一种介孔硅纳米颗粒、制备方法及应用与流程

本发明涉及止血材料制备领域，具体为一种介孔硅纳米颗粒、制备方法及应用。

背景技术：

外伤出血是常见的伤情之一，其中过度失血是战争当中死亡的主要原因。无论在战时还是平时，过度失血占早期创伤死亡的80％。美国陆军外科研究所数据显示，院前出血导致的战场死亡率是所有因素的第一位，而出血导致的平时死亡率居第二位，因此院前快速止血显得尤为重要。同时，在现代战争中，感染是战争伤员受伤5天后死亡的主要原因，有资料报道战后死亡的人员中有2/3～3/4的死因与严重感染有关，因此同时具有抗菌性能的止血材料显得十分重要。

目前，根据急救止血材料应该具备的功能及要求，快速止血剂主要分为无机材料和有机高分子材料两种。其中，无机材料类主要有quikclot，woundstat，combatgauze三种产品，其主要成分别为沸石，高岭土和蒙脱石。这三种产品的止血效果按照强弱依次为woundstat，combatgauze，quikclot。但根据研究显示，这三种产品都存在着明显的不足，quikclot在使用时会产生大量的热，造成严重的热损伤，从而导致组织坏死，更为甚者它会引起从二级烧伤到需要皮肤移植程度的烧伤的热损伤；woundstat在使用后容易残留脉管和肺部从而导致血栓，而且woundstat已被证明可导致严重的血管炎症，并且在使用后无法成功修复血管损伤，现在已经被美军禁止使用；combatgauze是现在美军标配的止血剂，具有良好的止血性能和生物相容性，但存在的缺点是对原料高岭土的可控性低且其颗粒会在脉管内腔存在残留。

这几种止血材料都是利用了硅铝酸盐材料的多孔结构，大比表面积和良好的吸附能力，这为纳米材料在止血方面的研究应用提供了依据。而介孔材料具有有序且可调控的介孔孔道结构，大的比表面积和孔容，良好的吸附能力等特点，在止血领域具有相当大的应用前景，被广大研究人员所关注。课题组在前期研究了不同孔径和粒径的介孔硅颗粒的止血性能，发现大孔径的介孔硅球具有更好的止血性能。

但目前来看，仅依靠介孔硅颗粒微观结构、形貌等方面的调整在提升其止血性能方面有局限性，且纯介孔硅颗粒不具备抗菌性能。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种简洁的方法，既可提升介孔硅颗粒的止血性能，又赋予其抗菌性能，使其满足战现场出血伤员紧急救治的需求。

为了达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：

一种介孔硅纳米颗粒的制备方法，包括以下步骤：步骤1：制备平均粒径为50～55nm、平均孔径12～15nm的介孔硅纳米颗粒；步骤2：配制ca²⁺/ga³⁺混合水溶液，所述混合水溶液中ca²⁺的浓度为0.5～1m，所述混合水溶液中ga³⁺的浓度为0.25～0.5m；步骤3：将上述介孔硅纳米颗粒与混合水溶液搅拌至混合水溶液中ca²⁺和ga³⁺的溶度不变为止，其中，每克介孔硅纳米颗粒与2ml～10ml混合水溶液混合；步骤4：将步骤3中的混合物抽滤，其中抽滤物在真空干燥箱中烘干。

进一步地，步骤1中采用硬模板法制备介孔硅纳米颗粒，所述介孔硅纳米颗粒平均粒径为53nm、平均孔径为13nm。

进一步地，所述硬模板法为：将300mg十六烷基三甲基溴化铵溶于96ml去离子水中，加热至70℃并持续搅拌，整个体系使用氮气清洗1h，最后得到澄清溶液；在上述澄清溶液中加入9ml辛烷，混合液搅拌30min后，加入3.5ml甲基丙烯酸甲酯、66mg赖氨酸、3000mg正硅酸乙酯、0.84mg/ml偶氮二异丁腈咪唑盐酸盐，并在氮气下，70℃，800rpm搅拌反应4h，得到单相乳白色液体；将上述单相乳白色液体冷却至室温后静置10h，随后以15000rpm离心15min纯化，使用乙醇洗去多余有机溶剂后，600℃煅烧5h去除介孔模板，得到纯的介孔硅纳米颗粒。

