一种生物基介孔碳微球的制备方法及其在5‑氟尿嘧啶缓释中的应用与流程

本发明属于废弃生物质资源化与药物缓释载体开发领域，主要涉及生物基介孔碳微球的制备方法及其在抗癌药物5-氟尿嘧啶缓释中的应用。

背景技术：

介孔碳材料的开发在材料科学领域中一直是重要的前沿课题。近几年，介孔碳材料已被广泛用作吸附剂、储能材料、催化剂载体以及药物缓释剂。目前，软/硬模板策略是许多科学家广泛认可的合成介孔碳材料的方法。然而，高成本原料的使用及繁琐的操作步骤严重限制了通过软/硬模板策略制备的介孔碳材料的实际应用。

生物质水热碳化是一种制备碳材料的低成本环保策略。具有球形微观结构和芳香碳骨架的碳材料可通过葡萄糖、果糖、木糖、糠醛、蔗糖等一些单组份生物质的水热碳化过程轻松制得。更重要的是，一些科学家直接使用粗废弃生物质为原料通过水热碳化技术成功制备出具有潜在应用价值的碳材料。粗废弃生物质的循环再利用不但降低了碳材料的生产成本而且有利于环境保护。然而，由于粗废弃生物质的成分复杂，直接使用粗废弃生物质为原料通过水热碳化技术制备的碳材料普遍存在杂质多、形貌差等问题。

与软/硬模板策略相比，氢氧化钾化学活化是制备多孔碳材料的一种低成本且简单的策略。然而，通过氢氧化钾化学活化策略只能制备出微孔碳材料。在吸附、储能、催化以及药物缓释过程中，由于微孔结构增加了碳材料与目标分子之间的传质阻力，因此通过氢氧化钾化学活化策略制备的多孔碳材料的实际应用受到严重限制。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种生物基介孔碳微球的制备方法，并将所制备生物基介孔碳微球应用于抗癌药物5-氟尿嘧啶的缓释。

本发明是这样来工作和实施的，一种生物基介孔碳微球的制备方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

（1）分别将一定量废弃油茶果壳粉末和间苯三酚加入至去离子水中，充分溶胀后将悬浊液转移至聚四氟乙烯内衬不锈钢水热反应釜中进行水热反应；

（2）以水作溶剂，经索氏提取和超声-微波协同萃取步骤后，制得芳香碳微球；

（3）在氩气气氛下，将所制备芳香碳微球进行退火处理，制得退火碳微球；

（4）将所制备退火碳微球置于氢氧化钾水溶液中剧烈搅拌3h，然后置于60℃烘箱中将悬浊液中的水分蒸干；

（5）在氩气气氛下，将退火碳微球和氢氧化钾的混合物煅烧，用水洗至中性后制得微孔碳微球；

（6）将所制备微孔碳微球继续按步骤（4）和（5）进行处理，最终制得介孔碳微球；

（7）通过场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜以及氮气孔隙率分析表征证明，经由上述（1）~（6）步骤可成功将废弃油茶果壳转化为介孔碳微球。

步骤（1）所使用的原料为废气油茶果壳粉末，间苯三酚、油茶果壳粉末、去离子水的质量比为1：4：150，水热反应釜的填充度为60%，水热反应温度为230℃，水热反应时间为24h，水热反应升温速率为1℃/min。

步骤（3）中的退火温度为650℃，退火时间为2h，升温速率为5℃/min。

步骤（4）中退火碳微球、氢氧化钾、去离子水的质量比为1：2：20。

步骤（5）中的煅烧温度为850℃，煅烧时间为2h，升温速率为5℃/min。

作为一种药物缓释载体，本发明所制备生物基介孔碳微球可应用于抗癌药物5-氟尿嘧啶的缓释，操作步骤如下：

（1）将一定量介孔碳微球和一定浓度5-氟尿嘧啶水溶液混合，室温下剧烈震荡24h后，过滤收集吸附饱和的介孔碳微球并在60℃下真空干燥12h。

（2）将吸附饱和的介孔碳微球转移至烧杯中，在流速为0.5 mL/min条件下向烧杯中缓慢加水。由于吸附质在溶剂和吸附剂之间存在浓度差，因此5-氟尿嘧啶可从吸附饱和的介孔碳微球中缓释出来。

