅速增加，即从210个纳米刺/μm²增加到2550个纳米刺/μm²；相邻二氧化硅纳米峰之间的平均距离从21 nm减小到11 nm；CTAB浓度从1.0 wt.%进一步增加到2.0 wt.%，二氧化硅纳米阵列的分布密度增加到达3100纳米刺/μm²，相邻二氧化硅纳米峰之间的平均距离减小到5 nm。

7. 由权利要求1-6之一所述制备方法得到的形貌可控的二氧化硅纳米阵列，该纳米阵列的高度为8-46 nm，分布密度为210-3100 /μm²。

8.如权利要求7所述的形貌可控的二氧化硅纳米阵列在制备全血中分离肿瘤细胞的装置中应用。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，由生长了所述二氧化硅纳米阵列的玻璃棒和玻璃管，嵌套组合成肿瘤细胞分离装置。