进一步地，所述ca²⁺由硝酸钙提供，所述ga³⁺由硝酸镓提供。

进一步地，步骤3中，介孔硅纳米颗粒与混合水溶液在室温～65℃下搅拌，搅拌速率为500-2000r/min。

进一步地，介孔硅纳米颗粒与混合水溶液在45～60℃下搅拌；

进一步地，搅拌速率为800-1200r/min；

进一步地，搅拌速率为800-1000r/min；

进一步地，搅拌时长为2-10小时；

优选地，搅拌时长为3-6小时；

优选地，搅拌时长为2-4小时；

优选地，搅拌时长为5-6小时；

进一步地，步骤4中，所述抽滤物在真空干燥箱中80℃烘干。

一种介孔硅纳米颗粒，所述介孔硅纳米颗粒由上述的制备方法制备，所述ca²⁺和ga³⁺负载在介孔硅纳米颗粒的多孔结构中。

进一步地，所述介孔硅纳米颗粒具有抗菌性。

一种介孔硅纳米颗粒在制备止血敷料中的应用。

借由上述技术方案，本发明提出的一种介孔硅纳米颗粒、制备方法及应用至少具有下列优点：

1)同时负载镓离子和钙离子的介孔硅纳米颗粒具有最短的开始凝血时间，凝血速率和血凝块强度也远高于纯的介孔硅纳米颗粒，止血性能得到了提升。

2)所述介孔硅纳米颗粒还具有抗菌性。

3)负载钙离子和镓离子对介孔硅纳米颗粒的粒径和孔径基本没有影响，并且介孔硅纳米颗粒也没有发生团聚现象。ca²⁺和ga³⁺引入对原介孔硅微观结构基本上没有改变。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例详细说明如后。

附图说明

图1是本发明的实施例中不同的介孔硅纳米颗粒的透射电镜照片；

图2是本发明的实施例中不同的介孔硅纳米颗粒的凝血过程动态监测结果；

图3是本发明的实施例中不同的介孔硅纳米颗粒的对金黄色葡萄球菌的抑菌圈试验照片；

图4是本发明的实施例中不同的介孔硅纳米颗粒的对大肠杆菌的抑菌圈试验照片；

图5是本发明的实施例中不同的介孔硅纳米颗粒的激活部分凝血酶原时间测试结果；

图6是本发明的实施例中不同的介孔硅纳米颗粒的溶血率测试结果；

图7是本发明的实施例中不同的介孔硅纳米颗粒的细胞存活率试验结果。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合较佳实施例，对依据本发明提出的一种介孔硅纳米颗粒的制备方法具体实施方式、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。

制备方法实施例1

本实施例公开了一种介孔硅纳米颗粒的制备方法，包括以下步骤：步骤1：制备平均粒径为50～55nm、平均孔径12～15nm的介孔硅纳米颗粒；步骤2：配制ca²⁺/ga³⁺混合水溶液，所述混合水溶液中ca²⁺的浓度为1m，所述混合水溶液中ga³⁺的浓度为0.5m；步骤3：将上述介孔硅纳米颗粒与混合水溶液在室温下搅拌至混合水溶液中ca²⁺和ga³⁺的溶度不变为止，其中，每克介孔硅纳米颗粒与5ml混合水溶液混合；步骤4：将步骤3中的混合物抽滤，其中抽滤物在真空干燥箱中烘干。

负载钙/镓离子的介孔硅纳米颗粒可作为一种新型战现场急救用快速止血、抗菌的材料。ga³⁺作为一种化学治疗离子，其生物学功能已经得到美国食品和药物管理局(fda)的批准。研究发现ga³⁺有益于治疗局部感染，抑制生物膜形成并赋予游离活细菌和生物膜细胞杀菌活性。此外，研究发现硝酸镓ga(no3)3水溶液，当直接应用于开放性伤口时，似乎可以有效地立即治疗伤口和增强止血的早期阶段(凝血、血小板活化或凝块形成)，减少凝血时间。而在凝血过程中，钙离子(ca²⁺)作为参与反应的13个凝血因子之一，在凝血过程中也起到了很大的作用。ca²⁺(凝血因子iv)可以帮助诱导内源性凝血级联与其他凝血因子的活化和更新，从而加速产生足够量的凝血酶以支持早期的纤维蛋白生成，有利于纤维蛋白的连锁聚合反应和血液凝结的稳定性，而众多纤维蛋白可以组成血凝块，从而堵住创面裂口。