（3）用高效液相色谱法监测介孔碳微球对5-氟尿嘧啶的吸附及缓释效果。

为使介孔碳微球对5-氟尿嘧啶的负载达到极值，步骤（1）中介孔碳微球和5-氟尿嘧啶在水相中的质量分数均应为800 mg/L。

本发明的优点在于：在间苯三酚的结构导向作用下，通过水热碳化技术成功将废弃油茶果壳直接转化为形貌完美的芳香碳微球，然后通过退火处理和两次氢氧化钾化学活化过程成功将所制备芳香碳微球转化为介孔碳微球；介孔结构的成功构建，使所制备材料具有超大比表面积（2081 m²/g）以及对5-氟尿嘧啶的超高吸附容量（480.9 mg/g）；由于在介孔碳微球的制备中使用了粗废弃生物质原料，因此与介孔二氧化硅等传统药物缓释载体相比，所制备材料具有更强的生物兼容性；作为一种药物缓释载体，小尺寸球形微观结构的构建使所制备材料有望实现生物细胞内缓释；简单的制造工艺和低成本原料的使用，使所制备生物基介孔碳微球药物缓释载体的成本显著降低，因此适合大规模生产。

附图说明

图1为通过实施例1中的方法制备出的生物基介孔碳微球的场发射扫描电子显微镜（a和b）和透射电子显微镜（c）照片。从图1a中可以看出，所制备生物基介孔碳微球具有完美的球形微观结构。从图1b和1c中可以看出，通过退火处理和两次氢氧化钾化学活化过程成功在碳微球表面构建了介孔结构。

图2为通过实施例1中的方法制备出的生物基介孔碳微球的氮气吸附-脱附等温线及孔径分布曲线。图2a中具有H2滞留环的IV型等温线表明，退火处理和两次氢氧化钾化学活化后，介孔结构在碳微球表面成功构建。从图2b中可以看出，所制备生物基介孔碳微球具有均一的孔尺寸，最可几孔径为3.6 nm。

图3为所制备生物基介孔碳微球对5-氟尿嘧啶的吸附及缓释动力学曲线。从图3a中可以看出，由于具有介孔结构和超大比表面积，所制备生物基介孔碳微球对水中5-氟尿嘧啶的吸附具有极高的容量和极快的速率。从图3b中可以看出，在向烧杯中缓慢加水过程中，由于吸附质在溶剂和吸附剂之间存在浓度差，5-氟尿嘧啶可从吸附饱和的介孔碳微球中缓释出来，缓释百分率可达67.4%。

具体实施方式

实施例1

将回收的废弃油茶果壳用水洗净并在60℃下烘干12h，然后放入破碎机中粉碎，过200目筛后密闭保存。分别将1.6g油茶果壳粉末和0.4g间苯三酚加入至60ml去离子水中，然后用500W超声波清洗器超声分散1h。在室温下搅拌6h后，将悬浊液转移至容积为100ml的聚四氟乙烯内衬不锈钢水热反应釜中，在230℃下水热反应24h，水热反应的升温速率为1℃/min。反应结束后，以水作溶剂，经索氏提取和超声-微波协同萃取步骤制得芳香碳微球。在氩气气氛下，将所制备芳香碳微球在650℃升温速率为5℃/min条件下进行退火处理2h，制得退火碳微球。将0.3g所制备退火碳微球和0.6g氢氧化钾置于6mL水中，剧烈搅拌3h后将悬浊液置于60℃烘箱中将水分蒸干。在氩气气氛下，将退火碳微球和氢氧化钾的混合物在850℃升温速率为5℃/min条件下煅烧2h，用水洗至中性后制得微孔碳微球。将所制备微孔碳微球继续按上述氢氧化钾化学活化步骤进行处理，微孔在活化过程中扩张为介孔，最终制得介孔碳微球。通过场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜以及氮气孔隙率分析来表征所制备材料的形貌和介孔结构。结果表明，所制备材料具有完美的球形微观结构和尺寸均一的介孔结构（图1和图2）。

实施例2

将40mg所制备生物基介孔碳微球和50mL浓度为800 mg/L的5-氟尿嘧啶水溶液混合。室温下剧烈震荡24h后，过滤收集吸附饱和的介孔碳微球并在60℃下真空干燥12h。将吸附饱和的介孔碳微球转移至烧杯中，在流速为0.5 mL/min条件下向烧杯中缓慢加水，使5-氟尿嘧啶从吸附饱和的介孔碳微球中缓释出来。用高效液相色谱法监测介孔碳微球对5-氟尿嘧啶的吸附及缓释效果。结果表明，由于具有介孔结构和超大比表面积，所制备生物基介孔碳微球对水中5-氟尿嘧啶的吸附具有极高的容量和极快的速率（图3a）。在向烧杯中缓慢加水过程中，由于吸附质在溶剂和吸附剂之间存在浓度差，5-氟尿嘧啶可从吸附饱和的介孔碳微球中缓释出来，缓释百分率可达67.4%（图3b）。