本实施例中，在镓离子浓度0.5m，钙离子浓度1m负载合成的介孔硅纳米颗粒为ga-ca-msn-1。图1是孔硅纳米颗粒的透射电镜照片，其中：a为纯介孔硅；b为负载镓离子的介孔硅；c为负载钙离子的介孔硅；4为负载钙/镓离子的介孔硅(ga-ca-msn-1)。由图1可以看出，介孔硅纳米颗粒的平均粒径53nm左右、平均孔径13nm左右，按本发明介孔硅纳米颗粒的制备方法，负载钙离子和镓离子对介孔硅纳米颗粒的粒径和孔径基本没有影响，并且介孔硅纳米颗粒也没有发生团聚现象。也就是说，ca²⁺和ga³⁺引入对原介孔硅微观结构基本上没有改变。

由于过长时间的搅拌会引起介孔硅纳米颗粒孔道结构破裂，改变介孔硅纳米颗粒的结构，从而影响介孔硅纳米颗粒的负载ga³⁺和ca²⁺的效果。因此，通过实时监测混合水溶液中ga³⁺和ca²⁺的浓度，在ga³⁺和ca²⁺的浓度不发生变化时，停止搅拌，能够减少对介孔硅纳米颗粒孔道结构的破裂。

进一步地，为了能够使所述介孔硅纳米颗粒的负载更多的ga³⁺和ca²⁺，本实施例中步骤1中所制备的介孔硅纳米颗粒的粒径较小的同时孔径较大，从而能够使介孔硅纳米颗粒能够负载较多ga³⁺和ca²⁺的同时，介孔硅纳米颗粒孔道结构不会被破裂。具体地，步骤1中采用硬模板法制备介孔硅纳米颗粒，所述介孔硅纳米颗粒平均粒径为53nm、平均孔径为13nm。

上述介孔硅纳米颗粒的制备方法采用硬模板法。所述硬模板法为：将300mg十六烷基三甲基溴化铵溶于96ml去离子水中，加热至70℃并持续搅拌，整个体系使用氮气清洗1h，最后得到澄清溶液；在上述澄清溶液中加入9ml辛烷，混合液搅拌30min后，加入3.5ml甲基丙烯酸甲酯、66mg赖氨酸、3000mg正硅酸乙酯、0.84mg/ml偶氮二异丁腈咪唑盐酸盐，并在氮气下，70℃，800rpm搅拌反应4h，得到单相乳白色液体；将上述单相乳白色液体冷却至室温后静置10h，随后以15000rpm离心15min纯化，使用乙醇洗去多余有机溶剂后，600℃煅烧5h去除介孔模板，得到纯的介孔硅纳米颗粒。

所述ca²⁺由硝酸钙提供，所述ga³⁺由硝酸镓提供。由于在生理环境(溶液)中，硝酸镓比较安全稳定。钙盐虽然比较多，但是引入其他阴离子有可能对镓离子造成影响，所以使用硝酸镓/硝酸钙体系，以使整个体系更加稳定。

为了提高所述ga³⁺和ca²⁺的活性，作为可以变化的实施方式，步骤3中将介孔硅纳米颗粒与混合水溶液搅拌时的温度可以为45°～60°之间的任意数值，在这个温度范围内，能够使ga³⁺和ca²⁺更加快速的负载在介孔硅纳米颗粒上。

为了进一步减少搅拌对介孔硅纳米颗粒的结构的损坏，本实施例中，步骤3中将介孔硅纳米颗粒与混合水溶液搅拌的转速可以控制在800～1000rpm之间。这样既能够保证ga³⁺和ca²⁺快速的负载在介孔硅纳米颗粒上，又能够保证介孔硅纳米颗粒的结构不被破坏。

本实施例，提供了的制备方法能够在较短时间内，制备出负载ga³⁺和ca²⁺量较多的介孔硅纳米颗粒，并且介孔硅纳米颗粒的产量也较高。

制备方法实施例2

本实施例公开了一种介孔硅纳米颗粒的制备方法，其与制备方法实施例1的区别在于：所述混合水溶液中ca²⁺的浓度为0.5m，所述混合水溶液中ga³⁺的浓度为0.25m。介孔硅纳米颗粒与混合水溶液在60℃、搅拌速率1200r/min条件下，搅拌时间6h，经检测混合水溶液中ga³⁺和ca²⁺的浓度不在发生变化。通过上述方法，在镓离子浓度0.25m，钙离子浓度0.5m负载合成的介孔硅纳米颗粒为ga-ca-msn-2。

本实施例中，为了使所述抽滤物中水分快速的蒸发，从而减少所述ga³⁺和ca²⁺的团聚现象，所述抽滤物在真空干燥箱中80℃烘干。这种方式中，水分快速被蒸发，从而ga³⁺和ca²⁺均匀的分布在介孔硅纳米颗粒中。

作为可以变化的实施方式，制备方法实施例1中的具体实施方式也可以采用在真空干燥箱中80℃烘干这种方式，以减少所述ga³⁺和ca²⁺的团聚现象。

介孔硅纳米颗粒实施例

通过上述制备方法制备的一种介孔硅纳米颗粒，所述ca²⁺和ga³⁺负载在介孔硅纳米颗粒的多孔结构中。同时负载镓离子和钙离子的介孔硅纳米颗粒凝血速度快，血凝块强度大。

图2介孔硅纳米颗粒对兔全血的凝血过程动态监测结果，也就是说，不同离子负载后的介孔硅纳米颗粒在兔全血中形成的血栓弹力测试图。从图2中我们可以看出，同时负载镓离子和钙离子的介孔硅纳米颗粒具有最短的开始凝血时间，凝血速率和血凝块强度也远高于纯的介孔硅纳米颗粒，止血性能得到了提升。图2中，纯介孔硅纳米颗粒的开始凝血时间是6.9min左右，单独负载0.5m镓离子的介孔硅纳米颗粒的开始凝血时间是5.3min左右，单独负载1m钙离子的介孔硅纳米颗粒的开始凝血时间是4.5min左右，同时负载镓离子和钙离子的介孔硅纳米颗粒(ga-ca-msn-1)的开始凝血时间是4.2min左右，(ga-ca-msn-2)的开始凝血时间是5.3min左右。

ga-ca-msn-1同时负载镓离子和钙离子的介孔硅纳米颗粒具有最短的开始凝血时间，凝血速率和血凝块强度也远高于纯的介孔硅纳米颗粒，止血性能得到了提升。也就是说，通过本发明的上述实施例的制备方法制备出的负载镓离子和钙离子的介孔硅纳米颗粒，与原介孔硅纳米颗粒相比凝血性能有了进一步的提高。并且镓离子和钙离子多组分之间有较好的配合效果，所述介孔硅纳米颗粒还具有抗菌性。

图3表明，同时负载镓离子和钙离子的介孔硅纳米颗粒对金黄色葡萄球菌具有明显的抑菌作用。图4表明，同时负载镓离子和钙离子的介孔硅纳米颗粒对大肠杆菌具有明显的抑菌作用。其中：(a)为空白对照；(b)为纯介孔硅；(c)为负载钙离子的介孔硅；(d)为负载镓离子的介孔硅；(e)为负载钙/镓离子的介孔硅。

经过不同离子负载后对所述介孔硅纳米颗粒的比表面积、凝血性能有了一定的影响，具体如下：

1)介孔硅纳米颗粒的比表面积结果

比表面积测试结果

上表中ga0.5msn为在介孔硅纳米颗粒上单独负载浓度为0.5mga³⁺后的产物，ca1msn在介孔硅纳米颗粒上单独负载浓度为1mca²⁺后的产物，ga-ca-msn-1在介孔硅纳米颗粒上同时负载浓度为0.5mga³⁺和1mca²⁺后的产物。

利用比表面积与孔隙度分析仪测试样品的比表面积结果显示，单独负载钙离子或镓离子都会明显降低介孔硅纳米颗粒的比表面积；而按比较合适的比例，同时负载钙离子和镓离子的介孔硅纳米颗粒，虽然其比表面积也会下降，但下降程度会略轻(实际下降值小于单独负载钙离子与单独负载镓离子的和)。

2)凝血时间(cbt)测定

单独负载钙离子的介孔硅纳米颗粒的凝血时间测定结果

单独负载钙离子的介孔硅纳米颗粒的凝血时间(cbt)测定，结果显示，所有负载钙离子的msn均能够有效降低cbt时间，但钙离子浓度超过1m后，负载钙离子的介孔硅纳米颗粒的cbt基本保持不变(甚至略有下降)。

单独负载镓离子的介孔硅纳米颗粒的凝血时间测定结果

单独负载镓离子的介孔硅纳米颗粒的凝血时间(cbt)测定，结果显示，镓离子浓度0.5m时，负载镓离子的介孔硅纳米颗粒的凝血时间最短；继续增大镓离子浓度，负载镓离子的介孔硅纳米颗粒的凝血时间开始增大，即：凝血性能会下降；当镓离子浓度1.5m时，负载镓离子的介孔硅纳米颗粒的凝血性能弱于纯msn。

图5表明，同时负载镓离子和钙离子的介孔硅纳米颗粒具有最短的激活部分凝血酶原时间(aptt)，其加速凝血主要通过内源性凝血途径实现。当血液与带负电荷的异物表面接触时，首先是fⅻ结合到异物表面，并被激活为fⅻa。fⅻa的主要功能是激活fⅺ成为fⅺa，从而启动内源性凝血途径。此外，fⅻa还能通过使前激肽释放酶的激活而正反馈促进fⅻa的形成。从fⅻ结合于异物表面到fⅻa的形成过程称为表面激活。表面激活还需要高分子量激肽原的参与，它作为辅因子可加速表面激活过程。

本发明的所制备的介孔硅颗粒，既可提升介孔硅颗粒的止血性能，又赋予其抗菌性能，使其满足战现场出血伤员紧急救治的需求。

止血敷料的应用实施例

本实施例提供一种介孔硅纳米颗粒在制备止血敷料中的应用的实施方式。本发明中，所述介孔硅纳米颗粒在给药后，可以迅速使止血症状得到改善，尤指其严重度得到改善，延迟发病，减缓病情进展，或减少病情持续时间。

在具体使用方面，本发明所述的介孔硅纳米颗粒可单独使用，还可与其他许多化学物质组合使用。无论这些化学物质是否具有生物活性或具有治疗疾病的功能，包括辅助功能如协同放大作用、拮抗或缓解介孔硅纳米颗粒的副作用等，这些化学物质是包括医药学上可接受的载体、食品、天然产物、化学合成药物或人类用药等中的一种或多种；优选包括医药学上可接受的载体或者食品等中的一种或多种；进一步优选医药学上可接受的载体。

通过图6和图7表明，负载镓离子和钙离子后的介孔硅纳米颗粒溶血率并没有显著变化，生物相容性良好。

其中，本发明通过cck-8染色法，分析msn浓度变化对细胞的影响。使用cck-8染色检测msn对内皮细胞增殖的影响。将内皮细胞以10000个/孔接种于96孔板中，每孔200μl培养24h。分别加入200μl320μg/ml的样品，对照组加入pbs，每孔加入200μl，培养24h。丢弃孔内液体，细胞用pbs冲洗几次后，每孔加入100μl无血清培养基和10μlcck-8溶液，细胞培养箱内培养1h。酶标仪450nm下检测吸光强度(去除背景光)。

其中溶血率和活力的计算方式如下：

溶血率(％)＝(供试品组吸收度-阴性对照度吸收度)/(阳性对照度吸收度-阴性对照组吸收度)×100

活力计算：

细胞活力(％)＝[a(加药)-a(空白)]/[a(0加药)-a(空白)]×100

a(加药)：具有细胞、cck溶液和样品溶液的孔的吸光度

a(空白)：具有培养基和cck溶液而没有细胞的孔的吸光度

a(0加药)：具有细胞、cck溶液而没有样品溶液的孔的吸光度

*细胞活力：细胞增殖活力或细胞毒性活力

由图6和图7的结果可以看出，与空白对照相比，介孔硅纳米颗粒材料均有利于细胞增殖，没有细胞毒性反应。而且，负载钙离子的介孔硅，和同时负载钙/镓离子的介孔硅，细胞增殖明显优于纯msn，证明了其极佳的生物相容性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。